基于有限元分析的电缆输送装置伸缩臂设计

徐文娟

(咸宁职业技术学院工学院，湖北 咸宁 437100)

0 前言

为了加快推进港口岸电建设，需开发一种快速、简便的装置将船上的电源电缆吊装到岸上，再与岸电装置连接取电，称这种吊装装置为“船用岸电电缆输送装置”，属于一种轻小型起重运输装置。该装置可以自由伸缩，伸缩臂的结构形式及材料直接影响其工作性能和制造成本，本文通过软件建模分析，设计一种截面为矩形，结构简单，自由伸缩，制造成本低的岸电电缆输送装置伸缩臂。

项目研究设计一种单缸多节液压推杆来驱动的智能岸电电缆输送装置，工作状况如下：该装置不用时，收缩放置岸边高度不超过2000mm，工作时，水平可俯仰-30°～+45°，装置伸缩臂可以伸出总长6000mm，起吊重量达到200kg。伸缩臂由多节组成，各节段同步伸出、缩进，伸缩自由，伸缩臂所用材料和结构大小，将决定了单缸多节液压推杆的设计。

1 伸缩臂3种工作状态分析

伸缩臂是在俯仰到一定位置后开始伸出，从全缩状态伸到完全伸出状态，再拖着电缆回缩，或拖着电缆俯仰到一定位置后开始伸出，将电缆送置船上。为了合理设计其大小，从3种工作状态进行分析，即全缩状态，伸出一半状态和完全伸出状态，这3种状态具有典型的代表性。全缩状态时伸缩臂总长为1600mm，伸出一半状态时，伸缩臂总长为4375mm，完全伸出总长为6000mm。伸缩臂在工作过程中，固定端(最左端，也即约束端)所受应力最大，伸缩臂的最右端(也即施力端)应力最小。在相同起吊重量的情况下，完全伸出状态时，伸缩臂最长，伸缩臂固定端所受的弯矩是最大的。通过分析在完全伸出状态下，选用普通碳素钢和铝合金2种不同材料，伸缩臂应力、位移，应变的变化情况，确定伸缩臂的材料和结构尺寸。

2 伸缩臂模型建立

根据UG三维设计图建立有限元分析模型，为了简化计算，方便有限元模型的建立，在建模过程中进行如下假设及简化：

(1)省略对静态力学分析没有影响或影响极小的结构，包括伸缩臂上的小孔和倒角。

(2)对设计图中的连接位置(机械连接及焊接)一律按理想条件下的固结进行考虑，同时忽略机械连接中的螺栓等细微结构。

(3)简化原模型的一些细节，对部分尺寸进行微调，如将一些非整数尺寸按四舍五入取整(单位mm)。

(4)全局选用标准单位为mm(长度)、N(力)，因此，其他单位统一为MPa(压强)。

2.1 材料参数

材料采用碳钢和铝合金2种，材料参数如下表。

表1 材料参数

2.2 模型的建立及加载

伸缩臂的截面形状设计成矩形，如图1所示，第一级为最小级，最小内空截面均为200×100mm，然后进行网格划分及约束加载。约束为第六节伸缩臂端面的所有自由度，载荷为配重及最大起吊电缆绳重量，这里取值2000N，全局重力加速度取9.8m/s2。选用六面体单元进行网格划分成62400个单元，126048个节点。

图1 单级截面形状

3 普通碳钢伸缩臂及结构数据分析

第一级为最小级，最小内空截面均为200×100mm，伸缩臂壁厚不同时，设计所得截面尺寸如表2所示。

表2 不同臂厚伸缩臂壁各级截面尺寸(mm)

伸缩臂壁厚t=10mm时，计算出缩臂壁总重量约为633.57kg。伸缩臂在完全伸出状态下的应力分析云图如图2所示，应力的最小值为52968.9N/m2，最大值为3.63365e+007 N/m2。

