分類號(hào)學(xué)號(hào)M201270504學(xué)校代碼10487密級(jí)碩士學(xué)位論文兩相材料消防云梯車梯架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析研究學(xué)位申請(qǐng)人：學(xué)科專業(yè)：車輛工程指導(dǎo)教師：黃其柏教授答辯日期：2015年5月18日

AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringDesignandAnalysisofTwo-phasematerialLadderStructureofAerialLadderTruckCandidate:QinghuaHuangMajor:VehicleEngineeringSupervisor:Prof.QibaiHuangHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2015獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本論文屬于保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于不保密□。（請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打?！?。）學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日 日期：年月日華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文（2）模態(tài)分析模態(tài)分析，通常用來(lái)得到結(jié)構(gòu)的固有頻率的一種常用方法。同樣的模態(tài)分析的結(jié)果可以很好的幫系統(tǒng)避免共振。理論上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性取決于此，因此，模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，必須要做的分析，也是首先要做的分析，具有很重要的意義。模態(tài)分析理論闡述到，所有的機(jī)械的結(jié)構(gòu)均存在無(wú)數(shù)個(gè)固有頻率，把這些個(gè)固有頻率從大到小依次排列，頻率最小的我們把它叫做一階頻率，同理，把接下來(lái)的叫做二階、三階頻率等等。在現(xiàn)實(shí)工程分析過(guò)程中，工程人員不會(huì)去獲取所有的無(wú)限多個(gè)的固有頻率，更重要的是，系統(tǒng)的固有頻率和頻率的階數(shù)成反比，原因是前幾階頻率在相同的激勵(lì)下產(chǎn)生的響應(yīng)，占了比較大的權(quán)重，因此工程上最關(guān)注低階的頻率。綜上所述，本章節(jié)做模態(tài)分析時(shí)，僅僅只分析一到六階模態(tài)。模態(tài)的分析的準(zhǔn)備工作，同樣要設(shè)置結(jié)構(gòu)的材料的彈性模量、泊松比還有密度等小關(guān)參數(shù)。定義完成模態(tài)分析的各項(xiàng)指標(biāo)之后，便可以開(kāi)始模態(tài)分析的工作，目標(biāo)是獲取結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)固有頻率和這六階模態(tài)對(duì)應(yīng)的振型。①無(wú)碳纖維純鋼板的模態(tài)描述如表2-3所示：表2-3無(wú)碳纖維加固純鋼板的模態(tài)一到六階固有頻率和振型描述模態(tài)固有頻率（赫茲）振型描述13.2879Z向一階彎曲220.6Z向二階彎曲357.716Z向三階彎曲463.213繞X軸彎曲震蕩581.102Y向一階彎曲6113.25Z向四階彎曲1階模態(tài)2階模態(tài)3階模態(tài)4階模態(tài)5階模態(tài)6階模態(tài)②碳纖維加固鋼板的模態(tài)描述如表2-4所示：表2-4碳纖維加固鋼板的模態(tài)前六階固有頻率和振型描述模態(tài)固有頻率（赫茲）振型描述13.4445Z向一階彎曲222.263Z向二階彎曲362.221繞X軸彎曲震蕩463.141Z向三階彎曲579.448Y向一階彎曲6125.61Z向四階彎曲1階模態(tài)2階模態(tài)3階模態(tài)4階模態(tài)5階模態(tài)6階模態(tài)優(yōu)化前后的模態(tài)對(duì)比：表25懸臂梁結(jié)構(gòu)加固優(yōu)化前后模態(tài)固有頻率比對(duì)單位：赫茲第1階第2階第3階第4階第5階第6階優(yōu)化前3.287920.657.71663.21381.102113.25優(yōu)化后3.444522.26362.22163.14179.448125.61上文得出懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)模態(tài)分析得到的一到六階固有頻率，包括加固前后振型比對(duì)表，能夠發(fā)現(xiàn)加固后懸臂梁的一到六階振型與加固前是一致的，僅第3、4階的振型互換。加固后懸臂梁結(jié)構(gòu)的Z向前四階模態(tài)固有頻率和加固前相比提升了，說(shuō)明系統(tǒng)的剛度得到了提升。2.7不同厚度碳纖維布預(yù)應(yīng)力加固鋼梁效果研究前文分析對(duì)比了有碳纖維材料加固和無(wú)碳纖維加固鋼梁在靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模態(tài)特性上優(yōu)化前后的差異。所采用的碳纖維材料均為厚度為2mm的碳纖維材料，本節(jié)將探求厚度對(duì)碳纖維產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力大小的影響。在相同的材料參數(shù)下，運(yùn)用相同的有限元分析方法，對(duì)厚度為3mm和5mm的碳纖維材料進(jìn)行分析。有限元分析結(jié)果如下：碳纖維厚度3mm碳纖維厚度5mm采用3mm厚碳纖維布，施加2800度載荷，在長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生719.82MPa內(nèi)應(yīng)力。厚度更改為5mm，仍然無(wú)明顯變化，產(chǎn)生應(yīng)力為719.72MPa。說(shuō)明在有限元分析的基礎(chǔ)下，碳纖維的厚度對(duì)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的大小無(wú)明顯的影響。2.8本章小結(jié)本章概述了有限元分析理論，之后簡(jiǎn)單介紹了ANSYS軟件。之后通過(guò)CATIA三維建模軟件和有限元分析軟件，對(duì)碳纖維加固鋼梁進(jìn)行建立模型。之后探討了一種在有限元軟件中模擬碳纖維材料產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的方案，利用升溫法，找到溫度和材料內(nèi)應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在靜力學(xué)分析中，對(duì)該加固結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行分析，來(lái)對(duì)比優(yōu)化前后的兩種方案。有限元分析結(jié)果表明，碳纖維加固的方案對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)表現(xiàn)和整體剛度上有較好的提高。第3章兩相材料云梯車梯架結(jié)構(gòu)有限元分析3.1綜述有限元法是廣泛被工程實(shí)例分析所使用的數(shù)值仿真方法。本章節(jié)中著重采用有限元的方法對(duì)經(jīng)過(guò)碳纖維材料加固優(yōu)化之后的梯架結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)特性上的分析。主要運(yùn)用ANSYSworkbench分析臂架結(jié)構(gòu)的承載能力表現(xiàn)，通過(guò)對(duì)比梯架結(jié)構(gòu)在外加工作載荷下，優(yōu)化前后的應(yīng)力云圖和位移云圖，還有模態(tài)特性上的變化，檢驗(yàn)優(yōu)化之后系統(tǒng)在強(qiáng)度和剛度上的優(yōu)化效果。有限元建立模型，作為有限元分析最基本的操作，在有限元分析中占很重要的地位。有限元建模一般有這幾個(gè)步奏：等效簡(jiǎn)化三維模型、導(dǎo)入三維模型建立有限元模型、指定部件的材料和材料屬性、劃分網(wǎng)格并設(shè)置邊界約束條件。建立的有限元模型質(zhì)量的好壞和有限元分析的結(jié)果息息相關(guān)，對(duì)提現(xiàn)臂架系統(tǒng)的承載能力具有重要意義。模態(tài)分析又是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減振降噪的工作上有重要的意義。本章將重點(diǎn)分析云梯車臂架系統(tǒng)在碳纖維材料優(yōu)化之后的靜力學(xué)和模態(tài)特性。3.2梯架結(jié)構(gòu)的有限元建模3.2.1梯架系統(tǒng)簡(jiǎn)介做為云梯車最重要的部分，臂架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是有限元分析的重點(diǎn)。本章將需要研究的云梯消防車的梯架定為，桁架式槽型鋼材，臂架的截面是凹型的。以這種形式的鋼材作為組成材料，能有效的減輕質(zhì)量、在運(yùn)動(dòng)性能上也很優(yōu)異，而且操作也很方便，在救援的速度上也得到了提升。