使用有限元分析对商用飞机地面支持设备中的剪叉升降机结构设计进行审查外文翻译资料

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

使用有限元分析对商用飞机地面支持设备中的剪叉升降机结构设计进行审查

【摘要】

本研究利用有限元分析（FEA）回顾了由AEREX，UMW Advantech Sdn.Bhd.制造用于餐饮车高空作业的剪叉升降机结构。剪叉升降机构是餐饮升降机的主要和关键部件之一，其主要用于提升用于飞机维修的餐饮升降机的厢体。餐饮高架是通常用于服务商业飞机的飞机地面支持设备之一。根据DS-149标准，该设计由马来西亚安全和健康部（DOSH）在起重机设计下批准，它必须符合特定的工程设计标准。目前唯一适用的标准是ANSI标准MH29.1-2003“工业剪刀式升降机的安全要求”（ANSI MH29.1-1994的修订版）。注重偏转符合ANSI标准;不允许超过允许的最大偏差的计算。为了分析，手动计算，实体建模和计算机模拟涉及使用最先进的CAE软件。为获得准确的结果，我们进行了几个线性静态有限元分析。结果表明，挠度仍然在可接受的范围内。然而，一些制造商发现允许的最大偏转过大。因此，我们认为必须给出关于应用的关键区域的建议，并且必须采取其他安全预防措施以避免操作期间的故障事故。

关键词：计算机辅助工程（CAE），计算机辅助设计（CAD），剪刀升降机，餐饮升降机，有限元分析（FEA）

简介

在今天的商业航空公司和机场工业中，地面支持设备在协助航空公司地勤人员工作方面发挥重要作用。在飞机到达机场后繁忙的停靠时间里，地勤人员忙于装载和卸载行李、餐饮用品、水以及为飞机燃料箱加油，以备下次航班起飞。这些日常活动必须根据使用特定设备和机场车辆系统的标准程序和规范流程仔细处理。除此之外，所使用的设备和车辆安全问题优先考虑，每个设计必须遵守一定的法律认证标准。与此相关联，高升力或通常称为剪叉式升降机是构建地面支撑车辆的基本结构。大多数安装在货车底盘上，这种结构是每次提升活动时实现地面轻松与飞机机身对接的核心。

为了装载或卸载舱室必需品或甚至用于飞机日常维护，剪叉式升降机必须被良好地设计以支撑较大载荷和应力，使其在操作期间不会失效。在液压和电气系统的支持下，这种剪叉式升降机对于在商业航空公司和机场工业中制造或供应这种地面支持设备或车辆的每个公司来说是非常重要的机械结构。因此，为对其结构设计进行审查，前期对这种剪叉式升降机结构进行学习和研究显得尤为必要。这项研究主要是由马来西亚的一个知名公司UMW Advantech Sdn（前身为UMW工程私人有限公司）赞助支持，该公司在马来西亚的商业航空公司和国际各大机场行业均有很大的市场。

剪叉式升降机的设计应符合某些标准，作为获得马来西亚职业安全与健康部（DOSH）的设计批准的要求，即ANSI标准MH29.1-2003“工业剪刀式升降机的安全要求”（ANSI MH29.1-1994修订版）[1，2]AEREX（飞机地面支持设备）。UMW Advantech Sdn为马来西亚的商业飞机公司以及遍及世界各地的机场设计、制造、供应和委托飞机地面支持设备和车辆，图1（a）展示出了在本研究中使用的该公司为马来西亚的其他商业飞机公司设计和制造的餐饮高空作业车之一（降落驾驶室版本）。

对于利用餐饮高空架来维修飞机，我们主要通过安装到如图1（b）所示货车底盘上在厢体下方以“x”的形状的剪叉式升降机结构将餐饮高空车厢体升高到飞机门槛。使用液压和电气控制系统，剪叉式升降机将帮助航空公司机组人员根据正在维修的飞机类型将机舱推高到需要的高度。在降低厢式车厢体时，剪叉式升降机将随后缩回到其初始位置，在受控条件下缓慢地带回舱室。在剪叉结构的制造设计阶段，我们充分利用了高端的CAD，CAM和CAE软件。为建造整个剪叉升降机，在仔细的监督下仔细完成每个组件的焊接工作。生产过程中的每一个安全问题都应该考虑到位，没有理由对出现问题的任何错误给予任何容忍。也正因于此，AEREX餐饮高空成为全国许多商业飞机公司的首选地面支持车辆。

然而，在操作剪叉式升降机的应用程序时，刨除结构设计安全问题，操作不当也造成了许多严重的事故，目前数据已经确定，从1992年至1999年建筑行业339人死亡中其中大约有19％死于装有剪叉式升降机的电梯事故。另外一项有关升降台剪叉结构的安全防范措施的研究显示工作时，导致3-9m这个区间的高度坠落事故中56-59％源于剪叉式升降机坠落。此外，34个来自1986-1990年导致35人死亡的车载升降和旋转工作平台致命事故中有三分之一是由于材料或防护设施相关的设备失灵故障。因此，剪叉式升降机必须设计完善以避免设备故障，除了OSHA规定的安全措施外，工人需穿着个人防坠落设备，得到充分的保护，每次使用前都得要检查和在调校好的标准起升平台上训练工人。

