【正文】 況和趨勢(shì)，了解該項(xiàng)目研究的背景，并指出當(dāng)前汽車(chē)起重機(jī)存在的主要問(wèn)題，通過(guò)介紹有限元分析的意義，最終得出用ANSYS分析軟件對(duì)吊臂進(jìn)行有限元分析的必要性。 項(xiàng)目研究的背景和意義目前汽車(chē)起重機(jī)主要存在一下幾個(gè)問(wèn)題：（1）汽車(chē)起重機(jī)設(shè)計(jì)主要以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，缺乏科學(xué)的數(shù)值分析。中國(guó)汽車(chē)式起重機(jī)已經(jīng)大量使用PLC可編程集成控制技術(shù)，帶有總線接口的液壓閥塊，液壓馬達(dá)，油泵等控制和執(zhí)行元件已較為成熟，液壓和電器已實(shí)現(xiàn)了緊密的結(jié)合。汽車(chē)起重機(jī)的主要工作部分是吊臂，通過(guò)調(diào)研了解吊臂伸縮與起升的基本原理和確定吊臂所受的載荷狀態(tài)，利用起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)完成對(duì)一個(gè)額定起重量為8噸的3節(jié)伸縮式吊臂的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：各節(jié)吊臂尺寸的確立，伸縮液壓缸、鋼絲繩和滑輪及滑輪組的選擇。通過(guò)先導(dǎo)比例手柄實(shí)現(xiàn)比例輸送多種負(fù)荷的無(wú)級(jí)調(diào)速，有效防止起重作業(yè)時(shí)的二次下滑現(xiàn)象，極大的提高了起重作業(yè)的安全性、可靠性和作業(yè)效率[1,2]。 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的日趨成熟，設(shè)計(jì)人員迫切需要一種對(duì)所做的設(shè)計(jì)進(jìn)行精確評(píng)價(jià)和分析的工具，而不再僅僅依靠以往積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)去估計(jì)。與塔式起重機(jī)相比，其起升高度小，幅度小且幅度利用率低[5]。在額定起升高度以內(nèi)可選用任一伸出長(zhǎng)度，用完后將各節(jié)吊臂收藏在第一節(jié)吊臂內(nèi)，便于吊車(chē)的移動(dòng)。（c）額定總起重量：起重機(jī)在各種工況和規(guī)定使用條件下所允許起吊的最大總起重量。（6）倍率動(dòng)滑輪組的承載鋼絲繩數(shù)與引入卷筒的鋼絲繩數(shù)之比。參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》起重機(jī)利用等級(jí)表，如表32 所示，可以選擇起重機(jī)的利用等級(jí)為U5，起重機(jī)的使用情況為，經(jīng)常中等的使用。帶入31式可得=++500=18300，=5150mm、分別為各節(jié)吊臂的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，若假設(shè)為臂頭滑輪中心離基本臂端面的距離，則基本臂結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度加上即為基本臂的工作長(zhǎng)度，=+，而=+。表36 缸筒內(nèi)徑（GB 2348—80）（mm）810121620253240506380100125160200250320400（2）活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算活塞桿直徑d一般按液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比計(jì)算，公式如下：式中：D—液壓缸直徑，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，參見(jiàn)表37，選擇=2。將上述值帶入式（34）可得C=。 鋼絲繩出入鋼絲繩繩槽的偏角過(guò)大時(shí)（5176。