馮輝　孟杰　張小龍

摘要：采用ANSYS有限元軟件，對在風(fēng)載荷作用下的工作臂進行結(jié)構(gòu)分析。對三維模型的建立、引入、單元類型選取、網(wǎng)格劃分、約束與負荷的處理等進行較為詳盡論述，并對各種折臂間的應(yīng)力集中進行分析，研究結(jié)果可為折臂式高空作業(yè)車工作部分的設(shè)計提供理論支持和參考。

關(guān)鍵詞：折臂；高空作業(yè)車；有限元軟件；模態(tài)分析

0? ?引言

高空作業(yè)平臺是一種將作業(yè)機具、工作人員送入指定的高空作業(yè)場所的設(shè)備，其具有工作穩(wěn)定、操作簡單、自動調(diào)整升降、安全可靠等諸多優(yōu)勢，大大提高了工作的工作效率。

保證高空作業(yè)設(shè)備的安全可靠運行，具有十分重要的現(xiàn)實意義，目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對次進行了研究。郭維城[1]采用機器人正、逆運動學(xué)求解方法，確定出曲臂式高空作業(yè)車各關(guān)節(jié)角。張林生[2]和蒙楊超[3]等人對作業(yè)平臺和臂架的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。王添羽[4]等人通過創(chuàng)新理論TRIZ的結(jié)合，總結(jié)出關(guān)于高空作業(yè)車的民用新方案。李晶[5]等人從提高生產(chǎn)質(zhì)量、降低成本出發(fā)，對關(guān)鍵部位進行非正常受力分析。蔣紅旗[6]等人根據(jù)Davenport風(fēng)速譜模擬得到了脈動風(fēng)載荷時程。

本文主要從折臂式高空作業(yè)車的臂架結(jié)構(gòu)出發(fā)，進行靜動態(tài)特性分析，對風(fēng)載荷的可靠性進行分析，采用 ANSYS Workbench軟件進行了結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，并提出改進方案。

1? ?作業(yè)臂結(jié)構(gòu)組成及原理

1.1? ?結(jié)構(gòu)組成

折臂高空作業(yè)車主要結(jié)構(gòu)包括折臂變幅機構(gòu)、伸縮臂變幅機構(gòu)、小臂伸長機構(gòu)、飛臂變幅機構(gòu)以及調(diào)整機構(gòu)[7]。下臂連接轉(zhuǎn)臺，上臂連接工作臺，在上臂的兩個關(guān)節(jié)部位都有加固板，上、下兩個臂間有一塊連結(jié)板。在上、下臂上設(shè)有液壓缸鉸點，利用液力控制下臂開閉角變化。

1.2? ?工作原理

折臂式高空作業(yè)車的工作原理如下：由折臂變幅缸5驅(qū)動、下臂3、上臂7、上拉桿6同時移動，從而完成對整個臂架的提升；伸長臂變幅桿8起到提升伸縮臂9的作用；前臂延伸缸11用于對小臂10的收縮；飛臂變幅缸12用于飛桿13翻轉(zhuǎn)，并用于提升工作平臺14。

2? ?作業(yè)臂的三維模型建立

2.1? ?導(dǎo)入實體

全車部件都采用高強度鋼結(jié)構(gòu)，具有自重輕、高強度、高韌性、高可靠性的特點。在Solid works中，利用主要技術(shù)參數(shù)，構(gòu)建工作臂的三維實體模型，并將所建立的模型轉(zhuǎn)化為步驟，并將其引入ANSYS，為其建模奠定基礎(chǔ)。

由于工作臂的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以根據(jù)實體結(jié)構(gòu)進行三維有限元分析，因此在建立模型之前，需要對其進行簡化。

在不影響計算精度的情況下，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行合理的簡化是非常有必要的。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行合理簡化，省去很多繁雜的工作，使工作量大為降低，有效縮短了設(shè)計時間，為以后的改進提供了有利的條件。在模型制作過程中，將工作臂上的一些小孔和凸緣去掉，對整體的強度和剛度影響不大，但是在網(wǎng)格分割中節(jié)約了大量的計算機資源。

2.2? ?建立有限元模型

將基座以及旋轉(zhuǎn)平臺合為一個部分，將上臂、下臂、小臂以及工作平臺都看成一個獨立部分，便于進行接下來的網(wǎng)格劃分。各臂間連接以及銷軸之間為接觸約束，建立有限元模型，對其進行結(jié)構(gòu)分析。

在對工作臂進行三維網(wǎng)格分割之前，要充分考慮到材料性質(zhì)。工作臂采用高強度鋼板，為此預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)鋼密度為7850kg/m3，泊松比為0.3。

