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折臂式擦窗机主臂架有限元分析与结构改进

发布于:2020-04-23 22:12
有限元分析

       折臂式擦窗机是对异型立面高层建筑外墙清洗和维护的专用设备,主臂架是折臂擦窗机的主要承载部件之一,由折臂支撑和主吊臂构成,对其进行精确的有限元分析,强度计算和校核,可以指导设计和保证整机的安全。由于主臂架结构和受力状态复杂,传统力学计算方法很难获得其整体变形和应力分布状态。本文在对CD250型折臂式擦窗机工作过程整体力学分析的基础上,确定了主臂架最危险受力工况及其载荷,采用有限元软件ANSYS对主臂架进行了强度分析。根据分析结果,提出了折臂支撑结构改进方案,改进后折臂支撑最大应力值减小,应力分布更趋均匀,表明该改进方案合理,对此类折臂式擦窗机的设计具有一定指导意义。
       CD250型折臂式擦窗机结构简图见图。该擦窗机主臂架主要由折臂支撑6和主吊臂4组成,折臂支撑由两块侧板通过多个筋板和腹板焊接成箱形结构,通过上回转机构5与主吊臂相连,可相对主吊臂在水平面内旋转。折臂支撑下端与折臂9和拉杆8铰接,通过油缸7实现折臂俯仰的同时保持小臂10的水平。主吊臂4为钢板焊接的箱型结构,内部用筋板加强,主臂前端通过回转机构与折臂支撑连接,后部装有卷扬机构和配重,中部的耳板通过销轴和上回转机构相连,使主吊臂可绕底座立柱旋转。
       擦窗机工作过程中,主臂架受力简图如图所示。载荷包括:折臂支撑自重G、主吊臂自重Gz和卷扬机构自重G3,钢丝绳通过导向滑轮的作用,除自重外,其余力的大小和作用方向均与小吊臂、折臂和折臂支撑的工作位置有关。为了确定主臂架最不利受力工况,在主吊臂和折臂支撑上分别选择截面,采用力学分析方法,运用MATLAB语言编程,计算出两截面最大应力工况为:折臂处于水平位置,小吊臂与折臂共线,且二者随折臂支撑旋转至与主吊臂垂直,载荷情况如图所示。根据图计算出危险工况时主臂架各点受力。在有限元分析中,结构自重G,G2可由软件按体载荷加载,卷扬机构自重G3按集中载荷加载,表1中仅列出各集中力沿坐标轴方向的分量值。
       单元选择是有限元分析中的重要问题,直接关系到求解精度和效率,主要依据结构的受力特性和结构特点。单元选择原则是计算精度高、收敛速度快、计算量小;同时,单元类型应对结构的几何形状有良好的逼近,能真实反映结构受力状况。折臂支撑和主吊臂均为薄钢板焊接而成的箱形结构,钢板的厚度远小于其长度和宽度,故该模型属于典型的板壳单元结构。本文采用壳单元SHELL181,该单元对于薄板乃至中厚板均有较高的分析精度。SHELL181单元共有4个结点,默认状态每个结点具有6个自由度,可用于线性、非线性分析Cz70网格划分时采用精度水平为6,自由划分。ANSYS根据主臂架结构特点,自适应地调整网格密度。主臂架有限元模型见图,整个模型包括39904个SHELL181单元,39667个结点,根据模型中实常数则要根据各板实际厚度定义,本文共定义实常数16个。
       折臂支撑与上回转支承内圈通过24个高强螺栓连接,上回转支承外圈与主吊臂通过24个高强螺栓相连。这里,忽略上回转机构内外圈与滚动体之间的间隙,并假设折臂支撑和主吊臂与上回转的连接板具有相同的变形。基于这一假设,建立主臂架有限元模型时可忽略上回转机构,直接将上下连接板对应螺栓孔处节点自由度耦合在一起,从而简化了计算模型,但对计算结果,特别是应力的计算结果并无显著影响。


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