基于機(jī)液聯(lián)合仿真的剪叉機(jī)構(gòu)疲勞壽命分析

黃向明 張?zhí)? 尹人奇 劉國(guó)良

摘? ?要：為解決工程機(jī)械復(fù)雜機(jī)液結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計(jì)算問(wèn)題，以某型號(hào)高空作業(yè)平臺(tái)剪叉機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，提出了一種基于機(jī)液聯(lián)合仿真的結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算方法.首先，建立了剪叉機(jī)構(gòu)的機(jī)液聯(lián)合剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析了剪叉機(jī)構(gòu)在舉升過(guò)程中的受力情況，確定了極限工況為舉升階段79.2 s時(shí)刻，提取了各關(guān)鍵鉸點(diǎn)處的載荷譜;并通過(guò)剪叉機(jī)構(gòu)的油缸壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)仿真模型的正確性;然后，基于聯(lián)合仿真確定的極限工況和鉸點(diǎn)載荷譜，對(duì)剪叉臂進(jìn)行了極限工況下和單位載荷作用下的靜力學(xué)分析，得到了剪叉臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況;最后，利用鉸點(diǎn)載荷譜和剪叉臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力通過(guò)仿真獲得剪叉臂疲勞損傷云圖，確定了剪叉臂疲勞危險(xiǎn)部位主要是剪叉臂各個(gè)零部件的連接位置處，為后續(xù)的疲勞壽命優(yōu)化提供了基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：剪叉機(jī)構(gòu);機(jī)液聯(lián)合動(dòng)力學(xué)仿真;剛?cè)狁詈?載荷譜;疲勞壽命

Abstract：In order to solve the fatigue life calculation problem of engineering machinery complex machine-liquid structure， this paper proposed a calculation method for structure fatigue life based on mechanical and hydraulic co-simulation technology， taking the scissor mechanism of a scissor aerial work platform as the research object. A multi-body dynamics simulation model of mechanical-hydraulic combined rigid-flexible coupling of scissor mechanism was established， and the force status in the lifting process of scissor mechanism was also analyzed. The ultimate working status was determined at the lifting stage of 79.2 s， while the load spectrum at each key hinge point was extracted. Under the same working status of simulation， the test experiments of oil cylinder pressure and structural stress were carried out. The experimental results verified the correctness of the dynamics simulation. Then， according to the load spectrum of the hinge point and the ultimate working status confirmed by co-simulation， the static analysis of scissors arms under the ultimate working status and unit loading action was carried out to obtain the static stress distribution of scissors arms structure. Eventually， by using the hinge point load spectrum and the static stress distribution， the fatigue damage and fatigue life of scissor arms were obtained. The results confirmed that the most hazardous part of scissors arms fatigue was the connecting position of each part of scissors arms， which provided a basis for subsequent fatigue life optimization.

Key words：scissors mechanism;mechanical and hydraulic co-simulation;rigid-flexible coupling;load spectrum;fatigue life.

剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)因操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、承載和適應(yīng)能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)和市政維修等各個(gè)領(lǐng)域[1]. 剪叉機(jī)構(gòu)作為剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞性能直接關(guān)系到整個(gè)作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全性.

