工程機(jī)械伸縮臂強(qiáng)度理論研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、工程機(jī)械伸縮臂結(jié)構(gòu)緊湊、工作效率高，廣泛應(yīng)用在起重機(jī)、高空作業(yè)車(chē)等工程機(jī)械設(shè)備中。工作中，伸縮臂為直接承載部件通過(guò)變幅和伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的起吊和搬運(yùn)。現(xiàn)今伸縮臂多采用由高強(qiáng)度鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，并在伸縮臂臂體內(nèi)部或者外部安裝伸縮油缸來(lái)完成伸縮臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。各節(jié)伸縮臂臂體之間主要依靠臂體與滑塊的接觸作用來(lái)傳遞載荷，因此，各節(jié)伸縮臂臂體與滑塊接觸處的應(yīng)力分布比較復(fù)雜且明顯高于其他區(qū)域，接觸區(qū)域應(yīng)力水平?jīng)Q定了伸縮臂的承載能力。為了降低

2、臂體接觸區(qū)域應(yīng)力，提高臂體承載能力，最終實(shí)現(xiàn)臂體優(yōu)化設(shè)計(jì)，迫切需要對(duì)伸縮臂臂體與滑塊接觸區(qū)域應(yīng)力進(jìn)行研究。
　　伸縮臂接觸區(qū)域應(yīng)力計(jì)算常用方法為解析法和有限元法。本文針對(duì)簡(jiǎn)單的六邊形截面形狀伸縮臂，基于疊加原理提出了整體彎曲應(yīng)力疊加局部彎曲應(yīng)力的伸縮臂接觸區(qū)應(yīng)力解析計(jì)算數(shù)學(xué)模型。該模型首先計(jì)算在額定載荷作用下臂體整體彎曲應(yīng)力，然后將接觸區(qū)的臂體分離出來(lái)，建立局部分析模型求解局部彎曲應(yīng)力，最后將這兩項(xiàng)應(yīng)力疊加得到接觸區(qū)的總應(yīng)力。在局

3、部應(yīng)力分析模型中，提出了臂體間接觸載荷沿滑塊邊部狹窄區(qū)域分布的假設(shè)，該假設(shè)較傳統(tǒng)的臂體間接觸載荷沿滑塊整個(gè)表面均勻分布的假設(shè)更符合實(shí)際情況。針對(duì)較復(fù)雜的八邊形截面形狀伸縮臂，建立了參數(shù)化有限元模型。采用面面接觸單元來(lái)模擬伸縮臂臂體與滑塊之間的接觸關(guān)系，選擇最危險(xiǎn)工況對(duì)伸縮臂進(jìn)行了有限元靜力結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　為提高伸縮臂整體模型計(jì)算效率，同時(shí)保證臂體接觸區(qū)域應(yīng)力計(jì)算精

4、度，本文開(kāi)發(fā)了平衡力系邊界條件子模型方法：將從整機(jī)粗網(wǎng)格模型分析結(jié)果提取的平衡力系邊界條件施加到準(zhǔn)確構(gòu)建的子模型來(lái)準(zhǔn)確求解局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力。當(dāng)由于整體模型簡(jiǎn)化，使得局部幾何模型的剛度與真實(shí)結(jié)構(gòu)剛度有顯著差異時(shí)，該方法解決了應(yīng)用傳統(tǒng)子模型方法將從整機(jī)模擬結(jié)果得到的位移插值邊界條件直接施加到重新構(gòu)建的準(zhǔn)確子模型的邊界來(lái)求解導(dǎo)致子模型邊界應(yīng)力與整機(jī)模型中的應(yīng)力相差甚遠(yuǎn)的問(wèn)題。該方法也為大型機(jī)械的局部結(jié)構(gòu)分析提供了一種有效的分析方法。
　　應(yīng)

5、用新開(kāi)發(fā)的子模型方法，分析了滑塊幾何參數(shù)對(duì)八邊形截面伸縮臂臂體間接觸區(qū)域應(yīng)力影響規(guī)律，為滑塊尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，使其能夠充分降低接觸區(qū)域應(yīng)力。最后對(duì)某八邊形截面伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以伸縮臂截面幾何形狀參數(shù)以及相鄰臂體搭接長(zhǎng)度參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以伸縮臂結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為強(qiáng)度約束條件，變幅平面最大靜位移和回轉(zhuǎn)平面最大靜位移為剛度約束條件，以薄壁件的局部屈曲為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)約束條件，實(shí)現(xiàn)了臂體輕量化設(shè)計(jì)。新子模型法的運(yùn)用使結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率