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1、目 录第一章 绪 论41.1高空作业车的概况及其发展方向41.2高空作业车组成51.2.1 工作机构51.2.2 金属结构51.2.3 动力装置61.2.4 控制系统61.3 GKZ型高空作业车的概况61.3.1整机结构简介61.3.2高空作业臂71.3.3 作业车作业状态主要技术参数81.4 课题的提出81.5 本课题所要研究的具体任务91.6 本课题研究的意义9第二章 高空作业车的结构设计102.1 材料的选择102.2 计算上、下臂的长度112.3 确定油缸铰点的位置122.3.1 确定上臂油缸铰点的位置122.3.2 确定下臂油缸铰点的位置132.4 上臂截面尺寸的确定132.4.1
2、对上臂进行受力分析132.4.2 计算上臂截面尺寸142.4.3 对上臂进行强度效核162.5 下臂截面尺寸的确定182.5.1 对下臂进行受力分析182.5.2 计算下臂的截面尺寸212.5.3 对下臂进行正应力效核22第三章 高空作业臂有限元分析253.1 概述253.2 载荷条件及分析工况说明263.2.1 载荷条件263.2.2 分析工况263.3 上臂的有限元分析273.3.1上臂的实体建模273.3.2 有限元分析283.4 下臂的有限元分析323.4.1下臂的实体建模323.4.2 有限元分析32第四章 总 结36致 谢39参考文献40全套CAD图纸，翻译，开题报告等，联系153
3、893706高空作业车工作臂结构设计及有限元分析摘 要：高空作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆。本文主要以“GKZ型高空作业车”上、下臂结构为研究对象，对上、下臂进行结构设计和ANSYS有限元分析。本文主要阐述了根据高空作业车的最大作业高度12米，在满足作业高度的前提下，进行高空作业臂的结构设计：首先根据使用要求选择作业臂材料的类型；其次根据最大作业高度确定上、下臂的长度；再经过受力分析利用强度来确定臂的截面尺寸及油缸的铰接位置；再进行强度、刚度、稳定性的校核，查看作业臂的尺寸是否符合要求；利用PRO/E软件进行上、下臂实体建模，通过PRO/E软件的输出端口和ANS
4、YS软件的输入端口，将实体模型导入ANSYS软件中。在ANSYS软件中，先定义工作臂的单元类型为实体单元“Solid Brick 8 node 45”；其材料属性定义为：弹性模量为2.1e11，泊松比为0.3，钢的密度为。进行网格划分时，采用了ANSYS提供的最常用的网格划分控制工具“MeshTool”中的“SmartSize Controls”，网格划分的值越小得到的结果越好，但网格太细会占用大量的分析时间，造成资源浪费，由于上、下臂的尺寸较大，而厚度较小，为提高计算效率，在网格划分密度时，选取值为4。然后，施加均布载荷和约束，进行结构的强度和刚度分析，确定危险截面或危险点的应力分布及变形。
5、根据有限元分析结果，找出结构设计中的不合理因素，提出改进方案，并对改进后的结构进行有限元分析，对两种分析结果进行比较。最后画出作业臂总装图及上、下臂零件图。关键词：高空作业车；结构设计；有限元分析；ANSYSAerial vehicle arm of Aerial work platform structuredesignand finite element analysis Abstract：Aerial vehicle arm of Aerial work platform is a special vehicle which carries operators and tools to
6、the aerial appoint place for work，In this paper, “GKZ high-altitude vehicles in the” upper and lower arm structure of the research object, right, under arms, structural design and Finite Element Analysis. This paper elaborated on the basis of aerial vehicle operations largest 16 meters high, to meet
