一種曲臂結(jié)構(gòu)多姿態(tài)調(diào)整及分析

孫榮武，鄭繼平，文曉林，黃思培，李明

（湖南星邦智能裝備股份有限公司，長(zhǎng)沙 410600）

0 引言

曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)以其能避開(kāi)障礙物、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受市場(chǎng)青睞。在曲臂結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中，需要根據(jù)各種工況調(diào)整臂架及工作欄的姿態(tài)進(jìn)行分析。在臂架姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中，前處理工作量大、效率低下。鐘志宏[1]對(duì)泵車(chē)多姿態(tài)分析進(jìn)行了研究。孫武和[2]對(duì)泵車(chē)臂架結(jié)構(gòu)有限元分析及參數(shù)化進(jìn)行了相關(guān)探索。高旭宏等[3]對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)臂架進(jìn)行了仿真計(jì)算。然而這些臂架姿態(tài)調(diào)整，都是建立在完整的網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上的，如果計(jì)劃模型改變，則必須重新劃分網(wǎng)格，對(duì)臂架連接進(jìn)行重新定義，工作量大，較為繁瑣。對(duì)于高空作業(yè)平臺(tái)臂架多姿態(tài)工況快速調(diào)整的方法，鮮有文獻(xiàn)記載。本文采用ANSYS Worbench軟件平臺(tái)，運(yùn)用一種較簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系驅(qū)動(dòng)臂架調(diào)整姿態(tài)。僅需一次性定義連接關(guān)系、網(wǎng)格劃分和接觸定義，即可完成所有臂架姿態(tài)的分析計(jì)算。即使三維模型改變，也無(wú)需重新定義部件之間的連接，極大提升了工作效率。

1 AB18EJ曲臂結(jié)構(gòu)及工況分析

AB18EJ曲臂最大平臺(tái)高度為18 m。曲臂結(jié)構(gòu)如圖1所示。折臂油缸8驅(qū)動(dòng)折臂的伸展，主臂油缸15驅(qū)動(dòng)主臂架的變幅，伸縮臂4與基本臂5之間有伸縮油缸，伸縮臂可以在基本臂中實(shí)現(xiàn)伸縮，上調(diào)平油缸7控制工作欄1保持水平姿態(tài)。馬達(dá)2控制工作欄回轉(zhuǎn)。

圖1 AB18EJ曲臂結(jié)構(gòu)

進(jìn)行靜力學(xué)分析，基本工況如表1所示，各工況的臂架姿態(tài)如圖2所示。

表1 曲臂基本工況

圖2 各種工況的臂架姿態(tài)圖

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 材料定義

臂架材料選取HG70，銷(xiāo)軸材料選取42CrMo，軸套材料選取Q500D，軸承材料選取復(fù)合材料。材料的力學(xué)性能如表2所示。

表2 材料屬性

2.2 臂架姿態(tài)調(diào)整

2.2.1 臂架結(jié)構(gòu)建立接觸及連接

對(duì)三維模型局部作簡(jiǎn)化處理后導(dǎo)入ANSYS Workbench 仿真平臺(tái)的Mechanical環(huán)境中。對(duì)臂架各部分定義nameselection (命名選擇)，每個(gè)nameselection中代表一類(lèi)部件，例如“上連接體”中就包含上連接體總成的所有零件，“內(nèi)滑塊”中包含伸縮臂后面的滑塊，“外滑塊”中包含基本臂前部的滑塊，“shafts”中包含所有的軸，“bearings”包含所有的軸承，還可以將2個(gè)及2個(gè)以上的nameselection進(jìn)行合并操作，將“shafts”、“bearings”合并成“shafts&bearings”，便于選擇部件，如圖3（a）所示。根據(jù)命名選擇定義接觸，部件內(nèi)部為綁定接觸，如圖3（b）所示。如果各部件之間有相對(duì)滑動(dòng)，則定義接觸為摩擦接觸。轉(zhuǎn)臺(tái)、油缸、折臂、連桿、連接體臂架之間是通過(guò)銷(xiāo)軸與軸承連接，將銷(xiāo)軸與軸承之間的接觸定義為摩擦接觸。伸縮臂與基本臂之間通過(guò)滑塊實(shí)現(xiàn)伸縮，如果滑塊與伸縮臂之間存在相對(duì)移動(dòng)，則接觸狀態(tài)為摩擦接觸。定義接觸以后，再定義各部件之間的連接，如果部件之間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，則定義為revolute, 例如軸與軸承之間的連接為revolute。如果部件之間有相對(duì)移動(dòng)，則定義為T(mén)ranslational。例如油缸筒與油缸桿之間及滑塊與伸縮臂之間定義為T(mén)ranslational?；颈叟c轉(zhuǎn)臺(tái)之間定義為general，釋放6個(gè)自由度，便于臂架在升降和旋轉(zhuǎn)過(guò)程中根據(jù)不同的自由度調(diào)整姿態(tài)。如圖3（c）所示，將定義的連接組合在一起命名為“姿態(tài)調(diào)整”。

