【正文】 由起升載荷以及吊臂重量引起的垂直載荷 Q 為： NgG5012.)(????? 吊臂在旋轉(zhuǎn)平面承受的載荷伸縮臂在旋轉(zhuǎn)平面視為根部固定、端部自由的懸臂梁。它承受的軸向力與在變幅平面受力情況一樣，即 T=R+ T1，軸向力 F 可以分解為當(dāng)?shù)醣叟詮潟r(shí)不變方向的軸向力 R 27 / 43和變方向軸向力 1TNQR ???T1co伸縮臂在旋轉(zhuǎn)平面的側(cè)向載荷包括貨物的偏擺載荷 ?gtGSY)(0??表 432 擺角α=4176。,則 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(yīng)按最小幅度吊最大起重量的工況進(jìn)行計(jì)算。最大幅度時(shí)起吊的最小起重量是由整機(jī)穩(wěn)定性決定的，吊臂的承載能力有富余，不必驗(yàn)算。吊臂在壓彎的受力情況下，采用簡(jiǎn)化法計(jì)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(yīng)工作幅度時(shí)，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(shí)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。28 / 43ΔZ 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(jì)算變幅平面吊臂端部撓度時(shí)，其計(jì)算載荷應(yīng)只考慮有效載荷的靜力作用，即不計(jì)自重和動(dòng)力系數(shù)。（3）伸縮臂的剛度參數(shù)的計(jì)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(gòu)件，ezN臂架側(cè)向變形時(shí)，起升繩對(duì)臂架有支承作用，故旋轉(zhuǎn)平面的臨界力，按下式計(jì)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(gè)雙向壓彎構(gòu)件，同時(shí)也是一個(gè)階梯形變截面構(gòu)件，計(jì)算公式如下：（）)]sin(i1[ 112 ?????iiikiZI ????29 / 43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(jì)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(jì) 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(duì)吊臂產(chǎn)生有利影響。長度系數(shù) 可由下式計(jì)算:31()???????IlllX1h???（ ） （ ）30 / 43[](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(shí)，伸縮臂在變幅平面情況與旋轉(zhuǎn)平面主要有兩點(diǎn)不同:一是吊臂在變幅平面的計(jì)算簡(jiǎn)圖是簡(jiǎn)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?cè)谛D(zhuǎn)平面中對(duì)吊臂旁彎起維持平衡的作用，而在變幅平面不起這個(gè)作用，因此在求臨界力時(shí)不必顧及起升繩拉力方向的影響，即 變幅13??平面臨界力計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算式，其中不同的是伸縮臂在變幅平面按簡(jiǎn)支外伸梁計(jì)算，而在旋轉(zhuǎn)平面則按懸臂梁計(jì)算。便可得到旋轉(zhuǎn)平面中吊臂撓度相應(yīng)計(jì)算式。31 / 43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(qiáng)度校核伸縮臂計(jì)算截面角點(diǎn)正應(yīng)力直接可按下式計(jì)算：、bIWYy2?2121bZbZZlIlI???表 臂架受力則可根據(jù)材料力學(xué)和材料成型技術(shù)等專業(yè)課，推算出舉臂材料為合金結(jié)構(gòu)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，存在設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)三類變量。由于吊臂的長度是由起重機(jī)作業(yè)范圍確定的，不能改變，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量應(yīng)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(shè)計(jì)歸結(jié)為其截面的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。狀態(tài)變量制約設(shè)計(jì)變量的取值，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，而對(duì)狀態(tài)變量的約束則構(gòu)成了約束方程。吊臂設(shè)計(jì)中，為保證強(qiáng)度、剛度，可設(shè)定應(yīng)力和位移為狀態(tài)變量，控制應(yīng)力和位移的大小以達(dá)到吊臂的強(qiáng)度和剛度要求。目標(biāo)函數(shù)為吊臂的重量，最終使重量最輕。而對(duì)于吊臂而言，計(jì)算應(yīng)力、變形的精確模型應(yīng)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(shè)計(jì)域內(nèi)進(jìn)行搜索以尋求最優(yōu)解，這樣有限元分析過程就得反復(fù)進(jìn)行，亦即有限元分析的整個(gè)過程是作為優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)文件，并進(jìn)一步生成優(yōu)化循環(huán)文件，以便優(yōu)化過程反復(fù)調(diào)用，若是有限元模型較大，則分析時(shí)間長，優(yōu)化迭代時(shí)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?32 / 43QAY50 起重機(jī)采用四節(jié)伸縮式 U 形吊臂，各節(jié)臂之間可以相對(duì)滑動(dòng)，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(tái)通過水平銷軸鉸接，且其中部還與變幅液壓缸鉸接，可實(shí)現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。吊臂伸縮采用一級(jí)伸縮液壓缸、雙繩排滑輪機(jī)構(gòu)（兩伸、兩縮）以實(shí)現(xiàn)二、三、四節(jié)吊臂同步伸縮。解決這樣一個(gè)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(yīng)用此法，并采用功能強(qiáng)大、技術(shù)上非常成熟的商用有限元軟件 ANSYS 為工具來進(jìn)行分析。基于吊臂的實(shí)際工況較多,現(xiàn)僅以全伸臂工況為例，進(jìn)行 QAY50 起重機(jī)伸縮吊臂結(jié)構(gòu)有限元的分析過程。 伸縮吊臂有限元模型建立(一) 實(shí)體建模 考慮到吊臂的重量，在解算時(shí)由 ANSYS 自動(dòng)計(jì)算。為確保其重心位置的正確性，必須以吊臂的真實(shí)工況位置（仰角 θ）進(jìn)行建模，亦即先要計(jì)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(gòu)成，取中面尺寸造型?；诨颈鄣奈膊考八墓?jié)臂的頭部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜且剛性很大，故將其簡(jiǎn)化成實(shí)體，利用 ANSYS 強(qiáng)大的造型功能，如：拉伸、移動(dòng)、拷貝、布爾加減運(yùn)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(diǎn)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(shí)考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合吊臂的實(shí)際受載情況。