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摘要 随着我国公路建设进程的加快，沥青路面维护和维修的新工艺与新技术日益增多， 与之配套的路面再生设备蓬勃发展，同时对于再生设备的力学要求也很大程度地增加。 路面冷再生机机架是整机最为重要的部分，其上安装着所有重要部件，是主要承载机构。 整机所受载荷最终都传递给机架，因此对机架进行结构分析对整机设计生产来说至关重 要。本文介绍了市场上不同类别路面冷再生机工作原理、结构特点，以型号为l z 2 5 0 0 的路面冷再生机为对象，借助有限元分析软件a n s y s 强大的分析功能，对机架进行结 构分析，为前期设计及后续生产提供技术支持。运用计算机辅助设计软件s o l i d w o r k s 构建机架结构模型，然后将模型导入a n s y s ，对其进行结构静力和动力特性分析。研 究内容及结论有以下几方面： ( 1 ) 在介绍了路面再生技术的基础上，分析了目前市场上常见的路面冷再生机和 l z 2 5 0 0 在结构上的差别。l z 2 5 0 0 主要特点在于：由平行四连杆机构和轮胎立柱位移共 同完成车辆工作装置的工位选择。因此相对于传统的整体式机架来说，本机铣刨转子和 机架连接固定，转子工位容易确定，力学性能较，好但结构复杂，运用传统方法不好计 算其结构特点，故采用有限元法对其机架进行结构分析。 ( 2 ) 在机架建模方面，本文采用计算机辅助设计工具s o l i d w o r k s 中的参数化和特 征造型技术进行建模，能够方便快捷地创建和修改大量形状复杂的实体。本文在建模过 程中，根据实际情况在合理范围内对机架进行了一定程度的简化，提高了建模效率。 ( 3 ) 在对本机结构进行详细介绍的基础上，运用力学相关原理对机架载荷进行了 分类，并分别对冷再生整机和机架的受力情况作了详细分析和计算。 ( 4 ) 运用a n s y s 软件对冷再生机架做静力学和动力学性能分析。在静力学分析中， 给出了静力学分析的规范流程；在规范流程的指导下，对机架进行静力学性能分析。分 析结果表明，机架最大应力位于铣刨转子安装横梁处。通过强度校核，确认最大应力未 超过许用应力值，机架结构强度符合要求。动力学分析主要对机架进行了模态研究，并 得到机架前十阶固有频率和振型图。从中对机架刚度相对薄弱环节做了说明，完善了机 架的结构分析。 现阶段，对于冷再生机机架的结构分析研究较少，鲜见相关文献。因此，本文对冷 再生机机架有限元分析的探索，在有效降低产品开发成本，缩短产品研制周期及提高产 品质量和可靠性方面，具有一定的理论和现实指导意义，可为机架相关设计及改进提供 可靠的数据支持。 关键词：冷再生机；机架；静力学分析；动力学分析；有限元 i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，p a v e m e n tr e c y c l i n ge q u i p m e n t s a r eb o o m i n g t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ed i f f e r e n tt y p e so f p a v e m e n tc o l dr e c y c l e r sw o r k i n g p r i n c i p l e ，s t r u c t u r a lf e a t u r e s a n dt h er e s e a r c ho fs t r u c t u r a la n a l y s i sf o ro n em o d e lp a v e m e n t c o l dr e c y c l e r sf r a m e ，埘t l lt h eu s i n go ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gt e c h n i q u e sa n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s p a v e m e n tc o l dr e c y c l e rf r a m ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r t ，w h i c hi n s t a l l w i t ha l lt h ei m p o r t a n tp a r t s ，a n di st h em a i nb e a r i n gb o d y m a c h i n es u f f e r e dt h eu l t i m a t el o a d i st r a n s m i t t e dt ot h ef r a m e ，s ot h es t r u c t u r a la n a l y s i so ff r a m ei sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g na n d p r o d u c t i o no ft h em a c h i n e