（机械设计及理论专业论文）弹性四连杆臂架系统的变幅过程动态仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 变幅机构是臂架类起重机的重要工作机构，对四连杆组合式臂架变幅系统 的主要结构尺寸进行设计，是影响该型式起重机整体工作好坏的主要环节。传 统的作法是更多的关注变幅机构功率的大小，而忽视了金属结构受力的好坏。 探寻物品在变幅过程中水平移动与臂架系统结构静态受力之间的关系，研究臂 架自重平衡系统的设计与臂架系统动力响应之间的关系以及对改善该类门机的 设计软件的分析手段。本文以门座起重机整个臂架系统为研究对象，以有限元 和机械动力学为理论基础和分析手段，运用有限元软件a n s y s 8 1 对臂架系统 在交幅过程时的工况进行动力学分析，研究了臂架系统的动态特性和不同单元 在这一动态特性下的差异。 针对以上问题，本文以m q 2 5 3 5 门座起重机臂架系统为研究对象，以有限 元和机械动力学为理论基础，借助a n s y s 8 1 对臂架系统的变幅过程进行了动 力学仿真，得到了臂架系统刚体和弹性体变幅过程的动力学数据，从数据中得 到了对今后改善该系统设计的有益结论。具体说来，本论文的主要内容有： ( 1 ) 综合介绍了门座起重机臂架系统的结构形式，重点分析了四连杆门座起 重机的工作原理，工作过程以及各参数对整机工作性能的影响。 ( 2 ) 运用有限元分析软件a n s y s 8 1 对门座起重机的臂架系统建立有限元模 型，给出了用梁单元建立有限元模型的原则和步骤，为今后用梁单元进一步开 展门座起重机的有限元分析奠定基础，而且采用a p d l 语言可以实现参数化建 模，对于模型易于修改、便于管理。 ( 3 ) 对门座起重机在吊重情况下进行动力学分析，结合起重机金属结构理论 知识对结果进行了分析，得到些有价值的结论，对于充分改善门座起重机的 吊重轨迹，降低自重起到很好的参考作用。 ( 4 ) 研究了臂架系统的动态特性，提取关键载荷步的计算结果和整个轨迹曲 线，并对结果进行分析，评价了结构的动态特性是否符合要求，并校验理论计 算结果的准确性。 ( 5 ) 对臂架系统在变幅过程利用有限元分析软件a n s y s 8 1 进行瞬态动力学 分析，并在设计中能够进行结构动态特性的预估，获得分析此类问题的一般性 武汉理工大学硕士学位论文 方法和规律。 关键词：门座起重机变幅系统动力学分析a n s y s 8 1 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l u m n gm e c h a n j s mi sj i b - c r a l l e k e y 一、v o r k i n gi n s t m i o n t od c s i g l lt 1 1 es i z eo f l u 丘m gs y s t e m i cpr i ：m a r ys m l c t u r eo f 也ef o u r - b a rl i l l l 【a g e s s u “j i b ，w h a ti sm o s u y s e g m e n tt oi m p a c t 廿1 e s es a m e 泖ec r a n e w h o l e 一、o r kw e l lo rb a d t h d i t i o n a lm o d l e i sf 孔e ra t t e r n i o nl u 伍n gm e c h a i l i s mp o w e rs i z e ，w m l en e g l e c tm e t a lc o n s 仇l c t i o n s 廿e s s e ds t a i l do rf 砒1 r e a s e r c ht l l er e l a t i o n sb e t 、e e na ti u 矗m gc o u r s eo fh o r i z o n t a l m o v e m e ma n dj i bs y s t e mo r g a i 】i z a t i o n ss t a t i cs t r e s s i n g ，a sw e u 髂t oi i n p r o v e 也e a i l a l y s e sm e a n so fd e s i g ns o r 帆o f t h e s es a n l ec r a n e p o i n tt ot a l 【em q 2 5 3 5p o 删c m e j i bs y s t e ma st or e s e a r c ho b j e c t ，协k ef i n i t e e l e m e n ta n di n e c h a m c a l _ i l e t i c sa st 0m e o r e d c a l 缸d 锄e m a l ，i m 出eu s eo fa n s y s 8 1 t oe m u l a t ej i bs y s t e m i ca t 也ec o u r s eo fl u 艏n gi nd y n a m i c s ， o b t a i n1 u m n g p r o c e d 删d y n 釉i c sd a t ao fr i 百db o d y a n de l a s t i cb o d yo f 廿l e j i bs y s t e m ，a c