7、 the high operating on the premise that for high-altitude operations arm of structural design : First choice under the requirements of the use of operating arm of the types of materials; Second, based on the height of the largest operations to determine the upper and lower arm length; After Analysis
8、 to determine the intensity of use of the arm section size and fuel tanks articulated position; further strength, stiffness, Stability of Verification, check the operating arm size whether it meets the requirements; PROE software using the upper and lower arm entity modeling, PROE software through t
9、he output ports and ANSYS input ports, Entity Model into ANSYS software. In ANSYS, first definition of the modules work arm type of entity unit Solid Brick 8 node 45; material properties : the definition of elastic modulus of 2.1 e11, the Poissons ratio of 0.3, the density of steel. For mesh, ANSYS
10、used for the most commonly used mesh control tool MeshTool of the Smar tSize Controls, mesh smaller the value the better the results. But mesh too small will occupy a great deal of analysis time, resulting in a waste of resources, since the upper and lower arm of a larger size. thickness and smaller
11、, to increase the efficiency of the computation, the mesh density, the selected value of four. Then, impose uniform loads and constraints, structural strength and rigidity, identify hazardous or dangerous section the stress distribution and deformation. According to the finite element analysis, stru
12、ctural design to identify the irrational factors that improvement program also improved the structure of finite element analysis, the analysis of both results. Finally paint operations arm assembly diagram and the upper and lower parts arm map. Keywords：Aerial vehicle arm of Aerial work platform；Str
13、uctural design；Finite element analysis；ANSYS第一章 绪 论1.1高空作业车的概况及其发展方向高空作业车又称登高平台消防车，广泛用于建筑、市政、电讯、机场、工厂、园林、住宅等场所，从事消防、抢险救灾、施工、安装、维护等工作。其中，供消防部门用于灭火、辅助灭火或消防救援，是最主要的一个功能。高空作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆，是将高空作业装置安装在汽车底盘上组成的。高空作业装置包括高空作业臂、起重工作臂、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统还有操纵装置等部分组成。 现在的高空作业装置具有操作平顺、工作稳定、自动调速、安全
