臂架式高空作业平台伸缩臂设计方法

基于ＣＡＤ／ＣＡＥ的自行臂架式高空

作业平台伸缩臂设计方法

南京林业大学机电学院郑燕萍冯谦邵海

南京金现代科技实业有限公司陈建一

摘要：本文基于ＣＡＤ／ＣＡＥ方法，对自行臂架式高空作业平台２９ｍ长的伸缩臂进行有限元分析。该方法可根据有限元计算结果，完成某工况整体和局部的刚度校核、强度校核和稳定性校核，省时省力。同时试验和传统设计方法均证明，本文关于伸缩臂的ＣＡＤ／ＣＡＥ设计方法是正确的，对今后伸缩譬的设计具有一定的指导意义。

关键词：伸缩臂；设计方法；有限元；ＣＡＤ／ＣＡＥ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ

Ｈｅｓｓ，ｓｔｒｅｓｓ

ｏｎｅ

ｐ印ｅｒ

ｃａｒｒｉｅｓｏｕｔ

ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈｌｉｆｔｐｌａｔｆｏｒｍｔｒｕｃｋｗｉｔｈｔｗｅｎｔｙ—ｎｉｎｅｍｅｔｅｒ

ｏｎ

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ｃａｎ

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ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅ

ｆｒｏｍｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＦＥＡｍｅｔｈｏｄｍｅｎｔｉｏｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｒｉｇｈｔａｎｄｏｆｇｕｉｄｉｎｇｓｉｓｎｉｎ・

ｃａｎｃｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃａｒｍ；ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ＣＡＤ／ＣＡＥ

１

引言

自行臂架式高空作业平台用于高空作业，运

输少量的人或物。根据工程需要，需设计伸缩臂

长２９ｍ的高空作业平台。由于伸缩臂较长，没有

图１结构组成示意图

１．作业平台２．第３节伸缩臂３．第２节伸缩臂

４．第１节伸缩臂５．车架

相关的参考资料，无法用类比的方法进行设计，其安全可靠性无法保证。因此对自行臂架式高空作业平台的伸缩臂进行整体和局部应力计算及稳定性分析显得十分重要。本文基于ＣＡＤ／ＣＡＥ的方

法，对２９ｍ的伸缩臂进行有限元计算旧“Ｊ。通过

臂的伸缩运动和旋转运动。本文将计算工况按伸

缩臂与水平面夹角分别为０。、２９．５。、４１．５０、４７．５。、５７．５。、７０。时作业位置，分成６种工况，如图２所示。

计算，可正确选择伸缩臂各部件的连接形式和各截面的尺寸，对今后伸缩臂的现代设计提供了经

验。

２结构形式与计算工况分析

伸缩臂设计要求自重轻、抗弯能力强，因此

初步设计采用矩形截面的箱形三节臂结构，矩形截面是由翼缘板和腹板焊接而成的，第１节臂长

１０．２

ｍ，第２节臂长１０ｍ，第３节臂长１０．８

ｍ，

第３节臂的外端铰接用于载人和物的工作平台，第１节臂根部铰接在车架上，靠近第１节臂根部装

有变幅液压缸，用于支承伸缩臂，而各伸缩臂之

间通过滑块连接，其结构组成示意图如图１。

自行臂架式高空作业平台作业时，包括伸缩一３６一

图２工况图＜起重运输机械＞

２００８（１２）

万方数据

３伸缩臂三维模型的建立与验证

为了方便建模和有限元分析，本文首先利用ＵＧ软件建立伸缩臂的三维ＣＡＤ模型，建模时做了必要的简化，省略伸缩液压缸、链罩、拖链、电缆等结构，只考虑其自重对伸缩臂的影响，然后通过ＡＮＳＹＳ软件输人接口读人模型，生成三维模型。

经分析和实践，模型采用具有６个自由度的ｓｈｅｌｌ６３单元，分别用６７７２５个单元和６８２３３个节点代替原实体模型。为了模拟伸缩臂作业时的支承情况，对第ｌ节臂２个支承位置处共１２个接触

面进行Ｘ、ｙ、ｚ方向平移和旋转自由度的约束。伸缩臂及作业平台的自重按输入密度和重力加速度的方式加在模型上，载重、风力作用和伸缩缸、链罩、拖链、电缆等结构件的重量按集中载荷加在模型的相应位置，有限元模型如图３所示。

