基于有限元分析的電纜輸送裝置伸縮臂設(shè)計(jì)

徐文娟

(咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院工學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

0 前言

為了加快推進(jìn)港口岸電建設(shè)，需開發(fā)一種快速、簡便的裝置將船上的電源電纜吊裝到岸上，再與岸電裝置連接取電，稱這種吊裝裝置為“船用岸電電纜輸送裝置”，屬于一種輕小型起重運(yùn)輸裝置。該裝置可以自由伸縮，伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式及材料直接影響其工作性能和制造成本，本文通過軟件建模分析，設(shè)計(jì)一種截面為矩形，結(jié)構(gòu)簡單，自由伸縮，制造成本低的岸電電纜輸送裝置伸縮臂。

項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)一種單缸多節(jié)液壓推桿來驅(qū)動(dòng)的智能岸電電纜輸送裝置，工作狀況如下：該裝置不用時(shí)，收縮放置岸邊高度不超過2000mm，工作時(shí)，水平可俯仰-30°～+45°，裝置伸縮臂可以伸出總長6000mm，起吊重量達(dá)到200kg。伸縮臂由多節(jié)組成，各節(jié)段同步伸出、縮進(jìn)，伸縮自由，伸縮臂所用材料和結(jié)構(gòu)大小，將決定了單缸多節(jié)液壓推桿的設(shè)計(jì)。

1 伸縮臂3種工作狀態(tài)分析

伸縮臂是在俯仰到一定位置后開始伸出，從全縮狀態(tài)伸到完全伸出狀態(tài)，再拖著電纜回縮，或拖著電纜俯仰到一定位置后開始伸出，將電纜送置船上。為了合理設(shè)計(jì)其大小，從3種工作狀態(tài)進(jìn)行分析，即全縮狀態(tài)，伸出一半狀態(tài)和完全伸出狀態(tài)，這3種狀態(tài)具有典型的代表性。全縮狀態(tài)時(shí)伸縮臂總長為1600mm，伸出一半狀態(tài)時(shí)，伸縮臂總長為4375mm，完全伸出總長為6000mm。伸縮臂在工作過程中，固定端(最左端，也即約束端)所受應(yīng)力最大，伸縮臂的最右端(也即施力端)應(yīng)力最小。在相同起吊重量的情況下，完全伸出狀態(tài)時(shí)，伸縮臂最長，伸縮臂固定端所受的彎矩是最大的。通過分析在完全伸出狀態(tài)下，選用普通碳素鋼和鋁合金2種不同材料，伸縮臂應(yīng)力、位移，應(yīng)變的變化情況，確定伸縮臂的材料和結(jié)構(gòu)尺寸。

2 伸縮臂模型建立

根據(jù)UG三維設(shè)計(jì)圖建立有限元分析模型，為了簡化計(jì)算，方便有限元模型的建立，在建模過程中進(jìn)行如下假設(shè)及簡化：

(1)省略對靜態(tài)力學(xué)分析沒有影響或影響極小的結(jié)構(gòu)，包括伸縮臂上的小孔和倒角。

(2)對設(shè)計(jì)圖中的連接位置(機(jī)械連接及焊接)一律按理想條件下的固結(jié)進(jìn)行考慮，同時(shí)忽略機(jī)械連接中的螺栓等細(xì)微結(jié)構(gòu)。

(3)簡化原模型的一些細(xì)節(jié)，對部分尺寸進(jìn)行微調(diào)，如將一些非整數(shù)尺寸按四舍五入取整(單位mm)。

(4)全局選用標(biāo)準(zhǔn)單位為mm(長度)、N(力)，因此，其他單位統(tǒng)一為MPa(壓強(qiáng))。

2.1 材料參數(shù)

材料采用碳鋼和鋁合金2種，材料參數(shù)如下表。

表1 材料參數(shù)

2.2 模型的建立及加載

伸縮臂的截面形狀設(shè)計(jì)成矩形，如圖1所示，第一級(jí)為最小級(jí)，最小內(nèi)空截面均為200×100mm，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分及約束加載。約束為第六節(jié)伸縮臂端面的所有自由度，載荷為配重及最大起吊電纜繩重量，這里取值2000N，全局重力加速度取9.8m/s2。選用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分成62400個(gè)單元，126048個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 單級(jí)截面形狀

3 普通碳鋼伸縮臂及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析

第一級(jí)為最小級(jí)，最小內(nèi)空截面均為200×100mm，伸縮臂壁厚不同時(shí)，設(shè)計(jì)所得截面尺寸如表2所示。

表2 不同臂厚伸縮臂壁各級(jí)截面尺寸(mm)

伸縮臂壁厚t=10mm時(shí)，計(jì)算出縮臂壁總重量約為633.57kg。伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下的應(yīng)力分析云圖如圖2所示，應(yīng)力的最小值為52968.9N/m2，最大值為3.63365e+007 N/m2。

