（机械电子工程专业论文）基于ansys软件的桥架结构参数化有限元分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 桥式起重机( 以下简称桥机) 广泛地应用在国民经济建设的各个领域， 产品已经基本形成了通用化和系列化的格局。随着经济建设的快速发展，用 户不仅对桥机本身的性能要求越来越高，而且要求尽可能缩减研发周期。但 目前的设和计算工作主要依靠手工完成，重复性工作量很大。为了提高桥式 起重机的设计水平和效率，本文应用有限元分析和参数化二次开发技术等现 代设计理论与方法，对桥机桥架结构进行了系统性研究，编制了实用的参数 化有限元分析软件，以期达到精确和高效地设计桥架结构，使其在功能性、 经济性和可靠性等方面得以完整体现。 ( 1 ) 根据桥机桥架结构特点，对桥架结构作适当简化，建立能准确反映实 际情况的有限元分析模型，应用有限元分析方法和参数化二次开发技术，实 现桥架结构有限元模型的自动建立和有限元网格的自动生成。 ( 2 ) 应用a n s y s 软件，以v i s u a lb a s i c 为开发工具，编制一套实用、可靠、 通用性强、操作简便的应用程序，实现输入少量基础参数就能实现桥机桥架 结构的有限元自动分析。 ( 3 ) 以5 5 0 t e o t c 的1 9 2 个类型电动双梁桥式起重机系列为例，任取一种 类型的参数和实现过程验证程序的可靠性。论文中以2 0 t 一2 2 5 m _ a 5 矫式起重 机的主梁和端梁为基本模型进行了建模分析和计算验证。 本文的研究对于提高桥式起重机的设计水平和设计效率，普及现代有限 元技术的应用，增强企业对市场需求的反应速度，提升企业的竞争力具有重 要的理论指导和工程实用价值。 关键词：桥式起重机；有限元；a n s y s ；v i s u a lb a s i c ；参数化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s 七r a c t t h e 嘶d g e t y p ec r a n ei sb r o a d l yu s e di 也ec v e r yr e a l i i l o f 玎a t i o n a l e c o n o i n i cc o n s 咖c t i o na n dt h ep r o d u c t i o n sh a v ea l r e a d yb e c o m eg e n e r “a i l d s e r i e sp a t t 锄w i t hm e r a p i dd e v e l o p m e n to f e c o n o m i cc o n s t n l c t i o n ，m ec u s t o m e r r e q u e s t sn o to n l y t oe n h a n c em a c h i n ec a p a b i l 时b u ta l s ot oc u tt h ed e s i 孕p c r i o d b u tm ec u n e n td e s i 弘a n di n t e n s i t ) rc a l c u l a t i o nw o r ki sm a i n l yc 彻叩l e t e db y h a n d i c m f c ，m er 印e a t e dw o r k l o a di sv e r yb 培i no r d 盯t o 缸h a l l c et h ed e s i g nl e v e l a n de 伍c i e n c yo ft h eb r i d g e - t 、谬ec r a n e ，t h ep a p e rh a v eas y s t e i n i cs t u d yt o 也e c r a n eb r i d g e 姐dd r a w su pp r a c t i c a lp a 舢e 仃i c 丘n i t ce l e m e n tm e t h o da i l a l 埘s s o 脚a r eb yu s i n gf i i l i t ee l c n l e n tm e t h o da i l dp 啪e 缸i cf h r n l e r - d e v e l o p m e n t t e c l l l l o l o 缈b yu s i l l gt h es o f t 、】l ，a r e ，c r a n eb r i d g ei se x p e c t e dt ob ea c c u r a t e l ya n d e 伍c i e n t l yd e s i 印e d ，a n dc 伽p l e t e l yi n c a r n a t e 血劬c t i o n a l i 吼e c o n o m ya n d r e l i a b i l 畸 ( 1 ) a c c o r d i l l g t oc h a r a c t e r i s t i c so f m em e t a ls 仇l c t u r eo f 也ec r a n eb r i d g e ，w e c a l lm a k e 趾印p r o p r i a t es i m p l i f i c a t i o nt om es 仃u c t i l r eo f eb r i d g e ，a i l d e g t a b l i s h 丘r 血ee l e m e n tm o d e lw t l i c hc a na c c u r a t e 坶r c n e c t sa c n a ls i t u a t i o n