【正文】 定在ANSYS中直接進行建模。在建立模型的同時進行布爾運算，既保證了模型的正確性，又降低了復雜程度。在ANSYS中有兩種建模方式可供選擇：（1）以吊臂真實工況進行建模，力保留原來的方向（包括自重）；（2）按全局坐標系對吊臂進行建模，將各個載荷分解到全局坐標系的各個坐標軸上,考慮到建模的方便，本項目采用第二種方法建模[1416]。第三節(jié)吊臂的在Pro/E中建立的三維模型如圖52所示。 圖52 第三節(jié)吊臂在Pro/E中的三維模型利用ANSYS進行有限元分析的過程如下：（1）設定分析模塊使用“Preference”對話框選擇“Structual”分析模塊。（2）設定單元類型及相應的選項選擇板殼單元Shell63。 （3）定義實常數(shù)吊臂單元厚度為8mm。（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。（5）在ANSYS中的幾何建模在ANSYS中建立的模型如圖53 所示。圖53 第三節(jié)吊臂在ANSYS中簡化后的模型（6）對幾何模型劃分網(wǎng)格第三節(jié)吊臂網(wǎng)格劃分如圖54 所示圖54 三節(jié)臂網(wǎng)格劃分局部放大圖（7）施加約束和各種載荷（a）約束的施加吊臂尾部的滑塊處理為約束，滑塊與吊臂接觸部分的自由度均完全約束，這樣能更好的模擬吊臂真實的工作狀態(tài)。（b）載荷的施加Ⅰ．自重載荷的施加對于吊臂的自重，在ANSYS軟件前處理模塊中輸入吊臂所用材料的密度和重力加速度，程序便根據(jù)輸入的單元類型、實常數(shù)，自動將單元載荷因子的信息計入總載荷進行計算。由于本項目采用按照全局坐標系進行建模的方法，故可將重力加速度g分解為。Ⅱ．其他外載荷的施加，加在所設的位置即可。施加完約束和載荷的有限元模型如圖55 所示：圖55 三節(jié)臂有限元模型的約束和載荷情況（8）求解當出現(xiàn)“Solution is done! ，運算即完成。（9）后處理進入后處理器，后處理通過圖形或列表方式顯示分析結(jié)果。通用后處理用于觀察在指定的載荷步的整個模型的結(jié)果。得出三節(jié)臂的位移的分布云圖和應力分布云圖如圖557所示。圖56 三節(jié)臂位移分布云圖圖57 三節(jié)臂應力分布云圖綜上結(jié)果，得出：，位于吊臂的最頂端；（不考慮由于施加集中力是造成的集中力作用點附近的應力集中現(xiàn)象）。第二節(jié)吊臂的在Pro/E中建立的三維模型如圖58所示。 圖58 第二節(jié)吊臂在Pro/E中的三維模型，只是載荷情況不同（），吊臂鋼板厚度變?yōu)?2mm，在此不做贅述，經(jīng)過求解，后處理后得到二節(jié)臂的位移分布云圖和應力云圖如圖59，510所示。圖59 二節(jié)臂位移分布云圖圖510 二節(jié)臂應力分布云圖綜上結(jié)果，得出：，位于二節(jié)臂的頂端；最大應力出現(xiàn)在三節(jié)臂與二節(jié)臂通過滑塊接觸部位，—，這在16Mn的強度范圍內(nèi)?；颈鄣脑赑ro/E中建立的三維模型如圖515所示。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力云圖如圖512，513所示。圖512基本臂位移分布云圖513基本臂應力分布云圖綜上結(jié)果，得出：，位于二節(jié)臂的頂端；最大應力出現(xiàn)在二節(jié)臂與基本臂通過滑塊接觸部位，—，這在16Mn的強度范圍之內(nèi)。 本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是利用第四章所分析的各節(jié)吊臂的受力模型，在ANSYS中進行了結(jié)構分析，得出了各節(jié)吊臂的位移分布云圖和應力分布云圖，得出最大變形量和最大應力所在位置，為下章對吊臂的結(jié)構優(yōu)化提供依據(jù)。