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1、 1第 1 章 绪论1.1 选择的背景、研究目的及意义升降台是一种多功能起重装卸机械设备、是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。升降平台可分为：固定式、移动式、导轨式和曲臂式。固定式有：剪叉式升降货梯、链条式升降机、装卸平台等。移动式分为：四轮移动式升降平台、二轮牵引式升降平台、手推式升降平台、手摇式升降平台、交直流两用升降平台、电瓶车载式升降平台、 自行式升降平台、柴油机曲臂自行式升降平台、折臂式升降平台、套缸式升降平台、铝合金升降平台和汽车改装式升降平台，起升高度从 1 米至 20 米不等。铝合金升降平台可分为单柱铝合金，双柱铝合金，三柱和四柱铝合金。汽车改装式升降台可用于工厂、自动
2、仓库、停车场、市政、码头、建筑、装修、物流、电力、交通，石油、化工、酒店、体育馆、工矿、企业等的高空作业及维修。升降平台升降系统，是靠液压驱动，也被称作液压升降平台。全套图纸，加在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降平台上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降台。除作为不同高度的以下步骤中我们驱动将液货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降平台上往往还装 2有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降台
3、。除作为不同高度的货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。目前，发达国家生产的汽车改装式升降台质量较好、性能较稳定、设备操作简单，在经销商中口碑良好。我国的汽车改装式升降台是 20 世纪 90 年代依据国外的产品技术生产的，到现在举升机市场已经拥有近百个中外品牌，产品系列成百上千。然而汽车改装式升降台虽然也相对定型，但很多产品性能还不够稳定，故障多，可靠性差，外观不够美观，在产品设计、技术开发等方面都还有很多地方有待改进。因此，进一步提高产品性能与可靠性，是国内汽车改装式升降台任重道远且亟需改进的地方。然而目前，在我国还没有出现利用虚拟样机技术对汽车改装式升降台进行研究，只有将汽车举升机
4、的工程实践和虚拟样机技术结合起来，才能真正加快汽车举升机产品的发展历程。为此，本课题基于计算机仿真平台，应用当前 CAD/CAE 领域应用比较广泛的三维软件CATIA、有限元软件 ANSYS 及动力学仿真软件 ADAMS，进行汽车改装式升降台的强度、刚度、稳定性及动态特性等方面的计算机仿真研究与分析，为我国汽车举升机产品的设计、技术开发方面提供更多的理论参考，进一步提高汽车举升机的稳定性和可靠性。目前国内的高空作业平台产品主要集中在车载式、剪叉式、牵引式。但无论从结构上还是功能上都无法与国外同类产品相比。自行履带式高空作业平台目前在国内还是空白，自行轮载式平台也只有少数厂家在生产，并且存在产品
5、种类少，臂型结构单一，起升高度低，适应场地能力差等不足之处，因此在功能上与国外先进产品相比还有较大的差距。随着中国经济的蓬勃发展，举升设备也迎来巨大的市场需求。在高空作业领域中，常以汽车改装式升降台作为重要工具。它的作用都是将需要升高的人或物水平提升到合适的高度，以便于维修工人对待修设备进行维修或将待运物品举升到合适的高度，正因为人员要在举升设备上工作，因此要求举升设备一定要安全可靠，否则一旦发生危险，后果不堪设想。因此，对举升设备的安全性进行研究将具有重大的意义。本课题研究运用虚拟样机技术对汽车改装式升降台的虚拟设计，在产品制造之前运用 ANSYS、 ADAMS 软件进行仿真研究。CATIA
6、 是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为 PLM 协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。设计对象的混合建模：在 CATIA 的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了 3真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA 提供了变量驱动及后参数化能力。几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到 CATIA 的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。CATIA 具有在整个产品周期内的方便的
7、修改能力，尤其是后期修改性，无论是实体建模还是曲面造型，由于 CATIA 提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于 CATIA 来说，都是非常容易的事。CATIA 所有模块具有全相关性，CATIA 的各个模块基于统一的数据平台，因此 CATIA 的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短，CATIA 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的
