（机械电子工程专业论文）轨道集装箱龙门起重机运动数值仿真及动力学分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 龙门起重机主梁结构是起重机工作时最重要的承载部件，其力学性能对 整机的正常运转有直接影响。目前在龙门起重机结构的设计和故障诊断中有 以下两方面的问题有待解决：1 ) 过去，在设计和验算中仅是对起重机金属结 构在工作状态下的起始、中间等几个在经验上看来是危险的位置进行结构分 析，而对起重机在从小车起吊载荷到终止整个工作过程中的应力等力学参量 均不知晓，主要是由于实际工作中这项工作太繁琐而无法实现。本文的第一 个解决的问题便是对龙门起重机结构在工作状态下的整个运动过程进行运动 数值仿真：2 ) 起升机构起制动时对龙门起重机结构产生强烈的冲击动载荷， 其对整个龙门起重机结构的动态响应未知。针对以上两个问题，本论文以龙 门起重机结构为研究对象，以有限元法和机械动力学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 对小车吊载运行过程中的龙门起 重机结构进行了运动数值仿真，研究了龙门起重机结构的动态特性和龙门起 重机结构在起吊时的动力学响应，并采用s u a lb 踮i c 开发了相应的数值运动 和动力仿真软件。主要研究工作如下： 1 ) 用a n s y s 的内部命令和a p d l 语言以及参数化技术建立了龙门起重 机结构的有限元参数化模型。它使得有限元分析过程中对模型的修改以及再 次计算很方便、快捷，而且不容易出错。 2 ) 用建立好的有限元参数化模型和a n s y s 的内部命令以及a p d l 语言 编写了小车吊载运动过程中起重机运动数值仿真的命令流文件，具体实现了 仿真，获得了仿真动画，经分析得出了有参考价值的结论。 3 ) 研究了龙门起重机结构的动态特性。结合有限元参数化模型编写了模 态分析的命令流文件。提取了前l o 阶固有频率、主振型及其振型图，并对结 果进行了分析。 4 ) 对龙门起重机结构在货物突然起吊受到动载荷的情况进行了瞬态分 析。结合有限元参数化模型编写了瞬态分析的命令流文件。该瞬态分析主要 是以小车满载跨中为基点进行分析的，获得了龙门起重机突然起吊的瞬态动 力响应，包括龙门起重机结构主梁垂直位移、垂直速度、垂直加速度与时间 的响应曲线，并对结果进行了分析。 5 ) 有效地运用s u a lb 酗i c 软件对龙门起重机结构的运动数值仿真和动 力学分析进行了封装。独立开发了龙门起重机运动和动力数值仿真软件。 关键词：龙门起重机结构，运动数值仿真，动力学分析，有限元法，a n s y s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o n a l8 m l c t i l r e si sal ( i i l do ft h ei m p o n a n tl o a d c a “) ，i n gs 协l c t i l r eo fc r a r l e w h o s em e c h a n i c dp r o p e r t ye f f 色c t 让l ew h o l em a c 城n e sn l i l 芏l i n g d i r c c t l y a t p r e s e n t ，o nm ed e s i 卿i 培a n df h u l td i a g n o s i n go fp o r t a ls 伽l c n l r e sf 吣mp o r t a l c r a n e ，m e r ea r e 栅of e n o wp r c i b l e m su n d e rs o l u t i o n ：1 ) i l lm ep a s t ，i nd e s i g na n d c h e c | d n gc o r n p u t a t i o n so m y d 0s 仃i l c 咖la n a l y s i st om e t a ls 呲t l l r eo fc 瑚e sa t w o r k 证血ed a n g e m u sl o c a d o n ss e e r n e di ne x p e r i e r l c es u c h 嬲i 1 1 m a l ，m t e 船e d i a t e 锄ds oo n ，d on o th o wt h em e c h a i l i c sp i r a m e t c r ss u c ha ss 廿e s sw h i c h 协t 1 1 e w h o l ew o r kp r o c e s s 仔o mv e l l i c l e s1 i f t i n gl o a d st ot e m l m a t e i ti sm a i n l yd u et o t l l a tt l l ep r a c t i c a lw o r ki st o oc 啪b e r s o m ea n di i n