（光学工程专业论文）基于ansys及apdl的塔式起重机有限元分析系统.pdf

蔓苎查鲨主堡垒圭 塑墨 基于a n s y s 及a p d l 的塔式起重机有限元分析系统 摘要 近年来，随着计算机软硬件技术的发展，有限元分析技术越来越多的应用于 塔式起重机的分板计算和设计中。但现有通用有限元软件，一般比较复杂，对设 计人员要求较高，而且塔式超重机结构复杂，工作状况下有多种载荷，并且需考 虑多种工况，这样就导致使用通用有限元分析软件进行塔式起重机设计分析费事 费力，容易出错，这就限制了有限元技术在塔式起重机中的应用。 本课题是应沈阳建筑机械有限公司的要求下，采用参数化建模技术开发的塔 式起重机有限元分析系统。在建立此系统的过程中，首先完成了k 5 0 一7 0 塔式起 重机的有限元分析，然后在此基础上，通过对沈阳建筑机械厂现有塔形的分析， 建立了多种起重机的a n s y s 有限元模型，然后再结合a p d l 编程技术，建立了塔式 起重机的参数化建横系统，并进一步建立了多工况的自动加载、分析结果的后处 理等功能模块，可满足沈阳建筑机械有限公司大多数塔式起重机有限元分析的要 求。本系统作为塔式起重机分析优化系统的一个部分，可从v b 程序中读入塔式起 重机的设计参数，然后根据读入的参数，自动建立多种起重机的吊臂和塔身有限 元模型；自动的完成塔式起重机多种工况下韵载荷施加和求解；自动的对求解结 果进行排序、分析，保存，并将结果传送回v b 程序。 本课题的开发过程中，尝试使用了一些a n s y s 8 0 版本的新功能、新特性来更 好对塔式起重机进行模拟，提高了计算结果的精度，并增强了系统的稳定性。 本课题开发的塔式起重机有限元开发系统的参数定义全部通过出v b 定义的图 形用户界面进行人机交互，易于实际操作，建模过程完全由计算机根据所输入参 数完成。建模、求解、后处理等过程自动完成，速度快，不易出错。本系统的应 用降低了塔式起重机有限元分析的技术门坎，提高了塔式起重机分析的效率，加 快了塔式起重机的设计速度。 关键词：有限元分析a n a y s 起重机a p d l 羔立生! j 塑主主些垒查 垒堕! ! ! ! t h e s y s t e mo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t o w e rc r a n eb a s e do n a n s y sa n da p d l a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nt h ed e s i g no ft h et o w e rc r a n e g r a d u a l l y , w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y b u tt h ec u r r e n tf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r eu s u a l l yi sv e r yc o m p l i c a t e da n dh a r dt ou s ew i t h o u tb e t t e rt r a i n t h e t o w e rc r a l l ei sa l s ov e r yc o m p l i c a t e d w h e nt h et o w e rc r a n ei sw o r k i n g ，i tw i l lb ea f f e c t b ym u c hl o a da n dw h e nw ea n a l y z et h et o w e rc r a n e ，w em u s tc a l c u l a t em u c hw o r k i n g c o n d i t i o n s o ，i ti so f t e nm u c he r r o ra n d i tw i l ls p e n du sm a n yt i m et oa n a l y s i st h et o w e r c r a n ew i t ht h ec u r r e n tf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e i tr e d u c et h ea p p l yo ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st e c h n o l o g yi nt h ed e s i g no f t h e t o w e rc r a n e i nt h i st h e s i s af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e mw i t l lp a r a m e t e r i z a t i o nt e c h n o l o g yf o r t h es h e n y a n gc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tc o l t di sb u i l t w h e nb u i l d i n gt h i ss y s t