目前，對(duì)于剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)剪叉機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞性能的研究有：胥軍等人分析了剪叉式升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，校核了剪叉桿的強(qiáng)度，并通過(guò)調(diào)整油缸的安裝位置，提高了平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性[2];Petru等人將剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了有限元仿真的合理性[3];Ren等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與有限元仿真相結(jié)合的方法確定了影響平臺(tái)穩(wěn)定性的因素主要有平臺(tái)起升速度、所處地面坡度和平臺(tái)上人的活動(dòng)狀況[4];潘權(quán)等人對(duì)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)的剪叉臂進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并利用常幅對(duì)稱循環(huán)載荷曲線進(jìn)行了剪叉臂疲勞壽命分析，確定了最大疲勞損傷發(fā)生在剪叉臂的鉸孔附近[5]. 在這些仿真建模方法中，仿真的邊界條件等參數(shù)的設(shè)置，皆為設(shè)計(jì)值，與實(shí)際值有較大的差距，會(huì)在一定程度上影響建模的精度. 此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品疲勞壽命分析的研究有：李源等人對(duì)弧齒錐齒輪副進(jìn)行了連續(xù)動(dòng)態(tài)嚙合過(guò)程的仿真，研究了該型輪齒的動(dòng)態(tài)嚙合齒面接觸和齒根彎曲疲勞性能，得出輪齒破壞主要發(fā)生在齒根受壓側(cè)的倒角區(qū)域[6];葉南海等人提出了一種基于虛擬載荷譜技術(shù)的疲勞壽命計(jì)算方法，并將計(jì)算結(jié)果和疲勞軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了該方法的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠[7-8];卿宏軍等人采用傳感器采集了某車型整車主要結(jié)構(gòu)載荷譜，確定了車后懸架和輪胎的固有頻率，以及左后輪垂直方向力載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的偽疲勞損傷值[9]. 在這些疲勞研究中，疲勞壽命的計(jì)算主要通過(guò)兩種方式：一種是利用軟件對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果直接進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算[6-8]，該方法適用于仿真時(shí)長(zhǎng)短、網(wǎng)格規(guī)模小的模型;另一種是通過(guò)試驗(yàn)采集獲取疲勞載荷譜，再通過(guò)軟件進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算[9]，該方法獲取的載荷數(shù)據(jù)可靠，但周期長(zhǎng)、費(fèi)用高.目前對(duì)于復(fù)雜的機(jī)電液系統(tǒng)基于機(jī)液耦合仿真獲得疲勞載荷譜來(lái)進(jìn)行疲勞壽命研究比較少.

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出基于Virtual.Lab和AMESim的機(jī)械與液壓聯(lián)合仿真的建模方法，按照實(shí)際情況，對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真的邊界條件進(jìn)行了設(shè)置，既確保了提取出的疲勞分析所需載荷譜的可靠性，又節(jié)省了大量的時(shí)間與費(fèi)用，為機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保障.

本文以某型號(hào)剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)剪叉機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，進(jìn)行了機(jī)-液聯(lián)合剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真、靜力學(xué)仿真和疲勞壽命分析，并對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保了下文基于動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果所做的分析的準(zhǔn)確性.

1? ?剪叉機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真

1.1? ?作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

某剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)主要由液壓及控制系統(tǒng)、平臺(tái)總成、底盤和剪叉機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示.其工作平臺(tái)最大高度為16.1 m，作業(yè)最大高度為18.1 m，平臺(tái)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為3.75 m×1.86 m×1.1 m，可延伸長(zhǎng)度為1.35 m，承載能力為680 kg. 剪叉機(jī)構(gòu)由上下兩個(gè)液壓缸和五組剪叉臂及其附件組成，各組剪叉臂從下至上編號(hào)為一至五.

1.2? ?剪叉機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)建模

機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真技術(shù)可以利用不同領(lǐng)域的仿真模型，組成復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)仿真可以得到更接近實(shí)際的分析結(jié)果[10]. 本文所構(gòu)建的剪叉機(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真模型主要由液壓、機(jī)構(gòu)和控制模型組成，對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)在額定載荷均載和偏載作用下全速舉升工況進(jìn)行研究.根據(jù)高空作業(yè)平臺(tái)整車的實(shí)際液壓控制回路簡(jiǎn)化出的剪叉機(jī)構(gòu)液壓控制回路如圖2所示，以此完成剪叉機(jī)構(gòu)液壓部分的AMESim建模.

該高空作業(yè)平臺(tái)的上升、保持、下降動(dòng)作依靠?jī)蓚€(gè)換向閥進(jìn)行控制，其升降速度控制通過(guò)可調(diào)節(jié)流閥實(shí)現(xiàn).根據(jù)原理圖，采用AMESim對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)建立的模型如圖3所示.