p o s s i b l e t h e 丘r s tp r o b l e mm a t h a sb e e s o l v e di nt m sp 印e ri s h ei 岫e r i c a lm o v e m e n ts i m u l a t i o no ft h ec r a l l e p c l n “蛳u c t l l r e s w o r ki nt h ee n d f ep r o c e s s 2 ) t h ed 弘l 眦i cr e s p o n d so fm e w h o l ep o r t a ls t m c t i l r e si sl l l l l m o w nw h e nt h eh o i s n n gm c c h a n j s ms t a r to fb r i k e ，i t h a v eas 协) n gi i n p a c to nt h es m l c t l l r eo fm ep o r t a ls m l c t u r e s p o i n t e dt ot h ed b o v e t w op r o b l e m s ，b a s e do nm ef i 面t ee l e l e n tm e t l l o d ( f e m ) a n dm e c h a l l i cv i b m t i o n t h e o r y 蛐d u s i n gp a 舢e t e r i z e d m e m o da n dl ef e ms i m l l l a t i o n s o f h v a r e - a n s y s ，1 i sd i s s e 衄d o ns t l l d i e sm en u m e r i c a ls i 肌i l a t i o no f 也ep o r t a l s 劬l c t u r e sa sm ev e l l i c l e sl i 衔n gl o a d sa 1 1 d “sd y i 姗i cc h a r 8 c t c r sa n dr e s p o n s e s w h i l et l l ep o 删i sl i f t i l l g 锄dd e v e l o p sar e l e v a i l tp o r t a lk i n e m a t i c sa n dd y n a l l l i c s m l n l e r i c a ls i 眦1 a t i o ns o f l w a r e t h er n a 协r e s e a r c hc o m e m sa n dr e s u n so ft l l e d i s s e r t a 矗o na r ea sf b l l o w s ： 1 ) t ob u i l dap o r t a ls 缸u c t i l r e sp a r 锄e t e r i z e df e mm o d e ll l s i n ga n s y s i n t e m a lc o m m a n ( l a p d la n dp a 舢e t e r i z e dm e m o d i ti sc o n v 鼬i e n n y 锄d q u i c k l yt om o d 坶锄dr e c a l c l l l a t et h e 啪d e l i nf e ma a l y z i n g 2 ) t 0r e a l i z et h em o v i n g c r a n en 啪e r i c 以s i m u l a t i o n 1 1 1 es i l n u l a t i o n 趾i m a t i o na dc u r v e sa c q u i r e d 矗o m 也es i m u l a t i o nh v e p r a c t i c a le n 百n e e r i n g v a l u e ， 3 ) t bs m d yt h ep o n a ls m l c t l i r e sd y n a m i cc h 啪c t e r s t bp r o 萨a mac o m m a n d i i 武汉理工大学硕士学位论文 s 仃e 锄f i l e ，g 血t l l 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锄a l y z i n g ，f e m ， a n s y s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 轨道集装箱龙门起重机结构运动数值仿真及动力学 分析的目的和意义 1 1 1 轨道集装箱龙门起重机发展现状与面临的挑战 在我国集装箱港口的装卸作业中，通常采用岸边集装箱起重机加轮胎式 集装箱龙门起重机的装卸方案，以轮胎式集装箱龙门起重机作为后方堆场的 主要装卸机械吐近几年髭i 着港口的发展，轨道集装箱龙门起重机在港口的 使用越来越多。