e m ，f i r s t t h ek 5 0 7 0t o w e rc r a n ei sa n a l y z e d ，t h e nm a n yk i n d so ft o w e rc r a n e si sc l a s s i f i e da n d m a n yk i n d so f m o d e l st h ei sb u i l t a f t e rt h o s em o d e l si sb u i l t ，a p d la n da u s y sa r eu s e d t oc o m p o s e dt h i sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e mw i t hp a r a m e t e r i z a t i o nt e c h n o l o g y a m o d u l et h a tc a na p p l ym u l t i l o a da n dp r o c e s st h er e s u l td a t ao ft h e a n a l y s e a u t o m a t i c a l l yi sa l s ob eb u i l t t h i ss y s t e mc a l lb eu s e dt oa n a l y z e t h em o s tt o w e rc r a n e o f t h es h e n y a n gc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tc o l t d a sap o r t i o no f t h es y s t e mo f a n a l y s i s a n do p t i m i z ef o rt h et o w e rc r a n e ，t h i ss y s t e mc a nb u i l df i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft o w e r c r a n ea c c o r d i n gt ot h ed a t at h a tb er e a df r o mv bp r o g r a ma n da p p l yl o a d ，s o l u t et h e q u e s t i o na u t o m a t i c a l l y a f t e rs o l u t i o n ，t h es y s t e mc a na n a l y z e ，a r r a n g ea n ds a v e t h e r e s u l td a t a i ta l s oc a nt r a n s f e rt h ed a t at ov bp r o g r a m s o m en e wf e a t u r e sa n de n h a n c e m e n t si su s e dt os i m u l a t et h et o w e rc r a n ei nt h e p r o c e s so fb u i l d i n gt h es y s t e m i ti m p r o v e dt h ep r e c i s i o no ft h ec a l c u l a t i o na n dt h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e m a l lp a r a m e t e ro f t h i ss y s t e mi sd e f i n e dt h r o u g hm a l l m a c h i n ec o n v e r s a t i o ns y s t e m - l l 卜 东北大学硕士学位论文a b s t r a d t h a td e s i g n e di nv bp r o g r a m i t sv e r ye a s yt oo p e r a t ea n dt h ep r o c e s so fb u i l d i n g m o d e li su n d e rt h ec o n t r o lo fc o m p u t e ra c c o r d i n gt ot h ei n p u td a t a b u i l d i n gm o d e l ， s o l u t i o na n dp o s tp r o c e s s i n ga l la r ed o n ea u t o m a t i c a l l y i t sf a s ta n de r r o r l e s s t h e s y s t e mm a d ei te a s yt oa n a l y z et h et o w e rc r a n ew i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t e c h n o l o g ya n di m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yi nt h ep r o c e s so f a n a l y z i n gt h et o w e r c r a n e 。 