（机械设计及理论专业论文）臂桥架起重机桥架结构参数化设计及有限元分析.pdf

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进行二次调用， 开发出了臂桥架起重机臂桥架系统参数化设计平台。该平台通过良好的用户平 台，对a n s y s 进行后台封装，设计人员只需输入设计参数，即可自动生成a n s y s 命令流，完成有限元模型的建立以及结构的分析计算，并能够实现桥架结构的 动态特性分析。 本文以臂桥架起重机桥架系统为研究对象，主要做了以下工作： 1 建立了臂桥架起重机的力学模型，从不同的幅度分不同的工况分析了臂 桥架结构各部分的受力。 2 利用a n s y s 提供的a p d l 语言建立了臂桥架起重机桥架结构的有限元 模型作为参数化设计的基础。 3 利用v i s u a lc + + 6 0 和a n s y s 软件开发出了一套方便、实用、可靠的臂 桥架起重机桥架系统结构有限元分析平台。 4 解析了参数化设计原理，研究了v i s u a lc + + 6 0 与a n s y s 的接口技术， 以及数据存取、传输技术。 5 以j q 4 5 2 2 型臂桥架起重机为例，应该自编软件对臂桥架系统金属结构在 拟定工况下进行结构静力学、动力学分析，得到各工况下的应力、应变以及动 力学特性指标。 关键词：臂桥架起重机；参数化设计平台；a n s y s ；二次调用；有限元分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o r tc o n s t r u c t i o n ，t h ed e m a n d i n gp e r f o r m a n c eo f m a c h i n e r ye q u i p m e n ti nt h ep o r th a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l y , d e s i g n i n gm e t h o d s o fp o r t m a c h i n e r yh a sb e e np a ym o r ea t t e n t i o nt os c i e n c e ，e c o n o m y , r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y h o wt oo p t i m i z et h ed e s i g nm e t h o d sa n di m p r o v ep r o d u c tp e r f o r m a n c eh a b e c o m ea f o c u so fa c a d e m i aa n db u s i n e s s f o rt h ep o r tm a c h i n e r y , b e c a u s eo fi t ss t r o n gs p e c i f i c a n dh i 曲p r i c e ，s od e s i g n i n ga n dp r o d u c t i o ni sc o n d u c t e db yt h eu s e r ss p e c i f i c r e q u i r e m e n t su s u a l l y , a n di nt h ed e s i g np r o c e s s ，o f t e nm a n yr e p e a t e dm o d i f i c a t i o n sa r e r e q u i r e dt oa c h i e v et h eo p t i m a lo f t h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e si nc o n s i d e r i n g h o w e v e r , t h ep r o d u c to fl i t t l ec h a n g ei nt h es t r u c t u r eo rt h em o r es t a b i l i t yi nd e s i g np r o c e s s r e q u i r es e l e c t i n gd e s i g np l a no rm o d i f y i n gt h es i z ea u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h e a c t u a ls i t u a t i o n ，s ot h ep a r a m e t r