（机械设计及理论专业论文）单梁桥式起重机静动态分析系统开发.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：蓬= ：至日期：丝! 厶垒丛 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：态。1 卫 导师( 签期知似，诊 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 单梁起重机广泛用于工厂、仓库、料场等不同场合，数量巨大。传统的设 计分析方法中，是对每一台设计的起重机根据其尺寸参数，利用材料力学原理 对其进行受力分析计算，在计算过程中不仅有着大量的简化处理，另外也会耗 费大量的时间在手工计算上，其准确性得不到很好的保证。 随着如a n s y s 、a d i n a 、a b a q u s 、m s c 等有限元软件的发展，现在可 以采用有限元软件进行建模分析，这样大大减少了手工计算量并提高了计算准 确性，但是也要耗费大量的建模时间，另外对于不会有限元分析软件的设计人 员来说，也是个很大的问题。所以研究并开发一套参数化的分析系统是很有必 要的，让其提供良好的易沟通的人机界面，供使用者只要输入相关参数，就可 由计算机自动完成模型的建立和应力、位移、模态、稳定性，动态等各种分析， 并将结果友好的显示出来。这样的参数化分析系统将大大减少重复性的建模分 析过程，并且由于引进了动态分析，比传统的静力分析更具可靠性，从而提高 企业的设计分析的可靠性及效率，加快产品的研发，另外也可以被检测部门用 来对单梁起重机的结构进行检测分析，只要现场操作软件即可。 本文主要利用v i s u a lc + + 开发工具将a n s y s 的参数化技术结合在一起，开 发出了一套单梁起重机的参数化分析系统，其主要研究内容如下： 1 l 利用a p d l 语言参数化建立两种主梁截面的单梁起重机的有限元模型，并编 写相应的参数化加载、计算以及提取结果的a p d l 命令流。 2 ) 进行了单梁桥式起重机的静力分析、模态分析、谐响应分析以及瞬态冲击分 析等方面的研究。并编写相应的a p d l 命令流，以作为v c 开发参数化系统 的基础。 3 ) 研究了v c 6 0 与a n s y s 的接口技术以及相互之间的通信技术，利用v c 对 a n s y s 进行封装。 4 ) 利用v c 结合a n s y s 开发了一套集参数化建模，应力、位移、稳定性、模 态、以及动态分析于一体的分析软件。 关键词：v i s u a lc + + ，a n s y s ，a p d l 参数化，软件接口，动态分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n g l eb e a mc r a n ei sw i d e l yu s e di nf a c t o r i e s ，w a r e h o u s e sa n do t h e ro c c a s i o n s ，a h u g en u m b e r i nt h et r a d i t i o n a ld e s i g na n a l y s i sm e t h o d , w es h o u l dd ot h ef o r c e c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sw i t ht h em a t e r i a lm e c h a n i c sp r i n c i p l e ，a c c o r d i n gt oe v e r y c r a n e ss i z ep a r a m e t e r s ，i nt h ec a l c u l a t i o np r o c e s sn o to n l yh a sal o to fs i m p l i f i e d t r e a t m e n t , a l s ow i l ls p e n dal o to ft i m ei nam a n u a lc a l c u l a t i o n ，i t sa c c u r a c yc a nn o t g e tg o o dg u a r a n t e e w i t hf i n i t ed e m e n ts o f t w a r ed e v e l o p m e n t , s u c ha sa n s y s ，a d i n a ，a b a q u s ， m s c e t c ，w ec a nd ot h ef o r c ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i sw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f