【正文】 NgtGQSY 501072.)(?????不裝副臂，力矩 ，側(cè)向力 中的貨物偏擺載荷 S 貨原來作用于臂端定滑輪的0?LXM軸心處，因此吊臂還受有扭矩 tgeN10)(??可知 = N?MM?5 伸縮臂的剛度校核箱型伸縮式吊臂的校核應按最小幅度吊最大起重量的工況進行計算。最大幅度時起吊的最小起重量是由整機穩(wěn)定性決定的，吊臂的承載能力有富余，不必驗算。吊臂在壓彎的受力情況下，采用簡化法計算臂端撓度并作伸縮臂的剛度校核：變幅平面考慮起吊額定載荷，并處于相應工作幅度時，臂端在平面內(nèi)的靜位移 。旋轉(zhuǎn)平面除考慮軸向Zf壓力影響，還需考慮在上述載荷和端部附加額定起升載荷 5％的側(cè)向載荷同時作用下的臂端側(cè)向靜位移 。Yf（1）變幅平面 （）)(10][)( ki ciZwz????????F吊臂承受的軸向力吊臂在變幅平面的臨界力EY吊臂在軸向壓力 F=0 的情況下，僅由變幅平面橫向載荷引起的臂端撓度wgf類型擺角 輕型 中型 重型 特重3176。 4176。 5176。 6176。ΔZ 在變幅平面內(nèi)相鄰兩節(jié)臂之間的橫向間隙 并假定各節(jié)臂之間的間隙均相等，間隙的大小由使用要求和工藝條件決定，通常 Δ Z=1～3mmK伸縮臂的節(jié)數(shù)、 伸縮臂的幾何尺寸1?iHil伸縮臂的許用撓度，單位為 m][f 伸縮臂臂長（m）cL（2）旋轉(zhuǎn)平面 （）)(107.][)( LflHfNFf ki ciyw????????式中：吊臂在旋轉(zhuǎn)平面的臨界力FY—吊臂在軸向壓力 F=0 的情況下，僅由旋轉(zhuǎn)平面?zhèn)认蜉d荷引起的臂端撓度wefΔy —在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)相鄰兩節(jié)臂之間的側(cè)向間隙計算變幅平面吊臂端部撓度時，其計算載荷應只考慮有效載荷的靜力作用，即不計自重和動力系數(shù)。（3）伸縮臂的剛度參數(shù)的計算臨界力：旋轉(zhuǎn)平面的臨界力 ：在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，臂架為一端固定而另一端自由的壓彎構件，ezN臂架側(cè)向變形時，起升繩對臂架有支承作用，故旋轉(zhuǎn)平面的臨界力，按下式計算 E=200Gpa2C31ZLEI）（ ???EZ式中： 由伸縮臂在旋轉(zhuǎn)平面的支承條件決定的長度系數(shù)，此處取 21?由變截面伸縮臂決定的長度系數(shù)；2起升鋼絲繩影響的長度系數(shù)；3第一節(jié)臂（基本臂）的截面慣性矩。?Z變截面吊臂決定的長度系數(shù) 2?箱型伸縮臂是一個雙向壓彎構件，同時也是一個階梯形變截面構件，計算公式如下：（）)]sin(i1[ 112 ?????iiikiZI ????式中：第 i 節(jié)臂伸出后的長度與吊臂全長比；i?第 i 節(jié)臂的截面慣性矩；ZI第一節(jié)臂（基本臂）的截面慣性矩。1計算如下： hb21FF??b101P??? =hI??236R?? 72l49??R ， ， 2(FbF1hIy??）部 24RI13???（ ）弧 IIZiXY??弧表 433 臂架受力1bF2bhF?ZIR ??基本臂 45176。 二節(jié)臂 45176。 三節(jié)臂 45176。 四節(jié)臂 45176。 1 則 ?ZI ?ZI可帶入公式,計 算出: =?起升繩長度系數(shù) 3?伸縮臂采用油缸變幅，起升鋼絲繩對吊臂產(chǎn)生有利影響。長度系數(shù) 可由下式計算:31()???????IlllX1h???（ ） （ ）[](1)(1) HFAWNN????????4eyN2()1EIYL???