k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n s y s t o w e r c r a n ea p d l j v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日知啼 日 期： l 舻，2 r1 日 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出和意义 ( 1 ) 课题的提出 在我国塔式起重机的生产与应用已有3 0 多年的历史“1 。随着近年来，高层超 高层建筑的增多，塔式起重机的应用同益增多，用户要求塔机具有“价廉、质优、 操作简便，便于安装、安全可靠、体积小、效率高、具备自升或附层爬升能力等 特点，这就对塔式起重机的设计研究提出了新的要求。长期以来，国内塔式起重 机设计多采用以古典力学与数学为基础的半理论半经验设计法，或者是模仿其它 塔机的设计，设计过程重复、周期长、精度低设计出的产品粗大笨拙，难以适 应市场需要。 当前，塔式起重机产品发展有几个新特点”“”： 重点产品向大型化、高速化、耐久化、专业化方向发展。 通用产品向小型化、轻型化、简易化和多样化方向发展。 产品性能，自动化程度提高，更加富有智能。 。产品设计更多依靠计算机。以期实现设计的自动化。 基于上述要求，一些先进设计思想逐渐被采用，一些先进设计手段如系统工 程、优化工程、可靠性工程、创造性工程、实施智能c a d 技术、人机工程8 m ” 等被引入起重机领域，尤其是有限元法。特别是近几年随着计算机软硬件技术的 发展，有限元法在塔式起重机的结构设计中逐渐得到应用。但现有通用有限元软 件，一般比较复杂对设计人员要求较高；而且，塔式起重机工作状况下载荷复 杂，并且需考虑多种工况。这样就导致使用通用有限元分析软件进行塔式起重机 设计分析费事费力，容易出错：不仅如此，由于塔式起重机所要分析的工况较多， 导致分析完毕后后处理较复杂。分析结果不简明。因此，沈阳建筑机械有限公司 委托我们建立一套针对他们的产品的设计分析系统。这套系统分两部分，其中一 部分是塔式起重机部分零部件的常规设计、计算及选用，另一部分则是塔式起重 机塔身及吊臂的有限元分析，即本文所讨论的这一部分。 ( 2 ) 课题的意义 基于a n s y s 及a p d l 的有限元分析系统是针对沈阳建筑机械有限公司的实际情 况开发的一套专用有限元分析系统。本系统是在对沈阳建筑机械有限公司现有塔 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 式起重机分析、简化、分类的基础上建立的，可对多种塔式起重机进行有限元分 析。本系统操作简单，降低了塔式起重机有限元分析的技术门槛，使得任何一个 塔式起重机的设计人员都可以轻松的完成塔式起重机的塔身及吊臂的有限元分 析：本系统智能化程度高，简化了建模、加载、求解过程，缩短了塔式起重机的 设计周期；本系统后处理功能较强，计算结果直观简洁，便于设计人员对计算结 果进行查询、判断。 1 2 有限元技术的发展历史及现状 对于许多工程问题，不可能获得解析的数学解。以前，为了得到解析解，人 们不得不做多到难以承受的假设和简化，以至于所得结果只能适用于最简单的情 况。现在，对于材料性质和边界条件复杂的问题，工程师可以依靠数值方法给出 近似的、较令人满意的答案。有限元法就是这样一种数值方法”1 。 从数学角度来看，有限元基本思想的提出，可以1 9 4 3 年c o u r a n t 的丌创性工 作为标志。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和晟小未能原 理相结合，来求解s t v e n a n t 扭转问题。但由于当时计算条件的限制，这种方法 并没有受到足够重视。从应用角度来看，有限元法的第一次成功应用者是t u r e n e r 和c 1 0 u g h 等人。他们在分析飞机结构时用有限元法第一次得出了平面应力问题 的正确答案。但是直到1 9 6 0 年，c l o u g h 又进一步应用有限元法处理了平面弹性问 题，并提出了有限单元( f i n i t ee l e m e n t ) 的名称，这才使得有限元的理论和应用 都得到了迅速的发展“1 。 随着有限元理论的发展及计算机软硬件技术的发展，有限元法已经可用于求 解结构力学、热传导、电磁场、流体力学、声学等多问题，广泛应用于核工业、 铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、军工、电子、土木工 程、造船、生物医学等一般工业及科学研究的模拟分析“”。 1 3 a n s y s 简介 1 3 i a n s y s 的基本功能 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析( f e a ) 软件，作为 款融结构、热、声、流体、电磁场于体的大型通用有限元分析软件，它包含 了前处理、求解、后处理等模块，可完成如下功能卿“”m 3 ： - 2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 式起重机分析、简化、分类的基础上建立的，可对多种塔式起重机进行有限元分 析。