污泥處理船升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）污泥處理船升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究學(xué)生姓名張波學(xué)號(hào)090302041130學(xué)部（系）機(jī)械與電氣工程學(xué)部專業(yè)年級(jí)09級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師毛寬民職稱或?qū)W位教授2012年月日目錄摘要4關(guān)鍵詞4ABSTRACT5KEYWORDS6前言71論文概述811課題背景和研究意義812國(guó)內(nèi)外污泥處理船結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展8121國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展8122國(guó)外研究進(jìn)展913課題研究應(yīng)用前景92污泥處理升降結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)1021污泥處理船總體結(jié)構(gòu)介紹1022污泥處理船升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)11221確定升降結(jié)構(gòu)方案前期考慮因素11222污泥處理船升降機(jī)構(gòu)選擇123偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算1431曲柄滑塊機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算1432曲柄滑塊機(jī)構(gòu)力學(xué)特性1533曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性1634實(shí)現(xiàn)曲柄運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)1835污泥處理船升降部分材料的選擇194污泥處理船升降機(jī)構(gòu)的有限元分析2041有限元分析概述2042有限元法的基本步驟2143彈性力學(xué)基本知識(shí)21431彈性力學(xué)基本假設(shè)22432彈性力學(xué)基本變量22433彈性力學(xué)基本方程2444矩形單元26441位移函數(shù)26442單元應(yīng)變27443單元應(yīng)力28444單元?jiǎng)偠染仃?8445單元等效節(jié)點(diǎn)力29446整體平衡方程2945曲柄連桿機(jī)構(gòu)ANSYS分析29451曲柄ANSYS分析29452連桿ANSYS分析315曲柄滑塊在PRO/E中的仿真3151建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)所需構(gòu)件31511機(jī)架32512曲柄的造型32513連桿三維造型32514滑塊三維造型3352裝配3353運(yùn)動(dòng)仿真3354生成滑塊速度與時(shí)間關(guān)系的運(yùn)動(dòng)分析圖36結(jié)束語(yǔ)38參考文獻(xiàn)39致謝40污泥處理船升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究摘要我國(guó)幅員遼闊,水系發(fā)達(dá),河流、湖泊、水庫(kù)極其繁多,擁有很長(zhǎng)的海岸線以及大量的港口。但是,就目前來(lái)說(shuō)，這些河流、湖泊的泥沙堆積現(xiàn)象積嚴(yán)重,需要用污泥處理船進(jìn)行污泥處理,以提高灌溉、防洪以及通航的能力,來(lái)進(jìn)一步改善我們的生態(tài)環(huán)境。所以，污泥處理成為清理河道，提高水質(zhì)量一個(gè)重要而又關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這不僅是對(duì)我國(guó)資源環(huán)境的保護(hù)，又是資源可回收利用的重要保證。本篇論文重點(diǎn)討論了污泥處理升降結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@是保證污泥處理船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用能力不可或缺的一部分。首先，根據(jù)污泥處理船的工作環(huán)境，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理，初步確定出機(jī)械可實(shí)現(xiàn)上下升降的機(jī)構(gòu)，再對(duì)所初步確定的機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度上的校核以及使用性能上的設(shè)計(jì)。其次，將所確定的機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，在有限元模型分析中繪制出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，在進(jìn)行有限元分析，通過(guò)施加載荷以及約束，得出結(jié)構(gòu)的受力變形判斷結(jié)構(gòu)是否滿足材料上的設(shè)計(jì)。本文建立了污泥處理船升降結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用實(shí)時(shí)仿真軟件,仿真了不同污泥密度下的動(dòng)態(tài)特性。，本項(xiàng)研究有助于對(duì)學(xué)生進(jìn)行污泥處理的研究,也有助于工程技術(shù)人員準(zhǔn)確把握設(shè)備性能,確保安全高效疏浚。關(guān)鍵詞污泥處理升降結(jié)構(gòu)有限元分析數(shù)字模型仿真動(dòng)態(tài)特性THESTUDYONSLUDGETREATMENTLIFTINGSTRUCTUREABSTRACTCHINAHASAWIDETERRITORYANDABUNDANTWATERRESOURCESWITHLONGCOASTLINEANDNUMEROUSHARBORSRIVERS,LAKESANDRESERVOIRSSCATTERALLOVERTHECOUNTRYLIKESTARSINTHESKYBUTCURRENTLYAHUGEAMOUNTOFSEDIMENTDEPOSITEDTHEREHASCAUSEDSEVEREPROBLEMSANDNEEDTOBEDREDGEDDREDGINGISONEOFTHEEFFECTIVEENGINEERINGMEASURESTOCONTROLFLOODSANDIMPROVENAVIGATION,IRRIGATIONCONDITIONSANDENVIRONMENTSLUDGETREATMENT,THEREFORE,BECOMESANIMPORTANTKEYLINKOFCLEARINGCHANNEL,IMPROVINGTHEQUALITYOFWATERTHISISNOTONLYTHEPROTECTIONOFRESOURCESANDENVIRONMENTINOURCOUNTRY,BUTALSOTHEIMPORTANTGUARANTEEOFRESOURCESWHICHCANBERECYCLEDINTHISPAPER,SLUDGETREATMENTLIFTINGSTRUCTUREISMAINLYDISCUSSED,FORITISTOENSURETHATSTRUCTURALSTRENGTHOFTHEDREDGERSANDITISANINTEGRALPARTOFSERVICEABILITYFAILUREFIRSTOFALL,ACCORDINGTOTHEENVIRONMENTTHATTHEDREDGERSWORK,ASWELLASTHEPRINCIPLEOFSTRUCTURALDESIGN,WEPRELIMINARYDETERMINETHEMACHINERYWHICHCANFULFILLUPANDDOWNMOVEMENTSOFTHEBODY,THENCHECKONTHEDESIGNINGSTRENGTHANDUSEOFPERFORMANCESECOND,WEWILLCONSTRUCTMODELOFTHEDESIGN,ANDDRAWTHECORRESPONDINGSTRUCTURE,THENANALYSISTHESTRUCTUREINFINITEELEMENTMODELBYAPPLYINGLOADANDCONSTRAINTS,WEWILLSEEWHETHERITMEETTHEDESIGNONTHEMATERIALINTHISPAPER,THEMATHEMATICALMODELOFDREDGERSSTRUCTUREISPRESENTED,ANDISDEVELOPEDBYAREALTIMESIMULATIONSOFTWARE,SIMULATIONOFDYNAMICCHARACTERISTICSUNDERDIFFERENTSLUDGEDENSITY,THISSTUDYWILLHELPTHESTUDENTTOCARRYONTHERESEARCHOFSLUDGETREATMENT,ITCANALSOHELPENGINEERSACCURATELYGRASPTHEEQUIPMENTPERFORMANCE,TOENSURESAFEANDEFFICIENTDREDGINGKEYWORDSDREDGER,LIFTINGSTRUCTURE,FINITEELEMENTANALYSIS,DIGITALMODEL,SIMULATION，DYNAMICBEHAVIOR前言就污泥處理行業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，雖然污泥處理船的發(fā)明已經(jīng)獲得成功，但在很多情況下，都要求污泥船可以隨著污泥的密度變化升降的高度不同，這是由于不同地方污泥在水中的密度會(huì)有所不同，例如，在淤泥密度比較小的情況下，這就要求所設(shè)計(jì)的污泥處理船能夠運(yùn)行的深度較大一些，這樣不僅可以保護(hù)好船的結(jié)構(gòu)，而且可以更好的使污泥船在污泥中運(yùn)行，所以，所設(shè)計(jì)的污泥處理船升降結(jié)構(gòu)其目的就是為了控制其在污泥中的深度，讓污泥船能夠更加靈活的在污泥中運(yùn)轉(zhuǎn)，提高污泥船的工作效率，延長(zhǎng)污泥處理設(shè)備的使用壽命，保證污泥處理設(shè)備的強(qiáng)度，從而增加污泥船的性能。就污泥處理設(shè)備的設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，到目前為止，已經(jīng)有各式各樣的污泥處理船被設(shè)計(jì)出來(lái)并取得不少成果，但是，針對(duì)污泥在水中各個(gè)地方密度存在差異，前人所設(shè)計(jì)出來(lái)的污泥處理船其結(jié)構(gòu)不能隨著污泥密度變化而實(shí)現(xiàn)上下升降，這也就對(duì)污泥處理船本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，會(huì)造成不同程度的損害，這樣便會(huì)使得污泥處理船的使用壽命下降，而我們所設(shè)計(jì)的污泥處理船升降結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了隨污泥密度變化調(diào)節(jié)運(yùn)行深度，而且在保證材料使用強(qiáng)度情況下，使船體受力更加合理，從而延長(zhǎng)了污泥處理船的使用壽命。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響機(jī)械各個(gè)性能的重要指標(biāo)。機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)最終能不能完成，并滿足于廣大客戶的需求，在極大程度上取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。就污泥處理船升降結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我國(guó)的污泥處理設(shè)計(jì)水平還在不斷的發(fā)展當(dāng)中，其設(shè)計(jì)的目的就是要設(shè)計(jì)出一種最優(yōu)的污泥處理設(shè)備，既能達(dá)到預(yù)定要求，又具有性能好、成本低、價(jià)值優(yōu)的特點(diǎn)，來(lái)滿足市場(chǎng)各方面需求。本篇論文的重點(diǎn)設(shè)計(jì)，包括升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及ANSYS有限元進(jìn)行受力分析，然后再進(jìn)行PRO/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。首先是升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)因?yàn)樯婕皺C(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)，工程材料，材料力學(xué)等各個(gè)學(xué)科，所以要綜合考慮。除了升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)外，更重要的就是機(jī)構(gòu)的有限元分析，分析各個(gè)機(jī)構(gòu)的受力變形情況。最后采用的是PRO/E進(jìn)行仿真，通過(guò)PRO/E的運(yùn)動(dòng)仿真模擬動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并生成了其動(dòng)力學(xué)曲線。因此，本篇論文的設(shè)計(jì)，就是為了設(shè)計(jì)出一種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降，然后對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校核，最終確定所設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)，更好地實(shí)現(xiàn)一種新的功能，保證污泥船可以隨污泥密度變化而上下升降，從而達(dá)到控制材料強(qiáng)度所受載荷在允許范圍之內(nèi)，進(jìn)而延長(zhǎng)使用壽命。1論文概述11課題背景和研究意義目前，我國(guó)江、河、湖庫(kù)很多,泥沙存在嚴(yán)重的淤積問(wèn)題,污泥處理是提高大江、大河、大湖質(zhì)量的一項(xiàng)工程措施。污泥船的設(shè)計(jì)，可用來(lái)處理污泥、治理河道、環(huán)保清污,所以其相對(duì)而言，具有的市場(chǎng)價(jià)值非常廣闊。在中國(guó)或者是在國(guó)外,特別是水域較大的國(guó)家，多年以來(lái)，在挖泥船方面得到的發(fā)展很大。可以從中看出來(lái),在未來(lái)的幾年里，挖泥船的發(fā)展前景依然良好。污泥處理船升降部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義，從性能上來(lái)說(shuō)，可以提高污泥處理船的工作性能，從使用上來(lái)說(shuō)，可以延長(zhǎng)污泥處理船的使用壽命，從靈活度上說(shuō)，使污泥處理設(shè)備在水上運(yùn)行的更加方便?？傊到Y(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，在污泥船整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。12國(guó)內(nèi)外污泥處理船結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展121國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展我國(guó)水資源總量豐富,是世界上陸地水域面積最大的國(guó)家之一,江河、湖泊、水庫(kù)眾多,在世界各國(guó)中排名排第6位。前6名的國(guó)家為巴西、前蘇聯(lián)、美國(guó)、加拿大、印尼、中國(guó)。但我國(guó)的河流、湖泊、水庫(kù)、港口淤積比較嚴(yán)重,大多需要進(jìn)行處理。新中國(guó)成立以來(lái),國(guó)內(nèi)的污泥處理行業(yè)得到了快速的發(fā)展。1953年成立了交通部航務(wù)工程總局疏浚公司,這是新中國(guó)成立之后第一個(gè)全國(guó)性的專業(yè)疏浚公司,專門用來(lái)負(fù)責(zé)國(guó)內(nèi)水利工程以及港口航道的污泥處理。20年后,我國(guó)在日本建造了46艘各種類型的挖泥船、起重船、打樁船等，而且先后幾次從荷蘭IHC公司引進(jìn)了總共39艘大中型的現(xiàn)代挖泥船,使得長(zhǎng)江和我國(guó)沿海的港口碼頭等內(nèi)河航道的污泥處理能力在較短時(shí)期內(nèi)得到提高。目前,我國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了兩個(gè)強(qiáng)大的污泥處理實(shí)力群體,這是以水利和交通為主的。除此之外，我國(guó)已經(jīng)擁有各類挖泥船和輔助方面的船舶上千艘,潛力非常大,后勁十分足,但這大都是大型河湖的疏浚設(shè)備1。就目前的情況來(lái)說(shuō)，我國(guó)雖然有了河道水下的清淤機(jī),而且可以保證河道清淤期間不停灌、不停排、不停航、不影響交通、不影響?zhàn)B殖、不影響正常供水、不影響旅游,水下污泥處理技術(shù)逐漸取代斷水污泥處理技術(shù)而廣泛在河道的污泥處理實(shí)踐中起作用,并有望成為以后的發(fā)展趨勢(shì)?？