i cd e s i g ni sn e e d e d t h i sa r t i c l er e l i e so n ah i g h l ye f f i c i e n ta n s y sf i n i t ee l e m e n tc o m p u t i n gp l a t f o r m ， m a k e su s eo fi t sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) ，b yu s i n gt h ev i s u a lc 斗_ 卜6 0 p r o g r a m m i n gs o f t w a r ea sat o o l ，i n v o k e sa n s y s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rt h es e c o n d c a l l ，d e v e l o p e st h ej i b - b r i d g ec r a n es y s t e mp a r a m e t e r sd e s i g np l a t f o r m t h ep l a t f o r m p a c k a g e sa n s y s 0 1 1b a c k g r o u n dt h r o u g hg o o du s e ri n t e r f a c e ，d e s i g n e r sn e e ds i m p l y i n p u t i n gd e s i g np a r a m e t e r s ，t h e na n s y sc o m m a n ds t r e a m w i l lb ea u t o m a t i c a l l y p r o d u c e d ，t oc o m p l e t ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n ds t r u c t u r a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，a n d t oa c h i e v et h ed y n a m i cb r i d g es t r u c t u r ea n a l y s i s b yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c o m p u t i n gp l a t f o r m ，t h ew o r k l o a do fd e s i g n e ri sg r e a t l yr e d u c e da n dt h ed e s i g n e f f i c i e n c yi sg r e a t l yi m p r o v e d i nt h i sp a p e r , j i b b r i d g ec r a n eb r i d g es y s t e mi sa st h es t u d yo b j e 吒t h i sp a p e r m a i n l yd ot h ef o l l o w i n gw o r k s ： 1 e s t a b l i s h i n gt h ej i b - b r i d g ec r a n em e c h a n i c a lm o d e l ，a n a l y z i n ge a c hp a r tf o r c e o f b r i d g es t r u c t u r ef r o md i f f e r e n tr a n g ea n dd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f d i f f e r e n ta r n l 2 e s t a b l i s h i n gt h ej i b b r i d g ec r a n eb r i d g ef i n i t ed e m e n tm o d e lo ft h es t r u c t u r e 鹤ap a r a m e t r i cd e s i g nb a s i sb yu s i n ga p d l l a n g u a g ep r o v i d e db yt h ea n s y s n 3 u s i n gv i s u a lc + + 6 0a n dt h ea n s y ss o f t w a r et od e v e l o pac