（机械设计及理论专业论文）起升动载激励下门座起重机臂架系统动态特性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 起重机动力学问题主要研究起重机在启动和制动或其他工作状态突然改变 时系统的弹性振动规律据此确定系统的动力响应。对于门座起重机，臂架系 统是起重机的重要承载部件之一，其力学性能对整机的正常运转有着直接影响。 由于起重机的工作状态是高速重载，常规设计计算通常是将臂架系统分解成单 个部件进行的。对部件的模型作了不少简化且计算结果无法反陂出甓架系统的 综合情况，在繁重复杂的工况下对臂架系统进行动力特性分析是非常必要的。 本论文以门座起重机臂架系统为研究对象，以机械动力学理论为基础，运用参 数化技术和有限元分析软件a n s y s ，对门座起重机臂架系统的动态特性和在起 升过程时的动力响应进行了研究。 论文第一至三章介绍了有限元分析软件a n s y s 和有限元法的理论知识和门 座超重机臂架系统的结构形式及其工作原理；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m 0 2 5 3 5 门座起重机臀絮系统的有限元参数化模型： 对m 0 2 5 3 5 门座起重机臂架系统在工作幅度为3 5 米起吊重量为2 5 吨的情况下 载荷内摆角度为1 0 。载荷侧摆角度为o 。的工况和载荷内摆角度为o 。载荷侧摆 角度为1 2 。的两种工况进行静力分析得到一些有价值的结论。 论文第四至六章研究了臂架系统的动态特性：结合有限元参数化模型编写了 模态分析的命令流文件，提取了固有频率、振型图及振型动画，并对结果进行 了分析：在模态分析的基础上针对臂架系统起升和制动的工况结合机械动力 学相关知识对臂架系统起井过程这一工况建立力学模型，扶理论上获得了门痤 起重机臂架系统在起升时的力学参数和动力特性，计算出了动载荷的具体表达 式，运用a n s y s 软件对臂架系统在起升动载荷激励下的动态特性进行了瞬态分 析，结合有限元参数化模型编写了瞬态分析的命令流文件，该方法可以实现变 幅过程中任意幅度的瞬态分析。获得了臂架系统突然起吊和制动时的瞬态动力 响应，包括动应力、动位移响应仿真云图和典型节点的动应力时间历程曲线。 关键词：f 1 窿起重机臂檠系统动力学分析有滩元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 t h ep o n a lc r a n e sd ) ，i l 锄i cp r o b l e mm a i n l ys t l l d i e sac r a n ea ts t a na i l dm a k et o m o v eo ro t h e rw o r ka p p e a r a n c e sc h a n g es u d d e 珏l yt kn e x i b l ev i b r n o nr e g u l a t i o no f m es y s t e m ，o nt 1 1 e s e 铲o u n d sm a k e ss u r et h em o t i v eo ft h es y s t e mr e s p o n dt of o r p o n a lc 御e ，t 1 1 eb o o ms y s t e ms 仃u c t u r ei sap o f t a lc 啪et ow o r ko n eo fm em o s t i r n p o r t a n tl o a d i i l gp a n s e s ，i t sm e c h a n i c sf i l l l c t i o nh a sd i r e c ti n n u e n c et om en o m i a l o p e r a t i o no ft h ew h o l em a c h i n e b e c a u s em ec r a n ef o l l o wh i 曲s p e e dh e a v yc a r r y d i r e c t i o no fd e v e l o pc o t i 肌0 u s ly ，l l i l d e rt h eh e a v yc o r n p l i c a t e dw o r kc o n d i t i o nt o b o o ms y s t e ms t m c t i l r e a r l a l y z e sp o w e ri m ol e a c t i o nc h a r a c t e r i s t i cb eg o i n g n e c e s s a y ，a n d 也霉如s i 舒c a l c m a t i o no ft h en 黝! f e g u l a t i o n su s u “yi sb o o m s y s t e ms t m c n l r er e s o l v es 访班eap a r t st oc a i t yo n ，m 蚰gn o taf e ws i m p l i f i c a t i o n s a n dc 伽叩u t i n gt om em o d e lo fm ep a r t st h er c s u l tc a