偟膩?lái)說(shuō),不管是以前還是現(xiàn)在,我國(guó)的污泥處理行業(yè)仍處在持續(xù)發(fā)展階段,我國(guó)的水利和水運(yùn)建設(shè)總是我國(guó)污泥處理行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力,污泥處理始終擁有廣闊的發(fā)展前景。相對(duì)于國(guó)外疏浚機(jī)的發(fā)展概況,國(guó)內(nèi)船類還有待發(fā)展,因?yàn)楹芏嘞冗M(jìn)的污泥處理船都依靠進(jìn)口，不過(guò)還是有很多污泥處理船是我國(guó)自行研制的。例如,江陰市水利機(jī)械施工工程有限公司，根據(jù)氣舉提升工作原理，生產(chǎn)出氣動(dòng)式深水清淤機(jī),其型號(hào)為SSYA型。其抽吸各種徑向尺寸在600MM以下的物料，污泥處理深度10120M，對(duì)淤泥的處理能力為50OM3/H，對(duì)沙和礫石的污泥處理能力為278M3/H。122國(guó)外研究進(jìn)展由1988年初的有關(guān)資料顯示,美國(guó)以及荷蘭等70個(gè)國(guó)家總共擁有大型污泥處理船2500多艘。與1980年相比，增加了113。到目前，自航絞吸式污泥處理船功率已經(jīng)達(dá)2000OKW,其絞刀的功率達(dá)440OKW。而耙吸式污泥處理船艙的容積已經(jīng)達(dá)11000M3,斗輪式挖泥船生產(chǎn)率達(dá)2250M3/H,最大的抓斗鏟斗兩用挖泥船鏟斗船最大斗容38M3、抓斗容量382M3。水陸兩用推土機(jī)的成功發(fā)明,能夠在5M到10M的水深下面來(lái)進(jìn)行推松堆積硬粘土,平均的產(chǎn)量為80M3/H，而且可以工作290天。國(guó)外在污泥處理設(shè)備操作自動(dòng)化方向發(fā)展的很快,現(xiàn)已有挖槽剖面監(jiān)測(cè)器、絞刀自動(dòng)控制器、鏈斗自動(dòng)控制器、耙臂位置監(jiān)測(cè)儀、耙頭絞車自動(dòng)控制器、絞吸式真空釋放閥、耙管自動(dòng)控制器、挖泥船定位顯示系統(tǒng)等。然后隨著任務(wù)變化以及施工區(qū)域的擴(kuò)大,出現(xiàn)了斗輪式、吸盤式、噴射式、噴水挖泥船、兩棲式、步移自升平臺(tái)絞吸式、對(duì)開(kāi)船體耙吸式、氣動(dòng)泵式、刮耙式以及能夠破冰的耙吸式等各種新型污泥處理船2。13課題研究應(yīng)用前景目前,我國(guó)已經(jīng)擁有各種類型污泥處理船以及輔助方面的船只上千艘,潛力很大,后勁十分足。雖然說(shuō)我國(guó)污泥處理船數(shù)量不少,但是對(duì)于城市污泥處理這一塊來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這就要求城市污泥處理的水平進(jìn)一步發(fā)展，并能夠促進(jìn)污泥處理設(shè)備、技術(shù)的提高。污泥處理行業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中地位越來(lái)越突出,各企業(yè)應(yīng)不斷創(chuàng)新其污泥處理設(shè)備、技術(shù)和管理,這樣才能更好地適應(yīng)社會(huì)市場(chǎng)的需求。除此之外，政府和社會(huì)都應(yīng)該提高重視，加大污泥處理設(shè)備方面的投入、規(guī)范市場(chǎng)3。正是由于水運(yùn)和水利建設(shè)一直推動(dòng)著我國(guó)污泥處理行業(yè)，才使得污泥處理行業(yè)還仍在不斷發(fā)展,可以說(shuō)，污泥處理行業(yè)擁有廣闊的發(fā)展前景，所以，本次的課題研究，其應(yīng)用前景也是相當(dāng)大的。2污泥處理升降結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)21污泥處理船總體結(jié)構(gòu)介紹機(jī)械挖泥一般情況下采用絞吸式挖泥船清淤。該方法是通過(guò)絞刀把泥漿吸入刀筒內(nèi),然后通過(guò)輸泥管把泥漿送入排泥場(chǎng),處理效果非常顯著。如圖21為實(shí)際生活中污泥船的工作圖4。圖21污泥處理船下圖兩種污泥船結(jié)構(gòu)是根據(jù)污泥處理船運(yùn)動(dòng)方式不同而分類的，其中，圖22所示的污泥處理船結(jié)構(gòu)是通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)污泥船在污泥中行走，而圖23所示的污泥處理船結(jié)構(gòu)是由簡(jiǎn)單的平面連桿組成一種爬行機(jī)構(gòu)，從而來(lái)帶動(dòng)污泥船運(yùn)行，其使用的是平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，與葉輪式污泥船相比較而言，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，所以本篇論文所設(shè)計(jì)的污泥處理升降結(jié)構(gòu)根據(jù)平面連桿機(jī)構(gòu)所設(shè)計(jì)的。圖22葉輪式污泥處理船圖23爬行式污泥處理船22污泥處理船升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)221確定升降結(jié)構(gòu)方案前期考慮因素對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并不是簡(jiǎn)單的畫出簡(jiǎn)圖、選擇材料，就可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)，是在約束存在的前提下力求達(dá)到規(guī)定的功能和性能要求的過(guò)程，從宏觀上看，這一過(guò)程包括總體方案的設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等階段。設(shè)計(jì)出一種可實(shí)現(xiàn)上下升降的機(jī)構(gòu)，我們要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮A）減少成本的投入也就是說(shuō)在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，要盡可能少地消耗以材料、能源、勞動(dòng)力、資金等形式存在的資源，創(chuàng)造出滿足預(yù)先設(shè)想功能要求的物質(zhì)實(shí)體。B）強(qiáng)度問(wèn)題機(jī)器及其零部件喪失正常工作能力或其功能參數(shù)降低到限定值以下，稱為失效。所謂強(qiáng)度，就是抵抗這類失效的能力。而強(qiáng)度約束，則是指要求所設(shè)計(jì)的零部件，在正常工作條件下，不出現(xiàn)這種類型的失效。C）機(jī)械設(shè)計(jì)中的摩擦、磨損和潤(rùn)滑問(wèn)題兩個(gè)接觸表面做相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，將會(huì)有阻止其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象就稱為摩擦。通常，摩擦的大小，可通過(guò)摩擦系數(shù)來(lái)衡量。磨損是指由于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使物體工作表面的物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。潤(rùn)滑是減少摩擦和磨損的有效措施之一。所謂潤(rùn)滑，就是向承載的兩個(gè)摩擦表面之間引入潤(rùn)滑劑，以減少摩擦力及磨損等表面破壞的一種措施。D）材料的選擇考慮材料的力學(xué)性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性以及產(chǎn)品的輕型化、高壽命。零件的工作條件是復(fù)雜的，為了便于分析，可將它分為受力狀態(tài)、載荷性質(zhì)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等幾個(gè)方面來(lái)考慮。受力狀態(tài)為拉、壓、彎、扭等，載荷性質(zhì)有靜載、沖擊、交變等。工作溫度可分為低溫、室溫、高溫、交變溫度。環(huán)境介質(zhì)是指與零件接觸的潤(rùn)滑劑。E）使用壽命的分析使用壽命是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)所必須考慮的，因?yàn)樗鼪Q定了機(jī)構(gòu)工作時(shí)間的長(zhǎng)短，使用壽命的計(jì)算，與機(jī)構(gòu)運(yùn)行的循環(huán)次數(shù)以及壽命系數(shù)相關(guān)。