14、可靠等优点，大大提高了空中作业的工作效率。高空作业车按工作臂的型式，有四种基本型式，分别为：垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式。垂直升降式高空作业车的升降机构只能在垂直方向上进行运动。它的主要特点是结构简单，承载能力强，但作业范围小，作业高度低，这种结构型式应用比较少。折叠臂式高空作业车工作臂之间的连接全部采用铰接型式，所以国外又把它叫做铰接式高空作业车。折叠臂高空作业车结构适合于较低作业高度的车型，如要加大作业高度，必然要增加臂长或增加工作臂数量，增加臂长会使作业车体积庞大，降低灵活性；增加工作臂数量会造成操作繁琐，安全性降低。伸缩臂式的高空作业车在行驶状态时，工作臂缩回套叠，工作时伸
15、出，可以有效增大作业高度，同时具有工作效率高、操作简单、动作平稳等特点。混合臂式高空作业车工作臂之间既有铰接，也有伸缩，是折叠臂式和伸缩臂式高空作业车的结合，它综合了两种结构型式的优点，工作性能最好，但结构也最为复杂。高空作业车是利用汽车底盘作为行走机构，具有汽车的行驶通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速转移，转移到作业场地后能迅速投入工作，因此被越来越多的应用在工程建设、工业安装、设备检修、物业管理、航空、船舶、石化、电力、影视、市政、园林等许多行业，是近几年来国内发展最快的专用汽车产品之一。高空作业车是高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的，高作业设备广泛应用在建筑、消防等行业。随
16、着高空作业车作业高度越来越高，振动所导致的大幅度摆动，严重的影响了定位的准确性，降低了工作效率，加之高空摆动给人的安全感极差，也降低了设备的宜人性，间接的影响了工作效率。因此对高空作业车进行动力研究，有重要意义。目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂型式的，有更大的市场需求。1.2高空作业车组成高空作业车正常进行作业，需要工作机构、金属结构、动力装置与控制系统四部分。这四个部分的组成及其作用分述如下：1.2.1 工作机构工作机构是为实现高空作业车不同的运动要求而设置的。高空作业车一般设有变幅机构、回转机构、平衡机构和行走机构。依靠变幅机构和回转机构实现载人工作斗在两个水平和垂直方向的移动；依
17、靠平衡机构实现工作斗和水平面之间的夹角保持不变，依靠行走机构实现转移工作场所。高空作业车变幅是指改变工作斗到回转中心轴线之间的距离，这个距离称为幅度。变幅机构扩大了高空车的作业范围，由垂直上下的直线作业范围扩大为一个面的作业范围。高空作业车变幅机构一般采用液压油缸变幅。高空作业车的一部分（一般指上车部分或回转部分）相对于另一部分（一般指下车部分或非回转部分）做相对的旋转运动称为回转。为实现高空作业车的回转运动而设置的机构称为回转机构。它是由液压马达经减速器将动力传递到回转小齿轮上，小齿轮既作自转又作沿着固定在底架上的回转支承大齿圈公转，从而带动整个上车部分回转。有了回转运动，从而使高空作业车从
18、面作业范围又扩大为一定空间的作业范围。高空作业车在工作臂起伏时，工作斗与水平面夹角必须保持相对稳定，才能保证工作人员正常工作。平衡机构就是为了实现这一功能。对于伸缩臂或混合臂型式的高空作业车，通常有自重平衡、液压伺服缸平衡、电液平衡几种方式。高空作业车的行走机构就是通用或专用汽车底盘。1.2.2 金属结构工作臂、回转平台、副车架（车架大梁，门架、支腿等）金属结构是高空作业车的重要组成部分。高空作业车的各工作机构的零部件都是安装或支承在这些金属结构上的。金属结构是高空作业车的骨架。它承受高空作业车的自重以及作业时的各种外载荷。组成高空作业车金属结构的构件较多，其重量通常占整机重量的一半以上，耗钢
