（固体力学专业论文）翻车机有限元模拟计算及方案设计.pdf

摘要 摘要 本论文致力于研究秦皇岛港务局七公司使用的o 型三车翻车机。该翻 车机自1 9 9 7 年开始运行，至今已翻卸c 6 3 重车近2 0 万循环，但在2 0 0 1 年 5 月，其中一台翻车机钢结构主梁中部u 型构架附近出现贯穿性长裂纹。 作者拟对该o 型三车翻车机利用a n s y s 软件进行有限元静强度计算，分 析产生裂纹的原因，并在翻车机原结构的基础上，进行方案设计，对其主 梁结构加以改造。 首先，由于该翻车机结构对称，取其结构的一半作为分析对象，应用 a n s y s 软件建立模型，整个力学模型为三维板梁组合结构。由于该翻车机 结构以及载荷工况极其复杂，在建模时作了大量的简化工作。利用a n s y s 软件中的s h e l l 6 3 ，b e a m l 8 8 单元进行有限元离散，并对其在翻转到9 0 0 时的 应力和变形进行了计算。 然后，依据o 型三车翻车机原结构有限元的计算结果，经过分析，得 出u 型构架附近出现贯穿性长裂纹的原因是由于主梁上翼板靠近中间的两 个u 型框架位置有明显的应力集中存在，致使翻车机处于屈服阶段工作， 由于长期翻车产生的周期性变形导致疲劳破坏。 最后，在o 型三车翻车机原结构的基础上，对其主梁结构加以改造。 采用了两种方案。在确定翻车机各部分的尺寸时，在确保满足翻车机强度 条件的前提下，尽量使翻车机重量轻且刚度大。通过与原翻车机结构的分 析比较经过改造后的翻车机无论是方案一还是方案二，各应力集中部位的 应力值均有大幅度的下降，且均未超过屈服强度。位移变形也相应减小。 可见经过改造的翻车机与原结构相比有很大的改善。 关键词翻车机；钢结构；有限元；静强度分析；方案设计 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n l ed i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt os t u d y i n gt h e0 t y p ed u m p l i n g w h i c hc a l lt u r n o v e rt h r e et r a i nn o d a lw a g o n t h ed u m p l i n gw a su s e db yt h es e v e n t hc o m p a n yo f q i n h u a n g d a oh a r b o rb u r e a u 1 1 1 ed u m p l i n gw a sr u n s i n c e19 9 7 u pt ot h e p r e s e n t t h ed u m p l i n gh a v e t u r n e do v e rt h ec 6 3 c a r r y i n gc a p a c i t yt r a i nf o rt w o h u n d r e dt h o u s a n dc y c l e b u to n eo ft h et w od u m p l i n gc o u l d n tw o r kn o r m a l l y b e c a u s ei nt h em i d d l eo fs t e e ls t r u c t u r eg i r d e ra p p e a ral o n g p e r f o l i a t ec r a c k t h e c r a c kw a sn e a rt h eu t y p e t r u s s a u t h o ri n t e n d e dt oa n a l y s et h es t a t i ci n t e n s i t yb y t h ea n s y ss o f t w a r ea n df i n do u tt h er e a s o no fc r a c k a tt h es a n l et i m e a u t h o r h a dt w o p r o j e c td e s i g no n t h eb a s i so f a n t e t y p eo fd u m p l i n g a u t h o ri n t e n d e dt o c h a n g et h es t r u c t u r eo f g i r d e r f i r s t , b e c a u s et h es t r u c t u r eo fd u m p l i n gi ss y m m e t r i c a l ，s oa u t h o rt o o ka h a l fo ft h ew h o l es t r u c t u r et ob u i l tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l t h es t r u c t u r eo f w h o l em o d e lw a sb u i l du pb yt h r e ed i m e n s i o np l a t ea n dg i r d e r b e c a u s et h e s t r u c t u r ea n d l o