圖3 定義命名選擇、接觸和連接

2.2.2 臂架姿態(tài)調(diào)整

采用Mechanical環(huán)境下的“Configure”配置按鈕，可以使運(yùn)動(dòng)副按照參考坐標(biāo)系沿著某自由自由度方向運(yùn)動(dòng)[4]。使用這個(gè)功能可以調(diào)整臂架到任意姿態(tài)。具體操作步驟是：選擇運(yùn)動(dòng)副，點(diǎn)擊菜單欄中的“Configure”按鈕，在文本框中輸入位移數(shù)值或角度數(shù)值，即可驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副動(dòng)作。將需要調(diào)整姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)副組建成一個(gè)Group(組)，重新命名標(biāo)記，如“臂架轉(zhuǎn)動(dòng)”“飛臂轉(zhuǎn)動(dòng)”“臂架升高”“臂架伸出”等，在功能上進(jìn)行區(qū)分，如圖4所示。例如，要從姿態(tài)一調(diào)整到姿態(tài)二：第一步，打開(kāi)臂架升高文件夾，點(diǎn)擊連接副，點(diǎn)擊主菜單“Configure”按鈕，輸入高度值6500，點(diǎn)擊“Configure”，臂架就升高到指定位置；第二步，打開(kāi)臂架伸出文件夾，選擇運(yùn)動(dòng)副點(diǎn)擊主菜單中“Configure”按鈕，輸入1000，點(diǎn)擊“Configure”臂架，就可完成伸出動(dòng)作；第三步，打開(kāi)“臂架轉(zhuǎn)動(dòng)”文件夾，選擇運(yùn)動(dòng)副，將臂架向順時(shí)針轉(zhuǎn)37°。打開(kāi)“飛臂轉(zhuǎn)動(dòng)”文件夾，選擇運(yùn)動(dòng)副，將飛臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)37°。選擇工作欄與馬達(dá)之間的運(yùn)動(dòng)副，將工作欄順時(shí)針90°。姿態(tài)調(diào)整完成以后，將“姿態(tài)調(diào)整”組合抑制。然后劃分網(wǎng)格，將網(wǎng)格劃分方法及尺寸設(shè)置完成以后，可以重新調(diào)整姿態(tài)，無(wú)需重新設(shè)置網(wǎng)格劃分參數(shù)。如果三維模型需要修改時(shí)，只需點(diǎn)擊“Revert”按鈕，將臂架姿態(tài)恢復(fù)到原始狀態(tài)，在數(shù)模處理軟件中修改三維模型以后，返回到Mechanincal環(huán)境中，所有連接設(shè)置仍然可以繼續(xù)使用。此次定義的連接都放置“姿態(tài)調(diào)整”組合中，僅用于調(diào)整姿態(tài)，不參與計(jì)算，所以計(jì)算時(shí)須抑制。

圖4 臂架姿態(tài)調(diào)整

曲臂計(jì)算有9種典型工況，靜力學(xué)分析必須調(diào)整9種姿態(tài)。采用姿態(tài)調(diào)整的方法，快速完成9種姿態(tài)的調(diào)整。然后點(diǎn)擊Workbench中的Update Project就可以完成所有工況的計(jì)算。

2.3 臂架網(wǎng)格劃分

對(duì)板材采用實(shí)體-殼單元“SOLSH190”劃分兩層網(wǎng)格，對(duì)可規(guī)則的實(shí)體部分，采用實(shí)體單元“SOLID186”劃分規(guī)則的六面體網(wǎng)格。不規(guī)則單元采用高階單元?jiǎng)澐殖伤拿骟w網(wǎng)格。采用坐標(biāo)系為總體笛卡爾坐標(biāo)系。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

2.4 約束方式和載荷計(jì)算

約束及載荷：約束轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)支承結(jié)合面。對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加重力，在工作欄中施加遠(yuǎn)程力2500 N模擬額定載荷，施加遠(yuǎn)程力400 N模擬操作力，操作力方向?yàn)閮A翻力矩最大的方向。臂架側(cè)面施加10-4MPa壓力模擬風(fēng)載荷。在下調(diào)平油缸與下調(diào)平油缸筒之間建立移動(dòng)副，施加Jointload，如圖6所示。采用姿態(tài)調(diào)整的方法，將所有工況的臂架姿態(tài)調(diào)整完成。然后抑制“姿態(tài)調(diào)整”組中的連接。