其电控系统、管理系统等方面已达到现有的港口机械水平， 满足了现代港口集装箱装卸的需要。 目前，国外制造大型轨道集装箱龙门起重机的厂商主要有美国的p a c e c o 、 德国的n o e l l 、英国的m o r r i s 、芬兰的v a l m e t 、韩国的三星和现代，以及日 本的三菱、三井、住友等。随着国际集装箱运输事业的飞速发展，对轨道集 装箱龙门起重机的要求越来越高，使得各大厂商在新研制的起重机堆码高度、 跨度以及速度等主要参数上都有了较大的进展。目前世晃上比较先进的机型 其堆高已达7 8 层、吊具下的起重量己达4 5t 、满载起升速度达3 0m m i n 、 小车速度超过5 0 m r n i n 、大车运行速度超过1 2 0 m m i n 。 长期以来，轨道集装箱龙门起重机仅小车运行机构采用交流驱动，近年 来，起升机构和大车运行也相继采用了交流驱动技术，这样减少了维护和修 理费，降低了营运成本。最近日本三井公司成功地采用了交流变频调速装置， 解决了起升机构位势负载和车轮支承压力变化导致车轮转速变化的关键技 术，达到了集装箱堆6 场作业的使用要求。德国派纳公司将其在自动控制领 域所拥有的丰富经验成功地应用在大型轨道集装箱龙门起重机上，满足了现 代化集装箱堆场对自动化控制的需要。如欧洲联合码头公司应用光缆传输技 术，可靠地将轨道集装箱龙门起重机与港站管理计算机联网，实现了无人装 卸作业和堆物全盘自动化。 据统计，欧洲作为传统上的轮胎式集装箱龙门起重机的大订户，1 9 9 5 年 订购的轨道集装箱龙门起重机多达5 8 台，从一个侧面反映出轨道集装箱龙门 武汉理工大学硕士学位论文 起重机的市场潜力和应用前景。另一方面，从世界上一些著名的港口的发展 趋势看，轨道集装箱龙门起重机将向大型化、高效化、自动化方向发展。 目前我国已能批量生产具有国际9 0 年代先进水平的岸边集装箱起重机 和轮胎式集装箱龙门起重机，而轨道集装箱龙门起重机的研究与开发能力也 越来越强。 目前，一些先进设计思想逐渐被采用，一些先进设计手段也被引入轨道 集装箱龙门起重机领域。如有限元分析、结构优化设计、机电液一体化技术、 c a d 设计模块化技术、可靠性设计方法、机械结构动态设计等。这些方法在 轨道集装箱龙门起重机设计中已有所应用，取得了较好的效果，但现在轨道 集装箱龙门起重机设计面临的主要难题是：如何综合现有的设计手段、方 法来设计和分析；如何结合轨道集装箱龙门起重机具体实际状况，挖掘在 其他领域己得到较好应用的尚未在轨道集装箱龙门起重机领域应用的先进的 设计思想、手段和方法。 1 1 2 课题研究的目的和意义 轨道集装箱龙门起重机的主粱是起重机工作时最重要的承载部件，其力 学性能对整机的正常运转有直接影响。对起重机主梁进行静强度计算时，要 考虑到起重机在工作状态下实际可能出现的最不剥位置时各种最危险的载 荷。过去，在设计和验算中仅是对起重机金属结构在工作状态下的起始、中 间等几个在经验上看来是危险的位置进行结构分析，而对龙门起重机在从小 车起吊载荷到终止整个工作过程中的应力等力学参量均不知晓，主要是由于 实际工作中这项工作太繁琐而无法实现。本文的第一个研究目的便是对龙门 起重机结构在工作状态下的整个运动过程进行运动数值仿真，并且将小车的 运动显示出来，主要采用a n s y s 这一强有力的有限元通用软件的结构分析 部分和二次开发工具a p d l 来实现。其意义在于，可以全面了解龙门起重机 结构在吊载荷的过程中，应力、位移的情况，并且使工作人员可以清楚的知 道小车所在当前位置整个结构所处的状态，通过计算机数值仿真得到一些具 有参考价值的结果，揭示出相关的内在联系和规律，探求同类结构的共同的 应力、位移等力学特性，以便在今后的起重机金属结构设计、分析的研究中 借鉴和参考。其吊载荷过程中应力变化的仿真动画可让在生产第一线的工程 技术、管理人员以及设计人员形象直观的了解起重机的工作情况。该研究具 武汉理工大学硕士学位论文 有工程实用价值。 随着起重机朝着重载的方向发展，在繁重复杂的工况下，仅按传统的静 强度计算已经不能满足设计要求，对整个结构进行动力特性分析是非常必要 的。起重机在运动状态改变时( 如起吊的瞬间) ，产生的动力载荷对金属结 构产生强烈的冲击和振动，起升质量突然离地起升或下降时对结构产生附加 动载荷的作用，这种冲击产生的动载荷是多种动载荷的主要载荷，也是起重 机设计时的主要载荷之一，对疲劳计算也有很大影响。本文的第二个主要研 究目的便是从动力学分析的角度，采用有限元法研究起重机的瞬态特性，对 龙门起重机结构在小车突然起吊的瞬间进行瞬态分析，以求得到这一过程结 构的动力响应，并用计算机仿真。 本文的第三个主要的研究目的就是从动力学的角度，采用有限元方法来 研究龙门起重机结构的模态分析，以确定整个结构的固有频率和振型。其意 义在于：不仅为某台起重机结构提供具体的动载荷参数，而且更重要的是探 求同类结构的共同动力学特性，对整体结构的设计质量和龙门起重机的正确 运行使用提供一些有用的参考。 