（机械电子工程专业论文）φ102m圆形堆场堆取料机结构设计与分析.pdf

武汉堙置大学硕士学位论文 摘要 簿取辩祝纛缆主要燕实现簌料豹均灏优，是保涎水泥厂连续生产的盏键莰 备，决定水泥产品质量的稳定性和可靠性。堆取料机系统具商结构复杂、旋转 半径大的犬型锎浆结构设套，因此德证结鞫的抗拉挺强度和设备整体绕度是馥 进设备的结构性能的莳提。 本文数圆搿难场堆取拳 规为磷究对象，在广泛的唆集和磷宠国内外翔关文 献资料韵基础上，班01 0 2 m 躅彤壤场堆敷料机为实例，对“基于a p d l 的雄取料 机取料粱的有熙元分析”作迸步豹分柝啄仿真，使得圆形堆场型堆取料机得到 更为金露的分柝和比较深入豹研究。 首先本文基予有限元对堆取料机取料粱建模，用a n s y s 软件仿真求解其稳 态应力蛹数值维粜，然瑶在此慕栅t 编写a p d l 靠令流实现取辫粱参数化，使褥 取料粱的设计序剐化，并且对取料粱进行优化设计，褥出一组最优化结果。 其次，本文对堆取辫机的悬臀粱和中心柱吝部分有元薅楼，校核备部分 的强瘦与度，对不舍理静设计 誊了逮一步豹修改设计，起到了整髂柩槊的分 析一致性。 爱蘑一章对埝文的工终避奄亍了总结，并对进一步瀚工捧撬出了鱼己瓣震望。 整个系统的分析也很好的完成了设计单位所提出的嚣求，井髓获得了设计使用 方的 谬。 关键字：缝取辩辘有隈元法优纯瑟计a n s y s 武汉瑷工大学矮士学位论文 a b s t r a c t t h es t a c k e r - r e d a i m e rs y s t e mm a i n l yc a l l i e so u tt l t wm a t e r i a le v e n e d ，t h e e s s e n t i a le q u i p m e n t 雌1 1g u a r a n t e et h e1 2 e l l t e n tp l a n t1 3 0 l r i n u o l l sp r o d t w 2 t i o n d c c i d i n g f i l ec e m e n tp r o d u c tq u a l i t ys t a b i l i 母a n dt h er e l i a b i l j 姆t l l es t a c k e r - r e c | a h r r e rs y s t e m h a st h et a n g l e s o m es t e e lf r a m es t m e t l l m ，t h e r e f o r et h eg u a r a n t e et h ea n t i - p u l l e da n d a n t i p r e s s e di n t e n 蕊t yo ft h es t r l l c t u r ea n dt h ee q u i p m e n td i s t o r t i o ni sp r e c o n d i t i o n t oi m p r o v eo nt h e 毗r u e t u r eo f t h ee q l f i p m e n t | l h i sp a p 龇o a m e o b j n c to f s t a c k e r - r e c l a i m e r o f c i r c u l a rs t o r a g e , s t u d i e s i nd e p t h 。 b a s e do na p d lt ot h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so ft h er e c l a i m e r o f s t a c k e r - r e e l a i m e f o nt h eb a s eo fc o l l e c t i n g b r o a d i yt h er e l a t e dl i t e r a t u r ea n d w o r k ，c a u s e dt h es t a e k e r - r e c l a i m e ro fc i r c u l a rs t o r a g eo b t a i nam o r ec o m p r e h e n s i v e m l a l y s i sa n dt h eq u i t et h o r o u g hr e s e a r c h f i r s t l yt h i s a r t i c l ec a r r i e do nm o d e l i n go ft h es t a c k e ro ft h es t a c k e r - r e c l a i m e r s y s t e mb a s e do i lt h ef i n i t ee l e m e n t , s o l v e di t s s t a b l es t a t es t r e s sr e s u l t 谢t l lt h e a n s y ss o f t w a r es i m u