o n v e n i e n t ， p r a c t i c a la n dr e l i a b l ej i b - b r i d g ec r a n eb r i d g es y s t e mf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp l a t f o r m 4 a n a l y z i n gt h ep a r a m e t r i cd e s i g np r i n c i p l e ，s t u d y i n gi n t e r f a c et e c h n o l o g ya s w e l la sd a t aa c c e s sa n dt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb e t w e e nt h ev i s u a lc + + 6 0a n dt h e a n s y s 5 a st h ej i b - b r i d g ec r a n ef o re x a m p l e ，a n a l y z i n gs t a t i ca n dd y n a m i co ft h em e t a l s t r u c t u r ef o rt h ej i b - b r i d g es y s t e mi np r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sg e ts t r e s s ，s t r a i na n d d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i ci n d i c a t o r si ne a c hc o n d i t i o n k e yw o r d s ：j i b - b r i d g ec r a n e ；p a r a m e t r i cd e s i g np l a t f o r m ；a n s y s ；s e c o n dc a l l ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 一 一 目录 第l 章绪论1 1 1 岸边臂桥架起重机简介一1 1 2 起重机现代设计方法2 1 2 1 有限元设计方法2 1 2 2 优化设计方法3 1 2 3 可靠性设计方法3 1 2 4 动态仿真设计4 1 2 5 参数化设计4 1 3 论文研究的主要内容和意义5 1 3 1 研究的主要内容5 1 3 2 研究意义一5 第2 章参数化设计原理和实现方法7 2 1 参数化技术7 2 1 1 参数化设计技术概论7 2 1 2 参数化实现方法8 2 1 3 参数化设计步骤9 2 2 有限元技术9 2 2 1 有限单元法的应用9 2 2 2 有限单元法的发展一1 0 2 2 3 有限单元法的基本思想1o 2 2 4a n s y s 参数化设计语言a p d l 1 2 2 3 本章小结1 4 第3 章臂桥架起重机桥架结构力学模型1 5 3 1 臂桥架系统的结构形式1 5 3 2 桥架载荷分析1 6 3 3 桥架载荷组合17 i v 4 4 2 数据存取模块3 4 4 4 3v c + + 调用a n s y s 模块3 7 4 5 本章小结4 0 第5 章臂桥架起重机桥架结构有限元分析4 l 5 1 静力学分析4 l 5 1 1 载荷分析4 l 5 1 2 加载并求解4 2 5 2 模态分析4 5 5 3 瞬态分析5 0 5 4 本章小结5 5 第6 章总结与展望5 6 6 1 全文总结5 6 6 2 研究成果与创新点5 6 6 3 全文展望5 7 参考文献。5 9 致谢5 8 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文。6 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 岸边臂桥架起重机简介2 】【3 】 目前，岸边集装箱起重机主要有两大类型：门座起重机和桥式起重机。桥 式起重机装卸效率高、工作范围大，已成为岸边集装箱起重机的主要机型，但 是其重量大，成本高，对码头承载能力要求较高；而门座起重机具有重量轻、 成本低，而且对码头承载能力要求较低的特点，但是对于码头前沿集装箱装卸 作业，其性能远远比不上桥式起重机。比较两种机型，各自有各自的优点，但 是均存在一些问题。 针对现有门座起重机和桥式起重机对于岸边集装箱装卸作业所存在的问 题，武汉理工大学物流工程学院设计了一种新型的岸边臂桥架集装箱起重机。 