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畢業(yè)設(shè)計(jì)
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學(xué)生姓名
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
學(xué)院名稱
專業(yè)名稱
指導(dǎo)教師
年
5月
26日
復(fù)合材料制升降平臺(tái)的新設(shè)計(jì)理念
L. Solazzi & R. Scalmana
摘要
作為一種起重設(shè)備，升降工作平臺(tái)越來越多的應(yīng)用于建筑行業(yè)和維修領(lǐng)域。例如，風(fēng)力渦輪機(jī)樞紐的維護(hù)就需要通過使用工作平臺(tái)來完成；但是因?yàn)楦咚俟窐?biāo)準(zhǔn)的限制還有這些結(jié)構(gòu)自身的高度要求很高，例如最大軸載和最大總尺寸，所以為了滿足這些要求，需要把結(jié)構(gòu)的材料從經(jīng)典結(jié)構(gòu)鋼（S235 JR，S275 JR或S355JR）改為高強(qiáng)度鋼（S700至S1100或更高），這樣就可以獲得更高的比電阻。 本文的想法是使用復(fù)合材料來制作升降平臺(tái)的臂，以減少機(jī)器的整體重量。同時(shí)通過對(duì)新型平臺(tái)的分析表明，用復(fù)合材料作為臂部材料大約會(huì)降低機(jī)器部件50%的重量。當(dāng)然作為可行性研究，可能仍然會(huì)存在一些問題，例如所用復(fù)合材料的機(jī)械性能（疲勞，環(huán)境影響等）。
關(guān)鍵詞 復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；碳纖維；起重平臺(tái)
1 引言
由于使用了高強(qiáng)度鋼材，近年來巨大的高層平臺(tái)優(yōu)化了機(jī)械特性，減輕了重量，發(fā)展的很快（圖1）；事實(shí)上，為了能夠在公路上運(yùn)輸，這種特性在可移動(dòng)結(jié)構(gòu)中是很重要的。
圖1在風(fēng)力渦輪機(jī)上工作的鋼平臺(tái)
然而，這些結(jié)構(gòu)的高度還在不斷增加，使運(yùn)輸?shù)目赡苄赃_(dá)到了極限。
因此這項(xiàng)工作的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)由高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料共同制成臂的工作平臺(tái)，并將其與僅由高強(qiáng)度鋼制成的平臺(tái)進(jìn)行比較。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作高度為85米;在意大利市場(chǎng)上，它代表了非常高的尺寸?，F(xiàn)在不同部件的原型，比如手臂，汽缸，接頭，主要是由高強(qiáng)度鋼合金制成。而且現(xiàn)在越來越多的工作機(jī)械也是由這些合金制作而成，如[處理材料[1,2]和卡車部件[3-5]的設(shè)備 ]，但由于重量大以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸不便而表現(xiàn)出了很大的問題;但實(shí)際上臂的一小部分（伸縮臂的最后部分）可以由塑料材料制成，特別是在用于維護(hù)電線的平臺(tái)中，這樣還可以方便在籃中的操作者和其余部分之間引入導(dǎo)電絕緣體來保護(hù)操作者。
當(dāng)然這項(xiàng)工作的最終目標(biāo)是在遵守道路標(biāo)準(zhǔn)的情況下，大大減輕系統(tǒng)的重量，從而減少搬運(yùn)車運(yùn)輸?shù)闹亓坎⒃黾酉到y(tǒng)的負(fù)載能力。通過水泥攪拌車，我們第一次造出了由復(fù)合材料制成的車臂;另外最近一家公司還開發(fā)了一種混凝土泵，由5個(gè)部分組成，其中最后兩部分由碳纖維制成。
但是，該機(jī)器的設(shè)計(jì)規(guī)格在工作區(qū)域和負(fù)載范圍上還是有很大的不同，例如，升降平臺(tái)中的位移沒有受到限制。