綜上所述，云梯車的臂架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是本章節(jié)最主要的分析對(duì)象。3.2.2梯架實(shí)體模型的建立梯架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化本文的臂架系統(tǒng)由四節(jié)桁架組成，第一節(jié)臂架和云梯車轉(zhuǎn)臺(tái)操作平臺(tái)進(jìn)行固連。三維模型的細(xì)節(jié)精度和仿真的效果息息相關(guān)。因此對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的精簡(jiǎn)勢(shì)在必行。然而在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的工作中也要考慮一些準(zhǔn)則，否則仿真將沒(méi)有實(shí)際意義。在進(jìn)行有限元模態(tài)分析時(shí)，得出的結(jié)果是待分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，很大程度上被結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量所決定，多次實(shí)踐證明，細(xì)小的結(jié)構(gòu)尺寸不會(huì)對(duì)分析的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特別大的影響，因此，進(jìn)行模態(tài)分析的時(shí)候，可以加大模型簡(jiǎn)化的力度。有限元模型的規(guī)模越大，其分析的結(jié)果精度就越小，這兩者是互相制約著的。所以，構(gòu)建有限元模型的同時(shí)，應(yīng)該考慮多方面的因素，權(quán)衡各種各樣的條件，希望能達(dá)到最理想的結(jié)果，在保證有限元分析的準(zhǔn)確性精確度的同時(shí)，又不至于使得模型的規(guī)模太大而浪費(fèi)多余的人力和物力。綜上所述，在充分研究了臂架系統(tǒng)的組成部分之后，建議采用以下的原則，對(duì)云梯車的臂架系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化：刪除臂架上的升降滑輪機(jī)構(gòu)、金屬繩、液壓油路線路等；忽略焊縫，減少焊縫對(duì)整體的影響；直徑偏小的圓角直接當(dāng)作直角進(jìn)行等化；臂架末端工作平臺(tái)直接簡(jiǎn)化為施加在臂架末端的載荷。梯架實(shí)體三維模型的建立本文運(yùn)用CATIA三維CAD建模軟件，對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。經(jīng)調(diào)查，臂架結(jié)構(gòu)每個(gè)部分之間均用縫焊焊接的方式進(jìn)行連接，部件之間連接的強(qiáng)度非常高。由于在簡(jiǎn)化之中忽略了焊縫的影響，于是等效處理為固連的連接方式。根據(jù)合作單位的生產(chǎn)圖紙可得，云梯車臂架的梯蹬是一字型的，側(cè)臂和臂架一樣采取桁架的形式，每一節(jié)的臂架長(zhǎng)度均為10.030m，每?jī)晒?jié)臂架在完全伸狀態(tài)下，重合的部分，相當(dāng)于臂架長(zhǎng)度的五分之一。首個(gè)梯架固連在托架之上。根據(jù)這些敘述，組建臂架三維模型，如圖3-1所示。 圖3-1云梯消防車梯架幾何模型碳纖維加固梯架結(jié)構(gòu)模型的建立在原有梯架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入碳纖維加固梯架。整個(gè)梯架系統(tǒng)主要受力部分為梯架的下弦桿，于是在下弦桿上引入碳纖維。運(yùn)用CATIA三維軟件在下弦桿的型材內(nèi)壁進(jìn)行面提取的操作，為后面的有限元分析打下基礎(chǔ)。如圖3-2所示圖3-2碳纖維加固梯架結(jié)構(gòu)模型3.2.3有限元模型的建立CAE三維模型與有限元分析軟件對(duì)接將簡(jiǎn)化完成之后的三維模型，通過(guò)CATIA自帶轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)化為STP格式的文件。然后在有限元軟件操作界面中，通過(guò)geometry模塊，將STP格式的三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件當(dāng)中來(lái)。模型網(wǎng)格劃分ANSYSWorkBench提供兩種網(wǎng)格劃分的方式。自動(dòng)網(wǎng)格劃分可以幫助操作者簡(jiǎn)單的劃分網(wǎng)格，而ICEMCFD網(wǎng)格，則是會(huì)提供一種更加專業(yè)的網(wǎng)格劃分方法。按照本節(jié)所確定的三維模型，將在接下來(lái)的分析中采用自動(dòng)工具來(lái)劃分臂架的三維模型。具體的流程為：先定義單元的屬性，然后網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置，最后生成網(wǎng)格。首先需要確認(rèn)分析單元的類型，設(shè)定好對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)。系統(tǒng)中提供多種單元類型，具體介紹如下。梁?jiǎn)卧?，在幾何意義上是一維的概念，在數(shù)字模擬空間上體現(xiàn)出二維乃至三維的特性。梁?jiǎn)卧腥缦绿攸c(diǎn)，在劃分網(wǎng)格的操作中，由于節(jié)點(diǎn)的數(shù)量很少，能極大的節(jié)約時(shí)間提高效率，減輕前處理所占用的精力。相對(duì)的無(wú)法真實(shí)反映應(yīng)力的集中和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的情況。板殼單元，特別適用于分析薄板件，由于網(wǎng)格劃分僅僅在表面上，所以能極大提升效率。然而殼單元?jiǎng)t需要耗費(fèi)大量精力在前處理的環(huán)節(jié)。實(shí)體單元，適用于模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)工件，數(shù)值仿真的耗時(shí)是三者中最長(zhǎng)的，能夠非常準(zhǔn)確分析出結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力，廣泛應(yīng)用于實(shí)際的工程項(xiàng)目中。本章節(jié)選用實(shí)體單元，有限元建模的準(zhǔn)備工作是，提前確定好每個(gè)部分對(duì)應(yīng)的材料。本文將高強(qiáng)度鋼作為云梯車的梯架結(jié)構(gòu)材料，材料參數(shù)見(jiàn)表3-1：表3-1有限元分析采用的參數(shù)材料材料性能備注鋼梁E=200Gpa；μ=0.3各向同性材料碳纖維材料Ex=300Gpa；Ey=Ez=1Gpa；各向正交異性材料按照前文介紹的原則進(jìn)行劃分網(wǎng)格的工作時(shí)，必須兼顧精度與時(shí)間這兩個(gè)方面，經(jīng)驗(yàn)得知比較適宜的網(wǎng)格大小為100mm。為了達(dá)到每個(gè)組成部件均有適合的網(wǎng)格劃分策略，本文對(duì)梯架的下弦桿采取了掃略的方式進(jìn)行劃分。完成這個(gè)過(guò)程之后，應(yīng)該要評(píng)估一下網(wǎng)格劃分的好壞。檢查出結(jié)果之后，需要對(duì)個(gè)別部分再進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到最優(yōu)質(zhì)的效果。臂架結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分局部放大示意如下圖3-3所示：圖3-3梯架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格局部有限元模型3.2.4極限工況下臂架的靜力學(xué)分析約束設(shè)置及載荷處理當(dāng)臂架全部伸展處于完全水平狀態(tài)時(shí)，是臂架受力的極限狀態(tài)。所以要著重分析該工況。在此工況下，臂架承受的載荷有：自重、操作斗的自身重力還有作業(yè)時(shí)承受的外在載荷。除臂架外的其他部分因?yàn)楹?jiǎn)化的工作沒(méi)有實(shí)施在分析的模型之中。因此除了自重外，其他的載荷等效在最后一節(jié)梯架的末端上。依照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合歐美國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，取安全系數(shù)為1.5。根據(jù)資料，將系統(tǒng)的額定載荷，獲得外在測(cè)試載荷為，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，重力系數(shù)為，最終算出施加在最后一節(jié)臂架末端的外載荷為。同樣的，根據(jù)本論文第二章的內(nèi)容，運(yùn)用升溫法，可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)施預(yù)應(yīng)力。梯架系統(tǒng)施加邊界約束后的模型如圖3-4所示：圖3-4云梯車梯架結(jié)構(gòu)施加載荷圖靜力學(xué)分析進(jìn)行完前處理后，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)系統(tǒng)的靜力學(xué)特性進(jìn)行分析，得出以下的結(jié)果。