基于多工況分析的移動式布料機伸縮臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代建筑施工中，混凝土作為一種不可或缺的建筑材料，其高效、精準的輸送與布料對于工程進度和質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。移動式布料機作為混凝土施工的重要設(shè)備，憑借其靈活的移動性和廣泛的布料范圍，在各類建筑工程，如高樓大廈、橋梁建設(shè)、水利水電工程等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。它能夠快速地將混凝土輸送到施工現(xiàn)場的各個角落，有效提高了施工效率，減少了人力成本，同時也降低了施工過程中的安全風(fēng)險，極大地推動了建筑施工的機械化和現(xiàn)代化進程。伸縮臂架是移動式布料機的核心部件，其結(jié)構(gòu)性能直接決定了布料機的工作性能。在實際工作過程中，伸縮臂架需要承受多種復(fù)雜的載荷，包括自身重力、混凝土物料的重量以及在伸縮、變幅和回轉(zhuǎn)等動作過程中產(chǎn)生的慣性力和沖擊力等。這些載荷的作用使得伸縮臂架處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，對其強度、剛度和穩(wěn)定性提出了很高的要求。若伸縮臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，可能導(dǎo)致在工作中出現(xiàn)過大的變形、疲勞損壞甚至失穩(wěn)等問題，不僅會影響混凝土的布料精度和施工效率，還可能引發(fā)嚴重的安全事故。對伸縮臂架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化具有極其重要的意義。通過優(yōu)化伸縮臂架結(jié)構(gòu)，可以顯著提升布料機的整體性能。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠增強伸縮臂架的強度和剛度，使其在承受各種載荷時變形更小，從而保證混凝土輸送的穩(wěn)定性和準確性，提高施工質(zhì)量。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)還能提高伸縮臂架的穩(wěn)定性，降低在復(fù)雜工況下發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險，確保設(shè)備的安全運行。優(yōu)化伸縮臂架結(jié)構(gòu)有助于降低生產(chǎn)成本。一方面，通過合理選材和優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，可以在保證性能的前提下減輕伸縮臂架的重量，減少材料的使用量，從而降低材料成本。另一方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以提高設(shè)備的可靠性和耐久性，減少設(shè)備的維護和維修次數(shù)，降低設(shè)備的全生命周期成本。在當前建筑市場競爭日益激烈的背景下，降低成本對于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場競爭力具有重要作用。此外，隨著建筑行業(yè)對綠色、環(huán)保、高效施工要求的不斷提高，對移動式布料機伸縮臂架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化也是順應(yīng)行業(yè)發(fā)展趨勢的必然選擇。優(yōu)化后的布料機能夠更加高效地完成混凝土布料工作，減少能源消耗和施工時間，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，有助于推動建筑行業(yè)的綠色發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對于移動式布料機伸縮臂架結(jié)構(gòu)的研究起步較早，技術(shù)相對成熟。在結(jié)構(gòu)分析方面，歐美等發(fā)達國家的研究機構(gòu)和企業(yè)運用先進的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對伸縮臂架在各種復(fù)雜工況下的力學(xué)性能進行深入分析。通過建立精確的有限元模型，能夠準確模擬伸縮臂架在承受自身重力、混凝土物料重量、慣性力和沖擊力等載荷時的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有力的理論依據(jù)。一些研究還考慮了材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素對伸縮臂架力學(xué)性能的影響，使得分析結(jié)果更加符合實際工作情況。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域，國外學(xué)者和工程師采用多種優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對伸縮臂架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。以減輕重量、提高性能為目標，通過對臂架的截面形狀、尺寸、材料選擇等進行優(yōu)化設(shè)計，在保證伸縮臂架強度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化和高效化。部分企業(yè)還將拓撲優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于伸縮臂架的設(shè)計中，從宏觀層面上尋找結(jié)構(gòu)的最佳材料分布形式，進一步提高了結(jié)構(gòu)的性能和可靠性。在國內(nèi)，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對移動式布料機的需求不斷增加，相關(guān)的研究也日益受到重視。近年來，國內(nèi)眾多高校和科研機構(gòu)在伸縮臂架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化方面取得了一系列成果。在結(jié)構(gòu)分析方面，國內(nèi)學(xué)者通過理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對伸縮臂架的力學(xué)性能進行了全面深入的研究。針對不同類型的伸縮臂架結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的力學(xué)模型，并利用有限元軟件進行了詳細的分析計算，研究了各種因素對伸縮臂架強度、剛度和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在優(yōu)化設(shè)計方面，國內(nèi)研究主要集中在尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化上。通過選取合適的設(shè)計變量、約束條件和目標函數(shù)，運用優(yōu)化算法對伸縮臂架的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，以達到減輕重量、降低成本的目的。一些研究還結(jié)合工程實際，考慮了制造工藝、裝配要求等因素對優(yōu)化結(jié)果的影響，提高了優(yōu)化方案的可行性和實用性。此外，國內(nèi)在新材料、新工藝的應(yīng)用研究方面也取得了一定進展，為伸縮臂架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了新的思路和方法。當前研究仍存在一些不足之處。在結(jié)構(gòu)分析方面，雖然有限元分析技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但對于一些復(fù)雜的工況和邊界條件，如混凝土輸送過程中的動態(tài)沖擊載荷、臂架與其他部件之間的非線性接觸等，模擬的準確性還有待提高。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，現(xiàn)有的優(yōu)化算法大多針對單一目標進行優(yōu)化，而實際工程中往往需要綜合考慮多個目標，如重量、成本、性能等，多目標優(yōu)化的研究還不夠深入。此外，對于伸縮臂架的疲勞壽命分析、可靠性分析等方面的研究相對較少，難以滿足工程實際對設(shè)備長期安全運行的要求。針對這些不足和空白，未來的研究可以進一步加強對復(fù)雜工況和邊界條件的模擬研究，發(fā)展更加高效的多目標優(yōu)化算法，深入開展疲勞壽命和可靠性分析等方面的研究，以推動移動式布料機伸縮臂架結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。1.3研究內(nèi)容與方法本研究主要聚焦于移動式布料機伸縮臂架結(jié)構(gòu)，旨在深入剖析其力學(xué)性能并進行優(yōu)化設(shè)計，以提升布料機整體工作性能，研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：伸縮臂架結(jié)構(gòu)分析：對移動式布料機伸縮臂架的結(jié)構(gòu)形式和工作原理展開全面研究，明確其在不同工作狀態(tài)下的受力特點。通過理論分析，建立精確的力學(xué)模型，詳細計算臂架所承受的各類載荷，包括自身重力、混凝土物料重量、慣性力和沖擊力等。深入分析伸縮臂架在各種工況下的受力情況，確定危險工況，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)性能研究和優(yōu)化設(shè)計提供堅實的理論基礎(chǔ)。伸縮臂架性能研究：運用有限元分析軟件，如ANSYS、Hypermesh等，建立高精度的伸縮臂架有限元模型。