模型中除了液壓原理圖中的元器件之外，還有信號(hào)發(fā)生器和位移速度轉(zhuǎn)換器等. 圖3中1處和3處為來(lái)自于Motion的上下液壓缸活塞桿的位移與速度信息;2處和4處為AMESim輸出到Motion中上下液壓缸的液壓缸推力;5處、6處和7處均為AMESim控制模塊中的信號(hào)發(fā)生器，三個(gè)信號(hào)發(fā)生器中預(yù)設(shè)不同的控制函數(shù)分別控制二位二通伺服閥、三位四通伺服閥和可調(diào)節(jié)流閥的線圈輸入電流，進(jìn)而控制各閥芯運(yùn)動(dòng).

1.3? ?剪叉機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?/p>

由于高空作業(yè)平臺(tái)機(jī)構(gòu)體積和質(zhì)量較大，剪叉機(jī)構(gòu)的剪叉臂彈性變形較為明顯.為了真實(shí)地反映剪叉機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，故對(duì)受力情況比較惡劣的第一至第四組剪叉臂進(jìn)行柔性化處理，并計(jì)算各剪叉臂模態(tài)振型和模態(tài)參與因子.

1.3.1? ?載荷和約束條件處理

根據(jù)剪叉機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)，將其分為均載和偏載兩種工況進(jìn)行載荷施加.在有限元軟件中給剪叉機(jī)構(gòu)各部件設(shè)定材料屬性和重力加速度.額定工作載荷為680 kg，其中工作人員為6人（80 kg/人），設(shè)備工具質(zhì)量為200 kg，作用于平臺(tái)上方.均載加載時(shí)，工作人員自重載荷作用在平行于工作平臺(tái)長(zhǎng)度方向的中心線上;偏載加載時(shí)，工作人員的自重載荷作用位置為平行于工作平臺(tái)長(zhǎng)度方向且距邊緣0.1 m的直線上.設(shè)備質(zhì)量均勻作用在工作平臺(tái)25%的臺(tái)面上.由于本文主要針對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)的惡劣工況進(jìn)行分析，故進(jìn)行均載和偏載分析時(shí)，將打開(kāi)工作平臺(tái)兩側(cè)延伸平臺(tái)，并沿著工作平臺(tái)的最大長(zhǎng)度方向添加載荷.

工作人員的手動(dòng)操作力大小為400 N，作用于平臺(tái)上底面向上1.1 m處，在偏載工況下，載荷方向與工作平臺(tái)側(cè)偏方向相同;在均載工況下，載荷方向與工作平臺(tái)起升方向相同.根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11]，風(fēng)壓取100 Pa，單個(gè)內(nèi)剪叉臂迎風(fēng)面和被遮擋面所受風(fēng)載荷分別為112.18 N和50.48 N;單個(gè)外剪叉臂迎風(fēng)面和被遮擋面所受風(fēng)載荷分別為112.18 N和76.28 N;工作平臺(tái)迎風(fēng)面和被遮擋面所受風(fēng)載荷分別為312.63 N和196.96 N;工作人員和工具所受風(fēng)載荷分別為420 N和58.8 N.考慮到剪叉高空作業(yè)平臺(tái)使用情況，其設(shè)備動(dòng)載荷系數(shù)為1.5[12]. 對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)底座施加固定約束，對(duì)各剪叉臂長(zhǎng)度方向施加平行于水平面的初始角度位置約束.

1.3.2? ?機(jī)構(gòu)模型建立

首先將剪叉機(jī)構(gòu)Pro/E裝配體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)分析模塊Motion中.在Motion中對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建（液壓缸活塞與缸體之間的圓柱副，滑塊與導(dǎo)軌槽之間的移動(dòng)副，剪叉臂與相連鉸軸之間、液壓缸與液壓缸安裝支座之間、限位連桿與連桿鉸軸之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副）.載荷和約束條件施加，定義活塞桿與液壓缸之間的相對(duì)位移和相對(duì)速度為機(jī)構(gòu)模型的輸出變量，來(lái)自AMESim中的液壓驅(qū)動(dòng)力為機(jī)構(gòu)模型的輸入變量，完成剪叉機(jī)構(gòu)剛體模型的創(chuàng)建.