a d i n g o fd u m p l i n gi s v e r yc o m p l e x a u t h o r d i dal o to f p r e d i g e s t i o nt ot h em o d e l a u t h o r m a d eu s eo ft h es h e l l 6 3a n db e a m l8 8e l e m e n t o ft h ea n s y ss o f t w a r et od i s p e r s ef i n i t ee l e m e n t a n dc a l c u l a t e dt h es t r e s sa n d d i s t o r t i o nw h e nt h ed u m p l i n gt u r nt o9 0 d e g r e e s e c o n d ，a c c o r d i n gt h ef i n i t ee l e m e n tr e s a l to f t h eo t y p ed u m p l i n g ，a u t h o r h a v eaa n y l y s i sa n dg a i nac o n c l u s i o n t h a ti sb e e a n s es t r e s sc o n c e n t r a t i n go n s o m ea r e am a k et h es t r u c t u r eo f d u m p l i n g e n d u r eb i g g e r s t r e s s d a yt od a y ，t h e m a j o rg i r d e ro fd u m p l i n gs u b j e c t t ob r e a c h f i n a l l y , o nt h eb a s i so fa n t e t y p eo fd u m p l i n g ，t oc h a n g et h es t r u c t u r eo f t h e m a j o rg i r d e r a u t h o ra d o p t e d t w ok i n do f p r o j e c t s a u t h o rt r yt om a k et h ew e i g h t o f t h ed u m p l i n g l i g h t e ro n t h ec o n d i t i o no f e n o u g hi n t e n s i t y a u t h o rc o m p a r et h e p r o j e c to n ea n d t h ep r o j e c tt w ow i m a n t e t y p eo fd u m p l i n g , t h e ng e tac o n c l u s i o n t h a tt h es t r e s sw a sr e d u c e di nal a r g e r a n g e i n aw o r d ，t h er e c o n s t r u c t i v e d u m p l i n g i sb e r e rt h a nt h ea n t e t y p eo f d u m p l i n g i t a b s t m c t k e y w o r d su m p l i n g ，s t e e ls t r u c t u r e ，d e f i n i t ee l e m e n t ，a n a l y s i s o fs t a t i c i n t e n s i t y , p r o j e c td e s i g n i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 改革开放以来，我国的经济建设取得了举世瞩目的成绩。其中港口运 输在我国国民经济上起着重要的作用，翻车机作为运输装卸工具对提高港 口运输工作效率，促进港口经济繁荣起着重要的作用。翻车机相对于早期 的螺旋卸车机有很大的进步，铁路车辆可以直接进入翻车机，整机带着车 辆进行翻转卸车，卸车效率高，剩煤少，自动化程度高，占用的人工少， 工人的劳动条件好。所有这些大大的提高了工作效率，因此翻车机具有很 好的应用前景。就已掌握的资料可知，目前翻车机已应用到钢铁、电力、 化工等行业中。 我国港口安装的第一台翻车机大连港原甘井予煤码头高架侧倾式 翻车机，是美国1 9 3 1 年的产品。翻车机体积庞大。结构复杂，我国开始制 造翻车机是在解放之后，转子式和侧倾式均有生产。最先是仿制苏联的m 2 型转子式翻车机，该机转子驱动采用钢丝绳传动，车辆加紧机均采用钢丝 绳锁钩装置。钢丝绳传动虽构造简单，轻便，但钢丝绳易磨损，使用寿命 短，维修工作量大，放渐被淘汰而采用齿轮传动，夹车装置改为摇臂四连 杆机构。迄今为止翻车机卸车系统在中国已有半个多世纪的历史。在此期 间，翻车机卸车系统在中国，在世界上有了很大的发展。它从单台翻车机 作业线发展到双线两台或三台翻车机同时作业。从一次卸一辆车到一次卸 两辆三辆车的翻车机大型化，以及现在的重载单元列车运输系统的列车 不解体翻卸的翻车机卸车系统。