l l tr e n e c t 也ec o m p r c h e n s i v e c i r c u m s t a l l c eo ft h eb o o ms y s t e ms t n l c n l r e t h i s 山e s i sw i t h p o r t a lc r a n eb o o m s y s t e ms n u c t u r ef o rr e s e a r c ho b j e c t ，u s i r 培f i n i t ee l e m e n ta n a l y s l sa n dm e c h a n l s m k i n e t i c sa st h e o r i e sf o u n 捌o na n da n a l y s i sm e a n s ，t 1 1 eu s a g ep a r a m e t e rt u m st h e t e c l l i l i q u ea n df i n i t ee l e m 锄ta i l a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，蠡l c i n ge a c ho t h c rt h eb o o m s y s t e ms t n i c n et h ed y n 蕊cs t a t ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mw i t hw m l er i s i n gt o r i s ep r o c e s so f t h em o t i v er e s p o r l d e dt oc a r r yo ar e s e a r c h t h et h e s i sc h a p t e r l 3 si n 廿0 d u c ef i i l i t ee l e m e n ta n a l 蜘ss o f t w a r ea n s y sa n d 矗n i t ee l e m e n t 锄l y s i st h e o r i e sk n o w l e 咄ea i l dc o m b i n i n gr e l a t e di o w l e d g eo f 七h e m a c l l i n ed y n a m i c s ，t l l et e ) ( ti n t m d u c e st h ec o n f i g i l r a t i o no ft h ep o r t a lc r a n e sb d o m s y s t e m ，a n a l y z e si t sw o r kp r i n c i p l e t ob u i l daj i bs t n l c r u r e sp a r 锄e t e r i z e df e m m o d e lu s i n ga n s y si n t e m a lc o m m a n d a p d la n dp a 舳e t e r i 2 e dm e t h o d ，i ti s c o n v e n i e n t l ya n dq u i c 垴yt om o d 玲a b dr e c a l c u l a t et h em o d e l i nf e ma n a l y z i n g t h e t e x tc 删e so nt h es t a t i ca n a l ”i su n d e rm oc i r c 啪s t a n c e s ：w i t h o u tg o o d s1 0 a da n d w i mm l ll o a d s t h e ni t a 1 1 a l y z e dt l l e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa i l d g o ts o m eu s e 缸l c o n c h i s i o n s t h et h e s i sc h a p t e r4 - 6 ss t u d yt h ej i bs t m c t u r e sd y n a m i cc h a r a c t e r s t op r o 铲踟a 武汉理工大学硕士学位论文 c o n l i l l a i l ds 廿e a mf i l e ( + 1 0 曲t 1 1 a ti sa v a i l a b l et oa 1 1 yl u 伍n gl o c a t i o n ，g a i nt h e s e v e r a i f o r m e rn a t u r a l 丘e q u e n c ya n dm o d es h a p e s ，a n df i n a l l y 趿a l y z et h er e s u l t s 。