采用Free網(wǎng)格方法劃分網(wǎng)格。由于臂長尺寸較大，而厚度較小，故采用人工設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小，上下臂和伸縮臂的單元邊長取0.1。在伸縮臂達到最大時，對工作平臺風(fēng)載作用下的模態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變進行分析。工作臺的單元邊長取0.005，最終形成的有限元模型節(jié)點數(shù)為57628，單元數(shù)為30197。

高空作業(yè)車進行作業(yè)時，受到的載荷有起吊重物重力、本身重力、側(cè)向載荷以及自然界的風(fēng)載荷等，風(fēng)載荷作用于臂架的側(cè)面。高空作業(yè)時，工作平臺因距地面最高，受到的風(fēng)載作用最大，為此研究風(fēng)載施加臂架側(cè)面時工作平臺的模態(tài)。

3? ?模態(tài)分析

在風(fēng)載條件下，對折疊臂的十二階模態(tài)進行分析計算，最終得到主要階的模態(tài)的頻率如表1所示，所對應(yīng)的一階、四階、六階、八階振型如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

由得出的各階振型可以看出，前五階模態(tài)振型都是臂架沿Y方向的振蕩，從第六階開始上下臂出現(xiàn)大的扭轉(zhuǎn)變形。第四階小臂的變形量最大，第八階上臂的變形量最大。

4? ?諧響應(yīng)分析

4.1? ?加載及約束

4.2? ?頻率響應(yīng)分析

在模態(tài)分析中，一般來說對振型的影響最大的是低階模態(tài)，而高階振型對振型的影響很小，且隨著階次的增加，對振型的影響也越來越小。因此，本文將振型分析中最早的12個頻率作為諧振響應(yīng)的頻域，即振動頻率0～250Hz之間。

在此基礎(chǔ)上，利用模式疊加方法，得到作業(yè)臂7MPa、38MPa、117MPa相應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線，如圖6、圖7、圖8所示。

由圖6、圖7、圖8響應(yīng)曲線能看出，在不同風(fēng)載下，高空作業(yè)臂的響應(yīng)規(guī)律一致，即X方向在50Hz時，振幅達到峰值。峰值的大小和風(fēng)載成線性正相關(guān)，風(fēng)載越大，振幅峰值越高。在頻率200Hz時產(chǎn)生另外的峰值。實際工作中，要注意避免外部激勵頻率落在上述頻率附近。

5? ?結(jié)束語

本文采用ANSYS有限元軟件，對在風(fēng)載荷作用下的工作臂進行結(jié)構(gòu)的分析。對三維模型的建立、引入、單元類型的選取、網(wǎng)格劃分、約束與負荷的處理等進行較為詳盡論述，并對各種折臂間的應(yīng)力集中進行分析，

由模態(tài)分析結(jié)果可以得出，系統(tǒng)固有頻率和模態(tài)階數(shù)成正相關(guān)，最大偏移量在五階出現(xiàn)峰值，故在這種情況下需要注意系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由諧響應(yīng)分析結(jié)果可以得出，在不同風(fēng)速下，X方向上的風(fēng)載和最大振幅值呈正相關(guān)。頻率響應(yīng)規(guī)律保持一致，3個風(fēng)速下均在50Hz和200Hz產(chǎn)生峰值，所以在實際工作中，要防止外部的激勵頻率落在上述頻率附近。

參考文獻

[1] 郭維城.曲臂式高空作業(yè)車正、逆運動學(xué)問題求解[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，6（4）：375-376.DOI：10.13888/j.cnki.jsie（ns）.2010.04.029.

[2] 張林生，張洪鳴，王洪祥.曲臂式高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械工程師，2020（9）：150-151.

[3] 蒙楊超，董自安，肖澤樺，王珂.曲臂式高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)設(shè)計及研究[J].流體傳動與控制，2015（1）：32-36.

[4] 王添羽，韓宇翃，吳安琪.基于TRIZ方法的曲臂式高空作業(yè)車優(yōu)化設(shè)計[J].包裝工程，2022，43（S1）：161-170.DOI：10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.S1.028.

[5] 李晶，唐蕾.折臂式高空作業(yè)車升降油缸支座底部受力分析及對臂體的影響[J].民營科技，2011（9）：196.

[6] 蔣紅旗，茅獻彪，閆靖宇.高空作業(yè)車風(fēng)致振動響應(yīng)的數(shù)值模擬研究[J].機械設(shè)計與制造，2018（1）：126-128.DOI：10.19356/j.cnki.1001-3997.2018.01.036.

[7] 王昭君，何雪浤，周振東，謝里陽.基于ADAMS的折臂式高空作業(yè)車展開作業(yè)穩(wěn)定性分析[J].機電工程，2020，37（3）：259-263+276.

[8] 劉濤，王衛(wèi)輝，鹿飛，袁仁武.基于Workbench的箱形伸縮臂模態(tài)及諧響應(yīng)分析[J].制造業(yè)自動化，2015，37（4）：80-82+97.