圖3-5為完全水平工況下梯架應(yīng)力云圖，圖3-6標(biāo)出了最大的應(yīng)力點(diǎn)，圖3-7為臂架系統(tǒng)位移云圖。圖3-5靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖圖3-6靜力學(xué)分析最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力云圖圖3-7靜力學(xué)分析臂架系統(tǒng)位移云圖從上面的結(jié)果可以得到，云梯車梯架在優(yōu)化之前的最大的應(yīng)力是375.14，產(chǎn)生于首節(jié)梯架梯弦的前端。臂架變形量最大的產(chǎn)生在第四節(jié)末端，往固定約束方向逐漸遞減，最大位移約為1.417m。3.3臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后靜力學(xué)對(duì)照分析本節(jié)將分析云梯車在預(yù)應(yīng)力碳纖維加固后，完全水平伸展，即最危險(xiǎn)工況條件下，在靜力學(xué)上的表現(xiàn)，并對(duì)比優(yōu)化前的靜力學(xué)特性。流程是有限元軟件分析梯架結(jié)構(gòu)在碳纖維加固前后的位移云圖和應(yīng)力云圖，計(jì)算出系統(tǒng)的應(yīng)力極值和位移極值，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果討論分析。3.3.1靜力學(xué)分析結(jié)果ANSYSWorkbench軟件對(duì)施加了預(yù)應(yīng)力碳纖維加固后的梯架結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算其最危險(xiǎn)工況下的靜力學(xué)性能，得到優(yōu)化后的云梯車在完全水平伸展下，梯架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移云圖：位移云圖下圖3-8和圖3-9為臂架結(jié)構(gòu)在優(yōu)化后的應(yīng)力和位移云圖：圖3-8梯架結(jié)構(gòu)碳纖維加固后位移云圖圖3-9梯架結(jié)構(gòu)碳纖維加固后應(yīng)力云圖圖3-10梯架結(jié)構(gòu)碳纖維加固后最大應(yīng)力標(biāo)定3.3.2靜力學(xué)結(jié)果分析綜合上面的分析，可以得出優(yōu)化前臂架在靜力學(xué)上的應(yīng)力和位移表現(xiàn)，可以得出梯架結(jié)構(gòu)在完全水平伸展，即最危險(xiǎn)的工況下，當(dāng)受到測(cè)試載荷時(shí)，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為375MPa，最大的位移為1.41m。碳纖維加固優(yōu)化后，臂架的應(yīng)力極值下降為335.13MPa，位移極值減少到1.25m。可見(jiàn)碳纖維加固臂架優(yōu)化后，對(duì)整體臂架系統(tǒng)的強(qiáng)度有明顯的改善。3.4優(yōu)化前后云梯車梯架系統(tǒng)的模態(tài)分析模態(tài)分析理論闡述到，所有的機(jī)械的結(jié)構(gòu)均存在無(wú)數(shù)個(gè)固有頻率，把這些個(gè)固有頻率從大到小依次排列，頻率最小的我們把它叫做一階頻率，同理，把接下來(lái)的叫做二階、三階頻率等等。在現(xiàn)實(shí)工程分析過(guò)程中，工程人員不會(huì)去獲取所有的無(wú)限多個(gè)的固有頻率，更重要的是，系統(tǒng)的固有頻率和頻率階次成反比，原因是前幾階的頻率在相同的激勵(lì)下產(chǎn)生的響應(yīng)，占了比較大的權(quán)重，因此工程上最關(guān)注低階的頻率。綜上所述，為梯架系統(tǒng)做模態(tài)分析時(shí)，僅僅只關(guān)注一到六階的模態(tài)。模態(tài)分析時(shí)，要設(shè)置梯架材料的彈性模量、泊松比還有密度。約束條件設(shè)置，模仿實(shí)際工況，依然將約束定臂架和車梯的鉸接位置。定義完成模態(tài)分析的各項(xiàng)指標(biāo)之后，便開(kāi)始模態(tài)分析的工作，目標(biāo)是獲取一到六階模態(tài)固有頻率和對(duì)應(yīng)的振型。設(shè)置約束條件時(shí)，與上文的靜力學(xué)分析設(shè)置的條件相同。做好前期參數(shù)設(shè)置后，開(kāi)始模態(tài)分析，得出臂架系統(tǒng)的一到六階模態(tài)頻率以及它們相對(duì)應(yīng)的振型。表3-2梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前固有頻率與對(duì)應(yīng)振型模態(tài)固有頻率（赫茲）振型10.62436Z向一階彎曲20.67466Y向一階彎曲32.0066Y向二階彎曲42.5414繞X軸扭轉(zhuǎn)變形53.4748Z向二階彎曲64.1021Y向三階彎曲振型圖如圖3-11到圖3-16：圖3-11梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前第一階振型圖圖3-12梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前第二階振型圖圖3-13梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前第三階振型圖圖3-14梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前第四階振型圖圖3-15梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前第五階振型圖圖3-16梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前第六階振型圖從模態(tài)分析的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)臂架系統(tǒng)的模態(tài)特性表現(xiàn)。臂架結(jié)構(gòu)一到六階模態(tài)的固頻率，集中在5赫茲之內(nèi)。綜合起來(lái)，梯架結(jié)構(gòu)的一、二階和五、六階的振型是梯架在Y方向或者Z方向上的彎曲，而第三、四階的振型則表現(xiàn)出了大程度的扭曲。下面介紹碳纖維材料加固梯架結(jié)構(gòu)之后的模態(tài)分析效果。碳纖維加固梯架結(jié)構(gòu)一到六階模態(tài)頻率和對(duì)應(yīng)的振型見(jiàn)表3-3：表3-3梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后固有頻率與振型模態(tài)固有頻率（赫茲）振型10.77045Z向一階彎曲20.89562Y向一階彎曲32.5032Y向二階彎曲42.7404繞X軸扭轉(zhuǎn)變形53.4827Z向二階彎曲65.0481Y向三階彎曲梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后振型如圖3-17至圖3-22：圖3-17梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第一階振型圖圖3-18梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第二階振型圖圖3-19梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第三階振型圖圖3-20梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第四階振型圖圖3-21梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第五階振型圖圖3-22梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第六階振型圖梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后固有頻率的對(duì)比見(jiàn)表3-4：表3-4梯架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后模態(tài)固有頻率比較（單位HZ）模態(tài)階次123456優(yōu)化前0.624360.674662.00662.54143.47484.1021優(yōu)化后0.770450.895622.50322.74043.48275.0481小結(jié)：從模態(tài)分析的結(jié)果上來(lái)看，臂架優(yōu)化后的前六階模態(tài)，固有頻率上均有所提高，而振型則一一對(duì)應(yīng)，結(jié)果表明，此種優(yōu)化方案使得整個(gè)臂架結(jié)構(gòu)的剛度得到了一定的提升。3.5本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是，將預(yù)應(yīng)力碳纖維材料加固法引入云梯消防車臂架結(jié)構(gòu)，并對(duì)比分析其靜力學(xué)和模態(tài)特性，對(duì)比優(yōu)化前后的表現(xiàn)。首先對(duì)優(yōu)化前后的臂架系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)的分析，之后對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。