（3）滑輪組的確定由鋼絲繩依次繞過(guò)若干動(dòng)滑輪和定滑輪而組成的裝置稱為滑輪組，滑輪組根據(jù)功能可分為增速滑輪組和省力滑輪組。系數(shù)的取值方法如下：當(dāng)時(shí)，=；當(dāng)時(shí)。（e）伸臂鋼絲繩拉力為起升鋼絲繩通過(guò)伸臂滑輪對(duì)第三節(jié)吊臂的拉力（待求）。顯然，如果插值函數(shù)滿足一定的要求，隨著單元數(shù)量的增加，求解的精度會(huì)不斷提高而最終收斂于確解。由于本項(xiàng)目采用按照全局坐標(biāo)系進(jìn)行建模的方法，故可將重力加速度g分解為。利用Pro/E中拉伸、旋轉(zhuǎn)等特性，建立典型零件的三維模型如圖61所示：圖61 吊臂支撐架和起升滑輪的零件圖 吊臂的裝配當(dāng)前流行的裝配方式分為兩種：自底向上的裝配方式和自頂向下的裝配方式。 第二節(jié)吊臂的減重可行性分析，—，現(xiàn)在將其整體鋼板厚度分別改為11mm和10mm，施加同樣的載荷和約束，經(jīng)過(guò)求解后得其位移和應(yīng)力分布云圖如圖6圖69和圖6圖611所示：圖68 第二節(jié)吊臂鋼板厚度為11mm時(shí)位移分布云圖圖69 第二節(jié)吊臂鋼板厚度為11mm時(shí)應(yīng)力分布云圖圖610第二節(jié)吊臂鋼板厚度為10mm時(shí)位移分布云圖圖611第二節(jié)吊臂鋼板厚度為10mm時(shí)應(yīng)力分布云圖當(dāng)?shù)诙?jié)吊臂鋼板的厚度減為10mm時(shí)，這仍在16Mn的安全范圍之內(nèi)，%左右，也可以達(dá)到減少整機(jī)重量的目的。根據(jù)有關(guān)資料介紹，美國(guó)貝爾(BelL)飛機(jī)公司采用優(yōu)化方法解決具有450個(gè)設(shè)計(jì)變量曲結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，使一個(gè)飛機(jī)機(jī)翼的質(zhì)量減輕廣35%。圖512基本臂位移分布云圖513基本臂應(yīng)力分布云圖綜上結(jié)果，得出：，位于二節(jié)臂的頂端；最大應(yīng)力出現(xiàn)在二節(jié)臂與基本臂通過(guò)滑塊接觸部位，—，這在16Mn的強(qiáng)度范圍之內(nèi)。（4）定義材料屬性本文中需要定義的材料屬性分別為：楊氏模量為，泊松比為，密度為。第5章 基于ANSYS的吊臂力學(xué)模型結(jié)構(gòu)分析（1）有限元方法的概述有限元方法是用于求解各類實(shí)際工程問(wèn)題的方法。Ⅳ．迎風(fēng)面積起重機(jī)結(jié)構(gòu)和物品的迎風(fēng)面積，按其凈面積與最不利風(fēng)向的垂直投影面積計(jì)算。（2）起升載荷起升載荷是指起升質(zhì)量的重力，起升質(zhì)量包括允許起升的最大物品，取物裝置（下滑輪組、吊鉤、吊梁、抓斗、容器、起重電磁鐵等）、以及懸掛撓性件和其他隨同升降的設(shè)備質(zhì)量。 ②對(duì)于流動(dòng)式起重機(jī)，建議取e=18，與工作級(jí)別無(wú)關(guān)。承受大載荷的滑輪，為了減輕重量，多做成筋板帶孔的結(jié)構(gòu)，用強(qiáng)度不低于鑄鐵HT200、球鐵QT4017和鑄鋼ZG230450等材料制造。（2）起升用鋼絲繩直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算鋼絲繩的直徑d可通過(guò)下式計(jì)算即 (33)式中：C—選擇系數(shù)； S—鋼絲繩最大工作靜拉力。下地板一般做的比上底板后些，一方面可以使截面中性軸下移，從而減少下底板上的壓縮應(yīng)力，一方面滿足下底板局部應(yīng)力的需要，為了減輕自重，吊臂應(yīng)盡量做成等強(qiáng)度式梁。表35 起重機(jī)吊臂節(jié)數(shù)最大起升高度H(m)1015161920293040吊臂節(jié)數(shù)K3233445（1）吊臂各節(jié)尺寸的確定經(jīng)查閱資料，得知吊臂最短工作長(zhǎng)度為==7500mm。由于本設(shè)計(jì)為8噸，參見(jiàn)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》不同類型起重機(jī)使用壽命表，如表31所示，可知Y=10年。