考慮到舉升過(guò)程中剪叉臂的變形影響，對(duì)受力情況比較惡劣的第一至第四組剪叉臂進(jìn)行柔性化處理，即通過(guò)Hypermesh軟件，劃分各剪叉臂有限元網(wǎng)格模型，導(dǎo)入Motion柔性化分析模塊Motion_Flexible body design，設(shè)置材料相關(guān)參數(shù).同時(shí)在Motion中，剛體和柔性體之間的連接通過(guò)設(shè)置接附點(diǎn)（Interface Set）完成，設(shè)置好接附點(diǎn)后，通過(guò)替代的方法，將原來(lái)的剪叉臂剛體模型替換為柔性體模型，計(jì)算柔性化后的各剪叉臂模態(tài)數(shù)據(jù)，手動(dòng)設(shè)置模態(tài)工況，過(guò)濾掉前六階剛體模態(tài)和一些高階模態(tài).完成剛?cè)狁詈辖５募舨鏅C(jī)構(gòu)如圖4所示.

1.3.3? ?聯(lián)合仿真接口及求解設(shè)置

分別搭建好模型后，將液壓模型和控制模型直接通過(guò)AMESim軟件內(nèi)部的信號(hào)通道進(jìn)行連接，將機(jī)構(gòu)模型和液壓模型通過(guò)創(chuàng)建軟件接口進(jìn)行連接，從而完成剪叉機(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真建模.機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)之間的變量交換如圖5所示.在Motion中選擇求解算法為AMESIM_COUPLED，并根據(jù)高空作業(yè)平臺(tái)實(shí)際舉升以及平穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間，設(shè)置求解時(shí)間為90 s，求解步長(zhǎng)為0.01 s.

1.4? ?仿真結(jié)果分析

極限偏載工況為舉升過(guò)程中的危險(xiǎn)工況，故以此為例對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析.

1.4.1? ?強(qiáng)度分析結(jié)果

對(duì)各柔性體進(jìn)行線性疊加工況分析，求解出剪叉機(jī)構(gòu)在舉升過(guò)程中柔性體各個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力分布情況. 提取出柔性化后的各剪叉臂在舉升過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力極值，如圖6所示，其中80 s時(shí)刻后各剪叉臂內(nèi)臂應(yīng)力處于穩(wěn)定的狀態(tài).

剪叉臂的材料為HG70鋼，其材料屈服極限為590 MPa，根據(jù)高空作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求GB/T 25849—2010，取安全系數(shù)為2.0，則許用應(yīng)力為295 MPa.因此，需要計(jì)算各臂在加載過(guò)程中最大應(yīng)力點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的時(shí)刻.由圖6可得到各剪叉臂最大應(yīng)力極值時(shí)刻，如表1所示. 從表1可以看出，除第三組剪叉臂內(nèi)臂（內(nèi)臂三）外，其余各剪叉臂的安全系數(shù)均超過(guò)了2.0，滿足了強(qiáng)度要求. 內(nèi)臂三在79.2 s時(shí)最大應(yīng)力382.93 MPa，為整個(gè)臂的最大應(yīng)力，此時(shí)為極限工況，其安全系數(shù)為1.54，現(xiàn)提取內(nèi)臂三的應(yīng)力分布圖，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析如圖7所示.

從圖7可知，應(yīng)力集中主要發(fā)生在剪叉臂各個(gè)零部件的連接位置處，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在沿偏載方向的下液壓缸安裝肋板與方形肋管的連接處，如圖中標(biāo)記的圓圈處，由此可知，內(nèi)臂三結(jié)構(gòu)存在不合理性，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)做優(yōu)化處理，以降低應(yīng)力集中.

1.4.2? ?節(jié)點(diǎn)載荷譜提取

聯(lián)合仿真完成以后，可以提取各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的載荷譜作為疲勞分析的數(shù)據(jù)輸入. 以內(nèi)臂三為例，該內(nèi)臂與剪叉機(jī)構(gòu)其它零部件的連接點(diǎn)共有8個(gè)，也就需要提取8個(gè)節(jié)點(diǎn)的載荷譜，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有六個(gè)通道（XYZ方向的力和力矩），總共提取了48個(gè)通道的載荷譜.