其核心技术是采用臂桥架变幅系统，该系统结合了门座起重机和桥式起重机两 种机型的特点，在技术参数和工作性能上具有非常明显的先进性，主要表现在： 具有良好的结构受力及重量分布；具有较高的变幅速度，从而使起重机的装卸 效率大大提高；能够达到较较小的最小幅度，从而使起重机在海侧门腿内侧装 载、卸载成为可能，并使得该机型起重机不需要回转机构；通过优化设计得到 了良好的水平位移补偿效果和自重平衡的效果，减小了变幅机构的驱动功率。 臂桥架起重机总体示意图如图1 1 所示。 图1 1 岸边臂桥架集装箱起重机 武汉理工大学硕士学位论文 岸边臂桥架集装箱起重机的结构简单重量轻，成本较低，轮压较小，对码 头承载能力要求不高，码头与设备投资较小。总之，是一种装卸效率较高、设 备投资较低的港口集装箱专用起重机，适合中小港口和内河码头的集装箱作业。 臂桥架岸边集装箱起重机的技术经济性能优越，技术方案可行，有必要进一步 深入研究与开发。 1 2 起重机现代设计方法 1 2 1 有限元设计方法【4 】 有限元设计方法是在计算机的发展前提下，迅速发展起来并被越来越多的 设计人员所使用的一种现代设计计算方法。它是一种不直接求解基本方程和相 应的定解条件的近似解的方法，有限元设计方法以等效积分的形式出发，利用 简单但又相互作用的元素，即单元，分别求解，然后积分，通过这种方法就可 以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元方法产生以后被越来越多的应用到实际工程之中，为产品的结构设 计提供了一种很好很方便的近似求解方法，随着有限元理论的不断发展与完善， 以及电子计算机技术的广泛应用与深入研究，越来越多的通用的、专用的结构 有限元分析程序也大量涌现出来，其中，a n s y s 即为其中一种。通过使用这些 专用程序能够实现包括结构静力学分析、动力学分析、稳定性分析以及非线性 分析等等结构分析过程，给结构的分析提供了非常便利的手段，一般的工程结 构分析问题都可以直接用这些专用程序解决。利用这些专用软件的便利性，把 结构有限元分析与产品结构设计结合起来，形成产品分析、设计、制造一体化， 逐渐成为工程设计生产的发展趋势与方向，而其中有限元方法起着非常重要的 作用。 有限元分析的一般典型步骤包括：将实体结构划分为有限个单元；分 别对各个单元进行特性分析；将单元集合成一个整体；进行数值求解。 在起重机设计过程中，有限元方法已广泛应用于起重机金属结构的强度、 刚度及稳定性计算，分析模拟多种工况下的起重机受力及变形情况，以及起重 机在动态载荷作用下的动力学响应等等。通过使用有限元方法对起重机金属结 构的强度、刚度及稳定性进行校核，还可以通过疲劳分析来预测其使用寿命， 借助有限元专用软件的帮助，大大减少了设计人员的工作量，提高了起重机设 2 武汉理工大学硕士学位论文 计的效率和精确度。 1 2 2 优化设计方法 优化设计方法也是在电子计算机的发展下迅速出现的一种现代设计方法， 它在现代设计理论和方法中也占有着重要地位。优化设计是在产品设计时选定 力图改善的一个或者几个量作为目标函数，在一定的约束条件下，以数学方法 和电子计算机为工具，不断的调整设计参量，最后得到最佳的目标函数，以使 设计出来的产品达到最优的一种方法。 优化设计方法从其实现方法上来说，基本上可以归结为以下两大类1 6 】：一类 是数学方法，它是从解极值问题的数学原理出发，运用优选法和数学规划等各 种方法，求得一系列设计参数的最优解；另一类方法是准则方法，它是从结构 力学的原理出发，首先选定使结构达到最优的准则，而后再根据这些准则寻求 结构的最优解。 在传统的起重机结构设计方法中，除最简单的构建设计外，其余参数的确 定基本上都是通过设计人员首先凭借自己的经验和判断，选择和确定一种结构 方案，初选构建的截面尺寸，然后对其进行强度、刚度和稳定性的校核验算， 若校核通过则接受先前的方案，若通过不了则加大尺寸，不断反复地进行修改， 直到符合要求。对某些方案的修改和对为数不多的方案进行比较，同样是校核 性的，而所有的计算校核都只能是设计人员手工计算校核，因此，其计算工作 量非常庞大，而且事实上设计人员只可能做少量的方案比较，结构设计的优劣 很大程度上决定于设计者的经验和水平，但是即使优秀的设计者也很难全方位 的考虑到。这种被动的校核设计越来越不能满足现代设计的需求，如何从被动 的进行安全校核转变为主动的从各种可能的设计方案中寻求尽可能完善或者是 适宜的方案就是结构优化设计追求的目标。这对于像起重机这种对安全性能和 资金利用都有很高要求的大型机械来说，具有更迫切的意义。 1 2 3 可靠性设计方法 在现代港口工业中，随着起重机的作用越来越大，起升载荷越来越大，装 卸效率越来越高，使得港口对起重机的使用要求越来越高，同行业之间的竞争 越来越激烈，人们也越来越重视起重机的经济性和安全性。 