o n m i sb a s e ，b yl l s i n gf i i l i t ee l 锄e n tm e t h o da 1 1 dp 啪e t r i cf i l 】伯e r - d c v e l o p m e n t t e c l l l l 0 1 0 9 y ，f i l l i t ee l e m e l l tm o d e lo fc 啪eb r i 他ec a nb ea u o o m a l i c a l l ye s t a b l i s h e d a n dm e s h e d ( 2 ) m a k i r 培u s eo f 廿l ea n s y sa n dt a l ( i n g 1 e s u a lb a s i ca sd e v e l o p a b i et o o l ， u p as c to fp r a c t i c a l ，d 印e n d a b l e ，g c n 钉a l ，s 呻l e 印p l i e dp m c e d u r e w i t h l l s i n gm i sp r o c e d l l r e ，c r a n eb r i 电ec a nb e r e a l i z e df “t ee l e m e n ta u t oa l l a l y s i sb y i n p u t t i n gal i t e 锄o l l l l tb a s i cp a r a l e t e l ( 3 ) 1 钛e 瑚d o mat y p e 丘o m1 9 2t y p e so f m e5 5 0 te o t c sb r i d g e 一呻ec 舢e w i t hd o u b l eb e 锄sa sb a s i cp a r 锄岫t ov a l i d a t e 恤r e l i a b i l 毋o fm ep r o c e d w e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 mt l l i sp a p e r l e2 0 t 一2 2 5 m a 5b r i 电e 却ec 珊e sm a i l lb e 锄a n dc a yb e 啦 a r et a ：k e na sb a s i cm o d e l s 趴dt h e i rp 煳e t e r sa sr e f 湘1 c e dp a r 锄e t e r s t h i sp 印e rh a si r n p o r t a n ta 曲l a lm e a n i r 培i ne n h a n c i n gc r a n eb r i d g c sd e s i 印 1 e v e la n de 珩c i e n c y ，印p l y i l l gm o d 锄觚t ee l 钮l e n tm e t l l o d ，s 慨g l h e i l i n g e n t e r p r i s e sr e a c t i o ns p e e dt o 也em a r k c t ，i m p r o v i n ge n t e r p r i s e sc o m p e t i t i o n k e y w o r d s ：嘶d g e t y p ec r a n e ，f e a ，a n s y s ，s u a lb a s i c ，p 躲吼e t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 概述 第l 章绪论 桥式起重机是工厂、港口、货场、仓库等许多部门实现物料吊运的主要 起重设备之一，约9 0 设置在室内的装卸作业场所“1 。它具有工作空间大，受 力状态好，工作可靠性高，制造工艺相对简单等优点，已形成起重量、跨度 和工作级别等参数确定的完整系列。随着经济建设的发展，用户对桥式起重 机的性能要求越来越高睁”。当前桥架结构的强度、剐度分祈主要运用大型有 限元软件进行计算分析，对同类结构形式但不同尺寸的桥机都需重新建模， 重复性工作量大，分析周期长，难以适应现代投标快速制定方案的要求。为 能在短期内设计出符合客户要求的产品，有必要设计一套专用的桥机结构参 数化设计系统，把设计人员从繁重的重复工作中解放出来，本课题正是在此 背景下提出来的。论文针对实际设计计算工作的需要，基于a n s y s 软件进行 了w i n d o w s 环境下面向对象技术与参数化技术的有限元分析应用研究。 1 2 桥式起重机的发展概况 1 2 1 国外桥式起重机的发展动向 国外桥式起重机发展大致有以下四大特点“1 ： ( 1 ) 简化设备结构，减轻自重，降低生产成本 法国p a t a i n 公司采用了一种以板材为基础构件的小车架结构，其重量 轻，加工方便，适用于中、小吨位的起重机。其公司的起重机大小车运行机 构采用三合一驱动装置，结构比较紧凑，自重较轻，简化了总体布置。 ( 2 ) 更新零部件，提高整机性能 法国p a t a i n 公司采用窄偏轨箱型梁作主梁，其高、宽比为4 3 5 左右， 大筋板间距为梁高的3 倍，不用小筋板，主梁与端梁的连接采用搭接的方式， 忮垂直力直接作用于端梁的上盖板，由此可以降低端梁的高度，便于运输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 变频调速在国外起重机上已经开始应用，日本富士、奥地利伊林公司已 经广泛采用。该调速方案具有高速比，甚至可达到无级调速，并有节能等优 点。另外，遥控装置用于起重机在国外也已经普遍化，特别是在大型钢铁厂 已有广泛应用。 ( 3 ) 设备大型化 随着世界经济的发展，起重机设备的体积和重量越来越趋于大型化，起 重量和吊运速度也有所增大，为节省生产和使用费用，起重机服务场地和使 用范围也随之增大。 ( 4 ) 机械化运输系统的组合应用 国外一些大厂为了提高生产率，降低生产成本，把起重机、运输机械有 机的结合在一起，构成先进的机械化运输系统。 1 2 2 国内桥式起重机的发展动向 国内桥式起重机制造行业的真正形成是在1 9 4 9 年后，从开始创业至今， 国内桥式起重机发展大致具有以下三大特点嘲： 改进桥式起重机的结构，减轻自重 国内起重机结构多己采用计算机优化设计，以此提高整机的技术性能和减 轻自重，并在此前提下尽量采用新结构。 充分吸收利用国外先进技术 起重机大小车运行机构采用了德国d e m a n g 公司的“三合一”驱动装置， 吊挂于端梁内侧，使其不受主梁下挠和振动的影响，提高了运行机构的性能 和寿命。 电气控制方面吸收国外的先进技术，采用新颖的节能调速系统。 遥控起重机的需要量随着生产发展也越来越大，宝钢在考察国外钢厂起 重机后，提出大力发展遥控起重机的建议，以提高安全性，减少劳动力。 向大型化发展 由于国家对能源工业的重视和资助，建造了许多大中型水电站，发电机 组越来越大，特别是长江三峡的建设对大型起重机的需求量迅速上升。三峡 电厂需要1 2 0 0 t 桥式起重机和2 0 0 0 t 大型塔式起重机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 起重机的现代设计方法f 砌】 国内外最初桥式起重机械的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的 半理论、半经验设计方法，设计过程反复多，周期长，设计精度低。随着计 算机技术的广泛应用和各种现代设计理论( 如系统工程、优化工程、价值工 程、可靠性工程、创造工程、人机工程等) 的不断发展，促进许多跨学科的 现代设计方法出现。这些新方法和桥式起重机结合，使桥式起重机研发进入 崭新的高质、高效的新阶段“。 1 3 1 有限元法1 2 l 有限元法从2 0 世纪7 0 年代开始推广应用到目前已成为设计分析复杂结 构最有效的方法之一。结构的有限元分析涉及力学原理、数学方法等几个方 面，各方面相互结合形成完整的分析方法。有限元方法一般典型的步骤为： 将结构划分成有限个单元；单元特性分析；将单元集合成整体；数 值求解。有限元方法与工程应用密切结合，直接为产品设计服务，因而随着 有限元理论的发展与完善以及计算机技术的广泛应用，各种专用的、通用的 有限元结构分析程序大量涌现出来。此类程序一般包括结构静力分析、动力 分析、稳定性分析以及非线性分析等，一般的工程结构分析问题都可以直接 用此类程序解决。在此基础上，结构有限元分析与产品设计结合起来，形成 产品分析、设计、制造一体化，逐渐成为工程生产的发展方向，有限元法在 其中将起着重要作用。目前，在我国经济建设过程中，推广有限元的应用， 以改进产品设计、提高产品性能，更是非常现实的问题。 1 3 2 优化设计 我国机械产品的优化设计方法推广应用始于7 0 年代末，近3 0 年来已取 得了丰硕的成果。 优化设计是数学规划与计算机技术相结合的产物，是解决复杂设计问题 的一种有效方法。由于起重机设计长期以来一直采用经验类比设计方法，不 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 仅需要花费较多设计时间，设计周期也长，而且只限于在少数几个候选方案 中进行比较分析，同时选择的方案也没有十分精确的评价标准来衡量其优劣， 一般很难得到最优的设计方案。随着电子计算机技术的发展与应用，可以用 优化设计方法快速有效的建立设计过程最优方案的自动择取。起重机设计采 用优化方法，能根据产品要求合理确定和计算各项参数，以期达到最佳的设 计目标，例如重量、成本、性能、承载能力等。优化设计把设计变量表示为 产品性能指标、结构指标或运动参量的函数( 称目标函数) ，然后在产品规定 的形态、几何运动及其它限制( 称约束函数) 的范围内，寻找使目标函数最大 或最小的设计变量组合。起重机设计采用优化方法，可根据产品要求，合理 确定和计算各项参数，以期达到最佳的设计目标，例如重量最轻、成本最低、 性能最优、承载能力最大等。 1 3 3 可靠性设计 随着现代工业技术的发展，起重机的作用越来越大，功能逐渐增加，而 使用条件却很苛刻，导致发生故障的机率增多，造成的后果愈加严重，因此 可靠性问题日益尖锐，成为国际市场上产品竞争的焦点。可靠性设计就是从 安全和经济两方面考虑，事先确定出产品最小失效概率的一种设计方法，其 目的就是在费用允许的条件下，尽量防止产品失效的发生，设计出高可靠性 的产品：可靠性设计包括确定可靠性指标及其量值、失效分析、可靠性分析、 可靠性分配、可靠性检验等。 我国对起重机可靠性的研究始于8 0 年代，目前主要处于对产品的可靠性 试验、可靠性指标评估和失效分析阶段。为了对桥式起重机可靠性设计提供 载荷数据，有关单位对典型桥式起重机使用载荷进行了现场实测及统计处理。 得到了桥式起重机载荷谱。再根据主梁疲劳寿命试验的实测数据和钢材屈服 强度试验数据，完成了桥式起重机主梁静强度和疲劳强度的可靠性分析公式 和设计程序。 1 3 4 计算机辅助设计( c a d ) 1 5 1 利用计算机快速准确的计算功能、强大的数据处理能力及便利的绘图功 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 能，配以打印、绘图设备等，通过人机对话实现产品设计过程的自动化即c a d 技术。目前c a d 已逐步深入到设计的各个阶段和设计工作所涉及的各个领域， 试图最大限度的发挥设计人员的创造力和经验。所有这些新的设计计算方法 都借助于计算机这一现代化工具加以实现，从广义上讲，所有新的设计计算 方法都可以统称为计算机辅助设计方法。 