h v a r e , t h i sg r e a t l yr e d u c e st h em a n u a lc a l c u l a t i o na n di m p r o v e st h ec a l c u l a t i o na c c u r a c y , b u t a l s ow a n tt os p e n dal o to ft i m ef o rm o d e l i n ga n di ti sab i gp r o b l e mf o rd e s i g n e r s w h oc a l l tu s et h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i ss o 行w a l f i s os t u d ya n dd e v e l o pas e t + o f p a r a m e t e r i z e da n a l y s i ss y s t e mi sv e r yn e c e s s a r y , l e ti tp r o v i d eg o o dh u m a n - m a c h i n e a n de a s yc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ef o ru s e r sw h o j u s te n t e rt h er e l a t e dp a r a m e t e r sa n d c a nl e tc o m p u t e rf i n i s ha n a l y s i so fm o d e l i n ga n ds t r e s s ，d i s p l a c e m e n t , m o d a l ，s t a b i l i t y , d y n a m i c ，e t ca u t o m a t i c a l l y s u c hp a r a m e t r i ca n a l y s i ss y s t e mw i l lg r e a t l yr e d u c et h e r e p e a t a b i l i t yo fm o d e l i n ga n a l y s i sp r o c e s sa n db yi n t r o d u c i n ga nd y n a m i ca n a l y s i s ， m o r er e l i a b l et h a nt r a d i t i o n a ls t a t i ca n a l y s i s ，s oa st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d e f f i c i e n c yo ft h ee n t e r p r i s e sd e s i g na n a l y s i s ，s p e e du pp r o d u c td e v e l o p m e n t , a l s oc a n b eu s e df o rt e s t i n gd e p a r t m e n t0 1 1i n s p e c t i o na n da n a l y s i so fs i n # e - g i r d e rc r a n e s s t r u c t u r e ，a sl o n ga so p e r a t i o ns o f t w a r ea tt h es c e n e t h i sp a p e rm a i n l yu s i n gv i s u a lc + + d e v e l o p m e n tt o o l s ，a n s y sp a r a m e t r i c t e c h n o l o g yt o g e t h e r , d e v e l o p e das e to fs i n g l e - g i r d e rc r a n ep a r a m e t r i ca n a l y s i s s y s t e m ，i t sm a i nr e s e a r c hc o n t e n ta sf o l l o w s ： 1 ) u s i n ga p d ll a n g u a g ep a r a m e t r i ce s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft w o s i n g l e - g i r d e rc r a n eg i r d e rs e c t i o n ，a n dc o m p i l ea p d lc o m m a n