在模型中，充分考慮材料特性、幾何形狀以及邊界條件等因素，對伸縮臂架在多種工況下的靜力學(xué)性能進行深入分析，獲取臂架的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，評估其強度和剛度是否滿足設(shè)計要求。開展線性屈曲分析，研究伸縮臂架的穩(wěn)定性，確定其臨界屈曲載荷，為結(jié)構(gòu)的安全性提供保障。對伸縮臂架進行模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析等動力學(xué)性能研究，深入了解臂架在動態(tài)載荷作用下的振動特性和響應(yīng)規(guī)律，找出可能存在的共振區(qū)域和潛在危險，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。伸縮臂架優(yōu)化設(shè)計：基于對伸縮臂架結(jié)構(gòu)分析和性能研究的結(jié)果，以減輕重量、提高性能、降低成本為綜合目標，開展優(yōu)化設(shè)計工作。選取合適的設(shè)計變量，如臂架的截面形狀、尺寸、材料等；確定合理的約束條件，包括強度、剛度、穩(wěn)定性等性能指標；運用優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對伸縮臂架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。對優(yōu)化前后的伸縮臂架結(jié)構(gòu)進行性能對比分析，驗證優(yōu)化方案的有效性和優(yōu)越性。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運用以下多種研究方法：理論分析方法：依據(jù)材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)理論知識，對伸縮臂架的結(jié)構(gòu)和受力進行深入的理論推導(dǎo)與計算。建立數(shù)學(xué)模型，精確描述伸縮臂架的力學(xué)行為，為后續(xù)的數(shù)值模擬和實驗研究提供理論依據(jù)。通過理論分析，初步確定伸縮臂架的結(jié)構(gòu)形式和關(guān)鍵參數(shù)，為設(shè)計提供指導(dǎo)方向。有限元模擬方法：借助先進的有限元分析軟件，建立精確的伸縮臂架有限元模型。對模型施加各種實際工況下的載荷和邊界條件，模擬臂架的力學(xué)響應(yīng)。通過有限元模擬，可以直觀地獲取臂架在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況以及振動特性等信息，為結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計提供詳細的數(shù)據(jù)支持。利用有限元軟件的優(yōu)化模塊，結(jié)合優(yōu)化算法，對伸縮臂架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化計算，快速找到最優(yōu)解。實驗驗證方法：設(shè)計并開展實驗研究，對伸縮臂架的性能進行實際測試。制作縮比模型或原型樣機，在實驗臺上模擬實際工作工況，測量臂架的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等物理量。將實驗結(jié)果與理論分析和有限元模擬結(jié)果進行對比驗證，檢驗理論模型和模擬方法的準確性和可靠性。通過實驗，還可以發(fā)現(xiàn)一些理論分析和模擬中未考慮到的因素，為進一步改進和完善研究提供依據(jù)。二、移動式布料機伸縮臂架結(jié)構(gòu)概述2.1布料機工作原理與應(yīng)用場景移動式布料機是一種在建筑施工中用于混凝土澆筑的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理基于液壓傳動和機械運動的協(xié)同作用。通常，布料機主要由塔身、臂架、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等核心部件組成。工作時，混凝土通過混凝土泵的泵送，經(jīng)輸送管道進入布料機。操作人員通過電控系統(tǒng)發(fā)出指令，控制液壓系統(tǒng)操縱臂架上液壓缸的伸縮和回轉(zhuǎn)機構(gòu)的液壓馬達回轉(zhuǎn)。臂架一般由多節(jié)組成，各節(jié)之間通過銷軸連接，在液壓缸的作用下可實現(xiàn)伸展和折疊，從而改變臂架的長度和角度；回轉(zhuǎn)機構(gòu)則能帶動整個臂架繞塔身進行360度回轉(zhuǎn)，使混凝土能夠被輸送到施工現(xiàn)場的各個位置，實現(xiàn)三維布料運動，滿足不同施工區(qū)域的混凝土澆筑需求。在大型橋梁施工中，由于橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工范圍廣，對混凝土的布料精度和范圍要求極高。移動式布料機的靈活機動性和廣泛的布料范圍使其能夠充分發(fā)揮優(yōu)勢。例如，在箱梁澆筑過程中，布料機可以通過精確控制臂架的伸縮和回轉(zhuǎn)，將混凝土準確地輸送到箱梁的各個部位，包括腹板、頂板和底板等，確保混凝土澆筑的均勻性和密實性，有效避免了漏振和過振現(xiàn)象，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和強度。布料機還可以在不同的施工階段，如橋墩澆筑、橋臺施工等，快速調(diào)整布料位置，適應(yīng)橋梁施工的多樣化需求，大大提高了施工效率，縮短了施工周期。對于高層建筑施工，布料機同樣發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著建筑高度的不斷增加，混凝土的垂直和水平運輸成為施工中的難題。移動式布料機可以通過塔吊等設(shè)備吊運至不同樓層，然后展開作業(yè)。在底層基礎(chǔ)澆筑時，布料機能夠快速將大量混凝土輸送到指定位置，加快基礎(chǔ)施工速度；在高層樓板和墻體澆筑中，布料機可以利用其臂架的伸展和回轉(zhuǎn)功能，覆蓋較大的施工面積，實現(xiàn)高效、精準的布料，減少了人工布料的勞動強度和安全風(fēng)險。布料機還可以與建筑施工電梯等設(shè)備配合使用，方便操作人員在不同樓層對其進行操作和維護，確保施工的連續(xù)性和穩(wěn)定性。2.2伸縮臂架結(jié)構(gòu)組成與特點伸縮臂架作為移動式布料機的關(guān)鍵部分，其結(jié)構(gòu)的合理性和性能的優(yōu)劣直接影響著布料機的工作效率和穩(wěn)定性。伸縮臂架主要由基礎(chǔ)桁架、中間桁架、內(nèi)桁架等部分構(gòu)成，各部分相互協(xié)作，共同完成混凝土的輸送和布料任務(wù)?；A(chǔ)桁架是伸縮臂架的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，通常采用高強度鋼材焊接而成，具有較高的強度和剛度。它與布料機的塔身或底盤相連，為整個伸縮臂架提供穩(wěn)定的支撐，承受著臂架自身的重量以及在工作過程中所受到的各種載荷，如混凝土物料的重量、慣性力和沖擊力等。基礎(chǔ)桁架的結(jié)構(gòu)形式和尺寸設(shè)計需根據(jù)布料機的整體性能要求和工作環(huán)境進行優(yōu)化，以確保其能夠可靠地支撐整個臂架系統(tǒng)，保證布料機在工作時的穩(wěn)定性。中間桁架位于基礎(chǔ)桁架和內(nèi)桁架之間，通過滑軌與基礎(chǔ)桁架連接，可在基礎(chǔ)桁架上進行伸縮運動。它不僅起到連接基礎(chǔ)桁架和內(nèi)桁架的作用，還在臂架伸縮過程中承擔(dān)著傳遞力和保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要任務(wù)。中間桁架一般采用桁架結(jié)構(gòu)形式，由多根桿件組成，這些桿件通過節(jié)點連接，形成一個穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式能夠在保證強度和剛度的前提下，減輕自身重量，提高臂架的伸縮靈活性和運動效率。在設(shè)計中間桁架時，需合理選擇桿件的截面形狀和尺寸，優(yōu)化節(jié)點的連接方式，以提高其承載能力和抗變形能力。內(nèi)桁架是伸縮臂架的最內(nèi)側(cè)部分，也是直接與混凝土輸送管道相連的部分。它通過滑軌與中間桁架連接，可在中間桁架內(nèi)進行伸縮運動，從而實現(xiàn)臂架的伸長和縮短。內(nèi)桁架同樣采用桁架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計需充分考慮混凝土輸送管道的布置和安裝要求，確保管道在臂架伸縮過程中能夠正常工作，不發(fā)生扭曲、變形或泄漏等問題。內(nèi)桁架還需具備足夠的強度和剛度，以承受混凝土物料在輸送過程中對其產(chǎn)生的壓力和沖擊力，保證混凝土輸送的穩(wěn)定性和可靠性。在實際工作中，基礎(chǔ)桁架、中間桁架和內(nèi)桁架相互配合，通過鋼絲繩伸縮機構(gòu)和驅(qū)動裝置實現(xiàn)臂架的伸縮運動。當需要伸長臂架時，驅(qū)動裝置啟動，通過鋼絲繩帶動中間桁架和內(nèi)桁架向外伸展，從而增加臂架的長度，擴大布料范圍；當需要縮回臂架時，驅(qū)動裝置反向運轉(zhuǎn)，中間桁架和內(nèi)桁架在鋼絲繩的牽引下向內(nèi)縮回，使臂架縮短。在這個過程中，各部分結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，確保臂架的伸縮動作平穩(wěn)、可靠。伸縮臂架的結(jié)構(gòu)特點對布料機的性能有著顯著影響。其采用的桁架結(jié)構(gòu)形式，具有較高的強度重量比，在保證臂架具有足夠強度和剛度的同時，減輕了自身重量，降低了布料機的能耗和運行成本。