高空作业车伸缩臂结构性能分析

摘要

用于举升检修人员的伸缩臂是高空作业车的重要的构件。伸缩臂的滑块处同时受正压力以及摩擦力作用，该处计算模型的简化合理与否直接影响其分析计算的准确性。
　　接触问题属于边界非线性问题，当用有限元程序进行接触分析时，计算时间较长，收敛与否依赖于模型的复杂程度以及接触刚度等因素。在有限元分析中，节点自由度耦合分析方法为线性分析，不存在收敛问题。为了研究这两种方法在高空作业车伸缩臂滑块区域分析中的差异以及相互替代的条件，在有限元软件ANSYS中分别建立了伸缩臂接触模型和节点自由度耦合模型。分析结果表明:在模拟滑块接触时，自由度耦合方法得到的结果接近于接触模型;但在铰接支座处由于这两种模型差异较大，两者计算结果相差很大。在此伸缩臂结构分析中，虽然接触模型中的接触应力随载荷呈非线性变化，但两种模型中结构Von Mises等效应力随载荷均为线性变化，这是两种模型在一定条件下可以相互替代的必要条件。
　　疲劳失效是结构的常见失效形式。当伸缩臂在变幅、回转机构启动或制动时，会受到瞬态冲击载荷作用，造成结构振动，产生应力幅和应变幅，过大的应力幅以及应变幅会导致结构疲劳失效。对结构进行瞬态动力学分析时，需要定义Rayleigh阻尼系数，首先通过模态分析获得需要的频率范围，据此计算出Rayleigh阻尼系数，并探讨了所选取的频率范围对结构振动的影响。通过瞬态动力学分析，获得结构在冲击载荷作用下的振动响应，并以此作为载荷谱在疲劳分析软件FE-SAFE中对结构进行疲劳寿命计算。疲劳分析结果表明:不同的计算方法以及平均应力修正方法得到的疲劳寿命相差很大，需要考虑公式的应用情况进行合理的选择。通过研究阻尼比对结构疲劳寿命的影响，发现在对数坐标系下疲劳寿命与阻尼比呈线性变化。
　　一般结构在加工制造过程中都会有一定的初始缺陷或者裂纹，这时在计算疲劳寿命时名义应力法和局部应力应变法就不再适用。对于结构有初始裂纹情况下的剩余寿命的计算一般应用损伤容限法。通过查阅手册以及相关资料，获得应力强度因子表达式以及断裂韧度值，应用帕里斯公式，对受交变载荷的伸缩臂的上盖板进行了有初始裂纹的剩余寿命的计算，同时讨论了工作温度对有初始裂纹情况下结构剩余寿命的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高空作业车概述

1．1．1 引言

1．1．2 高空作业车国外发展现状

1．1．3 高空作业车国内发展现状

1．2 接触分析研究现状

1．2．1 接触分析概述

1．2．2 接触分析国内外研究现状

1．2．3 接触分析在伸缩臂结构分析中的应用

1．3 疲劳分析研究现状

1．3．1 疲劳分析发展状况

1．3．2 疲劳分析软件

1．4 论文研究的主要内容

第2章 基于有限元法的高空作业车伸缩臂接触分析

2．1 基于接触对的伸缩臂接触分析

2．1．1 接触问题的赫兹解法介绍

2．1．2 接触问题的有限元方法简介

2．1．3 ANSYS接触分析过程简介

2．1．4 接触模型的建立

2．1．5 接触分析结果

2．2 基于节点自由度耦合的接触分析

2．2．1 节点自由度耦合简介

2．2．2 节点自由度耦合模型的建立以及耦合区域的确定

2．2．3 节点自由度耦合分析结果

2．3 伸缩臂两种接触分析模型的比较

2．4 结构非线性探讨

2．5 本章小结

第3章 伸缩臂瞬态动力学分析

3．1 瞬态动力学介绍

3．1．1 瞬态动力学理论简介

3．1．2 瞬态动力学数值算法

3．1．3 Rayleigh阻尼

3．2 瞬态动力学模型的建立

3．2．1 确定计算工况

3．2．2 瞬态分析阻尼的选取

3．2．3 瞬态分析有限元参数设置

3．3 瞬态动力学分析结果

3．3．1 举升启动冲击下的瞬态分析结果

3．3．2 举升制动冲击下的瞬态分析结果

3．3．3 回转启制动冲击下的瞬态分析结果

3．4 阻尼系数对结构振动的影响

3．5 本章小结

第4章 动载作用下伸缩臂疲劳分析

4．1 疲劳算法介绍

4．1．1 单轴应变疲劳寿命分析

4．1．2 基于S-N曲线的疲劳寿命分析

4．1．3 平均应力对应力应变疲劳的修正

4．1．4 多轴应变疲劳寿命分析

4．2 动载作用下伸缩臂疲劳寿命

4．2．1 确定计算工况及材料疲劳特性参数

4．2．2 疲劳分析软件FE-SAFE中模型设置

4．2．3 二节臂伸出工况下疲劳分析结果

4．2．4 伸缩臂举升工况下疲劳分析结果

4．2．5 转台回转工况下疲劳分析结果

4．2．6 阻尼比对疲劳寿命的影响

4．3 有初始裂纹情况下伸缩臂疲劳寿命研究

4．3．1 损伤容限设计简介

4．3．2 应力强度因子、断裂韧性和帕里斯公式

4．3．3 剩余寿命估计

4．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文