液压机械臂模型的非线性振动特性研究
摘要
考虑了随车液压机械臂的应用背景，本文分别就在挂载物体的激励作用下伸缩式和
折臂式液压机械臂结构模型的非线性振动响应问题展开了研究。根据国内外随车机械臂
非线性动力学的最新研究动向，本文对随车吊液压机械臂模型的非线性振动进行了研究，
并使用UG设计了随车吊有限元模型，基于ANSYSWorkbench进行了刚柔耦合仿真计
算以及疲劳强度分析。论文的主要研究内容如下：
介绍了有关随车液压机械臂的非线性振动和疲劳损伤特性的国内外研究现状，以及
简要介绍本文的主要研究内容。
研究了单自由度液压机械臂模型的非线性振动特性。考虑了单自由度刚性机械臂大
幅度摆动的几何非线性，将液压缸简化成弹簧阻尼系统，基于Lagrange方程建立了结构
非线性动力学方程。利用谐波平衡法(HBM)对系统主共振响应进行求解，与四阶龙格-库
塔数值积分的结果进行了对比，验证了谐波平衡法对于该方程求解的准确性。还设计了
液压机械臂实验模型，并进行了振动测试实验，通过对比主共振峰和跳降现象发生的频
域区间，验证了动力学方程的正确性。最后分析了机械臂结构参数对非线性振动响应的
影响。
对一种含两自由度弹簧-阻尼系统的刚性机械臂模型的非线性动力学特性进行了研
究。利用Lagrange方程建立了两自由度刚性机械臂模型的非线性动力学方程，采用HBM
进行求解，通过与龙格-库塔方法及实验结果的比较，验证了理论方法的可行性。并在此
基础上，研究了刚性机械臂结构系统的非线性振动特性，分析了弹簧刚度、机械臂的臂
展、弹簧阻尼系统安装位置等参数对刚性机械臂主共振响应主共振响应的影响。
将机械臂看作基于小变形假设的Euler–Bernoulli梁，采用Hamilton原理建立柔性机
械臂模型的非线性运动方程，采用谐波平衡法得到了幅频特性曲线，基于四阶龙格-库塔
法研究了单自由度柔性机械臂模型的非线性振动响应，在此基础上研究了结构参数对结
构振动特性的影响。
基于Workbench对随车机械臂结构进行了动力学仿真及疲劳寿命分析。使用UG建
立随车机械臂有限元模型，基于Workbench平台对模型的瞬态响应进行计算，得到了机
械臂结构的等效应力随时间的变化曲线，并对产生最大应力的部位进行了疲劳强度分析，
为随车机械臂的结构优化及检修工作提出了建议。
关键词：液压机械臂模型；非线性振动；谐波平衡法；振动测试实验；刚柔耦合。
I
哈尔滨工程大学硕士学位论文
Abstract
Consideringtheapplicationbackgroundoftheon-boardhydraulicmanipulator,the
nonlinearvibrationresponseofthestructuralmodelsofthetelescopicandfoldinghydraulic
manipulatorundertheexcitationofthemountedobjectarestudiedinthispaper.Accordingto
thelatestresearchtrendsofthenonlineardynamicsoftheonboardmanipulator,thenonlinear
vibrationofthehydraulicmanipulatormodeloftheonboardcraneisstudiedinthispaper,and
thefiniteelementmodeloftheonboardcraneisdesignedusingUG.Therigid-flexiblecoupling
simulationcalculationandfatiguestrengthanalysisarecarriedoutbasedonANSYS
Workbench.Themainrese