1 3 5 动态仿真设计 起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能受多种因素影 响，运动参数和载荷不能用一个简单的数学模型描述。以往由于设计者缺乏 有效的理论和工具，所以起重机设计往往以静态为主，显然这种设计方法有 局限性。要准确分析起重机的动态性能，实验是一个有效的方法，它可以随 时间测量所受的载荷和结构响应。但起重机实测在产品制成以后才有可能， 这样做风险大、成本高、费时费工。国内外近年来在起重机实际中采用了动 态仿真设计新方法，即用计算机对机构与结构在各种工况下承受载荷进行运 行状态及随时间变化过程的动态模拟，得到仿真输出的参数和结果，以此来 估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进行动态分析计算中采用。 1 3 6 反求工程设计 反求工程设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的 组合。反求工程设计是通过实物或技术资料对己有的先进产品进行分析、研 究、解剖和试验，了解其参数、性能、构造和功能，掌握其关键技术、工作 机理和工艺原理，以进行仿制、改进和发展创造新产品的一种方法。相对于 一般设计，反求工程设计突出“求”的环节。通过反求分析，对反求对象从 功能、原理、方案、结构、尺寸、材料、加工装配工艺等进行全面深入了解， 明确关键功能和关键技术，对技术中的特点和不足之处做出必要评估，在此 基础上进行测绘仿制、变参数设计、适应性设计或开发型设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 7 模块化设计 模块化设计是将产品上同一功能的基本部件、元件、零件设计成具有不 同性能、不同用途的模块，这些模块具有相同的联接要素，可以互换。选用 不同的模块进行组合，可形成各种不同类型和不同规格的产品。根据市场调 查预测的统计数字和积累的资料、图表、图线规律，在严密的科学理论指导 下，拟定起重机结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。起重机 采用模块单元化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机 行业的技术、生产和管理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度都将 大大加快。对起重机的改进，只需针对几个需要修改的模块；设计新型起重 机只需选用不同的模块重新进行组合：提高了通用化程度，可使单件小批量 的产品改换成相对批量的模块生产，实现工艺过程的典型化和工装标准化， 可采用高效率的设备组织专业化生产线和开展社会化协作。亦能以较少的模 块形式，组合成不同功能和不同规格的起重机，满足市场的需求，增加竞争 能力。起重机由具有标准接口的模块组合而成，装拆简单，运输方便，备件 也大量通用，简化了维护和修理。模块化设计主要适用于成批生产的起重机 系列设计。 1 4 论文工作选题背景及工程实际意义 随着现代科技的发展，起重机设计计算方法不断充实和完善，桥式起重 机性能日益提高，使得国内外市场竞争越来越激烈。当前，大多企业以缩短 产品的设计制造周期来提高经济效益和市场竞争力。但目前桥架结构的强度、 刚度分析主要运用大型有限元软件进行计算分析，对同类结构形式、不同尺 寸规格的桥机都需进行重新建模，工作量大，分析周期长，难以适应现代投 标快速制定方案的要求。事实上，结构形式一致、不同尺寸规格的桥架可以 通过参数化方法实现系列建模。为此，本论文基于v i s u a lb a s i c 平台、a n s y s 有限元软件，研究桥架结构参数化有限元分析系统，使之自动生成桥架结构 有限元模型和自动划分有限元网格，从而实现通过输入少量参数即可自动完 成桥架结构的有限元分析。在此基础上，形成一套实用、可靠、通用性强、 操作方便的桥架结构有限元自动分析应用软件。此软件将极大提高设计效率 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 和产品质量，提高设计计算精度，缩短产品研制周期，把设计人员从传统繁 琐的强度分析中解脱出来，同时对于提高起重机设计水平、普及有限元分析 方法、促进桥式起重机工业发展具有重大意义。 实际上，西南交通大学机械工程研究所联合国内众多起重机生产厂家， 正在开发研制针对桥式起重机系列的大型现代设计计算应用工程软件桥 式设计专家系统，它具有标准数据库、结构优化、有限元分析、c a d 及图纸 生成、机构计算、说明书生成和报价系统等功能。本文研究的基于a n s y s 软 件的桥架结构参数化有限元分析正是桥机设计专家系统软件中的主要功能之 一，是系统软件完整性不可缺少的重要部分。 1 5 论文研究的主要内容 根据工程需要，本论文基于v i s u a lb a s i c 平台和a n s y s 有限元软件，研 究桥架结构参数化有限元分析方法的实现，使得桥架结构实现有限元模型的 自动生成和有限元网格的自动划分，从而达到通过输入少量参数即可自动完 成桥架结构的有限元分析。在此基础上，形成一套实用、可靠、通用性强、 操作方便的桥架结构有限元自动分析应用软件。 论文研究的主要内容包括： ( 1 ) 根据桥架的金属结构特点，对结构进行合理简化，确定影响桥架强度 和刚度的技术参数，建立能较准确反映实际情况的有限元分析模型，应用有 限元分析方法和参数化技术，实现桥架结构有限元模型的自动建立和有限元 网格的自动生成。 ( 2 ) 应用a n s y s 软件，以v i s u a lb a s i c 为开发工具，在有限元智能分析 方法与参数化技术相结合的基础上编制成一套实用、可靠、通用性强、操作 简便的应用程序，以实现输入少量参数就能实现桥架结构的有限元自动分析。 ( 3 ) 以5 5 0 t e o t c 的1 9 2 个类型( 8 种起重量、8 种跨度、3 种工作级别) 的电动双梁桥式起重机系列为例，任取一种类型参数和实现过程来检验模型 的合理性和程序的可靠性，论文中以2 0 t 一2 2 5 m a 5 桥式起重机的主梁和端梁 为基本模型进行验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章有限元法j 参数化技术、a n s y s 软件 及开发工具v i s u a lb a s l c 2 1 有限单元法的基本理论 2 。1 1 有限单元法的提出和应用 工程计算中，由于传统的计算方法不仅经常因人为运算疏忽造成错误外， 而且在模型处理上将几何结构及边界条件等过于简化，使得计算结果往往与 实际不符，因此缺乏参考价值。有限单元法正是基于工程的实际需要而产生 的。有限单元法的基本思想早在4 0 年代初期就有人提出，但真正用于工程中 则是在电子计算机出现后。“有限单元法”这一名称是1 9 6 0 年美国的克拉夫 ( c l o u g h r w ) 在一篇题为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。 4 0 多年来，有限单元法的应用已由弹性力学半面问题扩展到空间问题、板壳 问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对 象从弹性材料扩展到粘弹性、粘塑性和复合材料等，从围体力学扩展到流体 力学、传热学、电磁学等领域。经过4 0 多年的发展，不仅使各种不同的有限 元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，而且已经开发了一批使用有效的 通用和专用有限元软件，应用这些软件已经成功地解决了机械、水工、土建、 桥梁、机电、冶金、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、 力学、电磁学以及国际工程等领域众多的大型科学和工程计算难题，有限元 软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和 社会效益。 2 1 2 有限单元法的计算思路陋1 8 】 有限元法是将结构细分成有限个单元，每个单元以节点相连，两相邻单 元共用节点的位移、斜率、曲率必须一致，而两节点之间的位移则同节点位 元共用节点的位移、斜率、曲率必须一致，而两节点之间的位移则同节点位 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 移和变形函数相关，将荷载作用于节点。不论结构多么复杂，利用有限元方 法将其离散化，建立的方程式均为统一的矩阵形式。以静态强度分析为例， 系统方程如下式所示： e k jf q = f f 0 2 _ 、 其中册为刚度矩阵，表示节点载荷删与节点自由度位移彬的相关性。 有限元法将结构( 或物理系统) 分割成相互接合的有限个单元表示的网架结 构，相邻元素共用相同的节点，元素内部的变形位移量( 或物理量) 以节点位 移量( 或物理) 的内插函数近似表达，作用在结构( 或物理系统) 上的外力及力 矩以等效力及力矩作用在节点上，因此由节点的作用效应及节点反应关系式 构成了结构( 或物理系统) 的离散化方程式。在已知作用外力及力矩( 或外激效 应) 时，求解此方程式，即可得到结构在各节点的位移( 或物理量) 。 有限元分析计算的思路和过程可归纳如下： 1 、结构离散化。 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖 分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来；单元节点的设置、 性质、数目等问题，根据描述变形形态的需要和计算精度而定( 一般情况，单 元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) 。所以有 限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构体，而是同样材料的由众多单 元以一定方式连结成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只 是近似的。如果划分单元数目足够多而又合理，则所获得的结果就与实际情 况足够接近。 2 、单元特性分析 1 ) 选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节 点力作为基本未知量时称为力法：取一部分节点力和一部分节点位移作为基 本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中 位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移、 应变和变力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能 逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限单元法中我们就将位移表示坐 标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如y = 口，一，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 中a j 是待定系数，扩，是与坐标有关的某种函数。 