图３有限元分析模型

众所周知，有限元模型是否正确将直接影响

计算结果的正确性，特别是分析单元和约束形式的选择是否恰当，模型简化是否合理。由于２９

ｍ

长伸缩臂的自行臂架式高空作业平台尚处于设计

阶段，若生产出样车进行试验，成本太高。为了

验证模型的正确性，建立了已投产车型，即伸缩臂为１６Ｉｎ长的自行臂架式高空作业平台的有限元模型，并进行了实车试验，应变片的布置如图４，取伸缩臂与水平面夹角分别为００、３００和４５。３种工况，１６ｍ长伸缩臂的有限元计算结果与测试结果比较见表１。

图４应变片贴片截面与位置示意图

《起重运输机械》

２００８（１２）

万方数据

表１应力比较

工况００工况００工况３００工况３００工况４５０测工况４５。测试计算测试计算点

测试

计算结果

结果

结果

结果

结果

结果

ｌ１１９．５１０８．５５９６．８２７１．５２ｌ７４．１６７５．４１２１１３．３１１７．９ｌ９０．６４７０．９９ｌ６７．９８７９．０２３１０３７１．６９８４．４６８１．５８６５．９２６０．１７４１ｃｒ７．１７８．１１５８４．４６８７．５１６７．９８６９．３１５１４８．３１５５．３６１３３．９１２１．８９１０５．８８４１１７．３５６１５０．４１３３．２３１２９．７８１２２．５９１１２．４７６１０８．０３７１４４．２１４７．８６１２７．７２１２４．７６１０９．５９２１００．４７８１４０．１１４３．７９１２５．６６１２２．５９１０５．４７２９８．８８９２２．６６１８．６９２０．６１４．６６３ｌＯ．６０９１０．６９７１０１８．５４２４．５３１６．４８１１．７０４８．３３９．４７８１１

１３６．０１３１．５３１２１．５４１１２．４２１１４．１２４９０．８５１２

１３８．０

１５０．０５

１２３．６

１２８．２５

１１８．２４４

１０３．６４

由表１可知，计算结果与试验结果吻合较好，相对误差为２０％左右，因此可以证明１６ｍ长伸缩臂的有限元模型是正确的。由此类推，选用同样

建模方法、同样分析单元和同样约束形式及模型

简化方式的２９ｍ伸缩臂的有限元模拟也是可信的。

伸缩臂的设计计算包括计算工况下的刚度校核、强度校核和稳定性校核，其中还包括整体和局部的校核，若按传统的经验公式方法，计算工作量大，费时费力。但若采用ＣＡＥ方法，则容易了解在６种工况下伸缩臂上各点的位移和应力分布，并能根据某个工况的计算结果，一次性完成该工况下整体和局部的刚度校核、强度校核和稳