19、量大。因此，高空作业车金属结构的合理设计，对减轻高空作业车自重，提高作业性能，节约钢材，提高高空车的可靠性都有重要意义。1.2.3 动力装置动力装置是高空作业车的动力源。由于高空作业车采用汽车底盘作为行走机构，通常不再另外设置动力源，而是直接采用汽车底盘发动机作为整车的动力源。高空作业装置需要的功率不大，一般约 10-20kw，而载重汽车底盘发动机的功率根据载重量不同从 50kw 一直到 150kw 以上，且高空作业装置工作时不允许底盘行驶，因此底盘发动机的动力足以保证高空作业装置工作。因为高空作业装置需要功率不大，通常高空作业车采用变速箱取力方式，通过安装在底盘变速箱侧面的取力器取出发动机的
20、动力，并驱动液压油泵向高空作业装置供油。取力系统中还设置控制装置，在底盘行驶时，取力器没有输出，液压油泵不工作，需要进行高空作业时，取力器输出，油泵工作。1.2.4 控制系统高空作业车控制系统是解决各机构怎样运动的问题。如动力传递的方向，各机构运动速度的快慢，以及使机构启动停止等。控制系统包括操纵装置、执行元件和安全装置。当今的高空作业车全部采用电气液压操纵，因此控制装置包括各种液压操作阀，电控装置等，以实现机构的起动、调速、换向、制动和停止。执行元件包括变幅用的液压油缸、回转马达、油泵等，用来推动结构件实现动作。安全装置包括各种传感器、行程开关、报警器、液压锁止阀，用来检测危险工况，保证工作
21、安全。1.3 GKZ型高空作业车的概况1.3.1整机结构简介GKZ型系列高空作业车采用折叠式工作臂结构,工作装置为液压驱动,360全回转。除高空作业机构外,GKZ系列车型还设有起重装置,一机多用。高空作业车是以反复短暂循环的方式完成货物装卸或设备安装作业车的。一个工作循环包括:取货、货物上升、水平运下降、卸载,然后空吊具返回原地。高空作业车主要由高空作业臂、起重工作臂、工作平台、回转机构、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统等八部分组成。（整车外形图如图 1-1。）图1-1高空作业车外形图1.3.2高空作业臂高空作业臂包括上臂和下臂,上臂头部有工作平台。行驶状态时，两节工作臂折叠在一起；进行
22、高空作业时，两节工作臂分别由上下臂油缸举升伸展至一定角度，将工作人员送至工作位置。上臂和下臂间通过水平销轴铰接，铰接处设有专门的滑动轴承，以保证工作臂转动时阻力小，运动平稳。该高空作业车采用折叠式工作臂结构，工作装置为液压驱动，三百六十度全回转。除高空作业外，还设有起重装置，一机多用。工作臂为2节折叠臂。具有操作简便，稳定性好等特点。其组成由高空作业臂和起重工作臂两部分，如图1所示。高空作业臂包括上臂2和下臂1，上臂头部有工作平台6。行驶状态时，2节工作臂折叠在一起；进行高空作业时，2节工作臂分别由上下臂油缸4举升伸展至一定角度。上臂和下臂间通过水平销轴铰接。起重工作臂由基本臂1和伸缩臂3组成
23、。高空作业时下臂兼做起重基本臂。伸缩臂由伸缩臂油缸5控制，不工作时伸缩臂回缩至基本臂内部；起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。伸缩臂根部通过销轴与升缩臂油缸铰接，伸缩臂和基本臂间有滑块，以保证伸缩臂能平稳运动。伸缩臂与油缸、基本臂根部和回转平台也通过水平销轴铰接。（如图1-2）图1-2 作业臂示意图1基本臂(下臂) 2上臂 3伸缩臂 4上臂油缸 5.伸缩臂油缸 6工作平台1.3.3 作业车作业状态主要技术参数作业车的技术参数如下表所示：表1-1作业车作业状态主要技术参数项 目单位数据平台额定载荷kg200平台最大作业高度m12平台最大作业高度时作业幅度m1.9平台最大作业幅
24、度m5.6平台最大作业幅度时作业高度m7.7回转速度r/min0-2下臂变幅时间s40上臂变幅时间s40伸缩臂全伸时间s301.4 课题的提出本课题以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发 “GKZ型高空作业车” 为研究对象，对该车上的重要结构-作业臂进行结构设计和有限元分析。该型作业车的作业臂有上臂、下臂组成，下臂与回转转台铰接，上臂头部有工作平台。上、下臂通过伸缩油缸调节臂的举升高度。传统的力学方法设计是：根据高空作业的需要，在满足升降高度的前提下，进行强度、刚度、稳定性的校核，确定截面尺寸。为保证安全，设计过程中安全系数较大，造成质量偏大，成本增加等问题。在车辆在行驶过程中，由于臂重较大，产
