（机械设计及理论专业论文）大型港机结构cadcae一体化中的有限元分析.pdf

上海海事人学硕t 学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的囱限儿分析 摘要 岸边集装箱起重机是集装箱码头的主力装卸设备和标志性建筑，其在我国各大 港口中的地位和作用，历来为人们所重视和关注。岸边集装箱起重机作为港口码头 重要的技术物质基础，它体现了港口的生产力水平。在岸边集装箱起重机中，结构 件的费用要占整机的很大部分。随着集装箱运输业的不断发展，对集装箱起重机的 设计、制造提出了更高的要求。 本文主要针对这一现状完成了两方面的研究：一是为了提高设计的质量和效 率，将c a d c a e 一体化应用于大型港机结构的设计中。限于论文的篇幅与时白j ，整 个系统中的c a d 零部件数据中心部分由其他同学完成，这里主要讲了一些存在于一 体化进程中的有限元分析若干关键问题以及难点的实现，为今后港口机械的设计以 及c a d c a e 一体化的发展做了开创性和探索性的工作。二是讨论了设计过程中影响 起重机金属结构的因素，并提出相应的改进措施。 针对第一个问题，目前港机三维设计的过程中，还未能很好地实现c a d 与c a e 之间的集成。在集成的过程中，仍存在着两种软件之间的数据通信问题，模型信息 的完全传递等问题需要解决。本文通过s q l 数据库将c a d 与c a e 相关联，完成数据 由c a d 模型向c a e 模型的传递。同时淘汰了目前不少设计部门采用手工软件对 话方式进行有限元分析，通过v b 程序对由c a d 设计人员建立的数据库进行查询，运 用大型通用有限元软件a n s y s 中的a p d l 语言编程建立目动生成岸边集装箱起重机模 型的参数化程序宏文件，并实现后处理的自动分析等功能，之后将分析的结果与模 型中存在的问题反馈给c a d 设计人员，待设计人员对三维模型进行修改之后，设计 人员会同步更新s q ls e r v e r 数据库，然后再次运行a n s y s 的a p d l 程序宏文件进入 c a e 分析过程。如此反复，最终得到修改完成的模型。为c a d c a e 一体化设计提供 一条道路，同时也通过修改数据库中的数据实现c a d 中的实体模型与c a e 中的有限 元模型的同步更新。 针对第二个问题，岸边集装箱起重机金属结构的影响因素很多，有强度方面的 上海海事大学顾 学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限无分析 静强度和疲劳强度；冈度方面的静雕度和动刚度；稳定性方面的整体稳定性和局部 稳定性。本文分别从这几个角度进行分析，绘出设计中改进的方案，使得设计更加 安全合理。 姜键词：集奘箱走己雷棚、有限元、数椐库、c a d c a e 、一体化、设计改进 2 上海海事大学硕上学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限几分析 a b s t r a c t c o n t a i n e rc r a n e sa r em a i ne q u i p m e n ta n ds y m b o lo fc o n t a i n e ri n t e r n a l s ， n o w a d a y sc o n t a i n e rc r a n e ss t a t u sa n df u n c t i o na r ep a i dm u c hm o r ea t t e n t i o n a s i m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o no fp o r t ，c o n t a i n e rc r a n ei sa b l et os h o w s e a p o r t sp r o d u c t i v i t yl e v e l f o rb r i d g ec o n t a i n e rc r a n et h ec o s to fs t e e ls t r u c t u r e o c c u p yam a j o r i t yo ft o t a lc o s t s ，a n ds e r v i c el i f eo fb r i d g ec o n t a i n e rc r a n el i eo n t h a to fs t e e ls t r u c t u r e f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to fc o n t a i n e rc a r r y i n gt r a d e c o n s t a n t l y , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fc o n t a i n e rc r a n ea r ee x p e c t e dt ob ea h i g h e rl e v e l a i ma tt h i sa c t u a l i t y , lh a v ef i n i s h e dt w oa s p e c t ss t u d yi nt h i sp a p e r ：o n ei s a p p l y i n gc a d c a ei n t e g r a t e dt e c h n o l o g yt od e s i g no fl a r g es c a l ep e r tm a c h i n e r y i no r d e rt oa d v a n c i n gt h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fd e s i g n b el i m i t e db yt h el e n g t h a n dt i m e 。