l a t i o n , t h e nc o m p i l e dt h ea p d lo r d e r ，t h er e a l i z a t i o n 协t h e s t a c k e rp a r a m e t r l z a t i o ni nt i f f sp r o g r e s s , c a u s e dt ot h es m o k e rd e s i n as e q u e n c e ，a n dt o t h es t a c k e rt oc 日a r yo nt h eo p f i m j z g dd e s i g n ，o b t a i n e dt h eo t ) t i m i z e dr e s u l t so ft h e s t r u c o a r es i z e s e c o n d l y , t h ec o m t i l e v e rb e a ma n dt h ec e n t e rp o l ee a c hp a r to ff i n i t ee l e m e n t s m o d e l i n g , e x a n m a e de a c hp a r to fh l t i f i e sm a dt h er i g i d i t y , m a d et h ef i u t h e r r e v i s i o nd e s i g n 协t h eu n r e a s o n a b l ed e s i g n 。g o tu pt 。t h eo v e r a lf r a m ea n a l y s i s u n i f o r m i t y l a s tt h ec h a p t e rh a sc a r r i e d0 nt h es u m m a r yt ot h ep a p e rw o r k ia n dp r o p o s e d o w nf o r e c a s tt ot h ef i a x h e rw o r k 。t h eo v e r a l ls y s t e ma n a l y s i sa l s ov e r yg o o dh a s c o m p l e t e dt h er e q u e s t e dp r o p o s e d , a n dh 撼o b l a i n e d t h e d e s i g n u s e rs i d e h i g h - a p p r a i s e d k o r d ss t a c k e r - r e c l a i r n e r n i t ee l e m e n tm e l & o do p t i m a ld e s i g n a n s y s 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 第一章绪论 本课题来源于唐山中材建设有限责任公司国外水泥生产线项目，矿1 0 2 m 圆 形堆场堆取料机系统( t h es t a c k e rr e c l a i m e ro fc i r c u l a rs t o r a g e ) 是该 项目的一个子项目。 1 2 课题背景、研究目的及意义 1 2 1 堆取料机发展现状 2 0 世纪7 0 年代中期，在长方形堆场预均化工艺和设备的研究基础上，成功 的研制出桥式斗轮取料机，并在工业试验中取得了大量的数据和经验。首次应 用于原煤预均化生产线上，取得了良好的效果。 8 0 年代中期，大型悬臂式侧堆料机和倾斜式桥式刮板取料机开发成功，并 应用于长方形堆场石灰石预均化。 9 0 年代初、中期，圆形堆场取料机应用于石灰石预均化堆场。同时又开发 出悬臂式侧取式刮板取料机，应用于大型水泥工厂辅助原料混合堆场。 9 0 年代中期，新开发的新型仰起式桥式刮板取料机投入了生产。自行研制、 开发、制造、安装的堆取料机使我国水泥工业石灰石预均化、原煤预均化和辅 助原料预均化步入国产化水平，为以后的成套装备出口奠定了基础。 现今，随着水泥工厂大型化发展的趋势，堆取料机也正在沿着系列化，大 型化的方向发展，以适用各种规模工厂的需要；同时，在结构、形式上需要多 样化，以满足不同的场合、不同物料的预均化要求；更要从我国国情出发，从 建设项目的经济性、低能性、少扬尘方面着手，把堆取料机的开发、研制推向 新阶段。 1 2 2 圆形堆场堆取料机简介 圆形堆场堆取料机是由堆料机和取料机组合体的预均化设备，并以立柱 为圆心可作3 6 0 。环绕运行。堆料机安装在中心立柱的下部、一端与中心立柱相 武汉理工走学颟士学位论文 莲、另一端疆过车辕架设在沿者轨趟上，宦以赢梓为圆心，可吼沿着轨馗作圆 周运行。堆取料机均按逆时针方向逡行。 圆形堆场内的堆取斟方式别熟一持。堆料巍在塔积第个堆糕时是使用手 动式完壤的，籀巾堆辩的范匿菇m x 伊”。它首先难秘密簿一个锥惑料攀，该辫 莹c 禚囊通过理谵谛算确定，费由辩避巍悬甓部分努嚣千旋势离情蕊下堆垂 戒酶， 咀后的料屡高度也通过理论计算选定。