c o r d i n g t on l o s ed a 诅，w t l i c hi st oi m p r o v e l e s es y s t e md e s i g n sb e n c f i c i a lc o i l c l u s i o n h e n c e f o n l l i nc o n c 枷o n a 眈t 圯s et h e s e s p r 证l a r yc o v e r a g eh a s ： ( 1 ) s y n t h e s e si n 仃o d u c ep o r t a lc r a n ej i bs y s t e 商cs t r u c t u r a ls 够l es t n l c t i l r a ls t y l e ， s e l e c t i v e l ya n a l y s i sf o u r - b a rl i n k a g ep o r t a lc r a i l e sw o r k i n gt h e o r y ，w o 越n gp r o c e s s a sw e l la se a c hp a r a m e t e rt oi n l p a c t 、】1 7 ：h 0 1 em a c h i l l e sp e r f o i i 】柚n c e ( 2 ) p e r f o h nf m i t ce l e m e n ta i l a l y s i ss o f h v a r ea 1 1 s y s 8 1t oe s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n t m o d e lo f t l l e j i bs y s t e m ，g a v eo u tp r i n c i p l ea i l ds t c po f 也ef i 血t ee l e m e n tm o d e lw t l i c h i se s t a b l i s h e d 、i 也b e a me l e m e n t ，s e m ef o u n d a t i o nm c a r r y i n go u tp o r t a lc r a i l c sf i z l i t e e i e m e n ta 1 1 甜y s i sf o rl l e n c e f o n h ，如r n l e r m o r eu s ea p d l 1 a n g u a g e c o t l l dr e a j i z e p 猢e t e r i z a t i o nm o d e l i n g ，a p tt o 锄e n da 1 1 de a s yt om a n a g e m e n t ( 3 ) t oa n a l y s ep o r t a lc r 趾ea th o i s 血培- g o o d si n s t a l l c ei 1 1m e c h a 工l i c s ，c o m b i n e 谢m m e t a lc o n s 协l c t i o n s 也e o r e t i c a ll m o 、l e d g e ，a n a l y s e sm er e s u l t ，o b t a i ns o m ev a l u a b l e c o n c l l l s i o n ， 、v i 也r e g a r dt 0a b u l l d a n n yi m p r o v ep o r t a lc r a n eh o i s 血gp 劬，d e p r e s s s e l f - w e i g h tm a k ec o m n l c n d a b l er e f 打e n c ep a n ( 4 ) r e s e a r c h e dj i bs y s t c md y l l 锄i c s ，埘t h 由a w a l c n l c i a ll o a d - s t 印r e s u l ta n d w h o l l yg c o m e t r i c l o c u s ，a n da n a l y s e s r e s u l t s ，a p p r a i s e s 帆c t u r c d ”瑚m c i 墨堡望三查鲎堡主堂垡笙垄 c h 丑r a c t c r i s t i c sw h e t h e rs a t i s f k t o r y ，v e r i 匆t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na c c u r a c y ( 5 、u t i l i z e 丘n i t ee l c m c ma n a l y s i ss o 矗w a r ea n s y s 8 1t oa n a l y s ej i bs y s t e ma t 也e 1 u 触gc o l l r s ei n 廿雒s i e n td y n a 埘c s ，姐di nd e s i g n j n gc o l l l dp r c s s t i m a t es 打u c t u r e d 、r i l 锄i cc h a r a c t e r i s t i c