b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s sp o w e r f u la n a l y s i s ，s t r u c t u r a l a n a l y s i so ft h ef r a m ep r o v i d eu s e f u lf o l l o w - u ps u p p o r tf o rt h ei n i t i a ld e s i g na n dp r o d u c t i o n e a r l yu s eo fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns o f t w a r es o l i d w o r k st or a c ks t r u c t u r a lm o d e l i n g ，a n d t h e ni m p o r tt h em o d e lt oa n s y sd os t r u c t u r a ls t a t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i s ( 1 ) b a s e do nt h ed e s c r i p t i o no fr o a dr e c y c l i n gt e c h n o l o g y ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e s s t r u c t u r a ld i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ec o m m o nc o l dr e c y c l e ro nt h ep r e s e n tm a r k e ta n dt h ec e r t a i n c o l dr e c y c l e rw h i c ht h i ss t u d ya r er e s e a r c h e d t h em a i n l yc h a r a c t e r i s t i ci s ：t h ep a r a l l e l f o u r - b a rl i n k a g ea n dt h et i r ec o l u m nw o r kt o g e t h e rt oc o m p l e t ei n s t a l l a t i o no ft h es t a t i o n s e l e c t i o n t h e r e f o r e ，c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lf r a m e ，t h eo n e sf r a m ei ss oc o m p l i c a t e dt h a t t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc a l c u l a t i n gt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c si sn o tg o o d ，s ot h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o di sa d o p t e dt od ot h es t r u c t u r a la n a l y s i so ft h ef r a m e ( 2 ) t h i sp a p e rm o d l et h ef r a m e 晰t l lt h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt o o l ss o l i d w o r k s ， w h i c h m a i nu s eo fp a r a m e t r i cm o d e l i n ga n df e a t u r em o d e l i n gt e c h n i q u e st h a tc a nq u i c k l y a n de a s i l yc r e a t ea n dm o d i f yal a r g en u m b e ro fc o m p l e xs h a p ee n t i t i e s i nt h em o d e l i n g p r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o nd oac e r t a i nd e g r e eo fs i m p l i f i c a t i o no nt h ef r a m e ，o n t h eo n eh a n dt oi m p r o v et h em o d e l i n ge f f i c i e n c y , b u ti ta l s or e d u c e st h ec o m p u t a t i o n a l a c c u r a c ya n dt