2? ?測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性，對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行均載下液壓缸壓力測(cè)試和結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)額定載荷均載工況的仿真模擬值和實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比研究.

2.1? ?液壓缸進(jìn)油口壓力測(cè)試

在兩液壓缸進(jìn)油口處安裝壓力表，測(cè)量剪叉機(jī)構(gòu)在舉升過(guò)程中液壓缸進(jìn)油口處的油壓.額定均載工況下，剪叉機(jī)構(gòu)舉升階段的液壓缸進(jìn)油口油壓仿真模擬值和試驗(yàn)測(cè)試值結(jié)果對(duì)比如圖8所示.

從圖8中可知，在平臺(tái)舉升過(guò)程中，液壓缸進(jìn)油口油壓仿真模擬值和試驗(yàn)測(cè)試值變化一致，仿真模擬值略大于試驗(yàn)測(cè)試值，這是由于仿真模擬時(shí)對(duì)載荷添加了1.5倍動(dòng)載系數(shù)，二者之間最大絕對(duì)誤差為0.89 MPa，最大相對(duì)誤差為6.38%，小于10%，在誤差允許范圍內(nèi).

2.2? ?結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試

額定均載工況下，在剪叉臂上選取合適測(cè)點(diǎn)，重復(fù)多次進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn).測(cè)點(diǎn)選擇應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：1）選擇結(jié)構(gòu)平整、應(yīng)變梯度小的區(qū)域;2）避開(kāi)軸孔、焊縫等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位;3）應(yīng)方便貼片、接線等操作. 以內(nèi)臂三為例，其上布置有6號(hào)至10號(hào)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖9所示.

根據(jù)t檢驗(yàn)準(zhǔn)則對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取相同測(cè)點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值和仿真模擬值進(jìn)行對(duì)比，二者的對(duì)比結(jié)果如圖10所示[13]. 從圖中可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的仿真模擬值和實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的變化趨勢(shì)一致，大部分測(cè)點(diǎn)的仿真模擬值和實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的絕對(duì)誤差在10 MPa以內(nèi)，二者相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了本文所建立的剪叉機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型的正確性，確保了下文基于動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果所做分析的準(zhǔn)確性.

3? ?靜力學(xué)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性，并獲得疲勞分析所需要的剪叉臂結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析結(jié)果，利用在Hypermesh中建立的更高精度的剪叉臂網(wǎng)格模型，應(yīng)用慣性釋放原理在ANSYS軟件中對(duì)剪叉臂進(jìn)行了極限工況下（偏載工況下）和單位載荷作用下的靜力學(xué)分析.限于篇幅，這里僅以受力情況最復(fù)雜的內(nèi)臂三為例進(jìn)行說(shuō)明[14-15].

3.1? ?有限元網(wǎng)格劃分

內(nèi)臂三網(wǎng)格采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，其第三組剪叉臂內(nèi)臂結(jié)構(gòu)件網(wǎng)格總數(shù)為2 940 968，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3 028 396，具體如圖11所示.

3.2? ?極限工況靜力學(xué)分析

由動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可知，在79.2 s時(shí)，內(nèi)臂三出現(xiàn)最大應(yīng)力極值，對(duì)該時(shí)刻進(jìn)行載荷和邊界條件數(shù)據(jù)提取.在ANSYS軟件中利用Hypermesh生成的剪叉臂網(wǎng)格和上文提取的79.2 s時(shí)的載荷和邊界條件數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜力學(xué)分析，可得到第三組剪叉臂內(nèi)臂在產(chǎn)生最大應(yīng)力極值時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖，如圖12所示.

從圖12可知，應(yīng)力集中主要發(fā)生在剪叉臂各個(gè)零部件的連接位置處，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在沿偏載方向的下液壓缸安裝肋板與方形肋管的連接處，最大應(yīng)力為361.91 MPa，其余位置的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，達(dá)到了2倍的安全系數(shù). 對(duì)比動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果圖7和圖8，剪叉臂上應(yīng)力分布趨勢(shì)相同，產(chǎn)生最大應(yīng)力的位置也相同，靜力學(xué)分析得到的最大應(yīng)力為361.91 MPa，動(dòng)力學(xué)分析得到的最大應(yīng)力為382.93 MPa，兩者的絕對(duì)誤差為21.02 MPa，相對(duì)誤差為5.5%，仿真結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.