a c t h em o l da n a l y t i c a lf o u n d a t i o nu pa i ma tm ea r mu n d e rm es y s t e mw o r kc o n d l t i o n t l l a tr i s ea 1 1 dm a k et om o v eo f m o v ea n dc a r r y 血el o t u sb u i l tu pt h em e c h a 血c sm o d e l ， c o i n p u t 曲gt o 瑚o v eac o n c r e t ee x p r e s s i o nt y p eo fc a r r ym el o t u s ，t os t u d yt h e d y n a m i cr e s p o n dw k l el o a dl i f t i n gs u d d e n l y t op t d 伊眦ac o m m a n dn l eo f 缸a i l s i e n t a n a l y z et h a ti s a l s oa v a i l a b l et oa 1 1 yi u f 丘n gl o c a t i o n ，o b t a i nt h ed y n a m i cr e s p o n s e r e s u l t si n c l u d i n gs i m u l “o nn 印h o g r a m so fd ”a i i l i c ss 仃e s sa i l dd i s p l a c e m e n ta 1 1 d c u r v eo fd y n a i cs t r e s so ff e p r e s e n t a t i v en o d e s ， k e y w o r d s ：b o 锄s ”t e m ，p o r t a lc r a n e ，b r a k i n g ，d y l l a 血c sa n a l y z i n g ，f e m i i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 立题背景及研究意义 1 1 1 起重机技术发展现状 自有人类文明以来，物料搬运便成了人类括动的重要组成部分，距今己有 五千多年的发展历史。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬 运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，同时对起重机的要求 也越来越高。科学技术的飞速发展，推动了现代设计和制造能力的提高。激烈 的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争。这些都促使起重视技术向大型化、 高速化、自动化和智能化方向发展。 一方面，要满足社会发展和市场竞争的需要，提高港口码头的生产率，必 然要求提高起重机的作业效率，由于集装箱起重机的额定载荷即标准集装箱 的重量通常是确定的，要想提高它的工作效率，一般都通过提高各机构的运行 速度，但这必然使得起重机工作时的动载荷变大，整机晃动加剧，起重机动态 特性变差，反过来又影响起重机的寿命以及它的作业效率，所以这两者是一对 矛盾。要想提高产生效率必须解决好这个问题。因此，近年来，超重机的动 力学分析成为各相关企业和高校关心的热点问题。 另方面，随着社会的发展、电子计算机和测试技术的突飞猛进，特别近 一二十年来，起重机的动力学分析得到了很大的发展。主要表现在川： 1 数值分析方法取得巨大进展，许多过去根本无法计算的复杂的结构动力学 问题现在大多能在计算机上得到解答； 2 数学模型的建立日臻完善，通过对实际结构或结构模型的实验研究和采用 系统辫识、参数估计等理论与实验相结合的方法能使所建立的数学模型更符合 实际情况； 3 结构动力分析已扩展至与周围介质的耦合分析，流体( 包括气体和液体) 与 结构，土壤与结构的耦合分析已在工程中得到广泛的应用； 4 基于可靠性分析的结构动力优化设计和结构系统的主动控制等对提高工 武汉理工大学硕士学位论文 程结构的动力特性和经济性有重要作用的新方法、新技术的研究方兴未艾，可 望在不远的将来取得显著的成果。 1 1 2 课题研究的目的和意义 起重机在运动状态改变时( 如货物的起升、下降过程) 产生的动力载荷会 对金属结构产生强烈的冲击和振动，起升质量突然离地或下降制动时对结构产 生的附加动载荷，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的影响。起重机动力学问题主 要研究起重机在启动和制动或其他工作状态突然改变时系统的弹性振动规律， 据此确定系统的动力响应。对于门座起重机而言，臂架系统是起重机最重要的 承载部件，其力学性能对整机的正常运转有着直接影响。随着起重机工作速度 和载荷重量的不断提高，在繁重复杂的工况下对臂架系统进行动力特性分析非 常必要，常规的设计计算通常是将臂架系统分解成单个部件进行的，对部件的 模型作了不少简化且计算结果无法反映出臂架系统的综合情况。本课题主要的 研究目的就是从动力学分析的角度，采用有限元法研究臂架系统的动态特性， 即进行模态分析提取臂架在某一幅度下的固有频率和相应酌主振型：然后对 臂架系统在某一幅度下的货物起升过程进行瞬态分析，以求得到这过程臂架 系统的动力响应。其意义在于不仅为某台起重机的臂架系统提供具体的动载荷 参数，更重要的是探求同类臂架系统的共同动力学特性，对臂架系统的设计和 起重机的正确使用提供一些参考。 