c a dp a r t s d a t ac e n t e rp a r ti nt h ee n t i r es y s t e mh a v eb e e nf i n i s h e db y o t h e rs t u d e n t s t h em a j o rc o n t e n ti nt h i sp a p e ri sh o wt oa c h i e v es o m ek e y p r o b l e ma n dd i f f i c u l tp e i n t si nt h ea n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n to fc a d c a e i n t e g r a t e dt e c h n o l o g y a l lt h e s eh a si n a u g u r a t e dt h ed e v e l o p m e n to fc a d c a e i n t e g r a t e dt e c h n o l o g yi nt h ed e s i g no fp e r tm a c h i n e r y t h eo t h e ri sd i s c u s s i n gt h e f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h em e t a ls t r u c t u r eo fc r a n ei nt h ec o u r s eo fd e s i g n ，a n d b r i n g i n gu pi m p r o v e dm e a s u r e s a st ot h ef i r s tq u e s t i o n ，c a d c a ei n t e g r a t e dt e c h n o l o g yh a s n tb e e n a c h i e v e dp e r f e c t l yi nt h ec o u r s eo fp o r tm a c h i n e r y s3 d d e s i g na tp r e s e n t i nt h e c o m p o s i t i v ec o u r s e t h e r ea r es t i l is o m ep r o b l e m si nt h ed a t at r a f f i cb e t w e e nt w o s o f t w a r e s ，a n dt h ec o m p l e t et r a n s f e ro fm o d e ii n f o r m a t i o nn e e dt ob es o l v e d c a d a n dc a eh a v eb e e nc o r r e l a t e db ys q ls e r v ei nt h i sp a p e r , a n dt h i sw i l lf i n i s ht h e d a t at r a f f i cf r o mc a dm o d e it ot h ec a em o d e l t h em a n u a i s o f t w a 怕d i a l o g m o d ew h i c hi sa d o p t e db ym a n yd e s i g nb r a n c hi nt h ea n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n t h a sb e e nw a s ho u t ，b yi n q u i r i n ga b o u tt h ed a t a b a s es e tu pb yc a dd e s i g n p e r s o n n e lw i t hv bf o r m a l i t y , t h ep a r a m e t e r i z e df o r m a l i t ym a c r of i l e sw h i c hw i l l a u t o m a t i c a l l ys e tu dt h em o d e io fc o n t a i n e rc r a n ea n da n a l y s i sc a nb e p r o g r a m m e dw i t ha p d ll a n g u a g ei nt h ea n s y s t h er e s u l t so fa n a l y