（材料加工工程专业论文）大型转子式翻车机的三维建模及其数值模拟.pdf

摘要 本论文对攀钢集团煤化公司转子式4 号翻车机在运行过程中出现 的裂纹和断裂问题进行了一些研究工作。本课题研究的内容主要是从 理论上建立符合翻车机实际工况的理论模型、边界条件等，并将结果 与实际相比较，分析产生破坏的原因，进而找到解决问题的方法和途 径。 本文在攀钢集团提供的二维图纸的基础上，经过认真的研究和探 讨，查阅文献资料，运用三维建模软件，对整个机构进行三维的零件 和装配的建立，进一步理解整个机构的工作隋况。在这个基础上，根 据所研究的对象工作的物理环境，确定其各种物性系数，初始条什， 边界条件，引入有限元分析软件。运用：f 艮元分析软件的绱= _ 0 模块， 根据受力情况进行计算并运行相应的后处理，得到相应的结构的变形 及应力分布。分析结果与实际情况进行比较，并进行结果的理论分析， 提出合理的整改意见。 本文的研究成果为该产品的整改提供理论依据，为c a e 技术在 我省机电行业的应用和推广奠定基础。e 理论成果将对复杂的大型结 构在力的作用下的物理场分布提供理论和数值汁算，具有一定0 0 学水 和应用价值。 关键词：有限元分析；三维建模；结构模块；数值计算；c a e a b s t r a c t i nt h is p a p e r ，s o m es t u d i e sh a v eb e e nd o n ea b o u ts o m ed r o b l e m s o fn o 4o v e r t u r n m a c h i n eo f p a n g a n gg r o u p w h i c h a p p e a r i ni t s r u n n i n g ，s u c ha s c r a c k l ea n d r u p t u r e e s t a b l i s h i n go v e r t u r nm a c h i n e t h e o r y m o d e l ，b o u n d a r y e o n d i t i o n sa n ds oo nw h i c ha r e f i tf o r p r a c t i c e ，c o m p a r i n gt h er e s u l ta n d t h ef a c t ，a n a l y z i n gt h er e a s o n o fd e s t r o ya n df i n d i n gt h em e t h o d st os o l v et h ep r o b l e m b as e do n d r a w i n g s w h i c ho f f e r e d b yp a n g a n gc o ，b ys e r i o u s r es e a r c ha n dd i s c u s s ，c o n s u l t i n gl i t c r a t u r ea n dd a t a ，u s i n g3 dm o d e l i n g s o f t w a r e ，w e c a ne s t a b l i s ht h em o d e lo f p a r t s a n da ss e m b l et h e m a c h i n e ，i nt h e e n dw ec a l ln i l d e r s t a n d t h e g o i g 0 fi h e 】w a c b id e m o r e o v e t a c c o r d i n ga s t i l e s u b j e c t s pr o p e l t i e s ，p h y a i c sc o c f f i c i c n t s ， p r e l i m i n a r yc o n d i t i o n s a n db o u n d a r yc o n d i t i o ns a r ec o n f ir m c di nt h c f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e t a k i n ga d v a n t a g e o ft h e a n a l y s e s t r u c t u r em o d u l eo ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s is s o f t w a r e ，a e c or d i n g t o a d d e df o r c es t a t u st o c a l c u l a t ea 1 1 ddc a w i t ht h er cs u l t ，s t r t l c t ur c d i s t o r t i o na n ds t r e s