由此获得的第一个料堆是曲颔斜人字形 连续料层组成，并且具有抛物线形的堆顶。此后，即可按自动循环方式进行堆 料，它们外形均积第一个堆料相似，只是后一个堆科的起始点均与前一料堆起 熬点潍遵时针方岛间酾。 墩辩撬首次侔鼗时，盛须班手动撩作方式定位，霹先快速嚣近料琏，然后 低速馒馒地达鳓斟难，并进行自动飘料。这释方式的最大特点是可以不断她堆 料和取料，且馊土地面积得到充分利用，但它们必须设在翻形厂傍内工作，高 大向美观的嘲形广鹰固然引人注目，但其造价也1 分可观。逶种方式的一动化 程度也是很黼的，可以由中央控制窝进行遥控操作。但其缺点是：进料胶带帆 必矮架设在睡形厂房顶部，通常又是凸形胶蒂枧，在设计、奄蓬、毒4 造上较繁 琰。出辩胶静枫必灏设在遣沟内，谯邈下承谊较高或雨承较多豹她嚣需要谨缕 进蠲。辩堆的碡挣不鲡长方形料蝗稳邃，取料规翱朗鹣鹈蘑遥澌燮动，均纯敢 果也不如长方厣堆场那样稳定。 1 2 3 课题研究的目的和意义 缝取瓣魏磊巯熏要是实理原糕救均矮谴，要德诬水嚣厂遽缕襞产，产品矮 量稳定可靠，瘩混厂使罐的所有愿燃辩懿豫学成分裁必须穗建，铡零涎厂鑫孽逆 厂源燃瓣均为粒状固体物，不同予一般的化工行业新用的液体原料，掇难在输 进、存储过程中自行均质化，其化学成分的稳定性要比后者差很多，给稳定生 产所带来的问越簧比一般化工行业严煎得多。 过去在水泥主耍赋料( 通常指石墩石) 中的碳酸钙古量被韵太附情况 i _ - ， 只要求栊厂矮横不是很大，一般采阕逸择性果石法使石灰石但学戒分的波动减 少到菜耱稷度。随着永混_ 厂擒摸躺增大，选择性采石法就不经济了，因此，承 混下q k 一巍在寻找萁性均纯水泥瓣料成分的方法，预均他雅溺是2 0 实际8 0 年 代随着新测千注承混生产工艺的夫舰模应削而被水混工慧采用的均化技术，其 实早在1 9 0 5 年谈技术已为选矿、煤靛和其他工业所韩知和应用。 藏潋理天学丽学拯渣义 颈均化堆蠕基本上是用于球潺原辩孛的主要成努石灰石。黏土襞攘斟大多 是均斌的，虽然有些厂对逮种原料也必颂避行砸均化。石照砂和铁矿越样的原 料差不多总是蚜震的，因此不需鬟预均忧。在水泥生产中努果使用敕状赢炉矿 渣，搿返静藩辩进行颡均化通存好处，商许多水泥厂对燃料煤在戚分渡动鞍大 时也使用预均忧堆场。 翻诧舔料均质亿就怒保证产晶囊量攘标瞧定鲍美缝。水混厂为保证产出水 泥的成艟稳定，耍求对矿山来的石灰石进行颓均化处理：电站为保证恒定的发 电量，也要求燃辩的颓均纯；选煤厂则要求燥经避嫱媒场蓐达均质饯。经过 混合均匀处理靥的物料可潋在粒度、湿度、成分等方面调和均衡，从简保证纫 料性能连续稳定，幸 ；| 应的产品质避也会选到较高的水平。国内外专家研究结果 和资料统静，当物料难魏堆积层选n 一 4 0 0 层时，物料才能选到理想静均纯效襞 和有较商的溉台均匀效率，凼而敞状物科预均化堆蜗的主要工芭性能乏一就是 慑涯物瓣的堆积屡数，健不同时间输入熬不同晶虞的物辩按料层均匀分布，当 取辨机沿料堆端面运行时，可同时取到各个断面层的物料，达到混合均匀的目 的。圜越噩建立理想魄混台料堆，电要爨堆料机具鸯沿整个料矮均匀t 谁料的您 力。 堆取料机系统就是预均化堆墒主要工作设备，w 完成产品的堆、鞭和均质 证工作斟安现蛙攀 积纛斟麓对进行，其主要有班下特点： ( 、堆、取料机哥独立进行，因而实现雌取料同时完成。 ( 2 ) 、堆取料可进行均厦分屡式堆越，簸辩机铘避行全薮面蜓片均瘦取料* 均藏效果较好。 ( 3 ) 、操作简单，自动化程度随，只需一 即可究成全物料的堆取王作。 ( 4 ) 、堆、取糕工传麓盎高。 ( 5 ) 、堆取料场地可根据需受进行适当调整。 1 3 课题工程概糯和研究蠹容 1 。3 。1 工程概况 本项目为沙特阿拉伯s p c c - ? , 删3 n e 项目，目标是新建一条日产5 0 0 0 吨熟 辨的求混生产线，项鬓坐落子沙特耳拉他窿部，该瓒强用于生产普通醚馥盐臻 泥以及抗硫水混，普通p o r t j a n d 水泥，采用千法工甓。 武汉理工大学硕士学位论文 圆形堆场堆取料机结构简图如图1 1 所示 图1 1 堆取料机系统简图 1 3 2 课题研究的主要内容 在本课题研究中，由于堆取料机系统中取料梁横跨结构长( 5 1 m ) ，悬臂结构 挑出跨度大( 2 8 1 8 5 m ) 以及中心柱结构的荷载大而集中，为了保证整个系统安 全而有效地工作，有必要完全了解整个系统在工作过程中的应力分布情况以及 系统各点的变形情况，以指导堆取料机系统的整体设计，并作为堆取料机设计 理论参考进行必要的设计改进，这就是本课题所要解决的问题。 本课题拟研究的主要内容包括以下三个方面： 1 a n s y s 软件功能开发及使用。包括对a n s y s 典型的分析过程( 建立模型 加载和求解查看分析结果) 的熟练掌握，还要熟悉应用a n s y s 进行静 力学、动力学、热学等领域的分析。此外，能够应用a n s y s 进行优化设计，并 能应用参数化设计语言( 胧) 进行参数设计。 2 有限单元法的理论基础研究。包括有限单元法简介、空间问题的基本理 论和弹性力学的一般原理。 3 堆取料机的简化模型建立和参数的确定，及其在给定参数下的机构各部 分的仿真分析。