3.3? ?單位載荷作用下的靜力學(xué)分析

為了給疲勞壽命計(jì)算提供應(yīng)力結(jié)果，現(xiàn)對(duì)剪叉臂進(jìn)行單位載荷作用下的靜力學(xué)分析.內(nèi)臂三與剪叉機(jī)構(gòu)中的其它零部件之間共有8個(gè)連接點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)連接點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向加載1 N的力，每一個(gè)載荷都是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算工況，共48個(gè)工況，對(duì)應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析中提取的48個(gè)載荷譜.

4? ?疲勞壽命分析

在nCode軟件中，使用自定義材料曲線，擬合出的材料S-N曲線如圖13所示. 利用動(dòng)力學(xué)分析獲得的載荷譜和靜力學(xué)分析獲得的應(yīng)力結(jié)果，對(duì)剪叉臂進(jìn)行疲勞壽命分析，可得到剪叉臂在剪叉機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)單元的疲勞壽命[16].以內(nèi)臂三為例，計(jì)算得到的疲勞損傷云圖和損傷云圖的局部放大圖分別如圖14和圖15所示.

從圖可以看出，疲勞危險(xiǎn)部位主要發(fā)生在剪叉臂各個(gè)零部件的連接位置處，其中疲勞損傷最嚴(yán)重的兩個(gè)部位分別為下液壓缸安裝肋板與方形肋管的連接處和連接上液壓缸安裝肋板的短肋管與剪叉臂管的連接處，位置分別如圖15（a）和圖15（b）所示.兩位置的疲勞損傷值最大的節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為1 202 709和190 636，疲勞損傷值分別為1.02 × 10-6和1.76 × 10-6，其中節(jié)點(diǎn)190 636也是整個(gè)剪叉臂的疲勞最危險(xiǎn)點(diǎn).此外，剪叉臂的絕大部分位置都達(dá)到了無(wú)限壽命.

假定剪叉機(jī)構(gòu)的剪叉臂在下降的極限工況中所產(chǎn)生的疲勞損傷與舉升的極限工況所產(chǎn)生疲勞損傷相同，則可以通過(guò)上述方法計(jì)算出內(nèi)臂三在一個(gè)完整的升降過(guò)程中所產(chǎn)生的疲勞損傷值為3.52×10-6.假設(shè)工作平臺(tái)每日的升降次數(shù)為50次，一年的工作天數(shù)按365天計(jì)算，則剪叉機(jī)構(gòu)的使用壽命可以達(dá)到15.56年.剪叉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命為20年，由此可知，剪叉機(jī)構(gòu)的剪叉臂局部位置未滿足疲勞壽命要求，需要對(duì)局部位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

5? ?結(jié)? ?論

1）采用機(jī)-液聯(lián)合仿真的方法完成了剪叉機(jī)構(gòu)

的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)行了剪叉臂的強(qiáng)度分析以及節(jié)點(diǎn)載荷譜的提取，確定了剪叉臂的最危險(xiǎn)工況發(fā)生在舉升階段79.2 s時(shí)刻.

2）對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了液壓缸壓力測(cè)試和結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與仿真模擬值進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)仿真分析的正確性，確保了基于動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的分析及優(yōu)化的合理性.

3）基于動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，通過(guò)Hypermesh建立高精度網(wǎng)格模型，對(duì)剪叉臂進(jìn)行了極限工況下和單位載荷作用下的靜力學(xué)分析，獲得了疲勞分析所需要的剪叉臂結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析結(jié)果，并對(duì)剪叉臂進(jìn)行了疲勞壽命分析，確定了剪叉臂發(fā)生最大疲勞損傷的部位，為后續(xù)剪叉臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了基礎(chǔ).

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