圖2 普通碳鋼伸縮臂壁厚10mm應(yīng)力分析云圖

伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下的位移分析云圖如圖3所示，合位移(URES)最小值為 0mm，最大值為 4.89826mm。

伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下的應(yīng)變分析云圖如圖4所示，對等應(yīng)變(ESTRN)最小值為2.30251e-007，最大值為 0.000113597。

圖3 普通碳鋼伸縮臂壁厚10mm位移分析云圖

圖4 普通碳鋼伸縮臂壁厚10mm應(yīng)變分析云圖

伸縮臂壁厚為8mm時(shí)，設(shè)計(jì)所得截面尺寸如表2所示，計(jì)算出縮臂壁總重量約為486.97kg。伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力分析可得，應(yīng)力(VON)的最小值為1603.75N/m2，最大值為6.60483e+007N/m2。位移分析可得，合位移(URES)最小值為 0mm，最大值為 7.7433mm。應(yīng)變分析可得，對等應(yīng)變(ESTRN)最小值為5.11521e-009，最大值為0.000151636。

伸縮臂壁厚6mm時(shí)，設(shè)計(jì)所得截面尺寸如表2所示，計(jì)算出縮臂壁總重量約為351.67kg。伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力分析可得，應(yīng)力(VON)的最小值為1904.61N/m2，最大值為7.26696e+007N/m2。位移分析可得，合位移(URES)最小值為 0mm，最大值為 10.621mm。應(yīng)變分析可得，對等應(yīng)變(ESTRN)最小值為6.39387e-009，最大值為 0.000187677。

4 鋁合金伸縮臂及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析

采用鋁合金材料，伸縮臂壁厚、截面尺寸與普通碳鋼相同時(shí)，進(jìn)行伸縮臂的設(shè)計(jì)分析。如在伸縮臂壁厚10mm時(shí)，伸縮臂壁總重量約為220kg。利用有限元靜力學(xué)分析，伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下的應(yīng)力(VON)的最小值為44791.7N/m2，最大值為44791.7N/m2；合位移(URES)最小值為 0mm，最大值為10.6557mm；對等應(yīng)變(ESTRN)最小值為5.01882e-007，最大值為 0.000225397。

5 數(shù)據(jù)分析

綜合2種材料的不同壁厚進(jìn)行分析，所得數(shù)據(jù)如下表3所列。根據(jù)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力、位移、應(yīng)變分析。

表3 應(yīng)力、位移、應(yīng)變分析表

5.1 應(yīng)力分析

同種壁厚情況下，碳鋼伸縮臂自重是鋁合金約3倍。碳鋼的屈服應(yīng)力為2.206e+008N/m2，鋁合金的屈服應(yīng)力為2.757e+007N/m2。伸縮臂工作時(shí)外加載荷主要集中在伸縮臂伸出的頂端，從應(yīng)力云圖看出，伸縮臂最左固定端(約束端)所受應(yīng)力最大，伸縮臂的最右施力端應(yīng)力最小。鋁合金材料的伸縮臂只有壁厚為10mm的狀態(tài)下滿足應(yīng)力要求，當(dāng)壁厚為8mm的時(shí)候最大應(yīng)力為4.63e+7N/m2，遠(yuǎn)大于鋁合金的屈服應(yīng)力，工作時(shí)在伸縮臂的固定端極易發(fā)生塑性變形。而碳鋼在4種壁厚情況下的最大應(yīng)力都不超過屈服應(yīng)力，不會(huì)發(fā)生塑性變形，滿足應(yīng)力要求。

5.2 位移分析

碳鋼和鋁合金的變形位移量隨著壁厚的縮小而增加，在約束端位移最小為零，受壓端位移最大，同等壁厚條件下，鋁合金的最大位移量遠(yuǎn)大于碳鋼的位移變形量。

5.3 應(yīng)變分析

從4種壁厚的碳鋼和鋁合金的應(yīng)變分析，可以看到，隨著壁厚的縮小，應(yīng)變不斷增加，且在同等壁厚的情況下，鋁合金的應(yīng)變明顯要大于碳鋼的應(yīng)變，這符合碳鋼和鋁合金的材料性能，也與2種材料的應(yīng)力和位移分析結(jié)果相符合一致。

6 結(jié)論

根據(jù)伸縮臂在完全伸出工作狀態(tài)下的有限元的應(yīng)力應(yīng)變情況，從應(yīng)力的分析來看，選用鋁合金材料制造伸縮臂，要滿足工作條件，伸縮臂的尺寸大，占用空間大，制造成本高。選擇普通碳鋼制造伸縮臂，4種壁厚情況下，應(yīng)力都滿足要求，但是對于本研究的伸縮臂而言，伸縮臂在工作伸縮時(shí)，各段都有位移變形，若彈性位移過大，影響伸縮臂的正常伸縮。綜合考慮伸縮臂的自重、位移及應(yīng)力應(yīng)變，選擇壁厚為6mm的碳鋼作為伸縮臂的制造材料更為合理。