在翻卸的过程中，车辆由放任自溜，到完 全受控；翻车机由活动平台发展到固定平台；压车装置由压车机械连杆发 展到分散独立的液压压车器。不仅翻车机的结构和技术性能不断提高，而 且其附加功能也日益完割1 1 甜。总之，经过多年的发展，我国的翻车机卸车 系统，无论在规模上。还是机械设备的性能及自动化的水平都有较大的提 高。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 课题研究现状 现在的翻车机主要是转子式和侧倾式，这两种翻车机都是从车辆的侧 向倾斜，但转子式翻车机是将定位于转子平台的车辆。就地回转翻卸。而 侧倾式翻车机车辆翻转机构的中心位于车辆的侧上方，翻卸时，车辆在提 升中翻转，然后将物料卸于另一侧的料斗中，而前者料斗位于翻车机转予 的下方。侧倾式翻车机卸载点高，料斗大部位于地面之上，翻车机系统的 地下基础较简单。而转子式翻车机由于翻卸速度较快，作业效率高，驱动 功率较小，适用于大型化，故现代翻车机卸车系统的发展，主要是转子式 翻车机。转予式翻车机一般由两个0 型端环和载车平台，若干联系梁和各 种支撑杆体构成笼形的翻车主体。这种0 型端环受力好，构件较轻，是通 用的转子形式。但有些翻车机由于车辆推送系统的设计原因，定位车的推 车臂需要穿越转子，因此将转子设计为c 型。现代转子式翻车机转子驱动 均为齿轮传动，为了提高驱动速度和改善起、制动条件，已将早期非调速 型驱动改为调速驱动。一般采用直流电机调速、交流变频调速和液压马达 驱动：而夹车机构多为液压夹车装最，此外，还根据翻卸物料种类及使用 的具体条件等，在翻车机上安装若干附加设施。如：加装车辆振车器，设 置喷水装置，用于作业时撒水除尘：北方地区为解决冻车卸车附设的装置 等1 2 】。整体平台三车转子式翻车机是目前世界上最大型的翻车机，由于大型 翻车机每次推入翻车机的车辆数增加，加大了定位车在每个翻卸循环中走 行的距离，作业周期相应延长。虽然翻车机每次翻卸的车增加，而小时翻 卸次数则有所下降，因此卸车率的增长成平缓趋势。因而，卸车能力略有 提高上的收益与对设备、基础工程等方面的付出相比，其与三车式翻车机 相比较并没有太大的优势。 我国翻车机的发展，由秦皇岛煤码头的发展可见一斑。我国在7 0 年代 初秦皇岛港煤码头采用的是国产的k f j 2 a 型翻车机，该翻车机为“o ”型 转子，属于单车翻车机，每次可翻卸一节载重6 0 吨的车辆。8 0 年代初采用 的是引进英国汉肖公司的c 型串联转子式翻车机卸车系统，该翻车机为双 车翻车机，可同时翻卸两节车。翻车机内的车辆停放在两个独立的活动平 台上，可以同时接受两辆不同型号的车辆。在翻车机翻转时，车辆随活动 2 第1 章绪论 平台移动，靠向靠车板。此时液压系统的独立液压装置，将车辆压紧，进 行车辆翻卸。其后又引进了单平台三车转子式翻车机系统。可同时翻卸3 节车皮p 1 。 大秦铁路开通的重载单元列车运输系统，是一种新的铁路运输组织方 式。它是用多机牵引的长度与载重均相同的同型货车固定编组、循环运用 的重载列车，用以运送单一品种的货物。用于单元列车不摘钩卸车用的翻 车机，其焊接结构的两个圆形大端环支撑着翻车机平台，两端环藉滚道被 支承在4 组滚轮装置上，由传动机构带动而转动。通常用链条或半齿圈与 齿轮等传动元件来驱动。在翻车机平台上设有轨道。翻车机平台固定在两 端环上；为了适应翻卸不同宽度的敞车，翻车机平台设计成侧向可移动的。 一对纵粱跨设在两端环间，藉以保持端环与转动轴线的垂直。翻卸侧的前 纵梁，在敞车被翻转到约9 0 度时，支撑住在卸车的大部分重量。保护前纵 梁并正确地支撑待卸车侧部的结构( 翻车机维板) 。在翻卸时，首先，翻车机 的卡车爪要将待卸车卡紧。卡车爪距轨面高度可达3 9 6 2 4 m m ( 1 3 f t ) 。卡车 爪用液压或机械传动。采用重载单元列车运输系统能使列车不摘车而又能 连续自动地卸车，大大提高了运输效率【j ”。 总之我国的翻车机卸车系统引进许多的先进技术，积累了丰富的经验。 但在作业效率上与国外相比较还有很大差距。英美的翻车机系统处于国际 领先水平。目前国外采用的主要是双车和单车翻车机系统 4 6 , 4 7 , 4 8 】。 1 3 翻车机在我国港口的发展和使用 前述大连港甘井子码头高架侧倾式翻车机，是该码头卸车系统的一部 分，主要卸车设施是底开门车卸车栈桥。底开门车卸下的煤炭由门式抓斗 起重机转堆储存。装船时由自卸电动运煤车将煤由堆场运往前方高架栈桥。 码头上卸载装船。非底开门运煤车则以翻车机卸车。该翻车机不设接料斗， 卸车时直接向在翻车机旁的电动运煤车倾卸，然后运煤车再运往码头装船。 从翻车机排出的空车，采用反驼峰溜放折回空车线该码头由于建设年久己 改作他用。 过去，我国港口大型专业化散货码头很少，加之我国机械制造工业落 后，因此继甘井子码头之后，直到解放后1 9 5 9 1 9 6 3 年建设菊京港浦口3 7 # 燕山大学工学硕士学位论文 煤码头，才又采用翻车机卸车。该码头配备2 台m 2 型转于式翻车机为 苟化翻车机地下工程，将翻车机轨顶标高上抬了近7 m ，因而在翻车机前设 置铁牛，将待卸车辆推送到翻车机内翻卸。该工程空车线为折返式线路， 其空车排放、利用翻车机出口与折返式布置的空车线之间的高差，筑成反 驼峰，由翻车机排出的空车，经反驼峰溜放到空车线。这在当时的我国港 口，是一套很不错的卸车系统。 在1 9 5 8 年国家开发京杭大运河时* 建的徐州港万寨港区煤码头，采用 了翻车机卸车。基础工程建设到一定程度时，于1 9 6 0 年后下马，到8 0 年 代由地方根据煤炭运输的需要继续建设完成。该码头采用国产的k f j - 3 型 转子式翻车机，由重车铁牛、牵车台、空车铁牛等组成车辆推送系统。 6 0 年代前期，国民经济处于低谷为满足能源运输的需要，在沿海和内 河新建和技改的若干煤炭装船码头，基本上都用我国开发的螺旋卸车机。 由于螺旋卸车机构造简单，制造技术要求不高，相配套的地下基础工程可 从简设置，对中小型码头有很大的实用性，很适于当时我国港口的需要。 在7 0 年代建港期间建设的秦皇岛港煤码头一期工程，是我国新建的第 一座大型专业化煤码头。对其卸车系统，针对螺旋卸车机和翻车机两种卸 车方案，在进行了详细的论证之后，采用翻车机方案，并采用国产k f j 2 a 型翻车机和相应的铁牛推送系统。当时建设了3 套，预留的一套翻车机卸 车系统也于1 9 9 2 年配套完成。 8 0 年代初开始的“六五”建设期间，秦皇岛港煤码头二期工程及日照 港煤码头相继引进了英国汉肖公司的c 型串联( 双车) 转子式翻车机卸车系 统。这使我国港口使用的翻车机，在卸车效率、机械性能、系统大型化以 及重、空车推送的自动化方面有了很大的提高。后来在“七五“八五”建 设的秦皇岛港煤码头三期、四期工程引进的单平台三车转子式翻车机和大 秦铁路开通的重载单元列车运输系统，使世界最先进的煤炭运输系统和最 大型、最现代化的卸车系统进入我国港口。 我国主要的煤炭出口港装船码头采用的翻车机卸车系统，无论是国产 设备，还是引进设备，都运转良好。有的由于使用年限已久，原有设备已 作更新。秦皇岛港煤码头三期、四期工程，是我国大( 同卜一秦( 皇岛) 煤炭专 第1 章绪论 用运输铁路的出海港。大秦铁路是我国引进重载单元列车运输系统的运 行线路，港口卸车系统完全按单元列车运行要求设计。从矿山到港口，这 是个庞大的系统工程，至今仍在努力实施之中。 综上所述，我国港口用于煤炭卸车的翻车机，引进了许多先进技术， 工艺设计合理，参数先进，多年来积累了较丰富的使用经验，已具有较高 的技术管理水平。但由于我国物流系统的条件或管理上欠规范等问题，因 此与国外相比，虽然采用了国际先进的机械，在作业效率上却达不到国外 的水平。原因是我国车辆最大载重量6 0 t ，而美国车辆载重量1 0 0 t ，是我国 车辆载货量的1 6 6 倍，而且国外通常的卸车系统所用翻车机，以双车翻车 机和单车翻车机为多【2 j 。 1 4 国外翻车机概况 1 4 1 英国翻车机 1 路安赛德侧式翻车机此种翻车机在轨面上2 4 m 处卸车，翻转角 度为1 5 0 度，轨距o 7 8 m ，翻卸总重为1 5 0 t 。 2 克里山特转子式翻车机克里山特转子式翻车机与传统的转子式翻 车机相同，绕重心翻卸车辆。其结构特点是，在两端的大齿因各截去一段， 以便拨车机外侧臂拨动车辆，进入重车，推出空车。该设备用齿条齿轮传动。 1 4 - 2 德国翻车机 德国翻车机大致可分四种型式：端侧式、侧倾式、转子式和双转子式。 1 端侧式翻车机端侧式翻车机一般可分一侧液压端头翻车机、一侧 带有连杆机构端头翻车机、双侧端头带绞车的翻车机、双侧液压端头翻车 机、可旋转的端侧翻车机等。该机一般承载总重为4 0 t 的车辆，用在地下水 位高的地区，旋转角度为1 6 0 0 1 8 0 0 ，车辆之间可以脱开。车辆在侧翻过程 中机械自动联锁。 2 转子式翻车机转子式翻车机翻转角度3 6 0 0 ，有液压制动系统，可 翻不同规格车辆。传动装置为机械连杆机构。翻卸总重为1 5 0 t 的车辆。 燕山大学工学硕士学位论文 1 4 3 日本翻车机 日本日立公司制造的双车翻车机，安装在澳大利亚丹皮尔港口矿石原 料场。翻卸重量为1 2 0 t 的敝车。翻车机是转子式的，最大倾翻角为1 8 0 。 1 4 4 美国翻车机 1 双车转子式翻车机用于西澳大利亚哈默司雷铁矿公司球团矿厂。 翻车机进车的总重为1 2 0 t ，每次翻两辆车，串列式布置，翻车周期为4 5 s ， 翻车机最大能力为8 3 0 0 t m 。 2 c t 型回转式翻车机美国的c t 型回转式翻车机每小时可翻卸3 0 辆车。该系统除了具有普通回转式翻车机的功能外，还配备取样及除尘系 统。该系统配备推车器、定位器和电子秤，打印和记录车辆总重。为了控 制卸车时粉尘飞扬，配有干式或湿式集尘系统 1 6 】。 1 5 课题研究来源 虽然翻车机卸车系统在我国有了突飞猛进的发展，但据我所知，我国 目前仍有2 0 0 余套旧型翻车机卸车系统在使用。秦皇岛港务局七公司使用 的两台翻车机为日本三菱集团承包，英国s & h 公司设计。大连重机集团公 司生产的o 型三车翻车机。该翻车机自1 9 9 7 年开始运行，至今已翻卸c 6 3 重车近2 0 万循环，但在2 0 0 1 年5 月，其中一台翻车机钢结构主梁中部u 型构架附近出现贯穿性长裂纹，七公司对其进行修补，才可以使用。但使 用一段时间仍然开裂，之后又对结构进行改造，如增大主梁与u 型架连接 处的圆角半径以及在u 型架间加拉杆等，尽管如此，仍无法从根本上解决 问题。翻车机卸车系统是煤炭出口港的咽喉。该翻车机若长此下去，其使 用寿命必会大大减少。对港务局来说，会导致很大的经济损失。本人针对 该翻车机的结构特点和工作原理应用有限元方法，利用a n s y s 软件对其进 行数值模拟，并对其翻车机主梁钢结构加以改造，以减少应力集中现象对 翻车机造成的影响。 