基于ANSYS的折臂式高空作業車作業臂模態分析

馮輝　孟杰　張小龍

摘要：采用ANSYS有限元軟件，對在風載荷作用下的工作臂進行結構分析。對三維模型的建立、引入、單元類型選取、網格劃分、約束與負荷的處理等進行較為詳盡論述，并對各種折臂間的應力集中進行分析，研究結果可為折臂式高空作業車工作部分的設計提供理論支持和參考。

關鍵詞：折臂；高空作業車；有限元軟件；模態分析

0? ?引言

高空作業平臺是一種將作業機具、工作人員送入指定的高空作業場所的設備，其具有工作穩定、操作簡單、自動調整升降、安全可靠等諸多優勢，大大提高了工作的工作效率。

保證高空作業設備的安全可靠運行，具有十分重要的現實意義，目前，國內外眾多學者對次進行了研究。郭維城[1]采用機器人正、逆運動學求解方法，確定出曲臂式高空作業車各關節角。張林生[2]和蒙楊超[3]等人對作業平臺和臂架的結構設計進行了整體結構設計。王添羽[4]等人通過創新理論TRIZ的結合，總結出關于高空作業車的民用新方案。李晶[5]等人從提高生產質量、降低成本出發，對關鍵部位進行非正常受力分析。蔣紅旗[6]等人根據Davenport風速譜模擬得到了脈動風載荷時程。

本文主要從折臂式高空作業車的臂架結構出發，進行靜動態特性分析，對風載荷的可靠性進行分析，采用 ANSYS Workbench軟件進行了結構動力學分析，并提出改進方案。

1? ?作業臂結構組成及原理

1.1? ?結構組成

折臂高空作業車主要結構包括折臂變幅機構、伸縮臂變幅機構、小臂伸長機構、飛臂變幅機構以及調整機構[7]。下臂連接轉臺，上臂連接工作臺，在上臂的兩個關節部位都有加固板，上、下兩個臂間有一塊連結板。在上、下臂上設有液壓缸鉸點，利用液力控制下臂開閉角變化。

1.2? ?工作原理

折臂式高空作業車的工作原理如下：由折臂變幅缸5驅動、下臂3、上臂7、上拉桿6同時移動，從而完成對整個臂架的提升；伸長臂變幅桿8起到提升伸縮臂9的作用；前臂延伸缸11用于對小臂10的收縮；飛臂變幅缸12用于飛桿13翻轉，并用于提升工作平臺14。

2? ?作業臂的三維模型建立

2.1? ?導入實體

全車部件都采用高強度鋼結構，具有自重輕、高強度、高韌性、高可靠性的特點。在Solid works中，利用主要技術參數，構建工作臂的三維實體模型，并將所建立的模型轉化為步驟，并將其引入ANSYS，為其建模奠定基礎。

由于工作臂的結構較為復雜，難以根據實體結構進行三維有限元分析，因此在建立模型之前，需要對其進行簡化。

在不影響計算精度的情況下，對復雜結構進行合理的簡化是非常有必要的。對復雜結構進行合理簡化，省去很多繁雜的工作，使工作量大為降低，有效縮短了設計時間，為以后的改進提供了有利的條件。在模型制作過程中，將工作臂上的一些小孔和凸緣去掉，對整體的強度和剛度影響不大，但是在網格分割中節約了大量的計算機資源。

2.2? ?建立有限元模型

將基座以及旋轉平臺合為一個部分，將上臂、下臂、小臂以及工作平臺都看成一個獨立部分，便于進行接下來的網格劃分。各臂間連接以及銷軸之間為接觸約束，建立有限元模型，對其進行結構分析。

在對工作臂進行三維網格分割之前，要充分考慮到材料性質。工作臂采用高強度鋼板，為此預設結構鋼密度為7850kg/m3，泊松比為0.3。

采用Free網格方法劃分網格。由于臂長尺寸較大，而厚度較小，故采用人工設置網格尺寸大小，上下臂和伸縮臂的單元邊長取0.1。在伸縮臂達到最大時，對工作平臺風載作用下的模態及應力應變進行分析。工作臺的單元邊長取0.005，最終形成的有限元模型節點數為57628，單元數為30197。