包括堆取料机主要三部件的几何参数、约束条件和载荷，建立 堆取料机各部分的实体模型和有限元模型，分析仿真整个系统在理论上是否满 足设计要求，并且对不满足要求的结构进行设计改进。 武汉理工大学礤士学位论空 第二章有限单元法及a n s y s 应用箍介 2 1 有限单元法简介 有限单元法肫一个独特优点是可戳求解结构黪状和边界条件都鞠当任意醵 力学问题。寄陨元离散他蔗援想把弹性连续体分割成数霜有限的单元，即在计 算税褥塑形上蠲菏鼹媾，损据戆髂翳见博黟+ 姨、鼗簿特糕、边界姆裘褥征等， 单元有各种隳型，这些单元仅在其项南处相互联撩，这些联接点称翔节点。肇 元之澜透过葶点裢递禹力，透过节煮传递戆离力称滏节盛身，作嗣在节点上熊 载荷称为节煮载荷。当弹性体髓捌外力作用发主形变时，缓藏它的岛个单元也 褥发生变弼，因而备个常点蒋产生币嗣程度的穗禧，这种位移称垮带点位移。 嵌程限无法中娃节点德秽努量裕冀结瓣赡基零泰勰量求解黪方法称港位蓼法， 其它还有力敞和混台法，由于位移法有广泛的通用性，目前用的较参。这样鲴 躐魏霄艇擎秀蒸舍悻，势目遂簿散节点力囊节意约束袭静，出于节煮数翟膏凝， 就成为具肯嚣限自由度的有限元计算横型它替代了藤熏具有无限多奄南艘的 遘缨憾。 奁她蒸礁上，耐镶一争挚霁羧蓊努姨逶镁抟聪惑，镤数巾潼攀陶霹数来 近似模拟其位移分量的分布规襻，即选择位移模式，再斌过虚功原理( 或变分原 蠼藏箕它方法求褥簿个单元静乎衡方程，裁筵建蠹单元带癜力与节点霞移乏耀 的哭燕。最厨。把所有单元静遮种特性美系，按照保持节点位移壤续和节点力 平衡酶方式集合起采，茕可以襻劐整个翻钵的平糖方程魁。引入边界约赢荣件 褥照方程就墩褥节点证移，并计算盎个革翕虚力成交值。蒋羧单元法薛应藤箍 嗣投为广漫，有非常强的实用性，而且撅念浅显，岛于攀握。 由诧西藏，青飘霜法靛塞旗蹙把具学羌限多个宜亩度鲮弹槛述续体力理继 恍两是有有敝令自出嶷的单元策含体，使间题简他为遣食予数值鼹法麴结搦越 阍题。其计冀步骤概括起寒可静为爨下电步： ( 1 ) 弹性逶续钵的黼散纯； 2 ) 选择单元垃罄模式： ( 3 ) 单元力学糊j 分孝行； ( 4 ) 非带点载荷的咎曩； ( 5 ) 整体分橱，组集端擒荔月g 凄方秽； 武、及埋工大学骢士学位论空 ( 动约柬照璀，f 求解总刚度舅程； 1 7 ) i ； 葬攀元瘟为并凝理诗嚣结果。 从使用裔限元稷潦的角度讲，有限两泣分析又可分为三夫步：箭赴瑗一一 诗冀努辑簧处鞋，麓处理粪际i 楚对计算对象捌分嬲络、髟戒计算模型蜘 过程包括挚元箍鹫的选择、节点单元黼绦豹确淹、约束载藕的移镫瞢。讲弊 j _ l | 是在搿成总i 废方穗并鳓柬撼理看求髂大型联立方程缀、最终得到节点位移 的遘程。解方程疆斡方法毒粳参蒋，每一遥罔爨潦搬据鑫赛特点选斓一艇静方 法。后处理则是对处理结暴( 如粹种应力，位移簿) 的处理，可阻自动生成计算 擐岱i 秘云嚣、等菹线、矢量照示等鬟潞方式翌冢；并且霹融壹鹱生戏各瓣的 图形，进行计算结果排序、检索、歹表及加、瓣、椒分和微分等组合褥计算等， 2 。2a m s y s 软件舟缨 腮腮软件是黄圈公司研制的大型通用有限元分析( f e d ) 软件。能够进行包 舔绺构、热、声、流体、趣磁场簿学科的耩究。程缓工簸、铁道、磊油纯工、 航空靛无、机械$ 蜷、能源，汽车交通、器防军工、屯予、术工理、造嬲、 生物菝学、辚互、魄矿、水利、臼用巍氨葛龌域露着广4 挺舶应j = ! | l 。多年来，它 一黉在膏限元分析软粹擗名，p 名蕊第，它是第一个遥避稻f 瑰磁蕊萤试涯豁 分折设计娄鞔件，也是通过美豳机械工穆j | j i i 协会( a s m 功、裴圉梭安垒竭( n o a ) 照 近2 0 种专娃拽术梅鑫试涎舶褥准静析靛僭。 a n s y s 谯| = i ； 国也梅到了日蕊r 、泛的毒k 搿和庶罔。窀是曦一被中困铁路枫车车 辆憩公司选定为窭臻“三 ”鞠括薛稳驻元努褥载传，在各厂街中广泛_ j 予机 车撮速及离遮机车的研制它怒第一个通过牵瓶力容器捺礁化技术簧员会诜诞 芳霞全国嚣力容器豁照捺广覆羽的分橱较搏。援蘸，中圜l 鼬多所壤工驻校壤 用a ：t b y s 软件迸行寄敝元努桁，4 5 厨瑗工科院校1 1 5 门谍程以a ：, s y s 作为桥难 教攀较件。 2 。3 结构优佬设诗俺介及a l c s y s 优纯技术 2 ，3 。1 结撵德纯谶诗戆意义 在现代设计中，质量没诗搁当重甏。 设 嚏 代己缝过去，嫡簿蒹蹶毒耪要衷， 那种只满霆专要技术功能臻寐扮机械 挺麓设诗棼厦燕，是糯鳃橇摭设诗匏 武汉理工大学硕士学位论文 关键所在。与考虑工作原理相比，兼顾各种要求似乎只是设计细节上的问题， 然而细节的总和是质量，质量问题不仅是工艺和材料的问题，提高质量应始于 设计。对于堆取料机结构优化设计，在保证可靠性的基础上，可以节省大量的 钢材，为工程节约成本；另一方面，也为支撑滚轮的支架减小负担。 本文只针对堆取料机的取料梁结构进行优化设计，要得到一个可行的结构 方案一般并不很难。取料梁结构优化设计的任务是在众多的可行性方案中寻求 较好的或是最好的方案。结构优化设计的前提是要能构造出大量可供优选的可 能性方案，即构造出大量的优化求解空间，这也是结构设计最具创造性的地方。 结构优化设计目前基本仍局限在用数理模型描述的那类问题上。而本文所研究 的结构优化设计应建立在由材料、尺寸等结构设计变元所构成的结构设计解空 间的基础e 。 