1 5 1 翻车机结构特点 c d 3 翻车机为三车双环结构形式，由转予、托轮系统、旋转驱动系统、 6 第1 章绪论 压车系统、靠车系统组成。其主梁采用的是板梁组合的箱型结构，其结构、 荷载及支撑条件皆是对称的。翻车机翻卸平台全长3 6 米，两端环间距2 4 米，端环外圆直径1 0 米，转子主体由主梁、u 型梁和两个o 型端环组成， 端环支撑在底座两组滚轮之上，并与滚轮通过球铰连接【l3 1 。翻车机结构特 点如图1 1 所示。 图1 - 1翻车机整体模型 f i g 1 1 t h em o d e lo f d u m p l i n g 1 5 2 翻车机系统的工作流程 1 机车牵引列车将第一节车停在拨车机前。 2 拨车机将拨车机臂放下，卡住机车及第一节之间的车钩。 3 拨车机运行，将机车推入翻车机，而将第一节车辆停在翻车机外。 4 夹轮器夹住列车。 5 拨车机抬臂，返回第3 及第4 节车沟连接处。 6 拨车机放下拨车臂。夹轮器松开。 7 拨车机向前移动3 个车位，将前3 节车推入翻车机内的固定平台。 8 夹轮器夹住第4 辆车的车轮，使列车不至于前后移动。 9 拨车机抬臂，返回至原位，即第6 节与第7 节车沟的连接处。放臂 准备下一次推车循环。 燕山大学工学硕士学位论文 1 6 课题研究内容和研究方案 本课题主要是依据翻车机主梁动应力测试的结果，应用有限元计算软 件a n s y s ，建立有限元模型，进行数值模拟，对其进行应力分析，并对其 翻车机主梁钢结构加以改造，以减少由于长期翻车而产生的周期性变形所 造成的疲劳破坏。 首先依据主梁动应力测试结果，应用a n s y s 计算软件建立有限元模 型。为分析问题方便，可将些不重要的细节忽略，建立能够反映翻车机 主要力学特性的几何模型。所以在这一阶段主要解决的是对实体模型进行 简化，但需要注意的是：在建立模型时要在便于计算和计算精度允许的范 围内，使计算模型尽可能与实际结构在力学性能上相一致。模型建立完成 之后，便开始进行有限元计算。此时有限单元的选取与有限单元的划分是 十分关键的，因为它会直接影响有限元数值计算的精度和时间的长短。计 算完成后，将得到的数据进行处理，根据经典力学原理进行分析，并校核 有限元结果的可靠性。 最后也是最关键的，是进行翻车机结构的方案设计，以确保翻车机在 较佳的工作状态下工作，并力求在较大程度上延长翻车机的使用寿命。本 文拟采用将主梁加宽或将一根主梁变换为两根主梁的方法以减小其主梁与 侧梁之间连接处的应力。首先建立模型，应用a n s y s 加以计算，计算完成 后，将得到的数据结果与原翻车机相比较。力求找到最佳方案。经过不断 的尝试，将主梁加宽，并添加隔板可使其应力有很大幅度降低p 。 在完成上述所有工作之后，对之前的计算和分析结果进行综合分析整 理，总结出对于解决应力集中问题的几点对策。以期为今后进一步开展此 项研究及有关的工程应用提供有益的参考依据。 第2 章有限元法简介 第2 章有限元法简介 2 1 有限元法的概述 2 1 1 有限元法的发展及应用 有限元法的基本思想最早出现于2 0 世纪4 0 年代初期，但是直到1 9 6 0 年，美国的克拉夫在一篇名为“平面应力分析的有限元法”中首次使用“有 限元法”这个名词。2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，有限元法在理论上已基 本成熟，并陆续出现商业化的有限元分析软件。 有限元法的出现与发展有着深刻的工业背景。2 0 世纪4 0 5 0 年代，美、 英等国的飞机制造业有了大幅度的发展。随着飞机结构的逐渐变化，准确 了解飞机的静态特性和动态特性越来越显得迫切，但是传统的设计分析方 法已经不能满足设计的需要，因此工程设计人员便开始寻找种更加合适 的分析方法，于是出现了有限单元法的思想。 如今该方法已经在航空、航天、造船、建筑等方面得到了广泛的应用； 在机械、化工、海洋、水利、核能、地质、生物等方面的应用也在发展中。 从力学领域来说，有限元法除了用来求解一般的线性静力学问题外，在求 解动力、非线性和各种场问题等方面也有了一定发展1 4 , 5 】。 2 1 2 有限单元法的基本思想 有限元法是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值方法。它 吸取了差分法对求解域进行离散处理的优点，又继承了里兹法选择试探函 数的合理方法。有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元， 并在每个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一 组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每个单 元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学 中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一 个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。经求解 就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上 9 燕山大学工学硕士学位论文 的场函数。 