一種曲臂結構多姿態調整及分析

孫榮武，鄭繼平，文曉林，黃思培，李明

（湖南星邦智能裝備股份有限公司，長沙 410600）

0 引言

曲臂式高空作業平臺以其能避開障礙物、場地適應性強的優點越來越受市場青睞。在曲臂結構靜力學分析中，需要根據各種工況調整臂架及工作欄的姿態進行分析。在臂架姿態調整過程中，前處理工作量大、效率低下。鐘志宏[1]對泵車多姿態分析進行了研究。孫武和[2]對泵車臂架結構有限元分析及參數化進行了相關探索。高旭宏等[3]對高空作業平臺臂架進行了仿真計算。然而這些臂架姿態調整，都是建立在完整的網格模型基礎上的，如果計劃模型改變，則必須重新劃分網格，對臂架連接進行重新定義，工作量大，較為繁瑣。對于高空作業平臺臂架多姿態工況快速調整的方法，鮮有文獻記載。本文采用ANSYS Worbench軟件平臺，運用一種較簡單的運動副關系驅動臂架調整姿態。僅需一次性定義連接關系、網格劃分和接觸定義，即可完成所有臂架姿態的分析計算。即使三維模型改變，也無需重新定義部件之間的連接，極大提升了工作效率。

1 AB18EJ曲臂結構及工況分析

AB18EJ曲臂最大平臺高度為18 m。曲臂結構如圖1所示。折臂油缸8驅動折臂的伸展，主臂油缸15驅動主臂架的變幅，伸縮臂4與基本臂5之間有伸縮油缸，伸縮臂可以在基本臂中實現伸縮，上調平油缸7控制工作欄1保持水平姿態。馬達2控制工作欄回轉。

圖1 AB18EJ曲臂結構

進行靜力學分析，基本工況如表1所示，各工況的臂架姿態如圖2所示。

表1 曲臂基本工況

圖2 各種工況的臂架姿態圖

2 結構有限元分析

2.1 材料定義

臂架材料選取HG70，銷軸材料選取42CrMo，軸套材料選取Q500D，軸承材料選取復合材料。材料的力學性能如表2所示。

表2 材料屬性

2.2 臂架姿態調整

2.2.1 臂架結構建立接觸及連接

對三維模型局部作簡化處理后導入ANSYS Workbench 仿真平臺的Mechanical環境中。對臂架各部分定義nameselection (命名選擇)，每個nameselection中代表一類部件，例如“上連接體”中就包含上連接體總成的所有零件，“內滑塊”中包含伸縮臂后面的滑塊，“外滑塊”中包含基本臂前部的滑塊，“shafts”中包含所有的軸，“bearings”包含所有的軸承，還可以將2個及2個以上的nameselection進行合并操作，將“shafts”、“bearings”合并成“shafts&bearings”，便于選擇部件，如圖3（a）所示。根據命名選擇定義接觸，部件內部為綁定接觸，如圖3（b）所示。如果各部件之間有相對滑動，則定義接觸為摩擦接觸。轉臺、油缸、折臂、連桿、連接體臂架之間是通過銷軸與軸承連接，將銷軸與軸承之間的接觸定義為摩擦接觸。伸縮臂與基本臂之間通過滑塊實現伸縮，如果滑塊與伸縮臂之間存在相對移動，則接觸狀態為摩擦接觸。定義接觸以后，再定義各部件之間的連接，如果部件之間有相對轉動，則定義為revolute, 例如軸與軸承之間的連接為revolute。如果部件之間有相對移動，則定義為Translational。例如油缸筒與油缸桿之間及滑塊與伸縮臂之間定義為Translational?；颈叟c轉臺之間定義為general，釋放6個自由度，便于臂架在升降和旋轉過程中根據不同的自由度調整姿態。如圖3（c）所示，將定義的連接組合在一起命名為“姿態調整”。

圖3 定義命名選擇、接觸和連接

2.2.2 臂架姿態調整

采用Mechanical環境下的“Configure”配置按鈕，可以使運動副按照參考坐標系沿著某自由自由度方向運動[4]。使用這個功能可以調整臂架到任意姿態。具體操作步驟是：選擇運動副，點擊菜單欄中的“Configure”按鈕，在文本框中輸入位移數值或角度數值，即可驅動運動副動作。將需要調整姿態的運動副組建成一個Group(組)，重新命名標記，如“臂架轉動”“飛臂轉動”“臂架升高”“臂架伸出”等，在功能上進行區分，如圖4所示。例如，要從姿態一調整到姿態二：第一步，打開臂架升高文件夾，點擊連接副，點擊主菜單“Configure”按鈕，輸入高度值6500，點擊“Configure”，臂架就升高到指定位置；第二步，打開臂架伸出文件夾，選擇運動副點擊主菜單中“Configure”按鈕，輸入1000，點擊“Configure”臂架，就可完成伸出動作；第三步，打開“臂架轉動”文件夾，選擇運動副，將臂架向順時針轉37°。打開“飛臂轉動”文件夾，選擇運動副，將飛臂逆時針轉37°。選擇工作欄與馬達之間的運動副，將工作欄順時針90°。姿態調整完成以后，將“姿態調整”組合抑制。然后劃分網格，將網格劃分方法及尺寸設置完成以后，可以重新調整姿態，無需重新設置網格劃分參數。如果三維模型需要修改時，只需點擊“Revert”按鈕，將臂架姿態恢復到原始狀態，在數模處理軟件中修改三維模型以后，返回到Mechanincal環境中，所有連接設置仍然可以繼續使用。此次定義的連接都放置“姿態調整”組合中，僅用于調整姿態，不參與計算，所以計算時須抑制。

