CN105005636A - 一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，包括以下步骤：自定义参数化臂架截面；建立各节臂架有限元模型；组装模型；调整模型质量；施加约束；施加载荷并求解；后处理。本发明采用参数化方法建立臂架截面模型，设计人员只需修改对应参数，即可改变各节臂架形状及尺寸，所建立的参数化模型基本覆盖了高空作业车辆常用的臂架截面形状，实现了臂架截面快速修改及结构计算，提高了产品设计质量和效率；本发明中臂架系统力学简化所使用的各单元均为不高于一维的单元类型，与二维壳单元及三维实体单元建模型相比，计算速度显著提高。

Description

一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法

技术领域

本发明涉及一种有限元分析软件计算方法，具体是一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法。

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，对于包含多组多节伸缩臂架的高空作业车辆，随着臂架变幅角度的变化，当臂架伸缩行程大于某个阈值后，臂架结构最大应力将超过许用应力，因此由臂架变幅角度及行程阈值所决定的范围即为由臂架材料强度决定的车辆安全工作范围，在产品设计阶段需要计算此安全作业范围，以确保臂架最大应力满足材料强度要求。

现有的有限元计算方法解决高空作业车辆的臂架结构计算问题，其主要步骤为：（1）分解臂架系统的几何模型，将各节臂架结构及变幅机构等分别导入网格划分软件，采用壳单元及实体单元生成各部分的有限元模型；（2）将各部分有限元模型按照装配关系依次导入有限元计算软件，进行模型组装；（3）在臂架滑块搭接区域，采用接触分析或者结合使用梁单元和约束方程，对滑块作用进行力学模拟，同时，采用杆单元等模拟伸缩系统，建立模型各部分的力学连接关系；（4）施加载荷，对模型进行求解；（5）提取计算结果并进行后处理。

但是仍存在不足：首先建立有限元模型时，上述有限元计算方法需将各节臂架的详细几何模型分别导入网格划分软件，采用壳单元或实体单元手工划分网格，一旦臂架尺寸参数改变，则需要设计人员对更改后的几何模型重新进行网格划分，因此不适用于产品设计阶段臂架尺寸参数修改后的快速验算，仅适用于产品设计方案定型后对臂架系统及局部细节的详细计算；其次在计算由臂架强度决定的车辆安全作业范围时，对应每个确定的变幅角度，需调节臂架行程并进行若干次计算，以找到使臂架最大应力恰好等于材料许用应力时的臂架行程阈值。而上述有限元计算方法采用二维壳单元或三维实体单元对臂架结构进行建模，对于局部几何细节力求真实再现，因此网格数量庞大，计算耗时较长，仅适用于对确定变幅角度和臂架行程条件下的臂架系统进行计算，无法进行安全作业范围的自动计算。

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参数化计算方法。

本发明采用的技术方案是：一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，包括以下步骤：a. 自定义参数化臂架截面：根据高空作业车辆臂架截面的一般特征，采取自下而上的建模方法，对截面各尺寸均采取参数化建模；面模型建立完成后，对截面划分网格，并将各文件保存；b. 建立各节臂架有限元模型：根据各节臂架尺寸，采取由下而上的建模方式，定义梁单元并读入各节臂架对应截面文件，建立各节臂架筒体结构部分有限元模型；c.组装模型:在有限元分析软件中调整坐标系位置，然后按照所需计算的臂架姿态顺序导入各节臂架有限元模型，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力学处理；d. 调整模型质量：本发明中臂架筒体梁模型的自定义截面与真实臂架截面相同，因此质量相近无需调整；其余附属部分质量采用质量点单元模拟；e.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；f.施加载荷并求解：根据实际物理模型，施加载荷，为考虑臂架变形对结构应力产生的几何非线性效应，需运行NLGEOM，on命令，然后再对有限元模型进行静力分析求解；g.后处理：完成有限元计算后，即得到了全部求解结果根据实际需求，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。

本发明的有益效果是：本发明中采用参数化方法建立了臂架截面模型，设计人员只需修改文件中对应参数，即可改变各节臂架形状及尺寸，所建立的参数化模型基本覆盖了高空作业车辆常用的臂架截面形状，实现了产品设计初期臂架截面快速修改及结构计算，提高了产品设计质量和效率；另外，本发明所述方法可实现高空作业车辆由材料强度所决定的安全作业范围自动计算，提高了材料强度利用率及产品安全可靠性。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例登高平台消防车臂架系统简图；

