基于有限元分析的電纜輸送裝置伸縮臂設計

徐文娟

(咸寧職業技術學院工學院，湖北 咸寧 437100)

0 前言

為了加快推進港口岸電建設，需開發一種快速、簡便的裝置將船上的電源電纜吊裝到岸上，再與岸電裝置連接取電，稱這種吊裝裝置為“船用岸電電纜輸送裝置”，屬于一種輕小型起重運輸裝置。該裝置可以自由伸縮，伸縮臂的結構形式及材料直接影響其工作性能和制造成本，本文通過軟件建模分析，設計一種截面為矩形，結構簡單，自由伸縮，制造成本低的岸電電纜輸送裝置伸縮臂。

項目研究設計一種單缸多節液壓推桿來驅動的智能岸電電纜輸送裝置，工作狀況如下：該裝置不用時，收縮放置岸邊高度不超過2000mm，工作時，水平可俯仰-30°～+45°，裝置伸縮臂可以伸出總長6000mm，起吊重量達到200kg。伸縮臂由多節組成，各節段同步伸出、縮進，伸縮自由，伸縮臂所用材料和結構大小，將決定了單缸多節液壓推桿的設計。

1 伸縮臂3種工作狀態分析

伸縮臂是在俯仰到一定位置后開始伸出，從全縮狀態伸到完全伸出狀態，再拖著電纜回縮，或拖著電纜俯仰到一定位置后開始伸出，將電纜送置船上。為了合理設計其大小，從3種工作狀態進行分析，即全縮狀態，伸出一半狀態和完全伸出狀態，這3種狀態具有典型的代表性。全縮狀態時伸縮臂總長為1600mm，伸出一半狀態時，伸縮臂總長為4375mm，完全伸出總長為6000mm。伸縮臂在工作過程中，固定端(最左端，也即約束端)所受應力最大，伸縮臂的最右端(也即施力端)應力最小。在相同起吊重量的情況下，完全伸出狀態時，伸縮臂最長，伸縮臂固定端所受的彎矩是最大的。通過分析在完全伸出狀態下，選用普通碳素鋼和鋁合金2種不同材料，伸縮臂應力、位移，應變的變化情況，確定伸縮臂的材料和結構尺寸。

2 伸縮臂模型建立

根據UG三維設計圖建立有限元分析模型，為了簡化計算，方便有限元模型的建立，在建模過程中進行如下假設及簡化：

(1)省略對靜態力學分析沒有影響或影響極小的結構，包括伸縮臂上的小孔和倒角。

(2)對設計圖中的連接位置(機械連接及焊接)一律按理想條件下的固結進行考慮，同時忽略機械連接中的螺栓等細微結構。

(3)簡化原模型的一些細節，對部分尺寸進行微調，如將一些非整數尺寸按四舍五入取整(單位mm)。

(4)全局選用標準單位為mm(長度)、N(力)，因此，其他單位統一為MPa(壓強)。

2.1 材料參數

材料采用碳鋼和鋁合金2種，材料參數如下表。

表1 材料參數

2.2 模型的建立及加載

伸縮臂的截面形狀設計成矩形，如圖1所示，第一級為最小級，最小內空截面均為200×100mm，然后進行網格劃分及約束加載。約束為第六節伸縮臂端面的所有自由度，載荷為配重及最大起吊電纜繩重量，這里取值2000N，全局重力加速度取9.8m/s2。選用六面體單元進行網格劃分成62400個單元，126048個節點。

圖1 單級截面形狀

3 普通碳鋼伸縮臂及結構數據分析

第一級為最小級，最小內空截面均為200×100mm，伸縮臂壁厚不同時，設計所得截面尺寸如表2所示。

表2 不同臂厚伸縮臂壁各級截面尺寸(mm)

伸縮臂壁厚t=10mm時，計算出縮臂壁總重量約為633.57kg。伸縮臂在完全伸出狀態下的應力分析云圖如圖2所示，應力的最小值為52968.9N/m2，最大值為3.63365e+007 N/m2。

