工程機械伸縮臂強度理論研究及結構優(yōu)化.pdf

1、工程機械伸縮臂結構緊湊、工作效率高，廣泛應用在起重機、高空作業(yè)車等工程機械設備中。工作中，伸縮臂為直接承載部件通過變幅和伸縮運動來實現對貨物的起吊和搬運?，F今伸縮臂多采用由高強度鋼板焊接而成的箱型結構，并在伸縮臂臂體內部或者外部安裝伸縮油缸來完成伸縮臂的伸縮運動。各節(jié)伸縮臂臂體之間主要依靠臂體與滑塊的接觸作用來傳遞載荷，因此，各節(jié)伸縮臂臂體與滑塊接觸處的應力分布比較復雜且明顯高于其他區(qū)域，接觸區(qū)域應力水平決定了伸縮臂的承載能力。為了降低

2、臂體接觸區(qū)域應力，提高臂體承載能力，最終實現臂體優(yōu)化設計，迫切需要對伸縮臂臂體與滑塊接觸區(qū)域應力進行研究。
　　伸縮臂接觸區(qū)域應力計算常用方法為解析法和有限元法。本文針對簡單的六邊形截面形狀伸縮臂，基于疊加原理提出了整體彎曲應力疊加局部彎曲應力的伸縮臂接觸區(qū)應力解析計算數學模型。該模型首先計算在額定載荷作用下臂體整體彎曲應力，然后將接觸區(qū)的臂體分離出來，建立局部分析模型求解局部彎曲應力，最后將這兩項應力疊加得到接觸區(qū)的總應力。在局

3、部應力分析模型中，提出了臂體間接觸載荷沿滑塊邊部狹窄區(qū)域分布的假設，該假設較傳統的臂體間接觸載荷沿滑塊整個表面均勻分布的假設更符合實際情況。針對較復雜的八邊形截面形狀伸縮臂，建立了參數化有限元模型。采用面面接觸單元來模擬伸縮臂臂體與滑塊之間的接觸關系，選擇最危險工況對伸縮臂進行了有限元靜力結構分析，通過與實驗樣機的應力測試結果進行比較，驗證了有限元分析結果的準確性。
　　為提高伸縮臂整體模型計算效率，同時保證臂體接觸區(qū)域應力計算精

4、度，本文開發(fā)了平衡力系邊界條件子模型方法：將從整機粗網格模型分析結果提取的平衡力系邊界條件施加到準確構建的子模型來準確求解局部結構應力。當由于整體模型簡化，使得局部幾何模型的剛度與真實結構剛度有顯著差異時，該方法解決了應用傳統子模型方法將從整機模擬結果得到的位移插值邊界條件直接施加到重新構建的準確子模型的邊界來求解導致子模型邊界應力與整機模型中的應力相差甚遠的問題。該方法也為大型機械的局部結構分析提供了一種有效的分析方法。
　　應

5、用新開發(fā)的子模型方法，分析了滑塊幾何參數對八邊形截面伸縮臂臂體間接觸區(qū)域應力影響規(guī)律，為滑塊尺寸優(yōu)化設計提供了理論依據，使其能夠充分降低接觸區(qū)域應力。最后對某八邊形截面伸縮臂結構進行了優(yōu)化設計，以伸縮臂截面幾何形狀參數以及相鄰臂體搭接長度參數為設計變量，以伸縮臂結構的最大等效應力為強度約束條件，變幅平面最大靜位移和回轉平面最大靜位移為剛度約束條件，以薄壁件的局部屈曲為結構失穩(wěn)約束條件，實現了臂體輕量化設計。新子模型法的運用使結構優(yōu)化效率