本系统操作简单，降低了塔式起重机有限元分析的技术门槛，使得任何一个 塔武起重机的设计人员都可以轻松的完成塔式超重机的塔身及吊臂的有限元分 析：本系统智能化程度高简化了建模、加载、求解过程，缩短了塔式起重机的 设计周期；本系统后处理功能较强，计算结果直观简洁，便于设计人员对计算结 果进行查询、判断。 1 2 有限元技术的发展历史及现状 对于许多工程问题，不可能获得解析的数学解。以前，为了得到解析解，人 们不得不做多到难以承受的假设和简化，以至于所得结果只能适用于最简单的情 况。现在，对于材料性质和边界条件复杂的问题，工程师可以依靠数值方法给出 近似的、较令人满意的答案。有限元淮就是这样种数值方法“1 。 从数学角度来看，有限元基本思想的提出，可以1 9 4 3 年c o u r a n t 的丌创性工 作为标志。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小未能原 理相结合，来求解s t v e n a n t 扣转问题，但由于当时计算条件的限制，这种方法 并没有受到足够重视。从应用角度来看，有限元法的第一次成功应用者是t u r e n e r 和c l o u g h 等人。他们在分析飞机结构时用有限元法第一次得出了平面应力问题 的正确答案。但是直到1 9 6 0 年，c t o u g h 又进一步应用有限元法处理了平面弹性问 题，并提出了有限单元( f i n i t ee l e m e n t ) 的名称，这2 j 使得有限元的理论和应用 都得到了迅速的发展。 随着有限元理论的发展及计算机软硬件技术的发展，有限元法已经可用于求 解结构力学、热传导、电磁场、流体力学、声学等多阀题，广泛应用于核工业、 铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、军工，电子，土木工 程、造船、生物医学等一般工业及科学研究的模拟分析“。 1 ，3 a n s y s 简介 1 3 1 a n s y s 的基本功能 a n s y s 软件是美围a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析( f e a ) 软件，作为 一款融结构、热、声、流体、电磁场于一体的大型通用有限元分析软件，它包含 了前处理、求解、后处埋等模块，可完成如下功能“4 ： 了前处理、求解、后处理等模块，可完成如下功能”： - 2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 式起重机分析、简化、分类的基础上建立的，可对多种塔式起重机进行有限元分 析。本系统操作简单，降低了塔式起重机有限元分析的技术门槛，使得任何一个 塔式起重机的设计人员都可以轻松的完成塔式起重机的塔身及吊臂的有限元分 析：本系统智能化程度高，简化了建模、加载、求解过程，缩短了塔式起重机的 设计周期；本系统后处理功能较强，计算结果直观简洁，便于设计人员对计算结 果进行查询、判断。 1 2 有限元技术的发展历史及现状 对于许多工程问题，不可能获得解析的数学解。以前，为了得到解析解，人 们不得不做多到难以承受的假设和简化，以至于所得结果只能适用于最简单的情 况。现在，对于材料性质和边界条件复杂的问题，工程师可以依靠数值方法给出 近似的、较令人满意的答案。有限元法就是这样一种数值方法”1 。 从数学角度来看，有限元基本思想的提出，可以1 9 4 3 年c o u r a n t 的丌创性工 作为标志。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和晟小未能原 理相结合，来求解s t v e n a n t 扭转问题。但由于当时计算条件的限制，这种方法 并没有受到足够重视。从应用角度来看，有限元法的第一次成功应用者是t u r e n e r 和c 1 0 u g h 等人。他们在分析飞机结构时用有限元法第一次得出了平面应力问题 的正确答案。但是直到1 9 6 0 年，c l o u g h 又进一步应用有限元法处理了平面弹性问 题，并提出了有限单元( f i n i t ee l e m e n t ) 的名称，这才使得有限元的理论和应用 都得到了迅速的发展“1 。 随着有限元理论的发展及计算机软硬件技术的发展，有限元法已经可用于求 解结构力学、热传导、电磁场、流体力学、声学等多问题，广泛应用于核工业、 铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、军工、电子、土木工 程、造船、生物医学等一般工业及科学研究的模拟分析“”。 1 3 a n s y s 简介 1 3 i a n s y s 的基本功能 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析( f e a ) 软件，作为 款融结构、热、声、流体、电磁场于体的大型通用有限元分析软件，它包含 了前处理、求解、后处理等模块，可完成如下功能卿“”m 3 ： - 2 一 苎苎苎尝孚里萼笔霎耋兰= _ = - 一 苎二兰竺丝 建立计算模型或者输入结构、产品、组件或系统的c a d 模型 。