s ，0 b _ 【a i nn l eu i l i v e r s a l 耐m e a n sa n d “et 0a n a l y s e 恤s d r o b l e m k e y w o r d s ：p o r t a lc r a n e ，l u 伍n gs y s t e m ，d ) ，1 1 a m i c sa n a l y z i n g ，a n s y s 8 1 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 本课题的主要内容是：对四连杆式组合臂架变幅系统的主要结构尺寸进行弹 性动态仿真，探寻物品在变幅过程中尽可能沿接近于水平线的轨迹移动与臂架 系统结构动态受力之间的关系，研究臂架自重平衡系统的设计与臂架系统各构 件受力的情况。 选用该课题的理由是： ( 1 ) 这种设计方法彻底突破了传统的剐性设计原则，面将臂架系统看作为实际 的弹性体，为研究臂架系统的动态特性打下基础。 ( 2 ) 这种设计方法能够全面掌握臂架系统的结构受力情况，将结构受力的优劣 与变幅机构的水平位移轨迹最优结合起来，使得结构设计与机构设计成为一个 有机的整体。 ( 3 ) 该模型的几何参数较多，应用电子计算机进行系统仿真，无疑加快了计算 速度，提高了分析结果的效率和精度，降低了劳动强度。 ( 4 ) 目前对其研究的成果很少。 存在的缺陷： 一、是由于平面连杆曲线非线性较强，使得轨迹水平落差存在一定的抖动； 二、将四连杆由刚体变为弹性体分析，由于模型中的各构件为实际起重机的 模型简化，所以得到的仿真数据，存在一定的误差，它的分析结果只能在今后 的工作中逐渐完善。 1 2 国内、国际的相关研究状况 国际上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具 有强大功能的有限元分析程序，主要有德国的a s k a 、英国的魏玎e c 、法国的 s y s t u s 、美国的a b q u s 、a d i n a 、a n s y s 、b e r s a f e 、b 0 s o r 、c o s m o s 、 武汉理工大学硕士学位论文 e l a s 、m a r c 和s 啪厄等公司的产品。当今国际上f e a 方法和软件发展 呈现出以下一些趋势特征： 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解多物理场问题。有限元分析方法最早 是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分 析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法，而且从理论上也已经证明， 只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。 2 ) 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展，线 性理论已经远远不能满足设计的要求，必须大力发展非线性理论。 3 ) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能。早期有限元分析软件的研 究重点只在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。 4 ) 与c a d 软件的无缝集成。当今有限元分析系统的另一个特点是与通用 c a d 软件的集成使用，即在用c a d 软件完成部件和零件的造型设计后，自动 生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型 和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。 1 9 7 9 年，美国的s a p 5 线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功， 掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。1 9 9 5 年，武汉交通科 技大学工程机械系( 现武汉理工大学物流工程学院) 孙世基教授等承担的 “m q l 0 3 3 门座起重机四连杆系统的动力学研究刚柔耦合多机体机械系统的动力 学建模”等科研项目通过由湖北省教育委员会组织的技术鉴定。此项目提出了柔 性多体系统有限元法，将机械系统中的机械与结构结合进行动力学分析，具体 以门座起重机为研究对象，在四连杆机构领域内解决了可变形大位移运动与弹 性变形强非线性的难题，将机械系统的动力学分析有限元法提到机械结构动力 学分析法的高度，从而在理论上首次获得臂架系统构件在变幅过程中更精确的 动力学参量，获得了门座起重机四连杆组合臂架系统动力响应数据结果。1 9 9 6 年，昆明理工大学和云南省机电一体化应用技术重点实验室联合对桥式起重机 梁进行动态优化设计及有限元分析，利用重点实验室的p r o m e c h a n i c a l 软 件，完成起重机模型动态试验。2 0 0 3 年，中国建筑科学院建筑机械化分院研制 开发出c a b i 洲凯博塔式起重机专用有限元分析系统软件，该软件系统是利用 计算机技术，将塔式起重机的结构形式用计算机程序进行程序化处理，其主要 核心是采用有限单元法的原理进行计算处理，可以单独和全部处理塔机各个部 分，如塔身、臂架、平衡臂和塔帽等；考虑载荷为自重( 不需要预先输入，有 武汉理工大学硕士学位论文 限元程序可以自动计算得到) 、吊重、风载和各种惯性载荷，根据需要处理多种 载荷组合 3 l 】。 