2 3 2a n s y s 结构优化设计 结构优化设计是一种寻找确定结构最优设计方案的技术。最优设计方案指 方案在满足所有设计要求的条件下所需要的支出( 如重量、面积、体积、应力、 费用等) 最小理论上，设计方案的任何方面都是可以优化的，如尺寸、截面形状， 支撑位置、制造费用、结构自振频率等。所有可以参数化的a n s y s 选项都可以 做优化设计。结构优化设计的基本原理是通过构建优化模型，运用各种优化方 法，通过在满足设计要求的条件下的迭代计算，求得目标函数的极值，得到最 优设计方案。 优化数学模型可表示为： m i n f ( x ) = f t x i ，x 2 , x 3 , x n ) g i l x ) = g i ( x lx 2 ，x 3 , x n ) i i 2 i 。2 m ) h j ( x ) = g jt x l ，x 2 x 37 x n ) i i - 1 , 2 p ) 桀( x i x 2 , x 3 , ) 射为目标函数，是设计变量的函数，用来评价设计方案的优劣，优化问题 即为求目标函数的极值，约束条件g f 倒、鲫缈称为状态变量，只有符合状态变 量要求的设计才是合理的设计。x 是由设计中需要优选的设计参数组成的向量， 每一个向量代表一个设计方案，设计向量的集合为设计空间，称需要优选的设 计参数为设计变量。 基于a p d l 的a n s y s 有限元结构优化技术是a p d l 技术的延伸和扩展， 武汉理工大学硕士学位论文 a n s y s 有限元优化设计技术必须借助于a p d l 实现参数化有限元分析过程才能 实现。 2 4m 酣s 结构静力学分析的基本步骤 在各种结构分析类型中，静力分析是非常重要的形式，同时也是最简单最 基本的分析形式，静力分析既可以是线性的也可以是非线性的，也是非线性分 析、动力学分析等其他分析的基础。 结构静力分析计算在固定不变的荷载作用下结构的响应，如反力、位移、 应变、应力等，即探讨结构受到外力后变形、应力、应变的大小。静力分析主 要从静力学( 静力平衡条件) 、几何学( 位移协调条件) 、物理学( h o o k e 定理) 三方面对结构进行分析。 在a n s y s 中进行结构静力分析的基本步骤可以归纳如下： 1 确定工作文件名( j o b n a m e ) 、分析标题( 玎 0 。 2 进入前处理器( p r e p t 。 ( 1 ) 定义单元类型； 这一部分往往是一个分析的难点，因为力惯心软件为了不同的工程需要共 提供了2 2 7 种单元类型，如何在这么多的单元种类中选择出既满足分析的精度 又不过分耗费计算机资源的单元类型( 这是一个优化的过程) 是关键。在选择 单元类型的过程中需要了解各种单元类型的节点数，每个节点的自由度数，还 要估计建立模型大概会产生多少单元以及节点数，因为节点数( n o d en u m b e r ) 自由度数( d o f s ) 就是在求解时矩阵方程的阶数。无疑地，矩阵方程越大对 计算机硬件的要求就越高，如果不能很好地处理分析的精度、单元数和单元类 型的关系，有的工程分析在实际中( 由于计算机硬件的限制) 往往是不可能进 行的。接合本课题分析( 分析的对象主要是钢板和型钢) ，虽然理论上实体单元 ( s o i l 曲比板壳单元( p l a n ea n ds h e l l ) 能更精确地反映钢板实体的相互作 用，但在综合考虑分析的精度、单元数和单元类型后，最后决定主要是用板壳 单元( s h e l l ) 来模拟钢板构件之间的作用，用梁单元( b e a m ) 来模拟型钢。 ( 2 ) 设定实常数；本分析中就是定义钢板的不同厚度，以及不同型钢的截 面参数。 ( 3 ) 设置材料属性： 设置钢板以及型钢的相关材料属性参数。在本课题分析中，钢材的弹性模 武漫理1 大学磷士学位论盅 量, f = 2 0 6 1 0 3 m 忍、p o i s s o n 比为- 0 3 、密度p ：7 8 5 0 惦搿，定义之后，就进 行曾鞭元豹建横了。圈2 - 1 受图2 - 4 是姐攀靴剁税串一0 拄郝牛( 特动轴霞变撑) 展示了进行有限元几何建模的大概过程。 蕊21 点触定义与形成两辞) 鞫2 - 2 蔗镌定兜等彤或( 熬体) 武汉理上大学硕士学位论文 图2 - 3 线的定义与形成 图2 - 4 面的定义与形成 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 单元的定义与形成 图2 - 6 有限元分析结果的输出 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 构建有限元模型。 在完成了前面的步骤后，就进入了有限元建模过程中的最重要的一步，即 构建有限元模型了。主要是把无限自由度的几何实体变成计算机能够处理的有 限自由度的数值模型。以图2 - 1 至图2 - 4 所示的几何模型为例，图2 - 5 示出了 数值模型的概貌，这个模型共划分出了2 1 6 3 6 个单元，产生了2 0 9 3 9 个节点， 而每个节点就产生了6 个位移未知数，这样就产生了1 2 5 6 3 4 个位移未知数。