8、结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 CATIA, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序
9、，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析） 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示
10、、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 4PC， SGI，HP ，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国 MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商
11、采用。根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS 软件销售总额近八千万美元、占据了 51%的份额,现已经并入美国 MSC公司。软件应用：ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚
12、拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。利用上述三种软件进行汽车改装式升降台虚拟设计及仿真分析，可以发现并更正设计缺陷，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率，为生产实际提供理论支持。1.2 设计主要内容选取某品牌汽车改装后的升降台设计，要求升降台接取汽车引擎动力，实现升降台的升降功能，平台还需具有 360旋转功能。最大举升高度为6000mm，最低高度为 950mm，外形尺寸根据选配汽车尺寸自定，上升时间 50s，额定载荷 300kg，整机重量 1450k
13、g，电压 24V，电机功率 1.5KW。利用AutoCAD、CATIA 软件完成升降台二维及三维设计、利用 ANSYS 软件对关键零部件进行强度、刚度及稳定性校核，利用 ADMAS 软件对整机进行动态仿真研究。1.2.1 设计的基本内容（1）升降台总体方案设计；（2）利用 AutoCAD 软件完成升降台二维总体结构设计及零部件设计；（3）校核计算；（4）利用 CATIA 完成升降台三维建模及虚拟装配；（5）利用 ANSYS 完成关键零件的有限元分析；（6）利用 ADAMS 软件完成整机动态仿真及分析。 5 61.3 研究采用的技术流程图如图 1.1 所示。图 1.1 技术流程图调研、收集资料及
14、总体方案论证汽车改装式举升机结构设计及校核CATIA 三维实体建模转换接口是否合理CATIA 整机装配及干涉检查是否合理仿真结论分析撰写设计说明书NANSYS 有限元分析ADAMS 动力学析仿真转换接口是否合理NYYYN 7第 2 章 汽车改装式升降台举升机构设计2.1 汽车改装式升降台车体选择汽车改装式升降台车体底盘按总体性能可分为通用汽车底盘、专用汽车底盘二种。通用汽车底盘指通用汽车的二类底盘。由于原汽车车架的强度和刚度满足不了作业时的要求，故需要在原汽车底盘上增设副车架以实现对上车的支撑，所以整个高空作业车的重心较高，重量也较大，从而导致整机性能下降。但由于通用底盘的价格较低，在中小型的
15、高空作业车上比较常用。专用的汽车底盘是按高空作业车要求专门设计制造的。专用底盘轴距较长，车架刚性好，其驾驶室的布置有三种形式，一是正置驾驶室 (与通用汽车一样)，二是侧置的偏头式驾驶室，三是前悬下沉式驾驶室。据设计要求最大举升高度为 6000mm，最低高度为 950mm，上升时间50s，额定载荷 300kg，整机重量 1450kg，电压 24V，电机功率 1.5KW。外形尺寸根据选配汽车尺寸自定，由已知的参数可知，待改装式汽车可在 3.5 到 12t之间选择，属于 类，即属于中型的载货机动车，即选用二类底盘（通用汽车2N底盘）。选用二类底盘不但可以缩短开发周期，而且也降低了制造的成本，再根据已
16、知条件中给的整车整备质量、轴数、轴距、外型尺寸等，在查取的二类底盘中选用了金杯 SY1036SAS3 的货车底盘。经调研，该金杯牌卡车，发动机型号：CA498，最大设计总质量 3600kg，发动机额定功率 62.5kw 整车整备质量1825kg，车厢厂 3300mm,车厢宽 1800mm，满足使用要求。2.2 升降台整体结构形式及基本组成此次课题设计的内容为剪刀式举升机，剪刀式举升机的发展较迅速，种类也很齐全。按照剪刀的大小分为大剪式举升机（又叫子母式），还有小剪（单剪）举升机 ；按照驱动形式又可分为机械式、液压式、气液驱动式。整体结构形式如图 2.1 所示。 8图 2.1 剪刀式液压平板举升机由机架、液压系统、电气三部分组成。设置限位装置、升程自锁保护装置等以保证举升机安全使用，保障维修工人的生命安全。剪刀式举升机有两组完全相同的举升机构，分别放于左右两侧举升臂之间，因两侧结构完全相同，可以左右互换。举升机由电气系统控制，由液压系统输出液压油作为动力驱动活塞杆伸缩，带动两侧举升臂同时上升、下降、锁止