利用有限元软件进行结构分析并非十全十美，也存在着一些缺陷和不足： 有限元模型是理论模型的一种离散近似，近似就必然会产生误差，有误差就必 然会对分析计算、评估预测结果的正确性和可靠性产生重要影响，而且模拟的 问题越来越复杂，计算规模越来越大，粗网格、高精度成为设计人员亟待解决 的问题和要求，为了节省计算工作时间，设计人员一般采取这样的方法：在场 变量变化剧烈区，计算节点密集；非剧烈变化区，计算节点布置稀疏，但网格 疏密过度往往会导致网格几何畸变。 1 3 本文所作的主要研究工作 本文以门座起重机臂架系统为研究对象，以有限元和机械动力学为理论基 础和分析手段，运用有限元软件a n s y s 8 1 对臂架系统的变幅过程进行动力学 分析，研究了臂架系统的动态特性和在变幅过程中的各部件的受力情况，以及 刚体和弹性体自重不平衡力矩的差异。主要研究工作如下： f 1 ) 介绍了门座起重机臂架变幅系统的结构形式，分析了门座起重机的变幅 工作原理，结合机械动力学相关知识对臂架系统变幅建立力学模型，从理论上 获得了门座起重机臂架系统在变幅时的力学参数和动力特性。 ( 2 ) 对有限元动力学分析方法和步骤进行了综合阐述，给出了分析瞬态动力学 的一般理论步骤，并为实际工程中的运用打下了基础。 ( 2 ) 运用有限元分析软件a n s y s 8 1 对门座起重机的臂架系统分别建立刚体 和弹性体的有限元模型，分别给出了有限元模型的建模命令流以供参考，为今 后用这些单元进一步开展门座起重机的有限元分析奠定基础，并采用a p d l 语 言实现参数化建模，易于修改、便于管理。 f 3 1 研究了臂架系统的动态特性，主要是进行了变幅过程的瞬态分析，提取 每个载荷步的相关参数，获得了起重机变幅系统的各个部件的力学参数指标， 变幅系统中关键节点的位移和应力曲线，并对结果进行分析，评价了结构的动 态特性是否符合要求，并校验理论计算结果的准确性，从而在以后新产品的设 计中能够进行结构动态特性的预估及修正。 ( 4 ) 对门座起重机在刚体和弹性体两种单元进行瞬态动力学分析比较，得到 武汉理工大学硕士学位论文 系统在两种单元下的各自性能参数指标，以及变幅系统各部件质心的运动轨迹 曲线，分析了改变关键参数对模型的影响，得到具有参考性价值的结论，对于 充分利用门座起重机变幅系统，以降低自重、优化吊重变幅轨迹起到很好的参 考作用。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章起重机及其分析软件综述 2 1 起重机的变幅机构的介绍 2 1 1 变幅机构的作用及组成 港口起重机中用来改变幅度的机构称为变幅机构。对回转类型的起重机，从 取物装置中心线到回转中心线的距离称为起重机的幅度；对非回转式的臂架起 重机，从取物装置中心线到臂架下铰轴线的水平距离称为起重机的幅度。 根据工作要求的不同，变幅机构的主要作用是： 1 ) 通过改变幅度来改变取物装置的工作位置，以实现起重机起重能力的调 整，或者装卸路线的调整，或者提高非工作状态下的起重机通过性能。 2 ) 通过改变幅度来扩大起重机的作业范围，与起升、回转机构协调工作， 使取物装置的工作范围形成一环行工作空间，以提高起重机的生产率，改善其 工作性能。 变幅机构为实现起重机幅度的改变，通常由两大部分组成。 1 ) 臂架系统：其主要决定于起重机的臂架系统的组成型式。它为吊重幅度 的改变提供确定的运动轨迹，将变幅过程中产生的外载荷传递给变幅驱动装置。 2 ) 变幅驱动系统：其主要由驱动装置、传动装置、制动装置以及安全辅助 装置组成。其作用是实现臂架系统的运动，使变幅机构安全可靠地工作 3 l 】。 2 1 2 变幅机构的类型 按变幅机构的工作性质分类，可分为工作性变幅机构或非工作性变幅机构。 工作性变幅机构的特点是在带有吊重的情况下改变幅度，实现物品的搬运，因 此变幅速度对装卸生产率有直接影响。一般要求具有较高的变幅速度。例如港 口装卸用的门座起重机都是采用工作性变幅机构。而非工作性变幅机构的特点 是不带吊重变幅，幅度的改变仅起调整臂架位置的作用。例如轮胎起重机、汽 车起重机等流动起重机，使其结构紧凑，通过性能好【j “。 武汉理工大学硕士学位论文 根据臂架系统的结构不同分类，可分为简单式摆动臂架变幅机构和具有补偿 系统的臂架变幅机构。 1 ) 简单式摆动臂架变幅机构：其臂架通常为直臂架，通过驱动机构带动钢 丝绳牵引臂架摆动，实现变幅运动。如下图所示： 图2 - lm q 4 0 3 0 单臂架滑轮式门座起重机 这种型式一般适用于非工作性 变幅机构。其驱动系统中通常 采用了钢丝绳滑轮组及其卷绕 装置，设计计算方法与起升机 构相似，只是作用在钢丝绳上 的外载荷有所不同。 2 ) 具有吊重水平位移和臂 架自重平衡系统的变幅机构。 如右图所示，为了克服简单摆 动臂架变幅时吊重和臂架自重 产生较大势能变化的缺点，在 图2 2m q l 6 3 3 组合臂架式门座起重 工作性机变幅机构中设计了吊重水平位移补偿系统和臂架自重平衡系统。通过 它们的作用，使吊重和臀架系统的重心在变幅过程中实现沿水平线或接近水平 线轨迹运动，以减小吊重和自重引起的变幅阻力，从面使变幅枫构能耗大为降 低，改善起重机的工作性能【2 4 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 _ 3 四连杆组合臂架系统的结构形式与工作原理 由于工作性变幅机构中吊重水平位移补偿系统的合理设计，可使在变幅过程 中吊重能沿水平线或接近水平线轨迹移动，以降低能耗，提高操作性能。