基于ADMAS和Workbench的高空作業(yè)臂性能仿真分析

李向良

(河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

基于ADMAS和Workbench的高空作業(yè)臂性能仿真分析

李向良

(河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

建立作業(yè)臂的ADMAS虛擬樣機(jī)模型，對工作臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到其動(dòng)態(tài)特性曲線，由仿真結(jié)果可知工作臂運(yùn)行過程較平穩(wěn)。同時(shí)在兩種危險(xiǎn)工況下進(jìn)行整機(jī)的有限元分析，得到應(yīng)力分布和應(yīng)變分布，并根據(jù)應(yīng)力最大位置處的受力曲線，以最大載荷分別對中臂和下臂進(jìn)行加載，進(jìn)行靜力分析，結(jié)果表明最大應(yīng)力點(diǎn)受最大載荷時(shí)仍然滿足設(shè)計(jì)要求。

高空作業(yè)車；工作臂；ADMAS；動(dòng)力學(xué)；有限元分析

高空作業(yè)車需要載人進(jìn)行作業(yè)，因此其工作安全性受到越來越多的關(guān)注。當(dāng)前因高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的安全事故時(shí)有發(fā)生，因此對其性能的研究也就顯得更加重要。曹龍龍[1]對高空作業(yè)車的臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，并對臂架的截面進(jìn)行優(yōu)化，為臂架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考；馬軍[2]等人對作業(yè)車的工作裝置進(jìn)行了整體的有限元分析，并對工作臂臂厚尺寸進(jìn)行優(yōu)化，提高了整體性能。本文利用ADMAS和ANSYS Workbench軟件[3-5]，對高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)與有限元仿真，研究結(jié)果為高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考。

1 工作裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

高空作業(yè)車工作裝置見圖1。各臂間相互鉸接在一起，由各液壓缸提供驅(qū)動(dòng)，通過液壓缸的伸縮變化實(shí)現(xiàn)舉升運(yùn)動(dòng)[6]。各液壓缸的最大位移決定了各作業(yè)臂的最大工作角度。

圖1 高空作業(yè)車工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic Diagram of the Working Device of Aerial Work Vehicle

2 高空作業(yè)車工作裝置的動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 工作臂的虛擬樣機(jī)模型

在三維建模軟件Pro/E中建立工作臂模型，然后導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。模型在導(dǎo)入到ADAMS中后，之前的約束條件都消失，需要我們手動(dòng)設(shè)置約束及構(gòu)件材料等。在回轉(zhuǎn)平臺(tái)與地面之間添加固定副，在各臂間的鉸接處以及液壓缸與臂體的鉸接處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，液壓缸缸筒與活塞桿之間添加移動(dòng)副。如圖2所示為ADAMS中的工作臂虛擬樣機(jī)。

圖2 高空作業(yè)車工作臂虛擬樣機(jī)Fig.2 Virtual Prototype of the Working Arm of Aerial Vehicle

2.2 工作裝置的動(dòng)力學(xué)仿真

作業(yè)臂的起升過程可分為四個(gè)階段：上臂舉升到與中臂平齊的位置、中臂舉升、下臂舉升到最大工作角度、中臂繼續(xù)舉升到最高工作高度。使用STEP函數(shù)來控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，分別為各個(gè)液壓缸添加位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)。下臂液壓缸驅(qū)動(dòng)：STEP(time，40，0，60，1 000 )；中臂液壓缸驅(qū)動(dòng)：STEP( time，20，0，40，750 )+STEP( time，60，0，80，550 )；上臂液壓缸驅(qū)動(dòng)：STEP( time，0，0，20，400 )。仿真時(shí)需在上臂與作業(yè)平臺(tái)鉸接處添加端部載荷，可由下式來計(jì)算：

式中φ—載重系數(shù)，取1.2；G—工作平臺(tái)自重，取2 000 N；Q2——工作平臺(tái)最大載荷，取2 500 N。

計(jì)算得端部載荷為5 400 N。設(shè)置仿真時(shí)間為

圖3 各液壓缸位移曲線Fig.3 Displacement Curves of Hydraulic Cylinders

各液壓缸驅(qū)動(dòng)力如圖4所示，上臂液壓缸最大驅(qū)動(dòng)力出現(xiàn)在20 s時(shí)，最大為21 977 N，中臂液壓缸最大驅(qū)動(dòng)力出現(xiàn)在79.36 s時(shí)，最大為143 120 N，下臂液壓缸最大驅(qū)動(dòng)力出現(xiàn)在40 s時(shí)，為80 689 N，40 s到60 s時(shí)下臂舉升工作，由圖可知隨著舉升角度的增大，下臂液壓缸驅(qū)動(dòng)力越來越小，這是因?yàn)殡S著舉升角度的增大，回轉(zhuǎn)平臺(tái)承受的下臂壓力越來越大，因此所需液壓缸驅(qū)動(dòng)力就越來越小。

圖4 各液壓缸驅(qū)動(dòng)力曲線Fig.4 Hydraulic Cylinder Driving Force Curve

圖5為作業(yè)臂工作平臺(tái)的位移、速度、加速度曲線，作業(yè)平臺(tái)相對于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大起升高度為15.7 m，上升過程比較平穩(wěn)，說明工作裝置運(yùn)行穩(wěn)定。由加速度曲線可知，在各工作階段變換時(shí)，加速度急劇增大，然后緩慢下降，這說明不同工作階段轉(zhuǎn)換時(shí)工作臂速度有突變，這和作業(yè)臂工作時(shí)的啟動(dòng)、制動(dòng)情況相符合。80 s，仿真步長為1 000，仿真得到各液壓缸位移曲線如圖3所示。由位移曲線可知，下臂液壓缸最大位移為1 000 mm，中臂液壓缸20 s時(shí)開始工作，在80 s時(shí)達(dá)到最大位移1 300 mm，上臂液壓缸最先開始工作，到20 s時(shí)最大位移為400 mm。