25、生多起车架断裂现象。由于伸降臂在作业时位于十几米甚至几十米的高空，事关人身安全，因此需要有一种较准确的设计计算方法，既能满足设计要求，又能减轻臂重，降低成本。 本研究课题，将以高空作业车伸降臂结构为对象，根据作业高度及作业范围进行结构设计，然后在ANSYS环境下进行有限元分析，以获得最优的设计结果。1.5 本课题所要研究的具体任务本课题主要研究工作如下：1、进行大量的调查研究，收集整报资料，根据作业车的工作特点和受载状况，制定作业臂设计方案。2、根据受载状况，作业范围等原始数据对作业臂进行结构设计，作业臂由上臂、下臂和升降油缸等组成，设计中要确定上、下臂的长度，油缸铰点位置，作业臂截面尺寸等主
26、要参数。3、在PRO/E中对上、下臂建立三维模型，然后导入有限元分析软件件中，选择SOLID45单元，确定材料属性，划分网格，施加载荷和约束，进行结构强度和刚度分析，确定危险截面或危险点的应力分布及变形。4、根据有限元分析结果，找出结构设计中的不合理因素，提出改进方案，并对改进后的结构进行有限元分析，对两种分析结果进行比较。画出作业臂总装图及上下臂零件图。5、在上述分析研究的基础上进行总结，得出上、下臂在结构设计、有限元模型的建立、铰点位置的确定、单元类型选择等方面的可靠数据，为同类型产品的结构设计和改造提供了科学的理论依据。1.6 本课题研究的意义通过本课题的研究，掌握GKZ型高空作业车作业
27、臂的结构设计理论和分析方法，掌握在ANSYS环境下进行有限元分析，从而达到优化结构、减轻自重、提高可靠性的目的，为研制GKZ系列工作臂的高空作业车奠定基础。第二章 高空作业车的结构设计2.1 材料的选择金属结构是指由扎制的型钢和钢板作为基本元件，按照一定的结构组成规则用栓接、铆接或焊接的方法连接起来，用于承受一定的载荷。为保证高空作业车能在工作环境恶劣、载荷变化复杂、不允许产生塑性变形和人为的不文明操作等因素下能安全、可靠地工作对其金属结构规定如下计算原则：1）结构工作级别按结构件中的应力状态（名义应力谱系数）和应力循环次数（应力循环等级）分为A1-A8八级。2）结构计算应采用许用应力法。3）
28、结构应进行强度、刚度和稳定性计算，并满足其规定的要求。4）结构应按三类载荷情况进行疲劳强度、刚度和稳定性计算。第I类-按正常工作时的等效载荷进行疲劳强度计算。对A6A8工作级别的起重结构必须进行疲劳强度计算，对A1-A5工作级别的起重机结构，一般可不进行此项计算。第II类-按工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算。第类-按非工作时的最大载荷或工作时的特殊载荷进行强度和稳定性的验算。5）对三类载荷情况分别规定了不同的许用应力。 表2-1 许用应力计算公式载荷组合种类安全系数拉伸、压缩、弯曲、许用应力剪切许用应力组合InI=1.5组合IInII=1.33组合IIInIII=1.15注：表中屈服点应
29、按选取的钢材厚度取不同的值由此确定作业臂的材料：根据选材原则及规定：主要选用Q235钢板，其主要特点是机械强度、韧性和塑性，以及加工等综合方面的性能好，价格较低。钢板的厚度t=4mm。其屈服强度是:=235Mpa.根据工作时的最大的载荷进行强度和稳定性计算-结构应按第二类载荷情况进行疲劳强度、强度和稳定性计算。所以由表1-1可得安全系数是： nII=1.33 Q235钢板的屈服强度是:=235Ma许用正应力是：=-表2.1公式许用切应力是：=-表2.1公式2.2 计算上、下臂的长度如图2-1 所示作业臂的仰角是指上臂与水平线之间的夹角用字母来表示，它可从0到80，为便于对吊臂端部进行操作，仰角
30、可为-3，作业臂实际作业时通常在3075范围内。设计时仰角取75，在图2-1中，起升高度AC=12。上臂：L1=AB下臂：L2=BC则由三角关系有：ABsin75+BCsin75=12 即: (L1+L2) sin75=12 L1+L2=12/sin75 L1+L2=12.37- (1)式由于上臂的头部有工作台，所以在上臂头部应留有一定的余量装工作平台，故上臂长必须大于下臂长即：L1L2- (2)式由(1)式和(2)式可以取上臂L1=6.30,下臂L2=6.07。图 2-12.3 确定油缸铰点的位置EF是上臂油缸，GH是下臂油缸。图 2-22.3.1 确定上臂油缸铰点的位置取BE=400mm
31、BF=800mm则由三角关系可得: 2.3.2 确定下臂油缸铰点的位置取HC=500mm，CG=700mm，由三角关系可得: 2.4 上臂截面尺寸的确定2.4.1 对上臂进行受力分析图所示是上臂工作到水平位置时的受力图,此时上臂受到的力最大。图2-3 上臂弯距图可列公式: MB=0 则: 400=1.965900 F2=23.45KN又由F=0可得: +F=F2 F1=23.45-1.96=21.49KN如上图所示的弯矩图:则可得最大弯矩是 Mmax=1.965.9=11.56KN.m而梁所需的截面系数， =再将求出来的梁所需的截面系数W值代入（2）式2.4.2 计算上臂截面尺寸（1）图2-4