（c）總起升高度：起升高度與下放深度之和。 液壓缸相對(duì)與活塞桿縮回時(shí)，帶動(dòng)第二節(jié)吊臂縮回；縮臂鋼絲繩一端通過(guò)銷軸與第三節(jié)吊臂左端相接，經(jīng)過(guò)縮臂滑輪，另一端通過(guò)銷軸與基本臂右端相接， 液壓缸縮回過(guò)程中，直接帶動(dòng)第二節(jié)吊臂縮回，而縮臂鋼絲繩長(zhǎng)度是不變的，鋼絲繩下端變長(zhǎng)，另一端隨之運(yùn)動(dòng)，通過(guò)縮臂滑輪帶動(dòng)第三節(jié)吊臂縮回[7，8]。為了進(jìn)一步增加吊臂伸出長(zhǎng)度，在吊臂頂端安裝一節(jié)或兩節(jié)挺桿(副臂)，可將較輕的貨物舉升到更高的空間。再次，通過(guò)有限元分析結(jié)果完成了對(duì)吊臂尺寸的簡(jiǎn)單優(yōu)化并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。（5）開(kāi)創(chuàng)自我空間占領(lǐng)市場(chǎng)[3，4]。在不久的將來(lái)，我國(guó)的汽車(chē)式起重機(jī)行業(yè)一定會(huì)發(fā)展成為一個(gè)發(fā)展穩(wěn)定，市場(chǎng)化程度高的成熟產(chǎn)業(yè)。并用CAD軟件對(duì)吊臂進(jìn)行三維零件圖及裝配圖和二維工程圖的繪制，根據(jù)調(diào)研所得吊臂伸縮和變幅速度與時(shí)間關(guān)系完成吊臂工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。 國(guó)內(nèi)外汽車(chē)起重機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外汽車(chē)起重機(jī)發(fā)展趨勢(shì)為：（1）設(shè)計(jì)、制造的計(jì)算機(jī)化、自動(dòng)化。鑒于這種目的，人們希望將工程領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用的有限元分析方法與CAD技術(shù)相集成，共同實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)—評(píng)價(jià)—再設(shè)計(jì)”任務(wù)的自動(dòng)化，以縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期，增加產(chǎn)品和工程的可靠性，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗和成本。 汽車(chē)起重機(jī)的分類（1）按起重量大小分類起重量312t為小型；1650t為中型；65125t為大型；125t以上為特大型?；A(chǔ)吊臂下端用軸鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)架上，而吊臂中后部由變幅液壓缸鉸接，變幅液壓缸下端用軸也支承在轉(zhuǎn)臺(tái)架上。（d）最大額定總起重量：起重機(jī)用基本臂處于最小額定幅度，用支腿進(jìn)行起吊的額定總起重量，以此作為起重機(jī)的名義起重量。（7）起升速度在平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，起吊物品的垂直位移速度[9]。表31 幾種不同類型的起重機(jī)的使用等級(jí)起重機(jī)類型使用壽命（年）汽車(chē)起重機(jī)（通用汽車(chē)底盤(pán)）10輪胎起重機(jī)和汽車(chē)起重機(jī)（專用底盤(pán)）起重量（t）小于161116～4012＞40～10013大于10015塔式起重機(jī)小于1010等于和大于1016橋式和門(mén)式起重機(jī)工作級(jí)別、220履帶起重機(jī)10門(mén)座和鐵路起重機(jī)25表32 起重機(jī)利用等級(jí)利用等級(jí)總的工作循環(huán)次數(shù)N起重機(jī)使用情況利用等級(jí)總的工作循環(huán)次數(shù)N起重機(jī)使用情況5經(jīng)常中等的使用1不經(jīng)常繁忙使用不經(jīng)常使用24繁忙的使用經(jīng)常清閑的使用4（2）起重機(jī)的載荷狀態(tài)載荷狀態(tài)是起重機(jī)分級(jí)的另一個(gè)基本參數(shù)，它表明起重機(jī)的主要機(jī)構(gòu)—起升機(jī)構(gòu)受載的輕重程度。