s i sa n dt h e p r o b l e mo ft h em o d e lw i l lb ef e db a c kt od e s i g np e r s o n n e l t h e nd e s i g np e r s o n n e l 3 上海海事大学硕上学位论文大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限，c 分析 a m e n dt h e3 dm o d e la n dr e n o v a t et h es q ls e w e rs y n c h r o n i z a t i o n a n dw ew i l i b eb a c kt ot h ec a ea n a l y t i cc o u r s eb yc i m u l a t i n gt h em i c r of i l ei nt h ea n s y s r e p e a tt h es t e p sa b o v eu n t i lp e r f e c tm o d e li sg a i n e d t h i sm e t h o do f f e ran e w w a ya b o u tc a d c a ei n t e g r a t e dd e s i g n ，a n da c h i e v es y n c h r o n o u s r e n o v a t i o n b e t w e e ne n t i t ym o d e li nc a da n df i n i t ee l e m e n tm o d e li nc a eb ya m e n d i n gd a t a i nt h ed a t a b a s e l i na n a l y s i s f i n i 话- e t e r n - e n t - m o d e | i nc a e a st ot h es e c o n dq u e s t i o n 。m a n yf a c t o r sa r er e p r e s e n t e di nt h i sp a p e ra b o u t t h ee v a l u a t i d no fr e l i a b i l i t yo fc o n t a i n e rc r a n e ，s u c ha ss t a t i ci n t e n s i t y , ，f a t i g u e i n t e n s i t y , s t a t i cr i g i d i t y , d y n a m i cr i g i d i t y , b u c k i n ga n ds t a b i l i t y t h i sp a p e ra n a l y z e s i nt h e s ep o i n to fv i e w s ，a n dg i v e sa m e l i o r a t i o ni n s t a n c ei np r o c e s so fd e s i g n ，s o t h ed e s i g no fc r a n ew i l lb em o r es a f ea n dr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：c o n t a i n e rc r a n e ，f e m ，s q ls e r v e r , c a d c a e ，i n t e g r a t i o n r e l i a b i l i t yd e s i g na m e l i o r a t i o n h ex i a o h u i ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gc h o n g h u a 4 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：缒日期：旦坳 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：堑互篮孥师签名：弹期：卫l 经 上海海事大学硕上学位论文 大型港机刍! i 构c a d c a e 一体化中的有限厄分析 第一章引言 1 1 论文选题背景及出发点 随着经济全球化的不断深入，国际货物交易量持续上升，对已经几近饱和的全 球航运运力提出了新的要求，世冥许多国家和地区都加快了现代化的集装箱港口建 设的步伐，大型集装箱起重机作为集装箱船与码头之间的主要装卸设备得到了迅猛 发展。 集装箱运输船舶的大型化、特别是超巴拿马船型的发展，对岸边集装箱起重机 提出了更新更高的要求：一是提高起重机的技术参数，起重机速度参数高速化，外 伸距、起升高度增大；吊具下额定起重量提高；二是开发设计高效率的岸边集装箱 装卸系统，以满足船舶大型化对起重机生产率的要求。 岸边集装箱起重机伴随着集装箱运输船舶大型化的蓬勃发展和技术进步而在不 断更新换代，技术含量越来越高，正朝着大型化、高速化、自动化和智能化，以及 高可靠性、长寿命、低能耗、环保型方向发展。 ( 1 ) 高参数和大型化 额定起重量成倍增长 吊具下的额定起重量逐步从3 0 5 t 增大至l j 6 1 t ，最大已达6 5 t 。 