sd is t r i b u t i o nc a l lb ef oun d c o n t r a s t i n gs i i l ll l ia t i o n r e s u l ta n d p r a c t i c e r e s u l t ， w ec a l lb r i l l g f o r w ar dr c a s 0 1 1 a b l c m e l i o r a t i o n s t h i s p a p e r o f f e r sm e l i o r a t i o n pr o p 0 s e sf o ro v e r t u r nm a c h i u ei n t h e o r y ，a t t h es a m et i m e ，i te s t a b l is h e df o a n d a t i o nf o rt h es a k eo f a p p l i c a t i o n a n d p o p u l a r i z e o fc a ei nm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a l i n d u s t r y t h e t h e o r e t i cf r u i th a v es o m ea c a d e m i ca n d a p p l i e d v a l h et ot h e o r e t i ca n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f t h ep h y s i c a lf i e l d 8 d is t r i b u t i o n l a r g e - s c a l ec o m p l e xs t r u c t u r e 。 k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a j y s i s ；3 dm o d e l ；s t r u c t u r em o d u l e ；n u m e r l e c a l c u l a t e ：c a e y 6 6 9 3 3 7 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究z - 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名豸粉 日 期：弦吩年) 月。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名 潍毖论文作者签名：姒 第一章绪论 1 。1 课题研究的背景卜 第一章绪论 本课题来源于导师所承担的昆明理工大学与攀钢集团联合项目“4 号翻车机的有限元分析”。攀钢集团煤化公司转子式4 号翻车机，主要用 于火车车皮的装卸，由于其结构庞大，它的总长超过十五米，转子的直 径有七米多，其载荷总重( 车皮及物料) 约9 0 吨，受力情况复杂，运行 过程中局部支撑结构出现裂纹和断裂现象。本论文研究的主要内容是就 其支撑杆件出现裂纹、断裂等破坏进行有限元分析，所得到的分析结果 将为该公司的整改方案提供参考依据。 上述问题的解决，在理论上可归结为结构的c a e 分析问题。研究内 容涉及弹性力学、结构力学及工程计算力学等学科。在应用的研究上， 其理论研究方面包括：构件的本构方程的建立。建立符合实际状况的各 种因素的数学模型以及确定相应的边界及初始条件，并考虑外部载荷的 分配随角度的变化，然后在通用c a e 软件相应模块的基础上进行二次开 发，着重研究翻车机在满负荷条件下，翻转过程中整体结构的应力分布， 找出其最大应力和最大变形之所在，分析其出现的原因，是本研究的关 键所在。 计算机辅助工程分析( c a e ) 技术，是指在零件或整机的数字化特 征建模完成之后，运用有限元及边界元等数值分析方法，对零件或整机 进行结构、动力、运动等一系列分析的计算机辅助分析方法。它与c a d 和c a m 技术构成了当今计算机技术在机械设计及制造领域最重要的三 大支撑技术。 传统的机电产品开发是在产品零件的设计过程中，运用传统的材料 昆明理工大学顼上研究生学位论文 力学、机械零件设计或类比的方法对一些重要零件进行强度校核。但在 现实生产中，需要对产品进行复杂工况下全局的分析及优化。因此，c a e 技术的研究和应用应该是机械、力学( 包括固体力学、流体力学) 、传热 学、电磁学和材料学等学科的交叉和结合。 在国外，c a e 技术已广泛应用于各种产品的开发中，如飞机、核设 施、汽车、机床等。而国内，航天、军事等行业已开始引入该技术。 1 2 本课题所用到的理论基础及关键技术6 1 一川 翻车机的三维实体建模、有限元模型建立及分析，是本课题研究的 关键所在。它是在计算力学的基础上，应用有限单元法的基本理论，求 得它的本构方程及建立相应的数学模型。