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郭仁生．優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2003年8月。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(yàn)來設(shè)計(jì)汽車起重機(jī)吊臂，缺乏科學(xué)數(shù)值分析的問題，在研究汽車起重機(jī)吊臂各組件工作原理并自主設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成吊臂力學(xué)模型的建立，并利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)三節(jié)吊臂分別進(jìn)行應(yīng)力分析，并利用分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)的吊臂的尺寸方面進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化，使整機(jī)重量得以減輕，達(dá)到節(jié)約材料的的目的。，這已經(jīng)接近16Mn的許用應(yīng)力，故暫時(shí)不作優(yōu)化。，—，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(yīng)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(shí)位移分布云圖圖65 第三節(jié)吊臂鋼板厚度為7mm時(shí)應(yīng)力分布云圖圖66 第三節(jié)吊臂鋼板厚度為6mm時(shí)位移分布云圖圖67 第三節(jié)吊臂鋼板厚度為6mm時(shí)應(yīng)力分布云圖當(dāng)?shù)谌?jié)吊臂鋼板的厚度減為6mm時(shí)，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(dá)到減少整機(jī)重量的目的。美國波音 (Boeing)公司對(duì)747飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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]。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。MDX所創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能導(dǎo)入Pro/MECHANICA Motion模塊中進(jìn)行進(jìn)一步分析，與Pro/Mechanica Motion相比，MDX完全集成于Pro/E中，操作直觀簡(jiǎn)便、便于掌握，但功能相對(duì)薄弱，因此更適用于不十分復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析[18]。典型的裝配圖和爆炸圖如圖6圖63所示。組合起來的整體就是裝配體。設(shè)計(jì)時(shí)，首先從整體上勾畫出產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)關(guān)系或創(chuàng)建裝配體的二位零件布局關(guān)系圖，然后再根據(jù)這些關(guān)系或布局逐一設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的零件模型。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。要想完成吊臂的裝配模型，需要先建立零件的三維模型。 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(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，得出了各節(jié)吊臂的位移分布云圖和應(yīng)力分布云圖，得出最大變形量和最大應(yīng)力所在位置，為下章對(duì)吊臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。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。圖59 二節(jié)臂位移分布云圖圖510 二節(jié)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)在三節(jié)臂與二節(jié)臂通過滑塊接觸部位，—，這在16Mn的強(qiáng)度范圍內(nèi)。第二節(jié)吊臂的在Pro/E中建立的三維模型如圖58所示。得出三節(jié)臂的位移的分布云圖和應(yīng)力分布云圖如圖557所示。（9）后處理進(jìn)入后處理器，后處理通過圖形或列表方式顯示分析結(jié)果。Ⅱ．其他外載荷的施加，加在所設(shè)的位置即可。（b）載荷的施加Ⅰ．自重載荷的施加對(duì)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(shí)常數(shù)，自動(dòng)將單元載荷因子的信息計(jì)入總載荷進(jìn)行計(jì)算。（5）在ANSYS中的幾何建模在ANSYS中建立的模型如圖53 所示。 （3）定義實(shí)常數(shù)吊臂單元厚度為8mm。 圖52 第三節(jié)吊臂在Pro/E中的三維模型利用ANSYS進(jìn)行有限元分析的過程如下：（1）設(shè)定分析模塊使用“Preference”對(duì)話框選擇“Structual”分析模塊。在ANSYS中有兩種建模方式可供選擇：（1）以吊臂真實(shí)工況進(jìn)行建模，力保留原來的方向（包括自重）；（2）按全局坐標(biāo)系對(duì)吊臂進(jìn)行建模，將各個(gè)載荷分解到全局坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸上,考慮到建模的方便，本項(xiàng)目采用第二種方法建模[1416]。 