df l o wa b o u t p a r a m e t r i cl o a d i n g , c a l c u l a t i o n , a n de x t r a c t i o no fr e s u l t s ； 2 ) t h es t a t i ca n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ，h a r m o n i ca n a l y s i sa n di m p a c ta n a l y s i s s i n g l e - g i r d e rc r a n e a n dc o m p i l ec o r r e s p o n d i n ga p d lc o m m a n df l o w ，a st h e i i i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 单梁桥式起重机的发展1 1 2 课题研究目的和意义1 1 3 与课题相关的国内外研究状况2 1 4 课题的研究内容及主要关键性问题3 1 4 1 本文研究的主要内容3 1 4 2 拟解决的关键问题3 第2 章单梁桥式起重机有限元模型的建立4 2 1 有限元理论4 2 1 1 有限元法的特点4 2 1 2 有限元法分析的过程4 2 2a p d l 的特性及其使用。5 2 3 单梁桥式起重机的参数化模型的实现方法6 2 3 1 主梁截面的自定义6 2 3 2 整机结构参数化模型的建立1 0 2 4 本章小结1 9 第3 章单梁桥式起重机的静态分析2 0 3 1 静态特性分析简介2 0 3 1 1 主梁静力学分析模型2 0 3 1 2 危险截面2 0 3 2 计算载荷与载荷系数2 l 3 3 载荷组合及加载2 1 3 4 约束条件2 4 3 5 求解及输出结果2 4 3 6 结果显示2 8 3 7 本章小结3 0 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章参数化分析系统静态分析应用实例31 4 1 主梁截面板厚对强度和刚度的影响3 1 4 2 主梁为箱型工字梁31 4 3 主梁为箱型梁3 4 4 4 本章小结一3 7 第5 章单梁桥式起重机的模态分析3 8 5 1 模态分析简介3 8 5 2 模态分析理论基础3 8 5 2 1 固有频率和主振型3 8 5 2 2 自由振动的一般解4 0 5 3 基于a n s y s 模态分析的方法4 2 5 3 1a n s y s 模态分析简介。4 2 5 3 2a n s y s 模态分析方法4 2 5 4 单梁桥式起重机模态分析系统开发4 4 5 4 1 模态分析的分析计算4 4 5 4 2 模态分析的结果显示4 7 5 6 本章小结5 0 第6 章单梁桥式起重机的谐响应分析5 1 6 1 谐响应分析的概念。5 l 6 2 谐响应分析基本理论5 1 6 3 基于a n s y s 的谐响应分析5 3 6 3 1a n s y s 谐响应分析概述。5 3 6 3 2a n s y s 谐响应分析的方法5 4 6 4 单梁桥式起重机谐响应分析系统的开发5 5 6 4 1 谐响应参数输入5 5 6 4 2 谐响应的分析计算命令流5 6 6 4 1 谐响应的结果显示5 7 6 5 本章小结5 8 第7 章单梁桥式起重机的瞬态动力学分析6 0 7 1 瞬态动力学分析的概念6 0 v 参考文献7 4 致 射7 7 攻读硕士学位期间发表的论文及科研项目7 8 v i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 单梁桥式起重机的发展 伴随着工业生产的现代化进程，作为物料搬运的单梁桥式起重机得到越来 越广泛的应用，并且对其设计的安全性和稳定性等提出了越来越高的要求。在 单梁桥式起重机的设计研发中，除了传统的静力分析外，动态分析得到了越来 越多的应用。单梁桥式起重机的轻量化，智能化，以及更高的稳定性和可靠性 将是未来发展的方向。对于企业而言，则还需要更快的研发周期，以提高市场 应对能力和产生更高的经济效益。另外，对于已经大量使用的单梁桥式起重机， 检测部门需要定期对其进行检测，在检测时，也需要有限元结果作为参考，快 速对危险部位进行检测，同时将检测结果与计算结果进行比较，使检测结果更 准确。 1 2 课题研究目的和意义 单梁桥式起重机的主梁是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。长期以来单梁起重机的钢结构是采用的许用应力设计法， 即用材料的屈服极限除以一个经验的安全系数得到许用应力，使结构在最恶劣 的工况下的最大应力小于许用应力，而对于材料采用均匀性，连续性，各向同 性等弹性体假设，这样的设计受到载荷大小、位置、时间变化、方向以及材料 等影响，只能在静强度上保证其安全性，而在结构的可靠性，稳定性等方面无 法保证，另外，也可能出现过于保守的设计，从而增大结构的自重，造成材料 的浪费。 