這種結(jié)構(gòu)形式還具有良好的空間開放性，便于混凝土輸送管道的布置和安裝，以及維護人員對臂架內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢查和維護。臂架的伸縮功能使得布料機能夠根據(jù)施工場地的實際情況和混凝土澆筑的需求，靈活調(diào)整布料范圍，提高了布料機的適應(yīng)性和工作效率。在一些大型建筑施工現(xiàn)場，場地地形復(fù)雜，施工區(qū)域范圍較大，伸縮臂架能夠通過伸縮運動，將混凝土輸送到不同位置，滿足施工的多樣化需求。臂架的結(jié)構(gòu)設(shè)計還需考慮其在不同工況下的穩(wěn)定性，通過合理設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)和加強筋等措施，提高臂架的抗傾翻能力和抗變形能力，確保布料機在工作過程中的安全性。2.3伸縮臂架工作過程與運動學(xué)分析伸縮臂架的工作過程主要包括伸展和收縮兩個動作，以滿足不同施工位置和布料范圍的需求。在伸展過程中，驅(qū)動裝置啟動，液壓馬達輸出扭矩，通過減速機構(gòu)帶動鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動。鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一端繞過一系列導(dǎo)向滑輪后與中間桁架和內(nèi)桁架相連。隨著卷筒的轉(zhuǎn)動，鋼絲繩被逐漸放出，中間桁架和內(nèi)桁架在鋼絲繩的牽引下，沿著基礎(chǔ)桁架和中間桁架上的滑軌向外伸展，實現(xiàn)臂架的伸長。在這個過程中，各節(jié)桁架之間通過滑軌保持相對穩(wěn)定的滑動，確保臂架伸展的直線性和穩(wěn)定性。當需要縮回臂架時，液壓馬達反轉(zhuǎn)，帶動卷筒收回鋼絲繩。中間桁架和內(nèi)桁架在鋼絲繩的拉力作用下，沿著滑軌向內(nèi)縮回，臂架逐漸縮短。在臂架伸縮過程中，為了保證運動的平穩(wěn)性和安全性，通常會設(shè)置一些限位裝置和緩沖裝置。限位裝置用于限制臂架的伸縮行程，防止臂架過度伸展或縮回，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞或安全事故。緩沖裝置則用于在臂架到達極限位置時，減緩其運動速度，減少沖擊和振動，保護臂架結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)備。為了深入了解伸縮臂架的運動特性，對其進行運動學(xué)分析是十分必要的。在運動學(xué)分析中，選取臂架的鉸接點作為坐標原點，建立直角坐標系。通過對臂架各節(jié)桁架的長度、角度以及運動速度等參數(shù)進行分析，得出臂架末端的運動軌跡和速度、加速度等運動參數(shù)。假設(shè)臂架由基礎(chǔ)桁架、中間桁架和內(nèi)桁架三節(jié)組成，各節(jié)長度分別為L_1、L_2、L_3，臂架與水平面的夾角分別為\theta_1、\theta_2、\theta_3。在臂架伸展過程中，臂架末端在水平方向的位移x和垂直方向的位移y可以通過三角函數(shù)關(guān)系表示為：x=L_1\cos\theta_1+L_2\cos\theta_2+L_3\cos\theta_3y=L_1\sin\theta_1+L_2\sin\theta_2+L_3\sin\theta_3對位移公式進行求導(dǎo)，可以得到臂架末端在水平方向和垂直方向的速度v_x和v_y：v_x=-L_1\sin\theta_1\omega_1-L_2\sin\theta_2\omega_2-L_3\sin\theta_3\omega_3v_y=L_1\cos\theta_1\omega_1+L_2\cos\theta_2\omega_2+L_3\cos\theta_3\omega_3其中，\omega_1、\omega_2、\omega_3分別為各節(jié)臂架的角速度。通過這些公式，可以清晰地了解臂架末端的運動狀態(tài)，為布料機的操作和控制提供理論依據(jù)。臂架的運動速度和加速度對布料機的工作性能有著重要影響。若臂架的伸展或收縮速度過快，可能導(dǎo)致混凝土在輸送過程中產(chǎn)生較大的慣性力，影響布料的準確性和穩(wěn)定性，甚至可能引起輸送管道的振動和磨損，降低設(shè)備的使用壽命。而加速度過大，則會使臂架在啟動和停止時產(chǎn)生較大的沖擊力，對臂架結(jié)構(gòu)和相關(guān)部件造成損害，同時也會影響操作人員的舒適性和安全性。在實際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的施工需求和設(shè)備性能，合理控制臂架的運動速度和加速度，以確保布料機的高效、穩(wěn)定運行。三、伸縮臂架結(jié)構(gòu)力學(xué)模型建立與分析3.1簡化力學(xué)模型建立在對移動式布料機伸縮臂架進行深入的力學(xué)分析之前，為了能夠更加準確且高效地研究其力學(xué)性能，需要依據(jù)臂架實際工作情況，對其復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行合理簡化，從而建立起恰當?shù)牧W(xué)模型。在實際工作中，伸縮臂架承受著多種復(fù)雜載荷，自身結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。然而，為了便于分析計算，需要做出一些合理假設(shè)。假設(shè)伸縮臂架各部分材料均勻連續(xù)且各向同性，這意味著材料在各個方向上的力學(xué)性能相同，且不存在內(nèi)部缺陷或不均勻性，符合大多數(shù)工程材料的實際情況。忽略臂架制造過程中的微小幾何誤差和表面粗糙度，因為這些因素對臂架整體力學(xué)性能的影響相對較小，在建立模型時可以忽略不計，以簡化計算過程。假設(shè)臂架在工作過程中，各連接部位的銷軸和螺栓等連接件為剛性連接，即不考慮連接件的變形和松動對臂架力學(xué)性能的影響，這樣可以將臂架視為一個整體結(jié)構(gòu)進行分析。根據(jù)上述假設(shè)，對伸縮臂架結(jié)構(gòu)進行簡化。將臂架的桁架結(jié)構(gòu)簡化為梁單元模型，把臂架的主弦桿和腹桿等效為梁單元，通過合理設(shè)置梁單元的截面參數(shù)和材料屬性，來模擬臂架實際的受力和變形情況。在簡化過程中，充分考慮臂架各部分的長度、截面形狀和尺寸等因素，確保簡化后的模型能夠準確反映臂架的力學(xué)特性。例如，對于不同長度和截面尺寸的主弦桿和腹桿，分別設(shè)置相應(yīng)的梁單元參數(shù)，使其在承受載荷時的變形和應(yīng)力分布與實際情況相符。將臂架與塔身或底盤的連接部位簡化為固定約束，因為在實際工作中，臂架的底部與塔身或底盤連接牢固，幾乎沒有相對位移和轉(zhuǎn)動，這樣的簡化能夠準確模擬臂架在實際工作中的邊界條件。將鋼絲繩伸縮機構(gòu)和驅(qū)動裝置對臂架的作用簡化為集中力和扭矩，根據(jù)實際工作中的受力情況，確定集中力和扭矩的大小和作用位置，從而在模型中準確體現(xiàn)這些外部作用對臂架力學(xué)性能的影響。在建立的力學(xué)模型中，明確邊界條件是至關(guān)重要的。在臂架與塔身或底盤的連接點處，施加固定約束，限制臂架在三個方向的平動和轉(zhuǎn)動自由度，確保模型能夠準確反映臂架在實際工作中的支撐情況。對于臂架的伸縮端，根據(jù)實際工作情況，施加相應(yīng)的位移約束或力約束。當臂架處于伸展或收縮過程中，對伸縮端施加位移約束，限制其伸縮方向的位移；當臂架處于工作狀態(tài)，需要承受混凝土物料的重量和其他載荷時，對伸縮端施加相應(yīng)的力約束，模擬實際工作中的受力情況。對于作用在臂架上的載荷，包括自身重力、混凝土物料重量、慣性力和沖擊力等，根據(jù)臂架的結(jié)構(gòu)尺寸、材料密度以及實際工作中的運動參數(shù)，準確計算出這些載荷的大小和作用位置，并在模型中進行合理施加。例如，對于自身重力，根據(jù)臂架各部分的質(zhì)量和重力加速度，計算出重力的大小，并將其均勻分布在臂架的各個節(jié)點上；對于混凝土物料重量，根據(jù)混凝土的輸送量和輸送管道的布置情況，確定物料重量在臂架上的分布規(guī)律，然后在模型中施加相應(yīng)的載荷。通過以上合理的假設(shè)、結(jié)構(gòu)簡化和邊界條件設(shè)置，建立起了能夠準確反映移動式布料機伸縮臂架實際工作情況的簡化力學(xué)模型。這個模型為后續(xù)的力學(xué)分析提供了堅實的基礎(chǔ)，能夠幫助我們更加深入地了解臂架的力學(xué)性能，為伸縮臂架的優(yōu)化設(shè)計提供有力的支持。3.2危險工況識別與載荷分析在移動式布料機伸縮臂架的實際工作過程中，存在多種危險工況，準確識別這些工況并深入分析其受力情況，對于確保臂架的安全可靠運行至關(guān)重要。滿載工況是一種常見且關(guān)鍵的危險工況。在滿載工況下，臂架需要承受最大量的混凝土物料重量，此時臂架所受的載荷達到較大值?；炷廖锪显谳斔凸艿纼?nèi)流動時，不僅會產(chǎn)生垂直向下的重力，還會由于物料的流動和沖擊，對臂架產(chǎn)生一定的水平方向作用力。當混凝土在臂架末端的出料口快速流出時，會對臂架末端產(chǎn)生較大的沖擊力，這種沖擊力可能導(dǎo)致臂架末端局部應(yīng)力集中，增加結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險。在滿載工況下，若臂架同時進行伸縮、變幅或回轉(zhuǎn)等動作，由于慣性力的作用，會進一步加劇臂架的受力復(fù)雜程度，使臂架更容易出現(xiàn)變形、疲勞損壞等問題。極限伸展工況也是需要重點關(guān)注的危險工況之一。當臂架伸展至極限長度時，其自身的長細比增大，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。在這種情況下，臂架更容易受到外界因素的影響，如微小的振動、風(fēng)力等，從而引發(fā)失穩(wěn)現(xiàn)象。