CN104850685A - 一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，首先根据臂架结构的几何模型，将各节臂架及变幅机构分别进行几何处理、网格划分及单元属性定义，建立臂架结构及变幅机构的有限元模型；再对各部分模型进行组装，根据实际物理模型对部分结构之间的连接关系进行力学简化，并将臂架后铰点及变幅油缸下铰点处节点设置自由度约束；最后施加载荷并求解。本发明可准确计算长臂架大变形对结构应力产生的几何非线性效应，输入工况文件定义多组计算工况，可进行多工况的自动批处理计算，缩短了分工况计算时间，设计人员能直观得到不同工况不同姿态的结果信息；还可自动实现不同部件之间力的正确传递和局部结构的计算，提高了计算效率和精度。

Description

一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法

技术领域

本发明涉及一种有限元结构计算方法，具体是一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，属于高空作业车辆技术领域。

背景技术

高空作业车辆是一类具有高空救援、高空运输物料及高空工程作业等功能的特种车辆，在工程建设及抢险救援中有着广泛的应用。其中，具有筒形臂架形式的伸缩臂式高空作业车由于作业高度高、作业范围大等优势成为50米以上作业高度的唯一解决方案。筒形臂架系统通常包含多组多节伸缩臂，并采用液压油缸及钢丝绳、板式链等组成的伸缩系统实现伸缩动作。由于高空作业车辆为载人工作设备，因此对其安全性要求较高，特别是主要承载部件臂架系统，在产品设计阶段需要对其结构应力进行计算，确保其满足材料强度要求。

随着计算机技术的发展，有限元分析技术也得到了长足的进步，其中ANSYS软件具有较为完善的有限元分析功能，同时还为用户提供了APDL语言进行命令流编写以实现对软件功能的自动实现，但其对使用人员的专业性要求较强，给从事高空作业车辆结构设计的技术人员造成了一定障碍。

目前对于筒形臂架系统的结构计算方法通常采用解析计算法。解析法是基于材料力学、理论力学公式及国家标准和厂家技术规范，经过多年发展而形成的计算方法，其主要特点是将臂架系统分为臂架主体结构及伸缩系统、变幅机构等分别计算，其中将臂架主体结构简化为理想的梁模型，并根据力学理论及相关标准给出的经验公式，对臂架结构最大应力进行计算校核；对其他部分则按照力系的平衡准则推导公式计算。但是在实际计算过程中，解析法存在如下问题：

(1)当高空作业车辆臂架长度较大、臂架节数较多时，臂架系统将发生显著下挠变形，此时臂架自重及外部载荷产生的弯矩将明显增大从而导致臂架应力增大。而解析算法的理论基础是材料力学和理论力学，其基本假设均是线性弹性体系，即假设系统变形较小，不考虑结构变形对结构应力的影响，因此无法计算臂架大变形产生的几何非线性效应，应力计算结果偏危险，误差较大；

(2)对于由多组臂架组成的组合臂架系统，两组臂架之间由变幅机构连接。而解析算法是基于理想梁模型进行计算，因此仅适用于筒形臂架主体部分，对臂架连接处的变幅机构无法处理，故对于组合臂架系统计算时，需将其拆分逐组计算，计算量大、变幅机构连接处边界力加载不准确；

(3)解析算法是基于理想梁模型进行计算，因此对于油缸、板式链等机构连接处的局部结构应力无法计算；

(4)对于伸缩系统、变幅机构等部分结构受力需手工推导公式计算，推导过程繁琐、计算量大。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，可准确计算长臂架大变形对结构应力产生的几何非线性效应，计算准确；可通过输入工况文件定义多组计算工况，并可进行多工况的自动批处理计算，大大缩短分工况计算时间，并可在后处理中观察应力及位移云图，使设计人员能够直观的得到不同工况不同位置的结果信息，提高设计质量和效率；还可自动实现不同部件之间力的正确传递和局部结构的计算，无需进行繁琐的手工公式推导，提高计算效率和精度。

为了实现上述目的，本发明采用的一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，具体步骤为：

步骤一、建立有限元模型：根据臂架结构的几何模型，将各节臂架及变幅机构分别导入有限元网格划分软件Hypermesh进行几何处理、网格划分及单元属性定义，对臂架结构及变幅机构采用合适的单元类型进行力学简化，建立臂架结构及变幅机构的有限元模型，并将各部分模型分别导出为ANSYS软件可识别的格式文件；

步骤二、在工况文件中输入不同的变幅角度及行程工况；

步骤三、组装模型：在ANSYS软件中调整坐标系位置，按照所需计算的臂架姿态顺序导入各节臂架及变幅机构的有限元模型，其中，各节臂架的行程由坐标系的平移实现，臂架的变幅角度由坐标系的转动实现，导入模型后，对各部分结构之间的连接关系进行相应的力学处理：