可靠性设计需要考虑安全和经济两个方面，产品在生产出来之前，首先要 3 武汉理工大学硕士学位论文 确定该产品最小失效概率的一种机械设计方法，该种方法设计的目的就是在条 件允许的情况下，设计出可靠性高的产品，尽量避免发生产品失效的情况。可 靠性设计包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术检验、评定等工作【5 】。 目前，我国对起重机可靠性的研究主要处于对产品的可靠性试验、可靠性 指标评估和失效分析阶段。对起重机进行可靠性设计的研究非常必要，不仅可 以减少不必要的人力、财力损失，更重要的是通过事先的设计和预防，可以大 大减少安全事故的发生。通过可靠性设计方法，使得起重机的设计方法越来越 科学，设计的产品越来越安全可靠。 1 2 4 动态仿真设计【4 】 在实际工程应用中，对于一个实际的工程系统或者机械设备，不仅要考察 它的静态特性，还要考察它的动态特性，因为实际的工程系统和机械设备实际 上都是在多变的输入或干扰信号的动态作用下工作的。 在以往的起重机设计过程当中，由于设计者缺乏有效的理论和工具，往往 以静态设计为主，通过在静态参数的基础上乘上相应的动载系数，来模拟实际 的动态过程，显然这种设计方法具有一定的局限性，而且并没有真实的反应起 重机的受力状况。通过实验来准确分析起重机的动态性能是一种有效的方法， 它可以测量系统或设备在任意时刻所受的载荷和结构响应。但是，起重机通过 实验测试只能在产品制成以后，而这样做具有很大的风险，万一出现什么问题， 整台机器都要重新考虑，而且成本高、费时费工，因此这样做的可能性不大。 近年来，随着计算机的使用越来越普遍，国内外对起重机采用了新的动态仿真 设计方法，即用计算机对系统和设备在各种工况下所承受的载荷，运行状态及 随时间变化的过程进行动态模拟，得到仿真的参数和结果，以此来估计和推断 系统在实际运行中的各种数据，这就是动态仿真设计理论。 1 2 5 参数化设计【7 j 参数化设计是c a d 技术在实际工程应用中提出的新课题，它是在c a d 技 术应用领域内的一个重要的、且待进一步深入研究的课题。利用参数化设计方 法开发出来的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的人工绘图 和计算工作中解脱出来，从而可以大大提高设计人员的设计速度，并且在方案 修改起来时也方便不少。 4 武汉理工大学硕士学位论文 准确、快速、数据传递可靠是参数化程序设计最大的优点，尤其是对那些 机械构件的结构形式以及相结合的方式确定的结构设计。如果构件的结构形状 不发生任何变化，仅仅使其大小改变，就可以通过输入不同的几何参数来控制； 若结合方式不发生改变，便可设定一种关系类函数来控制其变化。 港口起重机各类型产品虽然有较大区别，但它们也有很多相同的地方，特 别是同类型产品，具有很强的相似性。多数情况下港口起重机为单件或小批量 生产，在设计过程中重复性强，任务量大，比较适合采用参数化技术进行设计。 为此本文以臂桥架起重机为研究对象，对其开展参数化的设计研究，探讨了参 数化的设计方法及a n s y s 的二次开发利用。 1 3 论文研究的主要内容和意义 1 3 1 研究的主要内容 本文依托a n s y s 这样一个高效的有限元计算平台，利用其提供的参数化设 计语言( a p d l ) ，以v i s u a lc 抖6 0 编程软件为工具，对a n s y s 进行二次开发 调用，开发出臂桥架起重机臂桥架系统参数化有限元分析平台。本文研究的主 要内容包括： 1 建立了臂桥架起重机的力学模型，从不同的幅度分不同的工况分析了臂 桥架结构各部分的受力。 2 利用a n s y s 提供的a p d l 语言建立了臂桥架起重机桥架结构的有限元 模型作为参数化设计的基础。 3 利用v i s u a lc 抖6 0 和a n s y s 软件开发出了一套方便、实用、可靠的臂 桥架起重机桥架系统结构有限元分析平台。 4 解析了参数化设计原理，研究了v i s u a lc h 6 0 与a n s y s 的接口技术， 以及数据存取、传输技术。 5 以j q 4 5 2 2 型臂桥架起重机为例，对臂桥架系统金属结构在拟定工况下进 行结构静力学、动力学分析，得到各工况下的应力、应变以及动力学特性指标。 1 3 2 研究意义 随着世界各国经济贸易的显著加强，国家对外进出口额逐年增加，而由此 带来的港口货运吞吐量也大幅度增长。为了适应货运量的激增和船舶大型化对 5 武汉理工大学硕士学位论文 装卸效率的迫切要求，各种起重机正在向着高效化、大型化、智能化的方向发 展。这些都导致了起重机的尺寸不断增大，载荷和自身重量不断增加以及对设 计效率、设计精度的更高要求。