图2 普通碳钢伸缩臂壁厚10mm应力分析云图

伸缩臂在完全伸出状态下的位移分析云图如图3所示，合位移(URES)最小值为 0mm，最大值为 4.89826mm。

伸缩臂在完全伸出状态下的应变分析云图如图4所示，对等应变(ESTRN)最小值为2.30251e-007，最大值为 0.000113597。

图3 普通碳钢伸缩臂壁厚10mm位移分析云图

图4 普通碳钢伸缩臂壁厚10mm应变分析云图

伸缩臂壁厚为8mm时，设计所得截面尺寸如表2所示，计算出缩臂壁总重量约为486.97kg。伸缩臂在完全伸出状态下进行应力分析可得，应力(VON)的最小值为1603.75N/m2，最大值为6.60483e+007N/m2。位移分析可得，合位移(URES)最小值为 0mm，最大值为 7.7433mm。应变分析可得，对等应变(ESTRN)最小值为5.11521e-009，最大值为0.000151636。

伸缩臂壁厚6mm时，设计所得截面尺寸如表2所示，计算出缩臂壁总重量约为351.67kg。伸缩臂在完全伸出状态下进行应力分析可得，应力(VON)的最小值为1904.61N/m2，最大值为7.26696e+007N/m2。位移分析可得，合位移(URES)最小值为 0mm，最大值为 10.621mm。应变分析可得，对等应变(ESTRN)最小值为6.39387e-009，最大值为 0.000187677。

4 铝合金伸缩臂及结构数据分析

采用铝合金材料，伸缩臂壁厚、截面尺寸与普通碳钢相同时，进行伸缩臂的设计分析。如在伸缩臂壁厚10mm时，伸缩臂壁总重量约为220kg。利用有限元静力学分析，伸缩臂在完全伸出状态下的应力(VON)的最小值为44791.7N/m2，最大值为44791.7N/m2；合位移(URES)最小值为 0mm，最大值为10.6557mm；对等应变(ESTRN)最小值为5.01882e-007，最大值为 0.000225397。

5 数据分析

综合2种材料的不同壁厚进行分析，所得数据如下表3所列。根据表中数据进行应力、位移、应变分析。

表3 应力、位移、应变分析表

5.1 应力分析

同种壁厚情况下，碳钢伸缩臂自重是铝合金约3倍。碳钢的屈服应力为2.206e+008N/m2，铝合金的屈服应力为2.757e+007N/m2。伸缩臂工作时外加载荷主要集中在伸缩臂伸出的顶端，从应力云图看出，伸缩臂最左固定端(约束端)所受应力最大，伸缩臂的最右施力端应力最小。铝合金材料的伸缩臂只有壁厚为10mm的状态下满足应力要求，当壁厚为8mm的时候最大应力为4.63e+7N/m2，远大于铝合金的屈服应力，工作时在伸缩臂的固定端极易发生塑性变形。而碳钢在4种壁厚情况下的最大应力都不超过屈服应力，不会发生塑性变形，满足应力要求。

5.2 位移分析

碳钢和铝合金的变形位移量随着壁厚的缩小而增加，在约束端位移最小为零，受压端位移最大，同等壁厚条件下，铝合金的最大位移量远大于碳钢的位移变形量。

5.3 应变分析

从4种壁厚的碳钢和铝合金的应变分析，可以看到，随着壁厚的缩小，应变不断增加，且在同等壁厚的情况下，铝合金的应变明显要大于碳钢的应变，这符合碳钢和铝合金的材料性能，也与2种材料的应力和位移分析结果相符合一致。

6 结论

根据伸缩臂在完全伸出工作状态下的有限元的应力应变情况，从应力的分析来看，选用铝合金材料制造伸缩臂，要满足工作条件，伸缩臂的尺寸大，占用空间大，制造成本高。选择普通碳钢制造伸缩臂，4种壁厚情况下，应力都满足要求，但是对于本研究的伸缩臂而言，伸缩臂在工作伸缩时，各段都有位移变形，若弹性位移过大，影响伸缩臂的正常伸缩。综合考虑伸缩臂的自重、位移及应力应变，选择壁厚为6mm的碳钢作为伸缩臂的制造材料更为合理。