一种曲臂结构多姿态调整及分析

2024-02-27孙荣武郑继平文晓林黄思培李明

机械工程师 2024年2期

孙荣武，郑继平，文晓林，黄思培，李明

（湖南星邦智能装备股份有限公司，长沙 410600）

0 引言

曲臂式高空作业平台以其能避开障碍物、场地适应性强的优点越来越受市场青睐。在曲臂结构静力学分析中，需要根据各种工况调整臂架及工作栏的姿态进行分析。在臂架姿态调整过程中，前处理工作量大、效率低下。钟志宏[1]对泵车多姿态分析进行了研究。孙武和[2]对泵车臂架结构有限元分析及参数化进行了相关探索。高旭宏等[3]对高空作业平台臂架进行了仿真计算。然而这些臂架姿态调整，都是建立在完整的网格模型基础上的，如果计划模型改变，则必须重新划分网格，对臂架连接进行重新定义，工作量大，较为繁琐。对于高空作业平台臂架多姿态工况快速调整的方法，鲜有文献记载。本文采用ANSYS Worbench软件平台，运用一种较简单的运动副关系驱动臂架调整姿态。仅需一次性定义连接关系、网格划分和接触定义，即可完成所有臂架姿态的分析计算。即使三维模型改变，也无需重新定义部件之间的连接，极大提升了工作效率。

1 AB18EJ曲臂结构及工况分析

AB18EJ曲臂最大平台高度为18 m。曲臂结构如图1所示。折臂油缸8驱动折臂的伸展，主臂油缸15驱动主臂架的变幅，伸缩臂4与基本臂5之间有伸缩油缸，伸缩臂可以在基本臂中实现伸缩，上调平油缸7控制工作栏1保持水平姿态。马达2控制工作栏回转。

图1 AB18EJ曲臂结构

进行静力学分析，基本工况如表1所示，各工况的臂架姿态如图2所示。

表1 曲臂基本工况

图2 各种工况的臂架姿态图

2 结构有限元分析

2.1 材料定义

臂架材料选取HG70，销轴材料选取42CrMo，轴套材料选取Q500D，轴承材料选取复合材料。材料的力学性能如表2所示。

表2 材料属性

2.2 臂架姿态调整

2.2.1 臂架结构建立接触及连接

对三维模型局部作简化处理后导入ANSYS Workbench 仿真平台的Mechanical环境中。对臂架各部分定义nameselection (命名选择)，每个nameselection中代表一类部件，例如“上连接体”中就包含上连接体总成的所有零件，“内滑块”中包含伸缩臂后面的滑块，“外滑块”中包含基本臂前部的滑块，“shafts”中包含所有的轴，“bearings”包含所有的轴承，还可以将2个及2个以上的nameselection进行合并操作，将“shafts”、“bearings”合并成“shafts&bearings”，便于选择部件，如图3（a）所示。根据命名选择定义接触，部件内部为绑定接触，如图3（b）所示。如果各部件之间有相对滑动，则定义接触为摩擦接触。转台、油缸、折臂、连杆、连接体臂架之间是通过销轴与轴承连接，将销轴与轴承之间的接触定义为摩擦接触。伸缩臂与基本臂之间通过滑块实现伸缩，如果滑块与伸缩臂之间存在相对移动，则接触状态为摩擦接触。定义接触以后，再定义各部件之间的连接，如果部件之间有相对转动，则定义为revolute, 例如轴与轴承之间的连接为revolute。如果部件之间有相对移动，则定义为Translational。例如油缸筒与油缸杆之间及滑块与伸缩臂之间定义为Translational。基本臂与转台之间定义为general，释放6个自由度，便于臂架在升降和旋转过程中根据不同的自由度调整姿态。如图3（c）所示，将定义的连接组合在一起命名为“姿态调整”。