简而言之，有限元法可归结为两方面：即离散和分片插值，我们通过 简单的示例来理解这两种方法怕j 。 1 离散离散是将一个连续的求解域划分为一定数量的单元，单元之 间由节点连接。离散处理的目的，是将原来具有无限自由度的连续变量微 分方程和边界条件转换为只包含有限个节点变量的代数方程组，以利于计 算机求解。关于离散的表述见图2 - 1 所示： 一一点数， 甸一商糕 ( a ) 连续体( b ) 离散体 图2 - i 连续体的离散 f i g 2 1 c o n t i n u u m d e s p e r s e d 2 分片插值分片擂值的思想可用图2 2 所示的一维区域作简单示 意，图中【a ，b 】是求解域。假设真实函数的分布曲线c 1 ，若用定义在【a ，b 】上 的试探函数c 2 来逼近c l ，则c 2 应具有较高阶次，丽且这种试探函数对曲 线局部特性的逼近很不理想。若将求解域划分为若干长度不等的小区间后， 则在每个小区间内用一条直线就能很好的逼近曲线，而且可在局部部位用 加密小区间的办法来提高逼近精度【6 1 。 1 0 第2 章有限元法简介 y o abx 图2 - 2 一维函数的整体插值和分片插值 f i g 2 2 w h o l ea n d p a r ti n t e r p o l a t i o no f o n e d i m e n s i o nf u n c t i o n 由于单元可以设计成不同的几何形状，因而可灵活地模拟和逼近复杂 地求解域。显然，如果插值函数满足一定要求，随着单元数目的增加，解 的精度会不断提高而最终收敛于问题的精确解。虽然从理论上说，无限制 地增加单元的数目可以使数值分析解最终收敛于问题的精确解，但是这却 增加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应用中，只要所得的数据能 够满足工程需要就足够了，因此，有限元分析方法的基本策略就是在分析 的精度和分析的时间上找到一个最佳平衡点 s , g a o 。 利用有限元法在保证求解精度的前提下，能够处理较为真实的边界条 件和载荷条件以及真实的材料模型。同时它还可以预测物体不同部分内部 应力和应变分布，找出材料参数对物体各部分弹塑性应力场的影响。 许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、振动特性 分析等，都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微 分方程) 的问题，但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单，且 几何边界相当规则的少数问题。 燕山大学工学硕士学位论文 对于太多数的工程技术问题，由于物体的几何形状较复杂或者闯题的 某些特征是非线性的，很少有解析解。这类问题的解决通常有两种途径： 一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从丽得到 它在简化状态的解。这种方法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简 化将可能导致不正确的甚至错误的解。因此，人们在广泛吸收现代数学、 力学理论的基础上，借助于现代科学技术的产物一计算机来获得满足工程 要求的数值解，即数值模拟技术 4 0 , 4 1 , 4 2 】。 2 1 _ 3 有限单元法的优缺点 有限单元法的优点是。由于采用了离散方法，它可以方便地处理复杂 边界问题，如带孔洞的板，边界形状任意的板，也可以处理组合结构，如 梁、板、壳的组合。有限元法具有较好的求解稳定性和收敛性。该法采用 矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可充分利用计算机，以减少人工计 算量。可以很容易地模拟不规则形状的结构。可以毫不困难的处理一般的 荷载条件。因为单元方程是单个建立的，因此可以模拟由几个不同材料构 成的物体。可以处理数量不受限制的和各种类型的边界条件。单元的尺寸 大小可以变化，必要时可使用小单元。改变有限元模型比较容易，花费不 大。可包括动态作用。可处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。它 的缺点是，要得到高精度值，需要增加单元，因此导致计算时间的增加和 计算费用的增加。此外，由于单元精确度与其对照，误差难以估计，人们 往往对它的准确度产生怀疑。 2 2 如何应用有限元法进行分析 应用有限元法求解弹塑性问题，概括起来可以分为以下几个步骤】： 1 结构的离散化结构的离散化是有限元法分析的第一步。这一步是 要把分析的结构化分成有限个单元体，并在单元指定位置设置节点，把相 邻单元在节点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。单元节 点的设置、性质、数量等视分析问题的性质、目的、所描绘的变形形态的 需要和计算精度的要求而定。一般情况，单元划分越细则描述变形情况越 精确，即越接近实际变形，但计算量越大。所以说合理的选择单元的形状， 第2 章有限元法简介 确定单元的数目，是十分关键的。 2 选择位移插值函数为了能用节点位移来表示单元内任一点的位移、 应变和应力，首先假设单元内任一点的位移是坐标的某种简单函数，称之为 位移函数，即 ，) 。