從初步的幾何設(shè)計(jì)規(guī)范開始，本文討論了所有與實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)有關(guān)的主要問題[6,7]：如所需尺寸的定義，臂移動(dòng)的概念和隨后的設(shè)備，尺寸臂部分的分析，動(dòng)力學(xué)分析和有限元方法的失效驗(yàn)證。
2 材料和方法
2.1 設(shè)計(jì)規(guī)格
由于該平臺(tái)必須與卡車連接，并且必須達(dá)到約85米的最大高度; 所以在手臂的末端有一個(gè)叫做JIB的設(shè)備，用于指揮平臺(tái)的精細(xì)運(yùn)動(dòng); 平臺(tái)的工作范圍如圖2所示。
此外具有這些商業(yè)可用性特征的平臺(tái)基本上都由7個(gè)伸縮臂組成，其端部都連接了JIB結(jié)構(gòu)。
2.2 負(fù)載條件
通過水泥混合器，我們第一次用碳纖維替代鋼材制作了重型車輛的工作臂，其中碳纖維用于替代傳統(tǒng)的鋼架； 但是此應(yīng)用與升降平臺(tái)在負(fù)載條件和允許的行為方面存在明顯差異；主要區(qū)別是：
& 對(duì)于水泥攪拌機(jī)臂來說，最大允許位移是升降平臺(tái)的一個(gè)重要參數(shù)，它具有具體的規(guī)定；另外一方面水泥攪拌機(jī)的機(jī)械臂與應(yīng)力相關(guān)聯(lián)地安全系數(shù)就不那么重要了，因?yàn)檫@在制造時(shí)就必須做到；
& 水泥攪拌機(jī)臂一旦延長(zhǎng)，在延伸期間受到來自水泥通過連接管而產(chǎn)生的連續(xù)
負(fù)荷是不存在的，因?yàn)槠脚_(tái)此時(shí)具有相同的工作重量，可以改變因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓力;
& 混凝土攪拌機(jī)的管道和臂結(jié)構(gòu)是一起工作來增加設(shè)備的機(jī)械阻力，但在升降平臺(tái)中，所有的負(fù)載都由臂來支撐。
平臺(tái)所需考慮的負(fù)載包括結(jié)構(gòu)的重量和支撐的操作員的重量以及風(fēng)壓（與平臺(tái)高度有關(guān)）。另外為了評(píng)估由運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)力學(xué)行為，可以使用一個(gè)特定的程序（MECAD?）來計(jì)算籃子的死值和載荷值，結(jié)果約為1.5。
圖2平臺(tái)的總運(yùn)行范圍
這種類型的機(jī)器的載荷頻譜[8,9]基本上都來自臂的運(yùn)動(dòng)步驟，而在操作員使用停止的臂進(jìn)行工作時(shí)，盡管由于操作員的移動(dòng)引起了小的隨機(jī)變化，但負(fù)載卻可以被認(rèn)為是恒定的。
2.3 新平臺(tái)的主要特點(diǎn)
該新平臺(tái)是使用復(fù)合材料（碳纖維和環(huán)氧樹脂基體）和鋼（主要用于臂接頭裝置）構(gòu)成的，以此來減輕重量；其中每個(gè)臂的長(zhǎng)度約為12米;此外起重機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)功能組：第一組前四個(gè)伸縮臂由高強(qiáng)度鋼構(gòu)成，第二組由四個(gè)可閉合臂組成; 這個(gè)選擇是基于以下幾個(gè)考慮因素：
& 碳纖維的成本與鋼相比要高得多，但是大部分用放大特性材料做成的部件必須使用碳纖維，因?yàn)橐紤]重量，當(dāng)然結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力不僅取決于重量，還取決于杠桿臂，當(dāng)你靠近籃筐時(shí)，杠桿臂要高得多。
& 碳纖維和其他復(fù)合材料一樣，在使用滑塊時(shí)伸縮臂上的滑動(dòng)阻力低，但與使用輥的鋼合金相比，接觸疲勞抗力也低，而這可能會(huì)導(dǎo)致手臂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一些問題，例如單層的脫落。
& 該機(jī)器的纖維是長(zhǎng)纖維，這使得復(fù)合材料能夠減少主載荷方向上的阻力; 另外因?yàn)楣ぷ餍枰褂锰囟＞邅韺?shí)現(xiàn)手臂的驅(qū)動(dòng)，而短纖維具有較低的耐疲勞性