外伸跑越来越大 随着集装箱船的不断大型化，船宽已从第3 代巴拿马集装箱船的1 3 排增大到现 在超巴拿马船的1 4 - 1 7 排箱，而设计中的2 4 排马六甲型集装箱船会在下世纪初叶出 现。集装箱船舶的大型化，其宽度由载箱量6 0 0 1 0 0 0 箱时的2 6 2 8 m ，增大到现在载 货6 0 0 0 - 8 0 0 0 箱的4 5 m ，几乎增大一倍。集装箱起重机的外伸距也由3 2 m 逐渐增大 到了现在的6 5 m ，将来会增加到7 0 m 。以适应2 4 排马六甲型集装箱船的需要。 轨上的起升高度大幅增加 巴拿马型船集装箱起重机的轨上起升高度通常为2 7 m 以下，超巴拿马集装箱起 重机在2 7 m 3 6 m 之间，而现在则要求达到4 0 m 。上海振华港机公司( z p m c ) 为阿 曼s a l a i a 港提供了5 台集装箱起重机轨上起升高度就达到了4 0 m 。而今年马士基为 埃及码头和美国长滩、塔科玛、纽约招标的集装箱起重机起升高度虽为4 0 m ，但要 考虑有加大到4 7 5 m 的可能。起升高度的大幅增大，将导致集装箱起重机金属结构 强度、刚度、疲劳等方面出现的一系列新问题，尤其是司机视线的恶化和自重的加 上海海事大学硕士学位论文人型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 大，要求码头承载能力的大幅提高。因此，起升高度在达到4 7 5 后，集装箱起重 机要对抗风载等有特殊考虑。 自重越来越大 集装箱起重机的自重，已从常规巴拿马型的6 0 0 8 0 0 t ，增大到现在超巴拿马 型的1 2 0 0 2 0 0 0 t 。 ( 2 ) 高速化 集装箱起重机的起升速度已经从巴拿马型岸桥的5 0 1 2 0 m m i n ，增加到现在的 9 0 2 0 0 m m i n ，起重机的电动机功率已经达$ j j 6 9 0 k w 2 ，若选为交流电机，则是目 前起重用变频电动机的最大规格了。小车速度已从常规巴拿马型的1 2 0 m m i n 增加到 现在的2 4 0 m m i n ，并正在向3 0 0 3 5 0 m m i n 的速度发展。 采用双箱吊具作业。据统计，一船集装箱中约6 0 以上是2 0 箱。双箱作业新 型吊具的应用，使每次能同时装卸2 个2 0 的集装箱，效率平均提高2 5 以上。在 一台集装箱起重机上除了使用双箱吊具外，沉默近十年的双小车系统也已在德国汉 堡港重新出现。它是在现代高技术基础上的双小车系统。该系统采用前后两个小 车。前一个小车有司机操作，承担船与转接平台之间的集装箱搬运；后小车无司 机，完全自动地实现集装箱在转接平台与a g v 系统( 自动拖运架) 之间的搬运，转 接平台设在集装箱起重机距船最近的海侧下横梁上。因此，效率大为提高，理论上 可达5 5 至6 0 个循环，折合8 0 1 0 0 t e u h 。 表卜1 国内外较有影响的几家公司的岸边集装箱起重机的性能参数 l g a l m as t sn o e l l x 0 瓶i h i 王海港百r 舜鞠阿 一吊具下额定起重重t 6 5 6 56 56 56 56 5 新伸距l i t 5 f i4 86 16 36 57 0 5 晡伸距l i t 2 52 51 61 82 3 s “距m 3 02 23 03 53 0 哇8 鼽上起升鬲厦m 3 8 3 4 4 0 3 84 0 孰下起升鬲展m 2 2 1 9 1 6 22 01 8 3 g 芒吊具起升递腰 1 8 01 8 01 5 01 8 01 5 01 8 0 满载起升速展m l i n 9 06 07 59 06 09 0 小车运仃堤j 夏m m i n 2 4 01 9 01 8 02 4 02 4 02 4 0 i大车运行速腰i m i n 4 54 54 54 54 5 * i h i 为日本石川岛磨重工业株式会社 1 2 课题简介 1 2 1 问题的提出 由于岸边集装箱起重机正趋于大型化、高速化、重载化，满足超巴拿马型集装 2 上海海事人学硕十学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 箱船作业要求的大型岸边集装箱起重机已成为当前集装箱专用码头配备的集装箱装 卸机械的主力机型，设计过程中进行有限元分析就成了必需的步骤，因此运用c a e 来主导t a d ，这不仅可以保证起重机的安全性，还可以在一定程度上减轻自重，达 到经济的目的。这就是本文c a d c a e 一体化的意义所在。 对于起重机这种大型港机的结构件可以使用p r o e n g i n e e r 来进行实体建模( 如 图卜1 ) ，以用于模型的显示、生成工程图纸等，但直接导入a n s y s 中进行有限元 分析，则比较困难，主要是目前微型计算机的性能还不能满足大型实体模型的有限 元分析，一个复杂零件的分析就会耗费很多计算时间，更不要说集装箱起重机的整 体结构了。这种长时间的消耗对于方案设计阶段设计人员快速多变的设计思想的直 观体现是不利的。目前的解决方法主要是分别处理，即除了几何实体造型外，在进 行有限元分析时，进行二次建模，使用线框建模( 如图卜z ) 来减少工作量。本 文正是要寻求一种能够通过p r o e n g i n e e r 实体模型方便快捷建立a n s y s 参数化线框 模型韵方法，并且该线框模型当起重机实体模型中的某块板件的形状( 如长度、厚 度等) 发生改变时，不必将模型全部重建，而只需同步改动相关参数即可。