在靜力學(xué)上，相同工況和載荷條件下，梯架結(jié)構(gòu)的變形較優(yōu)化之前有明顯的改善，在模態(tài)特性上，梯架結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)的固有頻率較優(yōu)化前有所提高，振型較優(yōu)化前無(wú)明顯變化。由結(jié)果可以得出，預(yù)應(yīng)力碳纖維優(yōu)化云梯車臂架結(jié)構(gòu)，改善了梯架結(jié)構(gòu)在靜力學(xué)上的表現(xiàn)，提升了系統(tǒng)的強(qiáng)度，同時(shí)在模態(tài)特性上，系統(tǒng)的剛度也得到了一定的提高。第4章碳纖維加固鋼梁驗(yàn)證模態(tài)試驗(yàn)4.1綜述模態(tài)分析，是機(jī)械振動(dòng)分析領(lǐng)域中最常用的方法。模態(tài)分析被用來(lái)獲得被分析構(gòu)建的振動(dòng)特性，通常通過(guò)固有頻率和結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)行表述。而且模態(tài)分析，也是其它動(dòng)力學(xué)計(jì)算仿真所必須的準(zhǔn)備步驟。模態(tài)參數(shù)辨識(shí)有以下的兩種常用的方式：（1）頻域法。主要分析試驗(yàn)得到的系統(tǒng)相應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)快速傅里葉變化處理，獲得系統(tǒng)的相應(yīng)函數(shù)，最后經(jīng)過(guò)識(shí)別得到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。（2）時(shí)域法。分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，自由衰減振動(dòng)的時(shí)域模型，從而獲得所需要的模態(tài)參數(shù)，慢慢的到現(xiàn)在變成了，通過(guò)隨機(jī)減量的特征，判斷結(jié)構(gòu)隨機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)，然后獲取出隨機(jī)減量的特征，最后分析隨機(jī)減量的特征函數(shù)，已達(dá)到獲得模態(tài)參數(shù)的目的。模態(tài)試驗(yàn)按照激勵(lì)點(diǎn)的分布，有以下的分類方式。單點(diǎn)激勵(lì)法的特點(diǎn)是：設(shè)備簡(jiǎn)易，測(cè)試時(shí)間短；多點(diǎn)激勵(lì)的特點(diǎn)是：可以激勵(lì)出更純的主要模態(tài)，各階模態(tài)數(shù)據(jù)的信噪比更加的平均，更加適合大型復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)的模態(tài)測(cè)試。本章采用的是單點(diǎn)激勵(lì)法。4.2測(cè)試設(shè)備本章節(jié)采用的模態(tài)試驗(yàn)方法是脈沖激勵(lì)法。即是通常所說(shuō)的錘擊法進(jìn)行測(cè)試。激勵(lì)系統(tǒng)：力錘(LMS086C03)。譜采集與模態(tài)分析系統(tǒng)：LMSSCM05前端，ImpactTesting采集模塊和TIME-MDOF和POLYMAX模態(tài)分析模塊。諧振頻率測(cè)試和模態(tài)分析是產(chǎn)品故障分析和診斷非常常用的方法，需要對(duì)產(chǎn)品施加一個(gè)激勵(lì)作用，力錘就是這種激勵(lì)的工具。力錘(LMS086C03)相關(guān)參數(shù)表4-1：表4-1力錘相關(guān)參數(shù)型號(hào)靈敏度量程諧振頻率線性度接頭086C0310ｍV/lbf±500lbfpk≥22kHz≤1%BNC4.3測(cè)試目的本次模態(tài)試驗(yàn)分別測(cè)試了碳纖維板加固鋼板組、原始對(duì)比組（無(wú)碳纖維板加固）的模態(tài)特征，目的如下：1.確認(rèn)碳纖維加固鋼板是否能在模態(tài)特性上得到優(yōu)化；2.試驗(yàn)結(jié)果與CAE數(shù)值計(jì)算對(duì)比，以期檢驗(yàn)CAE仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。4.4測(cè)試方法根據(jù)測(cè)試要求，本次試驗(yàn)測(cè)試了一端懸掛約束形式下兩組鋼梁的模態(tài),采用固定力錘激勵(lì)點(diǎn)多點(diǎn)拾振的方式采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中采用力錘，來(lái)激勵(lì)工件，LMS自帶三向傳感器來(lái)獲取激勵(lì)力的反饋信號(hào)；PCB加速度三向傳感器（ICP333B33），是用來(lái)獲取試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)；LMSTest.Lab數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)通過(guò)采集得到的激勵(lì)力信號(hào)、振動(dòng)加速度信號(hào)，分析得到激勵(lì)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)間的傳遞函數(shù)；最后通過(guò)TIME-MDOF和POLYMAX等模態(tài)分析方法提取被測(cè)結(jié)構(gòu)模態(tài)信息。參數(shù)設(shè)置：帶寬選擇:0-512Hz，譜線數(shù):1024，頻率分辨率:0.5Hz4.5試驗(yàn)準(zhǔn)備和試驗(yàn)流程4.5.1試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作1.制作碳纖維加固鋼板(1)將購(gòu)買所得的膠水，A膠水和B膠水按照2:1的比例取入容器內(nèi),攪拌來(lái)使混合物充分融合；(2)用毛刷將混合物均勻的抹到鋼板接觸面和碳纖維層的接觸面；(3)將涂有膠水的碳纖維板貼在鋼板上方，沿一個(gè)方向進(jìn)行對(duì)齊以便不產(chǎn)生氣泡，再在上面壓上重物，靜置24小時(shí)。2.安裝鋼板：采用懸臂梁的固定方式，一端固定。兩組鋼板均用一塊固定板配合螺釘螺母擰緊，固定在焊好的龍門架上，另一端水平懸空。3.安裝傳感器：在鋼板上選取并標(biāo)記好被測(cè)試點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)。傳感器的安裝位置是根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形式進(jìn)行選擇的，并且讓測(cè)點(diǎn)盡可能避開(kāi)各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)。激振點(diǎn)選擇需要按照這些原則：使激振力便于傳向各部位，同時(shí)不能分布在振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)之上、避開(kāi)結(jié)構(gòu)脆弱的部分和支撐的部分。傳感器坐標(biāo)和布點(diǎn)實(shí)物圖如下：以懸臂梁固定端為原點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置坐標(biāo)表4-2：表4-2實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置坐標(biāo)（mm）測(cè)試點(diǎn)1測(cè)試點(diǎn)2測(cè)試點(diǎn)3測(cè)試點(diǎn)4測(cè)試點(diǎn)5測(cè)試點(diǎn)6802504506508301000傳感器布點(diǎn)實(shí)物圖1傳感器布點(diǎn)實(shí)物圖24.連接前端：安裝連接傳感器和力錘，設(shè)置前端通道。4.5.2LMSTest.Lab模態(tài)測(cè)試和分析的過(guò)程：1.Geometry――創(chuàng)建幾何模型。按照試驗(yàn)布點(diǎn)的坐標(biāo)，創(chuàng)建6個(gè)點(diǎn)，并且用直線連接起來(lái)。示意圖4-3如下:圖4-3模態(tài)測(cè)試模型示意圖2.Channelsetup――匹配定義通道。將傳感器與軟件通道進(jìn)行匹配，匹配傳感器的靈敏度。依次在ChannelGroupld中設(shè)置傳感器測(cè)量類型，在point中命名測(cè)點(diǎn)名稱，在Direction中選取測(cè)點(diǎn)代表的振動(dòng)的方向，InputMode中定義傳感器的類型（一般是ICP），通過(guò)MeasuredQuantity設(shè)置需要測(cè)量量，在ElectricalUnit中設(shè)置單位，這里選擇mv。