吊重 水平位移补偿系统方案有多种，综合归纳可分为两大类：绳索补偿和组合臂架 系统。而本文以组合臂架系统为吊重水平位移补偿系统的设计方案，那么下面 就介绍一下四连杆组合臂架系统的结构和工作原理【2 0 1 。 本课题研究的m q 2 5 3 5 型门座起重机的四连杆组合臂架系统的结构形式如 图5 1 所示。主要由象鼻梁、大拉杆、臂架、小拉杆、平衡梁、活配重、人字架 等7 个部分组成。 、 1 一象鼻梁；2 一大拉杆；3 一臂架；仁小拉杆； 5 一平衡粱；6 一活对重； 7 一人字架；一齿条 图2 3 四连杆组合臂架结构形式 目前港口运营的门座起重机都普遍采用了四连杆组合臂架结构，这种型式 属于摆动臂架式变幅系统。在工作性带载变幅的摆动臂架式变幅系统中，幅度 的改变是靠动臂在垂直平面内绕其铰轴摆动来达到的。为了尽可能降低变幅机 构的驱动功率和提高机构的操作性能，目前在变幅机构设计中都要求具备下述 两项指标： ( 1 ) 载重水平位移补偿：就是使物品在变幅过程中沿着水平线或接近水平 线的轨迹移动，以降低能耗，提高操作性能。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 臂架系统的自重平衡：就是使臂架系统的合成重心在变幅过程中与吊 重的水平位移方向平行，减小水平落差。 组合臂架系统由臂架、象鼻梁和刚性拉杆组成。这三构件与人字架一起构 成一平面四连杆机构，所以这种型式又称为四连杆组合臂架系统。当臂架俯仰 运动时，象鼻梁端点的运动轨迹为一双叶曲线。如果臂架系统尺寸及机架位置 选择适当，则在有效工作幅度范围内，象鼻梁端点运动轨迹接近为一水平线， 这时只要起升绳沿臂架系统构件的轴线布置，并从象鼻架端点引出，就可以实 现吊重沿接近水平线轨迹移动。四连杆组合臂架系统的主要优点是系统刚性好， 起升绳悬挂长度较短，起升绳磨损小，臂架下面的有效空间大。主要缺点是臂 架系统结构比较复杂，自重大：吊重只能沿接近水平线轨迹运动；吊重在变幅 过程中的速度变化较大，往往在小幅度区域瞬时速度较大 2 9 1 。 组合臂架系统的杠杆活对重臂架自重平衡系统中，只要合理确定活对 重重量、活对重重心与人字架上铰点的距离、活对重重心与人字架上铰点连线 与水平线夹角的值，那么臂架变幅时，臂架自重、拉杆重量、齿条、缓冲器总 重和活对重的合成重心近似沿水平线移动，从而可降低变幅机构驱动功率，改 善工作条件。 2 2 起重机动力学 2 2 1 起重机动力学概述 起重机技术是一门综合技术，其发展更多依赖于相关领域技术的发展，如 力学、电气技术、自动控制、机械加工理论等，因此追踪其它领域技术的发展 并借鉴其优秀成果，有利于起重机技术的发展与创新。 臂架类起重机的共同特点是具有可摆动的承载臂架，除具有起升机构外， 为了扩大物品的搬运范围，还有回转机构、变幅机构及运行机构。本文所讨论 的动力学问题，主要是研究这类机械在变幅过程中，吊重和臂架系统的重心实 现沿水平线或接近水平线运动，从而使变幅机构能耗大为降低，改善起重机的 工作性能。体现在数据上就是变幅机构的自重不平衡力矩和起重机吊重端点的 垂直方向上的位移，同时还要考虑材料的力学特性，使满载情况下结构单元的 应力值小于材料的须用应力【2 5 】。 武汉理工大学硕士学位论文 门座起重机臂架系统是起重机工作时主要的运动承载部件，因为其几何尺 寸的设计及力学性能的好坏对整机的设计及正常运转有非常大的直接影响。随 着起重机朝着高速重载的方向发展，在繁重复杂的工况下，对臂架系统进行动 力特性分析也表现出了愈来愈迫切的要求。常规的设计计算通常是先将臂架系 统看作为刚性构件进行找点设计，然后再将其分解为臂架、象鼻梁和大拉杆等 进行结构设计，在结构设计中也只有选择几种可能的工况进行结构的静、动态 设计。这种将臂架系统分解的简化处理方法其计算结果常常无法反映出臂架系 统在整个变幅过程中的综合情况。 本文将针对门座起重机臂架系统，建立相应的整体有限元模型，并用a n s y s 软件分析仿真它在整个变幅过程中动态特性。根据臂架系统的刚体仿真结果， 再采用弹性体设计，使臂架系统的设计从目前的刚体动态设计，转入到更符合 实际情况的弹性动态设计中，再将两者的运算结果进行比较并进行评估。 2 - 2 2 动力学问题的研究方法 臂架起重机的特点是吊重时经常摇摆和振动，在整个变幅过程中，机械系 统会产生强烈的冲击和振动。大部分结构系统都不希望有振动发生，振动会造 成结构疲劳以至破坏，所以机械系统的动态特性是进行结构设计时必须了解的 特性之一。各种动力学问题，在研究方法上有以下特点： 1 1 全方位地处理振动问题的策略过去习惯于静态设计，待产品制造出来 之后，如果发现在动态特征方面有问题则加以补偿。如今对于许多工程项目而 言，这种“静态设计一动态补偿”的方法已难奏效，而必须采取在设计、制造、运 行和保养等诸环节实时考虑对机械系统动态性能的预测、优化、实现、监视与 维护的策略，即全方位地处理振动问题的策略。 2 1 模型化的方法通过试验测试与理论分析建立理论模型。精确的理论模 型是研究变幅系统，测试其动态响应的前提。除了理论模型之外，有时也采用 实物模型与模型测试的方法。理论模型一般是微分方程，对其求解也通常有两 种方法，即解析法和数值法。