模拟

2.1自由体图（FBD）

对分布在剪刀式升降机上载荷的计算只需要考虑一侧，因为剪式升降机在几何形状上是对称的。图2示出了剪式升降机上的负载分布的自由体图（FBD）。根据FBD计算，作用在RD和RE上的合力分别为3440kg和2175kg。

2.2偏差计算

使用ANSI标准MH29.1-2003“工业剪刀式升降机的安全要求”（ANSI MH29.1-1994的修订版）的最大允许平台边缘偏转计算使用公式（1）

垂直堆叠的连接杆结构的数量是位于单个应用上的剪叉的数量。对于本研究中使用的餐饮升降机，在厢体下方仅识别出一个垂直堆叠的伸缩臂架结构。从公式（1），最大允许平台边缘偏转尺寸计算如下：

2.3CAD模型的制作

在本研究中，SolidWorks软件是使用的主要CAD类实体建模软件。凭借其广泛的功能和强大的建模工具，它完全用于CAD建模阶段。剪叉式升降机包括14个主要部件组件，它们组装在一起以形成用于餐饮升降机的完整剪叉式升降机。外部和内部剪刀是两个主要部分，轴承和中心销绑定在一起组成整个剪刀升降机。对部件建模时，每个子部件被保存为单独的部件，从而当组装部件时，所有建模的子部件被取回以组装以构建整个剪刀式升降机作为完整的组件。图3示出了使用包括外部剪叉臂架（橙色）和内部剪叉臂架（灰色）的SolidWorks软件生成的剪刀升降机的CAD模型。

使用Parasolid格式导出完整的CAD装配模型，因为该格式使得数据可以在SolidWorks和CAE软件Abaqus/CAE之间直接传输。使用正确格式的数据传输将避免任何丢失数据，并最终在生成用于分析的有限元模型时简化CAD模型的网格划分。

2.4有限元分析（FEA）模拟

要想使用CAE Abaqus/CAE软件运行FEA模拟，就必须生成剪刀式升降机结构的有限元模型。这是因为，自20世纪60年代初以来，有限元分析方法取得了很大进展，今天它被视为一种由数学定义语句构成的解决离散问题的一般程序，可以进行多个数值实验。然而，在该分析中仅使用内部剪叉臂架，因为考虑到如果内部剪刀臂架（更小的剪刀升降机）能够承受施加在其上的负载，则外部剪叉臂架将在操作期间发生是安全的。

如图（4）内部剪叉臂架的有限元模型已使用约295个近似有限单元全局尺寸网格化。在监测剪叉升降机结构上的偏转趋势分析模拟最后一次运行中使用的近似有限单元已经减小到50粒。为使有限元模型产生更精细的网格，并给出更准确的结果，CAE软件在剪叉升降有限元模型上运行了五次模拟，由此每个模拟，使用的有限单元数量不断减少。

3结果与讨论

图5（a）示出了在内部剪叉臂架的一侧上发生的最大偏转，其中厢式车通过使用默认尺寸的网格特征（使用295个相似有限单元）通过FEA模拟附接到剪叉臂架上。同时，图5（b）示出了使用最细网格（使用50个种子的近似全局尺寸）的最大偏转。这些偏转在图5中用红色示出。

图5两个尺寸的网格的偏转看起来是一样的。这是因为他们之间只是每次模拟设置的变形因子标度不同。然而，图例显示了可能发生在结构上的可能的偏转。表1总结了通过使用不同尺寸的网格的五次模拟过程中内部剪叉臂架提升可能发生的最大偏转。

同时，根据ANSI标准MH29.1-2003“工业剪叉式升降机的安全要求”（ANSI MH29.1-1994的修订版）从人工计算允许的最大平台边缘偏转，最大挠度为47.20 mm。从获得的结果可以清楚地看出，使用CAE Abaqus/CAE 6.7-1软件从FEA模拟获得的最大挠度不超过使用ANSI标准计算的最大挠曲极限。对于内部剪叉臂架，计算出的最大挠度为47.20mm，从而从FEA模拟得到的是42.89mm，仅比最大挠曲极限低9.1％。

没有分析外部剪叉臂架，主要是因为通过单独分析内部剪叉臂架，足以验证外部剪叉臂架是否提升最大偏转低于计算的最大偏转。这是因为内部剪叉臂架保持比外部剪叉臂架高44％的负载，这意味着内部剪刀升降机将比外部剪刀升降机偏转更多。根据制造商关于它们从ANSI标准获得的最大挠曲的反馈，允许的最大挠曲极限太大而不能遵循。因此，必须给出关于在使用期间可能导致剪叉升降机失效的关键区域的建议。如果不是这样，由于每小时操作的高循环使用（例如平台扭转，气缸侧面加载和磨损，中心轴销挤出和中心轴衬套的磨损），它可以引起许多其它问题。这通过不允许对可能发生的最大挠曲给出任何公差强制性添加挠曲限制来实现。