对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 最不利位置时，各种最危险的载荷组合。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，而对起重机在起吊载荷到整个工作完成过程中的动力响应等均不知晓 【l j 0 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 武汉理工大学硕士学位论文 度计算已经不能满足设计要求，对主梁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。【l 】 本文的第一个主要研究目的是采用有限元法研究起重机的瞬态特性，对主 梁结构在突然起吊的瞬间进行瞬态分析，以求得到这一过程主梁的动力响应， 并用计算机仿真。 本文的第二个主要研究目的是采用有限元方法研究起重机结构的动态刚 度，在起吊载荷的时候，分析主梁结构，以确定整个结构的固有频率和振型。 其意义在于：不仅为某台起重机的主梁结构提供具体的动载荷参数，而且更重 要的是探求同一类梁结构的动力学特性，对主梁结构的设计质量和起重机的正 确运行提供一些有用的参考。 一 本文的第三个研究目的就是利用v c 6 0 结合a n s y s 软件开发出一套集成静 力、稳定性分析以及上述动力分析于一体的参数化分析系统。由于单梁桥式起 重机的结构形式类似，具有一定的相似性，不同的只是各个部位尺寸参数及板 厚参数不同，因此常常重复性的建模，这样将耗费大量的时间，所以有必要开 发一套集参数化建模，静力分析，动力分析等功能于一体的参数化分析系统， 以供技术人员很方便的在输入单梁桥式起重机各尺寸参数和载荷等情况下，就 能很快的进行静力，动力，稳定性等方面的分析，提高分析的速度以及使不会 使用a n s y s 软件的工程人员也可以进行各种受力分析。 1 3 与课题相关的国内外研究状况 随着工业的发展，对起重机械提出了更新的要求，具体表现在：起重机械 大型化；运输机械连续自动化；装卸机械追求高效率，自重轻；机电，人机工 程一体化。为满足以上要求，必须要使计算机的设计进入创新，高质量，高效 率的新阶段。 在国外，利用有限元分析软件的二次开发或者结合各种开发平台，开发适 合各种特定型式的起重机分析系统已经成为发展的趋势，借助通用有限元软件 的功能来开发专业化程度较高的专用分析系统可以提高对起重机分析的准确性 和效率，进而使设计更加合理安全，设计周期进一步缩短。 2 武汉理工大学硕士学位论文 国内对于起重机的结构分析部分还停留在通过二维图纸，利用大型通用有 限元软件来进行模型的建立，然后进行各种载荷的施加，最后提取分析结果， 这样对于某一特定型式的起重机结构，会产生重复建模的情况，不仅浪费时间， 而且错误率会提高。近年来，对于专用分析系统的开发已经得到了很多的重视， 企业也开始注重开发适合本企业产品的分析系统。 1 4 课题的研究内容及主要关键性问题 1 4 1 本文研究的主要内容 本论文以单梁桥式起重机为研究对象，运用有限元分析理论和动力学理论， 利用a n s y s 的二次开发语言a p d l 和v c 6 0 开发平台，开发一套适用于单梁 桥式起重机结构分析的静动态分析系统，可进行结构的静态分析、稳定性瓮析、 模态分析、谐响应分析以及瞬态分析。 1 4 2 拟解决的关键问题 1 ) 采用有限元方法来对起重机结构进行模态分析，得到整个结构的固有频 率和振型。 2 ) 对主梁在突然起吊时受到动载荷冲击的瞬间进行瞬态动力分析。在有限 元参数化模型的基础上编写进行瞬态分析的a p d l 命令流，该瞬态分析可以实 现当吊载在主梁跨中位置以常用的加速曲线起吊时的主梁结构的瞬态动力分 析。获得主梁在突然起吊时的瞬态动力响应，提取结果为位移一时间的动态响 应曲线，并对结果进行分析。 3 ) 参数化实现主梁结构的关键点在承受指定频率范围，指定幅值的简谐载 荷作用下的谐响应分析，提取频率一位移曲线，并对结果进行分析。 4 ) 基于v c 的平台利用a n s y s 的a p d l 语言进行单梁起重机参数化分析 系统的开发，开发出的参数化系统可实现静力、动态( 上述三点的内容) 以及 稳定性的分析。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章单梁桥式起重机有限元模型的建立 2 1 有限元理论 2 1 1 有限元法的特点 有限元法是工程技术领域内常用的数值模拟方法，它的基本思想可以概括 为：“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 划分为许多容易分析的单元，通过一些节点把有限个单元连成集合体代替原来 的连续体或结构，即把连续体转化为离散模型来进行力学分析。