步骤四、施加约束：根据实际物理模型，将臂架后铰点及变幅油缸下铰点处节点设置自由度约束，即分别释放其变幅平面内转动自由度，约束其他平动及转动自由度；

步骤五、施加载荷并求解：根据实际物理模型，施加集中载荷包括风载、平台承载载荷，惯性载荷即重量加速度；考虑到臂架变形对结构应力产生的几何非线性效应，先运行NLGEOM，on命令，再对有限元模型进行静力分析求解；

步骤六、完成有限元计算后，即得到了全部求解结果，包括各节点应力、位移，根据实际需求，可编写命令提取各节臂架最大应力、臂头处位移及伸缩系统中板式链及伸缩油缸受力，并显示云图查看最大应力所在位置。

优选地，所述步骤三中对各部分结构之间的连接关系进行相应的力学处理具体如下：

1)变幅油缸：变幅油缸两端均为铰接，仅能承受轴向力，采用杆单元Link180连接变幅油缸两端铰点进行模拟；

2)伸缩系统：伸缩系统包括伸缩油缸、板式链及板式链滑轮，伸缩油缸的力学性质同变幅油缸，采用杆单元Link180模拟；板式链的两端分别连接相邻两节臂架并绕过板式链滑轮实现运动的传递，板式链滑轮两侧板式链的拉力相等，采用MPC184单元、梁单元及杆单元建立的力学模型实现板式链滑轮系统的正确简化；

3)滑块：设置在伸缩臂各节臂架头部和尾部的滑块实现臂架之间的搭接，滑块采用ANSYS软件中的梁单元Beam188及约束方程实现，即在相邻两节臂架的搭接区域中，建立若干梁单元Beam188，并将梁单元两个节点分别与两节臂架上对应位置的节点建立约束方程，实现接触压力的传递；采取多次加载的方法，即首先按初始模型计算一次，然后根据结果，解除滑块区域受拉力的梁单元节点与对应臂架节点的约束方程，然后进行第二次计算，再根据第二次计算结果，提取梁单元所受压力，乘滑块摩擦系数后得到对应摩擦力，将其施加到对应的臂架滑块区域节点，最后进行第三次计算，实现滑块受力与摩擦力的正确模拟。

滑块搭接区域的力学模拟采取梁单元和约束方程实现，或将滑块用实体单元建模，再采用接触分析的方法实现。

所述步骤一至步骤六中，在建立有限元模型后，其他步骤均采用APDL语言编程实现，通过在工况文件中输入不同的变幅角度及行程，即可完成臂架系统各种姿态下结构分析计算的自动批量化处理，。

所述步骤一种对各节臂架主体结构部分采用壳单元Shell181模拟，对变幅机构中各结构采用实体单元Solid185及壳单元Shell181模拟模拟。

与现有解析算法相比，本发明应用ANSYS软件的有限元计算方法可准确计算臂架大变形对结构应力产生的几何非线性效应，计算准确。本发明可通过输入工况文件定义多组计算工况，并可进行多工况的自动批处理计算，大大缩短了分工况计算时间；计算完成后自动将所需计算结果输出至Excel表格中，并可在后处理中观察应力及位移云图，使设计人员能够直观的得到不同工况不同姿态的结果信息，提高了设计质量和效率。本发明建立了整个臂架系统的有限元模型，对其中伸缩系统及变幅机构等也进行了合理的力学建模，因此在计算中即可自动实现不同部件之间力的正确传递和局部结构的计算，无需进行繁琐的手工公式推导，提高了计算效率和精度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为88米登高平台消防车臂架系统简图；

图3为板式链及板式链滑轮系统结构示意图；

图4为板式链滑轮系统有限元模型；

图5为相邻两节臂架滑块位置示意图。

图中：1、变幅油缸，2、一号臂，3、二号臂变幅机构，4、二号臂，5、曲臂变幅机构，6、曲臂，11、板式链滑轮，12、板式链，21、梁单元I，22、MPC184单元，23、梁单元III，24、杆单元IV，25、杆单元V，31、头部上滑块，32、头部下滑块，33、尾部上滑块，34、尾部下滑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

以88米登高平台车臂架系统为例说明本发明详细实施方法：如图2所示，88米登高平台消防车臂架系统由两组伸缩臂(一号臂2、二号臂4)和一节曲臂6构成，其中，一号臂2为五节伸缩臂，二节臂4为三节伸缩臂，由伸缩油缸和板式链组成的伸缩系统实现伸缩动作。一号臂2的变幅动作由变幅油缸1实现，二号臂4和曲臂6的变幅动作分别由二号臂变幅机构3和曲臂变幅机构5实现。故针对图2所示臂架系统的有限元结构计算方法具体步骤为：