并且更難以與鋼部件接合，所以需要使用長(zhǎng)纖維代替短纖維。
2.4 材料的性質(zhì)
可閉合臂材選擇的使用材料是具有環(huán)氧基體的低模量碳纖維，這是作為材料性能和相關(guān)成本之間的最佳折衷方案; 他們的特征如表1所示。
此外每層纖維的百分比為60％; 而使用這些數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出薄層的機(jī)械特性[7]，如表2所示。
最后選擇方向1還是方向2取決于纖維的取向，并且在圖3的報(bào)告方案之后重新定義。
表1 組成使用薄片的材料的機(jī)械特性
材料
密度ρ[kg / m3]
楊氏模量E [MPa]
剪切模量G [MPa]
泊松比
環(huán)氧樹脂
1200
4500
1600
0.4
碳纖維
1750
230000
50000
0.3
表2整個(gè)薄層的機(jī)械特性
密度
ρ[kg / m3]
彈性模量E1
（║到纖維方向) [兆帕]
彈性模量E2（┴到纖維方向)[兆帕]
剪斷系數(shù) G12 [MPa]
重大的泊松比率ν12
次要泊松比率v21
1530
139800
10929
3817
0.34
0.026
2.5 臂的尺寸
手臂的大小取決于幾個(gè)因素，其中一些是：
& 壓力的數(shù)值;
& 屈曲現(xiàn)象;
& 疊層中單層的堆疊順序;
每個(gè)復(fù)合臂都需要一個(gè)專屬的模具來建造，同時(shí)這個(gè)模具還可以制作具有可變截面的工作臂，其大小從頂部到底部增加，同時(shí)彎曲應(yīng)力也增大到最大值。
通過制定一個(gè)具體的方案來計(jì)算手臂的應(yīng)力，以便確定負(fù)荷圖上不同位置工作臂之間的動(dòng)作;計(jì)算出最大反作用力（軸向力和彎矩）后，再考慮工作臂截面的定義以及使用有限元軟件的應(yīng)力ABAQUS。
構(gòu)成疊層的層的堆疊順序必須符合以下規(guī)則：
& 必須根據(jù)主載荷方向選擇單層的方位角;
& 每個(gè)薄片取向（0°，45°-45°，90°）應(yīng)在層壓板中占據(jù)至少10％的百分比;
& 提供對(duì)稱分布的層以避免剪切延伸和延伸彎曲耦合，因?yàn)檫@會(huì)在疊層中引起危險(xiǎn)的彎曲;
& 通過考慮它們?cè)诏B層內(nèi)部成分中的搭配來保護(hù)主層
& 保證厚度逐漸變化
圖3定義纖維的取向
圖4從平臺(tái)F的集中力和分布載荷P（尺寸單位mm）開始，計(jì)算第一臂結(jié)構(gòu)中的反作用力的模式
通過報(bào)告第一手臂所遵循的程序來解釋計(jì)算手臂應(yīng)力的方法。
組成起重臂的第一臂在一端與籃筐連接，另一端與第二臂連接; 另外通過控制液壓缸來操作駕駛臂;此外按照?qǐng)D4的方案進(jìn)行反作用力的計(jì)算。
該結(jié)構(gòu)的所有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（圖5）都使用由布雷西亞大學(xué)機(jī)械工業(yè)工程系開發(fā)的MECAD?軟件來進(jìn)行圖解化，該軟件可以計(jì)算每個(gè)臂和裝置中的反作用力，以及在臂打開過程中每個(gè)部分的位移，速度和加速度。MECAD?
圖5使用軟件計(jì)算復(fù)合結(jié)構(gòu)中反作用力的模式
應(yīng)力的計(jì)算遵循經(jīng)典的二維層復(fù)合理論[10]; 所考慮的堆疊順序是（902,45，-45,04）。
在葉片上引入第一個(gè)兩軸的參考系統(tǒng)但忽略垂直于葉片平面的變形的ε3可以用下列公式來計(jì)算變形：
從彈性層的彈性常數(shù)開始計(jì)算Sij分量形式的柔度矩陣S：
為了計(jì)算開始變形時(shí)的應(yīng)力，需要使用剛度矩陣Q，即柔度矩陣的倒數(shù)：
這些公式可用于與主軸方向?qū)R的纖維增強(qiáng)層，如果有相對(duì)的角度，則需要使用旋轉(zhuǎn)矩陣t：
圖6用于計(jì)算層壓板剛度特性的模式
圖7特定負(fù)載條件下臂的位移值（單位：mm）
其中c2=cos2θ，s2=sen2θ，而且：
而且用于計(jì)算通用薄層應(yīng)力的表達(dá)式也變?yōu)椋?