h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t sa l s oh a v es o m ei n f l u e n c e ( 3 ) i nt h i sp a p e r , d oac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，i t sm a i nf u n c t i o na n dw o r kp r o c e s sa r ee x p l a i n e d ，t op a v et h ew a yf o rt h eu s i n go f i i i a n s y sf o rt h ef o l l o w i n ga n a l y s i s ( 4 ) b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ef r a m e ，t h ep a p e ra n a l y s i s e st h el o a do ni t a n do n t h i sb a s i s ，a n a l y s i s e st h es t a t i ca n dd y n a m i cf e a t u r e so ft h ec o l dr e c y c l e rm a c h i n ef r a m e i ns t a t i ca n a l y s i s ，g a v en o r m a t i v ep r o c e s so ft h es t a t i ca n a l y s i s u n d e rt h eg u i d a n c eo f t h es p e c i f i c a t i o np r o c e s s ，a n a l y s i st h es t a t i cf e a t u r eo nt h ef r a m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m a x i m u ms t r e s so nt h eb e a mw h e r et h et h em i l l i n gd r u mi n s t a l l e d a c c o r d i n gt ot h es t r e n g t h c h e c kt h em a x i m u ms t r e s sd o e sn o te x c e e dt h ea l l o w a b l es t r e s sv a l u e s ，s ot h ef r a m es t r u c t u r a l s t r e n g t hm e e tt h er e q u i r e m e n t s d y n a m i c sa n a l y s i so ft h ef r a m em a i ni sm o d a la n a l y s i s ，a n dg e tt h er a c kt o p t e nn a t u r a l f r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s f r o mt h a tt h er e l a t i v ew e a k n e s so ft h ef r a m es t i f f n e s sa r e i l l u s t r a t e d ，a n dp e r f e c tt h ef r a m eo fs t r u c t u r a la n a l y s i s a tp r e s e n t ，a sr e s e a r c hd a t ao ft h ec o l dr e c y c l e rf r a m es t r u c t u r a la n a l y s i si sr e l a t i v e l y l i m i t e d t h e r e f o r e ，t h i sr e s e a r c ho nc o l dr e c y c l i n gm a c h i n ef r a m eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si n t h ea r t i c l ec a nr e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t s ，a n ds h o r tt h ep r o d u c t i o nd e v e l o p m e n tc y c l e sa n d i m p r o v ep r o d u c t i o nq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y , w h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w h i l et h e s t u d yo nt h eo n eh a n dp r o v i d e sar