(1)、建立有限元模型：根据臂架结构的几何模型，将各节臂架及变幅机构分别导入有限元网格划分软件Hypermesh进行几何处理、网格划分及单元属性定义，其中对于各节臂架主体结构部分采用壳单元Shell 181模拟，对于变幅机构中的拉板及箱型焊接结构采用实体单元Solid185及壳单元Shell 181模拟，并将各部分模型分别导出为ANSYS软件可识别的格式文件；

(2)、组装模型：在ANSYS软件中调整坐标系位置，然后按照所需技术的臂架姿态顺序导入各节臂架及变幅机构的有限元模型，其中，各节臂架的行程由坐标系的平移实现，臂架的变幅角度由坐标系的转动实现，导入模型后，对各部分结构之间的连接关系进行如下的力学处理：

1)变幅油缸：由于变幅油缸两端均为铰接，仅能承受轴向力，因此采用杆单元Link180连接变幅油缸两端铰点进行模拟；

2)伸缩系统：伸缩系统包括伸缩油缸、板式链及板式链滑轮，如图3所示板式链及板式链滑轮结构示意图，板式链12的两端分别连接相邻两节臂架并绕过板式链滑轮11实现运动的传递，因此板式链滑轮11两侧板式链12的拉力相等。对于图3所示系统，本发明采用图4所示的有限元模型模拟，其中滑轮支撑点采用MPC184-revolute销轴单元2(即MPC184单元22)模拟，单元两侧连接相同的Beam188梁单元1和3(即梁单元I21、和梁单元III23)模拟滑轮，梁单元1和梁单元3分别连接Link180杆单元4和5(即杆单元IV24、和杆单元V25)以模拟板式链作用，即梁1和梁3可以绕销轴单元2转动，且由于梁1和梁3等长，因此两端杆单元4和5内力F1和F3相等，由此可保证简化的有限元模型与实际的板式链滑轮系统作用一致；对于伸缩油缸，其力学性质同变幅油缸，因此仍采用杆单元Link180模拟；

3)滑块：伸缩臂各节臂架头部和尾部均设置有滑块实现臂架之间的搭接，对于滑块搭接的力学处理，可采用ANSYS软件中的梁单元Beam188及约束方程实现，即在相邻两节臂架的搭接区域中，建立若干梁单元Beam188，并将梁单元两个节点分别与两节臂架上对应位置的节点建立约束方程，实现接触压力的传递。当臂架行程不同时，受力的滑块也并不相同，如图5所示，当内节臂架行程较小时，由于自重的原因，此时受力的滑块主要是头部下滑块32及尾部下滑块34，而头部上滑块31和尾部上滑块33并不接触；而随着内节臂架行程的增大，此时内节臂架的重量逐渐分布于外节臂架以外，因此受压的滑块逐渐过渡为头部下滑块32和尾部上滑块33，而其他滑块基本不受力。为准确模拟不同行程时滑块受力的不同及滑块摩擦力，本发明中采取多次加载的方法，即首先按初始模型计算一次，然后根据结果，解除滑块区域受拉力的梁单元节点与对应臂架节点的约束方程，然后进行第二次计算，再根据第二次计算结果，提取梁单元所受压力，乘滑块摩擦系数后得到对应摩擦力，将其施加到对应的臂架滑块区域节点，最后进行第三次计算，实现滑块受力与摩擦力的正确模拟。

(3)施加约束：根据实际物理模型，将臂架后铰点及变幅油缸下铰点处节点设置自由度约束，即分别释放其变幅平面内转动自由度，约束其他平动及转动自由度；

(4)施加载荷并求解：根据实际物理模型，施加集中载荷包括风载、平台承载载荷，惯性载荷即重量加速度；考虑到臂架变形对结构应力产生的几何非线性效应，需先运行NLGEOM，on命令，再对有限元模型进行静力分析求解；

(5)完成有限元计算后，即得到了全部求解结果，包括各节点应力、位移，根据实际需求，可编写命令提取各节臂架最大应力、臂头处位移及伸缩系统中板式链及伸缩油缸受力，并显示云图查看最大应力所在位置，为结构优化提供依据。

上述步骤中，在建立有限元模型后，其他步骤均采用APDL语言编程实现，通过在工况文件中输入不同的变幅角度及行程，即可完成臂架系统各种姿态下结构分析计算的自动批量化处理。

当然，本发明中滑块搭接区域的力学模拟采取梁单元和约束方程实现，也可将滑块用实体单元建模，再采用接触分析的方法实现。本发明中筒形臂架主体结构部分除了采用壳单元Shell181模拟，还可采用其他类型的壳单元或实体单元模拟。本发明的有限元计算除了采用ANSYS软件完成，也可采用其他通用有限元计算软件实现。

