蒋红旗徐州师大高空作业车作业臂动力特性分析图文百精.docx
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蒋红旗徐州师大高空作业车作业臂动力特性分析图文百精
高空作业车作业臂动力特性分析
*
陈洪飞1
蒋红旗
2
(1.江苏常熟技工学校,江苏常熟215500;2.徐州师范大学机电工程学院,江苏徐州221116
摘要:
对高空作业车的作业臂进行了有限元模态分析,得出了各阶模态下作业臂的固有频率和振型,找到了作业臂
振动中的危险区域,为设计和改造提供理论依据。
关键词:
作业臂;有限元法;模态分析
中图分类号:
TH218文献标识码:
A文章编号:
1007-4414(200801-0074-02
Thedynamiccharacteristicanalysisofworkingjibforaerialworkingplatform
ChenHong-fei1
JiangHong-qi
2
(1.JiangsuChangshutechnicalschool,ChangshuJiangsu215500,China;
2.Xuzhounormaluniversity,XuzhouJiangsu221116,China
Abstract:
Thenaturalfrequenciesandmodesofvibrationoftheworkingjibareworkedoutindifferentmodesbyusingthef-initeelementmethod.Theriskvibrationzonesofjibsarefound.Thismethodofmodeanalysis,whosereliabilityhasbeencon-firmedbytheintensitymeasurement,providesbasisforthedesignandreconstructionoftheworkingjib.Keywords:
workingjib;finiteelementmethod;modeanalysis
1引言
高空作业车作业臂的设计通常采用传统的力学方法,计算复杂,且计算精度较低。
用有限元法进行结构强度和刚度分析,既准确、经济、可靠,又能得出构件在各种工况和不同截面形式下的应力分布情况。
笔者运用ANSYS软件,对GKZ型高空作业车的作业臂进行有限元模态分析,得到作业臂的模态振型与相对应的固有频率,通过固有频率与振型从整体上考虑作业臂的刚度与局部强度问题,为设计和改造提供理论依据。
2模态分析理论
[1]
在结构动力学分析中,模态分析理论是基础,它主要用于计算模型固有模态的两个基本参数:
固有频率和模态振型。
它们表明了系统自由振动的特性,对于给定的系统,系统振型向量的比值与固有频率都取
决于系统物理参数,是系统固有的。
如果知道了结构的固有频率,便可以在设计与改进时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激振频率。
另外,通过对模态振型的分析,还可以了解作业臂整体弯曲刚度和扭转刚度的分布情况。
不论何种阻尼情况,机械结构上各点对外力的响应都可以表示成由固有频率、阻尼比和振型等模态参数组成的各阶振型模态的叠加。
模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的模态参数。
根据D.Alembert原理,引入相应的惯性力,即将弹性体的
动力问题简化为相应的静力问题,其动力有限元的基本方程为:
MX+CX+KX=F(t
式中:
M为质量矩阵;K为刚度矩阵;X为位移向量;F(t为作用力向量;t为时间。
当F(t=0时,忽略阻尼C的影响,方程变为:
MX+KX=0
自由振动时,结构上各点作简谐振动,各节点位移为:
X=e
-jt
则用:
(K-2
M=0
求出特征值2
和特征向量,进一步求得系统各阶固有频率、固有振型。
3作业臂有限元模型的建立
3.1单元类型及网格划分
[2]
作业臂的实体模型在AutoCAD建立,然后导入到ANSYS中。
选用ANSYS单元库中的Solid92单元。
Solid92是有中间节点的2次10节点四面体实体单元,用于仿真3D实体结构。
每个节点具有x、y、z位移方向的3个自由度。
但由于臂主要受力矩作用,为此在选择单元类型后又增加3个转动自由度,这样可以较好地描述作业臂的变形和受力情况,对复杂的三维实体模型有较好的计算精度。
由于臂长较大,而厚度较小,为提高计算效率,人工设置网格尺寸大小,最终形成的有限元模型规模
74*收稿日期:
2007-12-03
作者简介:
陈洪飞(1972-,男,江苏常熟人,讲师,研究方向:
机械制造工艺及设备。
为:
节点数33712,单元数13524。
3.2边界条件的给定
[3]