e l i a b l ed a t as u p p o r tf o rt h em a c h i n ed e s i g n ，o nt h eo t h e r h a n df o rp r o v i d e sar e l i a b l eb a s i sf o rt h ef o l l o w - u pf r a m ed e s i g ni m p r o v e m e n t s k e y w o r d s ：c o l dr e c y c l e r ；f r a m e ；s t a t i ca n a l y s i s ；d y n a m i c sa n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n t i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 工业产品设计应考虑确保产品的性能、可靠性、使用寿命以及最大限度减少成本等。 传统的工程结构分析和计算，依据设计者的经验和相关力学原理为基础进行。但这种计 算方法，因存在很多简化条件，通常会导致产品尺寸过大，不仅浪费材料，有时也会降 低产品的结构性能。 随着科学技术的快速发展，现代产品设计和制造正朝着高性能、高速、高精度、低 成本、节约资源和高效等方面发展。近年来，计算机技术在工程设计领域中应用日益加 深，传统计算的缺点得以解决。通过使用计算机辅助设计程序，即使对大型复杂工程进 行分析，也可以不做大量的简化，并且保证计算精度和速度。常见的工程分析包括：对 产品进行质量、数量、转动惯量和强度的计算分析；对产品的精度，动态和静态特性进 行性能分析；对产品的应力、变形、安全性和寿命的分析等【1 】。 本文主要是运用大型c a e 软件a n s y s 对路面冷再生机机架进行结构上的分析，为 产品设计提供一定的参考依据。 1 1 研究背景 随着改革开放的深入，我国经济快速发展，国家不断加大在公路建设上的投入，公 路里程飞速增长。随之而来的是交通量和车辆载荷的飞快增加，而早期投入使用的公路 其设计年限也逐步到期，大量公路处于超负荷工作状态。这就使得路面破坏严重，达不 到行车要求，影响正常使用及存在重大安全隐患，故需要对公路进行养护、改建或扩建。 我国各级道路以沥青路面为主，因此在路面的养护和改、扩建过程中将会产生大量 的废旧沥青混合料，在路面维修的高峰期，产生的废旧沥青混合料的数量将会越来越多。 对于此类道路改造工程，往往需要对废旧沥青混合料进行弃置处理，而废旧沥青混合料 是一种可再生利用的材料资源，如果将其废置于公路沿线，不仅会造成资源浪费，同时 也会占用大量的土地，并且还会对公路的边坡及绿化造成长期的危害，形成二次污染。 在这种状况下，冷再生技术和路面冷再生机应运而生。 现在市场上比较著名的冷再生机生产厂家有德国w i r t g e n ( 维特根) 的路面冷再生 机、美国c a t e r p i l l a r ( 卡特皮勒) 路面冷再生机、德国b o m a g ( 宝马格) 路面冷再生机 等。国内厂商顺应市场潮流也纷纷开发路面冷再生机，如德工机械生产的w b 5 2 5 型冷 再生机、山东机械厂生产的l z s 2 4 0 0 型冷再生机等。 第一章绪论 但上述冷再生机在实际应用中暴露出很多问题，如作业质量不高，机架容易出现强 度问题等。究其原因，与道路状况不同及使用不当有很大关系，但主要问题在于设计和 制造过程中，未能对冷再生机及其重要载荷部件进行深入的力学分析和有针对性的性能 改善，而本文正是基于冷再生机力学结构分析的背景下，运用有限元分析技术对l z 2 5 0 0 路面冷再生机机架结构进行分析。 1 2 沥青路面冷再生技术 沥青路面冷再生技术在西方国家发展得比较成熟，而我国相关部门于2 0 0 8 年4 月 发布的公路沥青路面再生技术规范( j t g f 4 1 2 0 0 8 ) ，对沥青路面冷再生技术在沥 青路面冷再生施工方面有着重要的推动意义【2 1 。路面冷再生技术相关涵义及主要特点如 下。 1 2 1 路面冷再生技术涵义 沥青路面再生技术不是一项单一的技术，而是一类技术的总称。根据公路沥青路 面再生技术规范，沥青路面冷再生技术可分为：厂拌热再生、厂拌冷再生、就地热再 生、就地冷再生。本文讨论的是基于就地冷再生技术设计的路面冷再生机。 所谓就地冷再生是指使用就地冷再生机械，根据现场实际情况需要，对沥青路面加 入定量的新集料、粘接料、石灰或水泥、水等材料后，对路面进行现场铣刨、破碎，在 进行新旧料拌和，最后进行整形、摊铺和碾压，实现旧沥青路面再生利用的技术。冷再 生技术并不是修补破损的沥青路面，而是对就面层和部分基层再利用，建成新的基层或 底基层。【3 】【4 】【5 】 1 2 2 路面冷再生机特点 路面冷再生机是沥青路面冷再生施工的主要设备，其关键部件是铣刨和拌和转子， 在行进过程中，转子铣刨路面材料，破碎后的材料和新加集料、水充分拌和，进行摊铺， 最后用压实机械压实路面【6 1 。图1 1 为冷再生机工作示例图。 压实冷再生机工作材料摊铺材料运输 图1 1 冷再生机工作示例 2 黼一霪褰黧攀 黛 长安大学硕士学位论文 路面冷再生机主要特点如下： ( 1 ) 可节约材料和运输成本达2 0 5 0 ； ( 2 ) 可采用半幅通车、半幅施工的方式进行工作，不影响交通； ( 3 ) 由于旧料可以就地利用，不用耗费时间运输，故可大幅缩短工期； ( 4 ) 由于旧料的再利用，减少了新材料的使用，所以节省投资。