如果是由一定數(shù)量的板組成的疊層板，就有可能計(jì)算出力和力矩：
e01和kij分別表示層壓板在主要方向上的變形,彎曲和緊湊形式：
圖8第一臂的靜態(tài)安全系數(shù)值
圖9 層壓板區(qū)域中的每一層的應(yīng)力趨勢(shì)
ABBD矩陣的組件可以通過以下方式進(jìn)行計(jì)算：
如圖6所示，其具有該層的Zi位置
因?yàn)閷盈B體是平衡和對(duì)稱的，所以組件A16和A26的B矩陣的分量等于0。
現(xiàn)在可以使用逆ABBD矩陣來計(jì)算變形和彎曲：
圖10為不帶籃子的JIB臂的前四種振動(dòng)模式：a第一模式（4.5 Hz），b第二模式（22.3 Hz），c第三模式（5.9 Hz），d第四模式（30.5 Hz）
圖11 在重合位置的整個(gè)結(jié)構(gòu)的視圖
由于層的平衡和對(duì)稱布置，所以在薄層的彎曲處可以獲得等于0的相同變形;其中最大應(yīng)力位于0°薄層，達(dá)到約100MPa的數(shù)值，明顯低于破壞極限;而這樣就可以確保達(dá)到令人滿意的抗疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還可以看到碳纖維的優(yōu)異特性[11,12]。
在此過程之后，確定臂的所有部分，這些部分通過增加彎矩較高處的截面尺寸來優(yōu)化彎曲阻力;而這種用金屬臂很難獲得的特性對(duì)于用復(fù)合材料制成的模具來說是輕松可以達(dá)到的。
此外需要使用有限元程序執(zhí)行多個(gè)分析來評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為，其中包括全局應(yīng)力、位移、屈曲系數(shù)等方面，。
2.6 有限元分析
有限元分析使用ABAQUS標(biāo)準(zhǔn)代碼進(jìn)行; 其中復(fù)合材料臂被建模為殼單元而金屬零件被建模為3D零件;此外給每個(gè)臂賦予限定的層壓板的堆疊順序與每層的對(duì)應(yīng)厚度;另外為了改善建模的行為給予每個(gè)手臂的局部取向，如圖7所示。
如圖8所示，一旦應(yīng)力計(jì)算出來，就可能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)則，如Tsai-Hill一樣。
另外也可以檢查層壓板中沿厚度變化的應(yīng)力，但由于取向的變化，所建立的值對(duì)于每個(gè)薄層而言顯然不同; 如圖9所示，最大應(yīng)力值可在0°薄層中找到。
圖12整個(gè)結(jié)構(gòu)在主要尺寸重合位置的視圖，表明了臂的各個(gè)部分的變化趨勢(shì)（單位為毫米）
表3鋼平臺(tái)和復(fù)合平臺(tái)臂架的重量
機(jī)器
臂重量[kg]
設(shè)備重量[kg]
總重量[kg]
鋼平臺(tái)
632
160
792
復(fù)合平臺(tái)
170
180
350
百分比變化
?73 %
+12 %
?56 %
最后進(jìn)行的分析計(jì)算了臂的固有振動(dòng)模式，圖10中示出了JIB臂的前四種振動(dòng)模式。
2.7 結(jié)構(gòu)的最終面貌
最終的結(jié)構(gòu)由四個(gè)可閉合的復(fù)合臂和四個(gè)可伸縮的鋼臂組成，其結(jié)構(gòu)見圖11。同時(shí)為了最小化高度，鋼和復(fù)合臂以交錯(cuò)的方式連接。
圖12中顯示了結(jié)構(gòu)的主要尺寸，包括復(fù)合材料臂的截面尺寸。
此外所有進(jìn)行的分析表明，由于材料變化（碳纖維的密度比鋼的密度低5倍），重量會(huì)減少很多;雖然結(jié)構(gòu)設(shè)備的重量反而會(huì)增加，但在整體范圍內(nèi)，總重量會(huì)明顯減輕，正如表3中的JIB所報(bào)告的那樣。此外重復(fù)處理復(fù)合材料中其他三個(gè)臂的數(shù)值，其重量減少量與JIB中的百分比會(huì)完全相同，達(dá)到50％。
關(guān)于成本，可以比較復(fù)合材料臂和其等同重量鋼材之間的材料成本。
用低模量碳纖維（STS纖維）和環(huán)氧基體制成的薄板的成本約為35歐元/平方米，而高強(qiáng)度鋼（屈服應(yīng)力約為1300兆帕）的成本為4歐元/千克;但是考慮到厚度（0.63 mm）和密度（1,530 kg / m3）是可以算入每公斤材料成本的，所以最后其成本為34歐元，因此復(fù)合材料的總材料成本如表4所示。
機(jī)器的總成本其實(shí)還包括很多其他因素，例如模具成本和制造產(chǎn)品的數(shù)量，但這些因素目前不可計(jì)算。
3 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)全新的平臺(tái)概念，研究了使用復(fù)合材料替代鋼臂的可能性，在進(jìn)行了一系列的新型設(shè)計(jì)，分析了各種材料給出的可能性后，最后選擇了長(zhǎng)纖維復(fù)合材料。
表4復(fù)合平臺(tái)和鋼平臺(tái)JIB的材料成本
手臂成本[€]
設(shè)備成本[€]
總費(fèi)用[€]
鋼平臺(tái)
2530
640
3170
復(fù)合平臺(tái)
5780
720
6500
這使得它能夠應(yīng)用于非常高大的平臺(tái)（例如尺寸變得越來越大的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)），而如果用鋼鐵材料的話這些平臺(tái)將不能在道路上使用和駕駛。雖然現(xiàn)在仍然存在一些與使用復(fù)合材料有關(guān)的問題，例如疲勞和局部屈曲以及與環(huán)境的相互作用，還有成本，與鋼鐵相比，成本明顯增加了，但是如果與不能在道路上行駛相比，優(yōu)勢(shì)還是大于劣勢(shì)的。