= 【】 毋。 r 2 】、 式中 厂 8 单元内任一点的位移列阵 p 。单元的节点位移列阵i n j 形函数矩阵 3 分析单元的力学特性 利用几何方程，导出用节点位移表示的单元应变，即 s = 【b 】 j 。( 2 - 2 ) 式中 s ) _ 一单元内任一点的应变列阵 【曰】几何矩阵 利用物理方程，导出用节点位移表示的单元应力 盯 = 【d 】 b ) 占) 。= 【s 占) 8( 2 - 3 ) 式中 盯卜一单元内一点的应力列阵 【d 】弹性矩阵【跚单元应力矩阵 利用虚功方程建立作用于单元的节点力和节点位移之间的关系式，即单 元刚度方程，从而推导出单元的刚度矩阵。 竹= 【司。 毋。( 2 4 ) k 】。= i 剀7 【d b d v( 2 - 5 ) 式中【捌。单元刚度矩阵 4 计算等效节点载荷连续弹性体经过离散化以后，便假定力是通过 节点从一个单元传递到另一个单元。但是实际的连续体，力是从单元的公 共边界传递到另一单元的。因此，作用在单元上的集中力、体积力以及作 用在单元边界上的表面力。都必须等效的移置到节点上去，形成等效的节 点载荷。 5 接体分析集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程， 从而形成了总体刚度矩阵。即 捌5 p ) r 2 6 1 式中【芷】全结构的总体刚度矩阵 燕山大学工学硕士学位论文 i d ，全结构节点位移列矩阵 t ，j 全结构的等效节点载荷列矩阵 6 应用位移边界条件应用位移边界条件，消除总体刚度矩阵的奇异 性，使( 2 6 ) 式可求解。 7 求解结构平衡方程结构的平衡方程是以总体刚度矩阵为系数的线 性代数方程组，解这个方程组可以求得未知的节点位移。 8 计算单元应力按( 2 - 3 ) 式由节点位移求出单元的应力 第3 章翻车机的有限元模拟计算及结果分析 第3 章翻车机的有限元模拟计算及结果分析 3 1a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是由美国a n s y s 公司研制。该公司于1 9 7 0 年由j o h n s w a n s o n 博士创建。a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体， 以有限元分析为基础的大型通用的c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 软件。 该软件广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交 通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物医学等重工业领地及 科学研究。a n s y s 经过三十多年的发展，已由最初的5 0 版本发展到今天 的9 0 版本。 3 1 1a n s y s 软件功能 a n s y s 软件的功能：包括结构分析、非线性分析、热分析、电磁场分 析、电场分析、流体流动分析和结构的优化分析等。 结构分析包括静力学分析、模态分析、谐波分析、瞬态分析、响应谱 分析、随机振动分析和届曲分析。非线性分析包括结构非线性、材料非线 性、几何非线性单元和非线性的分析。热分析包括稳态热分析、瞬态热分 析、相变分析和热一结构耦合分析。电磁场分析包括静态电磁场、低频时 变电磁场和高频时变电磁场。电场的分析包括电流传导、静电分析和电路 分析。流体流动分析包括计算流体力学的分析( 层流、湍流和热流体) 和流体 流动分析。 3 1 2 a n s y s 软件的组成 a n s y s 软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块、后处理模 块。 ( i ) 前处理模块它为用户提供强大的实体建模及网格划分工具，软件 提供1 4 0 多种单元类型。 ( 2 ) 分析计算模块包括结构分析，流体力学分析，电磁场分析，声场 分析，压电分析，以及多物理场的耦合分析。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示，梯度显示，适量显 示，粒子流迹显示，立体切片显示，透明及半透明显示，也可将计算结果 以图表、曲线形式显示后输出。a n s y s 的功能模块如图3 1 所示【7 1 。 a n s y s 功能模块结构 p r e p 7 前处理 s o l u t i o n 求解器 p o s t l 通用后处理器 p o s t 2 6 时间历程后处理 o p t 优化设计模块 r u n s t a t 估计分析模块 o t h e r 其他模块 图3 - 1a n s y s 功能模块 f 追3 - 1 a n s y sf l l n c t i o nm o d e l 3 1 3 a n s y s 有限元分析过程 1 创建有限元模型前处理 ( 1 ) 创建或输入几何模型 ( 2 ) 定义材料属性 ( 3 ) 定义实常数 ( 4 ) 定义单元类型 ( 5 ) 划分单元 2 施加荷载并求解求解 ( 1 ) 施加约束条件 ( 2 ) 施加荷载 ( 3 ) 求解 1 6 第3 章翻车机的有限元模拟计算及结果分析 3 查看分析结果后处理 ( 1 ) 查看分析结果 ( 2 ) 检验结果的正确性 3 2 c d 3 翻车机主梁动应力测试结果分析 3 2 1 测点布置及动应力计算 图3 - 2 翻车机主梁测点布置图 f i g 3 - 2 t e s t e dp o i n to f f a n c e j ig i r d e rd i s p o s e df i g u r e ( 1 ) 测点a 、c ：测点a 、c 为应力集中点( 另一台翻车机即在此处开裂) ， 其应变较大。