高空作業車進行作業時，受到的載荷有起吊重物重力、本身重力、側向載荷以及自然界的風載荷等，風載荷作用于臂架的側面。高空作業時，工作平臺因距地面最高，受到的風載作用最大，為此研究風載施加臂架側面時工作平臺的模態。

3? ?模態分析

在風載條件下，對折疊臂的十二階模態進行分析計算，最終得到主要階的模態的頻率如表1所示，所對應的一階、四階、六階、八階振型如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

由得出的各階振型可以看出，前五階模態振型都是臂架沿Y方向的振蕩，從第六階開始上下臂出現大的扭轉變形。第四階小臂的變形量最大，第八階上臂的變形量最大。

4? ?諧響應分析

4.1? ?加載及約束

4.2? ?頻率響應分析

在模態分析中，一般來說對振型的影響最大的是低階模態，而高階振型對振型的影響很小，且隨著階次的增加，對振型的影響也越來越小。因此，本文將振型分析中最早的12個頻率作為諧振響應的頻域，即振動頻率0～250Hz之間。

在此基礎上，利用模式疊加方法，得到作業臂7MPa、38MPa、117MPa相應的頻率響應曲線，如圖6、圖7、圖8所示。

由圖6、圖7、圖8響應曲線能看出，在不同風載下，高空作業臂的響應規律一致，即X方向在50Hz時，振幅達到峰值。峰值的大小和風載成線性正相關，風載越大，振幅峰值越高。在頻率200Hz時產生另外的峰值。實際工作中，要注意避免外部激勵頻率落在上述頻率附近。

5? ?結束語

本文采用ANSYS有限元軟件，對在風載荷作用下的工作臂進行結構的分析。對三維模型的建立、引入、單元類型的選取、網格劃分、約束與負荷的處理等進行較為詳盡論述，并對各種折臂間的應力集中進行分析，

由模態分析結果可以得出，系統固有頻率和模態階數成正相關，最大偏移量在五階出現峰值，故在這種情況下需要注意系統的穩定性。

由諧響應分析結果可以得出，在不同風速下，X方向上的風載和最大振幅值呈正相關。頻率響應規律保持一致，3個風速下均在50Hz和200Hz產生峰值，所以在實際工作中，要防止外部的激勵頻率落在上述頻率附近。

參考文獻

[1] 郭維城.曲臂式高空作業車正、逆運動學問題求解[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2010，6（4）：375-376.DOI：10.13888/j.cnki.jsie（ns）.2010.04.029.

[2] 張林生，張洪鳴，王洪祥.曲臂式高空作業平臺的結構設計[J].機械工程師，2020（9）：150-151.

[3] 蒙楊超，董自安，肖澤樺，王珂.曲臂式高空作業車液壓系統設計及研究[J].流體傳動與控制，2015（1）：32-36.

[4] 王添羽，韓宇翃，吳安琪.基于TRIZ方法的曲臂式高空作業車優化設計[J].包裝工程，2022，43（S1）：161-170.DOI：10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.S1.028.

[5] 李晶，唐蕾.折臂式高空作業車升降油缸支座底部受力分析及對臂體的影響[J].民營科技，2011（9）：196.

[6] 蔣紅旗，茅獻彪，閆靖宇.高空作業車風致振動響應的數值模擬研究[J].機械設計與制造，2018（1）：126-128.DOI：10.19356/j.cnki.1001-3997.2018.01.036.

[7] 王昭君，何雪浤，周振東，謝里陽.基于ADAMS的折臂式高空作業車展開作業穩定性分析[J].機電工程，2020，37（3）：259-263+276.

[8] 劉濤，王衛輝，鹿飛，袁仁武.基于Workbench的箱形伸縮臂模態及諧響應分析[J].制造業自動化，2015，37（4）：80-82+97.