本文的第四个研究目的就是采用v i s u a lb a s i c 开发相应的数值运动和动 力仿真软件。使工程管理人员更加形象直观的了解龙门起重机的工作运行情 况，确保龙门起重机的安全使用。 1 2 结构数值仿真技术的发展现状和趋势m 数值模仿与仿真概念的提出与发展，是计算枫飞速发展及相应计算分析 理论成熟的必然结果，是两种分析及认识问题的过程及方法。随着人们对客 观世界认识的深入及研究手段的发展，模拟与仿真已被赋予更多的内涵。 数值模拟依赖由客观存在而简化的物理模型，物理模型进步抽象为数 学模型，此时复杂问题转化为大量重复的简单分析过程，最后借助具有快速 计算能力大容量存贮设备的计算工具求得问题的数值结果。仿真是数值模拟 进一步发展的必然结果。它是利用计算分析程序对自然现象、系统工程、运 动规律、以至人脑思维等客观世界进行逼真的模拟：它集成了现有科学技术 成果。是思维过程的再现及延伸，计算机仿真考虑更多影响结果的因素，采 用更精确的算法，根据实际结果或预期目标确定或重新组合计算分析参数( 如 武汉理工大学硕士学位论文 本构关系、单元类型选取与划分、阻尼系数的选择等) ，力求达到预期的求解 目标；仿真的计算分析结果声形图文并茂，含有更丰富的信息。数值模拟与 计算机计算分析技术，图形、图像技术，可视化技术相结合以后，计算机仿 真的应用范围更加扩大，其发展速度也更为迅速。 模拟与仿真的特征可概括为：( 1 ) 具有预期的分析求解目标；( 2 ) 计算分析 过程具有逻辑判断能力；( 3 ) 考虑多种影响结果的因素，每种因素具有简繁不 同的几种模型；f 4 1 可根据问题求解的需要判断并选择影响因素的组合：( 5 ) 具有直观形象的抽象数据表现形式；( 6 ) 具有自含的分析系统，易补充新的信 息。 自6 0 年代后期以来，电子计算机的持续高速发展，和各种数值方法特别 是有限元方法的发展，促使了科学研究方法的变革，即从理论和试验的两极转 变为理论、试验和计算三极。人们可能利用数值分析方法，根据精确试验得 出的材料本构关系和调查得到的荷载随机过程，对各种结构进行分析，并可 能结合成熟的数值图形显示技术与图像技术，进行试验过程的数值模拟与仿 真。在国际上，这方面已有良好的开端，美国三里岛核反应堆的事故分析采 用了计算机仿真技术，用数小时就重现了这个无法重复的事故，并找到了事 故的原因：此外，美国斯坦福大学的地质现象仿真和瑞士洛桑大学的“数值 混凝土”都是成功的仿真实例。仿真技术的优点在于它不受空间尺寸和时间 长短的限制，可以提供人们有关结构行为的各种数据和图形( 其中有些数据在 试验中由于量测手段等局限性无法获得) ，省去了人们大量的人力物力和时 间还甚至可代替一些无法进行的现场试验。另一方面，数值计算和仿真技 术可使结构的重分析和再设计易于实现。 人类与洪水、火灾、地震等灾害作了长期的斗争。由于灾害的原型重复 试验几乎是不可能的，因此计算机仿真在这一领域的应用就更有意义。 成功的数值模拟和仿真除了需要有效的数值计算方法和成熟的图形显示 技术外，正确的材料本构模型和高质量的试验数据是必不可少的。目前，一 般状态下金属材料的本构关系理论已发展得相当成熟，但对复合介质这方面 的研究则还远远不够。以混凝土为例：目前仍缺乏在复杂应力条件下，包括 应力与变形的完整试验数据和完善的本构关系模型和破坏准则。另一个值得 重视的问题是高质量结构试验。数值模拟与仿真一般表现为软件形式，而软 件中本构模型、计算方法及其软件编制的正确性和合理性必须通过试验工作 武汉理工大学硕士学位论文 来支持和验证，少量的模型乃至原型试验仍是十分必要的。 数值计算已经和理论、试验一样成为科学技术领域中强有力的方法。数 值计算、理论和试验之间相互促进，相互渗透并相互制约。理论对数值计算 的发展是必不可少的，精细的数值计算对理论和试验提出了愈来愈高的要求。 通过试验，又可发现新现象，促进理论的发展。理论和数值计算对试验有着重 要的指导作用。理论方法和数值方法的结合形成了一些新的结构分析方法， 如边界元法、有限元法、半解析法和群论方法，而工程界常用的半经验半理 论公式则是理论方法和试验方法结合的最生动的实例。就目前材料本构关系 研究而言，理论上微观力学、断裂力学和损伤力学等的介入使研究的广度和 深度有了很大提高，而利用计算机模拟材料的微观结构、分析微观结构的模 型和参数正在成为探索材料各种力学现象机理和本构关系的一种手段，试验 则是了解材料基本性能和确定本构关系参数的基本手段。可以预料，随着科 学技术的发展，数值计算、理论分析和试验测试将相互依靠、相互交叉、协 调发展。 综上所述，结构仿真分析须有4 个条件：( 1 ) 有关材料的本构关系或物理 模型，这可以由小尺寸试件性能试验得到；( 2 ) 有效的数值方法，如差分方法、 有限元法、直接积分法等均已相当成熟，可以采用；( 3 ) 丰富的图形显示软件 及各种视景系统；( 4 ) 开放的数据管理系统，易于补充新的算法及基础数据， 亦可根据求解目标完成算法选优功能。 1 3a n s y s 的二次开发技术 标准a n s y s 程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序。