本試驗(yàn)采用的是3向傳感器，力錘和傳感器的參數(shù)設(shè)施如下表：表4-3實(shí)驗(yàn)力錘和3向傳感器相關(guān)參數(shù)PointDirectionInputModeMeasuredQuantityElectricalUnitActualSensitivity力錘'-Z'ICPForcemV22.4；mV/N1'+X'ICPAccelerationmV2.5209999；mV/(m/s2)1'+Y'ICPAccelerationmV2.4990001；mV/(m/s2)1'+Z'ICPAccelerationmV2.595；mV/(m/s2)2'+X'ICPAccelerationmV2.563；mV/(m/s2)2'+Y'ICPAccelerationmV2.598；mV/(m/s2)2'+Z'ICPAccelerationmV2.5120001；mV/(m/s2)3'+X'ICPAccelerationmV2.651；mV/(m/s2)3'+Y'ICPAccelerationmV2.6099999；mV/(m/s2)3'+Z'ICPAccelerationmV2.711；mV/(m/s2)4'+X'ICPAccelerationmV2.53；mV/(m/s2)4'+Y'ICPAccelerationmV2.5680001；mV/(m/s2)4'+Z'ICPAccelerationmV2.612；mV/(m/s2)5'+X'ICPAccelerationmV2.5480001；mV/(m/s2)5'+Y'ICPAccelerationmV2.4000001；mV/(m/s2)5'+Z'ICPAccelerationmV2.4879999；mV/(m/s2)6'+X'ICPAccelerationmV2.5739999；mV/(m/s2)6'+Y'ICPAccelerationmV2.487；mV/(m/s2)6'+Z'ICPAccelerationmV2.599；mV/(m/s2)3.Calibration――將幾何點(diǎn)插入到三向加速度的傳感器上。將3向傳感器通道和幾何中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行插入，步驟是，鼠標(biāo)選好每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的3向通道，然后選中依次標(biāo)定好1-6號(hào)點(diǎn)。4.Impactscope――通過(guò)錘擊而出現(xiàn)的波型圖，然后調(diào)整各通道的量程。在該項(xiàng)目卡中可調(diào)整測(cè)試的量程，以確保更精確的結(jié)果。過(guò)程中可進(jìn)行若干次的敲擊，但必須保證所施加力的大小變化不大。來(lái)使得LMS設(shè)備能選擇適當(dāng)?shù)牧砍虆^(qū)間。在選項(xiàng)卡中依次設(shè)置錘擊相關(guān)準(zhǔn)備操作。準(zhǔn)備工作包括調(diào)整觸發(fā)級(jí)、設(shè)置帶寬，還有包括加窗操作及激勵(lì)點(diǎn)等。5.Measure――進(jìn)行測(cè)試。將上文準(zhǔn)備工作做完之后，馬上可以進(jìn)行模態(tài)的測(cè)試，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以獲得系統(tǒng)模態(tài)特性。4.6模態(tài)測(cè)試結(jié)果及分析4.6.1LMSTest.LabModalAnalysis模態(tài)分析流程1.打開(kāi)modalanalysis通過(guò)軟件上面的Tools，選擇Add-ins，勾選modalanalysis，就可以在ImpactTesting或者SpectralTesting中直接打開(kāi)該模塊。2.ModalDataSelection模態(tài)數(shù)據(jù)選擇這個(gè)選項(xiàng)卡是進(jìn)行FRF數(shù)據(jù)的選擇，該選項(xiàng)卡可以方便地選擇需要的數(shù)據(jù)，刪除不需要的數(shù)據(jù)。有兩種方法可以選擇數(shù)據(jù)：ActiveSection這種方法就是，從section中選擇數(shù)據(jù)。InputBasket這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，最靈活最方便，可以把有用的數(shù)據(jù)從Navigator中放入Basket中，以便之后可以讀取。本文的數(shù)據(jù)選擇方法使用的是InputBasket。3.模態(tài)分析（TimeMDOForPolyMAX）TimeMDOF界面有三個(gè)步驟：A.Band選擇和分析帶寬在這個(gè)選項(xiàng)卡中定義需要分析的頻率帶寬。用雙光標(biāo)選取需要分析頻率的帶寬。選擇ChangeModalDataSelection，可以重新選擇FRF。選項(xiàng)卡中的Display說(shuō)明如下Selectedfunction:選擇該項(xiàng)，將顯示選中的FRF。Sum：選擇該項(xiàng)，將在右邊顯示FRF之和。MIF/ImaginarySum：選擇該項(xiàng)，將顯示模態(tài)指示函數(shù)。MIF是頻域函數(shù)，它會(huì)顯示工件固有頻率上的最小值。MIF的數(shù)目等同于參考點(diǎn)的數(shù)目，一階MIF顯示工件固有頻率上的最小值，二階MIF顯示最小值在重根存在的地方。想要得到設(shè)備更多的重根，需要更多的參考點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分析。B.Stabilization選擇極點(diǎn)MDOF的第二步，此選項(xiàng)卡，頻率、阻尼、參與因子將會(huì)使用最小二乘復(fù)指數(shù)法來(lái)估算。選擇極點(diǎn)方法有兩種，一種是自己用鼠標(biāo)選取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，第二種是通過(guò)軟件自動(dòng)選擇的方式。使用該功能需要加載模塊：Tools先選擇Add-ins然后選擇"AutomaticModalParameterSelection"。在左側(cè)會(huì)顯示系統(tǒng)自動(dòng)選取極點(diǎn)的信息。首先介紹Display的5個(gè)信息：Rank：顯示極點(diǎn)的階數(shù)；Freq：顯示極點(diǎn)的頻率；Damp：顯示極點(diǎn)的阻尼；Scatter：顯示極點(diǎn)的相位偏差度。Type：共有5種狀態(tài)，Pole,frequency,damp,vector,stable分別對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)圖中的o、f、d、v、s。C.Shapes計(jì)算模態(tài)振型在該選項(xiàng)卡中，LMS使用最小二乘頻域法，通過(guò)這個(gè)方法來(lái)計(jì)算模態(tài)振型。同時(shí)可以配合Geometry顯示動(dòng)態(tài)振型和對(duì)比每一階的模態(tài)。具體操作是，在ProcessingName選擇Calculate,結(jié)果出現(xiàn)在下方。PolyMAX法的選項(xiàng)卡界面和TimeMDOF一樣的，也是同樣的操作。PolyMAX參數(shù)識(shí)別原理不一樣，是從頻域進(jìn)行參數(shù)拾取，一般用于大阻尼結(jié)構(gòu)分析。4.模態(tài)驗(yàn)證ModalValidation該選項(xiàng)卡主要是進(jìn)行模態(tài)分析結(jié)果的精度，有很多方法可用來(lái)判斷模態(tài)模型的精度。4.6.2兩組模態(tài)頻率及振型圖：由X軸方向布置的6個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行后處理做出穩(wěn)態(tài)圖4-4、4-5，選出兩組在0-256Hz范圍內(nèi)前6階模態(tài)，其模態(tài)頻率和阻尼如表4-4所示。圖4-4碳纖維加固鋼板模態(tài)穩(wěn)態(tài)圖圖4-5原始對(duì)比組鋼板模態(tài)穩(wěn)態(tài)圖如圖所示，圖里的橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)顯示了模型的極點(diǎn)數(shù)。模型的極點(diǎn)在圖中用o、f、d、v、s來(lái)代表，具體含義上文已經(jīng)有所介紹。在穩(wěn)態(tài)圖選取系統(tǒng)固有頻率的原則是選取縱向較為統(tǒng)一一致的s點(diǎn)，其頻率則為固有頻率。表4-4模態(tài)頻率階次及阻尼列表碳纖維加固鋼板原始對(duì)比組鋼板ModeFrequency（Hz）DampingModeFrequency（Hz）Damping13.4362.70%12.6152.14%225.0861.51%217.0181.40%354.9642.32%339.5272.20%473.6371.06%446.8971.08%5141.8701.24%590.4570.52%6165.7621.00%6148.4730.70%4.6.3碳纖維加固鋼板與原始對(duì)比組的模態(tài)MAC表表4-5碳纖維加固鋼板模態(tài)MAC(%)表ModeNo.FrequencyMode13.436Mode225.086Mode354.964Mode473.637Mode5141.870Mode6165.762Mode13.4361008.0885.8618.9597.191.531Mode225.0868.0881001.255.09112.3231.886Mode354.9645.8611.2510022.28919.0023.024Mode473.6378.9595.09122.28910011.1254.387Mode5141.877.1912.32319.00211.12510016.626Mode6165.7621.5311.8863.0244.38716.626100表4-6原始對(duì)比組鋼板模態(tài)MAC(%)表ModeNo.FrequencyMode12.615Mode217.018Mode339.527Mode446.897Mode590.457Mode6148.473Mode12.6151008.84912.72411.2253.9742.478Mode217.0188.84910015.76310.3139.9016.471Mode339.52712.72415.76310022.3573.25111.957Mode446.89711.22510.31322.35710010.2947.995Mode590.4573.9749.9013.25110.2941002.297Mode6148.4732.4786.47111.9577.9952.297100使用Test.Lab后處理中的模態(tài)驗(yàn)證模塊，求出選擇的各階模態(tài)向量的MAC值，由表4-5、4-6可以發(fā)現(xiàn)主對(duì)角線均為100%，非對(duì)角元素絕大數(shù)小于10%，說(shuō)明選擇的模態(tài)向量的正交性很好，即所選擇的模態(tài)是合適的。