施加载荷或者其它设计条件 研究模型的物理响应，比如应力水平、温度分布等 对产品进行优化设计，以降低产品的费用 做数值模拟实验 a n s y s 包含1 0 0 多种单元，使用这些单元可进行以下分析类型【1 0 】m 】： 结构分析 热分析 电磁分析 流体分析 声学场分析 耦合场分析 ， 优化设计 对于起重机的金属结构分析主要使用a n s y s 的结构分析部分，该分析模块可 进行结构静力分析、动力分析、屈曲分析、非线性分析，在它的专项分析中还包 括断裂分析和疲劳分析“2 ”。 本文对臂架结构的分析主要采用了a n s y s 的结构静力分析功能，并使用a p d l 实现模型的参数化。 1 3 2a n s y s 8 0 在结构分析上的新特性及在本系统中的应用 a n s y s 软件从1 9 7 1 年的2 0 版到现在的9 0 版，已有3 3 年的历史。在3 3 年 的发展过程中，a n s y s 得到了不断的完善。本系统是在h n s y s 8 0 的基础上建立的， 相对于a n s y s 8 0 之前的版本，a n s y s 8 0 在结构分析上有以下几点改进： 全新的模态综合分析技术 a n s y s 8 0 新增加了组件模态综合( c 鸿) 分析技术。c 髂可用于超大型模型的 结构动力分析，可通过分析组件的行为得到整个装配体的行为，c m s 超单元管理器 g u i 可以方便地进行c m s 分析的生成、使用和扩展过程，此外，可以很容易地装配 和观察不同超单元的结果。 接触分析功能的改进 h n s y s 8 ，o 在接触分析功能的改进有以下几点：面对面接触单元( c o n t a l7 1 到 c o n t a l 7 4 ) 和点对面接触单元( c o n t a l 7 5 ) 增加了两种新的拉格朗日乘子接触算 法；a n s y sg i i 进行丁增强，。扩展了接触向导的功能，更易于通过接触向导和接触 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 管理器进行接触相关的操作；3 一d 边装配接触可用于模拟壳一壳装配、实体一壳装 配和实体边装配。 材料非线性功能改进 a n s y s 8 0 在材辩非线性功能的改进有以下几点：超弹材料曲线拟合增加了 b l a t z g o 和h y p e r f o a m 模型，现在有9 个模型可供选择；非线性蠕变材料行为可 以进行曲线拟合，包括了1 3 种隐式蠕变模型；粘弹材料行为可以进行曲线拟台， 包括剪切模量、体积模量及其温度漂移函数。详细情况可参阅t b ，p r o n y 和 t b ，s h i f t 命令的帮助文档：为粘弹、蠕变和超弹曲线拟合提供了增强的交互曲线 拟合g u i ，更直观，更好用：形状记忆合金( s m a ) 可以模拟镍钛合金在恒温载荷 条件下的超弹性行为。既可以模拟奥氏体的线弹性行为，也可以模拟过渡阶段以 及马氏体阶段的行为：非线性塑性模型可以定义塑性应变与应力关系曲线。这可 用于l i n k l 8 0 、s h e l l l 8 1 、p l a n e l 8 2 、p l a n e l 8 3 、s o l i d l 8 5 、s o l i d l 8 6 、s o l i d l 8 7 、 b e a m l 8 8 和b e a m l 8 9 。这种新方法在定义温度相关的非线性应力应变关系时，消除 了材料定义中的不明确性。 单元功能增强，单元功能方面的增强主要集中在1 8 x 结构分析单元： ( 1 ) 1 8 x 结构单元进行大变形分析( n l 6 b 嘶，o n ) 的结果后处理有了改进。现 在可以通过r s y s 命令在初始整体坐标系或者单元局部坐标系中列表或绘图显示 p l a n e l 8 2 、p l a n e l 8 3 、s o l i i ) 1 8 5 、s o l l l ) 1 8 6 和s o l i d l 8 7 的单元和节点结果。 ( 2 ) 1 8 x 单元采用了一种改进的混合u - p 公式模拟几乎不可压缩超弹材料。这 种新算法模拟高不可压缩性材料行为非常有效。 ( 3 ) 大应变壳单元( s h e l l l 8 1 ) 提供了膜选项( k e y o p t ( 1 ) = 1 ) ，该选项忽 略了抗弯刚度。 ( 4 ) b e a m l 8 8 b e a m l 8 9 单元在分析功能上和截面定义上都得到了极大的增强， 如下：二次选项，k e y o p t ( 3 ) = 2 ，可以控制单元精度；b e p d d l s b 和b e a b l l 8 9 不需 方向节点也可以定义，这对于对称截面( 比如实心或空心圆截面) 非常有用：粱 截面功能扩展到了渐变截面粱( 在s e c t y p e 中提供了颞的t a p e r 类型) ； ( 5 ) e t c o n t r o l 指定适用于材料行为的单元技术并可选用其覆盖用户设置， 可用于新一代单元( 1 8 0 系列) 。 ( 6 ) s e g e n 命令的自动超单元生成功能提供了生成超单元以及指定主自由度的 更方便的途径，它具有一个预览选项，可以预览生成区域( 超单元域) 和主自由 度，这样就可以在超单元被确实生成前进行修改 ( 7 ) m p c i 8 4 单元，作为一个采用拉格朗同乘子技术实现运动约束的通用约束单 元，在前一版本中已经提供了刚性秆和剐性梁功能，现在其功能得到了进一步扩 展，包括了滑移约束、球形约束、万向节、旋转绞功能a 4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 8 ) 新的轴对称结构壳单元( 2 节点s h e l l 2 0 8 和3 节点s h e l l 2 0 9 ) 可用于模 拟薄到中厚度轴对称单层或叠层复合壳结构，非常适合于模拟线性、大转动或大 应变非线性分析，而且可以在非线性分析中考虑壳厚度的变化以及分布压力的追 随效应。 在本文中，主要使用的a n s y s 8 0 新技术是b e a m l 8 8 单元的渐变截面梁。在 a n s y s 8 0 没有推出之前，在工程计算中，对渐变截面粱的处理通常采用分段模拟 的方法，即用一个阶梯状的粱模拟渐变截面梁，现在可以通过定义渐变截面来模 拟。 1 3 3a n s y s 的二次开发技术 a n s y s 为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境和工具，这是考虑到每 个用户都有自己的专业背景和发展方向。作为通用软件不免在具体的专业深度上 有所欠缺，而良好的二次开发功能是吸纳和维持用户的重要保证，也为自身的开 发注入了无穷活力。a n s y s 提供的二次开发的接口和语言包括四部分一参数化程序 设计语言( a p d l ) 、用户界面设计与语言( u i d l ) 、用户程序特性( u p f ) 、a n s y s 数 据接口程序。其简介如下“”“”： l 、u i d l 的全名是u s e ri n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g e ，是a n s y s 中二次开发 工具方面的三大会刚之一。g u i 方面几乎全部的二次开发功能都将由它运筹帷幌。 u i d l 的功用如下： 组织强大的菜单系统。我们在a n s y s 中也能轻松做出可以和v c ，v b 之类主 流g u i 开发工具媲美的菜单响应效果。 构建功能丰富的对话框。用户可根据需要在a n s y s 的界面中轻松架构起自 身的实用且美观易用的c o n t a c t w i z a r d 对话框级联界面和对话框，有了它，能构 建一流的工程算例。 建立自己的联机帮助。a n s y s 中的联机帮助非常实用，可以说是我所接触过 许多有限元平台中最为好用的几种帮助平台之一。若想构建自己完善的帮助系统， u i d l 是这方面不可或少的理想开发工具。 2 、u p f 即u s e rp r o g r a m m a b l ef e a t u r e s ，它实际上是用f o r t r a n 编写的子程 序( s u b r o u t i n e f u n c t i o n ) ，a n s y s 提供了这些子程序的接口参数。u p f 能提供以 下功能： 读入信息到a n s y s 的数据库或从a n s y s 的数据库中读取信息。 a n s y s 提供了一套例程，可以应用它们指定各种类型的载荷。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 塑性材料、蠕可以自定义材料，a n s y s 提供了定义以下材料的例程 变、膨胀率、粘弹性、超弹性和层状单元的失效准则。 可以创建新单元例程，修改和监控已有单元的例程。 创建用户优化程序。 由于a n s y s 就是用f o r t r a n 开发的，所以使用u p f 可以实现用户程序和a n s y s 的无缝连接，程序运行速度快，能够直接处理a n s y s 数据库，能够充分利用a n s y s 现有功能，可以有效地拓宽a n s y s 的功能，保密性比较强；其缺点是：进行u p f 开 发比较复杂，不容易掌握，易出错，要求较高的调试技术，对计算机配黄要求较 高。 3 、a p d l 的全称是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ，是一种参数化设计 语言。可用来完成一些通用性强的任务。也可以用于根据来建立模型，不仅是优 化设计和自适应网格划分等a n s y s 经典特性的实现基础，也为同常分析提供了便 利。有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果，假如求解 结果表明有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何结构或载荷并重复上述步 骤。特别是当模型较复杂或修改较多时，这个过程可能很昂贵和浪费时间。a p d l 用建立智能分析的手段为用户了自动完成上述循环的功能，也就是说。程序的输 入可设定为根据指定的函数、变量及选出的分析标准作决定。它允许复杂的数据 输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权，例如，几何尺寸、材料、边界条 件和网格密度等，扩展了传统有限元分析范围以外的能力，并扩充了更高级运算 包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及设计优化。为用户控制任何复杂 计算的过程提供了极大的方便。其主要功能将在第2 章详细叙述。 