解析法虽然物理概念清楚但计算公式复杂，可求 解的自由度较少，而现代工业中机械结构日趋大型化和复杂化，必须将其抽象 为多自由度的力学模型才能较好地了解系统的动态性能和正确地估算动载荷， 因此在工程中普遍采用数值法，其特点是：只有算术运算和逻辑运算，可分析 多自由度系统，简单易行、计算速度快。 9 武汉理工大学硕士学位论文 动力学问题的数学模型，不管是用解析法还是用有限元法建立，都有如下 形式的二阶联立微分方程： 阻戤) + 【c 括 + 医k = p o ) ( 2 1 ) 其中：阻 ， c 】，k 】分别为系统的质量，阻尼和刚度矩阵，扛) ，扩o ) ) 分 别为系统各点的位移响应向量及激励力向量。 3 ) 优化设计的方法基于理论模型，采用数字仿真的方法，可以预测系统 在各种载荷下的动态响应。如果响应不符合要求，可以反过来修改系统的设计 参数，再进行预测，再修改( 这在计算机上是很容易实现的) ，如此反复迭代， 可使系统在指定的载荷下具有合乎要求的响应或最佳响应，此即优化设计法。 采用这种方法不仅可以在产品设计阶段预测系统的动态特性与动态响应，还可 以按照对其响应的要求进行修改和优化设计参数。 4 ) 规范与标准基于实践经验和理论分析的结果，制定各种规范和标准， 以指导设计人员的实践，也是振动工程处理问题的一种常见的方法盱们。 港口的发展对港口机械的要求也越来越高，因此港口装卸机械的设计计算 方法需要不断地更新、充实和完善，使港口机械向更注重功能性、经济性、可 靠性和安全性的方向发展。以a n s y s 为代表的工程数值仿真软件，不断吸取计 算方法的精华和关注计算机技术的最新进展，将有限元分析与优化技术相结合， 已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。用有限元软件可以对机械结 构进行模态分析，谐响应分析和瞬态动力学分析。模态分析是确定设计中的结 构或机器部件的振动特性( 固有频率和振型) ，也是其它更详细的动力学分析的 起点。谐响应分析用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续的周期响 应( 谐响应) 以及确定线性结构霉受随时间按正弦( 简谐) 规律变化的载荷时稳态响 应的一种技术。这种分析技术只计算结构的稳态受迫振动，发生在激励开始时 的瞬态振动不在谐响应分析中考虑。谐响应分析是一种线性分析，但也可以分 析有预应力结构。瞬态动力学分析( 亦称时间历程分析) 是用于确定承受任意随时 间变化载荷的结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构 在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、 应力及力。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 起重机系统的动力学模型及动力载荷的确定 载荷是结构受力分析的原始数据，载荷确定得正确与否将影响结构计算结果 的正确性和设计的成败。下面就常见的变幅机构动力学模型及动力载荷予以分 析【2 7 2 引。 图2 4 变幅机构运行时吊重的运动简图 在研究变幅机构动力学模型时，采用下列假设： ( 1 ) 吊重相似于自由悬挂的单摆： ( 2 ) 吊重的横向摆动将在小偏角范围内加以研究，在此范围内可以取 s i n 妒= t a i l p ，其中妒为钢丝绳对铅垂线的偏摆角。 变幅机构推算简图见图2 - 4 ，取二质量系统作为情况的普遍简化系统，其中 质量m ，作直线运动，而质量研：通过不可拉伸的柔绳与第一个质量聊，相连接并 作摆动运动。 图2 4 采用下列符号： m ，一推算到象鼻梁前端的起重机变幅部分的质量： m ，一被移动的吊重质量； v ，一象鼻梁前端水平分速度； 彭，一象鼻梁前端水平分加速度； ，一提起吊重时绳索的长度； s 一在随质量m 运动的坐标系中吊重的摆幅； 武汉理工大学硕士学位论文 g 一重力加速度 r 一时间。 吊重的运动微分方程为： 坍：象帆争坍：t ( 2 2 ) 上式的通解为- 刚s m 序拙。s 序+ 考也 考虑到初始条件归0 ，塞_ o ，求解得跣s = 考哪一s 序) 以 2 1 。 v ，。 故吊重的水平偏摆力为： ，一 肌咄手一：移- c o s 手) ( 2 ，) 2 3 有限元软件a n s y s a n s y s 公司是由美国著名力学专家，匹兹堡大学教授j o l l i ls w a n s o n 博士于 1 9 7 0 年创建并发展起来的，总部设在宾西法尼亚州的匹兹堡，目前是世界c a e 行业最大的公司。近3 0 年来，a n s y s 公司一直致力于分析设计软件的开发， 维护以及售后服务，不断吸取当今世界最新的计算方法和计算机技术，引导着 有限元技术的发展趋势，为全球工业界所广泛接受，并拥有全球最大的用户群。 a n s y s 是一种融结构、热、流体、电磁和声学与一体的大型c a e 通用有 限元分析软件，可广泛应用于核工业、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、 水利以及日用家电等一般工业及科学研究等。该软件可在大多数计算机及操作 系统( w i n d o w s 、u n 、 l i 肌x 、 i r h 和h p u x ) 中运行。从p c 到工作站， 直至巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。 