4.6.4兩組鋼板模態(tài)試驗(yàn)與CAE仿真結(jié)果對(duì)比分析：表4-7碳纖維加固鋼板模態(tài)的結(jié)果對(duì)比模態(tài)數(shù)值結(jié)果（HZ）數(shù)值振型描述試驗(yàn)結(jié)果（HZ）試驗(yàn)振型描述差值（Hz）13.4445Z向一階彎曲3.436Z向一階彎曲0.0085222.263Z向二階彎曲25.086Z向二階彎曲-2.823362.221繞X軸旋轉(zhuǎn)54.964繞X軸旋轉(zhuǎn)7.257463.141Z向三階彎曲73.637Z向三階彎曲-10.496579.448Y向一階彎曲***6125.61Z向四階彎曲141.870Z向四階彎曲-16.26碳纖維加固鋼板數(shù)值與試驗(yàn)振型的對(duì)比如下：數(shù)值振型Z向前四階振型圖試驗(yàn)振型Z向前四階振型圖Z向一階彎曲Z向一階彎曲Z向二階彎曲Z向二階彎曲Z向三階彎曲Z向三階彎曲碳纖維加固鋼板模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與CAE仿真結(jié)果對(duì)比分析，可以得到：（1）據(jù)表4-7中數(shù)據(jù)結(jié)果可知，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到的前六階模態(tài)固有頻率之間存在一定的差值，振型均一致。（2）數(shù)值仿真與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果的Z向前二階模態(tài)吻合良好，固有頻率及振型基本一致，說(shuō)明數(shù)值仿真計(jì)算能準(zhǔn)確地完成系統(tǒng)的前兩階自由模態(tài)分析。（3）隨著模態(tài)階次的提高，試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試結(jié)果相比數(shù)值仿真結(jié)果差值逐漸變大，此時(shí)數(shù)值仿真模型不能準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。原始對(duì)比組鋼板模態(tài)的仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)下表4-8：表4-8原始對(duì)比組鋼板模態(tài)的仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比模態(tài)數(shù)值結(jié)果（HZ）數(shù)值振型描述試驗(yàn)結(jié)果（HZ）試驗(yàn)振型描述差值（Hz）13.2879Z向一階彎曲2.615Z向一階彎曲0.6729220.6Z向二階彎曲17.018Z向二階彎曲3.582357.716繞X軸旋轉(zhuǎn)39.527繞X軸旋轉(zhuǎn)18.189463.213Z向三階彎曲46.897Z向三階彎曲16.316581.102Y向一階彎曲***6113.25Z向四階彎曲90.457Z向四階彎曲22.793原始對(duì)比組鋼板數(shù)值與試驗(yàn)振型的對(duì)比如下：數(shù)值振型Z向前四階振型圖試驗(yàn)振型Z向前四階振型圖Z向一階彎曲Z向一階彎曲Z向二階彎曲Z向二階彎曲Z向三階彎曲Z向三階彎曲Z向四階彎曲Z向四階彎曲原始對(duì)比組鋼板模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與CAE仿真結(jié)果對(duì)比分析，可以得到：（1）據(jù)表4-8中數(shù)據(jù)結(jié)果可知，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到的前六階模態(tài)固有頻率之間存在一定的差值，振型均一致。（2）數(shù)值仿真與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果的Z向前兩階模態(tài)吻合良好，固有頻率及振型基本一致，說(shuō)明數(shù)值仿真計(jì)算能準(zhǔn)確地完成系統(tǒng)的前兩階自由模態(tài)分析。（3）隨著模態(tài)階次的提高，試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試結(jié)果相比數(shù)值仿真結(jié)果差值逐漸變大，此時(shí)數(shù)值仿真模型不能準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。4.6.5數(shù)值仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果誤差分析（1）試驗(yàn)過(guò)程中難以采集全部的振動(dòng)信息，試驗(yàn)測(cè)量會(huì)遺漏某些模態(tài)或不能很好表現(xiàn)出某些振型。（2）測(cè)試過(guò)程中由于傳感器安裝面不能很好的與測(cè)試點(diǎn)結(jié)合，導(dǎo)致傳感器安裝方向上會(huì)產(chǎn)生一定誤差，從而影響測(cè)試信號(hào)的準(zhǔn)確性，另外，由于錘擊法不能保證每次的錘擊點(diǎn)及激勵(lì)力完全一致，也會(huì)導(dǎo)致一定的測(cè)量誤差。（3）模態(tài)信號(hào)提取主要依靠系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)圖進(jìn)行，在模態(tài)選取中，如果該階模態(tài)不清晰，就會(huì)存在一定的分析誤差。4.7本章小結(jié)由試驗(yàn)的結(jié)果得出，數(shù)值仿真和實(shí)際測(cè)得的振型一致，在模態(tài)頻率上存在一定的差距，數(shù)值仿真與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果的Z向前兩階模態(tài)吻合良好，固有頻率及振型基本一致，說(shuō)明數(shù)值仿真計(jì)算能準(zhǔn)確地完成系統(tǒng)的前兩階自由模態(tài)分析。隨著模態(tài)階次的提高，試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試結(jié)果相比數(shù)值仿真結(jié)果差值逐漸變大，此時(shí)數(shù)值仿真模型不能準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。碳纖維加固后的鋼板，固有模態(tài)頻率較原始對(duì)照組的鋼板有不同程度的提高，說(shuō)明加固后系統(tǒng)的剛度得到了升高，動(dòng)力學(xué)性能得到了提高。由于試驗(yàn)條件限制，該試驗(yàn)僅能驗(yàn)證碳纖維加固鋼板的優(yōu)化效果，時(shí)間緊促，在論文答辯之前無(wú)法完成梯架相關(guān)部分的制作，梯架模型已經(jīng)納入湖北省專用汽車研究院的項(xiàng)目進(jìn)程之中，即將制作完成，實(shí)際的效果有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。第5章總結(jié)與展望5.1本文總結(jié)本文以云梯車的臂架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為本文研究的重點(diǎn)，探討一種兩相材料碳纖維材料優(yōu)化方案，對(duì)臂架的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。之后運(yùn)用有限元軟件對(duì)優(yōu)化前后的臂架進(jìn)行靜力學(xué)以及模態(tài)的分析，對(duì)比優(yōu)化前后整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的性能。具體的研究結(jié)果與總結(jié)如下：1.探討了一種預(yù)應(yīng)力碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的有限元仿真方法，在材料參數(shù)設(shè)置、預(yù)應(yīng)力等效施加、材料厚度對(duì)仿真效果的影響等方面，利用創(chuàng)建了的有限元模型，進(jìn)行有限元仿真，并且檢驗(yàn)碳纖維加固法對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和模態(tài)特性上的優(yōu)化效果，結(jié)果表明此種優(yōu)化方案在懸臂梁結(jié)構(gòu)上能有效的提高其強(qiáng)度和剛度。該結(jié)論為后文分析提供理論基礎(chǔ)。2.