第6章 吊臂運動學仿真與減重可行性分析 吊臂的建模與裝配 吊臂組成零件的建模零件是組成組件的基本單位，每個獨立的零件在裝配環(huán)境下通常作為一個元件來看待。要想完成吊臂的裝配模型，需要先建立零件的三維模型。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。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。自頂向下的裝配設計與有底向上的設計方法正好相反。設計時，首先從整體上勾畫出產(chǎn)品的整體結(jié)構關系或創(chuàng)建裝配體的二位零件布局關系圖，然后再根據(jù)這些關系或布局逐一設計出產(chǎn)品的零件模型。由零部件按照一定的約束關系組合而成的零件裝配集合成為組件，為了更好的完成吊臂的裝配設計，對于吊臂結(jié)構分別設計了三個組件，分別為：第一節(jié)吊臂裝配、第二節(jié)吊臂裝配、第三節(jié)吊臂裝配。組合起來的整體就是裝配體。在Pro/E的組件模式下，不但可以實現(xiàn)對裝配操作，還可以對裝配體進行修改、分析和分解[17]。典型的裝配圖和爆炸圖如圖6圖63所示。 圖62 吊臂裝配圖 圖63 第二節(jié)吊臂臂箍與吊臂的裝配的爆炸圖 吊臂的運動學仿真Mechanism Design eXtension（MDX，機構設計擴展）是Pro/E包含的運動分析模塊，能夠?qū)υO計進行模擬仿真顯示、運動干涉檢測、運動軌跡、速度和加速度等。MDX所創(chuàng)建的運動機構能導入Pro/MECHANICA Motion模塊中進行進一步分析，與Pro/Mechanica Motion相比，MDX完全集成于Pro/E中，操作直觀簡便、便于掌握，但功能相對薄弱，因此更適用于不十分復雜的機構運動分析[18]。本項目用Pro/E的這項功能完成吊臂工作時伸縮和變幅過程的運動學仿真分析，根據(jù)實際調(diào)研，現(xiàn)設吊臂伸縮和變幅時速度與時間的關系曲線如圖665所示，進行了吊臂的運動學仿真。圖64 吊臂伸縮階段速度和時間關系圖65 吊臂變幅階段速度和時間的關系 吊臂的減重可行性分析優(yōu)化設計是從20世紀60年代發(fā)展起來的，將最優(yōu)化原理與計算機技術應用于設計領域的科學設計方法，已經(jīng)在機械、寧航、電機、石油、化工、建筑、造船、輕工等各個行業(yè)得到廣泛的應用，獲得顯著的技術與經(jīng)濟效益。根據(jù)有關資料介紹，美國貝爾(BelL)飛機公司采用優(yōu)化方法解決具有450個設計變量曲結(jié)構優(yōu)化問題，使一個飛機機翼的質(zhì)量減輕廣35%。美國波音 (Boeing)公司對747飛機機身進行優(yōu)化設計，收到增加裁員、減輕質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期和降低成本的效果[19]。 第三節(jié)吊臂的減重可行性分析參考《起重機設計手冊》，而16Mn的最大極限應力為670Mpa，吊臂在工況下受到的最大應力滿足下面條件即可：式中 —最大計算應力； —許用應力； —材料的極限應力； —安全系數(shù)。，—，現(xiàn)在將其整體鋼板厚度分別改為7mm和6mm，施加同樣的載荷和約束，經(jīng)過求解后得其位移和應力分布云圖分別如圖6圖65和圖6圖67所示：圖64 第三節(jié)吊臂鋼板厚度為7mm時位移分布云圖圖65 第三節(jié)吊臂鋼板厚度為7mm時應力分布云圖圖66 第三節(jié)吊臂鋼板厚度為6mm時位移分布云圖圖67 第三節(jié)吊臂鋼板厚度為6mm時應力分布云圖當?shù)谌?jié)吊臂鋼板的厚度減為6mm時，這仍在16Mn的安全范圍之內(nèi)，并且第三節(jié)吊臂重量可減輕約25%左右，可以達到減少整機重量的目的。 