32、 梁的截面图按强度条件： - (3)式 式中 W-梁所需的截面系数，；M-梁的最大弯矩；-所用钢材的许用应力；、-钢板的厚度，设计时钢板的厚度一样=4mm因=则上式可简化为: - (4)式因此把计算所得的截面系数和可得上臂高 （2）图2-5 上臂的截面结构图如图所示：=4mm 则: 按整体稳定性条件: 按局部稳定条件: Q235钢 即: 则取: 由图可得: 2.4.3 对上臂进行强度效核上臂梁的尺寸确定后应对其进行强度、钢度和整体稳定性效核,不满足时应进行修改。 静强度效核公式：正应力 -(5)式 F-梁所受的力（N） A-截面积（） 切应力 -(6)式Fs-梁所受的剪力（N）-钢板厚度(m)
33、Iz-梁对Z轴的惯性矩()图2-6 上臂剪力图在截面BD上所受的正应力是: -（7）式 梁的截面积是: 则: 在截面AD上所受的正应力是: -（8）式则: 在截面BD上所受的切应力应是: -(9)式计算Z轴惯性矩Iz:图 2-7 上臂的惯性矩图如图所示建立坐标系：矩形对Z轴的惯性矩是：则惯性矩：所以此题的惯性矩为： 把和切应力效核公式:则：切应力是 在截面AD上所受的正应力是: - (10)式把和代入上式则: 切应力是所以上臂的正应力和切应力符合要求。(3) 对上臂进行整体稳定性验算箱型组合梁通常刚度很大,若梁的高宽之比,则梁的整体稳定性不需验算。所以则不需要整体稳定性不需验算。从以上对上臂的
34、验算可得上臂尺寸的选择符合要求。2.5 下臂截面尺寸的确定2.5.1 对下臂进行受力分析图2-8所示是下臂工作到水平位置时,此时下臂受力最大，由此来计算梁的受力情况。图2-8 下臂的受力图把上图分解后计算各个力的大小力图2-9 上臂受力图计算上臂的自重FG钢板每平方米面积的理论质量,不同厚度的钢板(密度为7.85)的每平方米理论质量按下列公式计算: - (11)式 式中 G -给定钢板厚度下的每平方米重量,kg/mS-钢板厚度,mm-钢板密度7.85所以所以自重是:由上图可得:即: 对下臂进行受力分析如下图图2-10 下臂的弯距图 即力FB与力FB大小相等方向相反。所以 所以如上图所示的弯矩图
35、:则可得最大弯矩是而梁所需的截面系数， =2.5.2 计算下臂的截面尺寸再将求出来的梁所需的截面系数W值代入（2）式可得 图2-11 下臂的截面图如图所示：=4mm(和上臂的厚度一样) 则: 按整体稳定性条件: 按局部稳定条件: Q235钢 即: 可取: 由图可得: 2.5.3 对下臂进行正应力效核下臂梁的截面尺寸确定后应对其进行强度、钢度和整体稳定性,不满足时应进行修改。其计算方法和计算公式和上臂一样，计算公式是（5）式和（6）式(1) 效核正应力图2-12 下臂的剪力图在截面CG上所受的正应力是: -（12）式 梁的截面积是: 则: 在截面AD上所受的正应力是: -（13）式则: (2)
36、效核切应力在截面BD上所受的切应力应是: -（14）式计算Z轴惯性矩Iz:图2-13 惯性矩图如图所示建立坐标系：矩形对Z轴的惯性矩是：则惯性矩：所以此题的惯性矩为： 把和切应力效核公式:则：切应力是 在截面AD上所受的正应力是: -（15）式把和代入上式则: 切应力是所以下臂的正应力和切应力符合要求。(3) 对下臂进行整体稳定性验算箱型组合梁通常刚度很大,若梁的高宽之比（图）,则梁的整体稳定性不需验算。所以则不需要整体稳定性不需验算。从以上对下臂的验算可得上臂尺寸的选择符合要求。第三章 高空作业臂有限元分析3.1 概述 高空作臂业的设计计算通常的方法是将作业臂结构视为梁模型进行强度及刚度等方
37、面的分析。但实际上，工作臂是由薄板对焊起来的箱形结构，应该视为板壳模型。解决这样一个变截面板壳模型受力问题，比较行之有效的方法是有限元法。故我们应用此法，并采用功能强大、技术上非常成熟的商用有限元软件为工具来进行分析。鉴于ANSYS本身的实体建模功能的薄弱，对结构较复杂的实体模型，建模难度很大。本课题采用在PROE中建立实体模型，建立高空作业臂的三维模型,是进行有限元结构优化设计的前提与基础,模型建立的基本原则是既要如实地反映结构的主要特征,又要尽量地降低模型的复杂程序,以保证优化结果既有较高的计算精度又有尽可能低的计算工作量,以节约优化计算所需的时间,根据有限元优化设计理论提出了设计模然后导