根据分块近似 的思想，选择适当的插值函数近似的表示单元内位移的变化规律，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 特性的整体代数方程组，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、有限差分法的不同之点在于，它是从力学模型上采 用分块近似，避免了求解微分方程这一繁难的环节。有限元法在理论推导中采 用了矩阵方法，在实际计算中采用电子计算机，因此，它具有下列一些优点：【2 】 物理概念清晰，理解和掌握比较容易； 适应性强，应用范围广泛，能够灵活的解决许多具有复杂的工况和边界 条件的问题； 由于采用矩阵进行表达和运算，因此编写计算机程序很方便。 2 1 2 有限元法分析的过程 有限元法分析结构或力学问题时有三种方法：力法、位移法和混合法。力 法以应力为基本未知量进行求解，基本结构上任意一点的总位移等于多余未知 力和原荷载分别作用时所产生位移的总和，也就是所有的力在任意位置上产生 的变形之和为零，因此力法可以称之为位移协调法。位移法以位移为基本未知 变量进行求解。混合法二者皆有：一部分以位移为未知量，另一部分以力为未 知量。三者相比较，位移法方法简单，思路清晰，在结构分析中应用广泛。【l 】 用有限元法的基本思想是：i l j 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 对求解域或结构离散化。从数学的角度来说，就是将微分方程近似的 转化为代数方程组。离散化的作用是将求解域用点、线、面划分为有限个具有 一定几何形状的单元，单元之间以节点连接。单元的数量根据结构的具体情况 和精度要求而定。 虽然有限差分法也需要对求解域进行离散化，但二者的离散化方式不同。 有限差分法是直接以问题的控制方程为出发点，通过网格划分和差商代替微分 进行离散。而有限元法是把微分方程的边值问题转化为等价的变分问题，通过 区域划分对泛函进行离散，使用变分原理得出方程组。 ( 2 ) 选择位移函数。位移函数又称形函数，是表示单元内任意点的位移随 位置变化的关系。由于位移函数是按函数插值理论用单元节点位移表示的，所 以不能精确地反应单元内真实的位移分布，这就是有限元法的场近似。 ( 3 ) 确定并集合单元刚度方程，形成有限元法的基本方程。在确定单元类 型和位移函数后，即可建立单元方程。遵循相邻单元在共同节点处位移相同的 原则，进行整体分析，把单元刚度方程集合起来，形成求解域的刚度方程。 ( 4 ) 求解节点位移，并根据节点位移计算出单元应力和应变。根据边界条 件求解基本方程，得出节点位移，得到的位移后就可以根据弹性力学的几何方 程和物理方程来计算应力和应变。 2 2a p d l 的特性及其使用 a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 是一门可用来自动完成有限元常规分析 操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立智能化分析的手 段为用户提供自动完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为根据指定的函 数、变量以及选用的分析类型来做决定，是完成优化设计和自适应网格的最主 要的基础。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，如分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、边界条件施加的位置和网格 的密度等。【3 】 a p d l 具有下列功能，在本文中，被组合使用。【3 】 标量参数 数组参数 表达式和函数 分支和循环 5 武汉理工大学硕士学位论文 重复功能和缩写 宏 用户程序 本文中利用a p d l 语言编写单梁桥式起重机的结构的参数化模型，对于各 尺寸参数，都采用参数代替，在后面和v c 封装后，将v c 界面输入的尺寸的具 体数值赋值给a p d l 命令流中的相对应的参数，从而实现参数化建模。 2 3 单梁桥式起重机的参数化模型的实现方法 2 3 1 主梁截面的自定义 a n s y s 的建模方式有直接建模和实体建模两种方法，直接建模就是直接通 过建立节点以及截面连接单元，实体建模是先建立模型的几何形状，然后通过 划分单元形成有限元模型。本文中采用的是直接建模的方式。 本文中研究的两种主梁截面型式的截面图如下： 图2 - 1 箱型工字梁截面图2 2 箱型梁截面 图2 1 所示为箱型工字梁截面，用型钢或钢板与工字钢组成的主梁形式，电 动葫芦以工字钢下翼缘板为轨道。图2 - 2 所示为箱型梁截面，由上盖板和下盖 板以及腹板组成封闭的箱形截面的实体板梁结构，葫芦沿箱形梁下翼缘板运行。 由于箱型工字梁截面特殊，在a n s y s 截面库中没有其相对应的截面型式， 所以，采用b e a m l 8 8 单元进行自定义截面。