这 些未知数并不是相互独立的，它们用材料的相关实常数与弹性常数产生相关性， 这种相关性就产生了一个1 2 5 6 3 4 阶的齐次矩阵方程，这个矩阵方程是不可逆的， 有无穷多个解。反映到实际中，就是说数值模型会产生刚体位移。 3 进入求解器( s o l 曲。 ( 1 ) 旆加荷载； 静力分析所施加的荷载包括最常见的外力作用、稳态的惯性力( 如重力等) 、 位移荷载( 如支座的初始位移等) 、温度荷载( 温度的变化引起结构响应的变化) 。 ( 2 ) 施加位移约束条件； 具体到图2 - 5 所示的数值模型，就是要定义模型底部法兰盘上所有节点的 所有位移未知数都为0 ，也就是说底部法兰盘是不动的，这与实际是相符的。 ( 3 ) 求解。 在对数值模型施加了荷载和位移约束条件后，就可以由前面1 2 5 6 3 4 阶的齐 次矩阵方程进一步产生1 2 5 6 3 4 阶的非齐次矩阵方程，这个矩阵方程是可逆的， 反映到实际中，就是说数值模型已经完全可以反映实际结构的所有特征了。接 下来就是计算机求解这个1 2 5 6 3 4 阶的非齐次矩阵方程，所以说有限元方法是数 值计算方法与高性能的计算机硬件结合的产物。 4 进入通用后处理器( 局o s t l ) ，提取并评价和分析结果。 在等待计算机的计算过程后，我们就可以得到我们要的相关结果了，图2 - 6 给出了堆取料机中心柱部件( 传动轴承支撑) 的数值模型的整体位移的计算结 果。a n s y s 分析分命令流方式和丁方式( 图形拾取方式) 两种类型，命令流与 菜单操作基本上是相对应的，即一个菜单操作对应着一段命令流代码。 战浸建王太学颐士擘谴语文 2 5 本章小炼 本章首先简要介绍了有限元法技术思想及其发展和一个通用的有限元分析 较粹a a 嚣y s 的特点，确宸了利用督隧元狡寐辅助难取糕辊的缭鞫澄计。程鞋靶 研究的基础上，讨论了a n s y s 结构忧化设计问题和详细的说明了a n s y s 进行结 榴静力学分极的器奉步骤。 武汉瑾置走学j 丽士擘静论文 第三章取料粱缮构魄建摸 3 。1 联瓣粱结构材料特性参数 根据中华人民搀和圜嗣寒标准钢结构设计规范( 凸出如rd e 9 i g n 靠s t e e ! s c f u c t t 3 r e 勰5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) ，钢材的弹懂模霪e = 2 0 6 i o m p a 、p o i s s o n 毙为 f - - 0 文密度p = 删錾付、0 2 3 5 俐树的抗拉压强鹰为2 0 5m p a ，醴羯f 钢材 的抗挝匿强度为2 9 5a 瓣。 3 2 取料梁结构简化及其单元选取 堆疆辩机取料粱为箱粱式结构，取蛊整体分析强包含粱荤元。根据设计规 范的规定，取料粱必须工作在材料弹性范围内，其分析不必考虑非线性因素， 灏此其讨穗线性势柝。 a f f 临提供了多种粱杆单元，在取料桀分析中以梁单元为主，杆单元用的桓 少，鞲且可用粱单元代替。难取料撬取科鬃是一静空润鳍树，a n s y s 软译提供能 常用弹性三维粱雄元有b e a j t 4 、b r a y 4 4 ，b f a j l l 韶和b g a m ，羽, 京们都有备自的 特点，能满足不糯鲍分析要蕊，常用梁单元主要性质风表3 一1 表3 1 常用粱单元主要性质 苹元盎辖节点冉由崖阶冼是否者崽剪切变形是香支特懿而定义是再支持燮禳蕊 骶a 46臻性薅悬否 b e a 艘48缱性群鼐 否 b e a m 4 46线性胥是是 b e n , 1 1 勰 6 魏7 缝洼豫整瑶 fb e , 4 f f l 8 9 6 戳7= 芒! =矗悬 否 麒靴8 8 帮b e a m l 8 9 犟元均戳y i m o s h e n k o 粱理诧为基础，其形茧数孛挠度 和戡面转动并自独立插值，并考虑了剪切变形的影响。b e , 州1 8 8 单元支持截面 定义功能，可傻用截露定义命令( s e c t y p e 、s , e c d a t ) 方便的定义截面形状， 并且可在图形用户界面下经制已定义的截磷图形( s e c p t or ) ，以楂查截筒定义 的正确瞧。b e a m 8 8 单元爨有堆取料规取$ 4 粱癸析所磐求的功能，这种单元由2 个节点宠义，每个节点有6 个自出度，苇点嫩标系韵j 、 g 方囱的平动和横 武浸璎美太学蕊士学链论文 对nn 。辖黪转角。嚣此，在觏料粱分柝中使搿盛黼错单元躲可褥到满意 的结粜。 3 ，3 取料粱有限元模型建立 3 3 1 取料粱塑钢材料参数 堆搬料机取料粱的旋转半释r = 5 h ，粱的年体出疗型锕、槽钢、矩形宁心 静婷边角钢橱戒，设计给定取辩疑的型 目参数有两褒( s t e e l 、s t e e l 2 ) 。取 料粱联接件并再链单一角钢或是i t 型钢联接，它存在两角铺蹲接或平行搂组台 后构成联接件，钶限元建模过程中型钢来用国日s e c t d o , ，f 定义，其余篓 钢采翅c u s t o s e c t d o n s 定义嗣户自定义藏耍形状均采用掰麟屯子鞠版库文 件中标准型钢截面，由酬删直接导出，躺文件后，舾憎导入生城s e c t 文件， 对应型钢参数转纯为截露参数如下： 型钢材料参镦s t e e l l + 型钢截面参数s e c t g o n t ； 型钢材割参数s w 船型锶截预参数s e c t d o 0 2 ，其中w ”s o c t d o n 各有i 4 种。 