为了适应港口对起重机提出的更高要求，设计 人员应以最快的速度设计出与之相适应的起重机械产品，从而减少设计过程中 的重复劳动，缩短产品设计周期，适应市场经济的发展。 目前，我国跟发达国家相比在起重机的设计能力方面比较薄弱，同时设计 方法也较之落后，从而导致我国设计的起重机相比起来显得粗糙、笨重，不仅 浪费了过多的人力物力，还提高了制造成本，而设计的起重机质量还比不上国 外，使得我国制造的起重机在国际市场上没有多大的竞争力。另外，我国大多 数起重机设计人员对目前流行的一些先进的起重机设计软件不够熟悉( 如 a n s y s 等) ，不能很好的使用这些软件进行设计，从而使得起重机的设计过程 困难、周期长，如果出现设计中的问题时，修改起来也是一件很麻烦的事，不 仅费时费力，同时设计出的产品竞争力不强。如何让起重机的设计更加方便， 设计更加高效，如何让即使不会使用一些先进软件的设计人员也能够快速的进 行智能化设计是起重机现代设计方法追求的目标，也是本文研究的方向。 本文的研究目的就在于针对臂桥架起重机的桥架部分开发一套桥架部分结 构参数化设计系统。该系统以v c + + 为开发平台，利用a p d l 参数化设计语言建 立臂桥架起重机桥架结构的参数化模型，以及臂桥架起重机的加载及后处理等 过程，实现快速自动建模、简化设计、自动计算、方便修改的目的，使不熟悉 a n s y s 软件的起重机设计人员也能很方便的对臂桥架起重机进行结构设计。而 且，本文旨在应用一种a n s y s 二次开发的方法，以臂桥架起重机为研究对象， 对其进行参数化的有限元分析，这种方法可以应用到臂桥架起重机上面，也可 以扩展到其他类型的起重机以及一些其他类型的机械产品的设计上面，具有一 定的实用性和可行性。 臂桥架起重机具有门座起重机和桥式起重机两种机型的优点，同时也避免 了两种机型的缺点，具体表现在相比门座起重机其装卸效率大大提高、工作范 围增大，而相比桥式起重机，其造价和基础土建费用降低，而且对码头承载能 力要求降低。由此可见其优越性非常显著，非常具有市场前景。其中臂桥架系 统是该起重机最主要的组成部分，其金属结构的刚度、强度、稳定性等力学性 能对整机的正常运转都有直接影响，因此，对臂桥架起重机桥架结构进行深入 的研究分析具有很强的理论和现实意义。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章参数化设计原理和实现方法 2 1 参数化技术4 】【3 8 】 2 1 1 参数化设计技术概论 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 是现代c a d 技术在实际设计应用过程中被提 出来的，并随着计算机的普及迅速发展起来的一种很有使用价值的技术。在实 际工程设计中，设计方案往往需要经过多次反复的修改，对形状和尺寸要进行 综合协调和优化。而对于结构形式变化不大或者设计过程较为稳定的产品，需 要根据实际情况自动选择设计方案或修改尺寸，这时就可以用到参数化设计的 方法。 参数化设计使工程设计人员不需要考虑产品细节而快速准确地建立产品模 型，在产品设计过程中只需变动某一些约束参数即可更新设计，而不需要在设 计系列化产品时设计人员一次次地重新进行设计全过程。其方法就是用一组参 数来定义几何图形尺寸数值并约定尺寸关系，将这组参数提供给设计者进行几 何造型使用，设定的参数与设计对象的尺寸有显式的对应关系，设计者在设计 过程当中，可以直接通过这些参数来控制几何模型的尺寸。参数化设计在生产 中常用于设计对象的结构形状比较固定的产品，对于那些标准化的机构或结构 在设计过程中非常适用于用参数化设计。 参数化设计技术关键是要提取和表达几何约束关系、求解约束以及构造参 数化的几何建模。约束( c o n s t r a i n t ) 是通过采用某些限制条件或者规则来确定构件 和参数之间的关系。其特点是全尺寸约束、基于特征、尺寸驱动修改以及全数 据相关等。找到这些约束，并赋给相应的参数，便可以用参数来控制几何模型 的特征。 传统的起重机设计过程中，每个设计人员一般都会有不同的设计方案，另 外起重机的结构形式多种多样，相关的设计参数繁多，同时设计时涉及到的计 算工作量也特别大，设计人员工作效率低且容易出错，修改也很麻烦，在这种 情况下要找到一种很优的设计方案很不容易。显然这种传统的设计方法已经不 能适应目前工程机械设计发展的需要，而运用计算机即可以快速地得出较为准 7 武汉理工大学硕士学位论文 确的计算结果，然后可以对多个方案进行比较，从而可以很高效率的得出最优 化的设计结果。 因此，研制与开发新的专用参数化设计计算系统来快速设计出安全、经济、 合理、美观的起重机的要求已经迫在眉睫。为此，本文以臂桥架起重机为对象 详细研究了起重机参数化设计的方法。 