吊臂力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析本節(jié)內(nèi)容主要是對(duì)汽車起重機(jī)吊臂的各節(jié)吊臂進(jìn)行有限元分析，考慮到有限元軟件ANSYS的建模功能比較薄弱，所以本項(xiàng)目的初始設(shè)想是利用建模功能強(qiáng)大的三維CAD軟件Pro/E進(jìn)行建模，然后通過Pro/E軟件與ANSYS軟件之間的接口，將實(shí)體模型調(diào)入到ANSYS下以生成有限元模型，但是由于模型的結(jié)構(gòu)尺寸在長度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大十其寬度和厚度，所以在進(jìn)行有限元分析中所選取的單元類型為二維殼單元，即Shell63單元，由于該單元是二維面單元，所以在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)只能對(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所以利用Pro/E建立的三維實(shí)體模型無法進(jìn)行有限元分析，所以最后決定在ANSYS中直接進(jìn)行建模。有限元分析過程也可以表述為如下框圖如圖51 所示：圖51 有限元分析基本過程ANSYS程序是美國ANSYS公司研制的大型有限元分析軟件，從70年代誕生至今，經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)成為能夠緊跟計(jì)算機(jī)硬、軟件發(fā)展的最新水平、功能豐富、用戶界面友好、前后處理和圖形功能完備的，使用高效的有限元軟件系統(tǒng)。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(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的無限增加，因此，在解決實(shí)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[]。由于單元可以設(shè)計(jì)成不同的幾何形狀，因而運(yùn)用有限元法可以模擬和逼近復(fù)雜的求解域。有限元的基本思想是把連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而將連續(xù)體看作僅在節(jié)點(diǎn)處相連接的一組單元的集合體，同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一個(gè)近似插值函數(shù)以表示單元中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律，再建立用于求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程組，從而講一個(gè)連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題，求解得到節(jié)點(diǎn)值后就可以通過設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以致整個(gè)集合體上的場(chǎng)函數(shù)。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(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)。圖46 更正后二節(jié)臂變幅平面受力情況更正后，得出力的平衡方程如下：有經(jīng)驗(yàn)知，和的關(guān)系為:聯(lián)立，得：（2）橫向平面的受力分析風(fēng)載荷轉(zhuǎn)化到臂端的載荷：由受力情況可得：聯(lián)立，得：（1）基本臂變幅平面的受力分析由于利用ANSYS進(jìn)行受力分析時(shí)，確定了載荷和約束就可以直接求解了，故基本臂C點(diǎn)和D點(diǎn)不用求出其受力情況即可。經(jīng)求解，得出。聯(lián)立，得：。圖43 三節(jié)臂變幅平面受力情況（2）橫向平面的受力分析第三節(jié)吊臂橫向平面受力情況如圖44所示：圖44 三節(jié)臂橫向平面受力情況（a）風(fēng)載荷轉(zhuǎn)化到臂端的載荷，式中為風(fēng)載荷向臂端的轉(zhuǎn)化系數(shù)。由上述力得出平衡方程如下[11]：式中。貨物偏擺引起的載荷圖42吊臂橫向平面內(nèi)載荷狀態(tài) 各節(jié)吊臂受力模型的分析（1）變幅平面的受力分析第三節(jié)吊臂變幅平面的受力情況如圖43所示：圖43 三節(jié)臂變幅平面受力情況（a）垂直載荷為三節(jié)臂頂端承受的垂直載荷，大?。浩湓赬和Y方向的分量分別為：（b）起升繩拉力（c）三節(jié)臂自重載荷（d）二節(jié)臂對(duì)三節(jié)臂作用力、為第二節(jié)吊臂對(duì)第三節(jié)吊臂的支撐力（待求）；、為第二節(jié)吊臂對(duì)第三節(jié)吊臂的摩擦力，其大小分別為：、。（3）吊臂在極端工況下所受載荷詳細(xì)情況和其載荷狀態(tài)圖（a）吊臂在變幅平面載荷狀態(tài) 經(jīng)查閱《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，吊臂在變幅平面所受的力如圖41所示：垂直載荷；吊臂導(dǎo)向定滑輪對(duì)吊臂施加的力：由于吊臂自重引起的垂直載荷會(huì)在后面各節(jié)吊臂詳細(xì)分析時(shí)分開考慮，先暫不作分析。表42 起重機(jī)計(jì)算風(fēng)壓（N/m2）（GB3811—83）地區(qū)工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓非工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓風(fēng)速內(nèi)陸150500~600沿海20230600~1000臺(tái)灣省及南海諸島202501500綜合考慮風(fēng)壓計(jì)算公式和經(jīng)驗(yàn)表格，本項(xiàng)目取。計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)的計(jì)算風(fēng)俗按陣風(fēng)風(fēng)速考慮，非工作狀態(tài)的計(jì)算風(fēng)速為2min時(shí)的平均風(fēng)速。風(fēng)壓與空氣密度和風(fēng)速有關(guān)。Ⅱ．風(fēng)力系數(shù)和風(fēng)力高度變化系數(shù)的確定風(fēng)力系數(shù)跟迎風(fēng)面形狀和充實(shí)率有關(guān)，結(jié)合《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，本項(xiàng)目取。（b）在橫向平面的風(fēng)載荷Ⅰ.風(fēng)載荷計(jì)算公式式中—風(fēng)力系數(shù)。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。這一動(dòng)載作用可通過將起升