图3 定义命名选择、接触和连接

2.2.2 臂架姿态调整

采用Mechanical环境下的“Configure”配置按钮，可以使运动副按照参考坐标系沿着某自由自由度方向运动[4]。使用这个功能可以调整臂架到任意姿态。具体操作步骤是：选择运动副，点击菜单栏中的“Configure”按钮，在文本框中输入位移数值或角度数值，即可驱动运动副动作。将需要调整姿态的运动副组建成一个Group(组)，重新命名标记，如“臂架转动”“飞臂转动”“臂架升高”“臂架伸出”等，在功能上进行区分，如图4所示。例如，要从姿态一调整到姿态二：第一步，打开臂架升高文件夹，点击连接副，点击主菜单“Configure”按钮，输入高度值6500，点击“Configure”，臂架就升高到指定位置；第二步，打开臂架伸出文件夹，选择运动副点击主菜单中“Configure”按钮，输入1000，点击“Configure”臂架，就可完成伸出动作；第三步，打开“臂架转动”文件夹，选择运动副，将臂架向顺时针转37°。打开“飞臂转动”文件夹，选择运动副，将飞臂逆时针转37°。选择工作栏与马达之间的运动副，将工作栏顺时针90°。姿态调整完成以后，将“姿态调整”组合抑制。然后划分网格，将网格划分方法及尺寸设置完成以后，可以重新调整姿态，无需重新设置网格划分参数。如果三维模型需要修改时，只需点击“Revert”按钮，将臂架姿态恢复到原始状态，在数模处理软件中修改三维模型以后，返回到Mechanincal环境中，所有连接设置仍然可以继续使用。此次定义的连接都放置“姿态调整”组合中，仅用于调整姿态，不参与计算，所以计算时须抑制。

图4 臂架姿态调整

曲臂计算有9种典型工况，静力学分析必须调整9种姿态。采用姿态调整的方法，快速完成9种姿态的调整。然后点击Workbench中的Update Project就可以完成所有工况的计算。

2.3 臂架网格划分

对板材采用实体-壳单元“SOLSH190”划分两层网格，对可规则的实体部分，采用实体单元“SOLID186”划分规则的六面体网格。不规则单元采用高阶单元划分成四面体网格。采用坐标系为总体笛卡尔坐标系。有限元模型如图5所示。

图5 有限元模型

2.4 约束方式和载荷计算

约束及载荷：约束转台与回转支承结合面。对整体结构施加重力，在工作栏中施加远程力2500 N模拟额定载荷，施加远程力400 N模拟操作力，操作力方向为倾翻力矩最大的方向。臂架侧面施加10-4MPa压力模拟风载荷。在下调平油缸与下调平油缸筒之间建立移动副，施加Jointload，如图6所示。采用姿态调整的方法，将所有工况的臂架姿态调整完成。然后抑制“姿态调整”组中的连接。

图6 臂架的约束及载荷

2.5 有限元计算

2.5.1 静力学分析

主结构计算按线弹性结构进行，有限元的基本方程为

式中：K为整体刚度矩阵；δ为节点位移列阵；F为节点载荷矩阵。

利用边界条件，结合以上方程可以求出各节点的位移及各单元应力等[5]。

对于结构的静强度分析，采用第四强度理论进行校核，米塞斯等效应力（Von-Mises）即σeqv应满足以下条件：

式中：σeqv为等效应力，σ1、σ2、σ3分别为第1、2、3主应力，［σ］为许用应力强度。

2.5.2 接触计算

滑块与伸缩臂及轴与轴承之间，轴与孔之间的接触部分的计算为非线性问题，按照接触算法进行校核。ANSYS中提供了罚函数法（Pure Penalty）、拉格朗日算法（Normal Lagrange）、增广拉格朗日算法（Augmented Lagrange），通过执行强制协调进行接触计算[6-7]。本计算采用增广拉格朗日法进行接触计算。接触探测（Detection Method）有高斯积分点探测（On Gauss Points），一般比节点探测更准确；拉格朗日和MPC法默认是基于节点探测（On Nodes-Normal from Contact和On Nodes-Normal to Target）, 比高斯积分的探测点少[7]。对于有尖角与平面的接触必须采用节点探测。所有探测方法的目的是尽量探测到接触，形成接触单元，减少渗透[8]。本计算采用高斯积分点探测。为了使探测到的高斯积分点更多，接触行为设置为对称接触，更易于收敛。在定义接触时，可添加命令流，改善计算的收敛性。命令流为：keyopt,cid,n,value。其中：keyopt为关键字，cid为接触编号，n为关键字的序号，value为关键字的数值。ANSYS接触单元有丰富的关键字和实常数，可以模拟工程中所需要的接触类型及接触参数[9]。

3 计算结果及分析

3.1 曲臂结构强度分析

如图7、图8所示，以工况1为例对强度进行分析。基本臂应力为297.91 MPa，伸缩臂应力为229.97 MPa，臂架强度满足要求；上连接体应力为356.64 MPa，为压应力，强度满足要求；下连接体应力为430.71 MPa，区域很小，强度满足要求；上连杆应力为253.65 MPa,下连杆应力为259.52 MPa，拉杆应力为307.08 MPa，在轴上，连杆强度满足要求；下折臂为453.74 MPa，局部受压区域很小，强度满足要求，上折臂应力为357 MPa，均在轴套局部受压位置，强度满足要求；转台应力为299.23 MPa，强度满足要求。对其余8种工况进行静力学分析，下折臂轴套局部应力集中，为压力，强度均满足要求。