而消除了旧料的 处理问题，故有一定的环保意义。 1 2 3 路面冷再生机机架类别 路面冷再生机机架采用刚性焊接结构，在其上布置各附件和总成。目前市场上的机 型主要采用有桥式结构和无桥式结构两种。 本文讨论对象采用的是无桥式结构，相对于整体式车架强度、刚度来说，无桥式结 构比较复杂，但相对紧凑，刚度较差，用传统方法不好计算。为了明确本机的结构特性， 本文采用有限元法来对机架进行结构分析。 1 3 有限元法 本文利用软件a n s y s 对路面冷再生机机架进行有限元分析，其中a n s y s 的理论 基础是利用工程技术领域内常用的数值模拟方法有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， f e m ) ，其作为一种离散化的数值解法被广泛应用在结构分析领域。 1 3 1 有限元法概述 有限单元法的简单表述是把复杂的问题用简单的问题代替而后求解，是将连续体离 散化。有限元法的基思想包括两部分：离散和分片插值。 离散的目的是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界条件，用包含有限 节点变量的代数方程组代替，使之可以用计算机方便求解。分片插值是对每一个单元选 择插值函数，在单元内完成积分计算。【7 】【8 1 1 9 1 1 3 2 有限元法分析基本步骤 有限元分析有三个步骤： ( 1 ) 预处理阶段 1 ) 通过建立求解域并对其离散化成有限元，使问题分解成节点和单元。 2 ) 假设代表单元解得近似连续函数，并对单元建立方程，构造总体刚度矩阵。 3 ) 施加边界条件。 第一章绪论 ( 2 ) 计算问题 求解微分方程组，得到节点值。 ( 3 ) 后处理阶段 对得到的结果根据需要进行后处理。【1 0 】【l l 】 1 - 3 3 有限元法在路面冷再生机机架中的应用 在冷再生机工作过程中，机架是整机安装的基础，是整机工作的关键部位，它承受 工作时的全部作用力。机架疲劳破坏是机架产生裂纹和破坏的最经常的原因，这类破坏 通常会严重影响生产的进行，甚至会造成设备的报废，带来重大的经济损失。因此要求 机架有足够的强度和刚度，耐冲击振动。而目前对于机架的设计和研究主要是用传统方 法对车架进行简化的计算。这种简化计算就导致在设计过程中，为了保证机架的强度和 刚度，把机架设计的过于安全，使得机架结构过重，既增加了生产成本，也造成机架的 设计与优化分离，不利于进行有效地生产，生产周期过长。【1 2 】 目前，随着有限元法在工程分析领域的成熟应用，冷再生机机架的设计和研究方法 将大为改观。对机架结构建立有限元模型，进行静、动态特性分析并对设计参数进行优 化，最终掌握机架结构的特性，并对机架结构进行评估。 1 4 研究目的和意义 通过本文的研究，预计达到以下目的： ( 1 ) 运用s o l i d w o r k s 软件建立路面冷再生机机架的3 d 模型，使之直观地呈现在 设计者面前。 ( 2 ) 通过a n s y s 软件对机架进行有限元分析，为设计人员提供技术参考。 ( 3 ) 对机架进行静力学结构特性分析和动力学模态分析，用具体数据为设计人员 提供机架设计的理论支持。 目前，对机架整体的薄弱环节的数据的测试，因结构和现场条件的限制，无法顺利 进行。而在传统设计中，其结构参数一般根据经验确定，缺乏精确的强度计算，质量分 布也不合理，容易造成整机材料浪费或强度不足的现象。通过有限元分析方法，可以了 解机架系统整体的受载情况，针对薄弱环节提出相应的改进措施，这对于延长机架的寿 命，有效降低产品的开发成本，缩短产品的研制周期及提高产品的质量和可靠性具有一 定的现实意义。 4 长安大学硕士学位论文 1 5 论文组织结构 本论文的组织结构如下： 第一章，绪论。介绍论文的研究背景，探讨了论文的研究意义，描述了论文主题的 冷再生机相关涵义，对论文做了总述性论述。 第二章，a n s y s 软件介绍。本章首先介绍a n s y s 软件的发展概况、主要特点和功能 等；分析a n s y s 软件的工作过程，为后续如何应用a n s y s 软件分析冷再生机力学性能做 基础理论支持； 第三章，基于s o l i d w o r k s 的冷再生机机架建模。本章首先阐述s o l i d w o r k s 软件的 模块及建模过程，结合冷再生机机架具体参数，在不影响其力学性能的前提下，确定简 化模型的主要思想和依据，并应用s o l i d w o r k s 各模块功能，建立机架的三维模型，最 后成功实施a n s y s 与s o l i d w o r k s 的数据转换； 第四章，冷再生机架载荷分析。本章在对冷再生机工作特点和原理分析的基础上， 有针对性地对l z 2 5 0 0 冷再生机进行工况分析，探讨其载荷影响因素，并获得其载荷分人 类；同时对整机受力分析并对机架受力情况进行模拟； 第五章，冷再生机机架静力学分析。本章在对结构静力力学相关理论回顾的基础上， 对机架结构运用a n s y s 软件进行静力学分析，通过建立有限元模型和加载求解，获得分 析结果，并对结果进行研究，确定机架的所受应力程度； 第六章，机架结构动力性能分析。