可知道 = 10 Nez?4變幅平面的臨界力 ey求臨界力時，伸縮臂在變幅平面情況與旋轉(zhuǎn)平面主要有兩點不同:一是吊臂在變幅平面的計算簡圖是簡支外伸梁，由支承情況決定的長度系數(shù) 可根據(jù)具體支承情況得1?到；二是起升繩拉力方向的改變在旋轉(zhuǎn)平面中對吊臂旁彎起維持平衡的作用，而在變幅平面不起這個作用，因此在求臨界力時不必顧及起升繩拉力方向的影響，即 變幅13??平面臨界力計算式為: 變幅平面的臂端撓度 wzf變幅平面內(nèi)的箱型多節(jié)伸縮臂在臂端橫向載荷 的作用下產(chǎn)生的彎曲變形,LYZMS若伸縮臂有 K 節(jié),則臂端撓度可按以下公式計算:同理可求: mEILIsffzmT ???????wz7旋轉(zhuǎn)平面的臂端撓度 yf參照伸縮臂在變幅平面由側(cè)向載荷引起的臂端撓度的計算方法可以寫出伸縮臂在旋轉(zhuǎn)平面由側(cè)向載荷引起的臂端撓度的計算式，其中不同的是伸縮臂在變幅平面按簡支外伸梁計算，而在旋轉(zhuǎn)平面則按懸臂梁計算。便可得到旋轉(zhuǎn)平面中吊臂撓度相應計算式。原理和變幅平面相同,得到 =， =則可得 ??zf .??校核結(jié)果,此舉臂在這種工況下剛度合適. 伸縮臂的強度校核伸縮臂計算截面角點正應力直接可按下式計算：、bIWYy2?2121bZbZZlIlI???表 臂架受力則可根據(jù)材料力學和材料成型技術等專業(yè)課，推算出舉臂材料為合金結(jié)構鋼，其為 885mpa，滿足條件。H][?5 伸縮臂有限元分析在 ANSYS 環(huán)境下進行優(yōu)化設計，存在設計變量、狀態(tài)變量及目標函數(shù)三類變量。由于吊臂的長度是由起重機作業(yè)范圍確定的，不能改變，優(yōu)化設計變量應是截面參數(shù)，即截面形狀和壁厚參數(shù)。因而吊臂的優(yōu)化設計歸結(jié)為其截面的參數(shù)優(yōu)化設計問題。狀態(tài)變量制約設計變量的取值，是設計變量的函數(shù)，而對狀態(tài)變量的約束則構成了約束方程。吊臂設計中，為保證強度、剛度，可設定應力和位移為狀態(tài)變量，控制應力和位移的大小以達到吊臂的強度和剛度要求。目標函數(shù)為吊臂的重量，最終使重量最輕。而對于吊臂而言，計算應力、變形的精確模型應為有限元模型 D，即需要建立參數(shù)化有限元分析模型。由于優(yōu)化過程是不斷在設計域內(nèi)進行搜索以尋求最優(yōu)解，這樣有限元分析過程就得反復進行，亦即有限元分析的整個過程是作為優(yōu)化設計中的一個文件，并進一步生成優(yōu)化循環(huán)文件，以便優(yōu)化過程反復調(diào)用，若是有限元模型較大，則分析時間長，優(yōu)化迭代時間也就很長。/my2/mZ2/?基本臂 510? 510?二節(jié)臂 三節(jié)臂 四節(jié)臂 10? 10?QAY50 起重機采用四節(jié)伸縮式 U 形吊臂，各節(jié)臂之間可以相對滑動，靠它們搭接的上下滑塊來傳遞作用力。基本臂根部與轉(zhuǎn)臺通過水平銷軸鉸接，且其中部還與變幅液壓缸鉸接，可實現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。吊臂伸縮采用一級伸縮液壓缸、雙繩排滑輪機構（兩伸、兩縮）以實現(xiàn)二、三、四節(jié)吊臂同步伸縮。解決這樣一個變截面板殼模型受力問題，比較行之有效的方法是有限元法。故我們應用此法，并采用功能強大、技術上非常成熟的商用有限元軟件 ANSYS 為工具來進行分析。基于吊臂的實際工況較多,現(xiàn)僅以全伸臂工況為例，進行 QAY50 起重機伸縮吊臂結(jié)構有限元的分析過程。 伸縮吊臂有限元模型建立(一) 實體建模 考慮到吊臂的重量，在解算時由 ANSYS 自動計算。