結(jié)合云梯車的工況，變幅角度和外加載荷情況，運(yùn)用前文探討的碳纖維加固有限元仿真方法，在最危險(xiǎn)的零度角工況下，運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取優(yōu)化前后臂架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移和應(yīng)力。之后運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)優(yōu)化前后的梯架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，并將兩種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由結(jié)果可知，優(yōu)化之后，較優(yōu)化之前，在靜力學(xué)特性上，整體梯架系統(tǒng)的強(qiáng)度得到了提升，在模態(tài)特性上，系統(tǒng)表現(xiàn)出的剛度和得到了加強(qiáng)，并且滿足強(qiáng)度和剛度上的要求。3.由于條件限制，僅對(duì)碳纖維加固鋼梁的方案做實(shí)際模態(tài)試驗(yàn)。由試驗(yàn)的結(jié)果得出，數(shù)值仿真和實(shí)際測(cè)得的振型一致，在模態(tài)頻率上存在一定的差距，數(shù)值仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析表現(xiàn)出的Z向前兩階模態(tài)一致，固有頻率和對(duì)應(yīng)的振型一致，說(shuō)明有限元計(jì)算能準(zhǔn)確地完成系統(tǒng)的前兩階模態(tài)分析。隨著模態(tài)階次的提高，試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試結(jié)果相比數(shù)值仿真結(jié)果差值逐漸變大，此時(shí)數(shù)值仿真模型不能準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。碳纖維加固后的鋼板，固有模態(tài)頻率較原始對(duì)照組的鋼板有不同程度的提高，說(shuō)明加固后系統(tǒng)的剛度得到了升高，動(dòng)力學(xué)性能得到了提高。5.2本文展望鑒于本人學(xué)術(shù)水平和客觀條件有限，本論文有很多值得再進(jìn)一步挖掘的地方，比如：1.本論文僅僅在優(yōu)化前后針對(duì)梯架系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析還有模態(tài)分析，由于篇幅所限，缺乏了對(duì)臂架架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的部分。之后期望以此基礎(chǔ)，計(jì)算梯架的動(dòng)力學(xué)性能，為更深的優(yōu)化提供研究指導(dǎo)。2.本論文在有限元分析的時(shí)候，為了簡(jiǎn)化模型，未將風(fēng)載荷納入邊界條件之中。今后的科研過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合風(fēng)載荷的特性，有針對(duì)性的加入到仿真的過(guò)程中，以期更加的貼近云梯車實(shí)際工況。3.本文由于客觀試驗(yàn)條件和時(shí)間的限制，僅僅對(duì)簡(jiǎn)單的懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，來(lái)對(duì)比驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化方案的仿真準(zhǔn)確性。如果條件允許，完全能夠設(shè)計(jì)出臂架系統(tǒng)的縮比模型和等比模型，完全模擬實(shí)際的工作情況，嚴(yán)格按照加固的工藝實(shí)施，來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，能得到具有實(shí)際指導(dǎo)意義的試驗(yàn)結(jié)果。致謝本論文的完成，首先要感謝導(dǎo)師黃其柏教授的悉心指導(dǎo)，黃老師在論文的最初選題及撰寫過(guò)程中提供了很多幫助，值此論文定稿之際，黃老師獻(xiàn)上我最深的感激之情。經(jīng)過(guò)八個(gè)月，這篇論文終于要定稿了，在此八個(gè)月的時(shí)間里，我經(jīng)歷了無(wú)數(shù)的困難，要感謝我的同學(xué)和老師們，特別是黃其柏老師，他對(duì)我的每一步計(jì)劃進(jìn)行了指導(dǎo)，很有耐心的對(duì)我的論文提出修改意見(jiàn)。在校園圖書館網(wǎng)上查找資料期間，實(shí)驗(yàn)室的師兄們給我很多幫助和指導(dǎo)，在此向每個(gè)幫助過(guò)我的師兄表示最由衷的感謝！我在華中科技大學(xué)學(xué)習(xí)已有7年時(shí)間，本科的四年，我打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，讀研的3年里，我受益匪淺。黃老師淵博的學(xué)問(wèn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和積極的生活態(tài)度是我學(xué)習(xí)奮斗的指明燈。黃其柏老師待人和藹，生活勤儉，是我以后人生學(xué)習(xí)的榜樣。在待人接物為人處世這方面，黃其柏老師低調(diào)的作風(fēng)令人欽佩。感謝黃老師三年來(lái)的對(duì)我工作學(xué)習(xí)生活上的指導(dǎo)和關(guān)心，讓我看到了未來(lái)奮斗的希望。師恩浩蕩，十分感激黃老師的孜孜不倦的教誨。感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文參閱了許多科研工作者的科研成果論文，非常感激這些學(xué)者的論文的啟發(fā)，很大程度上幫助我論文的撰寫。另外，我還要感謝華中科技大學(xué)NVH機(jī)械振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的每一位成員，同時(shí)，我還要感謝湖北省專用汽車研究院的所有同事，感謝所有在我人生奮斗道路上給予我?guī)椭恼嫘牡呐笥褌?。我還需要感激我的爸爸媽媽和親戚朋友們，多謝我身邊的人在我成長(zhǎng)的路上的幫助和支持。因?yàn)楸救说哪芰蛯W(xué)識(shí)不足，本論文不免出現(xiàn)紕漏，期望老師們指出不足之處，以敦促我加以改進(jìn)。最后，本人在此對(duì)論文進(jìn)行評(píng)審的各位專家表示由衷的感謝，感謝各位老師專家對(duì)我的論文提出的意見(jiàn)和建議。參考文獻(xiàn)劉博.關(guān)于消防器材裝備性能及相關(guān)方面的思考.科技資訊,2013,06(b):235薛林,李炳泉.消防車百年發(fā)展回眸.新安全東方消防,2007,12:57~61徐志漢.客車車身骨架有限元建模及優(yōu)化:[碩士論文].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)圖書館,2009劉博.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿脹斷機(jī)機(jī)架的有限元分析:[碩士論文].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)圖書館,2012浦廣益.ANSYSWorkbench12基礎(chǔ)教程與實(shí)力詳解.(第一版).北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.127姚明,田志堅(jiān).舉高消防車介紹[J].商用汽車,2005(07):76-79.王曄.轉(zhuǎn)臺(tái)云梯和載人平臺(tái)的云梯(消防)車[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2007(12):86-88.李進(jìn)興.對(duì)云梯消防車救援方式的探討.2003火災(zāi)科學(xué)與消防工程國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議2003:中國(guó)北京.3.白玉剛.森田(Morita)的云梯消防車[J].商用汽車,2007(07):92-95.王老誠(chéng).世界消防云梯車發(fā)展趨向[J].山東消防,2012(12):20.孟璇.消防車的發(fā)展方向[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2012(08):121-124.丁欣碩,凌桂龍.AnsysWorkbench14.5有限元分析案例詳解.第1版.北京,清華大學(xué)出版社,2014.197~198楊廣衍,郭海陽(yáng),呂毅前等.振動(dòng)裝藥系統(tǒng)主要構(gòu)件的ANSYS動(dòng)力學(xué)分析.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,11:9~10陳向紅.ANSYS在混凝土灌注單樁靜、動(dòng)載荷作用下的模擬分析:[碩士論文].天津:河北工業(yè)大學(xué)圖書館,2006鄧楊芳.優(yōu)化理論及ANSYS程序在橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究:[碩士論文].重慶:重慶交通大學(xué)圖書館,2009張連民.我國(guó)消防車存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息.2001,01:35~37唐山青.