箱型伸缩臂汽车起重机许用载荷分析

摘要

汽车起重机具有较小的结构尺寸，但是它的伸缩臂具有较大的起吊能力。在起吊的载荷小于许用载荷的前提下，它能够实现快速机动，而且可以通过伸展吊臂获得较长的作业距离或者作业高度，因此在路桥、化工企业、风电和建筑等工程领域中应用十分广泛。起重机的伸缩吊臂是以受弯为主的受到双向弯压组合作用的结构，有时候还要受到扭曲，因此其受力情况比较复杂。各节伸缩臂之间的搭接部分是嵌套伸缩臂的接触位置，其接触应力的分布状态非常复杂。在接触区域内塑性屈服变形是首要的考虑因素。
　　箱型伸缩臂结构在很多的工程机械中有广泛的应用，快速准确的预先估计其许用载荷是设计过程中不可或缺的前提和基础。如果预先能使用某种方法对伸缩臂的临界载荷进行比较精确的估计，然后再使用ANSYS进行更精细的模拟，这能够节省大量的试算时间。基于此，本论文将从解析的思路出发，通过建立接触模型，对起重机伸缩臂的搭接段内滑块与局部盖板之间的接触进行分析，确定接触区域的局部盖板面的挠曲情况，由此进一步确定局部盖板面内的应力分布规律，最后对局部盖板进行了强度分析和稳定性分析，确定了起重机的许用载荷。此外，还使用ANSYS有限元软件对所建立的局部盖板模型进行了接触模拟，并将由解析法所求得的局部盖板面内的挠度值和Von Mises应力与ANSYS模拟得到的结果进行比较。本论文的具体研究内容如下:
　　首先，在考虑伸缩臂自重时，推导了具有多节伸缩臂的起重机在各节伸缩臂横截面上的剪力和弯矩的递推公式。对于伸缩臂在做外伸运动或者回缩运动过程中，通过一个数值算例分析了滑块与局部盖板之间的接触力变化情况，并且对受到弯扭组合作用的伸缩臂横截面的强度做了理论分析。
　　其次，本论文对汽车起重机的伸缩臂之间的接触问题进行了分析。通过引入薄板的相关理论知识，对滑块和伸缩臂局部盖板之间的接触区域的盖板建立了四边固支的局部盖板模型，使用对能量的虚变分原理确定了与滑块接触的盖板区域的挠曲面函数。进而由局部盖板的挠曲面函数导出了局部盖板内的应变、应力和内力。通过一个给定了各项参数的实例对伸缩臂盖板的局部接触区域进行了说明。
　　再次，根据滑块与局部盖板接触区域内的应力函数推导了局部盖板内各坐标轴上Von Mises应力分布函数。对于所求得的局部盖板内的Von Mises应力函数，由数学方法确定了Von Mises应力函数沿坐标轴的分布规律，进而找出了基本臂的局部上侧盖板和第二节臂的局部下侧盖板内的最大Von Mises应力位置点，它们即为该盖板内最容易出现塑性屈服的危险位置点。并将计算所得的结果与ANSYS模拟的结果做了比较分析。
　　然后，类似于四边固支的局部盖板模型，建立了一对边简支、另一对边固支的局部盖板模型。类似于四边固支的局部盖板模型的处理方法，求得了该局部盖板模型的挠曲面函数，并且由此确定了局部盖板面内沿各坐标轴的Von Mises应力分布规律和局部盖板内最大的Von Mises应力位置点。进一步将由计算求得的局部盖板的挠度和Mises应力分布与ANSYS有限元模拟的结果进行比较，分析了二者之差。结果表明第二种改进模型优于第一种模型。
　　最后，分别根据基本臂局部上侧盖板内的危险位置点和第二节臂局部下侧盖板内的危险位置点的最大Von Mises应力与外载荷之间的函数关系，由第四强度理论可以各自确定一个起重机的最大起吊载荷，在这两个起吊载荷中的较小者即为该汽车起重机的许用载荷值。进一步对许用载荷作用下的伸缩臂局部下侧盖板的稳定性进行了分析，并且通过数值算例验证了在许用载荷作用下基本臂的下侧盖板满足稳定性的要求。由第二种模型确定的伸缩臂的许用载荷比第一种模型确定的许用载荷略微大一些，而且数值结果与ANSYS模拟的结果更加接近。
　　此外，对于确定了伸缩臂横截面内侧尺寸的箱型伸缩臂起重机，还给出了四种提高起重机伸缩臂许用载荷的有效方法。通过使用文章中给出的这四种方法，可以在原来模型的基础上进一步提高起重机伸缩臂的承载能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 接触问题的研究现状

1．2．2 起重机伸缩臂结构的研究现状

1．2．3 柔性伸缩嵌套梁的振动研究

1．3 课题研究的意义

1．4 本论文的主要研究工作

2 起重机伸缩臂结构分析

2．1 引言

2．2 起重机的伸缩臂结构

2．3 伸缩臂的截面类型和滑块的材料

2．4 伸缩臂受载荷时的弯曲内力

2．5 伸缩臂横截面强度分析

2．6 滑块与的盖板之间的接触力

2．7 本章小结

3 伸缩臂嵌套段内的接触分析

3．1 引言

3．2 局部盖板与滑块之间的接触

3．3 局部盖板小挠度弯曲的基本微分方程

3．4 局部盖板面内的应力和应变

3．5 局部盖板挠曲面函数的求解

3．5．1 局部盖板的挠曲面函数

3．5．2 挠曲面函数待定系数的求解

3．6 建立模型的参数说明

3．7 本章小结

4 起重机的许用载荷分析

4．1 引言

4．2 局部盖板内的法向正应力

4．3 与滑块接触的局部盖板的主应力

4．4 局部盖板内最大应力位置的确定

4．4．1 不计法向正应力的分析

4．4．2 接触区域计及法向正应力的分析

4．5 伸缩臂的许用载荷

4．6 数值算例分析

4．6．1 许用载荷的确定

4．6．2 盖板的强度分析

4．7 本章小结

5 改进模型的起重机许用载荷分析

5．1 引言

5．2 挠曲面函数和应力分布函数

5．3 待定系数的确定

5．4 Von Mises应力最大位置点

5．5 许用载荷的确定

5．6 数值算例分析

5．6．1 局部盖板强度分析

5．6．2 局部盖板的压曲稳定性分析

5．7 提高起重机承载能力的方法

5．8 本章小结

6 结论和展望

6．1 本论文的主要工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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