图3为本发明建模自定义的参数化臂架截面；

图4为板式链滑轮系统结构示意图；

图5为板式链滑轮系统有限元模型；

图6为滑块模型搭接位置力学模拟示意图；

图7为变幅机构有限元模型。

图中：201、变幅油缸，202、一号臂，203、二号臂变幅机构，204、二号臂，205、曲臂变幅机构，206、曲臂，401、板式链滑轮，402、板式链，501、梁单元Ⅰ ，502、MPC184-revolute销轴单元，503、梁单元Ⅲ，504、杆单元Ⅳ，505、杆单元Ⅴ，601、节点Ⅰ ，602、节点Ⅱ，603、节点Ⅲ，604、节点Ⅳ，605、节点Ⅴ，606、节点Ⅵ，607一节臂与二节臂搭接区，701、一号臂，702、一号臂臂头，703、二号臂，704、二号臂变幅油缸，705、上变幅拉板，706、下变幅拉板。

具体实施方式

下面结合附图以登高平台车臂架系统为例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示以登高平台车臂架系统为例，一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，包括以下步骤：

a.自定义参数化臂架截面：根据高空作业车辆臂架截面的一般特征，采取自下而上的建模方法，即由点及线进而到面的方式建立臂架截面的二维平面模型。为便于臂架截面修改，定义臂架截面时采用APDL语言编程实现，对截面各尺寸均采取参数化建模如图3所示。面模型建立完成后，采用Plane82单元对截面划分网格，并将命令流保存为.mac文件。对应图3中各项参数，定义各节臂架参数值并分别保存为.var文件，然后读入臂架截面定义所对应的.mac文件，采用secwrite命令，生成各节臂架所对应的.sect自定义截面网格文件。

b.建立各节臂架有限元模型：根据各节臂架尺寸，采取由下而上的建模方式，定义梁单元Beam188并读入各节臂架对应截面文件，建立各节臂架筒体结构部分有限元模型。为正确模拟臂架与其他结构连接关系，在臂架与变幅油缸或变幅机构拉板连接铰点处定义节点，在此节点与臂架主体上对应位置节点之间构建梁单元，以实现力的正确传递。

c.组装模型:在ANSYS软件中调整坐标系位置，然后按照所需计算的臂架姿态顺序导入各节臂架有限元模型，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：伸缩系统由伸缩油缸、板式链及板式链滑轮组成。图4所示为板式链及板式链滑轮结构示意图，板式链402的两端分别连接相邻两节臂架并绕过板式链滑轮401实现运动的传递，因此板式链滑轮401两侧板式链402的拉力相等。对于图4所示系统，本发明采用图5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502模拟，单元两侧连接相同的Beam188梁单元Ⅰ501和梁单元Ⅲ503模拟滑轮，梁单元Ⅰ501和梁单元Ⅲ503分别连接Link180杆单元Ⅳ504和杆单元Ⅴ505以模拟板式链作用，即梁单元Ⅰ501和梁单元Ⅲ503可以绕MPC184-revolute销轴单元2转动，且由于梁单元Ⅰ501和梁单元Ⅲ503等长，因此两端杆单元Ⅳ504和杆单元Ⅴ505内力F1和F3相等，杆单元Ⅳ504和杆单元Ⅴ505另一端节点分别与相邻臂架对应节点连接，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：伸缩臂各节臂架的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，本发明采用ANSYS软件中的MPC184-slider单元模拟，使相邻两节臂头部和尾部的搭接处在垂直臂架平面内的平动保持一致，同时为了保证相邻臂架搭接处扭矩的正确传递，使用约束方程使相应节点绕臂架轴向的转动自由度相同。具体实现方式如图6所示，图中节点Ⅱ602、节点Ⅲ603和节点Ⅳ604为一节臂上节点，节点Ⅰ601、节点Ⅴ605和节点Ⅵ606为二节臂上的节点，其中节点Ⅰ601为二节臂尾部节点，其与节点Ⅱ602、节点Ⅲ603之间建立MPC184-slider单元，使节点Ⅰ601可在节点Ⅱ602与节点603Ⅲ之间的连线上滑动；节点Ⅳ604为一节臂头部节点，其与节点Ⅴ605、节点Ⅵ606之间建立MPC184-slider单元，使节点Ⅳ604可在节点Ⅴ605与节点Ⅵ606之间的连线上滑动。同时，在节点Ⅰ601、节点Ⅱ602和节点Ⅳ604、节点Ⅴ605间分别建立约束方程，使节点Ⅰ601、节点Ⅱ602和节点Ⅳ604、节点Ⅴ605之间绕臂架轴向的转动保持一致，由此实现了滑块搭接位置力学关系的正确模拟。