222污泥處理船升降機(jī)構(gòu)選擇從實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)升降的原理來(lái)說(shuō)，有多種機(jī)構(gòu)能夠滿足升降的目的，其中包括曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、搖桿滑塊機(jī)構(gòu)等。本文對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較之后，最終確定實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。1）搖桿滑塊機(jī)構(gòu)最簡(jiǎn)單的連桿機(jī)構(gòu)是由四個(gè)構(gòu)件和四個(gè)低副組成的四桿機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中必有一個(gè)構(gòu)件為機(jī)架。與機(jī)架相連的構(gòu)件稱為連架桿，其中能繞定軸作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱為曲柄；繞定軸作往復(fù)擺動(dòng)的構(gòu)件稱為搖桿或擺桿。不與機(jī)架相連的構(gòu)件稱為連桿。只作往復(fù)移動(dòng)的構(gòu)件稱為滑塊。圖24為搖桿滑塊機(jī)構(gòu)示意圖。搖桿滑塊是帶有一個(gè)移動(dòng)副的機(jī)構(gòu)。一般有作為機(jī)架的3個(gè)構(gòu)件。構(gòu)件3與構(gòu)件4用移動(dòng)副相連，又與連桿2用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，稱為滑塊。構(gòu)件3作為機(jī)架，BC成為鉸鏈C擺動(dòng)的搖桿，AC桿成為滑塊做往返移動(dòng)。這就是搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。搖桿滑塊的機(jī)構(gòu)原理比較簡(jiǎn)單，但在污泥處理船升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究時(shí)要求滑塊的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，這也就是說(shuō)，搖桿也能實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)搖桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)還需要用其他機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，顯得比較復(fù)雜。所以在升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮使用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。圖24搖桿滑塊機(jī)構(gòu)2）鏈傳動(dòng)圖25為鏈傳動(dòng)的示意圖。圖25鏈傳動(dòng)按照用途不同，鏈可分為起重鏈、牽引鏈和傳動(dòng)鏈三大類。起重鏈主要用于起重機(jī)械中提起重物，其工作速度V025M/S；牽引鏈主要用于鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)中移動(dòng)重物，其工作速度V4M/S；傳動(dòng)鏈用于一般機(jī)械中傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，通常工作速度V15M/S。鏈傳動(dòng)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)彈性滑動(dòng)和打滑，且能夠保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比；需要的張緊力小，作用于軸的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失；結(jié)構(gòu)緊湊；能在溫度較高、有油污等惡劣環(huán)境條件下工作。鏈傳動(dòng)效率高，軸間距離適應(yīng)范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用；但鏈傳動(dòng)一般只能用作平行軸間傳動(dòng)，且其瞬時(shí)傳動(dòng)比波動(dòng)，傳動(dòng)噪聲較大。由于鏈節(jié)是剛性的，因而存在多邊形效應(yīng)（即運(yùn)動(dòng)不均勻性），這種運(yùn)動(dòng)特性使鏈傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比變化并引起附加動(dòng)載荷和振動(dòng)，在選用鏈傳動(dòng)參數(shù)時(shí)須加以考慮。綜合升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，不考慮使用鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)5。3）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化形式,由若干剛性構(gòu)件用低副回轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副聯(lián)接而成的一種機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過(guò)移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)常用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或者將往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變換成為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，是為了得到機(jī)構(gòu)上各個(gè)點(diǎn)的速度、加速度，判斷是否滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)的要求，判斷機(jī)構(gòu)是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，以及判斷機(jī)構(gòu)的性能等。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)副為低副,各元件間為面接觸,構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡(jiǎn)單,加工方便,易于得到較高的制造精度等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分成3大類對(duì)心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機(jī)構(gòu)。圖26是對(duì)心曲柄滑塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖27是偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。圖28為偏心輪機(jī)構(gòu)。圖26對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖27偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖28偏心輪機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)面接觸低副，壓強(qiáng)小，便于潤(rùn)滑，磨損輕，壽命長(zhǎng)，傳遞動(dòng)力大，低副易于加工，可獲得較高精度，成本低，桿可較長(zhǎng)，可用作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操縱控制，可利用連桿實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡。所以，就設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便而言，本篇論文中污泥處理船的升降結(jié)構(gòu)，就是采用偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。3偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算31曲柄滑塊機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算已知，由船的結(jié)構(gòu)初步估計(jì)，本次設(shè)計(jì)要求污泥處理升降結(jié)構(gòu)升降范圍為1M，行程變化系數(shù)為15,偏距值為400MM，設(shè)計(jì)曲柄長(zhǎng)度以及連桿長(zhǎng)度6。幾何法求桿長(zhǎng)。極位夾角180OK1/（K1）36O。按滑塊的行程作線段C1C2。過(guò)點(diǎn)C1作OC1C290O54O,過(guò)點(diǎn)C2作OC1C290O54O,則得到交點(diǎn)O,以O(shè)為圓心、OC1或OC2為半徑作圓弧，它與直線C1C2的平行線交于A，如圖31。圖31作圖法比例120根據(jù)圖示幾何關(guān)系從圖上量得LAC2LBCLAB68MM，LAC1LBCLAB25MM，聯(lián)解上式可得LBC465，LAB215。再由于圖示比例為120，故選擇曲柄長(zhǎng)度為430MM，連桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為930MM，結(jié)構(gòu)如圖32所示。圖32污泥處理升降結(jié)構(gòu)32曲柄滑塊機(jī)構(gòu)力學(xué)特性由分析污泥處理船結(jié)構(gòu)可知，船身初次設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6300MM，高度為1700MM，本次設(shè)計(jì)要求污泥處理升降結(jié)構(gòu)升降范圍為1M，選擇曲柄長(zhǎng)度為430MM，連桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為930MM。取其中的曲柄滑塊進(jìn)行受力分析7,如圖33所示圖33曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力分析圖滑塊長(zhǎng)寬高分別為05M、025M、025M。選擇材料為鑄鐵，密度為7250KG/M3。故滑塊自重為GVG725005025025KG9822203N從曲柄R傳到連桿L上的力PC與滑塊發(fā)出的壓力P之間，存在如下關(guān)系PCCOSP（31）曲柄頸A處，沿半徑方向的力PR和PC的關(guān)系PRPCCOS（32）將上2式聯(lián)立，可得到PRPCOS/COS（33）曲柄頸沿圓周方向所受切線力PT與半徑R的乘積，就是轉(zhuǎn)矩T。TPTR（34）根據(jù)上圖可知PTPSIN（35）將（1）、（4）式代入（5）式，則TPSIN/COSR（36）滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)PFMG（37）取025，所以PF22203024446N故滑塊上升時(shí)PC最小值為PCMIN22643N2FP223064PTMINPCMINSIN（38）PRMINPCOS/COS（39）33曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析知，曲柄以R/MIN轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連桿的速度為移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種速度的合成。而實(shí)現(xiàn)上下升降的滑塊存在平移的速度，其移動(dòng)速度是變化的，即存在水平方向上的加速度。圖示34為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖8。圖34曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析圖取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸水平向右。在任意瞬時(shí)T，機(jī)構(gòu)的位置如圖。按矢量封閉回路ABCD建立矢量方程和其投影的坐標(biāo)方程HS21L（3INISCO2110）由上式可求S及2（3SINHCOSII12211LL11）上式對(duì)T求導(dǎo)得（3221COSCS0INIL12）由上式可得（32S和。TANCOSINS2111211L13）上式再對(duì)T求導(dǎo)（3222112COSSINSI0CCOLLIS14）由上式可得S及2315SINCOSSISIN21221112212L34實(shí)現(xiàn)曲柄運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)本文設(shè)計(jì)的污泥處理船升降結(jié)構(gòu)，在承受壓力方面，主要是推動(dòng)船運(yùn)行的爬行機(jī)構(gòu)，故所選用的電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于起重用電動(dòng)機(jī)。其電動(dòng)機(jī)模型外形如圖35所示。起重用三相異步電動(dòng)機(jī)是用于驅(qū)動(dòng)各種形式的機(jī)械及輔助機(jī)械的專用系列產(chǎn)品，它具有較大的過(guò)載能力和較高的機(jī)械強(qiáng)度，特別適用于短時(shí)或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)、有時(shí)過(guò)負(fù)荷及有顯著的振動(dòng)和沖擊的設(shè)備。所以適用于污泥處理升降結(jié)構(gòu)所用電動(dòng)機(jī)。此類型電動(dòng)機(jī)由不同系列組成，YZ系列為籠型轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，YZR系列為繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)。對(duì)于30KW以下的電動(dòng)機(jī)以及在啟動(dòng)不是很頻繁的情況下，可選用籠型轉(zhuǎn)子。表31為YZ系列電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)。由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，污泥處理船升降結(jié)構(gòu)速度無(wú)需太高，故選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要求不高，最終選擇電動(dòng)機(jī)機(jī)座號(hào)為160L，功率為75KW，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為750R/MIN。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為01929。表31YZ系列電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)圖35電動(dòng)機(jī)安裝外形尺寸35污泥處理船升降部分材料的選擇首先是選材的思路，選材應(yīng)考慮材料的力學(xué)性能，根據(jù)材料的工作條件，分析計(jì)算出或測(cè)定出材料力學(xué)性能，這是選用材料的基本出發(fā)點(diǎn)。零件的工作條件是復(fù)雜的，為了便于分析，可將它分為受力狀態(tài)、載荷性質(zhì)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等幾個(gè)方面來(lái)考慮。對(duì)于新設(shè)計(jì)的重要零件，還應(yīng)進(jìn)行失效分析，以確定失效的主要抗力指標(biāo)。根據(jù)該指標(biāo)，再選擇相符合的材料。選材過(guò)程中還應(yīng)考慮材料的工藝性能、經(jīng)濟(jì)性、以及產(chǎn)品的“輕型化、高壽命”等。從機(jī)械零件設(shè)計(jì)和制造的一般程序來(lái)看,先是按照零件工作條件的要求來(lái)選擇材料,然后根據(jù)所選材料的機(jī)械性能和工藝性能來(lái)確定零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。在著手制造零件時(shí),也要按所用的材料來(lái)制訂加工工藝方案。比如選用的材料是鑄鐵,就只能用鑄造方法去生產(chǎn)了。機(jī)械零件選材時(shí),主要是考慮零件的工作條件、材料的工藝性能和產(chǎn)品的成本?，F(xiàn)將有關(guān)選材的一些基本原則分述如下我們?cè)O(shè)計(jì)所選用的材料應(yīng)該滿足零件各個(gè)方面的工作條件零件工作的條件有很多種。例如就拿受力來(lái)說(shuō)，有壓、拉、剪切、彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形等。工作溫度分為高溫、室溫、低溫之分。載荷性質(zhì)分為沖擊、靜載和交變。