2 1 2 参数化实现方法 图形参数化的实现需要有一个驱动来促使图形发生相应的改变，一般图形 参数化的实现有下面四种方法： 1 ) 尺寸驱动图形 选择尺寸作为参数，通过修改尺寸来自动修改几何模型，把设计图形的直 观性和设计尺寸的精确性有机的统一起来，建立几何尺寸和实际模型之间的双 向联系。只要改变尺寸参数，即会自动引起几何模型的修改，这种方法是一种 面向设计方法，它适合于系列化产品的设计。 2 ) 变量驱动图形 这种方法里面可以把尺寸、约束条件、工程计算条件等都可以作为设计变 量，这些设计变量可以是表达式，也可以是具体的参数数值。运用这种方式， 设计人员可以根据自己的习惯自行设定变量名称，并建立其与几何模型之间的 联系，当变量的数值改变时，设计模型也会相应的得到改变。 3 ) 用户元素驱动图形 如果物体或者零件具有确定的几何形状特征，则可将其设计成某一单一图 素，即用户元素，当使用时，就像插入基本的点、线、面一样，直接插入就可， 其所有的特征几何尺寸可以通过表或者变量取得。 4 ) 表格驱动图形 几何图形的驱动也可应用表格来实现，其步骤是首先将与设计相关的各种 相关数据通过表格的形式存储在对应的数据库中，其所有的表都有不同且独立 的名称，然后建立表中的记录数据与设计模型的对应联系，可以通过访问不同 表中的数据来实现使几何图形改变的目的。机械零部件中的标准件以及常用件 系列化的设计非常适合于此方法。 参数化设计就是建立上述四种图素( 即尺寸、变量、用户元素、表格) 对设计 模型中的几何量的约束关系。一旦在图形中建立起此种约束关系，当我们再想 8 武汉理工大学硕士学位论文 对图形中的某个或某几个几何量进行修改时，只需修改与该几何量相关联的参 数图素值即可，而无须直接对图形进行操作。 在本文对臂桥架起重机的参数化研究中，主要采用了变量驱动图形的方法 来实现参数化的设计研究。在建立参数化模型的过程中有很多跟臂桥架结构相 关的参数，有些参数的改变会引起臂桥架结构甚至其他性能的改变，而有些参 数的改变不会引起臂桥架结构的改变，这些参数的设计完全是出于工艺等方面 的考虑，所以需要进行适当的简化。所有这些参数的实现需要根据该参数对结 构影响的重要程度来采用不同的方法实现。 2 1 3 参数化设计步骤 参数化设计具有很多优越性，那么要怎样来实现参数化的设计，本文中大 致总结了以下几点参数化设计的步骤： 1 ) 通过对工程图形进行分析，提取其结构特性； 2 ) 对工程中需要参数化的变量进行分析； 3 ) 分析程序设计算法； 4 ) 编写程序； 5 ) 调试及运行程序。 参数化设计系统中的数据存储与传递是一个非常关键的问题。当修改完数 据后，即可完成新的数据的存储。而存储在指定位置文件中的数据同时也可以 通过程序调用来传递给后序的程序设计需要，且当再一次进入该系统的时候， 这些数据可以作为初始数据使用并显示给用户，这便是参数化程序设计的优点， 同时也是其关键技术所在。对于程序中数据的传递这一问题将在第五章中具体 说明。 2 2 有限元技术 2 2 1 有限单元法的应用 在传统的工程计算中，由于计算都采用手工计算的方法，不仅经常因人为 运算疏忽而造成错误，而且在模型的处理上经常为了方便计算，将几何结构及 边界条件等过于简化，使得计算结果往往与实际相差甚远，缺乏参考价值。有 限单元法的提出，使得模型结构的计算变的更加精确，有限单元法是基于工程 9 武汉理工大学硕士学位论文 的实际需要而产生的。 随着电子计算机的出现和发展，开发出了一系列非常方便、适用的有限元 分析软件，例如a n s y s 即为其中一种，而且这些软件目前已经广泛运用于机械、 水利、土建、冶金、桥梁、电磁学等等各个领域，成功解决了大型工程结构分 析的难题。有限元软件己经成为推动科技进步和社会发展的生产力，并且取得 了巨大的经济和社会效益。 2 2 2 有限单元法的发展 在寻求连续系统求解方法的过程，工程师和数学家从两种不同的路线研究， 却得到了相同的结果，即有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 。有限元法的思想 是利用有限个单元将实体或者说连续体进行离散化，离散化成有限个单元，然 后通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法【s 】。有 限单元法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，目前 借助计算机这样一个平台，已经开发出了很多种有限元专用分析软件，并且已 经成功运用于实际工程的各个领域。 对于有限元法的形成可以追溯n - 十世纪5 0 年代，它的起源来自于两个方 面，一个是固体力学矩阵结构法的发展，另一个是工程师对于结构相似性的直 觉判断。通过固体力学的角度，可以看到桁架结构等一些标准的离散系统与人 为分割以后形成的有限个区段的连续系统在结构上存在很大的相似性。