b e a m l 8 8 单元能很好的应用于线 性分析，大偏转，大应力的非线性分析。 6 塑婴三盔兰堡主兰焦笙壅 单梁桥式起重机的主梁在承受载荷时，通常其主梁中部的应力最大，因此 在起重机的设计时，为合理利用材料，其截面尺寸是随着其长度方向变化的， 中间最大，两端逐渐缩小。两种截面型式对应的主梁的主视图如图2 3 和图2 - 4 所示。 =l - i 广) 挝中心面 l o 11 r - i i l i ； p q f 二 e l j 聱 l j | | _ c 1 r - 一 一 s 一 图2 - 3 箱型工字梁截面型式的主梁 图2 - 4 箱型梁截面型式的主梁 由于同一主梁的截面尺寸是变化的，因此在进行建模时，需要根据其尺寸 建立很多个截面，为了实现这一目的，将主梁截面在a n s y s 中进行自定义的参 数化a p d l 命令流写成宏文件，这样，在建模过程中，根据主梁各段截面的参 数，调用宏文件，则可生成相应的b e a m l 8 8 的自定义截面，供连接单元时使用。 在a n s y s 中，宏是包含一系列a n s y s 命令并且后缀为m a c 的命令文件，宏文 件往往记录一系列频繁使用的a n s y s 命令流【3 1 。这里建立自定义截面的命令正 是需要频繁使用的a n s y s 命令流。 7 ! 建五个面( 多建面，对单元划分有好处) a l ，m l ，m 3 4 ，m 2 ，m 3 3 a l = r e t u r n a l ，m 2 3 ，m 1 5 , m 1 9 ，m 2 1 ，m 1 7 ，m ll ，m 9 ，m 7 a 9 = - r e t u r n 命令流中的a r g l 是a n s y s 中宏的默认参数，在a n s y s 中调用宏文件时， 调用命令后面给定的参数会按顺序赋值给a r g l ，a r g 2 等。这里，当a r g l ， a r g 2 获得传入的参数值后，a r g l ，a r g 2 等再将其值赋给对应的截面尺寸参 数，这样，输入的参数就可以传递给命令流，进行截面的建立，实现参数化的 建模。由于在a n s y s 中使用l 和a 命令进行线和面的建议时，建立的线的线 号和面的面号是a n s y s 自动分配的，而在后面的程序中，为了对每一条线进行 单元划分的段数设置，以及对面进行相应的划分网格和合并等处理，需要存储 a n s y s 自动给每一条线和面的分配的线号和面号，所以命令流中用m l - - r e t u r n 和a l = r e t u r n 语句来存储线号和面号。r e t u r n 命令的作用就是返回上一步命令 流所建立几何模型的编号。 武汉理工大学硕士学位论文 在利用b e a m l 8 8 自定义截面建立变截面梁时，需要梁的两端所自定义的截 面的单元网格完全一样，否则将不能进行相对应的映射，建议的模型会出现畸 形，导致建模失败。而a n s y s 在自动划分网格时，如果不进行几何模型单元划 分的控制，同一个截面，如果尺寸大小不一样，则划分的网格会不一样。为了 使进行有限元单元建立时所需要的两端的截面之间能很好的进行映射，要保证 b e a m l 8 8 自定义截面的单元划分完全一致，所以需要在将截面几何模型进行划 分单元前，进行几何模型的单元划分控制，这里采用将几何模型的边设定划分 为固定段数的方法，命令流如下： l e s i z e ，m l ，1 2 l e s i z e , m 3 6 ，1 截面的几何模型建好并进行每一条线的单元划分段数控制之后就可进行网 格的划分，这里采用的是p l a n t 8 2 单元来对截面进行网格划分，命令流如下： t y p e ，2 a s e l ，a l l a a t t ，2 a s e l ，a l l m s h a p e , 0 ，2 m s h k e y , 0 a m e s h ，a l l 生成有限元模型后，将截面写入到a n s y s 中，以供建立主梁有限元模型时 使用，命令流如下： s e c w r i t e ，a r l 7 ，s e c t ，2 1 截面写成文件 s e c t y p e ，a r l 7 , b e a m ，m e s h ， ! 设置要读进来的截面的i d 号，单元类型， 是自定义截面 s e c o f f s e t ，o r i g i n ， ! 设置节点在截面中的位置 s e c r e a d ，a r l7 ，s e c t , ，m e s h ! 读进自定义截面 a s e l a l l! 选择所有的面 a c l e a r , a l l ! 清除网格 a d e l e , a l l ，11 清除所有的面以及上面的线、点等 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 后面可以继续创建自定义截面库2 ，3 ，4 n 由于在a n s y s 的同一个工作文件中需要建立多个自定义截面，自定义截面 9 武汉理工大学硕士学位论文 建完后再进行整机结构的建模，所以需要在每建完一个自定义截面，并且写入 到a n s y s 截面库中后，删除所有的几何模型和单元模型，依次重复这些步骤建 立完所有的截面，否则将影响自定义截面的建立以及截面建立完成后的整机模 型的建立。