為確保其重心位置的正確性，必須以吊臂的真實工況位置（仰角 θ）進行建模，亦即先要計算仰角 θ 的大小，再激活工作平面（workplane） ，將工作平面旋轉(zhuǎn) θ 角，在工作平面內(nèi)造型。各節(jié)臂的筒體由薄板構成，取中面尺寸造型?；诨颈鄣奈膊考八墓?jié)臂的頭部結(jié)構異常復雜且剛性很大，故將其簡化成實體，利用 ANSYS 強大的造型功能，如：拉伸、移動、拷貝、布爾加減運算、粘接等，可方便地建模。 (二) 單元選取及網(wǎng)格劃分 圖 41 網(wǎng)格板采用板殼元 Shell63 來離散。Shell63 是一種 4 節(jié)點線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面，而且這種單元可以同時考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合吊臂的實際受載情況。實體單元選用 8 節(jié)點的 6 面體單元 Solid45。 考慮到每節(jié)臂之間都有搭接部分，不易選中，且大部分板厚都不一樣，若是每塊板逐個進行網(wǎng)格劃分，效率低下，容易出錯，為此我們先在實體模型上指定屬性，即賦予所有實體需劃分的單元、材料特性、實常數(shù)等，然后由程序一次對所有板、塊進行網(wǎng)格劃分，同時也避免了在網(wǎng)格劃分操作中重復設置屬性。若是對某些網(wǎng)格形狀不滿意，則可對這部分重新進行劃分，因為重新劃分時，可刪除已有的網(wǎng)格，但不會刪除所指定的屬性。 最終形成吊臂的有限元模型規(guī)模. 各節(jié)臂筒體采用自由（free）及映射（mapped）方式劃分?；瑝K處采用掃掠（sweep）劃分，以保證其形狀為六面體。整個網(wǎng)格劃分，控制單元形狀盡可能規(guī)則，避免形狀畸形。 (三) 滑塊接觸處模型處理 由于吊臂工作時，各節(jié)臂之間靠與滑塊接觸和擠壓來傳遞力，有限元建模中，必須解決各節(jié)臂與滑塊間的連接問題。首先考慮用 ANSYS 中的接觸單元來分析，但由于該算例中，單元數(shù)頗多，模型規(guī)模大，且有 12 處接觸（四節(jié)臂上下有 12 個滑塊） ，而接觸問題屬于非線性，求解過程必須反復迭代計算，因而計算量實在太大，另外，其準確性也較差（實際結(jié)構中的接觸特性尚不清楚） ，基于此，我們運用另外一種方法——節(jié)點自由度耦合技術來模擬滑塊與各節(jié)臂的接觸。工作時，滑塊與吊臂保持接觸，但它們之間沿接觸面有相對滑動趨勢，故相對應的節(jié)點間沿接觸面的法向自由度必須耦合，而切向自由 度 則 不 能 耦 合 ， 應 當 釋 放 。 為 了 達 到 此 目 的 ， 首 先 要 旋 轉(zhuǎn) 節(jié) 點 坐 標 系 ，旋 轉(zhuǎn) 角 度 即 為 仰 角 θ ， 利 用 各 節(jié) 臂 與 滑 塊 在 同 一 位 置 節(jié) 點 （ Coincident Node） 間 的 耦 合 ， 可 方 便 地 實 現(xiàn) 12 個 滑 塊 與 吊 臂 對 應 節(jié) 點 的 耦 合 。 (四)加載及約束處理 吊臂所受的載荷有：吊重、側(cè)載、鋼絲繩在臂頭的拉力、風載、液壓缸作用力及伸縮機構鋼絲繩拉力。風載荷加到吊臂側(cè)面上，而其它力則須加到相應位置的節(jié)點上（或關鍵點上） ，為了使得這些加載點能成為節(jié)點，首先需要在此位置處創(chuàng)建硬點（Hard points） ，此外，由于鋼絲繩在臂頭的拉力及伸縮機構鋼絲繩拉力等方向與整體坐標系方向不一致，故還須旋轉(zhuǎn)這些節(jié)點坐標系，以便于加載。 