【正文】 —鋼絲繩捻制拆減系數(shù)，一般選取k=.鋼絲繩充滿系數(shù)，由下式確定，通常選取為=。將上述值帶入式（34）可得C=。m—滑輪組倍率，本項目取m=3。將上述值代入式（35）可得S=。由《起重機設(shè)計手冊》可知，可選用鋼絲繩型號為6T(25)—16—1850——光—右交GB1102—74。作用在缸的軸向力為：=,由4根鋼絲繩來承擔(dān)，每根鋼絲繩繩承受的拉力為?；営靡灾武摻z繩，并能改變鋼絲繩的走向，平衡鋼絲繩分支的拉力，組成滑輪組達(dá)到省力或增速的目的。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)，用強度不低于鑄鐵HT200、球鐵QT4017和鑄鋼ZG230450等材料制造。鑄鐵滑輪適用于工作級別M4以下的機構(gòu)，鋼制滑輪用于工作級別M4以上的機構(gòu)。 鋼絲繩出入鋼絲繩繩槽的偏角過大時（5176。根據(jù)上述描述，選擇滑輪的材料為鑄鐵HT200，滑輪的構(gòu)造為實體結(jié)構(gòu)。（a）工作滑輪直徑 （36）式中：按鋼絲繩中心計算的滑輪直徑（mm）。輪繩直徑比系數(shù)，與機構(gòu)工作級別，鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)。將數(shù)值帶入式（36）得出起升用滑輪288mm。參照上式取得B=45mm。 ②對于流動式起重機，建議取e=18，與工作級別無關(guān)。由此確定起升用滑輪規(guī)格為：=288mm，B=45mm。（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。滑輪組的主要規(guī)格為：滑輪組的倍率，滑輪組的滑輪配置和滑輪組的效率?；喗M的滑輪配置簡圖如下圖33 所示。完成了吊臂主體部分的設(shè)計。起重機在不同狀態(tài)下的可能出現(xiàn)的載荷，主要有以下幾種。考慮物品起吊離地或下降制動時對起重機金屬結(jié)構(gòu)的振動影響，必須對起重機自重產(chǎn)生的重力，乘以系數(shù)，稱為起升沖擊系數(shù)。（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。和自重載荷一樣，起重機吊臂實際工作中，由于物品突然離地起升或下降制動時，對承載機構(gòu)和傳動機構(gòu)將產(chǎn)生附加的動載作用。系數(shù)的取值方法如下：當(dāng)時，=；當(dāng)時。表41 起升狀態(tài)級別和動載系數(shù)的關(guān)系起升狀態(tài)級別1（2）吊臂在橫向平面承受的載荷（a）貨物在橫向平面的偏擺載荷偏擺載荷是由于貨物起升不穩(wěn)引起的在橫向平面力，其大小等于起升載荷所引起的力乘以貨物偏擺角度（當(dāng)很小且以弧度為單位時，可認(rèn)為），在此取，即。用以考慮受風(fēng)結(jié)構(gòu)物體型、尺寸等因素對風(fēng)壓的影響；—風(fēng)力高度變化系數(shù)；—計算風(fēng)壓；—起重機或起吊物品垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積。Ⅲ．計算風(fēng)壓的確定風(fēng)壓是風(fēng)的速度能轉(zhuǎn)化為壓力能的結(jié)果。按照規(guī)定，計算風(fēng)壓按空曠地區(qū)離地10m高處的風(fēng)速計算。風(fēng)壓計算式為：式中：—計算風(fēng)壓； —計算風(fēng)速另外，還可以用表42查詢出不同地區(qū)和不同計算工況的起重機的計算風(fēng)壓。Ⅳ．迎風(fēng)面積起重機結(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。圖41 變幅平面載荷狀態(tài)圖（2）吊臂在橫向平面的載荷狀態(tài)吊臂在橫向平面所受的力如圖42所示：風(fēng)載引起的載荷會在下節(jié)內(nèi)容中分節(jié)考慮，暫不作分析。（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）。聯(lián)立以上方程得：。（b）偏擺載荷由上述力的平衡方程如下：式中。（1）變幅平面的受力分析第二節(jié)吊臂變幅平面受力情況如圖45所示：圖45 二節(jié)臂變幅平面受力情況已知：，有三節(jié)臂受力分析的結(jié)果，得出力的平衡方程如下：式中。不符合條件，原因是得知應(yīng)該為0，應(yīng)更正二節(jié)臂的受力情況分析如圖46所示。、均為上節(jié)臂施加的約束反力，大小均已知，其詳細(xì)情況如圖47所示,即：圖47基本臂變幅平面受力情況（2）基本臂橫向平面受力分析同理，基本臂橫向平面內(nèi)下端受力情況不必分析，已知、即可，其值亦為第二節(jié)吊臂的反作用力，詳細(xì)情況如圖48所示，大小分別為：。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。有限元離散過程中，相鄰單元在同一節(jié)點上場變量相同達(dá)到連續(xù)，但未必在單元邊界上任一點連續(xù)；在把載荷轉(zhuǎn)化為節(jié)點載荷的過程中，只是考慮單元總體平衡，在單元內(nèi)部和邊界上不用保證每點都滿足控制方程。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。（2）有限元分析基本步驟有限元分析的基本步驟如下：（a）建立求解域并將其離散化為有限單元，即將連續(xù)體問題分解成節(jié)點和單元等個體問題；（b）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解得近似連續(xù)函數(shù)；（c）建立單元方程；（d）構(gòu)造單元整體剛度矩陣；（e）施加邊界條件、初始條件和載荷；（f）求解線性或非線性的微分方程組，得到節(jié)點求解結(jié)果，例如得到不同節(jié)點的位移量、應(yīng)力應(yīng)變量或熱力學(xué)問題中的溫度量等；（g）得到其他重要信息。