從上面所說(shuō)的工作條件來(lái)看,載荷性質(zhì)和受力狀態(tài)反映的是機(jī)械性能，而工作溫度是屬于使用環(huán)境方面的。屈服極限、疲勞極限、強(qiáng)度極限等是反映材料強(qiáng)度方面的指標(biāo)。因?yàn)椴牧线x擇的出發(fā)點(diǎn)是為了滿足零件強(qiáng)度上的要求,所以強(qiáng)度指標(biāo)一般都直接用于零件斷面尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。材料的工藝性能也是選材的重要依據(jù)之一。因?yàn)榱慵纳a(chǎn)方法不同,將直接影響其質(zhì)量和生產(chǎn)成本。金屬材料的基本加工方法有鑄造、壓力加工、焊接、切削加工和熱處理等。對(duì)于連桿件的選材，連桿所受應(yīng)力都均勻的分布在連桿的整個(gè)截面上。在這些應(yīng)力作用下，連桿的損壞形式主要是疲勞斷裂。在制造的行業(yè)中，連桿的材料選擇較多，如45鋼、40CR、40CRNI、40MNB鋼等。實(shí)踐證明，40CR鋼能達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，是制作連桿較為理想的材料，對(duì)于連桿件，其一般加工路線為下料模鍛成形正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工。對(duì)于滑塊與曲柄的材料選擇，則一般選擇45鋼或40CR，其工藝路線為下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工高頻淬火及低溫回火精磨10。4污泥處理船升降機(jī)構(gòu)的有限元分析41有限元分析概述隨著現(xiàn)代工業(yè)、生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，不斷要求設(shè)計(jì)更高質(zhì)量、高水平的大型、復(fù)雜和精密的機(jī)械及工程結(jié)構(gòu)，但是，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)難以完成對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的分析，因此，需要尋求一種簡(jiǎn)單而又精確的數(shù)值計(jì)算方法，有限元法正是適應(yīng)這種要求而產(chǎn)生起來(lái)的一種十分有效的數(shù)值計(jì)算方法。基于有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)分析，并能獲得盡可能真實(shí)的結(jié)構(gòu)受力信息，還可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行安全評(píng)判和設(shè)計(jì)參數(shù)修改。故本次設(shè)計(jì)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)力學(xué)分析，采用的正是有限元分析。有限元法是一種接基于變分法而發(fā)展起來(lái)的求解微分方程的數(shù)值計(jì)算過(guò)程，該方法以計(jì)算機(jī)為手段，采用分片近似，進(jìn)而逼近整體的研究思想，來(lái)求解物理過(guò)程。首先是離散化，將原始邊界條件轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)上的邊界條件。其次是分片近似，并按彈性理論中的能量原理建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后，把所有單元的這種關(guān)系式集合起來(lái)，就得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組，解這些方程組就可以求出物體上有限個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移。這是有限元法的創(chuàng)意和精華所在。有限元法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展之后，目前成為一種很普遍的數(shù)值計(jì)算方法，其特點(diǎn)表現(xiàn)如下1理論基礎(chǔ)比較簡(jiǎn)單，物理概念很清晰。幾何分片和分片插值就是有限元法的基本思想，概念非常清晰，而且很容易理解。之所以說(shuō)幾何上的近似是因?yàn)橛秒x散單元的組合體來(lái)逼近原始的結(jié)構(gòu)；而數(shù)學(xué)上的近似是指用近似函數(shù)逼近未知變量在單元內(nèi)的真實(shí)解；體現(xiàn)了其明確的物理背景是因?yàn)槔门c原問(wèn)題的等效的變分原理建立有限元基本方程。2計(jì)算方法通用，應(yīng)用范圍較廣泛。它不僅成功地處理如應(yīng)力分析中的非均勻材料、各向異性材料、非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及復(fù)雜邊界條件等難題，而且隨著其理論基礎(chǔ)和方法的逐步完善，還能成功的用來(lái)求解如熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)等領(lǐng)域的許多問(wèn)題。理論上來(lái)說(shuō)，只要是微分方程可以表示的問(wèn)題，都可以用有限元法來(lái)求解。3可以處理任意復(fù)雜邊界的結(jié)構(gòu)。由于有限元法的單元不限于均勻規(guī)則單元，單元形狀可以是任意的，大小也可以不同，邊界也可以是曲線或曲面，不同形狀的單元還可以進(jìn)行組合，所以，有限元法可以處理任意復(fù)雜邊界的結(jié)構(gòu)。4計(jì)算格式規(guī)范，易于程序化。該方法在具體推導(dǎo)運(yùn)算中，廣泛采用了矩陣方法，矩陣代數(shù)能把繁瑣的分析和運(yùn)算用矩陣符號(hào)表示成非常緊湊簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)形式，因而最適合于電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，便于實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。42有限元法的基本步驟將有限元分析的基本步驟分為三大步驟結(jié)構(gòu)離散化、單元分析和整體分析。1）結(jié)構(gòu)離散化結(jié)構(gòu)離散化是有限元法分析的基礎(chǔ)，是進(jìn)行有限元分析的第一步。所謂結(jié)構(gòu)離散化，就是用假想的的線或面將連續(xù)物體分割成由有限個(gè)單元組成的集合體，且單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處連接，單元之間的作用僅由節(jié)點(diǎn)傳遞。2）單元分析單元分析包括選擇位移函數(shù)、建立單元平衡方程、計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力三個(gè)方面的內(nèi)容。連續(xù)體被離散成單元后，每個(gè)單元上的物理量的變化規(guī)律，可以用簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似表達(dá)，這樣的簡(jiǎn)單函數(shù)為位移函數(shù)，又稱位移模式。在選擇了單元類型和相應(yīng)的位移函數(shù)后，即可按彈性力學(xué)的幾何方程、物理方程導(dǎo)出單元應(yīng)變與應(yīng)力的表達(dá)式，最后利用虛位移原理或最小勢(shì)能原理建立平衡方程，也是剛度方程，其系數(shù)矩陣為單元?jiǎng)偠染仃?。KEEFE41式中，角標(biāo)E為單元編號(hào)，E為單元的節(jié)點(diǎn)位移向量，F(xiàn)E為單元的節(jié)點(diǎn)力向量，KE為單元?jiǎng)偠染仃嚒?整體分析其基本任務(wù)是建立整體平衡方程，形成整體剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)載荷向量，完成整體方程求解。有限元法的分析過(guò)程是先分后和，即先進(jìn)行單元分析，在進(jìn)行整體分析。形成整體平衡方程為KF42式中，K為整體節(jié)點(diǎn)位移向量，為整體節(jié)點(diǎn)位移向量，F(xiàn)為整體載荷向量。然后是方程求解，方程求解包括邊界條件引入和數(shù)值計(jì)算，一旦利用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求出未知的節(jié)點(diǎn)位移以后，即可按彈性力學(xué)的應(yīng)力、應(yīng)變公式計(jì)算出各個(gè)單元的應(yīng)變、應(yīng)力等物理量。