圖6 臂架的約束及載荷

2.5 有限元計(jì)算

2.5.1 靜力學(xué)分析

主結(jié)構(gòu)計(jì)算按線彈性結(jié)構(gòu)進(jìn)行，有限元的基本方程為

式中：K為整體剛度矩陣；δ為節(jié)點(diǎn)位移列陣；F為節(jié)點(diǎn)載荷矩陣。

利用邊界條件，結(jié)合以上方程可以求出各節(jié)點(diǎn)的位移及各單元應(yīng)力等[5]。

對(duì)于結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析，采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，米塞斯等效應(yīng)力（Von-Mises）即σeqv應(yīng)滿足以下條件：

式中：σeqv為等效應(yīng)力，σ1、σ2、σ3分別為第1、2、3主應(yīng)力，［σ］為許用應(yīng)力強(qiáng)度。

2.5.2 接觸計(jì)算

滑塊與伸縮臂及軸與軸承之間，軸與孔之間的接觸部分的計(jì)算為非線性問(wèn)題，按照接觸算法進(jìn)行校核。ANSYS中提供了罰函數(shù)法（Pure Penalty）、拉格朗日算法（Normal Lagrange）、增廣拉格朗日算法（Augmented Lagrange），通過(guò)執(zhí)行強(qiáng)制協(xié)調(diào)進(jìn)行接觸計(jì)算[6-7]。本計(jì)算采用增廣拉格朗日法進(jìn)行接觸計(jì)算。接觸探測(cè)（Detection Method）有高斯積分點(diǎn)探測(cè)（On Gauss Points），一般比節(jié)點(diǎn)探測(cè)更準(zhǔn)確；拉格朗日和MPC法默認(rèn)是基于節(jié)點(diǎn)探測(cè)（On Nodes-Normal from Contact和On Nodes-Normal to Target）, 比高斯積分的探測(cè)點(diǎn)少[7]。對(duì)于有尖角與平面的接觸必須采用節(jié)點(diǎn)探測(cè)。所有探測(cè)方法的目的是盡量探測(cè)到接觸，形成接觸單元，減少滲透[8]。本計(jì)算采用高斯積分點(diǎn)探測(cè)。為了使探測(cè)到的高斯積分點(diǎn)更多，接觸行為設(shè)置為對(duì)稱(chēng)接觸，更易于收斂。在定義接觸時(shí)，可添加命令流，改善計(jì)算的收斂性。命令流為：keyopt,cid,n,value。其中：keyopt為關(guān)鍵字，cid為接觸編號(hào)，n為關(guān)鍵字的序號(hào)，value為關(guān)鍵字的數(shù)值。ANSYS接觸單元有豐富的關(guān)鍵字和實(shí)常數(shù)，可以模擬工程中所需要的接觸類(lèi)型及接觸參數(shù)[9]。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 曲臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

如圖7、圖8所示，以工況1為例對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行分析?；颈蹜?yīng)力為297.91 MPa，伸縮臂應(yīng)力為229.97 MPa，臂架強(qiáng)度滿足要求；上連接體應(yīng)力為356.64 MPa，為壓應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求；下連接體應(yīng)力為430.71 MPa，區(qū)域很小，強(qiáng)度滿足要求；上連桿應(yīng)力為253.65 MPa,下連桿應(yīng)力為259.52 MPa，拉桿應(yīng)力為307.08 MPa，在軸上，連桿強(qiáng)度滿足要求；下折臂為453.74 MPa，局部受壓區(qū)域很小，強(qiáng)度滿足要求，上折臂應(yīng)力為357 MPa，均在軸套局部受壓位置，強(qiáng)度滿足要求；轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力為299.23 MPa，強(qiáng)度滿足要求。對(duì)其余8種工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，下折臂軸套局部應(yīng)力集中，為壓力，強(qiáng)度均滿足要求。

圖7 主臂架及轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖

圖8 折臂應(yīng)力云圖

3.2 曲臂結(jié)構(gòu)的變形分析

對(duì)臂架的9種工況進(jìn)行分析，對(duì)工作欄側(cè)轉(zhuǎn)90°工況，校核臂架側(cè)向位移。臂架變形如表3所示。臂架最大綜合位移為544.4 mm，最大側(cè)向位移為201 mm，整體剛度和側(cè)向剛度滿足要求。

表3 臂架分析結(jié)果

4 結(jié)論

1）采用多姿態(tài)調(diào)整的方法，快速完成9種工況姿態(tài)的調(diào)整。經(jīng)分析，曲臂各部分強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。2）采用姿態(tài)調(diào)整方法僅需一次有限元前處理設(shè)置，提高前處理效率。此方法對(duì)于多姿態(tài)工況分析有借鑒意義。3）該姿態(tài)調(diào)整的方法尚有不足，需要對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將其固化到軟件界面上，使人機(jī)交互性更好、更高效。