本章在回顾模态分析相关理论的基础上，确认模 态分析的流程。应用a n s y s 软件具体实施，得到了机架前十阶固有频率和振型图。并由 此对机架进行模态分析，得到机架结构刚度相对薄弱的部位，完善了机架的动力学分析 第七章，结论与建议。本章对前文的工作和成果进行总结，并对往后的工作提出建 议。 5 第二章a n s y s 软件介绍 第二章a n s y s 软件介绍 a n s y s 软件是大型通用有限元商用分析软件，其强大的有限元分析功能可解决本 文所涉及的结构分析问题。1 1 3 2 1a n s y s 软件介绍 2 1 1a n s y s 的发展概述 1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士创立了a n s y s 公司。其开发的第一代版本的a n s y s 只能在大型机上运行，而且只提供线性结构分析及热分析功能，是一个批处理程序。随 着研究的深入，a n s y s 中单元类型越来越多，增加了非线性、子结构等新技术。【1 4 】 2 0 世纪7 0 年代末期，a n s y s 前处理器和后处理器的理念，使得用户在建模与结构 处理上非常方便，提高了用户对程序的使用效能。在有限元学科及其应用发展的同时， a n s y s 也适应计算机技术的发展，它能够在多种工作平台和多个操作系统上实现完全 兼容，其并行处理技术在很大程度上提高了分析效率。 目前应用的a n s y s1 0 0 具有强大的耦合场技术、应力分析和流体分析技术。其通 过适合于特定场要求的网格划分，可以将一个单一的几何体应用于两种场。a n s y s1 0 0 的并行求解器增加了对c p u 和通信技术的选择余地，满足了对大型复杂问题及时有效 的分析需求。相对于以前的版本，a n s y s1 0 0 能实现以最少的成本满足高性能的机群 计算，这使其得能够更加经济高效地解决大型模型问题。【1 5 】 2 1 2a n s y s 的主要特点 a n s y s 的下列特点，使其在有限元分析软件中具有领先地位【1 6 】： ( 1 ) 能实现多场及多场耦合功能： ( 2 ) 集前后处理、分析求解及多场分析于一体； ( 3 ) 独一无二的优化功能，唯一具有流场优化功能的软件； ( 4 ) 有强大的非线性分析功能； ( 5 ) 具备快速求解器； ( 6 ) 最早采用并行计算技术的有限元分析系统( f e a ) 软件； ( 7 ) 支持众多类型平台之间的并行计算； ( 8 ) 可兼容多种文件； 6 长安人学硕上学位论文 ( 9 ) 支持从p c 、w s 到巨型机的所有硬件平台： ( 1 0 ) 1 0 0 多种自动网格划分技术； ( 1 1 ) 可与大部分c a d 软件实现数据交换。 2 1 3a n s y s 的主要功能 有限元分析过程包括前处理、计算和后处理三个阶段，因此为了支持分析过程的完 成，a n s y s 主要包括三个部分【1 7 】：前处理模块，分析计算模块和后处理三个功能模块， 如图2 1 所示。 前处理 前处理模块 上上 计算计算模块 上1 l 后处理 后处理模块 1 一 i i 图2 1a n s y s 的功能划分 ( 1 ) 前处理模块p r e p 7 前处理模块的任务是建立有限元模型，为计算提供所有原始数据。a n s y s 的前处 理模块包括两部分内容：实体建模和网格划分。 ( 2 ) 分析计算模块s o l u t i o n a n s y s 软件提供结构分析类型如下： 1 ) 结构静力分析 结构静力分析主要用来求解外载荷引起的位移、应力和力，其适合于求解惯性和阻 尼对结构的影响不显著的问题。 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析主要用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响，要考虑随时 7 第二章a n s y s 软件介绍 间变化的力载荷及其对阻尼和惯性的影响。结构动力学分析类型有：瞬态动力学分析、 模态分析、随机振动响应分析及谐波响应分析。 3 ) 结构非线性分析 结构非线性可导致结构、部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程序可用来 求解静态和瞬态非线性问题，包括几何非线性、材料非线性和单元非线性。 ( 3 ) 后处理模块p o s t l 和p o s t 2 6 在a n s y s 完成计算以后，可以通过通用后处理模块( p o s t l ) 和时间历程后处理 模块( p o s t 2 6 ) 观察结果。 1 ) 通用后处理模块( p o s t l ) 该模块可以用于查看整个模块或选定的部分模块在某一子步或时间步的结果。运用 该模块可以获得各种应力场、应变场及温度场等的等值线图形显示、变形形状显示以及 检查和解释分析的结果列表。通用后处理模块( p o s t l ) 也提供了很多其他的功能，如 误差估计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作等。通过单击主菜单中的 g e n e r a lp o s t p r o c 可以直接进入到通用后处理模块。 