1 作业臂结构特点和组成
该高空作业车采用折叠式工作臂结构，工作装置为液压驱动，360。全回转。除高空作业外，还设有起重装置，一机多用。工作臂为2节折叠臂。具有操作简便，稳定性好等特点。其组成由高空作业臂和起重工作臂两部分，如图1所示。高空作业臂包括上臂2和下臂1，上臂头部有工作平台6。行驶状态时，2节工作臂折叠在一起；进行高空作业时，2节工作臂分别由上下臂油缸4举升伸展至一定角度。上臂和下臂间通过水平销轴铰接。起重工作臂由基本臂1和伸缩臂3组成。高空作业时下臂兼做起重基本臂。伸缩臂由伸缩臂油缸5控制，不工作时伸缩臂回缩至基本臂内部；起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。升缩臂根部通过销轴与升缩臂油缸铰接，升缩臂和基本臂间有滑块，以保证伸缩臂能平稳运动。伸缩臂与油缸、基本臂根部和回转平台也通过水平销轴铰接。
2 作业臂的三维有限元模型
2．1 利用sat文件格式导入实体
虽然ANSYS本身有实体建模功能，但对结构较复杂的实体模型，需频繁转换坐标系和工作面，建模难度很大。但AN—SYS可与多种CAD软件集成并有接口，利用ANSYS提供的数据接口，可精确地将CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS中。在AutoCAD中建立作业臂的三维实体模型，然后，将Au—toCAD中完成的实体模型转化为sat文件格式，导入有限元分析软件ANSYS，为建立作业臂的三维有限元模型做准备。由于众多的软件对sat格式的解释不同，所以不能保证AutoCAD中作业臂的sat模型完全准确地导人ANSYS。如果sat模型中存在不能形成拓扑结构的细缝时或存在尖角或凸台时，都有可能导致有限元模型建立的失败。因此，利用AutoCAD建立作业臂的三维实体模型时，要注意仔细检查模型中是否存在微细裂纹强微小凸台，避免模型结构的反复修改。
作业臂结构复杂，完全按实体结构进行三维有限元分析十分困难，因此在建立有限元模型之前应进行必要的简化。实践证明，对于复杂的结构，在不影响计算精度的前提下，做一些适当的简化是必要的。一则可以减少许多繁琐的工作，大大减少工作量；再则可以缩短设计周期，为进一步改善设计创造条件。在建模时略去作业臂上为安装某些附件而设置的小孔、凸缘。实践证明，这对作业臂整体强度、刚度影响很小，但在划分网格时，可以节省大量的计算机资源。另外，计算模型中没有考虑钢板焊接应力及焊缝的影响，而且良好焊缝质量可以减少应力集中。
2．2 建立有限元模型
2．2．1 确定建模方案
对作业臂进行有限元分析的方案有2个：① 将整个作业臂作为1个整体建模，进行计算；②将作业臂分成上臂、下臂(即基本臂)、伸缩臂单独建模，分别计算。经过综合分析比较，多次建模试算，选择方案一，将上臂、下臂(基本臂)、伸缩臂及油缸联接在一体进行建模，各臂间的联接和油缸与臂间的联接采用耦合的方法加以处理，建立有限元模型，进行结构分析。
2．2．2 单元划分
在对作业臂三维模型划分有限元网格单元以前，必须确定单元的类型、单元常数以及单元的材料特性等。作业臂主要是由钢板焊接而成，可选择二维板单元与三维体单元混合划分，或全部使用三维体单元。考虑到模型较大，若使用板单元、体单元混合划分，则工作量很大。因此，选用ANSYS单元库中的solid92单元。solid92是有中间节点的二次十节点四面体实体单元，用于仿真3D实体结构。每个节点具有x,y、z位移方向的3个自由度。但由于臂主要受力矩作用，为此在选择单元类型后又增加3个转动自由度(ROTX、ROTY、ROTZ)，这样可以较好的描述各臂的变形和受力情况。对复杂的三维实体模型有较好的计算精度。升降臂主体材料为16Mn，其密度为7850kg／m ，弹性模量为2．1e+1 1，泊松比取0．3。采用自由(Free)网格方法划分网格。由于臂长尺寸较大，而厚度较小，如采用智能尺寸控制，则分网后单元太多，计算效率很低，因此采用人工设置网格尺寸大小，上下臂和升缩臂的单元边长取0．03，销轴、油缸、滑块的单元边长取0．015，最终形成的有限元模型规模为：节点数1431 16，单元数73567。
