基于有限元分析的电缆输送装置伸缩臂设计

贾明中

摘要：低压岸电电缆输送装置是岸电设施的一个重要组成部分，开发一种智能电液驱动船用岸电电缆输送装置，为企业节约成本，加快推进港口岸电建设。本文通过软件建模分析，设计一种矩形截面，结构简单，自由伸缩，制造成本低的岸电电缆输送装置伸缩臂。

关键词：伸缩臂;应力;位移;应变;分析

为了加快推进港口岸电建设，需开发一种快速、简便的装置将船上的电源电缆吊装到岸上，再与岸电装置连接取电，称这种吊装装置为“船用岸电电缆输送装置”，属于一种轻小型起重运输装置。该装置可以自由伸缩，伸缩臂的结构形式及材料直接影响其工作性能和制造成本，本文通过软件建模分析，设计一种截面为矩形，结构简单，自由伸缩，制造成本低的岸电电缆输送装置伸缩臂。

项目研究设计一种单缸多节液压推杆来驱动的智能岸电电缆输送装置，工作状况如下：该装置不用时，收缩放置岸边高度不超过2000mm，工作时，水平可俯仰-30°～+45°，装置伸缩臂可以伸出总长6000mm，起吊重量达到200Kg。伸缩臂由多节组成，各节段同步伸出、缩进，伸缩自由，伸缩臂所用材料和结构大小，将决定了单缸多节液压推杆的设计。

1 伸缩臂三种工作状态分析

伸缩臂是在俯仰到一定位置后开始伸出，从全缩状态伸到完全伸出状态，再拖着电缆回缩，或拖着电缆俯仰到一定位置后开始伸出，将电缆送置船上。为了合理设计其大小，从三种工作状态进行分析，即全缩状态，伸出一半状态和完全伸出状态，这三种状态具有典型的代表性。全缩状态时伸缩臂总长为1600mm，伸出一半状态时，伸缩臂总长为4375mm，完全伸出总长为6000mm。伸缩臂在工作过程中，固定端（最左端，也即约束端）所受应力最大，伸缩臂的最右端（也即施力端）应力最小。在相同起吊重量的情况下，完全伸出状态时，伸缩臂最长，伸缩臂固定端所受的弯矩是最大的。通过分析在完全伸出状态下，选用普通碳素钢和铝合金两种不同材料，伸缩臂应力、位移，应变的变化情况，确定伸缩臂的材料和结构尺寸。

2 伸缩臂模型建立

根据UG三维设计图建立有限元分析模型，为了简化计算，方便有限元模型的建立，在建模过程中进行如下假设及简化：

（1）省略对静态力学分析没有影响或影响极小的结构，包括伸缩臂上的小孔和倒角。

（2）对设计图中的连接位置（机械连接及焊接）一律按理想条件下的固结进行考虑，同时忽略机械连接中的螺栓等细微结构。

（3）简化原模型的一些细节，对部分尺寸进行微调，如将一些非整数尺寸按四舍五入取整（单位mm）。

（4）全局选用标准单位为mm（长度）、N（力），因此，其他单位统一为MPa（压强）。

2.1 材料参数

材料采用碳钢和铝合金两种，材料参数如下表。

2.2 模型的建立及加载

伸缩臂的截面形状设计成矩形，如图1所示，第一级为最小级，最小内空截面均为200×100mm，然后进行网格划分及约束加载。约束为第六节伸缩臂端面的所有自由度，载荷为配重及最大起吊电缆绳重量，这里取值2000N，全局重力加速度取9.8m/s2。选用六面体单元进行网格划分成62400个单元，126048个节点。

3 鋁合金伸缩臂及结构数据分析

采用铝合金材料，伸缩臂壁厚、截面尺寸与普通碳钢相同时，进行伸缩臂的设计分析。如在伸缩臂壁厚10mm时，伸缩臂壁总重量约为220kg。利用有限元静力学分析，伸缩臂在完全伸出状态下的应力（VON）的最小值为44791.7 N/m2，最大值为44791.7 N/m2;合位移（URES）最小值为 0 mm，最大值为10.6557 mm;对等应变（ESTRN）最小值为5.01882e-007，最大值为 0.000225397 。

4 数据分析

综合两种材料，不同壁厚，进行分析，所得数据如下表3所列。根据表中数据进行应力、位移、应变分析。

5 结论

根据伸缩臂在完全伸出工作状态下的有限元的应力应变情况，从应力的分析来看，选用铝合金材料制造伸缩臂，要满足工作条件，伸缩臂的尺寸大，占用空间大，制造成本高。选择普通碳钢制造伸缩臂，四种壁厚情况下，应力都满足要求，但是对于本研究的伸缩臂而言，伸缩臂在工作伸缩时，各段都有位移变形，若弹性位移过大，影响伸缩臂的正常伸缩。综合考虑伸缩臂的自重、位移及应力应变，选择壁厚为6mm的碳钢作为伸缩臂的制造材料更为合理。

参考文献：

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[2] 兰希园.窄缝焊接工艺焊缝等效应力有限元分析[J].宜春学院学报，2017（09）.

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（作者单位：山东济宁圣地电业集团有限公司金乡金地电力安装分公司）