即实现 c a d c a e 数据的交换和共享。 图卜1 集装箱起重机几何实体模型 3 上海海事大学硕上学位论文大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 图1 - 2 集装箱起重机有限元线框模型 c a d c a e c a p p c a m 集成的关键是c a d 、c a e 、c a p p 和c a m 之间的数据交换与共 享。c a e c a p p c a m 系统是制造业信息化的核心技术，主要支持和实现产品设计、分 析、工艺规划、数控加工及质量检验等工程活动的自动化处理。c a d c a e c a p p c a m 的集成，要求产品设计与制造紧密结合，其目的是保证产品设计、工艺分析、加工 模拟，直至产品制造过程中的数据具有一致性，能够直接在计算机问传递，从而克 服由图纸、语言、编码造成的信息传递的局限性，减少信息传递误差和编辑出错的 可能性。 本文正是通过数据库来实现c a d c a e 之间数据的交换与共享的。由于时间和论 文篇幅的原因，c a d 实体模型及s o ls e r v e r 数据库的建立由其他人员来做，这里主 要介绍通过数据库进行c a d c a e 一体化中的有限元分析的方法。 1 3 本文所进行的工作及研究 综合以上分析，本文正是寻找一条新途径，使得c a d c a e 一体化过程中分析人 员不必重复建模，减轻“体力式”的脑力劳动。通过数据的共享自动循环建模计 算，实现起重机的优化设计。 4 上海海事大学硕七学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的自i 限元分析 1 论文深入研究了桥式起重机的金属结构系统，主要以集装箱起重机的前大梁 为例，说明了在建立c a d c a e 一体化中有限元分析模型的过程中遇到的主要问题并 提出相应解决方案，以此作为参数化模型的基础。 2 开发了v i s u a lb a s i c 语言与a n s y s 有限元软件的调用接口。 3 实现了由p r o e n g i n e e r 中实体模型产生的数据库中调用数据自动建立与实体 模型相对应的有限元模型。 4 实现了有限元模型和实体模型的同步更新。 5 介绍影响起重机内部应力的因素，从提高强度、刚度和稳定性等方面进行分 析，提出了对金属结构设计改进的一些措施。 该c a d c a e 一体化的最大好处在于，当经a n s y s 分析后的结果不满足设计要求 时，可以通过改变搭建p r o e n g i n e e r 模型中的板厚等进行改进，同步更新数据库中 的该部件库中的对应零件的数据，再重新读入该选择的零件的参数进行更新a n s y s 中的有限元模型，从而进行新一轮的设计分析工作。 1 4 本文的创新点 在大型港机结构的设计方法方面，本文进行了一些探索、创新工作。针对港机 结构设计的c a d c a e c a p p c 删一体化的应用，本文提出了一种新颖独特且切实可行 的港机结构设计思想，并且从技术上实现了这种新的设计思想。 1 通过对s q ls e r v e r 数据库的查询成功实现将某种特定型式的港口起重机几何 实体模型转化为线框有限元模型。查询相关数据建立文本文件，使a n s y s 运行该文 本文件自动生成有限元模型并进行相关受力分析。 2 通过s o ls e r v e r 数据库实现了c a d c a e 一体化中数据的共享与交换，从而实 现了p r 0 e n g i n e e r 中的实体模型和a n s y s 中的有限元模型这两个模型的同步更新。 3 根据起重机强度、刚度、稳定性的设计准则，提出在设计过程中加强其安全 性的一些建议。 5 j ：海海事人学硕f 学位论文人型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 第二章研究方法及关键技术讨论 本章将讨论作者针对本课题的研究思路、研究方法以及实现课题目标过程中所 需解决的一些主要技术问题。 2 1 c a d c a e 一体化的方法选择 目前，c a d 、c a e 的应用已十分普遍，但作为更进一步发挥其强大功能的体 化技术还十分少见，仅限于将c a d 几何实体模型传输到有关c a e 软件中进行分析工 作，主要是利用c a d 软件的强大建模功能，来避免c a e 软件中建模的不方便。本文 将使用一些技术，使得在针对大型港机结构的c a d c a e 。体化的实现方面有显著的 提高。 2 1 1 产品数据交换技术 要实现c a d c a e 的一体化，就会涉及到数据的交换。产品数据交换技术有着许 多已存在的标准，能否使用这些数据交换标准来进行本课题的研究工作昵? 我们先 来了解一下这些产品数据标准的情况。 不同计算机系统问的数据交换，只能通过开发的系统和合适的接口来解决，合 适的接口为不同系统问的数据交换提供有效的技术支持。“接口”通常是指在两个 系统或系统模块之间，在相互通信过程中进行信息交换的一系列条件、规则和协 议。 不同系统间实现数据交换的接口方式有两种。一种是专用接口，其特点是原理 简单，接口处理器易于实现，由此开发的转换效率高。另一种方式是通过标准接口 实现数据交换，其开放性更好。