4 、a n s y s 可与许多先进c a d 软件共享数据。利用a n s y s 的数据接口，可精确 的将在c a d 系统下生成的几何数据传入a n s y s ，而后准确地在该模型上划分单元并 求解，用户不必因为在分析系统中重新建模而费时耗力：a n s y s 数据接1 3 程序还可 以镶嵌在c a d 环境中，用户可直接在c a d 的界面下在c a d 的模型上进行某些分析， 并能保持c a d 数据和分析数掘间的相关性a n s y s 与c a d 程序的集成体具体体现 在：a n s y s 的设计师系列软件，支持工业数据几何传递标准，可以与某些专用的工 程程序连接在一起。 a p d l 所能实现的功能通俗的说来应该是次于u p f 而强与u i d l ，但实际上是由 于三者具体侧重点不同造成的：u i d l 主要控制g i j i 界面的各类二次开发方法，涉及 的分析部分就要少一些，a p d l 可以称其为和分析部分频繁打交道的一组小型工具， 功能强大，但不和u i d l 一样能够非常具体的针对某一两方面的二次丌发处理，通 常情况下他融合在分析的角角落落中。u p f 是三者之问的最强者，能完成最复杂的 二次开发工作，比如说构建新单元，复杂数据库交互，外围命令定制等，但u w 6 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在很多情况下也借助了a p d l 命令来完全实现其功能。同样我们也能在u i d l 中嵌 入a p d l 命令，构建比较复杂的g u i 二次开发工作。u i d l ，a p d l 和u p f 三者各有所 长，密不可分结合使用三者，我们将能够实现任何强大的分析功能。 通过上述比较，根据本文的研究目标和特点以及时间原因，仅采用了a p d l 语 言编制了臂架结构数值仿真的参数化命令流。在今后的工作中，同样可用u i d l 和 u p f s 在a n s y s 的g u i 界面中构建臂架结构数值仿真的菜单、对话框和指定载荷类 型等。 1 。4 本文所做的工作 本论文以沈阳建筑机械有限公司的塔式起重机为研究对象，以有限元法为理 论基础和分析手段，运用参数化技术和有限元分析软件a n s y s 对塔式起重机多种 状态下的应力状态进行了仿真、分析，建立了一套简洁快速的专用有限元分析系 统，具体工作如下： 1 、对沈阳建筑机械有限公司现有塔式起重机进行分析，根据各塔机的结构特 点，将沈阳建筑机械有限公司的塔式起重机划分为几类。 2 、对不同类型的塔式起重机分别进行简化，建立不同的有限元模型。 3 、确定各模型的输入参数，建立从v b 到a n s y s 的数据传输接口，并用a p d l 语言及a n s y s 内部命令建立有限元模型。 4 、用a p d l 及a n s y s 内部命令实现载荷的自动加载及求解，并按照沈阳建筑 机械有限公司的要求完成结果筛选、排序、保存等后处理过程，建立从a n s y s 到 v b 的数据传输接口。 一7 一 查苎奎鲎堡主茎壁笙塞 蔓三皇塑! ! ! 三查堑垒堡堕量查望 第二章a n s y s 二次开发的理论与方法 2 1 参数化技术及其分类 从基于约束的参数化技术的实施机理来看，目前主要有两大类型“”“”： 编程参数化 这种方法通过分析模型的特点，确定样板各尺寸之间的数字关系，给定输入 参数，然后确定其它参数的值，并用高级语言在c a d c a e 系统中加以实现。这种 方法主要适用于结构较稳定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合， 常见于在通用商品c a d c a e 软件上进行二次丌发，如进行标准件和常用件的建库 工作等，故局限性很大。 人工交互参数化 ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法，这是一种面向非线性方程组整体求解代数方 法。它将集合形状看作为一系列特征点，将约束关系转换成以特征点为变化的非 线性方程组，通过迭代求解，从而确定出集合细节。这种方法适用于很大范圈约 束类型，且循环约束可通过约束方程组的联立求解得到处理，但它难以避免数值 求解稳定性差的缺点，方程纽整体求解的规模和速度难以控制，且迭代初值的选 取在很大程度上也影响算法的成功。 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能方法该方法的基本思想是将约束关系用阶逻 辑谓词来描述并存入事实库，通过推理机的作用，从规则库中选用规则并应用于 现有事实、推理的结论作为新的事实、推理史记录所有成功的规则应用并提供重 构过程，从而构造出整个几何体。这种方法表达简洁、直观，且可以避免变量几 何法的不稳定性，但系统庞大，速度慢，无法处理循环约束。 ( 3 ) 基于构造过程的参数化方法此方法采用一种参数化履历的机制，通过记录 构图过程中体素的生成过程的先后顺序及连接关系，捕捉设计者的意图。这种方 法适用于结构相同而尺寸不同的零件设计，但由于需严格遵守某种顺序，柔性和 灵活性不足。 ( 4 ) 基于辅助线的参数化方法主要特点是所有轮廓均建立在辅助线的基础上， 而辅助线的求解条件在作图过程中已明确规定，不必再作遍历搜索和检索求解条 件是否充分。这种方法求解速度快，不足之处是当图形比较复杂时，辅助线影响 作图操作。 