2 ) 时间历程后处理模块( p o s t 2 6 ) 该模块用于查看模型的特定点在某一或所有时间步内的计算结果，可获得结果数据 对时间或频率的关系图形曲线及列表。如绘制位移时间曲线、应力应变曲线等。另外， 时间历程后处理模块( p o s t 2 6 ) 还具有很多其他功能：可以进行曲线的代数运算，变 量之间可以进行加、减、乘、除运算以产生新的曲线；也可以取绝对值、平方根、对数、 指数以及最大和最小值等；还可以对曲线进行微积分运算；并且还能够从时间历程结果 中生成谱响应。通过单击主菜单中的t i m e h i s tp o s t p r o 可以直接进入到时间历程后 处理模块【1 8 l 【1 9 】【2 0 1 。图2 2 为a n s y s 的主要功能结构。 8 长安大学硕十学位论文 图2 2a n s y s 的功能结构图 9 第二章a n s y s 软件介绍 2 2 a n s y s 工作过程 2 2 1a n s y s 在结构分析领域主要特点 a n s y s 在结构分析领域的主要创新如下【2 1 】： ( 1 ) 提供了两种新的接触算法，l a g r a n g em u l t i p l i e r 和p u r el a g r a n g e m u i t i p l i e r 。 ( 2 ) 改善了接触分析的界面操作( g u i ) 。 ( 3 ) 增强了材料曲线拟合操作功能、模态分析功能以及对称循环结构在非均匀加 载条件下的分析功能。 ( 4 ) 提供了形状记忆合金的材料模型。 ( 5 ) 改善了部分结果单元的输出能力( p l a n e l 8 2 、p l a n e l 8 3 、s o l i n l 8 5 、 s o l i d l 8 6 、s o l i d l 8 7 ) 。 ( 6 ) 增加了梁单元的选项设置( b e a m l 8 8 、b e a m l 8 9 ) ，提高了梁单元的分析能 力。 ( 7 ) 提供了自动选择单元命令( e t c o n t r o l ) 和方法。提供了自动生成超单元 的命令( s e g e n ) 和方法。 ( 8 ) 提高了部分单元的塑性应变能力( 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 、b e a m l 8 9 ) ( 9 ) 为m p c i 8 4 单元提供了多点约束和结合选项。 ( 1 0 ) 引进了两种新型的壳单元：s h e l l 2 0 8 、s h e l l 2 0 9 ，可模拟薄的或具有适当 厚度的壳结构。引进了p l a n e 2 2 3 、s o l i d 2 2 6 、s o l i d 2 2 7 耦合场单元，在单元内部实 现了多物理场的耦合。 ( 1 1 ) 改进了耦合流体一固体界面的网格重划分功能；提高了a l e 网格移动引起 网格扭曲变形后的计算精度。 ( 1 2 ) 实现了a n s y sc e x 对a n s y sm u l t i p h y s i c s 的单向耦合。实现了第三方 产品与a n s y sm u l t i p h y s i c s 之间的单向耦合，每个物理场可从外部求解器( 例如 c f x ) 导入。 ( 1 3 ) 提供了新型的多物理场求解器，使得任意数目物理场之间可以按顺序耦合起 来，每个物理场允许采用不同的分析类型、不同的求解器及不同的网格模型。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 2 2 a n s y s 结构分析过程 典型的a n s y s 结构分析过程包括以下三个步骤： ( 1 ) 创建有限元模型 包括指定工作文件名和工作标题、创建或读入几何模型、定义单元类型、定义单元 实常数、定义材料属性及有限元网格划分。 a n s y s 提供了4 种创建模型的方法【2 2 】： 1 ) 直接建模 这种建模方法是在a n s y s 显示窗口直接创建节点和单元，模型中没有实体( 点、 线、面) 出现，适用于小型或简单的模型，可实现对每个节点和单元的编号完全控制。 但是需要人工处理的数据量大、效率低，不能使用自适应网格划分功能，网格修正非常 困难，而且不适合进行优化设计，容易出错。 2 ) 实体建模 实体建模时先创建由关键点、线段、面和体构成的几何模型，然后利用a n s y s 网 格划分工具对其进行网格划分，生成节点和单元，最终建立有限元模型的一种建模方法。 它适用于复杂模型，尤其适用于3 d 建模，需要处理的数据量小，效率高。同时允许对 节点和单元实施不同的几何操作，支持布尔操作( 相加、相减、相交等) ，支持a n s y s 优化设计功能，可以进行自适应网格划分，并进行局部网格细化，便于修正和改进。但 是有时需要大量的c p u 处理时间，对小型简单模型来说比较繁琐，另外，在特定条件 下可能会失败( 即程序不能生成有限元网格) 。 3 ) 输入在计算机辅助设计系统c a d 中创建的实体模型 a n s y s 程序为不同的软件提供了导入导出接口，利用这些接口，用户可以将在c a d 系统建立的实体模型以一定的格式导入a n s y s 进行分析。如果从c a d 系统导入的实 体模型不适合进行网格划分，则需要进行大量的修补工作。