定性校核。因此本文利用有限元模型，进行６种

工况下的有限元计算，得到伸缩臂上各节点坐标、节点等效应力、各方向的应力和节点位移等计算

结果。

分析计算结果得到，伸缩臂与水平方向成

４１．５。工况较其他工况的应力和位移均大。因此以

此工况为例，‘对伸缩臂刚度、强度和稳定性进行

校核。

一３７—

４伸缩臂的设计

４．１伸缩臂的刚度校核

有限元计算完成后，根据位移分布图（略），伸缩臂的位移最大值为２５５．６ｍｍ，在伸缩臂最外端。

根据箱形伸缩臂的刚度校核的经验公式…，

许用位移

阴＝【揣】＝ｏ．５８９

式中Ｌ。——缩臂臂长，ｉｎ

可见用有限元计算出的伸缩臂位移最大值＜

５８９

ｍｍ，即伸缩臂的刚度校核满足要求。

４．２伸缩臂整体稳定性和强度的校核

分析应力云图（略）和应力列表的结果表明：伸缩臂上有３部分应力较大，超过许用应力值，而其他部分的应力均满足强度要求。

应力最大值是发生在靠近第ｌ节臂根部装有变幅液压缸位置处，由于有约束和应力集中的影响，显示的等效应力数值１

８６２

Ｎ／ｍｍ２仅供参考，

而伸缩臂材料的许用应力［ｏ－Ｊ＝２１９Ｎ／ｒａｍ２，忽略以上因素的影响，此处应力值也是超过许用应力的，结论是此处的设计需要修改，强度校核不

满足要求。

第２部分应力较大的位置在第３节臂外端与工作平台的连接处，其中应力较大节点为９０４２，坐

标（１０，１２５，一１４８６０），其等效应力值为６９１

Ｎ／ｒａｍ２，也已超过许用应力，此处的强度校核也

不满足要求。

第３部分应力较大的位置在伸缩臂根部，其应力最大值发生在截面角点位置，节点号为

６５

５５８，坐标为（１７３，２４５，１０３００），等效应力

为２３４．１４Ｎ／ｍｍ２。根据传统设计方法可知，伸缩臂根部的应力值也是伸缩臂的整体稳定性校核的

依据，因此该处的计算结果表明：伸缩臂的整体稳定性和此处的强度都不满足要求。

为了说明结论的正确性，本文同时利用传统的经验公式进行了计算。

忽略由于伸缩臂接合处间隙或制造误差产生的初始弯矩，则伸缩臂整体稳定性需满足以下条件…。

ＡⅣ－＋『主１０．ｃ。隆…１Ｎ。］Ｍｙ巾，

万方数据

式中Ａ——吊架根部截面的几何面积，ｍｉｌｌ２

札。——欧拉临界载荷，

ｋ等Ａ山，再

Ｎ。呵——欧拉临界载荷，

卜轴向压力，Ｎ

Ｎ啤＝警入，乱ｃ■每

Ｍｚ，肘，——由横向载荷在结构中引起的最

大弯矩，Ｎｍｍ

眈，耽——截面的抗弯模量，ｍｍ弘

其中，伸缩臂的计算长度Ｌ。＝ｐ。砌Ｚ根据ＧＢ３８１１—１９８３，与支承方式有关的长度系数ｐ。取１．８２，变截面长度系数段取１．８３，因此。Ｌｃ＝８

３７５１

ｍｉｌｌ，其他参数的数值分别为Ａ＝１１

６１６ｍｍ２，

眈＝１．７８４

１ｘ１０６ｍｍ３，１ｔ７ｒ－－２．０５８０ｘ１０６ｍｉｌｌ３，

＾ｋ＝１．２９１

６×１０３

Ｎ，Ⅳｃ。＝１．０５２

１×１０５

Ｎ，由公

式计算得到在伸缩臂与水平方向成４１．５０时，伸缩臂根部的应力值为２５０．５７７

１

Ｎ／ｍｍ２，即伸缩臂不

满足整体稳定性和强度的要求。结论与有限元的

计算结果相吻合。

伸缩臂局部稳定的条件是直臂不发生屈曲怛Ｊ。即在材料的弹性（欧拉）范围内，屈曲应力应小于矿Ｐ。

．

根据材料特性，盯Ｐ＝０．８，盯。＝０．８×４９５＝

Ｎ／ｍｍ２

而伸缩臂上各处的应力（不包括装有变幅液

根据伸缩臂重叠处的应力计算结果，在第３０７Ｉ，

２１０），等效应力为

Ｎ／ｒａｍ２，满足局部强度要求。而在第２节臂与

８００，坐标为

Ｎ／ｒａｍ２，也满

由此，伸缩臂局部稳定性和局部强度的校核《起重运输机械＞

２００８（１２）

４．３伸缩臂局部稳定性和强度的校核

３８８压缸位置处和平台的连接处）都满足Ｏｒ＜盯，的要求，即伸缩臂局部稳定性满足要求。

节臂与第２节臂重叠处，应力最大节点为１４坐标为（一１００，１４４．９，一７１０９

第１节臂重叠处，应力最大节点为３３（一１４６，２０４，０），等效应力为１５９足局部强度要求。检查应力云图和应力列表的结

果都表明，伸缩臂的局部强度满足要求。

都满足要求。

高层电梯的智能控制策略及其程序设计

河北理工大学王子文

摘要：指出了当前高层电梯采用顺向控制的缺点，提出了电梯采用ＰＬＣ控制，根据呼叫楼层至轿厢停层位远近、各层人员的流动情况及候梯者的候梯时间等因素综合确定电梯智能控制的控制策略，给出了程序设计流程，电梯采用了智能控制后，缩短了轿外候梯者综合等候时间及电梯的运行距离，提高了电梯运行的效率。

关键词：电梯；ＰＬＣ；智能控制；控制策略

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｐｏｉｎｔｓ

ｏｕｔ

ｄｒａｗｂａｃｋｓｏｆｈｉｓｈ—ｒｉｓｅｅｌｅｖａｔｏｒ＇ｓｕｐｗａｒｄｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｈｏｗｔｈｅｅｌｅｖａｔｏｒ＇ｓ