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時應力分布云圖當?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，也可以達到減少整機重量的目的。，這已經(jīng)接近16Mn的許用應力，故暫時不作優(yōu)化。 本章小結(jié)本章主要介紹建模和常用裝配方法及每種方法的的優(yōu)缺點；同時還對現(xiàn)有吊臂尺寸嘗試進行簡單優(yōu)化，使其在滿足材料許用應力的前提下，盡量減小材料的厚度達到減輕整機重量的目的。第7章 結(jié)論與展望本論文旨在目前普遍存在的以經(jīng)驗來設計汽車起重機吊臂，缺乏科學數(shù)值分析的問題，在研究汽車起重機吊臂各組件工作原理并自主設計的基礎上，完成吊臂力學模型的建立，并利用有限元分析軟件ANSYS對三節(jié)吊臂分別進行應力分析，并利用分析結(jié)果對設計的吊臂的尺寸方面進行簡單優(yōu)化，使整機重量得以減輕，達到節(jié)約材料的的目的。由于知識水平有限，吊臂的實際結(jié)構比本論文中設計的結(jié)構可能更全面和可靠，有限元分析以及以此為基礎的優(yōu)化設計缺少實際試驗支持，希望將來的工作得以將以下做好：（1）實際吊臂模型的建立；（2）吊臂實際各種工況的準確分析；（3）掌握吊臂三維模型準確轉(zhuǎn)化成有限元模型的方法；（4）進行試驗并將實際應力結(jié)果與有限元分析結(jié)果對照，找出其差別所在，并分析原因；（5）對吊臂整體結(jié)構（非尺寸）的優(yōu)化。參考文獻[1] 顧迪民．工程起重機．哈爾濱：中國建筑工業(yè)出版社，1988.[2] 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[3] 黃大巍，李風，毛文杰．現(xiàn)代起重運輸機械．北京：化學工業(yè)出版社，2006年5月[4] 趙明．輪胎式履帶式起重機維修圖解手冊．南京：江蘇科學技術出版社，2007年2月[5] 戴軍．汽車起重機簡介．機電設備船舶，2006，4：29～31[6] 嚴大考．起重機械．鄭州：鄭州大學出版社，2003年9月[7] 高秀華，王云超，李國忠．金屬結(jié)構．北京：化學工業(yè)出版社，2006年4月[8] 王福錦．起重機械技術檢測．北京：北京理工大學出版社，2008年4月[9] 汽車起重機和輪胎起重機術語．北京：中國標準出版社，1984年6月[10] 張志文．起重機設計手冊．北京：中國鐵道出版社,1998年3月[11] 藺海榮．材料力學．北京：國防工業(yè)出版社，2008年2月[12] 王富恥，張朝暉．ANSYS ．北京：電子工業(yè)出版社，2006年5月[13] ．有限元法實用教程．長沙：湖南大學出版社，2004年10月[14] 王建江，胡仁喜，劉英林．ANSYS ．北京：機械工業(yè)出版社，2008年4月[15] 張亞歐，谷志飛，宋勇．ANSYS ．北京：清華大學出版社，2004年7月[16] 李黎明．ANSYS有限元分析實用教程．北京：清華大學出版社，2005年1月[17] 譚雪松，張黎驊，漆向軍．Pro/ENGINNEER基礎教程．北京：人民郵電出版社，2009年4月[18] 寧濤，于強．Pro/E機械設計基礎教程．北京：清華大學出版社，2006年6月[19] 郭仁生．優(yōu)化設計應用．北京：電子工業(yè)出版社，2003年