接口定义的标准化，能实现不同c a d 系统、c a e 系 统间的连接，使得数据转换跨越了企业界限。 随着c a d 、c a e 系统应用领域的扩大，系统数据直接通过计算机进行交换已经 在所难免，从7 0 年代起，些公司、标准化组织已经认识到这个问题并组织接口与 标准的研究与开发工作。目前主要有i g e s 、s e t 、v d a d i n 、s t e p 等标准。 以上各数据交换标准，在实际生产中得到了不同程度的应用，但对于本课题却 不是最好的选择，原因如下： 6 上海海事人学顾七学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 1 直接使用以上各种标准接口进行数据交换时，无法实现本课题的要求。在大 型港机结构的有限元分析中，使用实体模型进行分析是非常困难的，而且也是完全 不必要的。所以，在实际应用中进行有限元分析时主要是建立港机结构的线框模 型，使用b e a m 、l i n k 等单元。如果直接使用i g e s 等标准交换格式，则无法实现将 c a d 中的几何实体模型转换成有限元分析中所需要的线框模型。 2 若实用程序来操作以上各种数据交换格式的文件，并不是好的选择。原因是 标准接口文件数据量巨大，含有大量的各种信息，其中只有少量的数据是我们需要 的，对文件进行操作、查找、修改数据十分不便，其内容不易读，难以将文件中的 数据与几何模型中的数据对应起来，也难以使用程序来定位、查找、提取需要的数 据，即使实现了对文件的各种操作也将是十分复杂且难以理解的。 为此，本文将开发专用接口，来实现c a d c a e 的一体化。其特点是原理简单、 易于实现、转换效率商。 2 1 2 本文实现o a d c a e 一体化的方法 为了实现c a d c a e 的一体化就要将这两部分工作联系起来，c a d 和c a e 两个模 型尺寸完全是通过数据库中的数据联系起来的，该数据库由c a d 实体模型建立起来 的，有了这个数据库就使得数据的传输变得容易，要实现c a d c a e 的一体化就要在 数据库的基础上建立c a e 模型，从而实现二者的统一。因此如何调用数据库成为一 体化中的重点和难点。本文选用v b 编程软件完成对数据库的调用和查询，仅需对有 关的结构尺寸数据进行操作，其效率高，易于实现。另外本文开发了v i s u a lb a s i c 语言与a n s y s 有限元软件的调用接口，实现a n s y s 对宏文件的运行，自动建立有限 元模型并进行相应分析。 同使用数据交换文件标准i g e s 等进行数据传输、操作比较，本文所使用的方法 原理简单，易于实现，转换效率高，是一种切实可行的c a d c a e 集成方式。 2 2 关键技术讨论 为实现上述的c a d c a e 一体化，需解决以下几个关键的技术问题：几何实体模 型的参数化设计、有限元模型的参数化设计以及数据的传输问题。其中几何实体模 型的参数化设计由其他同学完成，这里主要讨论的是有限元模型的参数化设计和数 据的传输问题。， 7 上海海事大学硕上学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 2 2 - 1 有限元模型的参数化 要实现有限元模型的参数化，可以使用a n s y s 软件的a p d l 参数化设计语言与 a n s y s 操作命令相结合的方式生成宏文件，从而实现人机交互输入建立有限元模型 所需的有关参数。在a n s y s 中运行此宏文件，则可以生成相应的有限元模型。同 时，使用a p d l 参数化设计语言还可以编写各种用于后续有限元分析结果处理的宏文 件。 2 2 2 参数在模型间的传递 由于创建了数据库，使得数据的交换与共享变得容易，使建立有限元模型的宏 文件能够方便地调用几何实体模型中的数据，实现两个模型尺寸上的一致。 v b 通过对数据库的查询得到几何实体模型的有关数据后，通过对宏文件的操 作，可以将数据写入到文件中的相应位置，使预先定义的参数符号得到具体的数 值，运行后生成新的有限元模型，从而实现数据在模型间的传递、模型的同步更 新。 8 上海海事人学硕上学位论文大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 第三章相关技术原理 3 1 有限元法相关知识 3 1 1 有限元法简介 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f 跏) ，也成为有限元法或有限元素法， 基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的 组合体。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。h ”。 计算机的发展和广泛应用改变了传统的产品生产过程，大大提高了产品开发、 设计：分析和制造的效率和产品性能。用计算机软件直接绘制产品结构，称为计算 机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，c a d ) ：用计算机来对设计产品实时或者进 行随后的分析称为计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) ；用计算 机来操纵各种精密机器以生产产品称为计算机辅助制造( c o m p u t e r - a i d e d m a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 。 