圖4 臂架姿態調整

曲臂計算有9種典型工況，靜力學分析必須調整9種姿態。采用姿態調整的方法，快速完成9種姿態的調整。然后點擊Workbench中的Update Project就可以完成所有工況的計算。

2.3 臂架網格劃分

對板材采用實體-殼單元“SOLSH190”劃分兩層網格，對可規則的實體部分，采用實體單元“SOLID186”劃分規則的六面體網格。不規則單元采用高階單元劃分成四面體網格。采用坐標系為總體笛卡爾坐標系。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

2.4 約束方式和載荷計算

約束及載荷：約束轉臺與回轉支承結合面。對整體結構施加重力，在工作欄中施加遠程力2500 N模擬額定載荷，施加遠程力400 N模擬操作力，操作力方向為傾翻力矩最大的方向。臂架側面施加10-4MPa壓力模擬風載荷。在下調平油缸與下調平油缸筒之間建立移動副，施加Jointload，如圖6所示。采用姿態調整的方法，將所有工況的臂架姿態調整完成。然后抑制“姿態調整”組中的連接。

圖6 臂架的約束及載荷

2.5 有限元計算

2.5.1 靜力學分析

主結構計算按線彈性結構進行，有限元的基本方程為

式中：K為整體剛度矩陣；δ為節點位移列陣；F為節點載荷矩陣。

利用邊界條件，結合以上方程可以求出各節點的位移及各單元應力等[5]。

對于結構的靜強度分析，采用第四強度理論進行校核，米塞斯等效應力（Von-Mises）即σeqv應滿足以下條件：

式中：σeqv為等效應力，σ1、σ2、σ3分別為第1、2、3主應力，［σ］為許用應力強度。

2.5.2 接觸計算

滑塊與伸縮臂及軸與軸承之間，軸與孔之間的接觸部分的計算為非線性問題，按照接觸算法進行校核。ANSYS中提供了罰函數法（Pure Penalty）、拉格朗日算法（Normal Lagrange）、增廣拉格朗日算法（Augmented Lagrange），通過執行強制協調進行接觸計算[6-7]。本計算采用增廣拉格朗日法進行接觸計算。接觸探測（Detection Method）有高斯積分點探測（On Gauss Points），一般比節點探測更準確；拉格朗日和MPC法默認是基于節點探測（On Nodes-Normal from Contact和On Nodes-Normal to Target）, 比高斯積分的探測點少[7]。對于有尖角與平面的接觸必須采用節點探測。所有探測方法的目的是盡量探測到接觸，形成接觸單元，減少滲透[8]。本計算采用高斯積分點探測。為了使探測到的高斯積分點更多，接觸行為設置為對稱接觸，更易于收斂。在定義接觸時，可添加命令流，改善計算的收斂性。命令流為：keyopt,cid,n,value。其中：keyopt為關鍵字，cid為接觸編號，n為關鍵字的序號，value為關鍵字的數值。ANSYS接觸單元有豐富的關鍵字和實常數，可以模擬工程中所需要的接觸類型及接觸參數[9]。

3 計算結果及分析

3.1 曲臂結構強度分析

如圖7、圖8所示，以工況1為例對強度進行分析?；颈蹜?97.91 MPa，伸縮臂應力為229.97 MPa，臂架強度滿足要求；上連接體應力為356.64 MPa，為壓應力，強度滿足要求；下連接體應力為430.71 MPa，區域很小，強度滿足要求；上連桿應力為253.65 MPa,下連桿應力為259.52 MPa，拉桿應力為307.08 MPa，在軸上，連桿強度滿足要求；下折臂為453.74 MPa，局部受壓區域很小，強度滿足要求，上折臂應力為357 MPa，均在軸套局部受壓位置，強度滿足要求；轉臺應力為299.23 MPa，強度滿足要求。對其余8種工況進行靜力學分析，下折臂軸套局部應力集中，為壓力，強度均滿足要求。

圖7 主臂架及轉臺應力云圖

圖8 折臂應力云圖

3.2 曲臂結構的變形分析

對臂架的9種工況進行分析，對工作欄側轉90°工況，校核臂架側向位移。臂架變形如表3所示。臂架最大綜合位移為544.4 mm，最大側向位移為201 mm，整體剛度和側向剛度滿足要求。

表3 臂架分析結果

4 結論

1）采用多姿態調整的方法，快速完成9種工況姿態的調整。經分析，曲臂各部分強度和剛度滿足設計要求。2）采用姿態調整方法僅需一次有限元前處理設置，提高前處理效率。此方法對于多姿態工況分析有借鑒意義。3）該姿態調整的方法尚有不足，需要對軟件進行二次開發，將其固化到軟件界面上，使人機交互性更好、更高效。