43彈性力學(xué)基本知識(shí)431彈性力學(xué)基本假設(shè)1）連續(xù)性假定假定物體整個(gè)體積都被組成該物體的介質(zhì)所填滿，不存在任何空隙2）完全彈性假定假定物體滿足虎克定律；應(yīng)力與應(yīng)變間的比例常數(shù)稱為彈性常數(shù)。彈性常數(shù)不隨應(yīng)力或應(yīng)變的大小和符號(hào)而變。由材料力學(xué)已知脆性材料在應(yīng)力未超過(guò)比例極限以前，可以認(rèn)為近似的完全彈性體；而韌性材料在應(yīng)力未達(dá)到屈服極限以前，也可以認(rèn)為是近似的完全彈性體。3）假定物體是各向同性的即認(rèn)為整個(gè)物體在所有各個(gè)方向都有相同的物理性質(zhì)。這樣，物體的彈性常數(shù)不隨方向而變。4）假定物體的位移和應(yīng)變是微小的即物體在外力和其他因素的作用下，所有各點(diǎn)的位移都遠(yuǎn)遠(yuǎn)比物體原來(lái)的尺寸要小。5）假定物體是均勻的即認(rèn)為整個(gè)物體在各點(diǎn)都有相同的物理性質(zhì)。432彈性力學(xué)基本變量在彈性力學(xué)中常涉及4個(gè)基本物理量外力、應(yīng)力、應(yīng)變和位移。作用在物體上的外力分為體積力和表面力，分別簡(jiǎn)稱為體力和面力。應(yīng)力是彈性體內(nèi)某一點(diǎn)作用于某截面單位面積上的內(nèi)力，它反映了內(nèi)力在截面上的分布密度。對(duì)于應(yīng)力，與物體的變形及材料強(qiáng)度直接相關(guān)的是應(yīng)力在作用截面的法向與切向的分量，也就是正應(yīng)力和剪應(yīng)力，如圖41所示。顯然，在物體內(nèi)同一點(diǎn)P的不同截面上的應(yīng)力是不同的。如圖42所示為物體中所取出的微小的平行六面體。把每個(gè)側(cè)面應(yīng)力分解，其中，垂直的應(yīng)力為正應(yīng)力，用表示，平行于微元體表面的應(yīng)力為剪應(yīng)力，用表示。XY表示法線為X軸的平面上，剪應(yīng)力方向與Y軸平行的應(yīng)力。圖41應(yīng)力概念圖42應(yīng)力分量根據(jù)剪應(yīng)力互等原理，微元體剪應(yīng)力存在如下關(guān)系XYYXYZZYXZZX這樣，在任意點(diǎn)的應(yīng)力只有6個(gè)獨(dú)立應(yīng)力分量。應(yīng)力的矩陣形式為（43）ZXYXZYXZXYZYX稱為應(yīng)力矩陣或應(yīng)力向量。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)力分量不是常量，而是坐標(biāo)X，Y，Z的函數(shù)。當(dāng)微元體變形時(shí)，三個(gè)棱邊的長(zhǎng)度和它們之間的角度都會(huì)發(fā)生變化，其變化分別稱為正應(yīng)變和剪應(yīng)變。正應(yīng)變用表示，X表示X方向的正應(yīng)變，XX/A,如圖43所示。剪應(yīng)變?nèi)鐖D44所示。圖43正應(yīng)變圖44剪應(yīng)變彈性體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變，可以由6個(gè)應(yīng)變分量X，Y，Z，XY，XZ，YZ來(lái)表示。應(yīng)變的矩陣形式為稱為應(yīng)變矩陣或應(yīng)變向量。ZXYXZYXZXYZYX而位移的矩陣形式為（44）WU一般而論，彈性體內(nèi)任意一點(diǎn)的體力向量、面力向量、應(yīng)力向量、應(yīng)變向量和位移向量，都是隨該點(diǎn)的位置變化而變化的，是位置坐標(biāo)的函數(shù)。433彈性力學(xué)基本方程彈性力學(xué)基本方程描述彈性體內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移和外力之間的相互關(guān)系，它包括幾何方程、平衡方程、物理方程3類。1）幾何方程對(duì)于空間上的問(wèn)題，應(yīng)變分量與位移分量之間的幾何關(guān)系可以表示為（45）ZUXWYZYXUZYX上式說(shuō)明空間一點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)變分量可用該點(diǎn)的3個(gè)位移分量來(lái)表示，當(dāng)物體的位移分量完全確定時(shí)，那么，可求出相應(yīng)的應(yīng)變分量，而反過(guò)來(lái)卻并不如此，這是因?yàn)槲矬w產(chǎn)生位移有兩個(gè)原因，一是受力變形引起的位置變化，二是剛體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位置變化，稱為剛體位移。剛體運(yùn)動(dòng)是與變形無(wú)關(guān)的位移，有位移并不一定有變形，由此可知，雖然物體的變形已知，那么它可能存在各種剛性位移，所以不能由應(yīng)變分量確定位移分量。2）物理方程物理方程描述應(yīng)力分量與應(yīng)變分量之間的關(guān)系，對(duì)于完全彈性體的各向同性體，它們?yōu)閺V義胡克定律。（46）ZXYXYZZXYYX11G式中，E為彈性模量，G為剪切彈性模量，為泊松比。這3個(gè)彈性常熟之間的關(guān)系為G（47）12E以上的物理方程用應(yīng)力分量表示應(yīng)變分量。在有限元分析中，常常需要用應(yīng)變分量表示應(yīng)力分量，則可直接由上式得到，并記為矩陣形式ZXYZYXZXYZYX1200012001121E簡(jiǎn)記為D（48）式中，D稱為彈性矩陣，由材料彈性模量E和泊松比確定，與坐標(biāo)位置無(wú)關(guān)。3）平衡方程當(dāng)物體在外力作用下靜止或等速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，則物體處于平衡狀態(tài)。彈性內(nèi)任一點(diǎn)滿足平衡方程，在給定表面力的邊界上滿足應(yīng)力邊界條件。體積力一般用單位體積上的力在3個(gè)坐標(biāo)軸方向上的投影PX，PY，PZ表示，根據(jù)平衡條件得如下方程（49）0ZYXZZYXYXP平衡方程是彈性體內(nèi)任意一點(diǎn)都必須滿足的條件，它說(shuō)明6個(gè)應(yīng)力向量不是獨(dú)立的，它們通過(guò)3個(gè)平衡方程互相聯(lián)系。4）邊界條件由上訴物理方程式、幾何方程式、平衡方程式可知，足夠的微分方程個(gè)數(shù)可求出位置的應(yīng)變、應(yīng)力和位移。靜力學(xué)的定解通常分為位移邊界條件、應(yīng)力邊界條件，而且只包含邊界條件，。物體在邊界上的位移分量已知的的條件稱為位移邊界條件，即在已知邊界U上，有（410）WUU，式中為在邊界U上沿X，Y，Z軸方向的已知位移量。WU，應(yīng)力邊界條件是指物體在邊界上所受的面力分量已知的條件，即在已知邊界P上，有（411）ZYZXXNMLQLY式中，QX，QY，QZ為邊界上一點(diǎn)處單位面積上表面力分量，L，M，N分別表示邊界P上外法線方向的方向余弦。44矩形單元。441位移函數(shù)從離散結(jié)構(gòu)中任取一個(gè)矩形單元，設(shè)其單元編號(hào)為E，矩形的4個(gè)角點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，逆時(shí)針為正向。單元節(jié)點(diǎn)位移為（412）PMJIUUE矩形單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)、8個(gè)自由度，單元內(nèi)任一點(diǎn)（X，Y）的位移分量為（487654321U13）上式稱為位移函數(shù)。1，2，3，4，5，6，7，8為待定系數(shù)。將4個(gè)節(jié)點(diǎn)的的局部坐標(biāo)系代入上式，得到8個(gè)方程如下（48765432187654321UUPMJI14）由上述方程求出8個(gè)待定系數(shù)1，2，3，4，5，6，7，8，再代入式（413），得到單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移U、V用單元4個(gè)節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示的位移插值公式。（4PMJIIPMJJIIJNNUU,I,IU15）式中的型函數(shù)分別如下（41414PMJIN16）上式合并得（I,J,M,P）417III14將（415）寫成矩陣形式（4ENUF18）其中型函數(shù)矩陣（4PMJJNNNI0019）442單元應(yīng)變應(yīng)變分量的計(jì)算公式為（4BUAAUBXYUXXY1120）將其代入（415）得（4EB21）式中B可寫成分塊矩陣形式。