1 2 和本课题有关的国内外研究现状分析 在大力推广c a d 技术的今天，从白行车到航天飞机，所有的设计制造郡离 不开有限元分析计算，f e a 在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。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| 丌发具有强大 功能的有限元分析程序，主要有德国的a s k a 、英国的p _ a f e c 、法国的s y s t u s 、 美国的a b o u s 、a d i n a 、a n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、 m a r c 和s t a r d q e 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许多物理场问题。有限元分析方法最 武汉理工大学硕士学位论文 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 牛和零件蠹勺造型设计后，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 o 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”科研项目通过由湖北省教育委员会组织的技术鉴定。该项目提出 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的方针结果。 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 重机粱进行动态优化设计及有限元分析，利用重点实验室的 p ro ，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 v m 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。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文所作的主要研究工作 本文以m 0 2 5 3 5 门座起重机臂架系统为研究对象，以机械动力学为理论基 础，运用有限元软件a n s y s 对臂架系统在起升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在起升时的动力响应。主要研究工作如下： 论文第一至三章介绍了有限元分析软件a n s y s 和有限元法的理论知识和门 座起重机臂架系统的结构形式及其工作原理；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m 0 2 5 3 5 门座起重机臂架系统的有限元参数化模型： 对m q 2 5 3 5 门座起重机臂架系统在两种工况下进行静力分析，得到一些有价值 的结论。 论文第四至六章研究了臂架系统的动态特性：结合有限元参数化模型编写 了模态分析的命令流文件，提取了固有频率、振型图及振型动画，并对结果进 行了分析：在模态分祈的基础上针对臂架系统起升和制动的工况下的动载荷建 立了力学模型，计算出了动载荷的具体表达式，运用a n s y s 软件对臂架系统在 起升动载荷激励下的动态特性进行了瞬态分析，结合有限元参数化模型编写了 瞬态分析的命令流文件。该方法可以实现变幅过程中任意幅度的瞬态分析。获 得了臂架系统突然起吊和制动时的瞬态动力响应，包括动应力、动位移响应仿 真云图和典型节点的动应力时间历程曲线。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章臂架系统有限元建模 2 1 有限元法简介 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法是解决工程实际问题的一 种有力的数值计算工具。它可以求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲 稳定性、动力响应、热传导、三维形体接触、弹性等力学性能的分析计算，以 及结构性能的优化设计等问题。有限元法的核心思想是结构的离散化，把求解 区域看做由许多小的在节点处相连的子域( 单元) 所构成，其模型给出基本方程的 分片( 子域) 近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所 以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和边界条件。再加上它有 成熟的大型软件系统支持，使其已成为非常受欢迎的、应用极广的数值计算方 法。 有限元法具有下列的特色1 ： ( 1 ) 整个系统离散为有限个元素。 ( 2 ) 利用势能最小原理( m i n i m 砌p o t e n t i a lt h e o 聊与泛函数值定理 ( s t a t i o n a r yf l l i l c t i o nt h e o r y ) 转换成一组线性联立方程。 ( 3 ) 处理过程简明。 ( 4 ) 整个区域作离散处理，需庞大的资料输出空间与计算机内存，解题 耗时。 ( 5 ) 线性、非线性均适用。 ( 6 ) 无限区域的问题仿真较难。 