臂架在極限伸展時，各節(jié)桁架之間的連接部位承受著較大的應(yīng)力，這些連接部位可能會因為長期承受高應(yīng)力而出現(xiàn)松動、磨損甚至斷裂等問題，嚴重威脅臂架的安全。在實際工程中，由于施工現(xiàn)場的地形復(fù)雜或施工需求的特殊性，布料機有時需要在臂架極限伸展的情況下工作，這就對臂架在極限伸展工況下的性能提出了更高的要求。除了上述兩種主要的危險工況外，還有其他一些工況也可能對臂架的安全運行構(gòu)成威脅。在快速起停工況下，臂架在啟動和停止的瞬間會產(chǎn)生較大的慣性力，這種慣性力會使臂架承受額外的沖擊載荷，容易導(dǎo)致臂架結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。在大風(fēng)工況下，風(fēng)力會對臂架產(chǎn)生水平方向的作用力，當風(fēng)力較大時，可能會使臂架發(fā)生晃動甚至傾翻。在惡劣的工作環(huán)境下，如高溫、低溫、潮濕等，臂架材料的力學(xué)性能可能會發(fā)生變化，從而影響臂架的承載能力和安全性。針對不同的危險工況，需要對伸縮臂架所受的載荷進行詳細分析。臂架所受的載荷主要包括重力、物料載荷、風(fēng)載荷、慣性力和沖擊力等。重力是臂架始終承受的基本載荷，包括臂架自身結(jié)構(gòu)的重力以及安裝在臂架上的各種附屬設(shè)備，如輸送管道、電氣設(shè)備等的重力。臂架自身重力可以根據(jù)臂架各部分的材料密度、幾何尺寸進行精確計算。對于由不同材料組成的臂架結(jié)構(gòu)，需要分別計算各部分的重力，然后進行疊加。假設(shè)臂架的主弦桿采用高強度鋼材，密度為\rho_1，長度為L_1，橫截面積為A_1；腹桿采用另一種鋼材，密度為\rho_2，長度和橫截面積分別為L_2、A_2，則臂架自身重力G可以表示為：G=g(\rho_1L_1A_1+\rho_2L_2A_2+\cdots)其中，g為重力加速度。通過這樣的計算，可以準確得到臂架自身重力的大小，為后續(xù)的力學(xué)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。物料載荷是指混凝土物料在輸送過程中對臂架產(chǎn)生的作用力。混凝土物料的重量可以根據(jù)其體積和密度進行計算，即W=\rhoVg，其中\(zhòng)rho為混凝土密度，V為混凝土體積。在實際工作中，混凝土的輸送量會隨著施工進度和需求的變化而有所不同，因此物料載荷也具有一定的變化范圍。物料在輸送管道內(nèi)流動時，還會對管道壁產(chǎn)生摩擦力和沖擊力，這些力會通過管道傳遞到臂架上，增加臂架的受力復(fù)雜性。當混凝土在管道內(nèi)快速流動并突然改變方向時，會產(chǎn)生較大的沖擊力，這種沖擊力可能會對臂架的局部結(jié)構(gòu)造成損壞。風(fēng)載荷是臂架在戶外工作時不可忽視的載荷。風(fēng)載荷的大小與風(fēng)速、風(fēng)向、臂架的形狀和尺寸等因素密切相關(guān)。通常采用風(fēng)洞試驗或經(jīng)驗公式來計算風(fēng)載荷。根據(jù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，風(fēng)載荷F_w可以表示為：F_w=\frac{1}{2}\rhov^2C_dA其中，\rho為空氣密度，v為風(fēng)速，C_d為風(fēng)阻力系數(shù)，A為臂架迎風(fēng)面積。風(fēng)速會隨著天氣條件和地形的變化而大幅波動，在強風(fēng)天氣下，風(fēng)載荷可能會成為導(dǎo)致臂架損壞的主要因素。風(fēng)向的變化也會使臂架不同部位承受的風(fēng)載荷發(fā)生改變，對臂架的受力分布產(chǎn)生影響。臂架的形狀和尺寸會影響風(fēng)阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積，合理設(shè)計臂架的外形可以有效減小風(fēng)載荷的影響。慣性力和沖擊力是臂架在運動過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷。當臂架進行伸縮、變幅或回轉(zhuǎn)等動作時，由于加速度的存在，會產(chǎn)生慣性力。慣性力的大小與臂架的質(zhì)量和加速度成正比，方向與加速度方向相反。在臂架啟動和停止瞬間，加速度較大，慣性力也相應(yīng)較大，可能會對臂架結(jié)構(gòu)造成較大的沖擊。沖擊力則主要來自于混凝土物料的輸送過程以及臂架與其他物體的碰撞等情況。在混凝土輸送過程中，物料的流速變化、管道的彎曲和接頭處等都可能引發(fā)沖擊力。當臂架在工作中不慎與周圍的建筑物、障礙物等發(fā)生碰撞時，會產(chǎn)生巨大的沖擊力，這種沖擊力可能會導(dǎo)致臂架結(jié)構(gòu)嚴重損壞，甚至引發(fā)安全事故。3.3基于理論的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形計算在對移動式布料機伸縮臂架的力學(xué)性能進行深入研究時，運用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，對臂架在不同工況下的應(yīng)力和變形進行精確計算，是初步評估臂架性能的重要環(huán)節(jié)。依據(jù)材料力學(xué)中的基本公式，對于承受拉伸或壓縮載荷的桿件，其應(yīng)力計算公式為\sigma=\frac{F}{A}，其中\(zhòng)sigma表示應(yīng)力，F(xiàn)為桿件所受的軸向力，A是桿件的橫截面積。在伸縮臂架中，各節(jié)桁架的主弦桿和腹桿可視為承受拉壓載荷的桿件，通過計算作用在這些桿件上的軸向力，并結(jié)合其橫截面積，即可求得相應(yīng)的應(yīng)力值。對于臂架在彎曲載荷作用下的應(yīng)力計算，可運用材料力學(xué)中的彎曲應(yīng)力公式\sigma=\frac{My}{I}，其中M為彎矩，y是所求應(yīng)力點到中性軸的距離，I為截面慣性矩。在實際計算中，需要根據(jù)臂架的具體結(jié)構(gòu)和受力情況，準確確定彎矩、y值和截面慣性矩，從而得出臂架在彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力分布。在結(jié)構(gòu)力學(xué)方面，采用有限差分法或有限元法等數(shù)值計算方法，能夠?qū)Ρ奂艿膽?yīng)力和變形進行更為精確的計算。以有限差分法為例，該方法是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散化為有限個節(jié)點，通過在節(jié)點上建立差分方程，將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程進行求解。在對伸縮臂架進行有限差分法計算時，首先將臂架劃分為若干個單元，在每個單元的節(jié)點上建立平衡方程，然后根據(jù)邊界條件和連續(xù)性條件，求解這些方程，得到節(jié)點的位移和應(yīng)力值。這種方法能夠較為準確地模擬臂架在復(fù)雜載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，但計算過程相對繁瑣，需要對大量的方程進行求解。為了更直觀地展示基于理論的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形計算過程，以滿載工況下的臂架為例進行詳細計算。在滿載工況下，臂架承受著自身重力、混凝土物料重量以及慣性力等多種載荷的共同作用。首先，根據(jù)臂架各部分的質(zhì)量和重力加速度，計算出臂架自身重力G；根據(jù)混凝土的輸送量和密度，計算出混凝土物料重量W；再根據(jù)臂架的運動加速度和質(zhì)量，計算出慣性力F_{in}。然后，對這些載荷進行合成，得到作用在臂架上的總載荷F_{total}。對于臂架的主弦桿，假設(shè)其橫截面積為A_1，所受軸向力為F_{axial}，根據(jù)拉伸應(yīng)力公式\sigma=\frac{F_{axial}}{A_1}，計算出主弦桿的應(yīng)力值。對于臂架的腹桿，同樣根據(jù)其受力情況和橫截面積，計算出相應(yīng)的應(yīng)力。在計算臂架的變形時，運用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的位移計算公式，如虛功原理或單位荷載法等。以虛功原理為例，通過建立虛設(shè)力狀態(tài)和實際位移狀態(tài)，利用虛功方程W_{虛}=W_{實}，其中W_{虛}為虛設(shè)力在實際位移上所做的功，W_{實}為實際力在虛設(shè)位移上所做的功，求解出臂架各節(jié)點的位移，從而得到臂架的變形情況。通過以上基于理論的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形計算，能夠初步得到臂架在不同工況下的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，為進一步評估臂架的性能提供了重要依據(jù)。這些計算結(jié)果可以幫助我們判斷臂架在各種工況下是否滿足強度和剛度要求，是否存在潛在的結(jié)構(gòu)安全隱患，從而為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供明確的方向和目標。四、基于有限元的伸縮臂架靜動態(tài)性能研究4.1有限元模型建立利用專業(yè)的有限元前處理軟件Hypermesh，構(gòu)建移動式布料機伸縮臂架的精確有限元模型，這是深入研究其靜動態(tài)性能的關(guān)鍵步驟。在模型構(gòu)建過程中，首先要精準確定單元類型。鑒于伸縮臂架主要由桁架結(jié)構(gòu)組成，其主弦桿和腹桿可選用梁單元進行模擬。梁單元能夠較好地模擬桿件的彎曲、拉伸和壓縮等力學(xué)行為，符合伸縮臂架的實際受力特點。Hypermesh軟件提供了豐富的梁單元類型，如BEAM188、BEAM189等。經(jīng)過綜合考慮和對比分析，選擇BEAM188單元來模擬伸縮臂架的主弦桿和腹桿。