2 ) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出 单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应 用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单 元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 3 ) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是， 对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而， 这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上 去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。 ， 3 、单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起 来，形成整体的有限元方程( 2 一1 ) 。 4 、求解未知节点位移 求解有限元方程式便可得出节点位移。这里可以根据方程组的具体特点 来选择合适的计算方法。 2 1 3 有限单元法的解题步骤 有限单元法的解题步骤归纳如下。 1 ) 单元剖分和插值函数的确定 根据构件的几何特性、载荷情况，建立由各种单元所组成的计算模型。 再按单元的性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函数u 伍月圳， v ( x ? y z ) w x y z ) 或d = s ( x y ? z ) 8 ， 利用节点处的边界条件，写出以a 表示的节点位移 g 。= k 。v 。w 1 蚝v 1w 1 a f 并写成 g 。= 口 求c 。1 及n = c - 1 旷，并代入d ：s a ，得 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 d = s c 。q e = n q e 它是用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。 2 ) 单元特性分析 根据位移插僮函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可计算出应 变为 占= 勘。 ( 2 2 ) 公式( 2 2 ) 中口为应变矩阵。相应的变分为 出= b 国8 由物理关系，得应变与应力的关系式为 盯= d 占= 脚9 8 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，口为弹性矩阵 由虚位移原理肛7 础= 国，。，可得单元节点力与位移之间的关系式 为 ，8 = 世8 9 8 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，置。是单元特性，即刚度矩阵，并可写成 k 8 s l b l d b a y ? 3 ) 单元组集 把各单元按节点组集成与原结构相似的整体结构，得到整体结构的节点 力与节点位移的关系，即整体结构平衡方程组 ，= 均 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中世一整体结构的刚度矩阵： ，一总的载荷列阵： g 一整体结构所有节点的位移列阵。 对于结构静力分析，载荷列阵，可包括 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 厂= 正+ 厶+ 厶 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中 五= p 7 p ，d y ( 体积力转移) ； ，卅= j 7 b 出( 表面力转移) ； l = 7 _ p ( 集中力转移) 。 4 ) 求解有限元方程 可采用不同的计算方法求解有限元方程，得出各节点的位移。在解题之 前，必须对结构平衡方程组进行边界条件处理，然后再解出节点位移g 。 5 ) 计算应力 若要求计算应力，则在计算出各单元的节点位移g 。后，由占= 却。和 仃= d 占即可求出相应的节点应力。 2 1 4 有限元法的优越性 有限元法能够得到迅速的发展与愈来愈广泛的应用，除高速电子计算机 的出现与发展提供了充分有利的条件外，还与有限元法所具有的优越性是分 不开的。 有限元法的优越性主要表现在： 1 ) 在固体力学及其他连续体力学中，只有一些特殊类型的位移场和应力 场才能求得微分方程式的解。对于多数复杂的实际结构得不到最终解。而有 限元法对于完成这些复杂结构的分析是一种十分有效的数值方法。有限元法 是利用离散化方法将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的 计算，虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状与大小，可使近似解达 到满意的精度。 2 ) 有限元法另一个优点在于引入边界条件的方法简单，边界条件不需要 进入单个有限元的方程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进，所以对 内部和边界上的单元都能采用相同的场变量函数。而且当边界条件改变时， 场变量函数不需要改变，这对编制通用化的程序带来了极大的简化。 3 ) 有限元法不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂 西南交通大学硕士研究生学位论文 ， 第1 3 页 的材料性质问题，例如材料的各向异性、非线性、随时间或温度而变化的材 料性质问题。