摘 要 高空作业车是城市照明行业不可缺少的机械设备，本文根据结构原理，综合使用PROE强大的几何建模能力，Hypermesh前处理工具以及Ansys求解器，对GKH28A上车结构进行强度分析，作为产品改进与设计的依据，也给城市照明行业在日常车辆难护检修提供理伦依据
关键词 高空作业车 有限元分析 混合臂
1.简介
1.1引言
高空作业车是一种特种专用汽车，可以运送人员和器材到达指定高度进行空间立体作业。出于工作安全考虑，其对强度、刚度和稳定性要求都很高。
然而，国内自主研发的大高度高空作业车产品在这些方面的研究都很匮乏，往往依赖经验，借鉴一些公式进行简单计算，造成产品质量差、开发效率低，并且浪费了大量的人力、物力和财力。依照以下方法可以大大提高工作效率，降低生产成本，加快研发进度。本文主要考虑强度和刚度问题。
在产品研发的初始阶段采取科学、有效的设计方法越来越受重视。目前，通用有限
图1. GKH28A主要部件(1.转台、2.下折臂、3.下拉杆、4.上折臂、5.上拉杆、6.连接体、7.连接座、8.基本臂、9.一伸臂)
元分析软件已非常成熟，随着有限元法的普及，其优势已得到设计人员和客户的认同，但单一软件又无法完美的完成整个任务，尤其是对于混合臂高空作业车复杂结构和连接（如图1）的模型处理，效率较低。基于此原因，本文将Proe强大的几何建模能力、Hypermesh优越的前处理功能和Ansys快速的求解能力完美结合，有效弥补了单一有限元软件的不足之处，极大的提高了研发效率和分析的精度。与仅依靠单一有限元计算软件进行简化、建模及计算相比，本文使用的方法具有很大的优势。1.2高空车参数
本文算例的高空作业车最大载重量为250kg，最大作业高度28m，最大作业幅度为14.8m，是国内自主研发的少有大高度高空产品，整机主要由转台、折臂、伸缩臂、连接机构和变副油缸构成（如图1）。
2.有限元分析
2.1模型处理
以Proe强大的几何建模能力建立部件的三维模型（如图3），接着利用Hypermesh前处理工具将Proe建立好的几何模型转化为有限元模型（如图3），然后在Hypermesh中把各部件有限元模型装配成整机有限元模型（如图4），最后导入Ansys计算。
图2. 方案设计流程
高空作业车结构件为典型的薄壁结构，油缸和销轴则可简化为梁、杆来处理，故计算的有限元模型采用的单元类型为壳单元及梁、杆单元，结构板材部分采用板壳单元模拟，销轴采用杆、梁模拟，油缸用杆单元代替。
图3. 转台几何模型与有限元模型对照图
计算时会通过单元刚度矩阵建立位移矩阵和节点力矩阵的转换关系(式1)，由几何矩阵B转换位移和应变的关系，
……(1)
……(2)根据胡克定律(式3)，可以得到应变与应力的关系，
……(3)
也就是，整机计算时求解器会将单元刚度矩阵集合为总体刚度矩阵，部件间的位移自由传递从而完成部件间的力的传递，如仅进行零部件的有限元分析，则需要提取零部件在不同状态下的载荷，整机计算则无需这一繁琐的重复性过程。
2.2载荷及约束
在二伸臂臂头模拟销轴中心节点处施加250kg载荷，整体施加重力载荷（覆盖件和油缸等重力均匀施加在整机上）。依据公式：计算强度/安全系数（2.75）＝实际应力，得出的计算结果与材料的许用应力对比。
约束处理：
假定转台底板不发生变形，约束底板全部自由度（UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ）。
图4. 有限元装配模型
2.3分析工况
本例以最大作业高度的工况进行受力分析。由图5可以看出，该结构总体应力除下折臂铰点处部分区域应力偏大、模拟销轴处应力集中外，其余部分应力总体满足要求。
图5.应力云图
图6. 位移云图
由图6可以看出整机最大位移为278.71mm，相对于28米的作业高度变形并不大。
3.结论
结构刚度、强度的可靠性是高空作业车安全可靠的前提，合理的结构在一定程度上决定了整机的性能参数。使用有限元方法进行计算能有效确保结构的安全可靠，而本文联合使用Proe、Hypermesh和Ansys有限元分析软件较大的提高了分析效率，且能方便的实现不同工况下的结构分析，对于保障结构的安全可靠性和提高新产品研发效率提供了新的方法。
［参考文献］
[1] 张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析.北京：机械工业出版社，2008.
[2] 张胜兰.基于HyperWorks的结构优化设计技术.北京：机械工业出版社，2007.