将b e a m l 8 8 白定义的截面写入到a n s y s 中后，在a n s y s 中进行 查看的结果如图2 5 。 图2 - 5 自定义截面 2 3 2 整机结构参数化模型的建立 ( 1 ) 参数化建模尺寸输入 本文研究的单梁桥式起重机的主梁的结构图如图2 3 和图2 - 4 ，前者对应的 截面形式为箱型工字梁，后者对应的截面形式为箱型梁，如图2 1 和图2 2 。以 箱型工字梁主梁为例，设定主梁的几何中心为整个模型坐标系的原点，从而进 行参数化的建模。对于整机结构而言，只要确定关键的尺寸参数，其他的尺寸 就可以通过计算得到，因此在v c 开发的结构尺寸输入界面中，只需要输入关键 的参数即可，本例中的参数如图2 1 和图2 2 中所标示，图2 1 中的截面参数在 v c 的输入界面中表示的是主梁中间的截面参数，主梁两端变截面处的截面参数 可通过中间的截面参数以及主梁的长度等尺寸通过插值计算得到。 v c 开发的箱型工字梁截面的尺寸参数输入界面如图2 - 6 所示。图2 - 6 左边 是主梁截面示意图，右边是工字钢的示意图。参照其上的尺寸标注在输入框中 输入各尺寸参数的值，单位均为m m 。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 图2 6 箱型工字梁截面尺寸参数输入界面 由于工字钢是标准件，因此在单梁桥式起重机参数化分析系统中建立了一 个工字钢的数据库，在输入工字钢的尺寸参数时，除了选择手动输入外，也可 以选择从工字钢库中进行导入，实现方便、准确的参数输入。本系统中工字钢 数据库是一小型数据库，使用者可以在里面进行各种型号工字钢尺寸参数的添 加以及对已有数据的删除。工字钢数据库导入界面如图2 7 。 主梁结构的尺寸参数输入界面如图2 8 所示。 图2 7 工字钢数据库导入界面 图2 8 主梁尺寸参数输入界面 ( 2 ) 尺寸错误及干涉检查 在v c 开发的界面中输入尺寸参数后，在v c 调用a n s y s 软件之前，需要 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 对输入的参数进行检查，防止错误的输入以及或者输入的各参数之间相互干涉， 如果输入错误，则停止调用a n s y s 软件，且给出错误提示，让使用者重新输入 数据。例如在主梁尺寸输入截面中输入s 为11 5 0 0 ，而将s 1 输入为1 2 0 0 0 ，则 通过主梁尺寸示意图看出，是错误的，因此在点击“下一步”按钮时，系统不 会进入下一步，而会出现消息提示框，提示输入数据有误，请重新输入。 ( 3 ) v c 对a n s y s 软件的调用 系统通过使用者在界面中输入的参数得到单梁桥式起重机的整机结构的主 要参数，然后，v c 程序可以启动a n s y s 软件，调用利用a p d l 语言编写的命 令流，并将各参数值传递给命令流中相对应的参数，从而进行起重机整机结构 的有限元模型的建立。 v c 启动a n s y s 软件采用的是调用进程的方式，采用c r e a t e p r o c e s s 函数进 行调用，调用a n s y s 进程代码如下： s t a r t u p i n f os i ； 一 m e m s e t ( & s i ，0 ，s i z e o f ( s i ) ) ； s i e b = s i z e o f ( s i ) ； s i w s h o w w i n d o w = s wh i d e ；隐藏运行窗口 s i d w f l a g s = s t a r t f _ u s e s h o w w i n d o w ； c s t f i n gs t r ； c r e a t e p r o e e s s ( n u l l ，( c h a r ) ( l p c t s t r i i s t r , n u l l ，f a l s e ，n u l l , n u l l ，n u l l ，w o r k p a t h ，& s i ，& p i ) ， 其中，s t r 和w o r k p a t h 是c s t r i n g 类型的变量，主要用来根据使用者所选择 的相关参数对所调用的a n s y s 进程进行控制，其中s t r 用来存储确定a n s y s 的 调用方式，输出、输入目录等的参数，其格式化为s 缸f o n n a t ( ”s - b - pa n e 3 f l - i s o s ”，a n s y s p a t h ，w o r k p a t h + ”k s e c j z l a p d l t x t , w o r k p a t h + ”k s e e j z l a p d l o u t ) ，- b 表示采用a n s y s 的b a t c h 模式，既批处理方式来运行a p d l 命令流文件，a n s y s p a m 和w o r k p a t h 是c s t r i n g 类型的变量，存储用户机器上的a n s y s 软件的安装目 录以及用户所选择的a n s y s 分析的工作目录。