伸縮云梯消防車臂架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析與動(dòng)力學(xué)仿真:[碩士論文].湘潭:湘潭大學(xué)圖書館,2009周海霞,泵車臂架六連桿機(jī)構(gòu)裝配有限元多工位計(jì)算方法研究:[碩士論文].湘潭:湘潭大學(xué)圖書館,2008李素蘭.預(yù)應(yīng)力CFRP加固橋梁抗彎性能的理論分析與數(shù)值模擬:[碩士論文].武漢理工大學(xué)，道路與鐵道工程，2008張青.極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法在塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究:[碩士論文].濟(jì)南:山東大學(xué)圖書館,2010孟超.大型數(shù)控落地鏜銑床主軸箱的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì):[碩士論文].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)圖書館,2009孫彭城.基于偶應(yīng)力理論的結(jié)構(gòu)有限元方法及其應(yīng)用研究:[碩士論文].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)圖書館,2013NFPA美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì),StandardforAutomotiveFireApparatus.2009.張醒國(guó).云梯消防車有限元分析與優(yōu)化.2013吉林大學(xué).84.張波,盛和太.ANSYS有限元數(shù)值分析原理與工程應(yīng)用[M].2005清華大學(xué)出版社王津.自行式高空作業(yè)車作業(yè)臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì):[碩士論文].西安:長(zhǎng)安大學(xué)圖書館,2009杜向陽(yáng),馬軍星,王進(jìn)等.PT25型高空作業(yè)平臺(tái)伸縮臂靜態(tài)有限元分析.高空作業(yè)機(jī)械,2011(08):41~44石鵬飛,吳攀攀,徐國(guó)榮等.舉升類臂架伸縮機(jī)構(gòu)分析與研究.機(jī)械制造,2012,50(577):20~21師漢民.機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)——分析測(cè)試建模對(duì)策.(第二版).武漢:華中科技大學(xué)出版社,2013.151~166張春來(lái).刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)的ANSYS優(yōu)化研究.機(jī)床與液壓,2007,2(35):199~201陳洪飛,蔣紅旗.高空作業(yè)車作業(yè)臂動(dòng)力特性分析.機(jī)械研究與應(yīng)用,2008,01(21):74~76薛運(yùn)虎,韋凌云,趙玫等.基于演化算法的帶頻率約束的桁架結(jié)構(gòu)形狀和尺寸優(yōu)化,2010,12(29):13~17彭澤靖,漲洵安,連業(yè)達(dá).隨機(jī)激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì).計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2013,5(30):723~726蔡宇子.現(xiàn)代伸縮臂截面尺寸優(yōu)化研究:[碩士論文].大連:大連理工大學(xué)圖書館,2012洪清泉,趙康,張攀等.OptiStruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用.(第1版).北京:機(jī)械工程出版社,2013.1張錦江,楊智春.具有多階頻率與振型約束的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì).強(qiáng)度與環(huán)境,200701(34):11~16劉學(xué)毅.軌道剛度的影響分析及動(dòng)力學(xué)優(yōu)化.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,01(39):01~05楊金元.動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)減振分析與優(yōu)化設(shè)計(jì):[碩士論文].南寧:廣西大學(xué)圖書館,2013Z.Y.Zhang,H.X.Hua,X.Z.Xu.ModalparameteridentificationthroughGaborexpansionofresponsesignals.JournalofSoundandVibration.2003DamianDerlukiewicz,GrzegorzPrzybylek.ChosenaspectsofFEMstrengthanalysisoftelescopicjibmountedonmobileplatform.AutomationinConstruction.2008Jia-Jang.Finiteelementanalysisandvibrationtestingofathree-dimensionalcranestructure.Measurement.39(2006):740~749R.M.Lin,J.Zhu.ModelupdatingofdampedstructuresusingFRFdata.MechanicalSystemsandSignalProcessing.2006XuX,CAIRF.ANewPlatShellElementof16Nodes40DegreesofFreedombyRelativeDisplacementMeshed.CommunicationinNumericalMethodsinEngineering.1993P.Verboven,B.Caugerhe,S.Vanlanduit.Frequency-domaingenerationtotalleast-squaresidentificationformodalanalysis.JoumalofSoundandVibration.2004Spyrakos,C.C.FiniteElementModelinginengineeringpractice.PA.1997B.A.Szabo,R.L.Actis.FiniteElementAnalysisinProfessionalpractice.ComputerMethodsApplication.1996R.D.Cook.ConceptsandApplicationsofFiniteElementAnalysis.JohnWileyandSons.1981Bathe,K.J.FiniteElementProceduresinEngineeringAnalysis.PrenticeHall,EnglewoodCliffs.1982.DipankarChakravorty,J.N.Bandyopadhyay,P.K.Sinha.Finiteelementfreevibrationanalysisofconoidalshells.Computer&structures.1995ChenZQ,AgarTJA.GeometricNonlinearAnalysisofFlexibleSpatialBeamStructrure.Computers&Structures,1993,49(6):1083~1094JohnHah.Nonlinearfiniteelementanalysisofductileelastic-PlasticStructure.UniversityofCalifornia.2000(4):44~46CheikhM,LoredoA.Staticreanalysisofdiscreteelasticstructureswithreflexiveinverse.AppliedMathematicalModeling.2002P.Verbover,E.parloo,B.Caugerghe,P.Guiillaume,Improvedmodalparameterestimationforlowlydampedsystemsusingnon-parametricexponentialwindowingtechniques.MechanicalsystemsandSignalProcessing.2005MasanoriTakamatsu.DevelopmentofLighter-Weight,Higher-StiffnessBodyforNewRX-7.1992.NinoslavTruhar.AnefficientalgorithmfordamperoptimizationforlinearvibratingsystemsusingLyapunovequation.JournalofComputationalandAppliedMathematics.2004TenekL.H.HagiwaraI.Optimalrectangularplateandshallowshelltopologiesusingthicknessdistributionorhomogenization.ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering.2004ShuibS,RidzwanMIZ,KadarmanAH.Methodologyofcompliantmechanisminappli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