为准确模拟滑块摩擦力，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，然后提取滑块节点垂直于臂架轴向的节点力，将其乘滑块摩擦系数后得到对应摩擦力，然后分别施加到滑块区域相邻臂架节点上，再进行第二次计算，由此实现滑块摩擦力的正确模拟。

④变幅机构:变幅机构的有限元模型如图7所示，其中变幅油缸704及上变幅拉板705、下变幅拉板706等变幅机构均采用梁单元Beam188模拟，在变幅拉杆706与一号臂臂头702、变幅油缸704和二号臂703、上变幅拉板705与二号臂703以及变幅油缸704与上变幅拉板705、下变幅拉板706等连接铰点处所对应的梁单元节点之间建立MPC184-revolute单元以模拟铰点的转动和力的传递。

d.调整模型质量：高空作业车辆外载荷较小，其臂架系统自重是影响承载结构强度的主要因素，因此为保证计算精度，需使有限元模型与实际几何模型各部分质量保持一致。本发明中臂架筒体梁模型的自定义截面与真实臂架截面相同，因此质量相近无需调整；其余传动部分如变幅机构、伸缩油缸等质量采用Mass21质量点单元，将其分别施加于所对应梁单元两端节点，而臂架头尾部附属件质量则采用Mass21质量点单元，将其施加于各节臂架梁单元端部节点。

e.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。

f.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。为考虑臂架变形对结构应力产生的几何非线性效应，需运行NLGEOM，on命令，然后再对有限元模型进行静力分析求解。

g.后处理: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。

进一步，为实现车辆安全作业范围的自动计算，本发明使用材料许用应力进行控制，采用二分法插值计算各节臂架伸长量，并进行组装加载计算，直到臂架最大应力满足控制要求，再提取该工况下的应力、变形等各种结果数据，由此实现各变幅角度下由材料强度决定的行程阈值自动计算。

综上所述，本发明采用参数化方法建立了臂架截面模型，设计人员只需修改文件中对应参数，即可改变各节臂架形状及尺寸，所建立的参数化模型基本覆盖了高空作业车辆常用的臂架截面形状，实现了产品设计初期臂架截面快速修改及结构计算，提高了产品设计质量和效率；本发明中臂架系统力学简化所使用的梁单元Beam188、杆单元Link180、质量点单元Mass21及约束单元Mpc184，均为不高于一维的单元类型，与二维壳单元及三维实体单元所建模型相比，计算速度显著提高；本发明所述方法可实现高空作业车辆由材料强度所决定的安全作业范围自动计算，提高了材料强度利用率及产品安全可靠性。

Claims (8)

1.一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

a. 自定义参数化臂架截面：根据高空作业车辆臂架截面的一般特征，采取自下而上的建模方法，对截面各尺寸均采取参数化建模；面模型建立完成后，对截面划分网格，并将各文件保存；

b. 建立各节臂架有限元模型：根据各节臂架尺寸，采取由下而上的建模方式，定义梁单元并读入各节臂架对应截面文件，建立各节臂架筒体结构部分有限元模型；

c.组装模型:在有限元分析软件中调整坐标系位置，然后按照所需计算的臂架姿态顺序导入各节臂架有限元模型，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力学处理；

d. 调整模型质量：本发明中臂架筒体梁模型的自定义截面与真实臂架截面相同，因此质量相近无需调整；其余附属部分质量采用质量点单元模拟；

e.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；

f.施加载荷并求解：根据实际物理模型，施加载荷，为考虑臂架变形对结构应力产生的几何非线性效应，需运行NLGEOM，on命令，然后再对有限元模型进行静力分析求解；

g.后处理：完成有限元计算后，即得到了全部求解结果；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。

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参数化计算方法，其特征在于，所述的有限元分析软件优选为ANSYS软件，并采用APDL语言编程。

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参数化计算方法，其特征在于，步骤a，面模型建立完成后，采用Plane82单元对截面划分网格，并将命令流保存为.mac文件；对应各项参数，定义各节臂架参数值并分别保存为.var文件，然后读入臂架截面定义所对应的.mac文件，采用secwrite命令，生成各节臂架所对应的.sect自定义截面网格文件。