有限元法是计算机辅助工程c a e 中的种。也可以从直观的意义上理解有限 元：把连续体划分为足够小的单元，这些单元通过节点和边连接起来，通过选择简 单函数( 比如线性函数) 来近似表达位移或应力的分布或变化，从而得到整个连续 体物理量的分布和变化。 3 1 2 有限元方法介绍 把物理结构分割成不同大小、不同类型的区域，这些区域就称为单元。根据不 同分析学科，推导出每一个单元的作用力方程，组集成整个结构的系统方程，最后 求解该系统方程，就是有限元法。 简单地说，有限元法是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元闻只通过 节点相联系，所有力和位移都通过节点进行计算。对每个单元，选取适当的插值函 数，使德该函数在子域内部、子域分界面上( 内部边界) 以及子域与外界分界面 ( 外部边界) 上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来，就得到了整 个结构的方程。求解该方程，就可以得到结构的近似解。 在广义上，有限元的未知量称为场变量，比如结构分析中的位移，热分析中的 9 上海海事大学硕士学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 温度等。场变量模型或模式，是一个假设函数，用它来近似表示有限单元上场变量 的分布或变化。对于分析载荷矢量，在广义上，用节点作用量或节点力参数量来代 替，比如施加的温度，流体力学中的流量等。 3 2a n s y s 的相关知识、技术原理 3 2 1a n s y s 软件介绍 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析( f e a ) 软件，能够 进行包括结构，热、声、流体、电磁场等学科的研究。在核工业、铁道、石油化 工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、 生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。 a n s y s 不断汲取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图 形学和优化技术相结合，已经成为解决现代工程闯题的有力工具。 a n s y s 软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线 性动态分析。一个典型的a n s y s 分析过程可分为以下三个步骤： 1 创建有限元模型 2 。施加在和进行求解 3 查看分析结果 3 2 2a n s y s 的模块化结构 a n s y s 软件功能的强大与其有着很多模块应用是分不开的，a n s y s 的模块化结 构如图3 1 所示。 在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块 ( p r e p 7 ) ，分析计算模块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 。前处 理模块为一个强大的实体建模和网格划分的工具，通过这个模块用户可以建立自己 想要的工程有限元模型。分析计算模块即是对已建立好的模型在一定的载荷和边界 条件下进行有限元计算，求解平衡微分方程。包括结构分析( 可进行线性分析、非 线性分析和高度非线性分析) 、流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析 和多物理场的耦合分析( 热一应力耦合、流一固耦合以及电一磁一热一应力耦合) 等，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模 型是对计算结果进行处理，可将结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒 子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看见结构内部) 等图形方式显 上海海事大学硕十学位论文 大型港帆结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 示出来，也可以将计算结果用图表、曲线的方式显示或输出“h “。 霹 p r e p ? 前处理器 s o l u t l o m 求解器 p o s t l 通用后处理器 结构p 0 s t 2 6 时间历程后处理磐 1 帝磁瓦秀爵锤目一 r u n s t a l 估计分析模捌 o t h e r 其他功能 3 2 3a p d l 参数化设计语言 图3 1a n s y s 模块化结构 a p d l 是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 的缩写，即a n s y s 参数化设计语 言，它是一种类似f o r t r a n 的解释性语言，提供一般程序语言的功能，如参数、 宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问a n s y s 有限元数据库等， 另外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应 用程序等。 