另外它还可解决非均质连续介质的问题，其应用范围极为广泛。 4 ) 有限元法通常采用矩阵表达形式，非常便于编制计算机程序，从而适 应于电子计算机的工作。 2 2 参数化技术 2 2 1 参数化设计技术 参数化设计“”2 1 ( p a r a i n e t r i cd e s i g n ) 是c a d 技术在实际设计应用中被提 出、并得到迅速发展的有着强大使用价值的技术。用一组参数来定义几何图 形( 体素) 尺寸数值并约定尺寸关系，提供给设计者进行几何造型使用。参数 的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的 修改受到尺寸驱动( d i m e n s i o nd r i v e n ) 。生产中常用于设计对象的结构形状 比较定型的产品，系列化标准件就是属于这一类型。计算方程组中的方程是 根据设计对象的工程原理而建立的求解参数的方程式。 参数化设计技术( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ) 的关键是几何约束关系的提 取和表达、约束求解以及参数化几何模型的构造。它的主要特点是：基于特征、 全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。约束( c o n s t r a i n t ) 是指利用 一些规则或限制条件来规定构成实体的元素之间的关系。 参数化设计方法可使存储设计的整个过程一次能设计一族( 而不是单一 的) 产品模型。参数化设计技术过程使工程设计人员无需要考虑细节而尽快建 立产品模型，经过对模型的反复修改来得到所需的设计，并可变动某一些约 束参数来更新设计，从而在设计系列化产品时不必一次次都重新运行设计全 过程。因此，这种设计技术已成为进行产品初始设计、模型编辑修改及对多 种方案进行比较的有效手段。目前新推出的造型系统都具有一定的参数化设 计功能。 一 工程设计需要多次反复的修改，对形状和尺寸要进行综合协调和优化， 尤其对于结构形式变化不大或设计过程较为稳定的产品，更需要根据实际情 况自动选择设计方案或修改尺寸，这就需要参数化设计。在起重机传统的设 计过程中，不同设计人员构思的设计方案也可能不同，再加上其结构形式多 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 样，设计时涉及到的参数众多，计算公式繁琐，人工计算效率低且很容易出 现差错。显然这种传统的手工设计方法已经不能够适应目前工程机械发展的 需要，而应用计算机则可以快速准确地得到计算结果，并可以进行多个方案 的比较，从而得到优化的设计结果。因此，研制与开发新的参数化设计计算 系统来快速设计出安全、经济、合理、美观的起重机的要求已迫在眉睫。 参数化设计的基本特点是针对实际的生产设计中同一类型但不同规格的 产品，其实际设计时的差别仅在于特定的若干关键技术的选择。针对这种特 点，我们编制一定的程序，让计算机按照给定的要求自动完成产品的设计， 修改设计时只需修改给定的相关参数，其它部分由计算机来完成。 参数化的技术是设计的参数除描述几何拓扑信息外，还能表达与处理几 何元素间的各种设计关系和约束关系。这样，工程设计人员不需要考虑具体 细节，精确计算结果由计算机自动生成，同时可以通过变动某些参数和约束 关系来更新设计。 一 参数化产品设计是用程序将某一种结构的设备参数化，使用时给出一定 的参数就可以自动生成具体的设备。它主要用来解决那些标准化系列化的设 备图形的生成问题。应用比较广泛。 参数化程序设计突出的优点是快速、准确，传递数据可靠i 特别是对那 些结构形式与结合方式确定的设计。如结构形状不变，只改变大小，可通过 改变几何参数加以控制；组合方式不变，则可设一关系类参数控制其变化。 对于创新设计，单纯通过修改参数，显得不够灵活，还需要采用人工输入的 方法补充某些系统不能完成的功能，结构参数可以向下一级设计传递。 2 2 2 参数化实现方法 图形参数化的实现一般有四种方法，即： 1 ) 变量驱动图形 用具有不同属性的变量来约束和驱动图形，变量可为一个具体数值或者 一个表达式。在这种方式中，可用容易理解、容易记忆的变量名称来存储设 计数据，在变量与设计模型之间建立起联系，每当改变“变量”的数值，就 会引起设计的相应调整。 2 ) 表格驱动图形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 应用表格驱动几何图形，事先将与设计有关的各种数据以表的形式存放 在相应的数据库中，各个表都具有独立的名称，并建立表中记录与设计模型 的联系，通过访问不同表中的记录达到改变几何图形的目的。这种方法特别 适合于机械零件的标准件和常用件的系列设计。 3 ) 尺寸驱动图形 利用修改尺寸数值达到修改图形的目的，这是面向设计的，使得草图设 计成为可能。在模型上一旦标注了尺寸，同时也就建立了几何元素与尺寸之 间的双向联系，不论是改变几何图形的大小，还是修改尺寸标注的数值，都 能引起对方的相应变化。 4 ) 用户元素驱动图形 对于具有确定几何形状特征的零件或部件，可将其设计成具有单一图素 的特征，如同操作基本点、直线、圆一样，在需要时直接引入，其特征几何 尺寸可取自于表、变量或特定尺寸。根据需要，可以生成应用上述任何一项 或几项的组合，来控制设计模型的生成。 参数化设计就是建立上述四种图素( 指变量、表、尺寸、用户元素) 对设 计模型中的几何量的约束关系。一旦在图形中建立起此种关系，当我们再对 图形中的某个几何量修改时，只需修改与该几何量相关联的参数图素值，而 无须针对图形进行操作。 2 2 3 参数化设计步骤 参数化设计的步骤为： 1 ) 分析工程图形，提取事物特性； 2 ) 设计事物特性表，将提取的几何特性制成表； 3 ) 算法设计； 4 ) 程序编制； 5 ) 程序调试及运行。 