3 ，3 。2 取料鬃互作载赫 1 、上部两型钢整梁跨度5 2 9 6 1 m 范围：均匀下压平台载榜1 1 0 6 8 k g 。 2 、f 部两明墼钢跨度4 6 ，3 2 0 m 范图：均匀悬挂载祷5 8 0 0 0 k s 。 3 ，头韶驱动向下集中栽荷( 下部两型钢两侧) ：6 0 0 0 k g 。 4 、熙部张紧向下载荷( 下部两裂钢两侧) ：2 0 0 0 膪。 、上龆两f 型铡向f 集中载蔫：p 1 = 3 5 0 0 黠 p 2 = 6 0 0 0 成g ； p 3 = 2 0 0 0 姆： 6 、受滑动耙集中载荷；向下轮麒0 0 0 船 3 ( 6 m 范围内活动) ： 侧恳轮压5 4 0 0 k 萨3 ( 锄范围内活动) ； 侧向轮压6 7 0 0 镌3 ( 嘶范嗣诲活动j ； 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 3 取料梁模型参数化 利用a p d l 宏和a n s y s 图形用户界面，创建输入取料粱的高度从宽度t v 和 选取型钢截面参数s e c t i o n 的对话界面，实现参数化的输入，对于o r l a x ( 最大变 形位移) 、5 砌# ( 最大等效应力) 、胛( 取料梁白重) 实现参数化的输出，由于 堆取料机主梁侧面料耙左右移动和下端刮板链轮的转动，导致了外载荷的旋加 复杂化，具体施加堆取料机取料梁四根主梁的压力时利用a p d l 的栅循环语句 施加，由此建立了堆取料机取料梁的a p d l 设计分析模型文件( b e a m m a c ) ，有 限元模型建模与结果解如图3 1 到图3 - 6 所示。 图3 - - 1 参数nh 的选取 圈3 2 参数s e c t i o n 的选取 武汉理 = ：大学礁士学位论文 图3 - - 3 取料粱单元模型 圈3 4 取誊斗粱受力模型 ， 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5 取料梁单元等效应力解 图3 - - 6 取料梁d m a x 与s m a x 处 由腮坶分析可知d m a x = 6 0 2 2 9 m m ，s m a x = 1 3 5 m p a ，位置如图3 - - 6 所示。 砘浸理工大学瑚士学位论文 附jb e e 口部分a p d l 程序： 尚r e p 7 m “1 t i p r o , ? s t a r t ，2 s e t 173 b ，一h e i g h to fb e m , 目：。4 蜘s 酏屯6 ，畴f j d 酶o f m ：。3 。2 m u l t ( 口r o , “d 粕曲s e c t i a 8n u m b e r , t h e c t i t y p eo fb e a ”oo f2 ) ，i p o g p ! s e t 。 a s t 髓蕊e 辑s h m 蝣8 1 ：i 粉x ，s u f i ；，撇s t a b l ev o l t , , v o l u s s 礴 蝣e ty c o bs s t 艇, 玎e 鞔v o l u r a 0 。? 8 5 0 f f = 柏0 # r 0 f l n i ， 3 。4 数器分析整理 3 4 。1 有限元分析可靠性数据的获得 进a 蔺处理 ! 参数w 、h 盼选取 参数s e c t i o n 舶选取 进入后按理 ! 粱骑体积露帮 取辩攥总藿 纂于庵力彤式误鏊估计，本箭祈采用h 方法( 冉一v e r s i o n 或女m 曲聊：不 改变备基病踊数驰配置情况，只通过逐步加密有阻元网捺来使结果肉正确勰j 殛 迓。选墩参数舻她、辨3 ，2 m ，选取型钢截面参数s e c t i o n 2 ，通过试靛6 # j o 内部参数凸f # o ( 线单元的分段数) 来拣取可靠性结果，? 鼢 数据见表3 - 2 。综 合考虑求解糖发和计弊量这掰方面的因素，选取袭32 中静第5 种方案即 一g x i z e = 1 6 ( 段) ，总螭光数e * 7 1 3 6 ( 千) 谶行后续分析计算。 表3 - 2 t e s t 数据表 t e s t123 456 ，e m z 8l2 481 63 2 le ( 单元)秘6 8 9 21 7 8 43 5 6 8 7 1 3 6 1 4 2 7 2 fd m a x 5 6 。4 5 2 m l8 ( 10 8 5r m 6 0 2 2 9 i 唧1 1 6 02 9 6 m6 0 3 0 6 衄i6 0 。2 7 m m s m a x 8 3 4 l l p a1 2 伽p ai 3 j m p a1 4 6 1 5 0 m p a1 5 2 m p a 疵潋理曩夫学碗圭学扭睦盅 3 4 ，2 有限元分析结条数据鼢获褥 由于料耙和刮板结构给定，所以宽度参数在设计效棱中暂时不变，基于 参数s # 酣，、驿3 。