【正文】 況和趨勢，了解該項目研究的背景，并指出當(dāng)前汽車起重機(jī)存在的主要問題，通過介紹有限元分析的意義，最終得出用ANSYS分析軟件對吊臂進(jìn)行有限元分析的必要性。 項目研究的背景和意義目前汽車起重機(jī)主要存在一下幾個問題：（1）汽車起重機(jī)設(shè)計主要以經(jīng)驗設(shè)計為主，缺乏科學(xué)的數(shù)值分析。中國汽車式起重機(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，液壓和電器已實現(xiàn)了緊密的結(jié)合。汽車起重機(jī)的主要工作部分是吊臂，通過調(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)計手冊完成對一個額定起重量為8噸的3節(jié)伸縮式吊臂的設(shè)計，該設(shè)計內(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。通過先導(dǎo)比例手柄實現(xiàn)比例輸送多種負(fù)荷的無級調(diào)速，有效防止起重作業(yè)時的二次下滑現(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]。 隨著計算機(jī)輔助設(shè)計和制造技術(shù)的日趨成熟，設(shè)計人員迫切需要一種對所做的設(shè)計進(jìn)行精確評價和分析的工具，而不再僅僅依靠以往積累的經(jīng)驗和知識去估計。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)，便于吊車的移動。（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《起重機(jī)設(shè)計手冊》起重機(jī)利用等級表，如表32 所示，可以選擇起重機(jī)的利用等級為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)長度加上即為基本臂的工作長度，=+，而=+。表36 缸筒內(nèi)徑（GB 2348—80）（mm）810121620253240506380100125160200250320400（2）活塞桿的設(shè)計計算活塞桿直徑d一般按液壓缸往復(fù)運(yùn)動速度比計算，公式如下：式中：D—液壓缸直徑，往復(fù)運(yùn)動速度比，參見表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大時（5176。（3）滑輪組的確定由鋼絲繩依次繞過若干動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，=；當(dāng)時。（e）伸臂鋼絲繩拉力為起升鋼絲繩通過伸臂滑輪對第三節(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，求解的精度會不斷提高而最終收斂于確解。由于本項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時位移分布云圖圖69 第二節(jié)吊臂鋼板厚度為11mm時應(yīng)力分布云圖圖610第二節(jié)吊臂鋼板厚度為10mm時位移分布云圖圖611第二節(jié)吊臂鋼板厚度為10mm時應(yīng)力分布云圖當(dāng)?shù)诙?jié)吊臂鋼板的厚度減為10mm時，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，美國貝爾(BelL)飛機(jī)公司采用優(yōu)化方法解決具有450個設(shè)計變量曲結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，使一個飛機(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際工程問題的方法。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對于流動式起重機(jī)，建議取e=18，與工作級別無關(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)計計算鋼絲繩的直徑d可通過下式計算即 (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度為==7500mm。由于本設(shè)計為8噸，參見《起重機(jī)設(shè)計手冊》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。 液壓缸相對與活塞桿縮回時，帶動第二節(jié)吊臂縮回；縮臂鋼絲繩一端通過銷軸與第三節(jié)吊臂左端相接，經(jīng)過縮臂滑輪，另一端通過銷軸與基本臂右端相接， 液壓缸縮回過程中，直接帶動第二節(jié)吊臂縮回，而縮臂鋼絲繩長度是不變的，鋼絲繩下端變長，另一端隨之運(yùn)動，通過縮臂滑輪帶動第三節(jié)吊臂縮回[7，8]。為了進(jìn)一步增加吊臂伸出長度，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，通過有限元分析結(jié)果完成了對吊臂尺寸的簡單優(yōu)化并進(jìn)行了簡單的運(yùn)動學(xué)分析。（5）開創(chuàng)自我空間占領(lǐng)市場[3，4]。在不久的將來，我國的汽車式起重機(jī)行業(yè)一定會發(fā)展成為一個發(fā)展穩(wěn)定，市場化程度高的成熟產(chǎn)業(yè)。并用CAD軟件對吊臂進(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間關(guān)系完成吊臂工作時的運(yùn)動學(xué)仿真。 國內(nèi)外汽車起重機(jī)的發(fā)展趨勢國外汽車起重機(jī)發(fā)展趨勢為：（1）設(shè)計、制造的計算機(jī)化、自動化。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，共同實現(xiàn)“設(shè)計—評價—再設(shè)計”任務(wù)的自動化，以縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期，增加產(chǎn)品和工程的可靠性，采用優(yōu)化設(shè)計，降低材料的消耗和成本。 汽車起重機(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。基礎(chǔ)吊臂下端用軸鉸接在轉(zhuǎn)臺架上，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)動時，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)的使用等級起重機(jī)類型使用壽命（年）汽車起重機(jī)（通用汽車底盤）10輪胎起重機(jī)和汽車起重機(jī)（專用底盤）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橋式和門式起重機(jī)工作級別、220履帶起重機(jī)10門座和鐵路起重機(jī)25表32 起重機(jī)利用等級利用等級總的工作循環(huán)次數(shù)N起重機(jī)使用情況利用等級總的工作循環(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)分級的另一個基本參數(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=；參見表38，選擇d=45mm。本項目采用雙聯(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，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上要求較高時，才推薦使用。按照構(gòu)造特點分為單聯(lián)滑輪組和多聯(lián)滑輪組，本項目設(shè)計的汽車起重機(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)，由空載電動機(jī)或發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速導(dǎo)出；—起升載荷級別系數(shù)，表41所示—起升載荷最小動載系數(shù)，與起升狀態(tài)級別有關(guān)，表41所示根據(jù)起重機(jī)械的動力特性，起重機(jī)的起升狀態(tài)分為四種級別，本項目將其取為，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，無限增加單元的數(shù)量，可以得到問題的精確解，但此舉必會導(dǎo)致計算時間的無限增加，因此，在解決實際工程過程中，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，故暫時不作優(yōu)化。圖64 吊臂伸縮階段速度和時間關(guān)系圖65 吊臂變幅階段速度和時間的關(guān)系 吊臂的減重可行性分析優(yōu)化設(shè)計是從20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的，將最優(yōu)化原理與計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域的科學(xué)設(shè)計方法，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)計算風(fēng)壓（N/m2）（GB381