剪叉式高空作业平台疲劳分析及结构优化研究

摘要

剪叉式高空作业平台因操作简单，运行平稳，承载和适应能力强而广泛应用于工程建设和市政维修等各个领域。剪叉机构作为剪叉式高空作业平台的关键部件，影响着作业平台安全、可靠运行。在交变载荷作用下，剪叉机构的结构强度和疲劳问题成为作业平台失效的主要表现形式，其结构的强度和疲劳性能直接关系到整个作业平台的稳定性和安全性，因此对剪叉机构的强度和疲劳性能研究显得尤为关键。本文以某型剪叉式高空作业平台剪叉机构为研究对象，建立了其理论计算模型和有限元仿真模型，进行了理论计算分析、动力学仿真分析、惯性释放分析和疲劳寿命分析，并通过液压缸进油口压力和剪叉臂结构应力测试实验对有限元仿真模型和理论模型的正确性进行了验证，最后基于有限元仿真结果对剪叉机构的关键部件进行了结构优化。本文的主要研究内容如下：　　(1)用数学建模的方法进行了剪叉机构液压缸推力与升降平台铰点力的计算分析，并基于遗传算法优化了液压缸的安装位置；采用有限元分析软件，完成了剪叉机构的机液联合刚柔耦合多体动力学仿真，根据仿真结果，对剪叉机构进行了液压缸进油口油压的仿真与实验结果对比分析、剪叉机构稳定性分析、剪叉臂的强度分析以及节点载荷谱的提取，验证了联合仿真模型的正确性、证明了剪叉机构的稳定性满足设计要求、确定了剪叉臂的最危险工况。　　(2)基于动力学仿真结果，在剪叉臂上选取合适测点进行应力测试实验，并将实验与仿真结果进行了比对，验证了联合仿真结果的正确性，确保了基于联合仿真的分析及优化的合理性。　　(3)基于动力学仿真结果，并利用在Hypermesh中建立的更高精度的剪叉臂网格模型，对剪叉臂进行了极限工况下和单位载荷作用下的惯性释放分析，进一步验证了联合仿真的正确性，并得到了疲劳分析时所需要的剪叉臂结构静态分析结果；接着利用nCode软件对剪叉臂进行了疲劳寿命分析，确定了剪叉臂最大疲劳损伤部位；最后基于疲劳分析和惯性释放分析结果，对剪叉臂结构进行了优化并重新建模分析，分析结果显示，优化后的结构满足强度和疲劳寿命要求。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 高空作业平台国内外发展现状

1.2.1 高空作业平台国外发展现状

1.2.2 高空作业平台国内发展现状

1.3 国内外技术研究现状

1.3.1 剪叉机构和结构疲劳国内研究现状

1.3.2 剪叉机构和结构疲劳国外研究现状

1.4 课题来源和论文研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 论文主要研究内容

1.4.3 论文的主要研究路线

1.5 本章小结

第2章 剪叉机构的理论分析及液压缸安装位置优化

2.1 作业平台整体结构与工作原理

2.2 液压缸推力的数学模型

2.3.1 剪叉机构铰点力的受力分析

2.3.2 剪叉机构铰点力的理论模型计算结果

2.4 基于遗传算法的液压缸安装位置优化

2.4.1 遗传算法概述

2.4.2 优化过程

2.4.3 优化结果分析

2.5 本章小结

第3章 剪叉机构的机液联合多体动力学仿真

3.1 联合仿真概述

3.2 基于AMESim剪叉机构液压系统建模与仿真

3.2.1 剪叉机构的平面机构建模

3.2.2 剪叉机构的液压系统建模

3.3 基于Virtual.Lab Motion剪叉机构动力学建模

3.3.1 刚柔耦合模型建模理论

3.3.2 剪叉机构动力学模型建立

3.4 联合仿真模型及接口设置

3.4.1 液压系统模型中接口设置

3.4.2 机构模型中接口设置

3.5 仿真结果分析

3.5.1 液压缸推力分析及试验验证

3.5.2 工作平台稳定性分析

3.5.3 应力仿真结果分析

3.5.4 节点载荷谱提取

3.6 本章小结

第4章 应力测试实验

4.1 测试实验目的

4.2 测试实验原理

4.3 测试实验过程

4.3.1 测试点选择

4.3.2 测试实验条件和实验步骤

4.4 实验结果分析

4.4.1 实验数据处理

4.4.2 测试实验值与有限元模拟值对比

4.5 实验误差分析

4.6 本章小结

第5章 剪叉臂疲劳寿命分析

5.1 疲劳寿命分析理论

5.1.1 疲劳损伤累积理论

5.1.2 材料疲劳特性曲线

5.1.3 疲劳载荷谱处理

5.2 基于Hypermesh的剪叉臂有限元前处理

5.3 基于ANSYS的剪叉臂静力学分析

5.3.1 极限工况静力学分析

5.3.2 单位应力作用下的静力学分析

5.4.1 疲劳分析过程

5.4.2 疲劳分析结果

5.5 结构优化研究

5.5.1 结构优化后静力学分析

5.5.2 结构优化后疲劳寿命分析

5.6 本章小结

结论与展望

全文总结

研究展望

参考文献

致谢