结论

由AEREX，UMW Advantech Sdn.Bhd有限公司制造的餐饮剪叉式升降机的结构设计已通过验证符合ANSI标准MH29.1-2003“工业剪刀式升降机的安全要求”（ANSI MH29.1-1994的修订版），与此同时，AEREX用于马来西亚职业安全与健康部（DOSH）的起重机设计也获得了审核通过。因此，AEREX，UMW Advantech Sdn公司在全世界机场为商用飞机服务的餐饮升降机可以占据更大的市场。

致谢

最高感谢和确认UMW Advantech Sdn有限公司提供CAD数据和相关文件，马来西亚普特拉大学工程学院以及MARA大学工程中心CADEM中心的设施和支持。

附加：2.方法

这项研究检查了具有坠落阻力的剪式电梯的结构和动态稳定性。这是通过两个类别的测试完成的：（1）对刚性梁进行跌落测试（2）对剪叉式升降机进行跌落测试。

2.1.刚性梁下降测试

2.1.1.材料

ANSI Z359.1-2007使用套加重量高达1800 lb（8000 N）的刚性板作为个人防坠落系统检测时的最大阻力（MAF）。为更好地识别期望的防坠落力的刚性重量和自由落体高度的组合，锚固到刚性梁结构的下垂刚性重物是必需的。对于本研究选择了以下阻滞水平：500磅（2224N），1000磅（4448N），1500磅（6672N），1800磅（8000N）和2400磅（10,675N））。最终测试点（2400磅或10,675 N）虽然超过允许的MAF，但可以被选择用于评估由剪刀升降机提供的安全系数与1800磅（8000 N）的标准限制。

由于目标是以已知的阻滞力装载剪叉式升降机结构，因此这部分研究不需要EAL。由于其耐久性和强度，在初始跌落测试期间支持刚性重量我们选择平均强度为16,300磅（72,502 N）的5/8“（16毫米）Nystron绳索（Samson Rope Technologies Inc.，Ferndale，WA和Gravitec Systems Inc.，Bainbridge Island，WA）。Nystron供应长度为6英尺（1.829米），带有拼接的顶针。用于保持刚性重量的夹具由螺纹杆，套管和锁定件组成（见图1），将重量加到螺杆上并达到所需的重量。

用于这些跌落试验的刚性梁锚固件由两个连接并固定在底部的I型梁结构形状组成。板被固定到I型梁，以允许从I型梁偏移以进行移动。

2.1.2.仪器仪表

仪表主要包括由一个用于记录最大阻滞力（MAF）的测力传感器，用于定位跌落测试夹具的串电位计，用于固定和释放跌落测试夹具的电磁铁以及运行LabVIEW数据采集应用的笔记本电脑。

选择3000磅（13.4KN）S型称重传感器（Interface Inc.，Scottsdale，AZ）记录MAF，并在测试之前校准称重传感器。称重传感器的一端连接到锚固位置，另一端连接到挂绳上。使用常见的枷锁和螺纹眼螺栓将称重传感器连接到锚杆和挂绳上（见图2）。称重传感器电信号连接到动力信号调节器（型号SGA，Interface Inc.，Scottsdale，AZ），并通过数据采集卡将信号调节器的输出连接到笔记本电脑。

使用250英寸（6.35m）的容量串电位器（型号PT5D，Celesco Transducer Products，Inc.，Chatsworth，CA）来测量落下测试夹具底部的高度。在测试之前，确定自由落体高度，并使用线性电位器从跌落测试夹具的地板到底部进行测量。记录这个高度，并通过升高跌落测试夹具开始每个测试，直到线性电位器显示适当的高度。这些工作旨在确保了一致的起始位置。

使用一个大型电磁铁（型号SE-35352，磁性产品公司，Highland，MI）将跌落试验的夹具固定在5吨（4535公斤）桥式起重机的吊钩上。使用标准的钩环和螺纹螺栓将电磁铁连接到起重机的吊钩上。电磁铁额定起升重量为700磅（317公斤）。与电磁铁的面积相匹配的小型钢板连接到落下试验夹具的顶部。为了将电磁铁安装在跌落试验夹具上，应将钢板固定在电磁铁的底部，然后电磁通电。为了使落下测试夹具脱开，电磁铁被断电，导致跌落测试夹具被释放。钢板和电磁铁一侧也安装有磁簧开关。开关的输出电信号连接到笔记本电脑，并记录从电磁铁释放开始数据文件中作为下降测试夹具的精确时间。

一台笔记本电脑（戴尔，德克萨斯州Round Rock）配备了数据采集（DAQCard-6036E，美国国家仪器公司，美国德克萨斯州奥斯汀），并

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140078]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word