使用a n s y s 解决实际工程问题，具有以下优点： ( 1 ) 能显著地减少设计和制造费用 利用a n s y s 程序，工程师们可以设计结构，产品，零部件或系统的计算机 模型，或者将它们的c a d 模型进行转化，对它们旌加载荷或其它设计性能条件； 还可以研究诸如应力水平，温度分布，电磁场的冲击等物理响应。在设计过程 初期，工程师们也可以利用该程序进行优化设计，以降低生产成本，这些过程 使制造商们大大缩短了“样机制造测试一再制造”这一研制周期，同时也避免了 武汉理工大学硕士学位论文 使用昂贵的产品余量设计。 ( 2 ) 具有多物理场耦合的功能 a n s y s 是融结构，热，流体，电磁学，声学等于一体的大型通用有限元分 析软件，它允许在同一模型上进行各种耦合计算，如：热一结构耦合，磁一结 构耦合以及电磁一流体一热耦合等。 ( 3 ) 能解决一些特殊性质的工程问题 在某些环境中，样机试验是不方便的或是不可能的，而利用a n s y s 软件可 以解决这类问题，包括髋部移植，人工晶体等在生物医学上的应用以及重型设 备零件，集成电路芯片，连续挖煤设备的钻头固定系统的设计等。 ( 4 ) 能减轻设计工作量，提高产品设计效率 以往若要对某些工程问题进行有限元分析，一般要有工程设计人员自己编 写程序，这给非计算机或数学专业的设计人员带来了很大的麻烦。a n s y s 的出 现。使得设计人员不再受工程数学解题技巧和计算机编程水平的限制，可以将 更多的精力集中在具体产品的设计上来，从而可以保证产品设计质量和设计效 率的提高。 ( 5 ) 留有二次开发接口，设计人员可以根据需要进行二次开发 任何一种计算机软件都不可能解决客户的所有问题，软件开发商必须留给 使用者足够的开发手段和空间。a n s y s 除了提供菜单操作方式外，还提供了命 令流操作方式，提供了一种叫a p d l 的脚本语言，使得使用者可以根据实际的 需要进行编程，交由a n s y s 执行。 a n s y s 的分析过程是由三个主要的模块组成：前处理模块，求解模块以及 后处理模块。其流程图如下： 前处理 主体程序 数 据 简 图 输 入 网 格 自 动 生 成 苣 一 兀 节 点 信 息 数 据 检 查 盥 一 兀 分 析 总 体 刚 度 组 装 堕 一 兀 载 荷 分 析 载 荷 向 量 组 装 约 柬 处 理 方 程 处 理 图2 _ 5a n s y s 分析流程图 结 果 整 理 后处理 变 形 图 应 力 图 武汉理工大学硕士学位论文 前处理模块 该处理模块用于定义求解所需的数据，用户可以选择坐标系统，单元类型， 定义实常数和材料特性，建立实体模型并对其进行网格剖分，控制节点和单元， 以及定义耦合和约束方程等。通过运行一个统计模块，用户还可以预测求解过 程所需的文件大小及内存。 在a n s y s 中，坐标系统用于定义空间几何结构的位置，节点自由度的方向， 材料特性的方向，以及图形显示和列表。程序中可用的坐标系统由笛卡儿坐标， 柱坐标，球坐标，椭球坐标及环坐标，这些坐标系统均能在空间的任意方向摄 制。用户在前处理阶段输入的数据将成为a n s y s 集中数据库的一部分，该数据 库由坐标系表，单元类型表，材料特征表，关键点表，节点表及载荷表等组成。 定义某个表中的数据后，该数据即可通过表项编号被引用。例如用户定义多个 坐标系后，可通过简单地引用相应的坐标系编号( 表项编号) 激活它们。一套 数据库控制命令可用于选择数据库的部分数据，以完成特定操作。基于一定的 标准，如几何位置，实体模型图元，单元类型，材料类型及节点和单元编号等， 用户可以选择所需的数据，例如基于几何位置比基于节点和单元的编号更易于 定义或改变复杂的边界条件。虽然用户可输入与模型有关的多方面的信息，但 在求解过程中程序只使用特定分析所需的部分数据。把模型划分成组元是选择 模型数据的另一个便利方法，所谓组元是指用户为了清晰或组织合乎逻辑而定 义的几何图元组。为了清楚显示一个复杂模型的各个部分，组元可以显示成不 同颜色。 a n s y s 提供了广泛的模型生成功能，使用户可快捷地实际工程系统的有限 元模型。它提供了3 不同的建模方法，即模型导入，实体建模及直接生成。每 种方法有其独特的特性和优点，用户可选择其一或其组合建立分析模型。 求解模块 在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段通过求解器获得分析结果。在 该阶段用户可以定义分析类型，分析选项，载荷数据和载荷步选项，然后开始 有限元求解。 直接求解器，如波前求解器可计算出线性联立方程组的精确解。a n s y s 还 提供了一个既可用于线性分析，也可用于非线性分析的稀疏矩阵求解器。在要 求求解精度和求解时间的静态及瞬态分析中，该求解器可代替迭代求解器。由 于该求解器基于方程的直接消去，因而可容易地处理病态矩阵。对于接触状态 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 可改变拓扑结构并影响波前宽度的非线性分析，以及模型为具有多个波前多分 支结构的任何分析。如涡轮发动机的叶片及汽车的排气系统，该求解器都较为 适用。这个求解器只能用于真正的对称矩阵，与波前及其它直接求解器相比， 能显著地加速求解速度。 作为直接求解器的替代，用户可激活一个迭代求解器，在求解大规模问题 时可节省计算机资源并减少计算时间。几乎所有的分析问题都是求解一系列的 线性联立方程组，迭代求解器通过迭代求出近似解。 