。 在参数化设计系统中，数据存储与传递是一个十分关键的问题。当正常 的数据修改结束时，退出数据修改即可完成数据存储。而在指定文件中存储 的数据可以传递到后序的设计中，并在下一次进入系统时被作为初始数据使 用，这正是参数化程序设计的优点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 3 大型有限元分析软件a n s y s a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公 司开发。它具有与p r o e ，n a s t r a n ，a l o g o r ，i d e a s ，a u t o c a d 等多数c a d 软件的数据接口，实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具 之一。a n s y s 软件可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、水利等众多工业领域及科学研究当中。该 软件可在大多数计算机及操作系统中运行，在p c 机、工作站、大型机和巨型 机的所有硬件平台上，a n s y s 数据文件均可兼容。 2 3 1 用户界面 尽管a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，但它较好的图形用户界面( g u i ) ( 如图2 1 所示) 及优秀的程序构架使其简单易学。该程序使用了基于m o t i f 标准的易于理解的g u i 。 通过g u i 可方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材 料，并可一步一步地完成整个分析，因而使a n s y s 易于使用。同时，该程序 提供了完整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统，以协助有经验的用户 进行高级应用。删s y s ，开发了一套直观的菜单系统，为使用程序提供导航， 用户输入可通过鼠标或键盘完成，也可以二者一起使用。 在用户界面中，a n s y s 程序提供了四种通用方法输入命令： 菜单； 对话框； 工具条； 直接输入命令； 菜单由运行a n s y s 程序时相关的命令和操作命令组成，它们位于各自的 窗口中。用户在任何时候均可用鼠标访问这些窗口。a n s y s 命令根据其功能 分组，保证了用户快速访问到合适的命令。a n s y s 共有七个菜单窗口，具体 包括： 实用菜单：该菜单包括了a n s y s 的实用功能，在a n s y s 运行的任何 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 时刻均可访问此菜单。该菜单为下拉式结构，可直接完成某一程序功能或日 图2 1a n s y s 界面 出一个对话框。在实用菜单中，用户可一次完成多个动作( 如在执行选择操 作期间改变视图) 。 主菜单：该菜单由a n s y s 最主要的功能组成，为弹出式菜单结构，其 组成基于程序的操作顺序。 输入窗口：该窗口提供了键入a n s y s 命令的输入区域，同时，还可以 显示程序的提示信息和浏览先前输入的命令。用户可从l o g 文件、先前输入 的命令或输入文件中剪切和粘结命令。 图形窗口：该窗口用于显示诸如模型、分析结果等图形，用户可根据 个人喜好调整该窗口的大小。 输出窗口：该窗口用于显示a n s y s 程序对己输入命令或已使用功能的 响应信息。在g u i 下用户随时可以访问该窗口。 工具条：该窗口允许保存最后的模型结果。用户只需用鼠标点击即可 完成访问最后一次保存结果。 对话框：对话框是为了完成操作或设定参数而进行选取的窗口，该窗 口提示用户为完成功能所需输入的数据或作出的决定。 不管用户如何设置，命令总是用于提供数据并控制各种程序功能。新设 计的用户界面使用户可方便地通过菜单、对话框和工具条来选取和执行命令， 并使其更加直观。用户界面的交互性和根据功能组织的命令使命令句法对用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 户透明。当然，熟悉a n s y s 命令的用户也可通过键盘直接键入命令。 命令一经执行，该命令就会在l o gf i l e 中列出，该l o gf i l e 可在a n s y s 的输出窗口中访问。当程序出现运行错误时，用户可浏览己执行过的命令， 这些命令也可存为一介文件，以用于批处理。 程序也利用过程杆指示一个长过程的执行状态( 如网格划分) ，用户可通 过鼠标点击终止此操作。 完整的a n s y s 用户手册和跟踪帮助系统为正确地完成分析工作提供了在 线帮助，只需点击一到两次鼠标键，即可获得程序功能、命令和过程的详细 说明：通过在主帮助索引中选取一个超文本或利用系统的词搜寻功能，即可 获取文字、图表和其它的程序说明信息；键入所需信息的标题( 如非线性) ， 即可得到该标题的详细说明。 2 3 2a n s y s 的基本组成 a n s y s 的基本特点包括：前处理模块、分析计算模块、后处理模块。 1 、前处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可方便的 构造有限元模型。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各 种结构和材料。 a n s y s 的几何建模方法包括：依次生成点、线、面和体的自底向上建模 方式和通过调用几何体素和采用布尔运算而生成几何模型的自顶向下建模方