約束處理：基本臂尾部與轉(zhuǎn)臺鉸接處，約束 3 個方向平移自由度（UX、UY、UZ）和兩個方向的轉(zhuǎn)動自由度（ROTY、ROTZ） 。釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動自由度（ROTX） 。變幅液壓缸鉸點處同樣處理。狀態(tài)變量通常是控制設計的因變量數(shù)值,是設計變量的函數(shù),在ANSYS 中,這種函數(shù)關系不是顯式的,對狀態(tài)變量的約束構成了約束方程。ANSYS 允許定義的狀態(tài)變量不超過 100 個,實際選取時,應選取適度的狀態(tài)變量的數(shù)目,以保證足夠的約束設計。設計中, 為保證臂的強度和剛度, 設定應力 STRESSM 和位移 DEFLM 為狀態(tài)變量,控制應力和位移的大小,即使臂滿足強度和剛度要求。約束條件：①強度條件 ][??式中 ——危險點最大應力。[ ] ——材料許用應力。②剛度條件 ][fDEFLM?式中 DEFLM ——變幅平面內(nèi)最大位移。[ f ] ——變幅平面內(nèi)允許最大位移。 計算結(jié)果與分析 結(jié)論:此 U 形臂采用的截面尺寸完全符合技術要求,能夠完成工作任務——最大額定起重量 50 噸,最大起升高度 ,采用結(jié)構合金鋼.圖 42 旋轉(zhuǎn)平面邊界條件示意圖圖 43 旋轉(zhuǎn)平面位移圖可見旋轉(zhuǎn)平面最大撓度為 圖 44 變幅平面邊界條件示意圖圖 45 變幅平面位移圖可見變幅平面最大撓度為 圖 46 變幅平面 VON MISE 應力圖可見變幅平面最大應力為 （其 為 885mpa）H][?總結(jié)通過本次畢業(yè)設計，基本上掌握了汽車起重機的結(jié)構，及其主要的工作原理，并且通過查閱資料和圖紙，鍛煉了自己繪圖以及識圖的能力。在本次畢業(yè)設計中，在查閱資料之后，首先確定起重機伸縮臂的傳動方案和臂架的截面，然后對起重機主臂所需要設計的部分進行計算，計算得出了三鉸點的位置數(shù)值，各節(jié)臂的長度值，液壓缸的主要尺寸；并參照 QAY50 汽車起重機的資料，選取截面形狀及尺寸。在上述數(shù)值確定之后，根據(jù)配合關系進行裝配，在經(jīng)過裝配之后發(fā)現(xiàn)，很多地方出現(xiàn)干涉，從而可以看到，實際設計和裝配整機，還有著一定距離。致謝大學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇畢業(yè)論文的時候，有一種如釋重負的感覺，感慨良多。通過本次設計，也是我學習了很多關于工程機械的知識，同時也看到了自己的不足，這也促使我在以后的工作中，也要努力的學習知識，全面的掌握機械設計的技能，為自己的未來打好基礎。作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導師譚宗柒老師。譚老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料到設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜煩瑣，但是譚老師仍然細心地糾正圖紙中的錯誤。除了敬佩譚老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。然后還要感謝大學四年來所有的老師，為我們打下機械專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設計才會順利完成。 最后感謝我的母?！龒{大學四年來對我的栽培。參 考 文 獻[1]：中國鐵道出版社，1997.[2]：中國建筑工業(yè)出版社，1988.[3]：東北大學出版社，2022.[5]徐格寧 ．起重運輸機金屬結(jié)構設計．北京：機械工業(yè)出版社，1997