BEAM188單元基于鐵木辛柯梁理論，能夠準確考慮剪切變形的影響，適用于分析細長和中等長度的梁結(jié)構(gòu)，與伸縮臂架的桿件特性相匹配。在定義BEAM188單元時，需要準確設(shè)置其截面參數(shù)，包括截面形狀、面積、慣性矩等，這些參數(shù)直接影響單元的力學(xué)性能和計算結(jié)果的準確性。根據(jù)伸縮臂架各桿件的實際截面尺寸，在Hypermesh中精確輸入相應(yīng)的截面參數(shù)，確保單元能夠真實反映桿件的力學(xué)行為。明確材料參數(shù)也是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)。伸縮臂架通常采用高強度鋼材制造，以滿足其在工作過程中對強度和剛度的要求。假設(shè)伸縮臂架選用Q345鋼材，其彈性模量E為2.06\times10^{11}Pa，泊松比\nu為0.3，密度\rho為7850kg/m^3。在Hypermesh軟件中，通過材料庫定義功能，準確輸入這些材料參數(shù)，賦予有限元模型正確的材料屬性。材料參數(shù)的準確設(shè)定對于模擬伸縮臂架在各種工況下的力學(xué)響應(yīng)至關(guān)重要，直接影響到分析結(jié)果的可靠性和準確性。如果材料參數(shù)設(shè)置錯誤，可能導(dǎo)致計算出的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等結(jié)果與實際情況偏差較大，從而影響對伸縮臂架性能的評估和優(yōu)化設(shè)計。合理的網(wǎng)格劃分方案是保證有限元分析精度和效率的關(guān)鍵。在Hypermesh中，運用智能網(wǎng)格劃分技術(shù)，對伸縮臂架模型進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)臂架的結(jié)構(gòu)特點和受力情況，在關(guān)鍵部位，如節(jié)點、連接處和應(yīng)力集中區(qū)域，適當加密網(wǎng)格，以提高計算精度；在受力較小且結(jié)構(gòu)相對簡單的部位，適當增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量，提高計算效率。在臂架的節(jié)點處，由于應(yīng)力分布較為復(fù)雜，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為較小的值，如5mm，確保能夠準確捕捉節(jié)點處的應(yīng)力變化；而在臂架的桿件中部，受力相對均勻，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10mm。在劃分網(wǎng)格時，還需對網(wǎng)格質(zhì)量進行嚴格檢查和控制。通過Hypermesh提供的網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具，檢查網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等指標，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析要求。對于質(zhì)量不滿足要求的網(wǎng)格，及時進行調(diào)整和優(yōu)化，如重新劃分、合并或拆分網(wǎng)格等，以保證有限元模型的可靠性和計算結(jié)果的準確性。通過合理的網(wǎng)格劃分和質(zhì)量控制，建立了高質(zhì)量的伸縮臂架有限元網(wǎng)格模型，為后續(xù)的靜動態(tài)性能分析奠定了堅實的基礎(chǔ)。4.2靜態(tài)性能分析4.2.1靜力學(xué)分析在完成有限元模型建立后，借助ANSYS軟件強大的求解功能，對伸縮臂架在空載、滿載和極限工況這三種典型工況下的靜力學(xué)性能展開深入分析，以全面評估臂架的強度和剛度?？蛰d工況下，臂架僅承受自身重力的作用。將臂架自身重力以均布載荷的形式施加在有限元模型上，模擬其在實際工作中無混凝土物料時的受力狀態(tài)。設(shè)置臂架與塔身或底盤的連接部位為固定約束，限制其在三個方向的平動和轉(zhuǎn)動自由度，確保模型邊界條件與實際情況一致。經(jīng)過ANSYS軟件的計算求解，得到空載工況下伸縮臂架的應(yīng)力分布云圖和應(yīng)變分布云圖。從應(yīng)力云圖中可以清晰地看出，應(yīng)力主要集中在臂架與塔身連接的根部區(qū)域以及各節(jié)桁架的節(jié)點處。這是因為在這些部位，臂架的受力較為復(fù)雜，不僅要承受自身重力產(chǎn)生的彎矩和剪力，還要傳遞來自其他部分的力。臂架根部作為整個臂架的支撐點，承受著臂架的全部重量，因此應(yīng)力水平相對較高。而各節(jié)桁架的節(jié)點處，由于桿件的交匯和力的傳遞，也容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。從應(yīng)變云圖可以看出，臂架的應(yīng)變主要集中在臂架的前端和伸縮節(jié)處。這是因為這些部位在自身重力作用下，變形相對較大。臂架前端距離支撐點較遠，受到的彎矩較大，因此應(yīng)變也較大；伸縮節(jié)處由于結(jié)構(gòu)的特殊性，在伸縮過程中容易產(chǎn)生變形，所以應(yīng)變也較為明顯。通過對應(yīng)力和應(yīng)變云圖的分析，可以初步判斷臂架在空載工況下的強度和剛度是否滿足要求。如果應(yīng)力值在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，且應(yīng)變值較小，不影響臂架的正常工作，則說明臂架在空載工況下具有較好的強度和剛度性能。滿載工況下，臂架不僅要承受自身重力，還要承受混凝土物料的重量。根據(jù)實際工作中的混凝土輸送量和輸送管道的布置情況，將混凝土物料重量以均布載荷和集中載荷的形式準確施加在臂架上，同時考慮物料在輸送過程中產(chǎn)生的慣性力和沖擊力。設(shè)置臂架的約束條件與空載工況相同，確保邊界條件的一致性。經(jīng)計算求解，得到滿載工況下伸縮臂架的應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖。與空載工況相比，滿載工況下臂架的應(yīng)力和應(yīng)變明顯增大。應(yīng)力集中區(qū)域仍然主要分布在臂架根部和節(jié)點處，但應(yīng)力值顯著提高。這是因為混凝土物料的重量增加了臂架的負荷，使得臂架在這些關(guān)鍵部位承受更大的力。在臂架根部，由于要承受自身重力和物料重量產(chǎn)生的巨大彎矩和剪力，應(yīng)力值可能會接近甚至超過材料的許用應(yīng)力，成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。應(yīng)變分布也有所變化，除了臂架前端和伸縮節(jié)處應(yīng)變增大外，在承受物料重量較大的部位，如輸送管道下方的臂架區(qū)域，應(yīng)變也明顯增加。這表明在滿載工況下，臂架的變形程度更大，對其剛度提出了更高的要求。通過對滿載工況下應(yīng)力和應(yīng)變云圖的詳細分析，結(jié)合材料的許用應(yīng)力和變形要求，可以進一步評估臂架在滿載工況下的強度和剛度性能，判斷其是否能夠安全可靠地工作。極限工況是指臂架伸展至極限長度且滿載的情況，這種工況對臂架的強度、剛度和穩(wěn)定性提出了極高的挑戰(zhàn)。在極限工況下，臂架的長細比增大，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，同時由于承受的載荷達到最大值，臂架的受力更加復(fù)雜。在有限元模型中，準確模擬臂架伸展至極限長度的狀態(tài)，并按照滿載工況的要求施加自身重力、混凝土物料重量以及慣性力和沖擊力等載荷。同樣設(shè)置固定約束條件，模擬臂架與塔身的連接情況。計算結(jié)果顯示，在極限工況下，臂架的應(yīng)力和應(yīng)變急劇增大，尤其是在臂架的根部、節(jié)點處以及伸縮節(jié)的末端等部位，應(yīng)力值達到了極高的水平，接近甚至超過了材料的屈服強度。這表明在極限工況下，這些部位極易發(fā)生破壞，是臂架結(jié)構(gòu)的最危險區(qū)域。應(yīng)變方面，臂架整體的變形量顯著增加，尤其是在臂架的前端和伸縮節(jié)處，變形程度可能會影響臂架的正常工作和混凝土的輸送精度。通過對極限工況下應(yīng)力和應(yīng)變云圖的深入分析，可以清晰地了解臂架在極端條件下的力學(xué)性能，為評估臂架的安全性和可靠性提供關(guān)鍵依據(jù)。如果臂架在極限工況下的應(yīng)力和應(yīng)變超出了允許范圍，就需要對臂架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以提高其在極限工況下的承載能力和穩(wěn)定性。4.2.2線性屈曲分析線性屈曲分析作為評估結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要手段，對于判斷移動式布料機伸縮臂架在復(fù)雜工況下是否會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象具有關(guān)鍵作用。在滿載工況下，臂架承受著較大的載荷，其穩(wěn)定性面臨嚴峻考驗，因此對滿載工況下的伸縮臂架進行線性屈曲分析具有重要的現(xiàn)實意義。在ANSYS軟件中，按照線性屈曲分析的標準流程，對滿載工況下的伸縮臂架有限元模型進行設(shè)置。首先，確保模型的材料屬性、單元類型和網(wǎng)格劃分等參數(shù)與靜力學(xué)分析時保持一致，以保證分析結(jié)果的連貫性和可比性。在求解設(shè)置中，選擇線性屈曲分析模塊，并指定求解的屈曲模態(tài)階數(shù)。通常情況下，前幾階屈曲模態(tài)對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，因此選擇求解前6階屈曲模態(tài)，以全面了解臂架的屈曲特性。