在典型有限元模态分析中唯一有效的载荷是零位移约束,其它载荷可以在模态分析中指定,但在模态提取时将被忽略,因而只给有限元模型施加约束边界条件。
作业臂根部与回转台通过销轴铰接,同时变幅油缸与作业臂也为铰接,因此这两处均约束3个方向的平动自由度和2个方向的转动自由度,释放沿销轴中心回转的转动自由度。
4模态计算及分析
ANSYS具有强大的模态分析功能,它提供了包括Suspace(子空间法、Reduced(缩减法、Damped(阻尼法等7种模态提取方法
[1]
。
考虑到作业臂的
模型规模,选用Reduced法。
根据静态分析结果,危险工况发生在作业臂水平吊重,故选择水平工况进行
模态分析。
利用ANSYS软件中的Reduced法对作业臂的前8阶模态进行了分析计算,选取其中有显著影响的前4阶模态进行分析,其余模态作截断处理。
前4阶振型如图1~4所示,模态频率如表1所示。
表1作业臂前4阶模态频率
阶次固有频率/Hz
振型描述112.17垂直弯曲模态228.51垂直弯曲模态3105.79弯扭组合模态4
292.95
变幅油缸处的局部变形
从前4阶振型图可以看出,第1、2阶振型其振动形态表现为:
作业臂绕尾部轴线的垂直弯曲振型,这表明,当臂以该阶模态振动时,整个作业臂将产生弯曲振动。
同时从振型图还可以看出,作业臂头部位移
相对较大,最大位移12mm,这同静力分析中得出的结果一致。
第3阶振型表现为弯扭振型。
油缸铰孔处的弯曲变形幅度达18mm,甚至表现为局部变形,同时还有一定的扭转变形。
第4阶振型表现为作业臂后部的弯曲和拉压变形,在油缸铰孔处变形幅度为11mm,表现为局部变形,此时作业臂固有频率达292.95Hz,实际工作中出现的可能性较小。
通过对作业臂的模态分析可以看出,尾部油缸铰孔处强度、刚度偏弱,为危险部位,需采取措施加强该部位的强度和刚度。
5作业臂强度试验
[4]
为验证有限元建模和计算的准确性,对作业臂进行强度试验。
由于条件所限,采用静态强度试验,与有限元静态分析结果进行比较。
若试验结果与计算结果相符,说明有限元模型正确,计算结果可靠。
由于起重机需根据不同作业高度和起重量调整作业状态,故选取在额定载荷下的两种工况进行有限元分析:
工况1为作业水平最大吊重,工况2为作业臂倾斜75最大吊重。
试验中,有限元静态计算对应工况时在具有较大应力值附近布置测点,如图5所示。
为减少数据处理工作量,试验布置2组4个测点,每组2个测点,对称分布,位于油缸铰孔的支座垫板上,与有限元分析中的节点位置相对应,节点号分别为9039、8884和8789、8865。
各测点具体位置如图6
所示。
图5油缸铰孔处应力分布图6测点布置位置
表2作业臂强度测试与计算结果比较
/MPa
工况
测点位置测量值计算值误差工况1
8789
28.623.94.7886535.337.52.29039115.5103.412.18884
123.8116.6
7.2工况2
8789
45.742.13.6886543.240.13.1903956.149.26.98884
59.7
51.6
8.1
试验采用的测试系统结构为:
通过测量系统得到的各测点应变量,需先转化为应力值,然后根据第四
强度理论得到试验等效应力[5]
。
(下转第80页
75
工作,以相关的应对措施来解决设计衔接的部分问题。
设计时,形态、内外结构、人机工程、工艺等进行并行、交互设计,最终得到多种方案,各设计人员共同评价后选择了图3方案(d和(e来进一步发展。
在初步设计完成后制造出内部原型,如图4(a所示发现一些设计问题,然后解决,改进后如图4(b。
在详细设计阶段,工业设计人员用建立了方案(d和(e的三维模型,并渲染出效果如图5所示,这能为细节设计提供直观的参考,减少失误率。
最后建立数字模型,图6为工程技术人员对模型的一些关键结构进行了力学分析计算和工程优化,确保结构的稳定性,并为数字加工做好准备。
最终生产出来的产品如图7
所示。
在整个设计过程中,设计管理人员负责总体调控,这加强了各专业设计人员的沟通、协调,各种设计信息、结果得以有效管理,大大提高了设计质量和效率,该产品仅用了一个月时间就完成了设计和制造。
4结论
本文提出的这些有利于设计衔接的应对措施能对产品设计起一定的指导作用,可以解决部分衔接问题,但还需进一步深入扩展。
根据应对措施和相关
理论提出的这种设计衔接工作
图7最终产品
流程模型不仅从整体上清楚的表达了整个设计活动,还从细节上表现了各种设计活动间的相互关系和影响。
该模型有利于对设计环节进行宏观调控,有利于约束各设计人员的行为活动,明确设计任务,有利于指导设计间的协调活动。
电热开水器这一实例验证这些应对措施和设计衔接模型的有效性和合理性。
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tp
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