同时 它还具有良好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准a n s y s 版本上进 行功能扩充和系统集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本 的a n s y s 程序。 1 3 1a n s y s 二次开发功能的组成 其开发功能包括四个组成部分 参数化程序设计语言( a p d l ) ； 用户界面设计语言( u i d l ) ； 武汉理工大学硕士学位论文 用户程序特性( u p f s ) ； a n s y s 数据接口。 1 参数化程序设计语言( a p d l ) 参数化程序设计语言实质上由类似于f o r t r a n 7 7 的程序设计语言部分 和1 0 0 0 多条a n s y s 命令组成。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一 样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制( 循环与分支) 、重复执行命令、 缩写、宏以及用户程序等。标准的a n s y s 程序运行是由1 0 0 0 多条命令驱动 的，这些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋于确定 值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。从a n s y s 命令的功 能上讲，它们分别对应a n s y s 分析过程中的定义几何模型、划分单元网格、 材料定义、添加载荷和边界条件、控制和执行求解和后处理计算结果等指令。 用户可以利用程序设计语言将a n s y s 命令组织起来，编写出参数化的 用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的c a d 模型、参 数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、 参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。 宏是具有某种特殊功能的命令组合，实质上是参数化的用户小程序，可 以当作a n s y s 的命令处理，可以有输入参数或没有输入参数。 缩写是某条命令或宏的替代名称，它与被替代命令或宏存在一一对应的 关系，在a n s y s 中二者是完全等同的，但缩写更符合用户习惯，更易于记 忆，减少敲击键盘的次数。a n s y s 工具条就是一个很好的缩写例子。具体的 操作方法将在第2 章中详细介绍。 2 用户界面设计语言( u i d l ) 标准a n s y s 交互图形界面可以驱动a n s y s 命令，提供命令的各类输 入参数接口和控制开关，用户在图形驱动的级别上进行有限元分析，整个过 程变得直观轻松。用户图形界面设计语言( u d l ) 就是编写或改造a n s y s 图 形界面的专用设计语言，主要完成以下三种图形界面的设计： 主菜单系统及菜单项 对话框和拾取对话框 帮助系统 通过用户界面设计语言( u i d l ) ，用户可以在扩充a n s y s 功能的同时建 立起对应的图形驱动界面，如在主菜单的某位置增加菜单项，设计对应的对 武汉理工大学硕士学位论文 话框、拾取对话框，实现参数的输入和其它程序运行的控制，同时提供相应 的联机帮助，使操作者能方便地获取系统帮助。 3 用户程序特性f u p f s ) 用户程序特性f u p f s ) 向用户提供丰富的f o r t ra n 7 7 用户程序开发子程 序和函数，用户利用它们从开发程序源代码的级别上扩充a n s y s 的功能。 使用这些子程序和函数，编写用户功能的源代码程序，在与a n s y s 版本要 求匹配的f o r t r a n 或c h 编译器上重新编译和连接，生成用户版本的 a n s y s 程序。另外，还提供了外部命令功能，允许用户创建a n s y s 可以利 用的共享库。用户可以开发下列方面的功能程序：开发用户子程序实现从 a n s y s 数据库中提取数据或将数据写入a n s y s 数据库。该类子程序可以编 译连接到a n s y s 中，此时a n s y s 提供了1 0 个数据库操作命令：如果作为 外部命令处理，可以在a n s y s 的任何模块中运行； 利用a n s y s 提供的子程序定义各种类型的载荷，其中包括b f ( 定义面 载荷) 或b f e ( 定义单元体载荷) 载荷、压力载荷、对流载荷、热通量和电荷密 度等； 利用a n s y s 提供的子程序定义各种材料特性，包括塑性、蠕变、膨胀、 粘塑性、超弹、层单元失效准则等； 利用a n s y s 提供的子程序定义新单元和调整节点方向矩阵： 利用a n s y s 提供的子程序修改或控制a n s y s 单元库中的单元； 利用u e r o p 创建用户优化程序； a n s y s 程序作为子程序在用户程序中调用。 