（4PMJI22）又（I,J,M,P）（4IIIIIIBAABBI1100423）443單元應(yīng)力根據(jù)彈性學(xué)物理方程可得（4ESDB24）其中（4PMJIS25）（I,J,M,P）426121214IIIIIBAABABES444單元?jiǎng)偠染仃噯卧獎(jiǎng)偠染仃嚤硎緸镈XYDBTATKE427寫成分塊形式為PMPJIMJJJJIIPIMIKKE428則每個(gè)子塊DXYDBTATJIIJ429將式（423）代入上式，得31BA2121314K2IJJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIABET（430）上式對(duì)應(yīng)的是平面應(yīng)力情況，對(duì)于平面應(yīng)變，只需將式中的E和進(jìn)行相應(yīng)的變換即可。445單元等效節(jié)點(diǎn)力單元的體積力和表面力引起的節(jié)點(diǎn)力仍可用等效節(jié)點(diǎn)力列陣和單元等效結(jié)點(diǎn)力進(jìn)行計(jì)算。在目前的情況下，由于位移分量在X為常數(shù)及Y為常數(shù)的直線上是線性變化的，因此，往節(jié)點(diǎn)的移置也符合靜力等效的原則。例如，（1）對(duì)于單元的自重W，移置于每一節(jié)點(diǎn)的載荷都是四分之一的自重。2如果單元在一個(gè)邊界上受有三角形分布的表面力，在該邊界上一個(gè)節(jié)點(diǎn)處為零，而在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)處為最大，則將總表面力的三分之一移到前一個(gè)節(jié)點(diǎn)，三分之二移到后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。446整體平衡方程當(dāng)各單元的剛度矩陣KE、等效節(jié)點(diǎn)力FE確定以后，與前述三角形常應(yīng)變單元一樣，將各單元的KE、KE和FE都擴(kuò)大到整個(gè)彈性體自由度的維數(shù)，再進(jìn)行疊加，便可得到整個(gè)彈性體的平衡方程，它仍具有如下的形式。K（431）引入位移約束條件，解上述線性方程，可得節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而可求得各單元應(yīng)力11。45曲柄連桿機(jī)構(gòu)ANSYS分析圖45所示為一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲柄長(zhǎng)度R430MM、連桿長(zhǎng)度L930MM、偏距E400MM，曲柄為原動(dòng)件，其所受力為22643N。根據(jù)機(jī)械原理的知識(shí)，該問(wèn)題的解析解十分復(fù)雜，使用不太方便。本例采用單獨(dú)分析的原理，對(duì)曲柄、連桿進(jìn)行受力分析，最終得到曲柄、連桿在受力之后的變形，通過(guò)所得到的變形，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，檢測(cè)材料是否滿足強(qiáng)度上的需求。圖45曲柄滑塊機(jī)構(gòu)451曲柄ANSYS分析在ANSYS分析曲柄時(shí)，所選擇的曲柄材料屬性分別如下材料選擇為45鋼，密度7850KG/M3，泊松比03，彈性模量E21011，長(zhǎng)度為430MM，厚為50MM，由于長(zhǎng)度與寬度比值約為5，故將曲柄分析采用平面受力分析，而且劃分單元采用四邊形單元1213。創(chuàng)建曲柄的幾何模型如圖46圖46曲柄幾何模型網(wǎng)格劃分如圖47。圖47網(wǎng)格劃分對(duì)于曲柄來(lái)說(shuō)，施加的約束在小圓孔處，在另一圓孔內(nèi)施加22643N，方向豎直向下。然后求解。查看變形結(jié)果如圖48所示。圖48曲柄變形曲柄受力分布如圖49。圖49曲柄受力分布452連桿ANSYS分析。連桿長(zhǎng)度為930MM，寬100MM，高50MM，材料選擇為45鋼，密度7850KG/M3，泊松比03，彈性模量E21011，由于長(zhǎng)度與寬度比值大于5，故連桿分析同樣采用平面受力分析，而且劃分單元采用四邊形單元。由于連桿在受力過(guò)程中，所受的力為連續(xù)變化的力，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在分析連桿時(shí)，將在連桿上所施加最大的力，觀測(cè)連桿的變形情況。連桿分析的前期處理情況與曲柄相同，只是在施加力上有變化。如圖410為連桿幾何模型圖。圖410連桿幾何模型網(wǎng)格并受力后的圖形如圖411。圖411連桿網(wǎng)格及約束變形后圖形如圖412。圖412連桿受力變形5曲柄滑塊在PRO/E中的仿真51建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)所需構(gòu)件圖51曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖51所示，曲柄長(zhǎng)度430MM，連桿長(zhǎng)度930MM，滑塊長(zhǎng)寬高分別為500MM，250MM，250MM14。511機(jī)架繪制機(jī)架，圖52為機(jī)架的立體圖圖52機(jī)架立體圖512曲柄的造型繪制曲柄，如圖53，長(zhǎng)度430MM，寬100MM，拉伸50MM。53曲柄立體圖513連桿三維造型繪制連桿如圖54所示，連桿長(zhǎng)度930MM，寬100MM，拉伸50MM。54連桿立體圖514滑塊三維造型滑塊長(zhǎng)500MM，寬250MM，高250MM，如圖55所示。圖55滑塊立體圖52裝配插入機(jī)架，位置缺省，然后插入曲柄，約束類型選銷釘，然后插入連桿，同樣選銷釘，把凸臺(tái)插入曲柄孔中，再插入滑塊，首先選銷釘，把滑塊凸臺(tái)插入連桿孔中，銷釘?shù)钠揭撇荒苓x重合，選偏距，距離計(jì)算好后再輸入，要使滑塊孔軸線與機(jī)架圓柱軸線在同一基準(zhǔn)平面內(nèi)15。裝配完畢如圖56所示圖56曲柄滑塊裝配53運(yùn)動(dòng)仿真1）選擇應(yīng)用程序下面的機(jī)構(gòu)，如圖57圖57應(yīng)用程序選擇2）設(shè)置主動(dòng)件。單擊“伺服電機(jī)”按鈕，彈出新窗口。選擇曲柄為主動(dòng)件，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖58，59。圖58伺服電動(dòng)機(jī)選擇圖59運(yùn)動(dòng)軸選擇然后點(diǎn)輪廓，把位置改為速度，A處輸入10，意思為10度/秒，確定。如圖510圖510電機(jī)速度選擇點(diǎn)機(jī)構(gòu)分析，出現(xiàn)如圖511所示對(duì)話框圖511運(yùn)動(dòng)學(xué)分析位置改為運(yùn)動(dòng)學(xué)，終止時(shí)間為72即曲柄運(yùn)動(dòng)兩圈，點(diǎn)運(yùn)行，機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。單擊“回放”，然后單擊“捕獲”，彈出窗口，輸出動(dòng)畫。如圖512。圖512動(dòng)畫捕獲54生成滑塊速度與時(shí)間關(guān)系的運(yùn)動(dòng)分析圖1單擊工具按鈕“生成分析”，彈出如圖513所示對(duì)話框圖513測(cè)量結(jié)果在彈出的對(duì)話框單擊新建按鈕，彈出“測(cè)量定義”對(duì)話框，如圖514所示圖514測(cè)量定義位置改為速度，選擇滑塊移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)移動(dòng)軸，點(diǎn)確定，在彈出的對(duì)話框中把分別繪制測(cè)量圖形打鉤，如圖515圖515測(cè)量圖形繪制2在結(jié)果集選擇一結(jié)果，點(diǎn)繪制圖形，即得到滑塊的速度圖，如圖516圖516仿真結(jié)果結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的學(xué)習(xí),查找資料，以及在老師的指導(dǎo)下，污泥處理船升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終確定下來(lái)了，這是一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，我們通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的比較，終于找到一種合適的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)污泥處理船升降，而且所設(shè)計(jì)方案是最佳方案，即采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降。除此之外，我們并對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，仿真，完成了機(jī)構(gòu)一系列動(dòng)畫模型，終于，在