高空作业车臂架优化设计及多体动力学分析

摘要

高空作业车作为一种工程中常用的高空作业工程机械，可以将工作人员和工作设备运送到达指定高度。目前，高空作业车的使用范围正在变得越来越大，同时为了满足在实际工程中的需求，高空作业车的各项性能也变得愈发完善。臂架作为高空作业车的主要部件，其性能很大程度上决定了高空作业车的性能。在这样的发展形势下，对高空作业车臂架力学性能的研究已经成为了工程机械设计领域的重点研究内容。 本文以CSC5060JGKJH16型16m折臂式高空作业车作为研究对象，首先利用Inventor软件建立高空作业车臂架系统的三维模型，再将建立的三维模型导入ANSYS中，并选取作业臂最大工作半径和最大工作高度这两种危险工况，在进行划分网格和施加载荷等工作之后，对这两种工况进行了臂架结构静强度和静刚度的分析，获得了这两种工况下作业臂的应力分布、应力危险部位和应变分布，分析结果表明臂架结构静强度、静刚度的都满足要求;接着以臂架的总质量为优化目标，以各节作业臂厚度、耳板厚度、连接板厚度为设计变量，在保证臂架强度和刚度都满足要求的前提下，对所研究的作业臂进行结构优化设计。优化后的作业臂自重减少了128.063kg，达到臂架轻量化的目的。同时利用Matlab优化工具箱对下臂与转台、下臂液压缸组成的单缸三铰点变幅机构进行优化，优化后的变幅油缸受力减小了14.01％。 接下来，运用多体动力学理论，建立了优化之后的臂架系统的刚性臂架的数学模型，对臂架进行运动学分析，并用动力学分析软件ADAMS对臂架从一个位姿到另一个位姿进行动力学仿真分析，通过分析得出了各级臂架的运动参数曲线，同时可以得出变幅油缸的受力变化曲线。通过这些曲线，我们可以分析出臂架系统在刚性模块下运动性能良好，启动制动平稳，末端位置运动也相对平稳，无振颤，安全性好。 最后利用多柔体系统动力学理论对优化之后的臂架进行了动力学分析，得出了刚性参数及柔性体参数对臂架运动的影响程度。运用ANSYS-ADMAS联合仿真分析，得出了臂架柔性变形对系统各个参数的影响曲线，通过与多刚体动力学分析对比，可以发现臂架的柔性模型引起了臂架的各个运动参数不同程度的振动现象，可见柔性变形对臂架系统产生了不容忽视的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 高空作业车及臂架结构发展现状

1．2．1 国内外高空作业车发展现状

1．2．2 高空作业车臂架结构发展现状

1．3 本文研究内容和方法

2 高空作业车臂架系统的有限元分析

2．1 有限元分析理论及软件介绍

2．1．1 有限元分析理论

2．1．2 有限元法分析步骤

2．1．3 有限元分析软件ANSYS介绍

2．1．4 ANSYS分析步骤

2．2 作业臂有限元分析

2．2．1 作业臂的结构与材料

2．2．2 几何建模及模型简化

2．2．3 单元选择与网格划分

2．2．4 载荷及约束条件的处理

2．2．5 计算工况

2．2．6 作业臂静态特性分析

2．2．7 分析结果

2．3 本章小结

3 高空作业车臂架优化设计

3．1 优化设计概述

3．2 基于ANSYS软件的优化设计

3．2．1 ANSYS优化设计的基本概念

3．2．2 ANSYS优化设计的分析步骤

3．3 高空作业车臂架自重的优化

3．3．1 优化数学模型的建立

3．3．2 优化结果及分析

3．4 高空作业车臂架铰点位置优化

3．4．1 变幅机构简介

3．4．2 液压缸力学模型的建立

3．4．3 优化数学模型的建立

3．4．4 Fmincon函数简介

3．4．5 优化结果

3．5 本章小结

4 高空作业车臂架系统多体动力学分析

4．1 液压缸运动及驱动力的分析

4．2 臂架系统的运动学分析

4．3 臂架系统多刚体动力学分析

4．3．1 拉格朗日方程概述

4．3．2 臂架系统多刚体动力学分析

4．3．3 ADAMS软件简介

4．3．4 高空作业车臂架的ADAMS动力学分析

4．4 本章小结

5 高空作业车臂架系统多柔体动力学分析

5．1 多柔体系统动力学简介

5．2 折臂式高空作业车臂架坐标系建立

5．3 臂架系统动力学方程推导

5．3．1 柔性作业臂总动能计算

5．3．2 柔性作业臂总势能计算

5．3．3 柔性作业臂广义力计算

5．3．4 柔性多体动力学方程推导

5．3．5 柔性多体动力学方程特性分析

5．4 ANSYS-ADAMS柔体动力学联合仿真

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