4 a n s y s 数据接口 a n s y s 程序在分析过程中存在大量的设计分析数据，一部分在运行时置 于计算机的内存之中，一部分以文件的形式存放在工作目录中。除l o g 文 件和出错文件等文本文件之外，其它文件都是二进制文件，分别以不同的格 式进行写入，如：数据库文件、结果文件、模态结果文件、单元矩阵文件、 子结构矩阵文件、对角化刚度矩阵文件、缩减位移矩阵文件、缩减频率矩阵 文件和完整的刚度一质量矩阵文件等等。 a n s y s 数据接口详细地阐述每种二进制文件的格式，然后介绍从这些数 据文件提取各种数据的予程序或函数，从而实现对二进制数据的读写和修改。 显然，它满足了用户以下三种基本需要：检查或观察过程数据和结果数据； 武汉理工大学硕士学位论文 通过修改a n s y s 的数据文件达到控制或修正计算：提取结果数据进行分析 处理。a n s y s 数据接口提供了两条模型和数据库信息的转换和传递命令，即 c d r e a d 和c d w r i t e ，前者将一个符合a n s y s 读入或写出格式的模型和 数据库文件信息读入到a n s y s 数据库中，后者的作用正好相反。同时，为 了减少转换或传递的时间，提高效率，还提供重定向自由度映射关系和其它 数据库代码化的辅助命令，如d f l a b ，n b l o c k ，e b l o c ke n 等等。该功能 大大提高了a n s y s 与其它有限元程序之间的模型数据的传递和转换，也实 现了a n s y s 自身数据库文件代码化后便于存储或机器之间的传递。 a n s y s 数据接口还阐述了图形文件的格式，帮助用户将a n s y s 图形文 件转换成其它格式，如a i 等。 a p d l 所能实现的功能通俗的说来应该是次于u p f s 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 u 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开发处理，通常情况下他融合在分析的角角落落中。 u p f s 是三者之间的最强者，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 p f s 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 s 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。 1 3 2 采用a n s y s 软件进行二次开发的工程实例 目前国内运用a n s y s 二次开发工具在各个领域都做出了比较好的成绩。 如浙江大学的张旭充分运用u i d l 用户界面设计语言成功开发了对叉车龙门 起重机结构系统进行有限元分析和优化的专用菜单和参数化输人对话框，还 开发出以工具条按钮来实现这一分析过程，又运用a p d l 参数化设计语言， 结合u d l 语言使a n s y s 系统具有针对叉车龙门起重机结构系统进行有限 元分析和优化的专用模块。整个操作过程简便灵活，适合于对a n s y s 系统 并不太熟悉的用户使用 4 】。武汉理工大学的吴卫国尝试运用v c h l 6 o 的图形 用户界面生成a p d l 的代码文本，成功的解决了当参数化的有限元模型复杂 并且单靠a p d l 语言建模工作量大的问题，为基于a n s y s 的二次开发提供 武汉理工大学硕士学位论文 了一种新的思路【5 】。西南石油学院的艾志久教授等用v i s u a lc + + 编写了针对 石油钻井结构分析的封装程序，实现了对a n s y s 的封装，该程序在石油钻 井井下工具结构分析中取得了很好的应用【6 】。清华大学的程进博士等针对桥 梁分析程序开发过程中出现的问题( 如何使人们从繁琐、单调的常规有限元 编程中解脱出来，如何缩短桥梁分析程序的开发周期) ，以a n s y s 软件为 平台，运用其二次开发工具a p d l 、u p f s ，进行桥梁问题求解，并将其成功 地应用到确定斜拉桥成桥恒载索力中，为今后a n s y s 在桥梁工程中的广泛 应用奠定了良好的基础，同时也为今后研制和开发大型桥梁分析软件提供了 一条新的途径】。全国压力容器标准化技术委员会运用a n s y s 的a p d l 语 言开发的压力容器自动化分析软件c p v a n s y s 在国内压力容器的设计计 算得到了广泛的应用。在该软件中，包含了4 0 多类压力容器结构。其中有典 型的压力容器结构，也有特殊的压力容器结构【8 。 通过借鉴以上众多a n s y s 二次开发工程实例的经验，本文采用a n s y s 的a p d l 语言建立了轨道集装箱龙门起重机的有限元参数化模型，参数包括 表述结构几何特征的主要参数、材料与物理特性、边界条件、载荷工况等， 设定的参数可通过s u a lb a s i c 编制的w i n d o w s 界面输入，极大地简化和方 便了熬个龙门起重机结构的仿真分析过程。