Ｏｎ

ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂａｓｅｄ

ｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍ

ｃａｌｌｉｎｇｆｌｏｏｒ

ｔｏ

ｅｌｅｖａｔｏｒｃａｒ，ｆｌｏａｔｉｎｇｓｔａｆｆ

ｃａｎ

０１１

ｅｖｅｒｙｆｌｏｏｒ

ａｎｄｗａｉｔｉｎｇｔｉｍｅ．Ａｌｓｏ，ｉｔｓｉｒｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ．ＡｐｐｌｙｉｎｇｔｈｉｓｉｎｔｅＲｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｔｉｍｅａｎｄ

ｃａｒ＇ｓ

ｓｈｏｒｔｅｎｐａｓｓｅｎｇｅｒ＇ｓｗａｉｔｉｎｇ

ｔｒａｖｅｌｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｕｓｅｎｈａｎｃｉｎｇｅｌｅｖａｔｏｒ＇ｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｖａｔｏｒ；ＰＬＣ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ

电梯运行的目的就是在楼内各层之间高效地运送人员，传统的电梯控制采用顺向控制，即当

效率低，乘梯人等候时间过长。

当电梯运行至某个层位，轿厢内空时，电梯

即可顺向行驶，也可逆向行驶，其行驶方向应根据呼叫层位至轿厢的远近、各层人员的流动情况

电梯上行到达某个层位轿厢内无人时，电梯仍顺向判断该层位以上是否有上、下行呼梯信号，若有电梯将继续上行；相反，当电梯下行到达某个层位轿厢内无人时，电梯仍将判断该层位以下是

否有下行或上行呼叫，若有电梯将继续下行。这种控制方式存在的缺点是电梯运行距离大、运行

及候梯时间综合确定，才能使候梯者等候时间缩短，运行效率提高，若此时电梯仍不顾逆向而进

行顺向判断，很可能使多数乘梯者等候时间过长，电梯运行距离加大，运输效率下降。

５结论

（１）本文利用ＣＡＤ／ＣＡＥ方法进行伸缩臂的

缩臂的ＣＡＤ／ＣＡＥ设计方法是正确的，对今后伸缩

臂的设计具有一定的指导意义。

参考文献

１王金诺，于兰峰主编．起重运输机金属结构．北京：中

国铁道｝Ｈ版社，２００５

２机械工程手册电机工程手册编辑委员会．机械工程手册

设计，避免了传统设计方法中计算工作烦琐，并

且只能校核某几个危险截面的缺点。在任一工况

下，该方法的计算结果能完成所有的校核工作，同时能全面了解整体结构上应力和位移的分布情况，这是传统设计方法无法比拟的。

（２）本文对伸缩臂的有限元计算结果表明：伸缩臂局部稳定性和局部强度的校核均满足要求，而伸缩臂整体稳定性和整体强度的校核不满足要求，需要修改相关的结构参数，用以上方法重新计算，直到满足所有的校核标准。因此ＣＡＤ／ＣＡＥ

作地邮

（第１卷）．北京：机械工业出版社

３盂庆琳，屈福政，滕儒民．参数化设计软件中板的局部

稳定性校核．起蓖运输机械，２００６（１１）

４纪爱敏，张培强等．起重机伸缩吊臂局部稳定性的有限

元分析．农业机械学报，２００４（１１）

者：郑燕萍

址：南京市龙蟠路１５９号南京林业大学机电学院编：２１００３７

方法在修改模型、确定设计参数方面，比传统的

设计方法有更大的优势。

（３）试验和传统计算方法的验证均表明，伸

《起重运输机械》

２００８（１２ｌ

收稿日期：２００７一１１—２６

—３９—

万方数据

基于CAD/CAE的自行臂架式高空作业平台伸缩臂设计方法

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

郑燕萍， 冯谦， 邵海， 陈建一

郑燕萍,冯谦,邵海(南京林业大学机电学院)， 陈建一(南京金现代科技实业有限公司)起重运输机械

HOISTING AND CONVEYING MACHINERY2008，(12)0次

参考文献(4条)

1. 王金诺. 于兰峰 起重运输机金属结构 2005

2. 《机械工程手册电机工程手册》编辑委员会 机械工程手册

3. 孟庆琳. 屈福政. 滕儒民 参数化设计软件中板的局部稳定性校核[期刊论文]-起重运输机械 2006(11)4. 纪爱敏. 张培强. 彭铎. 罗衍领 起重机伸缩吊臂局部稳定性的有限元分析[期刊论文]-起重运输机械 2004(6)

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下载时间：2009年9月15日