4.根据权利要求2所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，其特征在于，步骤b，所述的梁单元为Beam188，且为正确模拟臂架与其他结构连接关系，在臂架与变幅油缸或变幅机构拉板连接铰点处定义节点，在此节点与臂架主体上对应位置节点之间构建梁单元，以实现力的正确传递。

5.根据权利要求2所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，其特征在于，步骤c，进行的力学处理如下：

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：伸缩系统由伸缩油缸、板式链及板式链滑轮组成；建立的有限元模型为：滑轮支撑点采用MPC184-revolute销轴单元（502）模拟，单元两侧连接相同的用以模拟滑轮的Beam188梁单元Ⅰ（501）和梁单元Ⅲ（503），梁单元Ⅰ（501）和梁单元Ⅲ（503）分别连接模拟板式链作用的Link180杆单元Ⅳ（504）和杆单元Ⅴ（505），即梁单元Ⅰ（501）和梁单元Ⅲ（503）可以绕MPC184-revolute销轴单元2转动，且由于梁单元Ⅰ（501）和梁单元Ⅲ（503）等长，因此两端杆单元Ⅳ（504）和杆单元Ⅴ（505）内力F1和F3相等，杆单元Ⅳ（504）和杆单元Ⅴ（505）另一端节点分别与相邻臂架对应节点连接；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：伸缩臂各节臂架的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，本发明采用ANSYS软件中的MPC184-slider单元模拟，使相邻两节臂头部和尾部的搭接处在垂直臂架平面内的平动保持一致，使用约束方程使相应节点绕臂架轴向的转动自由度相同以保证相邻臂架搭接处扭矩的正确传递。建立的有限元模型为：节点Ⅱ（602）、节点Ⅲ（603）和节点Ⅳ（604）为一节臂上节点，节点Ⅰ（601）、节点Ⅴ（605）和节点Ⅵ（606）为二节臂上的节点，其中节点Ⅰ（601）与节点Ⅱ（602）、节点Ⅲ（603）之间建立MPC184-slider单元，使节点Ⅰ（601）可在节点Ⅱ（602）与节点（603）Ⅲ之间的连线上滑动；节点Ⅳ（604）与节点Ⅴ（605）、节点Ⅵ（606）之间建立MPC184-slider单元，使节点Ⅳ（604）可在节点Ⅴ（605）与节点Ⅵ（606）之间的连线上滑动。同时，在节点Ⅰ（601）、节点Ⅱ（602）和节点Ⅳ（604）、节点Ⅴ（605）间分别建立约束方程，使节点Ⅰ（601）、节点Ⅱ（602）和节点Ⅳ（604）、节点Ⅴ（605）之间绕臂架轴向的转动保持一致，由此实现了滑块搭接位置力学关系的正确模拟；

为准确模拟滑块摩擦力，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，然后提取滑块节点垂直于臂架轴向的节点力，将其乘滑块摩擦系数后得到对应摩擦力，然后分别施加到滑块区域相邻臂架节点上，再进行第二次计算，由此实现滑块摩擦力的正确模拟；

④变幅机构: 建立的有限元模型为：变幅油缸（704）及上变幅拉板（705）、变幅拉板（706）等变幅机构均采用梁单元Beam188模拟，在下变幅拉杆（706）与一号臂臂头（702）、变幅油缸（704）和二号臂（703）、上变幅拉板（705）与二号臂（703）以及变幅油缸（704）与上变幅拉板（705）、变幅拉板（706）等连接铰点处所对应的梁单元节点之间建立MPC184-revolute单元以模拟铰点的转动和力的传递。

6.根据权利要求2所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，其特征在于，步骤d，所述的其余附属部分为：传动部分如变幅机构、伸缩油缸等质量采用Mass21质量点单元，将其分别施加于所对应梁单元两端节点，而臂架头尾部附属件质量则采用Mass21质量点单元，将其施加于各节臂架梁单元端部节点。

7.根据权利要求2所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，其特征在于，步骤f.所述的施加载荷为：风载、平台承载载荷以及惯性载荷即重量加速度。

8. 根据权利要求1至7任一项所述的一种高空作业车辆筒形臂架系统参数化计算方法，其特征在于，建立各节臂架有限元模型时采用二分法插值计算各节臂架伸长量，并进行组装加载计算，直到臂架最大应力满足控制要求，再提取该工况下的应力、变形等各种结果数据，由此实现各变幅角度下由材料强度决定的行程阈值自动计算。