利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命令，就可以实现 参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数 化有限元分析的全过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高技术。在参数化的分 析过程中可以简单地修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种 设计方案或者序列性产品，极大地提高分析效率，减少分析成本。同时，以a p d l 为 基础用户可以开发专用有限元分析程序，或者编写经常重复使用的功能小程序，如 特殊载荷施加宏、按规范进行强度或刚度校核宏等。 另外，a p d l 也是a n s y s 设计优化的基础，只有创建了参数化的分析流程才能对 其中的设计参数执行优化改进，达到最优化设计目标。 上海海事大学硕士学位论文 大型港机结构c a d c a e 一体化中的有限元分析 总之，a p d l 扩展了传统有限元分析范围之外的能力，提供了建立标准化零件 库、序列化分析、设计修改、设计优化以及更高级的数据分析处理能力，包括灵敏 度研究等。 下面简单介绍a p d l 基本要素。 a p d l 的基本要素包括支持a p d l 的菜单操作、变量、数组与表参数及其用法、数 据文件的读写、数据库信息的访问、数学表达式、使用函数编辑器和加载器、矢量 与矩阵运算、内部函数、流程控制、宏与宏库以及定制用户图形界面。这些技术要 素是a p d l 的编程语言的组成部分，他们可以很好地将a n s y s 的命令( 代表不同的有 限元分析处理指令和系统信息操作指令) 按照一定顺序组织起来，并利用参数实现 数据的交换和传递，实现有限元分析过程的参数化和批处理。a p d l 的应用除包括参 数化的建模、加载、求解、后处理等基本技术外，还包括专用分析系统的开发，界 面系统开发以及必须基于a p d l 的优化设计技术。 3 3v i s u a lb a s i c 程序设计 3 3 1 v i s u a lb a s i c 对数据库的操作 数据管理是计算机应用的一个重要领域。随着办公自动化的大面积推广及各种 信息管理系统的应用，尤其是随着网络应用的普遍化，数据库开发成为软件开发重 要的发展方向。v i s u a lb a s i c 虽然不是最好的数据库开发工具，但它通过o d b c 可以 对绝大部分类型数据库进行操作，是一种简单、易用、功能比较强大的数据库开发 工具一。 v i s u a lb a s i c 作为一种面向对象的可视化编程工具，具有简单易学、灵活方便 和易于扩充的特点。因为m i c r o s o f t 为其提供了与s q ls e r v e r 通信的a p i 函数集及 工具集，所以它越来越多地用作大型公司数据和客户机服务器 ( c 1 i e n t s e r v e r ，简称c s ) 应用程序的前端开发工具，与后端的s q ls e r v e r 数 据库相结合，能够提供一个高性能的c s 解决方案。 3 3 2v i s u a lb a s i c 的文件操作 、，b 具有强大的文件处理能力，可以处理顺序文件、随机文件和二进制文件，同 时提供了与文件处理有关的控件，也提供了大量与文件管理有关的语句、函数。 在v b 程序中，需要输入少量数据，可通过程序中直接赋值来完成，或通过输入 上海海事大学硕七学位论文大型港机结构c a d c & e 一体化中的有限元分析 函数以获取数据( 如使用函数i n p u t b o x ) ，但输入大量的数据时，这些方法易造成 数掘输入和数据存储不方便，在重复输入相同的数据时，易造成数据不一致。鉴于 这种情况，可以将这些大量的数据存储在一个或多个文件中，使用时再从相应的文 件中读取伽。“。 通常情况下，计算机处理的大量数据都是以文件的形式存放在外部介质( 如磁 盘) 上，操作系统也是以文件为单位对数据进行管理。当访问外部介质上存储的数 据时，先按文件名找到所需要的文件，再从该文件中读取相关数据；在外部介质中 存入数据时，也必须先建立一个文件，然后才能将数据写入文件。 在使用旧文件或创建新文件前，首先要说明文件存储位置和名字，并制定对文 件的处理方式，即指要确定对文件操作的有关属性的属性值。无论用哪种存取方式 对数据文件进行操作，都必须先打开文件，然后向文件中写入或读出数据，最后关 闭文件。 访问一个顺序文件时，通常是三个步骤：打开文件( 若此文件不存在，则要建 立一个新的文件) 、读取写入数据、关闭文件。 1 打开文件语句：o p e n 语法格式如下： o p e n f o r a s # l e n = 缓冲区大小 说明： o p e l 3 、f o r 、a s 、l e n 等是v b 关键字。 文件名：指定打开的文件名( 文件名用字符串表示) ，包括盘符、路径、文 件主名及扩展名。例如：“e ：m f t e s t t x t ”。 打开方式：指定文件的打开方式，打开文件后，只能按指定的方式进行一