圖5 工作平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性曲線Fig.5 Dynamic Characteristics of the Working Platform

通過建立作業(yè)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，仿真分析了工作裝置工作時(shí)的各液壓缸位移、驅(qū)動(dòng)力以及工作平臺(tái)的位移、速度、加速度等動(dòng)態(tài)特性曲線，結(jié)果表明工作裝置運(yùn)行穩(wěn)定，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符。

3 作業(yè)臂的有限元仿真分析

3.1 工況的選擇

高空作業(yè)車實(shí)際工作時(shí)，在最大工作半徑和最大工作高度兩種工作狀態(tài)是比較危險(xiǎn)的工況。因此在進(jìn)行有限元分析的時(shí)候選擇這兩種工況進(jìn)行分析。

3.2 有限元模型的建立

將Pro/E建立的三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，給模型添加載荷和約束條件，將工作平臺(tái)與連接構(gòu)件自重以及最大工作載荷共5 400 N加載到上臂與工作平臺(tái)連接處，方向?yàn)閅軸負(fù)方向，在工作臂側(cè)面添加風(fēng)載荷120 Pa，在液壓缸與各臂的鉸接處約束UX、UY、UZ三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和ROTX、ROTY兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在其他鉸接處添加同樣的約束，在回轉(zhuǎn)平臺(tái)下底面添加固定約束[1，7-9]。對兩種工況下模型自動(dòng)劃分網(wǎng)格，如圖6所示。

圖6 有限元模型劃分網(wǎng)格Fig.6 Mesh of Finite Element Model

3.3 有限元分析

對高空作業(yè)車的上車部分進(jìn)行整機(jī)的有限元分析，得到其應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖(圖7、圖8)。由仿真圖可知，最大工作半徑時(shí)，作業(yè)臂最大應(yīng)力為193.71 MPa，位于中臂液壓缸與中臂鉸接耳板處，最大變形位于上臂端部，最大變形量為41.644 mm，最高工作高度時(shí)，作業(yè)臂最大應(yīng)力為107.91 MPa，位于中臂液壓缸與下臂鉸接處。最大變形同樣在上臂上端部，變形量為33.896 mm。由仿真結(jié)果可知，作業(yè)臂在危險(xiǎn)工況下應(yīng)力與應(yīng)變均在允許的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 最大工作半徑工況靜力仿真圖Fig.7 Static Simulation of Maximum Working Radius

圖8 最大工作高度工況靜力仿真圖Fig.8 Static Simulation of Maximum Working Height

由仿真結(jié)果可知，在兩種工況下中臂與中臂液壓缸鉸接處和中臂液壓缸與下臂鉸接處應(yīng)力值最大，因此我們通過ADAMS仿真得到兩鉸接處的受力曲線，如圖9所示，得到各鉸接處受到的最大載荷，用鉸接處最大載荷分別對中臂和下臂加載，得到其應(yīng)力云圖，如圖10所示。由應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力點(diǎn)受到最大載荷時(shí)，作業(yè)臂仍滿足應(yīng)力要求，設(shè)計(jì)合理。

圖9 最大應(yīng)力點(diǎn)處受力曲線Fig.9 The Force Curve in the Maximum Stress Position

圖10 中臂和下臂應(yīng)力云圖Fig.10 Stress Nephogram of Middle Arm and Lower Arm

4 結(jié)論

1）對臂架工作過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，結(jié)果表明臂架運(yùn)行平穩(wěn)，可滿足工作要求。

2）進(jìn)行整機(jī)的有限元分析，結(jié)果表明最大應(yīng)力位置受最大載荷時(shí)仍滿足應(yīng)力要求。

3）通過運(yùn)用ADMAS和ANSYS兩種軟件對高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明此種方法是研究高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)性能的一種有效途徑。

[1] 曹龍龍.高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

[2] 馬 軍，彭 博，路 迪.高空作業(yè)車工作裝置整體性能有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2015(6)：56-60.

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[9] 王 南，王 晶，平恩順.基于ADAMS/Car的雙橫臂懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，27(4)：55-58.

Performance simulation analysis of high altitude operation arm based on ADMAS and Workbench

LI Xiangliang
(School of Mechanical and Equipment Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)

The virtual prototype model of ADMAS is established，and the dynamic simulation is performed，the dynamic characteristic curve is obtained. The simulation results show that the operating process of the working arm is relatively stable. At the same time，the fi nite element analysis is carried out under two kinds of dangerous conditions，the stress distribution and strain distribution are obtained.According to the stress curve of the maximum stress position，the maximum load is used to load the middle arm and the lower arm respectively，static analysis is made. The results show that the maximum should still meet the requirements by the maximum load point，which provides a reference for optimizing the design of aerial vehicles.

overhead working truck；work arm；ADMAS；dynamics； fi nite element analysis

TH21

A

1673-9469（2017）04-0099-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.022

2017-09-06 特約專稿

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD20131079)

李向良(1990-)，男，河北衡水人，碩士研究生，主要從事液壓傳動(dòng)與機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。