重载情况下a 、c 点0 。方向最大应变分别为1 2 2 2 肚和1 3 6 1 ， 相应的弹性理论主应力分别为o l 。( a ) = 3 1 3 4 7 m p a 和矾。( c ) = 3 5 7 2 2 m p a ， 可见这两点均已屈服，这是产生破坏的主要原因。 ( 2 ) 测点b 、d ：测点b 、d 为主梁中点，因此按梁弯曲理论分析，其 应力在整个梁中也应较大。翻车机在重载情况下b 点、d 点o 。方向最大应 变分别为5 0 0 肚e 和3 6 2 p e ，相应的弹性理论主应力分别为 o l m “( b ) 2 81 5 4 m p a、0 2 。( b ) ；8 3 m p a 和 o l m a x ( d ) = 9 7 3 3 m p a 、 0 2 m “( d ) 。7 0 7 m p a ，依据第四强度理论校核公式： 盯，2 、吉k 盯- 一0 2 ) 2 + ( d ：一0 3 ) 2 + ( 口，一o i ) 2j b 】 ( 3 1 ) 燕山大学工学硕士学位论文 运输机械的安全系数一般为n = l - 3 1 5 ，则许用应力为： b 】_ n = 1 5 7 1 8 1 m p a 由( 3 1 ) 式可得：仃，。但) = 7 7 7 0 m p a l o a da p p l y s t r u c t u r a lf o r c e m o m e n t 。施加约束条 件其操作命令为：g u i ：m a i nm e n u s o l u t i o n l o a da p p l y d i s p i a e e m e n t 。在 施加支撑端环的8 个凹形托轮做径向约束时，需要进行坐标转换，将迪卡 尔坐标转换为柱坐标，并旋转相应的节点坐标，以使约束沿着径向施加。 载荷及约束的具体位置如图3 1 2 所示。 图3 一1 2 施加载荷和约束条件的具体位置 f i g 3 1 2 t h em a t e d a lp l a t eo f i m p o s i n gl o a da n dr e s t r i c t i o nc o n d i t i o n 值得注意的是，当载荷作用面相对结构尺寸非常小时，可认为这种载荷 是作用于某一点的集中荷载。因此在大梁上表面的轨道处及u 型架的侧梁上 施加的荷载可视为集中荷载，由于集中荷载加在节点上，为避免人为进行荷 载移置，分网时应尽量将荷载作用点分为节点。 第3 章翻车机的有限元模拟计算及结果分析 3 4 3 求解 在求解之前首先应确定分析类型，本课题只考虑翻车机在重载的情况 下，翻转到9 0 。时的静强度，故只对模型进行结构静态分析，因此选择s t a t i c 选项。在确认边界条件、分析类型以及载荷正确无误后，即可进行求解。 3 5 翻车机有限元静强度计算结果分析 在求解完成之后，通过a n s y s 的通用后处理器进行数据的处理，即通 用后处理。通用后处理在通用后处理模块中进行，用来观察给定时间点整 个模型的结果，常用与静态分析，模态分析，屈曲分析的结果显示。本课 题只进行静态分析。通用后处理的基本结果显示包括变形图、云图和列表 显示等。通过结构变形图，可直观地看到结构的受力、变形特点；云图可 清楚地描绘结果在整个模型中的变化情况，方便用户确定结构中的“危险 区域”。因此本课题采用变形图和云图进行有限元结果分析。 由于本课题只针对翻车机主梁中部u 型构架附近出现贯穿性长裂纹这 一现象进行分析故其主要计算部位及其u 型梁编号如图3 。1 3 所示。 l#2ii 3 * fed c b 幽3 - 1 3 翻车机主梁主要计算位置示意图 f i g 3 - 1 3d u m p l i n gm a i ng i r d e rc o m p u t ep l a c e 要进入a n s y s 通用后处理器，r e s u l t 显示的分析结果包括翻车机原结 构变形图( 见图3 - 1 4 ) 、翻车机位移云图( 见图3 1 5 ) 和翻车机应力云图( 见图 3 1 6 ) ，翻车机应力云图采用的是依据第四强度理论的等效应力云图。其中 在翻车机应力云图和翻车机位移变化图中不同的颜色代表不同的数值，蓝 色代表较小数值，红色代表较大数值，颜色从蓝到绿再到黄最后为红色代 表数值逐渐增大。通过彩色云图可以清楚地看到翻车机不同位置应力及其 位移的大小。( 注：本课题中的应力均为第四强度理论的等效应力) 燕山大学工学硕士学位论文 图3 - 1 4 翻车机原结构变形图 f i g 3 1 4 d i s t o r t i o nf i g u r eo f d u m p l i n ga n t e t y p e 图3 1 5 翻车机位移云图 f i g 3 - 1 5d u m p l i n gd i s p l a c e m e n tw p h o g r a m 第3 章翻车机的有限元模拟计算及结果分析 图3 1 6 翻车机应力云图 f i g 3 -