卡車吊機的運動和力學

卡車吊機常用於處理各種載荷，經常需要搬運沉重的材料，它們會給吊機的各個不同零件帶來較大的力。看看模擬如何幫助確定這些力帶來的影響，以及如何改進吊機的操作。

一台會移動的機器

吊機被設計用來提供一種機械優勢，它可以提起或放下單靠人力無法處理的沉重材料。在吊機的諸多應用場景中，從建築到電線維護，它的移動性都是一個相當突出的特徵。卡車吊機可以向不同方向移動，還可以在高速公路上行駛，免去了對運輸設備的需求。

卡車吊機示例。（「由澳大利亞普爾芬格 (Palfinger) 製造的卡車吊機。混凝土組件是由德國製造的小型污水處理廠，最多可為一個生活有四位居民的小型住宅提供服務。」圖片為 TM 自行拍攝。圖片已獲 Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Germany 授權，且通過 Wikimedia Commons分享。）

這類吊機包含幾種用於控制吊機運動及其他機制的液壓缸。當處理較重的載荷時，這些零件將承受較大的力。我們通過模擬探索了這些力在機械運行周期產生的影響，並通過開發一個更高效的設計確定了如何改進其性能。

對卡車吊機剛體的分析

耦合多體動力學模塊和結構力學模塊，卡車吊機模型分析了吊機的液壓缸和鉸鏈在一個操作周期中將承受的力。從 CAD 模型中導入吊機幾何，其中包含 14 個會發生相對運動的零件。

下圖是對吊機連桿的詳細描述，之後的表格中定義了具體零件。

本示例中包含兩個載荷：負 z 方向的自重，以及吊機端點的有效載荷。操作周期包含從很遠處舉起一個有效載荷，然後將其置於吊機下方。載荷最初經過向上的移動，然後向內移動到靠近吊機處。下圖顯示了吊機端點在操作周期中的軌跡。

在現實中，吊機的操作由三個液壓缸的長度確定，即內液壓缸、外液壓缸，以及伸縮式液壓缸。內液壓缸將舉起內懸臂，外液壓缸調節內懸臂與外懸臂之間的夾角，伸縮式液壓缸則確定了伸縮範圍。這裡將使用懸臂夾角而非液壓缸長度作為參數，因為這樣更加方便。

結果

下圖顯示了操作周期的第 9 個位置，此時內懸臂呈水平 45°角，內懸臂與外懸臂夾角為 -30°，總伸縮為 1.5 m。

我們現在可以分析力對吊機不同零件的影響。在之下的每張繪圖中，解的序號都與吊機位置相關。最初，吊機會在延伸位置抓起一個載荷，最後在靠近本身處釋放載荷作為結束。

讓我們先從控制懸臂的液壓缸上的力開始，此處的壓縮力為正。正如我們所預期的，當有效載荷遠離吊機底座時，液壓缸受到較大的力。操作周期中的最大力確定了所需的液壓缸容量。

控制懸臂的液壓缸上的力。

下一張繪圖突出了伸縮式液壓缸中的力。與前面的情況相同，壓縮力定義為正值。由於內液壓缸需要將伸縮部分的重量搬運到更遠的距離，因此要承受更大的力。

最後，我們可以觀察到作用在吊機主要零件之間的鉸鏈上的力。可使用相同策略來分析作用在吊機任意兩個零件間的連接部位受到的力。下圖結果就是一個包含此類細節的結構尺度上的有價值信息。

鉸鏈上的力。

鎖定系統中的一個具體機制

現在，我們可以再進一步，使用優化模塊來增強吊機的連桿。這可以通過優化吊機連桿模型實現，這是卡車吊機模型的一個擴展模型，重點關注當吊機在最壞負載循環情況下拖拽特定載荷時，如何降低液壓缸上的力。

下表確定了每個零件及它們在模型中的表示顏色。

由於本示例被設計用來測試最壞的情況，所以在選定的操作周期中，連桿將承受最大的力。為確保這一點，內懸臂將被提升至最高位置，伸縮式延伸件被拉伸至最遠狀態，並選定了外懸臂的角度以保證吊機端點儘可能地向外伸展。所施加的載荷與原始模型中相同。

在此優化問題中，可以修改三個軸的位置：連接第一連桿臂與底座的軸、連接第二連桿臂與懸臂的軸，以及連接兩個連桿臂與液壓缸活塞的軸。

對比設計

現在讓我們對比一下結果。下方的第一張繪圖顯示了液壓缸上的力在操作周期中的變化。這裡，我們可以對比操作周期中用來確定液壓缸容量的最大液壓缸力。

與原始設計相比，優化版本將最大力從 597 kN 降低到了 413 kN， 即降低了 31%，這是一個相當大的進步。優化後，將能支持更重的有效載荷；作用力的降低，使連桿可以更輕鬆地面對應力極限。

第二張繪圖顯示了 y 和 z 分量，以及作用在軸上的力的大小，這些軸形成了底座和懸臂之間的鉸鏈。如下方結果所示，原始設計中的總力大於優化設計中的總力。

總結及模型下載

在 COMSOL Multiphysics 5.0 版本中，我們引入了兩個新的卡車吊機模型，可用於分析吊機不同零件間的相互作用，以及評估優化方法在增強這些機制方面扮演的角色。這些示例演示了您可以如何使用模擬來分析載荷對這些複雜力學系統的影響，以及如何根據模擬結果來開發一個更優的設計。

下載文中介紹的模型：

• 卡車吊機
• 吊機連接系統的優化分析

最後再說一下，我們正基於此模型創建相關 App，請繼續保持關注！

經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者Bridget Cunningham 。