它擁有豐富和完善的單元庫、材料庫和求解器，保證了它能夠高效地求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非線性問題，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析及熱一結(jié)構(gòu)禍合問題，靜態(tài)和時變電磁場問題，壓縮與不可壓縮的流體力學(xué)問題，以及多場藕合問題；它的友好的圖形用戶界面和程序結(jié)構(gòu)使用易學(xué)易用；它的完全交互式的前后處理和圖形軟件，大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型、生成有限元模型以及分析和評價計算結(jié)果的工作量；它的統(tǒng)一和集中式的數(shù)據(jù)庫，保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠和靈活的集成；它的DDA模塊實現(xiàn)了它與多個CAD軟件產(chǎn)品的有效連接；ANSYS系列的各種產(chǎn)品和適應(yīng)于各種計算機系統(tǒng)平臺的版本，為用戶提供了各種可能的選擇。在建立模型的同時進(jìn)行布爾運算，既保證了模型的正確性，又降低了復(fù)雜程度。第三節(jié)吊臂的在Pro/E中建立的三維模型如圖52所示。（2）設(shè)定單元類型及相應(yīng)的選項選擇板殼單元Shell63。（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。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)。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。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(dāng)出現(xiàn)“Solution is done! ，運算即完成。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。圖56 三節(jié)臂位移分布云圖圖57 三節(jié)臂應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象）。 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(yīng)力云圖如圖59，510所示。基本臂的在Pro/E中建立的三維模型如圖515所示。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的強度范圍之內(nèi)。第6章 吊臂運動學(xué)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。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。自頂向下的裝配設(shè)計與有底向上的設(shè)計方法正好相反。由零部件按照一定的約束關(guān)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(shè)計，對于吊臂結(jié)構(gòu)分別設(shè)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。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(jìn)行修改、分析和分解[17]。 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(xué)仿真Mechanism Design eXtension（MDX，機構(gòu)設(shè)計擴展）是Pro/E包含的運動分析模塊，能夠?qū)υO(shè)計進(jìn)行模擬仿真顯示、運動干涉檢測、運動軌跡、速度和加速度等。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(xué)仿真分析，根據(jù)實際調(diào)研，現(xiàn)設(shè)吊臂伸縮和變幅時速度與時間的關(guān)系曲線如圖665所示，進(jìn)行了吊臂的運動學(xué)仿真。根據(jù)有關(guān)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(shè)計變量曲結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，使一個飛機機翼的質(zhì)量減輕廣35%。 第三節(jié)吊臂的減重可行性分析參考《起重機設(shè)計手冊》，而16Mn的最大極限應(yīng)力為670Mpa，吊臂在工況下受到的最大應(yīng)力滿足下面條件即可：式中 —最大計算應(yīng)力； —許用應(yīng)力； —材料的極限應(yīng)力； —安全系數(shù)。 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)到減少整機重量的目的。 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(jìn)行簡單優(yōu)化，使其在滿足材料許用應(yīng)力的前提下，盡量減小材料的厚度達(dá)到減輕整機重量的目的。由于知識水平有限，吊臂的實際結(jié)構(gòu)比本論文中設(shè)計的結(jié)構(gòu)可能更全面和可靠，有限元分析以及以此為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)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(zhǔn)確分析；（3）掌握吊臂三維模型準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化成有限元模型的方法；（4）進(jìn)行試驗并將實際應(yīng)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(gòu)（非尺寸）的優(yōu)