經(jīng)過軟件的計算求解，得到了伸縮臂架在滿載工況下的屈曲模態(tài)和臨界載荷。屈曲模態(tài)反映了結(jié)構(gòu)在發(fā)生屈曲時的變形形態(tài)，通過觀察屈曲模態(tài)云圖，可以清晰地看到臂架在不同階次屈曲模態(tài)下的變形特征。在第一階屈曲模態(tài)下，臂架主要表現(xiàn)為整體的彎曲變形，彎曲方向與臂架的長度方向垂直，變形最大處位于臂架的中部。這表明在該階屈曲模態(tài)下，臂架的整體穩(wěn)定性較差，容易在中部發(fā)生彎曲失穩(wěn)。第二階屈曲模態(tài)下，臂架出現(xiàn)了局部的扭曲變形，主要集中在各節(jié)桁架的節(jié)點附近。這說明節(jié)點部位是臂架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在承受較大載荷時，容易發(fā)生局部扭曲失穩(wěn)。隨著屈曲模態(tài)階數(shù)的增加，臂架的變形形態(tài)變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了多種變形形式的組合，如彎曲與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形等。臨界載荷是衡量結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標，它表示結(jié)構(gòu)在發(fā)生屈曲時所承受的最小載荷。通過計算得到的臨界載荷與實際工作載荷進行比較，可以判斷臂架在當前工況下的穩(wěn)定性。如果臨界載荷遠大于實際工作載荷，說明臂架具有較高的穩(wěn)定性，在工作過程中發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險較低；反之，如果臨界載荷接近或小于實際工作載荷，則表明臂架的穩(wěn)定性較差，在工作中容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，需要采取相應(yīng)的措施來提高其穩(wěn)定性。在本次分析中，計算得到的滿載工況下伸縮臂架的臨界載荷為[X]N，而實際工作中的滿載載荷為[Y]N，通過比較可知，臨界載荷大于實際工作載荷，但安全裕度相對較小。這表明雖然臂架在當前設(shè)計下能夠滿足滿載工況下的穩(wěn)定性要求，但仍存在一定的風(fēng)險，需要進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高其穩(wěn)定性。為了更直觀地展示屈曲分析結(jié)果，以圖表的形式呈現(xiàn)各階屈曲模態(tài)的特征和臨界載荷值。繪制屈曲模態(tài)云圖，清晰地展示臂架在不同階次屈曲模態(tài)下的變形形態(tài)；制作表格，列出各階屈曲模態(tài)對應(yīng)的臨界載荷值以及變形特征描述。通過這些圖表，可以方便地對屈曲分析結(jié)果進行對比和分析，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供直觀的依據(jù)。例如，從圖表中可以看出，隨著屈曲模態(tài)階數(shù)的增加，臨界載荷逐漸增大，但變形形態(tài)也變得更加復(fù)雜。這說明在設(shè)計臂架結(jié)構(gòu)時，不僅要關(guān)注低階屈曲模態(tài)下的穩(wěn)定性，還要考慮高階屈曲模態(tài)對結(jié)構(gòu)的影響，采取綜合措施來提高臂架的整體穩(wěn)定性。4.3動態(tài)性能分析4.3.1模態(tài)分析模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的重要手段，通過對移動式布料機伸縮臂架進行模態(tài)分析，能夠深入了解其固有振動特性，為后續(xù)的動態(tài)性能研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供關(guān)鍵依據(jù)。在ANSYS軟件中，對伸縮臂架有限元模型進行模態(tài)分析設(shè)置。選擇合適的求解器，如BlockLanczos求解器，該求解器在求解大型結(jié)構(gòu)的模態(tài)問題時具有較高的精度和效率。設(shè)置求解的模態(tài)階數(shù)，通常前幾階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)影響較大，因此選擇求解前6階模態(tài)，以全面獲取臂架的固有振動特性。在求解過程中，軟件會根據(jù)有限元模型的質(zhì)量矩陣[M]和剛度矩陣[K]，求解特征值方程：([K]-\omega^2[M])\{\phi\}=0其中，\omega為圓頻率，與固有頻率f的關(guān)系為\omega=2\pif；\{\phi\}為振型向量。通過求解該方程，得到伸縮臂架的前6階固有頻率和相應(yīng)的振型。經(jīng)計算，得到伸縮臂架的前6階固有頻率分別為：[具體頻率值1]Hz、[具體頻率值2]Hz、[具體頻率值3]Hz、[具體頻率值4]Hz、[具體頻率值5]Hz、[具體頻率值6]Hz。分析各階固有頻率對應(yīng)的振型，在第一階振型中，臂架主要表現(xiàn)為整體的彎曲振動，彎曲方向與臂架的長度方向垂直，最大變形位于臂架的中部位置。這表明在第一階振動模態(tài)下，臂架的整體抗彎能力相對較弱，容易在中部發(fā)生較大的彎曲變形。第二階振型中，臂架出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)振動，主要集中在各節(jié)桁架的連接部位，說明這些連接部位在扭轉(zhuǎn)方向上的剛度相對較小，是臂架結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)振動時的薄弱環(huán)節(jié)。第三階振型呈現(xiàn)出臂架局部的彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動，變形主要分布在臂架的前端和伸縮節(jié)處，這反映出這些部位在承受復(fù)雜振動載荷時的響應(yīng)較為敏感。第四階振型中，臂架的振動形態(tài)更加復(fù)雜，出現(xiàn)了多個部位的局部振動和整體振動的組合，進一步表明臂架結(jié)構(gòu)在高階振動模態(tài)下的復(fù)雜性。第五階和第六階振型也各自具有獨特的振動特征，分別表現(xiàn)為不同部位的彎曲、扭轉(zhuǎn)和局部變形的組合。為了更直觀地展示模態(tài)分析結(jié)果，繪制各階振型的云圖。通過云圖，可以清晰地看到臂架在不同階次振型下的變形分布情況。在第一階振型云圖中，以不同的顏色表示臂架各部位的變形程度，紅色區(qū)域表示變形較大的部位，藍色區(qū)域表示變形較小的部位，從云圖中可以明顯看出臂架中部的變形最為突出。對于其他階次的振型云圖，也可以通過類似的方式展示其變形特征，方便對各階振型進行對比和分析。通過對固有頻率和振型的分析，能夠找出伸縮臂架在振動特性方面的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供明確的方向。若臂架在某一階固有頻率下的振型中，某個部位的變形過大，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞或影響工作性能，那么在優(yōu)化設(shè)計中就需要針對該部位采取加強措施，如增加材料厚度、改變截面形狀或加強連接方式等，以提高臂架的整體動態(tài)性能，避免在工作過程中發(fā)生共振等危險情況。4.3.2瞬態(tài)動力學(xué)分析瞬態(tài)動力學(xué)分析能夠模擬結(jié)構(gòu)在隨時間變化的動態(tài)載荷作用下的響應(yīng)，對于深入了解移動式布料機伸縮臂架在實際工作中的動態(tài)性能具有重要意義。在實際工作中，伸縮臂架會受到多種動態(tài)載荷的作用，如混凝土物料輸送過程中的沖擊載荷、臂架啟動和停止時的慣性沖擊載荷等，這些載荷的作用時間短、幅值大，對臂架的結(jié)構(gòu)安全和工作性能產(chǎn)生較大影響。在ANSYS軟件中，對伸縮臂架有限元模型進行瞬態(tài)動力學(xué)分析設(shè)置。首先，準確定義動態(tài)載荷的加載方式和時間歷程。以混凝土物料輸送過程中的沖擊載荷為例，根據(jù)實際測量或相關(guān)研究數(shù)據(jù)，確定沖擊載荷的幅值、作用時間和作用位置。假設(shè)沖擊載荷為一個脈沖力，其幅值為[具體幅值]N，作用時間為[具體作用時間]s，作用在臂架末端的輸送管道出料口處。在軟件中，通過載荷步設(shè)置功能，將沖擊載荷按照設(shè)定的時間歷程施加到有限元模型上。同時，設(shè)置合理的時間步長，時間步長的大小會影響計算結(jié)果的精度和計算效率，一般根據(jù)載荷的變化頻率和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性來確定。在本次分析中，經(jīng)過多次試算和對比，確定時間步長為[具體時間步長]s，以確保能夠準確捕捉到臂架在沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)。設(shè)置邊界條件，與靜力學(xué)分析和模態(tài)分析中的邊界條件一致，將臂架與塔身或底盤的連接部位設(shè)置為固定約束，限制其在三個方向的平動和轉(zhuǎn)動自由度，以模擬臂架在實際工作中的支撐情況。選擇合適的求解算法，如Newmark法，該算法是一種常用的隱式積分算法，在求解瞬態(tài)動力學(xué)問題時具有較好的穩(wěn)定性和精度。經(jīng)過軟件的計算求解，得到伸縮臂架在動態(tài)載荷作用下的位移和應(yīng)力隨時間的變化曲線。分析位移響應(yīng)曲線，在沖擊載荷作用的瞬間，臂架末端的位移迅速增大，達到最大值[具體最大位移值]mm，隨后在阻尼的作用下，位移逐漸衰減并趨于穩(wěn)定。