a n s y s 提供称为p o w e r s l o v e r 的高效预条件共轭梯度( p c g ) 求解器，j a c o b i 共轭梯度( j c g ) 求解器，以及不完全c h 0 1 e s k y 共轭梯度( i c c g ) 求解器。针对特定 问题，用户可从中任选一个最合适的求解器求解，从而最大限度地提高效率。 一般地说，迭代求解器更适用于大而复杂的问题。对于求解场问题( 包括声， 传热及电磁问题) ，以及具有对称，稀疏，正定矩阵的其它大型问题，迭代求解 器更为有效。 后处理模块 该模块可以通过友好的用户界面获得求解过程的计算结果，这些结果可能 包括位移、温度、应变、应力、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列 表两种。在交互式后处理过程中，图形可联机输出到显示设备上或脱机输出到 绘图仪上。由于后处理阶段完全同a n s y s 前处理和求解阶段集成在一起，故求 解结果已保存到数据库中且能立即查看。 在求解阶段，分析结果写入a n s y s 数据库及结果文件中。单个子步的结果 作为数据集保存，每个数据即可用的数据量和类型由所完成的分析类型及求解 阶段设置的选项来控制。对于某个分析的每一个载荷步，用户可指定每个字步， 最终子步或最终子步和中间子步的组合写数据集，可以选择写数据组的范围， 如位移，应力及反作用力。 后处理访问数据集的方法有两种，一是用通用后处理p o s t l 检查整个模型 或模型的某一部分中任意一个特定数据集的结果；二是用时间历程后处理器 p o s t 2 6 跨多个数据集检查选择的部分模型数据，如特定节点的位移或单元应 力。从结果文件中读出的数据保存在a n s y s 数据库中，后处理中允许访问所有 输入数据( 几何模型，材料和载荷等) 。使用交互式可方便地操作数据库并立即 提供结果图形和结果列表，通过q 切片功能可以得到所分析模型在任何平面的 结果唧1 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 参数化技术及a p d l 语言 参数化技术是当前c a d c a m 技术重要的研究领域之。它是指设计对象 的结构形状比较定型，可以用一组参数来约束尺寸的关系，设计结果的修改受 尺寸驱动的影响，所以也称为参数化尺寸驱动。参数化设计技术以其强有力的 草图设计，尺寸驱动修改图形功能，成为初始设计，产品建模及修改系列设计， 多方案比较和动态设计的有效手段。 利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重 而琐碎的计算和绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的 存储量。参数化也大大改善了设计的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设 计，动态设计，实体造型，装配，公差分析与综合，机构仿真优化设计等领域 发挥着越来越大的作用。 a p d l 即a n s y s 参数化设计语言( a n s y sp a r a m e 廿i cd e s i g nl a n g u a g e ) 是一 种解释性语言，可用来完成一些一些通用性强的任务，也可以用于根据参数来 建立模型的情况。程序的输入可设定为根据指定的参数，变量以及选出的分析 标准来作出决定。a p d l 允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析 属性有控制权，例如几何尺寸，材料，载荷，约束位置和单元尺寸等，a p d l 扩 展了传统有限元分析范围之外的能力，并扩充了更高级的运算，包括灵敏度研 究，零件库参数化建模，更新设计修改及设计优化。 用文本编辑器，如写字板，记事本等，用户可以直接进行a p d l 参数化命 令流的编写，不过这样的编程要求用户对a p d l 语言十分熟练，对于不熟悉 a p d l 语言的用户，可以采用从命令流文件中提取部分关键的命令流进行a p d l 编程。命令流文件的扩展名为：l o g ，用户在用g u i 方式进行有限元建模，求解， 后处理时，a n s y s 自动会将每一步操作对应的命令纪录在一个命令流文件中， 并存储在当前的工作目录下，用任何一种文本编辑器都可以对其进行编辑。 a p d l 有下列功能，这些功能可根据需要单独使用或同时使用。 ( 1 ) 参数 a p d l 允许用户给变量( 参数) 赋值，使用的值可以由用户指定也可以由程序 计算得到。在a p d l 运行中的任何一点都能定义为参数。另外，可将它们保存 在一个文件中供以后的a p d l 运行过程或其它程序和报告使用，参数性能提供 了对程序进行控制和简化数据输入的有效方法。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 参数可以定义为实常数，也可以定义用参数表达式的当前值定义，甚至可 以是一个字符串。定义常数命令仅需要简单地给一个以字母开头的名字指定一 个值。例如：用户可以命令g = 9 8 输入重力加速度的值，一旦定义了这个参数， 在此之后的任何命令的参数域中若是用g ，程序均用9 8 代替。通过条件判断也 能定义常数参数，例如：i = j m a c r o c r e a t e m a c r o 途径来生成宏。通过该菜单项可以打开作 为一个简单的多行编辑器的对话框来生成