摘要：以高空作业车臂架为研究对象，以ANSYS分析软件为工具，对其强度和刚度进行有限元分析，形成基于ANSYS软件平台的高空作业车臂架计算分析方法，为高空作业车的臂架优化设计和改进提供了有力的支撑。
关键词：高空作业车；臂架；有限元
高空作业车主要由底盘、副车架、转台、臂架系统、控制系统、工作平台组成。其中，臂架是高空作业车最主要的关键部件之一，其安全性、可靠性和先进性是决定高空作业车核心竞争力的关键。臂架作为将工作平台送至指定工作位置的主要部件，其可靠性对作业安全性的影响至关重要，因此，对臂架结构进行优化及提高可靠性的研究和攻关具有重要意义。
本文以30m高空作业车臂架为研究对象，充分利用有限元多种单元类型的特点，对臂架实现了建模，得到了臂架静态计算的变形与应力，为臂架结构优化及其可靠性的提升奠定了理论与实践数据相统一的基础。
1 臂架所受载荷的确定
对于静强度分析，传统观点认为，臂架水平全伸时的工况是最危险工况，但是对于某些部件，从经验可以判断最大应力发生在其他作业工况。为了更好的了解臂架的整体应力分布情况，对其各个作业工况都进行有限元计算是非常必要的。
作用在臂架上的载荷分为基本载荷和附加载荷，基本载荷是始终或经常作用在高空作业车臂架结构上的载荷，包括自重载荷、工作载荷；附加载荷是高空作业车在正常工作状态下，结构件所受的非经常性作用的载荷，包括风载荷和冲击载荷。对于不同的载荷，在计算过程中需要乘上不同的载荷系数。
2 有限元模型与计算
2.1 物理建模
臂架结构模型由5节臂、2个变幅油缸、1个伸缩油缸及伸缩钢丝绳系统、一组四连杆机构、管路输送机构等组成。通过SolidWorks 进行实体建模，再导入ANSYS workbench进行中面提取、几何处理和划分网格等前处理工作。整个模型共划分319063个节点，228691个单元。
2.2 材料模型
臂架结构主要使用优质低合金高强度钢Q550D，在计算过程中，定义其密度为7.85x10-6kg/mm3，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。
2.3 单元的选择
2.3.1 臂架
对于5节臂板单元，采用Shell181单元。Shell181是ANSYS中有限应变壳单元，它是4节点且每节点具有6自由度壳单元，适用于薄板和中等厚度壳结构线性、大变形、非线性计算分析。对于铰点处轴套及臂架上的小型构件可使用实体单元solid185或solid186。
2.3.2 变幅油缸及连杆机构
模型中油缸相当于一个二力杆，可通过杆件替代，将其设为刚性体，可加快整体计算速度。连杆机构可使用实体单元solid185。
2.4 边界条件
高空作业车臂架虽然工作过程中姿态常常变化，但边界条件比较稳定，主要是一节臂及变幅油缸与转台相连接处铰点的约束。约束分别施加在用于模拟铰点的实体单元上，约束5个自由度，并放开绕铰轴旋转自由度。
2.5 载荷的施加
结构的自重载荷及动载荷通过施加重力场实现。平台额定载荷通过加载在臂架末端的集中载荷实现。风载通过施加压力载荷实现，根据相关文献定义为250Pa。
2.6 计算分析过程与结果
由于臂架做空间运动，受力复杂。由于工况较多，计算时间过长，对计算机硬件要求非常高。本文主要以整车倾翻力矩最大为依据，确定臂架的危险工况。分别对臂架水平伸出达到最大作业幅度工况和臂架完全伸出且处于相应最大幅度状态工况，进行分析计算，找出臂架应力最大状态。
2.6.1 静力计算结果
臂架应力及变形云图如图1所示。
（1）一节臂前段各板应力偏小，这些区域的板具有一定的优化空间。油缸铰点前方出现应力较大区域，可酌情加固。臂下方检修孔周围出现应力偏大现象，可通过在孔周围贴板方式进行加强。各节臂在滑块支撑区域应力普遍偏大，可以在接触区域下方垫板，增加局部强度。
（2）ANSYS可作为臂架位移现象的可视化工具，通过对位移量的放大及视频文件的输出，可以使工程师直观的看到臂架在载荷作用的位移变化情况，为提高臂架刚性的优化设计提供依据。
3 结束语
高空作业车臂架是高空作业车设计和制造的关键，臂架结构的合理与否将直接影响整车的工作性能和作业稳定性，从计算过程来看，采用有限元自动计算分析方法与手工计算相比，节约了很多时间，同时，仿真模型可以更好的实时展现各节臂架的工作状态，全面掌握臂架在危险工况下的应力分布情况、位移情况，形成系统的基于ANSYS软件平台的高空作业车臂架计算方法，为高空作业车臂架的优化和改进设计提供有力的支撑。
参考文献
[1]顾迪民 田维铎 马道文 曾凡瑚 李恒涛 李以申 叶元华 钱涌根 《工程起重机》.
[2]张洪才. 《ANSYS14.0理论解析与工程应用》.
作者简介
张幸幸（1987-），男，江苏省徐州人，助理工程师，2010年6月毕业于南京工程学院机械设计制造及其自动化专业，学士学位，现主要从事主要从事环卫车辆研发设计工作。
论文作者:张幸幸
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/23
标签：载荷论文; 高空作业论文; 应力论文; 工况论文; 单元论文; 工作论文; 作业论文; 《电力设备》2017年第17期论文;