這表明臂架在受到?jīng)_擊載荷時，會產(chǎn)生較大的變形，但隨著時間的推移，變形會逐漸恢復(fù)。通過觀察位移曲線的變化趨勢，可以評估臂架的動態(tài)剛度和抗變形能力。若位移曲線在衰減過程中波動較大，說明臂架的阻尼較小，振動持續(xù)時間較長，可能會對臂架的結(jié)構(gòu)和工作性能產(chǎn)生不利影響；反之，若位移曲線能夠迅速衰減并趨于穩(wěn)定，說明臂架具有較好的阻尼特性和抗變形能力。分析應(yīng)力響應(yīng)曲線，在沖擊載荷作用下，臂架的應(yīng)力也會迅速增大，在臂架的根部、節(jié)點處和伸縮節(jié)等關(guān)鍵部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達到[具體最大應(yīng)力值]MPa，超過了材料的許用應(yīng)力。這表明在這些關(guān)鍵部位，臂架的結(jié)構(gòu)強度面臨較大挑戰(zhàn)，容易發(fā)生疲勞損壞或局部失效。通過對應(yīng)力曲線的分析，可以確定臂架在動態(tài)載荷作用下的危險區(qū)域，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。在后續(xù)的優(yōu)化中，可以針對這些危險區(qū)域采取加強措施，如增加材料厚度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀或采用高強度材料等，以提高臂架的結(jié)構(gòu)強度和抗沖擊能力。為了更直觀地展示瞬態(tài)動力學(xué)分析結(jié)果，以動畫的形式呈現(xiàn)臂架在動態(tài)載荷作用下的變形過程。通過動畫，可以清晰地觀察到臂架在沖擊載荷作用下的變形情況，以及變形在臂架上的傳播和衰減過程。還可以制作位移和應(yīng)力隨時間變化的圖表，將計算結(jié)果以數(shù)據(jù)和圖形的形式展示出來，方便對分析結(jié)果進行深入研究和對比。4.4影響因素分析為了深入了解各因素對移動式布料機伸縮臂架性能的影響，通過有限元模擬的方法，分別研究物料堆積重量、變幅角度、結(jié)構(gòu)阻尼等因素對臂架剛強度、穩(wěn)定性和振動特性的影響。在研究物料堆積重量對臂架剛度的影響時，在有限元模型中，保持其他條件不變，逐步增加溜管及料斗處物料的堆積重量，模擬不同物料堆積重量工況下臂架的受力情況。通過分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著物料堆積重量的增加，臂架的變形逐漸增大，剛度逐漸降低。當物料堆積重量達到一定程度時，臂架的變形顯著增加，可能會影響混凝土的輸送精度和臂架的正常工作。這是因為物料重量的增加會使臂架承受更大的載荷，在相同的結(jié)構(gòu)剛度下，載荷的增大必然導(dǎo)致變形的增大。若臂架剛度不足，在較大物料重量作用下，臂架可能會出現(xiàn)過度變形，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，從而影響布料機的安全運行。因此，在實際設(shè)計和使用中，需要根據(jù)臂架的剛度要求，合理控制物料的堆積重量，確保臂架能夠安全可靠地工作。變幅角度對臂架剛強度有著重要影響。在有限元模擬中，設(shè)置不同的變幅角度，如15°、30°、45°等，對臂架在不同變幅角度下的剛強度進行分析。結(jié)果表明，隨著變幅角度的增大，臂架的應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化，危險區(qū)域也有所改變。在較小的變幅角度下，臂架的應(yīng)力主要集中在根部和與塔身連接的部位；而當變幅角度增大時，臂架的前端和中部的應(yīng)力也逐漸增大，成為新的危險區(qū)域。這是因為變幅角度的改變會導(dǎo)致臂架的受力狀態(tài)發(fā)生變化，臂架所承受的彎矩和扭矩也會隨之改變。在大角度變幅時，臂架前端離支撐點更遠，力臂增大，彎矩也相應(yīng)增大，使得前端和中部的應(yīng)力增加。變幅角度的增大還會對臂架的變形產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致臂架的整體剛度下降。因此，在實際操作中，需要根據(jù)臂架的設(shè)計參數(shù)和工作要求，合理控制變幅角度，避免因變幅角度過大而導(dǎo)致臂架剛強度不足，影響設(shè)備的安全運行。結(jié)構(gòu)阻尼對臂架在動載荷作用下的振動情況有著顯著影響。在有限元模型中，通過改變結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，如設(shè)置阻尼系數(shù)為0.05、0.1、0.15等，模擬臂架在不同阻尼條件下受到動載荷作用時的振動響應(yīng)。分析結(jié)果顯示，隨著結(jié)構(gòu)阻尼的增大，臂架的振動幅值逐漸減小，振動衰減速度加快。當阻尼系數(shù)較小時，臂架在動載荷作用下的振動持續(xù)時間較長，振動幅值較大，可能會對臂架結(jié)構(gòu)造成較大的沖擊和疲勞損傷；而當阻尼系數(shù)增大到一定程度時，臂架的振動能夠迅速得到抑制，有效減少了振動對臂架結(jié)構(gòu)的不利影響。這是因為結(jié)構(gòu)阻尼能夠消耗振動能量，使振動逐漸衰減。阻尼越大，能量消耗越快，振動就越容易得到控制。因此，在設(shè)計臂架結(jié)構(gòu)時，可以通過合理設(shè)置結(jié)構(gòu)阻尼，如采用阻尼材料、增加阻尼裝置等方式，來提高臂架在動載荷作用下的抗振性能，減少振動對臂架結(jié)構(gòu)的損害，提高設(shè)備的可靠性和使用壽命。五、伸縮臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計5.1優(yōu)化目標與設(shè)計變量確定在對移動式布料機伸縮臂架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，明確優(yōu)化目標和確定合適的設(shè)計變量是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，這直接關(guān)系到優(yōu)化設(shè)計的方向和效果?？紤]到在實際工程應(yīng)用中，減輕伸縮臂架的重量不僅可以降低材料成本，還能減少設(shè)備運行時的能耗，提高設(shè)備的機動性和靈活性，因此將伸縮臂架重量最輕設(shè)定為優(yōu)化的首要目標。通過合理優(yōu)化臂架結(jié)構(gòu)，在保證其強度、剛度和穩(wěn)定性滿足工程要求的前提下，盡可能地減少材料的使用量，從而實現(xiàn)臂架的輕量化設(shè)計。為實現(xiàn)這一優(yōu)化目標，需要精準選取設(shè)計變量。設(shè)計變量是在優(yōu)化過程中可以改變的參數(shù)，其取值的變化會直接影響到伸縮臂架的結(jié)構(gòu)性能和重量。經(jīng)過對伸縮臂架結(jié)構(gòu)的深入分析，選取主弦桿厚度、斜腹桿和橫梁截面參數(shù)等作為主要設(shè)計變量。主弦桿作為伸縮臂架的主要受力構(gòu)件，其厚度的變化對臂架的強度和剛度有著顯著影響。適當調(diào)整主弦桿厚度，既能保證臂架在承受各種載荷時的安全性，又能在一定程度上減輕臂架重量。斜腹桿和橫梁在臂架結(jié)構(gòu)中起到支撐和傳遞力的作用，它們的截面參數(shù)，如截面形狀、面積和慣性矩等，對臂架的整體性能也有著重要影響。通過優(yōu)化斜腹桿和橫梁的截面參數(shù)，可以提高臂架的結(jié)構(gòu)效率，實現(xiàn)重量的有效減輕。例如，對于斜腹桿，可以嘗試采用不同的截面形狀，如圓形、方形或矩形等，并調(diào)整其截面尺寸，以找到最佳的結(jié)構(gòu)形式，在滿足強度和剛度要求的同時，降低材料用量。對于橫梁，除了考慮截面形狀和尺寸的優(yōu)化外，還可以研究其布置方式和間距對臂架性能的影響，通過合理的布置和間距設(shè)計，提高橫梁的承載能力，減少橫梁的數(shù)量或尺寸，從而減輕臂架重量。除了上述主要設(shè)計變量外，還可以根據(jù)實際情況，考慮其他一些因素作為設(shè)計變量，如臂架各部分的連接方式、材料的選擇等。不同的連接方式，如焊接、螺栓連接或銷軸連接等，會對臂架的結(jié)構(gòu)性能和重量產(chǎn)生不同的影響。在優(yōu)化過程中，可以對比分析不同連接方式的優(yōu)缺點，選擇最適合的連接方式，以提高臂架的整體性能和可靠性，同時降低重量。材料的選擇也是影響臂架性能和重量的重要因素。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，新型材料不斷涌現(xiàn)，如高強度鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等。這些新型材料具有強度高、重量輕等優(yōu)點，在滿足臂架性能要求的前提下，使用新型材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，有可能實現(xiàn)臂架重量的大幅減輕。但在選擇新型材料時，需要綜合考慮材料的成本、加工工藝、可靠性等因素，確保材料的選擇在經(jīng)濟和技術(shù)上都是可行的。5.2約束條件設(shè)定為確保優(yōu)化設(shè)計的科學(xué)性和有效性，需綜合考慮臂架的剛強度、穩(wěn)定性要求，以及對共振貢獻率大的模態(tài)頻率要求，從而合理設(shè)定約束條件。依據(jù)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，結(jié)合伸縮臂架選用的材料特性，確定臂架在不同工況下的許用應(yīng)力和許用變形。在靜力學(xué)分析中，已得到臂架在空載、滿載和極限工況下的應(yīng)力分布情況，將各工況下臂架的最大應(yīng)力限制在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，以保證臂架的強度安全。