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章a n s y s 二次开发理论与方法 ( 5 ) 基于图形的参数化方法此方法直接操纵图形数掘库，把图形数据库的数据 交换结构略作修改，用图形来描述实体的相应约束。这种方法不要求用户在系统 特定模块的步骤构造原型图，算法效率高，实现简单，程序量不太大，可移植性 强。 本文在臂架结构的仿真中采用了编程参数化技术，但由于塔式起重机种类繁 多，所以在建立有限元模型前，必须按照其结构进行分类，然后分别实现其有限 元模型的参数化，从而建立了一套快捷迅速的塔式有限元分析系统。 2 2 a n s y s 二次开发工具一a p d l 语言 2 2 1a p d l 语言 a p d l 即a n s y s 参数化设计语言( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 是一种 解释性语言，可用来完成一些通用性强的任务，也可以用于根据参数来建立模型。 程序的输入可设定为根据指定的参数、变量以及选出的分析标准做决定。a p d l 允 许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权。例如几何尺 寸、材料、载荷、约束位置和单元尺寸等。a p d l 扩展了传统有限元分析范围之外 的能力，并扩充了更高级运算，包括灵敏度研究，零件库参数化建模。更新设计 修改及设计优化8 ”1m 1 。 2 2 2a p d l 编程 用文本编辑器，如写字板、记事本、u r t r a e d i t 等，用户就可以直接进行a p d l 参数化命令流的编写。a p d l 的语法与f o r t r a n 类似，但还包括一些a n s y s 的内部 命令，所以要进行a p d l 编程有必要熟悉a n s y s 的命令流。对于不熟悉a n s y s 命令 流的用户，可首先熟悉a p d l 的基本语法，而对于命令流部分，可以采用从命令流 文件中提取部分关键的命令流来进行a p d l 编程。命令流文件的默认扩展名为：l o g ， 用户在用g u i 方式进行有限元建模、求解、后处理时，a n s y s 自动会将每一步g u i 操作对应的命令记录在一个命令流文件中，并存储在当前的工作目录下，用任何 一种文本编辑器都可以对其进行编辑。 a p d l 有下列功能，这些功能可根据需要单独或同时使用 1 s ) o 1 、参数 参数是a p d l 的变量，a n s y s 包含两种类型的参数：标量和数缓。用户可以定 一9 - 东北大学硕士学位论文 第二章a n s y s 二次开发理论与方法 义参量，也可将它们保存在一个文件中供以后的a n s y s 运行过程或其它程序和报 告使用。参数性能提供了对程序进行控制和简化数据输入的有效方法。在a p d l 中 用户可用以下方法定义参数： 在运行过程中给参数赋值 在a n s y s 运行中的任一点都能用给参数赋值。常用的方法是用“* s e t ”命令 赋值，如：* s e t ，a b c ，2 4 。也可用“= ”来调用“* s e t ”命令，如：a b c = 2 4 就等效 于* s e t ，a b c ，2 4 。参数不仅可以定义成常数值，也可以用参数表达式的当前值定义。 赋给参数的参数表达式可以包括典型的算数运算和f o r t r a n 函数。例如：可通 过计算两个尺寸的平方根获得所需模型的尺寸。若这两个尺寸以定义为参数x ，y ， 则输入命令：l e n g t h = s q r t ( x 木卓2 + y 宰丰2 ) 后，在程序以后出现的l e n g t h 都将用这个 计算出的值代替。有效的运算包括：算数运算、比较、取整和标准f o r t r a n 的三角 函数、指数函数、双曲函数。 在启动时给参数赋值 当从操作系统的命令行启动a n s y s 时，可以定义参数作为变量：仅仅只需在 a n s y s 的命令之后按- - n a m ev a l u e 的格式输入参数定义即可。 如果不使用命令行形式启动a n s y s ，可以采用相应的菜单项( 不同版本菜单项 不同，但仍采用- n a m ev a l u e 格式) 来定义参数。对于a n s y s 8 0 ，要在启动时定 义参数，须在c j s t o m i z a t i o n 菜单的a d d i t i o n a lp a r a m e t e r s 中定义参数，例如 启动时定义两个参数p a r m l 和p a r m 2 ，分别赋值8 0 和9 1 ，可如图2 1 所示定义： 赋a n s y s 提供的值给参数 除用户指定的参数值外。a n s y s 计算出的值也可赋给参数。实际上，数据库中 的任何数据都能赋给参数。这一特性在优化过程中显的特别重要。a n s y s 提供了两 种方法从a n s y s 中提取数据： 第一种用* g e t 命令，可从特定的项目( 一个点、一个面、一个单元等) 中提取 数据并赋值给某个用户命名的参数。各种关键词、标志和数字结合在一起来确定 被提取的项目。例如：* g e t ，a ，e l e m ，c e n t 。x ，返回的是单元物质心的x 坐标并 赋值给参数a 。用该命令可以读取的数据库中的信息有