并且可以对同一结构形式的产品 进行方案的比较和参数优化，使系列化设计成为可能。 1 4 本文所作的主要研究工作 综上所述，本论文以轨道集装箱龙门起重机结构为研究对象，以有限元 法、机械振动动力学和现代接触理论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 对龙门起重卡几【1 】结构在小车吊载运行的整个过 程中进行运动数值仿真、研究龙门起重机结构的动态特性和龙门起重机结构 在起吊时的动力学响应，并采用面向对象的程序设计软件v i s u a lb a s i c 开发 相应的数值运动和动力仿真软件。具体工作如下： 1 用a n s y s 的内部命令和a p d l 语言以及参数化技术建立龙门起重机 结构的有限元参数化模型。所谓有限元参数化模型是指：通过a n s y s 建立 的起重机结构的有限元模型的材料特性、单元类型及实常数、边界条件及载 本文后面提到的龙门超重机均为轨道集装箱龙门起重机 - 9 一 武汉理工大学硕士学位论文 荷等实现了参数化。这是进行数值仿真最为基础也是最为关键的一个环节。 2 用建立好的有限元参数化模型和a n s y s 的a p d l 语言编写龙门起重 机结构在小车吊载运行整个过程的a p d l 命令流文件，具体实现仿真，获得 仿真动画和仿真数据曲线，使人一目了然。 3 研究龙门起重机结构的动态特性。结合有限元参数化模型编写模态分 析的命令流文件。提取前几阶固有频率、主振型及其振型图，并对结果进行 分析。 4 对龙门起重机结构在小车位于跨中突然起吊受到动载荷冲击的瞬间 进行瞬态分析。结合有限元参数化模型编写瞬态分析的命令流文件。获得龙 门起重机结构在突然起吊的瞬态动力响应，包括主梁垂直方向的位移、速度、 加速度对时间的响应曲线，并对结果进行分析。 5 有效地运用v i s u a lb 船i c 软件对龙门起重机结构的运动数值仿真和动 力学分析进行封装。开发龙门起重机结构运动和动力数值仿真软件，该软件 界面友好，操作简便、实用。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a n s y s 的二次开发 2 1 有限元法简介 2 1 1 有限元法的形成与发展 在寻找连续系统求解方法的过程中，工程师和数学家从两种不同的路线 得到了相同的结果，即有限元法。有限元法的形成可以回顾到二十世纪5 0 年代，来源于固体力学中矩阵结构法的发展和工程师对结构相似性的直觉判 断。从固体力学的角度来看，桁架结构等标准离散系统与人为分割成有限个 分区后的连续系统在结构上存在相似性【4 2 。 1 9 5 6 年m j t l 皿e r ，r w c l o u 曲，h c m a r t i l l ，l j t o p p 在纽约举行的航空 学会年会上介绍了一种新的计算方法，将矩阵位移法推广到求解平面应力问 题。他们把结构划分成一个个三角形和矩形的“单元”，利用单元中近似位移 函数，求得单元节点力与节点位移关系的单元刚度矩阵。 1 9 5 4 - 1 9 5 5 年，j h a 坞y r i s 在航空工程杂志上发表了组能量原理和结构 分析论文。 1 9 6 0 年，c l o u 曲在他的名为“1 1 l e 觚t ce l e i n e n t m p l a n es 仃e s s 锄a l y s i s 的 论文中首次提出了有限元( f i l l i t ee l e m e n t ) 这一术语。 从此后，有限元法在工程界获得了广泛应用，到2 0 世纪7 0 年代后，随 着计算机和软件技术的发展，有限元法也随之迅速的发展起来，成为求解各 领域的数理方程的一种通用的近似计算方法。到目前为止，有限元法已被应 用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域， 能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性( 线性和非线性) 、 弹塑性或塑性问题( 包括静力和动力问题) ；能求解各类场分布问题( 流体 场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题) ；还能求解水流管路、电路、润 滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。其强大功能使其在工科院 校和工业界受到普遍重视。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 有限元法的基本思想 工程和机械结构的力学分析方法可分为解析法和数值法两类【9 【38 。象材 料力学与弹性力学这些经典力学的求解方法就属于解析法，它的基本方法是 从静力、几何、物理三个方面综合考虑微分方程的解析解。这种方法在理论 上是严密精确的。但是只限于求解一些简单的问题，对于复杂的结构是无能 为力的。 数值法是一种近似计算方法，“有限差分法”与“有限元法”都属于数 值法。