對于選用Q345鋼材的伸縮臂架，其許用應(yīng)力[\sigma]為345MPa，則在優(yōu)化過程中，約束臂架各部位的應(yīng)力\sigma滿足\sigma\leq[\sigma]。對于臂架的變形，根據(jù)實際工作要求和設(shè)備精度標準，設(shè)定許用變形量。在滿載工況下，限制臂架末端的最大變形量不超過[具體許用變形量]mm，以確保臂架在工作過程中的剛度滿足要求，保證混凝土輸送的準確性和穩(wěn)定性。在穩(wěn)定性方面，參考線性屈曲分析結(jié)果，將臂架的臨界屈曲載荷作為約束條件。在滿載工況下，已計算得到伸縮臂架的臨界屈曲載荷為[X]N，在優(yōu)化過程中，要求臂架在實際工作載荷作用下的穩(wěn)定性系數(shù)不小于某一安全值，如1.5，即保證臂架的實際承載能力與臨界屈曲載荷的比值大于1.5，以確保臂架在工作過程中不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性?？紤]到模態(tài)分析中對共振貢獻率大的模態(tài)頻率對臂架動態(tài)性能的重要影響，將相關(guān)模態(tài)頻率作為約束條件。在模態(tài)分析中，發(fā)現(xiàn)第四階模態(tài)頻率對臂架的共振貢獻率最大，其固有頻率為[具體頻率值4]Hz。為避免臂架在工作過程中與外界激勵發(fā)生共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞或工作性能下降，設(shè)定第四階模態(tài)頻率的變化范圍，要求優(yōu)化后的臂架第四階模態(tài)頻率f_4滿足[f_{4min},f_{4max}]，其中f_{4min}和f_{4max}根據(jù)實際工作情況和經(jīng)驗確定，確保臂架在工作頻率范圍內(nèi)不會發(fā)生共振，提高其動態(tài)穩(wěn)定性。通過以上對臂架剛強度、穩(wěn)定性和模態(tài)頻率等方面約束條件的合理設(shè)定，為伸縮臂架的優(yōu)化設(shè)計提供了明確的限制和要求，確保優(yōu)化后的臂架結(jié)構(gòu)在滿足各項性能指標的前提下，實現(xiàn)重量最輕的優(yōu)化目標。5.3優(yōu)化算法選擇與實現(xiàn)為實現(xiàn)伸縮臂架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，選用OptiStruct優(yōu)化算法，該算法以其高效的計算能力和強大的優(yōu)化功能，在工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。OptiStruct基于變密度法，通過迭代更新設(shè)計變量，逐步尋求滿足約束條件且使目標函數(shù)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。在有限元軟件Hypermesh中實現(xiàn)OptiStruct優(yōu)化算法的具體過程如下：首先，將已建立好的伸縮臂架有限元模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，確保模型的完整性和準確性。然后，在Hypermesh的OptiStruct模塊中，對優(yōu)化問題進行詳細定義。將之前確定的設(shè)計變量，即主弦桿厚度、斜腹桿和橫梁截面參數(shù)等，在模塊中進行準確設(shè)置，明確各設(shè)計變量的取值范圍和變化步長。例如，主弦桿厚度的取值范圍設(shè)定為[最小厚度值，最大厚度值]，變化步長為[具體步長值]，確保在優(yōu)化過程中設(shè)計變量能夠在合理范圍內(nèi)進行調(diào)整。在約束條件設(shè)置方面，將前面設(shè)定的臂架剛強度、穩(wěn)定性以及模態(tài)頻率等約束條件準確輸入到OptiStruct模塊中。對于臂架的許用應(yīng)力約束，設(shè)定各工況下臂架的最大應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力；對于許用變形約束，限制臂架在滿載工況下末端的最大變形量在規(guī)定范圍內(nèi)；在穩(wěn)定性約束中，確保臂架在實際工作載荷作用下的穩(wěn)定性系數(shù)大于安全值；對于模態(tài)頻率約束，要求優(yōu)化后的臂架第四階模態(tài)頻率在設(shè)定的頻率范圍內(nèi)。通過精確設(shè)置這些約束條件，保證優(yōu)化過程中臂架的性能始終滿足工程要求。明確目標函數(shù)為伸縮臂架重量最輕。在OptiStruct模塊中，將伸縮臂架的重量定義為目標函數(shù)，使優(yōu)化算法在滿足約束條件的前提下，以最小化臂架重量為目標進行迭代計算。在設(shè)置完成后，啟動OptiStruct優(yōu)化求解器。求解器會根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化參數(shù)，對伸縮臂架結(jié)構(gòu)進行迭代計算。在每次迭代過程中，求解器會根據(jù)當前的設(shè)計變量值，計算臂架的應(yīng)力、應(yīng)變、變形以及模態(tài)頻率等性能指標，然后根據(jù)這些指標與約束條件的比較結(jié)果，調(diào)整設(shè)計變量的值，逐步向最優(yōu)解逼近。這個迭代過程會持續(xù)進行，直到滿足預(yù)設(shè)的收斂條件，如設(shè)計變量的變化量小于某個閾值或目標函數(shù)的變化率小于一定值等。在迭代求解過程中，密切關(guān)注優(yōu)化進程和結(jié)果。通過Hypermesh軟件的可視化功能，實時查看每次迭代后臂架結(jié)構(gòu)的變化情況，包括主弦桿厚度、斜腹桿和橫梁截面參數(shù)的調(diào)整，以及臂架應(yīng)力、應(yīng)變和變形的分布變化。還可以查看目標函數(shù)和約束條件的變化曲線，了解優(yōu)化過程中臂架重量的下降趨勢以及各約束條件的滿足情況。若發(fā)現(xiàn)優(yōu)化過程中出現(xiàn)異常情況，如收斂速度過慢、不收斂或違反約束條件等，及時分析原因并調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，如調(diào)整設(shè)計變量的取值范圍、變化步長或改變約束條件的嚴格程度等，以確保優(yōu)化過程能夠順利進行，最終得到滿足要求的最優(yōu)解。5.4優(yōu)化結(jié)果分析與驗證經(jīng)過OptiStruct優(yōu)化算法的迭代計算，成功獲得了伸縮臂架的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。將優(yōu)化前后的伸縮臂架結(jié)構(gòu)性能進行全面對比，以深入評估優(yōu)化效果。從重量方面來看，優(yōu)化前伸縮臂架的重量為[優(yōu)化前重量]kg，優(yōu)化后重量減輕至[優(yōu)化后重量]kg，減重幅度達到[具體減重百分比]%。這一顯著的減重效果表明，通過合理調(diào)整主弦桿厚度、斜腹桿和橫梁截面參數(shù)等設(shè)計變量，在滿足臂架剛強度、穩(wěn)定性以及模態(tài)頻率等約束條件的前提下，有效減少了材料的使用量，實現(xiàn)了臂架的輕量化設(shè)計目標。輕量化的臂架不僅降低了材料成本，還能減少設(shè)備運行時的能耗，提高設(shè)備的機動性和靈活性，具有重要的經(jīng)濟和實際應(yīng)用價值。在靜力學(xué)性能方面，對比優(yōu)化前后在空載、滿載和極限工況下的應(yīng)力和變形情況。在空載工況下，優(yōu)化前臂架的最大應(yīng)力為[優(yōu)化前空載最大應(yīng)力]MPa，優(yōu)化后最大應(yīng)力降低至[優(yōu)化后空載最大應(yīng)力]MPa；優(yōu)化前臂架末端的最大變形為[優(yōu)化前空載最大變形]mm，優(yōu)化后最大變形減小至[優(yōu)化后空載最大變形]mm。在滿載工況下，優(yōu)化前臂架的最大應(yīng)力為[優(yōu)化前滿載最大應(yīng)力]MPa，優(yōu)化后最大應(yīng)力降至[優(yōu)化后滿載最大應(yīng)力]MPa；優(yōu)化前臂架末端的最大變形為[優(yōu)化前滿載最大變形]mm，優(yōu)化后最大變形減少至[優(yōu)化后滿載最大變形]mm。在極限工況下，優(yōu)化前臂架的最大應(yīng)力為[優(yōu)化前極限最大應(yīng)力]MPa，優(yōu)化后最大應(yīng)力降低至[優(yōu)化后極限最大應(yīng)力]MPa；優(yōu)化前臂架末端的最大變形為[優(yōu)化前極限最大變形]mm，優(yōu)化后最大變形減小至[優(yōu)化后極限最大變形]mm。這些數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的伸縮臂架在各種工況下的應(yīng)力和變形均有明顯降低，強度和剛度得到了顯著提升，能夠更好地承受工作過程中的各種載荷，提高了設(shè)備的可靠性和安全性。在穩(wěn)定性方面，優(yōu)化前滿載工況下伸縮臂架的臨界屈曲載荷為[優(yōu)化前臨界屈曲載荷]N，穩(wěn)定性系數(shù)為[優(yōu)化前穩(wěn)定性系數(shù)]；優(yōu)化后臨界屈曲載荷提高至[優(yōu)化后臨界屈曲載荷]N，穩(wěn)定性系數(shù)增大至[優(yōu)化后穩(wěn)定性系數(shù)]。這說明優(yōu)化后的臂架在穩(wěn)定性方面有了顯著改善，發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險降低，能夠在更惡劣的工況下安全穩(wěn)定地工作。在動態(tài)性能方面，對比優(yōu)化前后的模態(tài)分析結(jié)果。優(yōu)化前伸縮臂架的前6階固有頻率分別為[優(yōu)化前固有頻率1]Hz、[優(yōu)化前固有頻率2]Hz、[優(yōu)化前固有頻率3]Hz、[優(yōu)化前固有頻率4]Hz、[優(yōu)化前固有頻率5]Hz、[優(yōu)化前固有頻率