有限元法以计算机为工具，它对不同的工程问题提供了一个统一的分析格 式。般的有限元分析程序( f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ) 包含前处理过程 ( p r e p r o c e s s i n g ) ，解题程序( s o l u t i o n ) 和后处理过程( p o s tp r o c e s s i n g ) o 前置处理的主要内容有： ( 1 ) 建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排 列次序。 ( 2 ) 材料特性。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 元素切割的产生。 ( 4 ) 边界条件。 ( 5 ) 负载条件。 解题程序的主要内容： ( 1 ) 元素刚度矩阵计算 k 。 ( 2 ) 系统外力向量的组合 f 。 ( 3 ) 线性代数方程【k u ) = f ) 的求解。 ( 4 ) 求应力、应变、反作用力等。 居置处理的主要内容： 解题部分所得到解答如：位移、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不 同的表示方法把位移云图、应力云图等显示出来。 2 2 有限元法的发展概况及其在工程中的应用 “有限元法”这个名词，第一次出现在1 9 6 0 年，当时c 1 0 u 曲在一篇平面弹 性问题的论文中应用过它。从此后，有限元法在工程界获锝了广泛应甩，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。近4 0 年来，先后应用于机械工程和汽车工程中各种结构件、转动 件等的计算分析中，并取得了许多实际效益。可以毫不夸张地说，有限单元法 已经成为计算机辅助设计( c a d ) 中的一部分，渗透到了每台机械、每辆汽车 的设计计算中，是一种必不可少的工具。 结构件是各种工程机械的重要组成部分。这里所指的结构，主要有许多单 元( 例如杆件、板或实体等) 所组成的整体，或起承载作用，或承受、传送外部载 荷，以保证整个机械的正常工作，实现预期的目的。出于要完成各自独特的功 能，它们的结构各不相同，并且都是比较复杂的。如起重机的吊臂有的为簿壁 武汉理工大学硕士学位论文 箱型结构、有的为杆系结构；转台、底架般为板架结构；挖掘机的工作装置为板 粱构造，底架为板架结构等。寻求这些结构 牛正魂、可靠的设计与计算方法， 是提高工程机械的工作性能以及可靠性与寿命的主要途径之一。 对工程机械的各个主要结构件进行分析，是研究其可靠性，寻求最佳结构 设计方案的主要手段。工程机械的结构由于其本身结构形状的多样、复杂性以 及载荷系统的恶劣复杂性，以往采用经典力学进行结构分析，带有局限性。在 相当长的一段时期内，工程机械结构的设计，主要采用经验设计。为了能够计 算，往往采用较多的假设和简化，计算模型只能构造得非常简单，与实际的结 构形状楣差很大，所以计算是粗糙的、不很精确的。有一些结构件甚至用常规 方法根本无法计算。这些都影响了工程机械的进一步发展。 由于有限元的一个独特优点是可以求解结构形状和边界条件都相当任意的 力学问题。所以有限元法出现后，立即就应用在工程机械结构的计算之中，成 为一种可靠的新的理论计算方法。应用有限元法对工程机械结构件进行分析， 是一项综合性的工作。它包括从结构的物理力学模型抽象为有限元计算的数学 模型，计算程序的选择或修改，计算机上的实施，以及计算前后大量信息、数 据的处理等这样一个全过程。这个过程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、 变形分布，内力分布，结构的固有特性( 固有频率和相应的固有振型) 和动态响应 等。利用这些数据，对结构进行相应的分析，分析的目的包括： ( 1 ) 进行结构的最优方案设计 在进行机械结构设计时，可以通过对可能的结构方案进行有限元法计算。 根据对方案计算结果的分析和比较，按强度、剐度和稳定性要求，对原方案进 行修改补充，使能得到较合理的应力、变形分布，并且经济性又好，从而得到 较好的结构设计方案。 ( 2 ) 分析结构损坏原因，寻找改进途径 当结构件在工作中发生故障如裂纹、断裂、磨损过大等时，可应用有限元 法进行计算，研究结构损坏的原因，找出危险区域和部位，提出改进设计的方 案，并进行相应的计算分析，直至找到合理的结构为止。 研究表明，各种机械及其结构件都可应用有限元法进行静态分析和动态分 析并且己从原来对工程实际问题的静态分析为主转到模态分析和动态分析为 主。甚至根据工程实际结构的特点要求进行非线性分析。 目前利用有限元法求解分析工程机械结构，计算规模和计算机容量、计算 武汉理工大学硕士学位论文 速度，对各种通用程序来说己不再是主要矛盾。应用中的难题，或者说关系到 有限元计算成功与否的关键，在于形成的计算模型中各种支承、连接怎样与实 际结构相符，以及载荷，特别是动态分析中的激励怎样反映实际情况。例如， 起重机中回转工况动态分析中，怎样反映回转支承的特点；起升机构中钢丝绳滑 轮怎样处理：对于载荷，特别是动载荷，难题在于载荷变化曲线是什么，在计算 中又怎样施加。类似这些问题解决的好坏，影响到有限元分析的精度，应该引 起工程技术人员在应用有限单元法时的高度重视。 