有限差分法是在解析法的基础上进行近似数值计算，即把连续体力学 导出的微分方程离散成近似的差分方程。但是，对于几何形状不规则的，边 界条件复杂的结构，难于建立表征整个结构力学特性的微分方程的情况下， 就无法应用有限差分法了。 有限元法是在力学模型上近似的数值方法，它的基本思想可概括为一句 话：“先分后合”或“化整为零又积零为整”。具体的说，就是将连续体或 结构划分许多单元，通过一些节点把有限个单元连成集合体代替原来的连续 体或者结构，即把连续体转化为离散的模型来进行力学分析。根据分块近似 的思想，选择简单的函数近似地表示单元内位移变化规律，利用力学推导建 立单元的平衡方程组，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特 征的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组获得数值解。由此可知， 有限元法同解析法、有限差分法不同之点在于，它是从力学模型上采用近似 分块，避免了求微分方程这一复杂的环节。有限元法在理论推导中采用了矩 阵方法，在实际计算中采用了电子计算机，因此它具有下列一些优点： 物理概念清晰，容易理解掌握； 适用性强，应用范围广泛，许多复杂的工况和边界条件都可以灵活的加 以考虑； 由于采用矩阵表达和运算，便于编制计算机程序。 2 1 3 有限元法分析的过程 用有限元法进行结构分析的过程可分为以下三大步骤9 】： 1 结构离散化 结构离散化是把实际结构划分为若干单元，使力学模型变成离散模型。 这是有限元法分析的第一步，也是很重要的一步，因为它关系到计算精度和 武汉理工大学硕士学位论文 计算效率。 2 单元分析 结构离散化之后，进行单元的力学分析，以导出“单元刚度矩阵”。有 限元法的推导方法有三种：直接法、变分法、加权余数法。 3 。整体分析 整体分析是将结构作为若干单元组成的离散结构来分析。具体内容包括： 由各单元刚度矩阵集成整个结构的总刚度矩阵；把各单元的节点载荷组集成 总节点载荷向量；根据边界条件，修改总刚度方程，求解这个线性方程组， 得到各个节点的位移，进而再求各个单元内的应力。 2 2 参数化技术 参数化设计( p 棚e t r i c d e s i 弘) 是c a d 技术在实际设计应用中被提出来、 并得到发展的、有着强大使用价值的技术【l 。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 比较简单，参数基于面向对象技术的起重机参数化设计系统研究与设计对象 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 妇e n s i o n d 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。参数设计系统的原理如图2 1 所示。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。 定义几何尺寸参量 + 确定几何约束关系 + 表示几何约束关系 修改尺寸或输入尺寸 + 几何约束尺寸驱动 图2 1 参数化设计的结构框图 武汉理工大学硕士学位论文 参数化设计技术( p a r 锄e t r i ct c c h n 0 1 0 9 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。 参数化设计方法是存储设计的整个过程，一次能设计一组( 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画出 零件草图，经过对草图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，这种设计技术己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。现在新推出的造型系统都具有一定的参数化设计 功能。己有的c a d 系统也都用参数化技术进行改造。 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。同时，起重机的设 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 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不再适应目前工程机械发展的需要， 利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，研制与开发新的设计计算系统来优化设计 出安全、经济、合理、美观的起重机的要求已迫在眉睫。 参数化设计的基本思想是针对实际的生产设计中，对于同一类型但不同 规格的产品。他们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。 参数化的优点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