實(shí)體單元選用 8 節(jié)點(diǎn)的 6 面體單元 Solid45。 33 / 43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(gè)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，效率低下，容易出錯(cuò)，為此我們先在實(shí)體模型上指定屬性，即賦予所有實(shí)體需劃分的單元、材料特性、實(shí)常數(shù)等，然后由程序一次對(duì)所有板、塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)也避免了在網(wǎng)格劃分操作中重復(fù)設(shè)置屬性。若是對(duì)某些網(wǎng)格形狀不滿意，則可對(duì)這部分重新進(jìn)行劃分，因?yàn)橹匦聞澐謺r(shí)，可刪除已有的網(wǎng)格，但不會(huì)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(gè)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(shí)，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(gè)滑塊） ，而接觸問題屬于非線性，求解過程必須反復(fù)迭代計(jì)算，因而計(jì)算量實(shí)在太大，另外，其準(zhǔn)確性也較差（實(shí)際結(jié)構(gòu)中的接觸特性尚不清楚） ，基于此，我們運(yùn)用另外一種方法——節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)來模擬滑塊與各節(jié)臂的接觸。工作時(shí)，滑塊與吊臂保持接觸，但它們之間沿接觸面有相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)，故相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)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(yīng) 當(dāng) 釋 放 。 為 了 達(dá) 到 此 目 的 ， 首 先 要 旋 轉(zhuǎn) 節(jié) 點(diǎn) 坐 標(biāo) 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(diǎn) （ Coincident Node） 間 的 耦 合 ， 可 方 便 地 實(shí) 現(xiàn) 12 個(gè) 滑 塊 與 吊 臂 對(duì) 應(yīng) 節(jié) 點(diǎn) 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(fēng)載、液壓缸作用力及伸縮機(jī)構(gòu)鋼絲繩拉力。風(fēng)載荷加到吊臂側(cè)面上，而其它力則須加到相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上（或關(guān)鍵點(diǎn)上） ，為了使得這些加載點(diǎn)能成為節(jié)點(diǎn)，首先需要在此位置處創(chuàng)建硬點(diǎn)（Hard points） ，此外，由于鋼絲繩在臂頭的拉力及伸縮機(jī)構(gòu)鋼絲繩拉力等方向與整體坐標(biāo)系方向不一致，故還須旋轉(zhuǎn)這些節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，以便于加載。 約束處理：基本臂尾部與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處，約束 3 個(gè)方向平移自由度（UX、UY、UZ）和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（ROTY、ROTZ） 。釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（ROTX） 。變幅液壓缸鉸點(diǎn)處同樣處理。狀態(tài)變量通常是控制設(shè)計(jì)的因變量數(shù)值,是設(shè)計(jì)變量的函數(shù),在ANSYS 中,這種函數(shù)關(guān)系不是顯式的,對(duì)狀態(tài)變量的約束構(gòu)成了約束方程。ANSYS 允許定義的狀態(tài)變量不超過 100 個(gè),實(shí)際選取時(shí),應(yīng)選取適度的狀態(tài)變量的數(shù)目,以保證足夠的約束設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中, 為保證臂的強(qiáng)度和剛度, 設(shè)定應(yīng)力 STRESSM 和位移 DEFLM 為狀態(tài)變量,控制應(yīng)力和位移的大小,即使臂滿足強(qiáng)度和剛度要求。34 / 43約束條件：①強(qiáng)度條件 ][??式中 ——危險(xiǎn)點(diǎn)最大應(yīng)力。[ ] ——材料許用應(yīng)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(jì)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(shù)要求,能夠完成工作任務(wù)——最大額定起重量 50 噸,最大起升高度 ,采用結(jié)構(gòu)合金鋼.圖 42 旋轉(zhuǎn)平面邊界條件示意圖35 / 43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36 / 43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(yīng)力圖37 / 43可見變幅平面最大應(yīng)力為 （其 為 885mpa）H][?38 / 43總結(jié)通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，基本上掌握了汽車起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，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(shí)圖的能力。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，在查閱資料之后，首先確定起重機(jī)伸縮臂的傳動(dòng)方案和臂架的截面，然后對(duì)起重機(jī)主臂所需要設(shè)計(jì)的部分進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出了三鉸點(diǎn)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(jī)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(guān)系進(jìn)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(shí)際設(shè)計(jì)和裝配整機(jī)，還有著一定距離。39 / 43致謝大學(xué)生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺，感慨良多。通過本次設(shè)計(jì)，也是我學(xué)習(xí)了很多關(guān)于工程機(jī)械的知識(shí)，同時(shí)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(xué)習(xí)知識(shí)，全面的掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的技能，為自己的未來打好基礎(chǔ)。作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師譚宗柒老師。譚老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的