在起重机金属结构设计、分析及其故障检测和诊断领域中，有限元法也得 到了广泛的应用。裂纹是起重机金属结构最大的威胁，由此引起的故障约占全 部故障的8 9 以上，由于诸多原因，有严重裂纹的金属结构仍然在使用，给安 全生产带来很大隐患，采取切实有效的措施对这些结构进行故障诊断、控制与 维修成为当务之急。要获得裂纹敏感区，必不可少的工作是要获得金属结构的 应力连续分布情况，对于起重机这样的大型金属结构进行全面的裂纹搜索不但 费时费力，有时还是不可能实现的，因此，必须采用实用的安全有效的方法， 既要有科学理论依据又要简单易行。试验、理论分析和数值模拟是研究疲劳裂 纹扩展的三个不可缺少的方面，必须相互结合才能推动研究发展。通过使用有 限元分析软件，用计算机仿真分析裂纹故障，指导和防止故障的发生，既简便 又耗资少，是目前故障诊断技术发展的方向之一。例如对于钢包回转台大臂的 动态特性的研究中，通过有限元数值仿真，建立了结构动态特性变化随结构裂 纹扩展之间的数值关系，得到了具有工程价值的结论，实现了根据结构动态特 性的变化对结构的故障状况进行预测口”。 有限元程序发展也很快，我国己引进的主要程序有：s a p s ，s a p 7 ，s a p 8 4 ， s u p e rs a p a d i n a ，a n s y s ，m s c n a s t r a n ，a s k a 等。这些程序还具备t 前后 处理功能。这样，不仅提高了解题速度，还极大地方便了使用者，对有限元的 普及与应用起到了很大的促进作用。本文就是使用了其中的a n s y s 软件成功地 对臂架系统进行了有限元分析。 2 3 有限元分析软件a n s y s 2 3 1a n s y s 功能简介 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分 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、 武汉理：【大学硕士学位论文 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、 日用家电等一般工业及科学研究。 a n s y s 程序是一个功能强大、灵活的设计分析及优化软件包。该软件可浮 动运行于从p c 机、n t 工作站、u n i 工作站直至巨型机的各类计算机及操作 系统中，数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其多物理场耦合 的功能，允许在同一模型上进行各式各样的祸合计算，如：热一结构耦合、磁一 结构耦合以及电一磁一流体一热耦合。在p c 机上生成的模型同样可运行于巨型 机上，这样就保证了所有的a n s y s 用户的多领域多变工程问题的求解。同时， a n s y s 软件拥有丰富秘完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能高效 地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析 及热一结构耦合问题，压缩和不可压缩的流体问题。其友好的图形界面和程序 结构，交互式的前后处理和图形软件，大大地减轻了用户在实际工程问题中创 建模型、有限元求解以及结果分析和评价的工作量。它的统一集中式的数据库 保证了各模块之间的有效可靠的集成，并实现了与多个c a d c a e 软件的友好连 接。 使用有限元分析软件a n s y s 解决工程实际闯题，有如下韵优点m 】： 1 ) 能显著减少设计和制造费用 用a n s y s 程序，可以构造结构、产品、零部件或系统的计算机模型，或将 它们的c a d 模型进行转换，对它们施加载荷或其他设计性能条件：还可以研究它 们诸如应力水平、温度分布或电磁场的冲击等物理响应。在设计过程初期，可 利用该程序进行优化设计，以降低生产成本。这些过程大大缩短了“样机制造 一测试一再制造”这一研制周期，同时也避免了使用昂贵的产品余量设计。 2 ) 具有多物理场福合的功能 a n s y s 有限元分析软件是融结构、热、流体、电磁、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式各样的耦合计算，如：热 结构耦合、磁一结构耦合以及电一磁一流体一热耦合，在p c 机上生成的模型同 样可运行于巨型机上，这样就确保了a n s y s 对多领域多变工程问题的求解。 3 ) 能解决一些特殊性质的工程问题 在某些环境中，样机测验是不方便使用或是不可能的，而利用a n s y s 软件， 己解决了一些这类问题，包括在生物医学中的应用。如髓部移植、人工晶体等。 其他代表性的应用包括重型设备零件、集成电路芯片以及连续挖煤设备的钻头 9 武汉理工大学硕士学位论文 固定系统的设计。 4 ) 2 减轻设计工 乍量，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，一般要由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较大的麻烦。a n s y s 有限 元分析软件的出现，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。 2 3 2a n s y s 特点 一、用户界面 尽管a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，但它友好的图形用户界面f g u i ) 及优秀的程序构架使其易学易用，该程序使用了其于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个功能，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，以协助使用有经验的用户进行 高级应用。a n s y s 开发了一套直观的菜单系统，为使用系统提供导航，用户输 入，可通过鼠标或键盘完成，也可以二者一起使用。 二、图形 安全交互图形是a n s y s 程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理 数据和在后处理中检查都是非常重要的。 a n s y s 的p o w e r g r a 口1 1 i c s 能够迅速地完成a n s y s 几何图形及计算结果的显 示，如此快速是由于几何图形是以对象而不是以需要重新组合的数据来储存的。 三、处理器 a n s y s 按功能作用可分为若干个处理器，包括一个前置处理器 ( p r e p r o c e s s i n g ) ，一个求孵处理器( s o l u t i o n ) ，通用后处理器 ( g e n e m l p o s l p r o c e s s 访g 时间历程后处理器( t i m e h i s t o r yp o s t p r o c e s s i n g 和几个高 级应用处理器。a n s y s 的前置处理器用于生成有限元模型，指定随后求解中所 需的选择项： a n s y s 求解器用于施加载荷及边界条件，然后完成求解运算；a n s y s 后处 理器用于获取并检查求解结果，以及对模型作出评价，进而进行其他感兴趣的 o 武汉理工大学硕士学位论文 计算。下面分别介绍： l 。前处理模块 单击主菜单中的“p r e p r o c e s s o r ”进入a n s y s 的前处理模块。这个模块主要 有两部分内容：实体建模和网络划分 1 ) 实体建模 a n s y s 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自项向下进行 实体建模时，用户定义个模型的最高级图元，如球，棱柱，称为基元，程序 则自动定义相关的面，线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型， 如二维的圆和矩形以及三维的块，球，锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向 上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体 模型。a n s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加，相减，相交，分割，粘 贴和重叠，在创建复杂实体模型时，对线，面，体基元的布尔操作能减少相当 可观的建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉，延伸，旋转，移动，延伸和拷 贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造，切线构造，通过拖拉与 旋转生成面和体，线与面的自动相交运算，自动倒角生成，用于网络划分的硬 点的建立，移动，拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图 元向上构造模型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 2 ) 网格划分，a n s y s 程序提供了使用便捷，高质量的对c a d 模型进行网格 划分的功能，包括四种网格划分方法；延伸划分，映像划分，自由划分和自适应 划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格，映像网格划分允 许用户将几何模型分解成简单的几个部分，然后选择合适的单元属性和网格控 制，生成映像网格。a n s y s 程序的自由网格划分功能是十分强大的，可对复杂 模型宜接划分，避免了用户对各个部分分别翅j 分然后进行组装时各部分网格不 匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后， 用户指示程序自动地生成有限元网络，分析、估计网络的离散性很差，然后重 新定义网络的大小，再次分析计算、估计网络的离散性很差，直至误差低于用 户定义的值域或达到用户定义的求解次数。 2 、求解模块s o l u t i o n 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。点击快捷 工具区的s a v ed b 将前处理模块生成的模型存盘，退出p r c p r o c e a s s o r ，点击主 菜单项的s o l u t i o n ，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分 武汉理工大学硕士学位论文 析选项和载荷数据选项然后开始有限元求解。 3 、后处理模块 a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块p o s t i 和时间历 程后处理模块p o s t 2 6 。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算 结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度和热 流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。 2 4 参数化程序设计语言( a p d l ) 简介 a n s y s 参数化设计语言( a p d l ，a n s y sp a r a m e t d cd e s i 印l a n g u a g e ) 是一 种解释性语言，可以用于根据参数来建立模型。a p d l 扩展了a n s y s 在传统有 限元分析范围之外的能力，并扩充了更高级运算，包括灵敏度研究、零件库参 数化建模、设计修改及设计优化。a p d l 包含许多特性，诸如参数、函数、循环、 宏和用户程序等。使用这些特性，用户可以创建一控制方案，使程序在特定的 应用范围内发挥最大效率。 a p d l 语言主要包括一下几个方殛f l 靶： ( 1 ) 参数的使用 参数是a p d l 的变量，在a n s y s 运行中的任意时刻都可以定义参数。参数 名称必须以字母开头，并且只能包含字母、数值和下划线，应避免参数名称与 a n s y s 内部命令或变量名相同。 在实际运用中最重要的工作是给参数赋值，有两种方法可以实现这项工作： a 使用+ s e t 命令直接赋值，如： + s e t ，p i ， 3 ，1 4 1 5 9 一将3 1 4 1 5 9 赋值给参数p i 也可以不使用+ s e t 命令，直接用“= ”来给参数赋值，如： p i = 3 1 4 1 5 9 将3 1 4 1 5 9 赋值给参数p i b 从数据库提取数据并赋值给参数 使用g e t 命令，如： g et n u k p ，l ( p ，o ，n 啪，m a x d 把当前关键点k p 的最大编号赋值给 参数n u k p 。 g e t ，x i ，n o d e ，l ，乙o c ，x 获取当前实体中节点n o d e1 的x 向坐标 值，赋值给参数x 1 武汉理工大学硕士学位论文 使用内嵌函数。a n s y s 定义了将近7 0 嵌函数，使用内嵌函数可以方便的 得到a n s y s 提供的数据。 常用的内嵌函数有：n s e l ( n ) 一节点n 的状态：d i s t n d ( ni ，n 2 ) 一节点 nl ，n 2 之间的距离；n o d e ( x ，y ，z ) 一距节点( x ，y ，z ) 最近的节点编号；u x ( n ) 一节点n 在x 方向的结构位移；p r e s ( n 卜一节点n 上的压力；等等。 f 2 1 数组参数 除了可以定义单一数值的参数外，在a n s y s 中还可以定义一维( 列) 、二维 ( 行、列) 和三维( 行、列、面) 数组参数。a n s y s 提供了3 种数组类型：a r r a y c h a r 和t a b 乙e 。 对数组参数的操作主要有： a 通过命令d i m 或者g u i 方式定义数组 例如：d i m ，x y z ，a r r a y 1 0 ，3 一定义名称为x y z 的数组类型为a r r a y ， 维数为1 0 x 3 x 1 。 b 对数组中的元素进行赋值： 有3 种方法可以实现数组元素赋值，常用的是用+ s e t 命令或“= ”给元素 赋值。 例如：t d i m ，a ，5 一定义数组a 为5 x l x l a ( 1 ) = 2 3 ， 4 8 ，5 1 ， 6 7 ，4 2 一给数组a 赋值。 另外还可以通过按列填充数组向量v f i l l ：交互式编辑数组向量+ v e d i t ： 或者通过数据文件实现数组元素的赋值v r e a d ，r i 、i e 等。 c 数组参数的运算 纵过命令函数或者g u i 方式可对数组参数进行向量或矩阵诸如复制、转置、 取绝对值或者乘以一比例因子等运算操作。 限于本文篇幅即实际使用需要，不详细解释数组方面的内容，具体可参照 有关a n s y s 参数化语一言方面的书籍文献。 ( 3 ) 宏 a n s y s 的宏是保存再宏文件( m a c ) 利的a n s y s 命令序列。可以将宏当作 是自定义的a n s y s 命令在a n s y s 运行过程中通过调用宏可以执行一系列的 a n s y s 命令。 可以在a n s y s 程序内部或使用文本编辑器建立宏文件。在a n s y s 内部建 立宏时，宏文件将自动存储在用户目录里。 宏的创建和调用可通过命令和g u i 方式实现： 武汉理工大学硕士学位论文 创建命令：+ c r e a i t ，f n 锄e ，e x t ， d i r 运行命令：+ u s e ，n a m e ，a r g i ，a r g 2 ， 如果宏文件的扩展名为m a c ，并且在宏的搜索路径中，那么就可以把宏当作 a n s y s 命令来运行，直接在输入窗口输入宏文件名即可。 ( 4 ) 循环和分支