有限元 法从第一次被以矩阵位移法的名称使用在弹性力学的平面问题里面 9 1 ，到1 9 6 0 年被正式以有限元法提出来，再到现在有限元法的普遍使用，可以说是经历了 许多曲折但是也得到了巨大的发展。 我国的力学工作者为有限元方法的初期发展做出了许多贡献，其中比较著 名的有：陈伯屏( 提出了结构矩阵方法) ，钱令希( 提出了余能原理) ，钱伟长、 胡海昌( 广义变分原理) ，冯康( 有限单元法理论) 等等。遗憾的是从1 9 6 6 年 开始的近十年期间，我国的研究工作受到了阻碍。 有限元法不仅能够应用于结构分析，还能解决归结为场问题的工程问题， 从二十世纪六十年代中期以来，有限元法得到了巨大的发展，为工程设计和优 化设计提供了有力的工具。 2 2 3 有限单元法的基本思想 有限单元法的基本思想是首先将求解域离散为有限个单元，单元与单元之 l o 武汉理工大学硕士学位论文 间只在节点处相互连接，即原始的连续求解域用有限个单元的集合近似的代替 了。其中，单元是指原始结构离散后，满足一定的几何特性和物理特性的最小 的结构域；节点就是单元与单元之间的连接点。在有限元模型中，相邻的单元 的作用只通过节点传递，而单元边界不传递力，这是离散结构与实际结构的重 大差别。其次，对每一个单元选择一个简单的场函数近似的表示真实场函数在 其上的分布规律，该简单函数可由单元节点上的物理量来表示，通常称为插值 函数或位移函数。再次，基于问题的基本方程，建立单元节点的平衡方程，即 建立单元刚度方程。最后借助于矩阵表示，把所有的单元的刚度方程组合成整 体的刚度方程，这是一组以节点物理量为未知量的线性方程组，引入边界条件 求解该方程即可。 在有限单元法中，大致有三种方法可供选择：选择节点位移作为基本未知 量的方法称为位移法；选择节点力作为基本未知量的方法称为力法；取一部分 节点力和一部分节点位移作为基本未知量的方法称为混合法。由于位移法更容 易实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最广。 有限单元法分析计算的思路和方法可归纳为如下几点i l l 】： ( 1 ) 物体的离散化 将原有物体的结构离散化，剖分成具有一定的物理特性和几何特性的单元， 这些被剖分的单元与单元之间以节点的形式相互连接在一起，成为这些单元之 间传递力、力矩和位移的纽带。单元划分的精细程度根据所要描述问题的精确 程度而定，划分的越精细则计算结果越准确，但是其耗费的时间越长。有限元 计算分析获得的结果也只能说是近似的结果。 ( 2 ) 单元特性分析 当采用位移法时，物体和结构离散化之后，就可以把单元中的一些物理量 如位移、应变和应力等用节点位移表示。对每一个单元选择一个简单的场函数 近似的表示真实场函数在其上的分布规律，该简单函数可由单元节点上的物理 量来表示，通常称为插值函数或位移函数，其函数可表示为： y = 口，仍，其中a l 是待定系数，仍是与坐标有关的某种函数【1 2 】。 f ( 3 ) 单元组集 借助于矩阵表示，把所有的单元的刚度方程组合成整体的刚度方程组。即 把各个单元按照实际结构参照结构的边界条件和力的平衡条件以节点的方式连 接起来得到整体的有限元方程如下l l3 】： 武汉理工大学硕士学位论文 k q = f 式中k _ 一整体结构的刚度矩阵； q 节点位移矩阵； 卜_ 载荷列阵。 ( 4 ) 求解未知节点位移 通过求解有限元方程组得出节点位移，可以根据方程组的具体特点来选择 合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分 一合”，“分”即将整体分为有限个单元进行分析，“合”则是将各个单元合为整体 进行综合分析。通过这样一分一合就可以得到结构的近似解。 2 2 4a n s y s 参数化设计语言a p d l 1 9 】【2 0 】 ( 1 ) a p d l 简介 a p d l ，全称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 ，是a n s y s 自带的- n 脚 本语言，它可以用于自动实现有限元的常规分析操作或者通过参数化变量的方 式建立分析模型来完成一些通用性强的任务。利用这种脚本语言，为用户提供 了一种自动完成有限元分析过程的智能化分析手段，同时，也使得a n s y s 的参 数化设计成为可能。a p d l 允许复杂的数据输入，如分析模型的尺寸、材料的性 能、载荷、边界条件施加的位置、大小和划分网格的密度等等。a p d l 扩展了传 统有限元分析的范围，不仅可以用于根据来建立模型，而且扩展了更高级的运 算包括灵敏度分析、零件库参数化建模，同时，它是实现优化设计、参数化设 计和自适应网格划分的最主要的基础，为日常分析提供了便利。 a p