2．2．3 约束与载荷处理
下臂(基本臂)尾端与回转台通过销轴铰接，同时下臂油缸与下臂也为铰接，因此这2处均为约束3个方向的平动自由度(UX、UY、UZ)和2个方法的转动自由度(ROTY、ROTZ)，释放沿销轴中心回转的转动自由度(ROTX)。在作业臂计算模型中，载荷可按如下方式处理：对于作业臂的自重，在ANSYS软件前处理模块中输入作业臂所用材料的密度和重力加速度，程序便根据输入的单元类型、实常数自动将单元载荷因子的信息计人总载荷，进行计算；对于载重力，如高空作业时的额定载荷，起重作业时的吊重等，可作为集中载荷，分别作用于上臂头部和伸缩吊臂头部。
(1)上臂头部垂直载荷Q．
Q = 。(Q0+G0)式中： 为动力系数，取1．2—1．4；Q。为平台额定载荷；G。为平台自重。
(2)伸缩臂垂直载荷Q
Q2= 2(F+G1)式中： 为与起升速度有关的起升冲击系数，取1．3；F为载额定起重量；G1为吊钩自重
(3)起升钢丝绳拉力
S= 2(F+GI~’rim)式中： 为起升滑轮组效率；m为起升滑轮组倍率在实际工作时，还会受到风载荷的作用，强风的作用能使平台的结构过载。根据作业车操作规范要求，风力超过6级(即风速39—49m／s)时，作业车应停止工作。若风速”：49km／h，空气密度为P，则产生的风压P= ／2，约90N／m显然，与工作载荷相比，风载荷较小，因此，实际计算时不考虑风载荷的影响。施加这些集中载荷时，可以施加到节点上，也可以施加于关键点上。但施加在关键点的载荷在求解前都被转换到节点坐标系中，其方向也指的是节点坐标系上的方向。
2．2．4 油缸与臂联接处的耦合处理
上臂和下臂间、上臂升缩油缸和上下臂间、升缩臂和下臂间是通过销轴联接起来的，尚没有成熟的计算理论来完成该部位的强度计算，一般在实际处理时，采用自由度耦合的方法。上臂和下臂的铰接、油缸和各臂的铰接处，耦合时，选取铰孔和销轴接触面的若干节点，耦合其所有自由度(即3个平动自由度UX、UY、UZ和3个转动自由度ROTX、ROTY、ROTZ)。然后释放掉绕轴旋转的1个自由度ROTZ，这样，它们之间就有一定的相对转动，可以模拟销轴联接。伸缩臂与下臂间通过滑块连接，伸缩臂头部的滑块与下臂通过螺栓刚性联接，尾部滑块与伸缩臂刚性联接。工作时，滑块与吊臂保持接触，但它们之间沿接触面的法向自由度必须耦合，而切向自由度则不能耦合，必须释放掉。
3 计算结果处理与分析
由于作业车需根据不同作业高度和起重量调整作业状态，故选取几个在额定载荷下的不同作业状态进行分析，选取原则是根据力学经验判断的各臂危险状态时的作业位置。有以下5种工况：工况l为高空作业最大作业幅度时；工况2为基本臂水平最大吊重；工况3为基本臂倾斜75。最大吊重；工况4为全升臂水平最大吊重；工况5为全升臂倾斜75。最大吊重(基本臂和全升臂最大吊重与倾角有关)。根据计算结果。得出作业臂的最大应力分布，通过几种状态下作业臂的分析，可知，上臂最大应力为125MPa，伸缩臂最大应力为82．8 MPa，而材料的许用应力为125 MPa，故上臂和伸缩臂均满足强度要求。根据应力云图图2可以看到，各臂除应力集中处应力较大外，其余绝大部分处的应力都较小。因此，在这些部位可以采用增加筋板等措施，以加强该部位的强度，同时，适当减小整个臂的截面尺寸，以降低臂的自重。下臂最大应力达144 MPa，已不能满足强度要求。应力集中区主要位于油缸与臂的铰接处及接触处，应力分布如图2所示。此处可考虑增大支承垫板的厚度、由1对支座改为2对支座等措施，以增加该部分的强度。