38、入ANSYS中。ANSYS有限元分析是一种模拟设计载荷条件，并且确定在载荷条件下的设计响应方法是对真实情况的数值近似。ANSYS有限元分析过程主要包括三个步骤：（1）创建有限元模型-前处理1）创建或输入几何模型；2）定义材料属性；3）定义实常数（要根据单元的几何特性来设置，有些单元没有实常数）4）定义单元类型；5）划分单元；（2）施加载荷并求解-求解 1）施加约束条件；2）施加载荷；3）求解；（3）查看分析结果-后处理1）查看分析结果；2）检验结果的正确性；3.2 载荷条件及分析工况说明3.2.1 载荷条件表3-1额定载荷(KG)额定载荷系数上臂长（m）下臂长(m)提升高度(m)动载荷系数20
39、0K16.306.07121.23.2.2 分析工况图3-1最大提升高度图3-2 最大作业幅度由于在不同的工况下，各部件的受力情况不同，所以在进行分析时需要针对以下不同的工况进行计算分析。根据前面已经进行的计算，对于高空作业臂进行两种工况分析：一是当工作臂仰角为150且全部伸展开，保证最大工作高度为12米时，上臂的受力变形情况。二是当下臂处于水平位置时，既作业最大幅度时,分析下臂受力变形的情况。以下是根据以上工况计算分析出具体的受力值进行分析。3.3 上臂的有限元分析3.3.1上臂的实体建模考虑到工作臂的重量，在解算时由ANSYS自动计算。为确保其重心位置的正确性，必须以工作臂的真实工况位置（
40、仰角）进行建模，亦即先要确定仰角的大小，再激活工作平面，将工作平面旋转角，在工作平面内造型。上臂由薄板构成，取中面尺寸造型。工作臂结构教简单,完全可以按实体结构进行三维有限元分析,因此在建立有限元模型之前可以不进行结构简化。在建模时略去上臂上为安装某些附件而设置的小孔、凸缘。实践证明,这对上臂的整体强度、刚度影响很小,但在划分网格时,可以节省大量的计算机资源。另外,计算模型中没有考虑钢板焊接应力及焊缝的影响,而且良好焊缝质量可以减少应力集中。图3-3 上臂的三维实体模型3.3.2 有限元分析（1）定义单元类型及材料属性确定单元类型是很重要的，在结构静力分析中要用到的典型单元类型有：壳单元、实体
41、单元等。实体单元包括:二维实体单元和三维实体单元；壳单元用于薄板或曲面模型；其应用的基本原则是每块面板的主尺寸不低于起厚度的十倍。虽然建立的模型也符合壳单元的要求，但因是在PRO/E中建立的是三维实体模型，把它转化为二维或壳体需要花费大量的时间和精力，故工作臂的单元类型定义为实体单元“Solid Brick 8 node 45”；材料属性是与几何模型无关的本构关系如弹性模量、泊松比、密度等。材料属性为：弹性模量为2.1e11,泊松比为0.3，钢的密度为 。（2）划分网格网格可分为自由网格和映射网格。在对模型进行网格划分之前，要确定采用自由网格还是影射网格进行分析，这是非常重要的。自由网格对实体
42、模型无特殊要求，对任何几何模型，规则的或不规则，都可以进行网格划分，并且没有特定的准则。映射网格划分要求面或体是有规则的形状，而且必须遵循一定的准则。采用是自由网格划分。在划分网格时，采用了ANSYS提供的最常用的网格划分控制工具“MeshTool”中的“SmartSize Controls”,它是对网格划分进行智能化控制，它是网格划分的操作捷径。网格划分的值越小得到的结果越好，但网格太细会占用大量的分析时间，造成资源浪费，由于上臂尺寸较大，而厚度较小，为提高计算效率，在网格划分密度时，选取值为4。同时太细的网格在复杂的结构中，常会造成划分不同网格时的连接困难。最终形成的有限元模型规模为：节点
43、数 39689，单元数 2245。图3-4 划分网格图（3）施加约束条件上臂有两处约束位置，一个约束在其与下臂用前侧板连接的部位，其是用销轴连接的，所以约束位置是销轴的位置，另一个约束位置在其油缸的铰点的位置。图3-5 施加约束图（4）对上臂施加均布载荷上臂的起质量是：则其所受的力是：对上臂施加载荷时,因上臂是用销轴与工作台连接的 ,所以受力时是销轴与上臂的下部接触,模拟施加载荷时要施加均布载荷,且受力的只有销轴孔的下半个圆面。所以应施加的均布载荷为：(负号表示力的方向向下)施加均布载荷后的结果如图所示：图3-6 施加载荷图（5）求解并分析结果在ANSYS软件中，求解的方法有：(1) Current LS 求解当前载荷步(2) From LS Files 求解多个载荷步(3) Partial Solu 局部求解在求解过程中，采用求解当前载荷的方法。在上臂仰角为150且全部伸展开，保证最大工作高度为12米时，上臂的受力变形情况。求解结果：图3-7为变形图，其应变是在其加载的位置。图3-8为应力图，从应力分析的结果可知：最小应力是:
