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        基于有限元分析的電纜輸送裝置伸縮臂設計

        2020-06-30 15:34:30賈明中
        世界家苑 2020年4期
        關鍵詞:應變位移應力

        賈明中

        摘要:低壓岸電電纜輸送裝置是岸電設施的一個重要組成部分,開發(fā)一種智能電液驅動船用岸電電纜輸送裝置,為企業(yè)節(jié)約成本,加快推進港口岸電建設。本文通過軟件建模分析,設計一種矩形截面,結構簡單,自由伸縮,制造成本低的岸電電纜輸送裝置伸縮臂。

        關鍵詞:伸縮臂;應力;位移;應變;分析

        為了加快推進港口岸電建設,需開發(fā)一種快速、簡便的裝置將船上的電源電纜吊裝到岸上,再與岸電裝置連接取電,稱這種吊裝裝置為“船用岸電電纜輸送裝置”,屬于一種輕小型起重運輸裝置。該裝置可以自由伸縮,伸縮臂的結構形式及材料直接影響其工作性能和制造成本,本文通過軟件建模分析,設計一種截面為矩形,結構簡單,自由伸縮,制造成本低的岸電電纜輸送裝置伸縮臂。

        項目研究設計一種單缸多節(jié)液壓推桿來驅動的智能岸電電纜輸送裝置,工作狀況如下:該裝置不用時,收縮放置岸邊高度不超過2000mm,工作時,水平可俯仰-30°~+45°,裝置伸縮臂可以伸出總長6000mm,起吊重量達到200Kg。伸縮臂由多節(jié)組成,各節(jié)段同步伸出、縮進,伸縮自由,伸縮臂所用材料和結構大小,將決定了單缸多節(jié)液壓推桿的設計。

        1 伸縮臂三種工作狀態(tài)分析

        伸縮臂是在俯仰到一定位置后開始伸出,從全縮狀態(tài)伸到完全伸出狀態(tài),再拖著電纜回縮,或拖著電纜俯仰到一定位置后開始伸出,將電纜送置船上。為了合理設計其大小,從三種工作狀態(tài)進行分析,即全縮狀態(tài),伸出一半狀態(tài)和完全伸出狀態(tài),這三種狀態(tài)具有典型的代表性。全縮狀態(tài)時伸縮臂總長為1600mm,伸出一半狀態(tài)時,伸縮臂總長為4375mm,完全伸出總長為6000mm。伸縮臂在工作過程中,固定端(最左端,也即約束端)所受應力最大,伸縮臂的最右端(也即施力端)應力最小。在相同起吊重量的情況下,完全伸出狀態(tài)時,伸縮臂最長,伸縮臂固定端所受的彎矩是最大的。通過分析在完全伸出狀態(tài)下,選用普通碳素鋼和鋁合金兩種不同材料,伸縮臂應力、位移,應變的變化情況,確定伸縮臂的材料和結構尺寸。

        2 伸縮臂模型建立

        根據(jù)UG三維設計圖建立有限元分析模型,為了簡化計算,方便有限元模型的建立,在建模過程中進行如下假設及簡化:

        (1)省略對靜態(tài)力學分析沒有影響或影響極小的結構,包括伸縮臂上的小孔和倒角。

        (2)對設計圖中的連接位置(機械連接及焊接)一律按理想條件下的固結進行考慮,同時忽略機械連接中的螺栓等細微結構。

        (3)簡化原模型的一些細節(jié),對部分尺寸進行微調,如將一些非整數(shù)尺寸按四舍五入取整(單位mm)。

        (4)全局選用標準單位為mm(長度)、N(力),因此,其他單位統(tǒng)一為MPa(壓強)。

        2.1 材料參數(shù)

        材料采用碳鋼和鋁合金兩種,材料參數(shù)如下表。

        2.2 模型的建立及加載

        伸縮臂的截面形狀設計成矩形,如圖1所示,第一級為最小級,最小內空截面均為200×100mm,然后進行網格劃分及約束加載。約束為第六節(jié)伸縮臂端面的所有自由度,載荷為配重及最大起吊電纜繩重量,這里取值2000N,全局重力加速度取9.8m/s2。選用六面體單元進行網格劃分成62400個單元,126048個節(jié)點。

        3 鋁合金伸縮臂及結構數(shù)據(jù)分析

        采用鋁合金材料,伸縮臂壁厚、截面尺寸與普通碳鋼相同時,進行伸縮臂的設計分析。如在伸縮臂壁厚10mm時,伸縮臂壁總重量約為220kg。利用有限元靜力學分析,伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下的應力(VON)的最小值為44791.7 N/m2,最大值為44791.7 N/m2;合位移(URES)最小值為 0 mm,最大值為10.6557 mm;對等應變(ESTRN)最小值為5.01882e-007,最大值為 0.000225397 。

        4 數(shù)據(jù)分析

        綜合兩種材料,不同壁厚,進行分析,所得數(shù)據(jù)如下表3所列。根據(jù)表中數(shù)據(jù)進行應力、位移、應變分析。

        5 結論

        根據(jù)伸縮臂在完全伸出工作狀態(tài)下的有限元的應力應變情況,從應力的分析來看,選用鋁合金材料制造伸縮臂,要滿足工作條件,伸縮臂的尺寸大,占用空間大,制造成本高。選擇普通碳鋼制造伸縮臂,四種壁厚情況下,應力都滿足要求,但是對于本研究的伸縮臂而言,伸縮臂在工作伸縮時,各段都有位移變形,若彈性位移過大,影響伸縮臂的正常伸縮。綜合考慮伸縮臂的自重、位移及應力應變,選擇壁厚為6mm的碳鋼作為伸縮臂的制造材料更為合理。

        參考文獻:

        [1] 蘭希園.起重機軌道窄縫焊接接頭性能的有限元分析[J].焊接技術,2018(09).

        [2] 蘭希園.窄縫焊接工藝焊縫等效應力有限元分析[J].宜春學院學報,2017(09).

        [3] 易春光.基于Ansys的回轉平臺主梁多工況結構優(yōu)化及動力學分析[J].起重運輸機械,2012(07).

        (作者單位:山東濟寧圣地電業(yè)集團有限公司金鄉(xiāng)金地電力安裝分公司)

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