s e c j z l a p d l t x t 是编写好的a p d l 参数 化命令流文件。 ( 4 ) 整机结构参数化建模a p d l 命令流 下面利用a p d l 命令编写的整机结构的参数化建模命令流。 f i l n a m e ，w o r k f i l e n a m e ，1 t i t i e w o r k f i l e n a m e 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 可以实现强制替换，即假如w o r k f i l e n a m e 字符参数中存放的是a n s y s 则以a n s y s 来命令这个工作文件，这里主要实现软件使用者对工作文件名称的 自定义，w o r k f i l e n a m e 中存储的字符由v c 开发的界面中输入。 p r e p 7 e t , 1 ，1 8 8 e t ，2 ，8 2 m a t ，1 m p ,e x ，1， c l s z ( 1 ，2 ) m p , p r x y , 1，c l s z ( 1 ，1 ) m p , d e n s i 凡1 ，e l s z ( 1 ，3 ) 定义单元，以及数组。单元包括b e a m l8 8 和p l a n e 8 2 单元，前者用来建 立整机模型的有限元模型，后者用来对主梁界面进行网格划分。 首先进行节点建立，由于主梁上的节点除了供连接单元时使用，在加载过 程中，载荷也是加在节点上。为了能计算载荷在主梁任意位置处的起重机的受 力情况，要在主梁上建立比较密集的节点，由于本系统采用的是梁单元直接建 模的方式，所以不能像板单元建模那样，划分网格后，可以将载荷加载在梁的 任意位置处。在这里，除了主梁上的关键节点外，例如跨中位置，两端限位开 关处，对其它位置采用在主梁上以一定的距离取若干个节点进行加载的方式， 来计算结构的受力。在主梁中，从中间位置( 整机模型的整体坐标系的原点位 置) 开始，在等截面中按照1 0 0 0 r a m 的间距进行节点的建立，在端部不足1 0 0 0 m m 的将剩下的距离作为间距建立节点，以保证等截面的两端建有节点。另外，由 于主梁左右两边都有限位开关，是吊载移动的两个极限位置，所以这两个点也 需要建立节点。所以在建节点时，要考虑限位开关的位置落在哪个分段区间( 按 1 0 0 0 m m 建立节点时) ，因此需要采用条件判断语句和循环语句结合来实现。主 梁的变截面部分的节点建立上，采用的是将变截面梁的长度除以2 0 0 然后取整 得到一个整数，然后将梁的长度分为这个整数的倍数进行节点的建立，保证变 截面上两节点之间的距离保持一定，使计算更加精确。a p d l 命令流如下： d o ，i ，0 ，1 0 2 ，10 0 0 木i f , i ，g t , s 2 - z ll ，a n d ，b ll ，e q ，0 ，t h e n 1 1 ，1 0 0 + i i l ，s 2 z l l ，0 ，0 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 z s j = l0 0 + i i l i i l = i i l + l b l l = l 毒d s e i f , i ，e q ，s 2 z ll ，t h e n z s j = 1 0 0 + i i l b l l = l * e n d i f n , 1 0 0 + i i l ，o + i ，0 ，o i i l - - i i l + l 幸i f , i ，g t , s 2 一z 1 2 ，a n d , b 1 2 ，e q ，0 ，t h e n n , 10 0 - i i 2 , - ( s 2 一z 1 2 ) ，0 ，0 y s j = l o o - i i 2 i i 2 - - i i 2 + 1 一 b 1 2 = l 幸e l s e i f , i ，e q ，s 2 - z 1 2 ，t h e n y s j = l0 0 - i i 2 b 1 2 = l * e n d i f n , l0 0 一i i 2 , - ( o + i ) ，0 ，0 i i 2 - - i i 2 + l * e n d d o 节点建好后，就需要进行单元的连接，在连单元之前，需要调用宏文件， 来将主梁的各个截面写入到a n s y