此时需要利用a n s y s 提供 的拓扑和几何修复工具，并经过相应的几何简化才能满足使用要求。 4 ) 输入在计算机辅助设计系统c a d 中创建的有限元模型 该方法是利用c a d 系统在网格划分方面的优势，预先将实体模型划分为有限元模 型，然后通过一定的格式导入到a n s y s 中。导入到a n s y s 中的有限元模型在使用之 前一般需要经过检验和验证。 ( 2 ) 施加载荷进行求解 在有限元模型建立以后，可以运用s o l u t i o n 处理器定义分析类型和分析选项， 第二章a n s y s 软件介绍 施加载荷，施加边界条件，进行求解计算。 ( 3 ) 查看求解结果 程序计算完成之后，可以通过通用后处理器p o s t l 和时间历程后处理器p o s t 2 6 查看求解结果，并对结果进行分析和检验。其中p o s t l 用于查看整个模型或部分模型 在某一时间步的计算结果，p o s t 2 6 后处理器用于查看模型的特定点在所有时间步内的 计算结果。 2 2 3a n s y s 单元类型选择 a n s y s 具有一百多种丰富单元类型，可以模拟工程中的各种结构和材料的物理特 性。在进行有限元分析时首要的一步就是进行单元的划分，因此在数量众多的单元中， 选择什么单元来模拟实际结构显得尤为重要。经常使用的单元有以下几类吲： ( 1 ) 线单元：用于单个单元上应力为常数的情况 ( 2 ) 梁单元：用于螺栓、薄壁管件、角钢、型材或细长薄膜构件等模型。 ( 3 ) 杆单元：用于弹簧、螺杆、预应力螺杆或桁架等模型。 ( 4 ) 弹簧单元：用于弹簧、螺杆、细长结构或通过刚度等效替代复杂结构等模型。 ( 5 ) 壳单元：用于薄板或曲面模型( 面板厚度需小于其板面尺寸的1 1 0 ) 。 ( 6 ) 面单元：普遍拥有各种2 d 模型或可简化为2 d 的模型。 ( 7 ) 实体单元：用于各种3 d 模型。 选择单元的基本原则为在满足求解精度的前提下尽量采用低维数的单元，即选择单 元优先级从高到低依次为点、线、面、壳、实体。同时，要注意线单元的扭曲变形可能 引起求解精度损失；在求解精度方面，线单元和二次单元之间的差别远没有平面单元和 三维实体单元之间的差别大。 a n s y s 单元库中的结构单元类别及对应的单元名称见表2 1 。 1 2 长安大学硕士学位论文 表2 i a n s y s 结构单元分类列表 单元类型维数单元名称 结构点单元i 2 3 d m a s s 2 1 结构线单元2 dl i n k l ( l i n k )3 dl i n i 【8 、l i n i ( 1 0 、l i n l 【1 1 、l i n i 【1 8 0 结构梁单元 2 db e a m 3 、b e a m 2 3 、b e a m 5 4 ( b e a m ) 3 db e a m 4 、b e a m 2 4 、b e a m 4 4 、b e a m l 8 8 、b e a m l 8 9 p l a n e 2 、p l a n e2 5 、p l a n e 4 2 、p l a n e1 4 5 、 2 dp l a n e1 4 6 、p l a n e 8 2 、p l a n e 8 3 、p l a n e l 8 2 、 结构实体单元 p l a n e l 8 3 ( s o l i d )s o l i d 4 5 、s o l i d 6 4 、s o l i d6 5 、s o l i d 9 2 、 3 ds o l i d 9 5 、s o l i d l 4 7 、s o l i d l 4 8 、s o l i d l 8 5 、 s o l i d l 8 6 、s o l i d l 8 7 2 ds 脏l l 5 1 、s 眦l l 6 l 结构壳单元 s 腿l l 2 8 、s h e l l 4 1 、s 脏l l 4 3 、s 腿l l 6 3 、 ( s 皿l l )3 d s 旺l l 9 3 、s 旺l l l 4 3 、s l l l l 5 0 、s 旺l 1 8 1 l 结构管道单元p i p e l 6 ，p i p e l 7 ，p i p e l 8 ，p i p e 2 0 ，p i p e 5 9 ， 3 d ( p i p e )p i p e 6 0 结构密封垫单元 3 d i n t e r l 9 2 、i n t e r l 9 3 、i n t e r l 9 4 、i n t e r l 9 5 ( g a s k e t ) 结构多点约束单元 3 dm p c i 8 4 ( r i g e dl i n k b e a m ) 结构层复合材料单元 3 ds o l i d 4 6 、s h e l l 9 1 、s h e l l 9 9 、s o l i d l 9 1 ( l a y e r e dc o 肝o s i t e ) 连接单元 c 0 船i n 7 、c o 岫i n l 4 、c o 船i n 3 7 、c 咖i n 3 9 、 ( c o m b i n a t l 0 n )c 0 她i n 4 0 、p r e t s l 7 9 2 2 4a n s y s 网格划分 a n s y s 程序提供了四种网格划分方法：自由网格划分、映射