综上所述，本发明通过APDL语言编程及合理的力学建模，实现了臂架系统多工况多姿态的自动批处理计算及伸缩系统、变幅机构等子系统的自动计算，提高了筒形臂架系统的计算精度和效率。其中，应用ANSYS软件的有限元计算方法可准确计算长臂架大变形对结构应力产生的几何非线性效应，计算准确；可通过输入工况文件定义多组计算工况，并可进行多工况的自动批处理计算，大大缩短了分工况计算时间；计算完成后自动将所需计算结果输出至Excel表格中，并可在后处理中观察应力及位移云图，使设计人员能够直观的得到不同工况不同位置的结果信息，提高了设计质量和效率；建立了整个臂架系统的有限元模型，对其中伸缩系统及变幅机构等也进行了合理的力学建模，因此在计算中即可自动实现不同部件之间力的正确传递和局部结构的计算，无需进行繁琐的手工公式推导，提高了计算效率和精度。

Claims (5)

1.一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、建立有限元模型：根据臂架结构的几何模型，将各节臂架及变幅机构分别导入有限元网格划分软件Hypermesh进行几何处理、网格划分及单元属性定义，对臂架结构及变幅机构采用合适的单元类型进行力学简化，并将各部分模型分别导出为ANSYS软件可识别的格式文件；

步骤二、在工况文件中输入不同的变幅角度及行程工况；

步骤三、组装模型：在ANSYS软件中调整坐标系位置，按照所需计算的臂架姿态顺序导入各节臂架及变幅机构的有限元模型，其中，各节臂架的行程由坐标系的平移实现，臂架的变幅角度由坐标系的转动实现，导入模型后，对各部分结构之间的连接关系进行相应的力学处理：

步骤四、施加约束：根据实际物理模型，将臂架后铰点及变幅油缸下铰点处节点设置自由度约束，即分别释放其变幅平面内转动自由度，约束其他平动及转动自由度；

步骤五、施加载荷并求解：根据实际物理模型，施加集中载荷包括风载、平台承载载荷，惯性载荷即重量加速度；考虑到臂架变形对结构应力产生的几何非线性效应，先运行NLGEOM，on命令，再对有限元模型进行静力分析求解；

步骤六、完成有限元计算后，即得到了全部求解结果，包括各节点应力、位移，根据实际需求，可编写命令提取各节臂架最大应力、臂头处位移及伸缩系统中板式链及伸缩油缸受力，并显示云图查看最大应力所在位置。

2.根据权利要求1所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，其特征在于，所述步骤三中对各部分结构之间的连接关系进行相应的力学处理具体如下：

1)变幅油缸：变幅油缸两端均为铰接，仅能承受轴向力，采用杆单元Link180连接变幅油缸两端铰点进行模拟；

2)伸缩系统：伸缩系统包括伸缩油缸、板式链及板式链滑轮，伸缩油缸的力学性质同变幅油缸，采用杆单元Link180模拟；板式链的两端分别连接相邻两节臂架并绕过板式链滑轮实现运动的传递，板式链滑轮两侧板式链的拉力相等，采用MPC184单元、梁单元及杆单元建 立的力学模型实现板式链滑轮系统的正确简化；

3)滑块：设置在伸缩臂各节臂架头部和尾部的滑块实现臂架之间的搭接，滑块采用ANSYS软件中的梁单元Beam188及约束方程实现，即在相邻两节臂架的搭接区域中，建立若干梁单元Beam188，并将梁单元两个节点分别与两节臂架上对应位置的节点建立约束方程，实现接触压力的传递；采取多次加载的方法，即首先按初始模型计算一次，然后根据结果，解除滑块区域受拉力的梁单元节点与对应臂架节点的约束方程，然后进行第二次计算，再根据第二次计算结果，提取梁单元所受压力，乘滑块摩擦系数后得到对应摩擦力，将其施加到对应的臂架滑块区域节点，最后进行第三次计算，实现滑块受力与摩擦力的正确模拟。

3.根据权利要求2所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，其特征在于，滑块搭接区域的力学模拟采取梁单元和约束方程实现，或将滑块用实体单元建模，再采用接触分析的方法实现。

4.根据权利要求1所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，其特征在于，所述步骤一至步骤六中，在建立有限元模型后，其他步骤均采用APDL语言编程实现，通过在工况文件中输入不同的变幅角度及行程，即可完成臂架系统各种姿态下结构分析计算的自动批量化处理。

5.根据权利要求1所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统有限元结构计算方法，其特征在于，所述步骤一种对各节臂架主体结构部分采用壳单元Shell181模拟，对变幅机构中各结构采用实体单元Solid185及壳单元Shell181模拟。