得出=6900mm?？傻贸觯篸=；參見(jiàn)表38，選擇d=45mm。本項(xiàng)目采用雙聯(lián)滑輪組，其最大工作靜拉力S為 （35）式中：即。），繩槽側(cè)壁將受到很大橫向力的作用，容易使槽口損壞，使鋼絲繩脫槽，為了減小鋼絲繩的磨損，在滑輪繩槽中可用鋁或聚酰胺作為墊襯材料，這使滑輪構(gòu)造復(fù)雜，只有當(dāng)鋼絲繩很長(zhǎng)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上要求較高時(shí)，才推薦使用。按照構(gòu)造特點(diǎn)分為單聯(lián)滑輪組和多聯(lián)滑輪組，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的汽車(chē)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的滑輪組為雙聯(lián)滑輪組。式中 —穩(wěn)定起升速度，與起升吊具有關(guān)，由空載電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速導(dǎo)出；—起升載荷級(jí)別系數(shù)，表41所示—起升載荷最小動(dòng)載系數(shù)，與起升狀態(tài)級(jí)別有關(guān)，表41所示根據(jù)起重機(jī)械的動(dòng)力特性，起重機(jī)的起升狀態(tài)分為四種級(jí)別，本項(xiàng)目將其取為，起升載荷施加到吊臂上的力為。由上述力得出平衡方程如下[11]：式中。從理論上講，無(wú)限增加單元的數(shù)量，可以得到問(wèn)題的精確解，但此舉必會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的無(wú)限增加，因此，在解決實(shí)際工程過(guò)程中，求解所得的數(shù)據(jù)只要滿足工程需要即可[]。Ⅱ．其他外載荷的施加，加在所設(shè)的位置即可。自底向上的裝配，需要先創(chuàng)建好組成裝配體的各個(gè)元件，然后按照一定的裝配順序依次將其組裝為組件。，這已經(jīng)接近16Mn的許用應(yīng)力，故暫時(shí)不作優(yōu)化。圖64 吊臂伸縮階段速度和時(shí)間關(guān)系圖65 吊臂變幅階段速度和時(shí)間的關(guān)系 吊臂的減重可行性分析優(yōu)化設(shè)計(jì)是從20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的，將最優(yōu)化原理與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)在機(jī)械、寧航、電機(jī)、石油、化工、建筑、造船、輕工等各個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，獲得顯著的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。圖511基本臂的在Pro/E中建立的三維模型，只是約束和載荷情況不同（）在此不做贅述，經(jīng)過(guò)求解，后處理后得到基本臂的位移分布云圖和應(yīng)力云圖如圖512，513所示。 （3）定義實(shí)常數(shù)吊臂單元厚度為8mm。圖48 基本臂橫向平面受力情況 本章小結(jié)本章主要通過(guò)分析吊臂的垂直載荷、偏擺載荷、鋼絲繩載荷和風(fēng)載荷，確定了起重機(jī)吊臂所受的載荷情況，建立了吊臂在極端工況下受力模型，詳細(xì)分析并計(jì)算出各節(jié)吊臂在變幅平面和橫向平面的受力情況，為下節(jié)用ANSYS進(jìn)行有限元分析提供數(shù)據(jù)。表42 起重機(jī)計(jì)算風(fēng)壓（N/m2）（GB381