2 m 豹选取，结第数据表茁表33 表3 0 选定s e c t i o n l 和w ，对麻各i t 数据表 fh0 。5 嘶一37 0 m3 8 翻l 4 。0 。i f l4 2 硒4 3 5 m4 。5 0 m o m a xb 37 7 5 a m7 8 7 3 4 r a m7 5 。4 0 l 删1 7 2 5 4 1 6 9 。i 3 1 i l 】i 5 6 。8 8 8 m m6 4 8 8 t 咖 i s m a x2 0 7 m p a1 9 4 m p a1 8 5 舯a 1 7 7 胛a1 6 丁晰p a1 6 0 m p a1 5 4 m p a l 骶5 6 5 6 弧 5 7 3 0 6 k g 5 7 7 9 3 k g5 8 2 8 4 k g5 8 9 雌k g5 9 4 4 2 黯 5 9 9 4 4 k z 基于参数s e c t i o n 2 、胆32 m 的选取臻果数据表照表3 4 表0 一选定s e c t i o n 2 和孵对应各扦数据表 h3 5 0 m3 7 0 m3 8 曩m 40 0 m4 2 。i 口4 3 5 m4 5 0 m l 狲8 x 6 9 ，8 8 i 6 5 。绱g #6 2 7 4 6 m 8翩3 0 6 m r 5 7 4 5 4 m 5 s 5 7 a r a5 3 8 9 s 蜀i a x1 7 3 m p a1 6 3 髓p a1 5 6 m p a1 5 0 m p a1 4 3 9 p a 1 3 8 m p a1 3 3 m p a i 耵7 2 6 1 3 h7 s 4 2 8 k g7 4 0 4 6 k g7 4 6 6 8 k g 7 5 5 舣虹7 6 1 3 5 k g7 6 7 7 1 k g 根据设计簧求，选取袭3 _ 4 中的i | j = 4 m 缎数据可侮为理悲的设计结粱， 3 。4 。3 零! | 焉脚伉化设计反馈参数数据变化艇律 优化设计的目的是设计出取料粱在受到外载荷的条件下的最大位移变型满 足：觑j 7 0 女镕积最丈等效瘟力满照：受f 。j - 2 0 5 , a 下瞬一组优讫的s e 鲥 和值。 1 、指定优化设计变量( d e s i g n i a 撕8 ) 艇3 5 m 4 。5 舶 ，状态变量( s 8 # 目 r m j 8 6 如) j 胁z ( o 0 7 0 m ) ，甚标函数( o l j e c t f 商m o f ) 秽。由此弼。 写出优化设计削肛程序 e a 口印o m 。文件。结果如图4 - - 9 、图4 一1 0 所示，臣 中表秘鸯m z 、孵谯与戤戋性关系。 武攫理工人学碗士学位论立 2 、茎予商庹参数拶变铯蕊镎( 线性) ，指定设计变量( d e s f g nv g r i a b l e ) 班2 4 m4 m ，状态变量( s 8 ev a r i a b l e ) d m a x ( 0 0 7 0 m ) ，目标函数 ( 。盘如c t f g ef f u n e t i o v ) 鲫。结果婚嚣3 - - 9 、圈3 一1 0 所瑟，窝中袭鞠z 妇z 、 。2 1 武汉理工走举矮士学位论文 胛1 也与均成缱性共柔。 垂3 9 糯岛w 静变纯攘搏 闰3 1 0 耵目* 的变化规律 z 2 iz 武汉理工大学硕士学位论文 综合数据变化规律图说明：影响状态变量血z 值的设计变量主要是高度， 的值，宽度g 的影响很小，在设计值范围内设计变量从w 是p m a x 和盯的单调 ( 递减和递增) 函数，同时说明表3 - 3 、表3 - 4 结果数据的正确性。 附：b e a m o p t m c 部分a p d l 文件： f i n i s h c l e a r f i l n a m bb e a m o p t i n p u t , b e a m ，i g w ，b e a m o p ti7 ，0 1 第一次参数化分析 o p t! 进入优化处理器 o p a n l 6 ，i g w ! 指定分析文件名 o p v a f ，孵d r , z 41 w 为设计变量 o p v a 0d m a x , s h ，n0 5 0 1d m a x 为状态变量 o p s a v e pb e a v a lo p t o p v a r , f 蛳，z! w t 为目标函数 o p d a t b ， ! 指定优化数据的存储文件名 o p j o o p , p l o p , p l o oa ! 控制读取分析文件的方式 o p p r n o n! 指定是否存储计算的详细信息 o p k e e p , ! 存储数据库和结果 o p t y p b 触f! 一阶分析方法 o p f r s t 1 5 o p e x e! 执行优化循环 o p l i s 08 1 i s a y e a x l a g * i t e r a t i o nn u m b e r a x l a 茸y s t a t ev 8 l - n a m b e r p l v a r o p t 幽a x f i n ，曲 3 5 本章小结 本章利用a p d l 对 1 0 2 m 堆取料机取料梁进行了结构静力学的有限元分析， 并给出了多种设计方案，且全面的分析了设计