圖2 普通碳鋼伸縮臂壁厚10mm應力分析云圖

伸縮臂在完全伸出狀態下的位移分析云圖如圖3所示，合位移(URES)最小值為 0mm，最大值為 4.89826mm。

伸縮臂在完全伸出狀態下的應變分析云圖如圖4所示，對等應變(ESTRN)最小值為2.30251e-007，最大值為 0.000113597。

圖3 普通碳鋼伸縮臂壁厚10mm位移分析云圖

圖4 普通碳鋼伸縮臂壁厚10mm應變分析云圖

伸縮臂壁厚為8mm時，設計所得截面尺寸如表2所示，計算出縮臂壁總重量約為486.97kg。伸縮臂在完全伸出狀態下進行應力分析可得，應力(VON)的最小值為1603.75N/m2，最大值為6.60483e+007N/m2。位移分析可得，合位移(URES)最小值為 0mm，最大值為 7.7433mm。應變分析可得，對等應變(ESTRN)最小值為5.11521e-009，最大值為0.000151636。

伸縮臂壁厚6mm時，設計所得截面尺寸如表2所示，計算出縮臂壁總重量約為351.67kg。伸縮臂在完全伸出狀態下進行應力分析可得，應力(VON)的最小值為1904.61N/m2，最大值為7.26696e+007N/m2。位移分析可得，合位移(URES)最小值為 0mm，最大值為 10.621mm。應變分析可得，對等應變(ESTRN)最小值為6.39387e-009，最大值為 0.000187677。

4 鋁合金伸縮臂及結構數據分析

采用鋁合金材料，伸縮臂壁厚、截面尺寸與普通碳鋼相同時，進行伸縮臂的設計分析。如在伸縮臂壁厚10mm時，伸縮臂壁總重量約為220kg。利用有限元靜力學分析，伸縮臂在完全伸出狀態下的應力(VON)的最小值為44791.7N/m2，最大值為44791.7N/m2；合位移(URES)最小值為 0mm，最大值為10.6557mm；對等應變(ESTRN)最小值為5.01882e-007，最大值為 0.000225397。

5 數據分析

綜合2種材料的不同壁厚進行分析，所得數據如下表3所列。根據表中數據進行應力、位移、應變分析。

表3 應力、位移、應變分析表

5.1 應力分析

同種壁厚情況下，碳鋼伸縮臂自重是鋁合金約3倍。碳鋼的屈服應力為2.206e+008N/m2，鋁合金的屈服應力為2.757e+007N/m2。伸縮臂工作時外加載荷主要集中在伸縮臂伸出的頂端，從應力云圖看出，伸縮臂最左固定端(約束端)所受應力最大，伸縮臂的最右施力端應力最小。鋁合金材料的伸縮臂只有壁厚為10mm的狀態下滿足應力要求，當壁厚為8mm的時候最大應力為4.63e+7N/m2，遠大于鋁合金的屈服應力，工作時在伸縮臂的固定端極易發生塑性變形。而碳鋼在4種壁厚情況下的最大應力都不超過屈服應力，不會發生塑性變形，滿足應力要求。

5.2 位移分析

碳鋼和鋁合金的變形位移量隨著壁厚的縮小而增加，在約束端位移最小為零，受壓端位移最大，同等壁厚條件下，鋁合金的最大位移量遠大于碳鋼的位移變形量。

5.3 應變分析

從4種壁厚的碳鋼和鋁合金的應變分析，可以看到，隨著壁厚的縮小，應變不斷增加，且在同等壁厚的情況下，鋁合金的應變明顯要大于碳鋼的應變，這符合碳鋼和鋁合金的材料性能，也與2種材料的應力和位移分析結果相符合一致。

6 結論

根據伸縮臂在完全伸出工作狀態下的有限元的應力應變情況，從應力的分析來看，選用鋁合金材料制造伸縮臂，要滿足工作條件，伸縮臂的尺寸大，占用空間大，制造成本高。選擇普通碳鋼制造伸縮臂，4種壁厚情況下，應力都滿足要求，但是對于本研究的伸縮臂而言，伸縮臂在工作伸縮時，各段都有位移變形，若彈性位移過大，影響伸縮臂的正常伸縮。綜合考慮伸縮臂的自重、位移及應力應變，選擇壁厚為6mm的碳鋼作為伸縮臂的制造材料更為合理。