然后应用商业化有限元分析软 件进行分析计算。翻车机的总体受力情况的估算，将用到材料力学和结 构力学以及机械原理的知识。 计算力学是以电予计算机为主要工具，用数值方法解决各种问题的 学科。目前它在工程技术和科学研究中得到普遍应用。 计算力学中常用的数值计算方法有以下几种：有限差分法、加权残 数法、有限单元法及边界元法。如今最常用的是有限单元法和有限差分 法，下面主要阐述它们的异同点。 有限差分法和有限单元法都是被广泛应用的两种数值计算方法。有 限差分法是通过离散，将一个有限连续区域用一系列网格划分开，其数 学基础是用差商代替微商，是一种数学近似。有限单元法是由古典变分 法，用试探函数求解演变出来的。古典变分法中，试探函数是按整个求 解区域设置的，而以一组试探函数满足全区域要求是很困难的，能求解 的范围也是很有限的；而有限单元法则将整个求解域进行离散化，分成 许多单元，在各个单元中分别设置试探函数，由于单元可划得很小，设 置简单函数即可满足要求。单元越小，精度越高，是一种物理近似。 2 第一章绪论 有限差分法的缺点是局限于规则的差分网格( 正方形网格，矩形网格 或正三角形网格1 ，只看到了节点的作用，对于把节点联结起来的单元的 本身特性是不予注意的。有限单元法受到有限差分法计算的启示，整体 区域变分求解在遇到困难的情况下也采用了网格割分的技术，使变分诗 算在每一个局部的网格单元中进行，最后再合成为整体的线性代数方程 组求解。有限单元法可以任意布置其节点和网格，从而对复杂区域和复 杂边界问题的求解带来极大的适应性和灵活性。它吸取了有限差分法中 离散处理的内核，又继承了变分计算中选择试探函数并对区域积分的合 理方法。在有限单元法中，试探函数( 又称为插值函数) 的定义和积分计算 范闱不是整个区域，而是从区域中按实际需要划分出来的单元。这就 克服了古典变分计算中由于不作离散处理而不能求解复杂问题的缺点。 在有限单元法中，由于对单元作了积分计算，就充分估计了不同单元对 节点参数的不同贡献从而克服了有限差分法中不考虑单元本身特性的 缺点。 有限单元法中，其单元的划分，平面问题中的单元，一般采用三角 形等参单元，也可采用四边形等参单元，三角形等参单元又有三角形三 节点单元和三角形六节点单元；空间问题中的单元，一般采用四节点或 十节点的四面体单元，也可以采用八节点或二十节点的棱柱体单元：薄 壳体问题中的单元，一般采用四节点的矩形壳单元，也可以采用二节点 的截头圆锥体单元。 1 3 本课题所用到的建模技术和软件 1 3 1 建模与仿真的基本概念卜2 1 建模与仿真实指构造现实世界世纪系统的模型和在计算机上进行仿 真的有关复杂活动，它主要包括实际系统、模型和计算机等三个基本部 昆明理工大学顶士研究生学位论文 分，同时考虑三个基本部分之间的关系，即建模与仿真的关系。 图卜l 建模与仿真关系 建模关系主要研究实际系统与模型之间关系，它通过对实际系统的观测 和检测，在忽略次要因索及不可检测变量的基础上，用数学的方法进行 描述，从而获得实际系统的简化尽是模型。仿真关系主要研究计算机的 程序实现与模型之间的关系，其程序能为计算机所接受并在计算机上运 行。 1 3 2 仿真的基本概念框架 过去的仿真直着重于“实验”，即着重于如何获得系统中有关变化 的时间响应。近2 0 年来，对模型的研究及如何来建立模型已成为仿真活 动所关心的问题。同时，建模与模型实验这两者本来是不可分割的，应 统起来进行研究。仿真的重点包括“模型”和“实验”两个方面，仿 真是一种基于模型的活动，仿真的基本框架为“建模一实验一分析”。 1 9 8 4 年，o r e n 提出仿真是一种基于模型的活动，并认为仿真包括了 三个基本要素：对仿真的问题的描述、行为产生器和模型行为及其处理。 1 3 3 建模软件u g 简介1 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是由美国e d s 公司推出的一个功能强大的 应用软件，它提供了一个基于过程的产品设计环境，从产品的概念设计 4 第一章绪论 到产品建模、分析和制造，真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企 业的产品设计与制造。 u n i g r a p h i cs 是知识驱动自动化技术领域中的领先者。它实现了设计 优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著地改进了汽车、航 天、航空、机械、消费产品、医疗仪器和工具等工业的生产。u n i g r a p h i e s 为各种规模的企业带来了显而易见的价值：更快地递交产品到市场；使 复杂产品的设计简化；减少产品成本和增加企业的竞争实力。它已成为 世界上最优秀公司广泛使用的系统。这些公司包括：通用汽车、波音飞 机、通用电气、普惠发动机、爱立信、飞利浦、松下、精工和柯达。 1 3 4 c a e 技术的发展历程1 。1 近2 0 年，在市场需求的推动下，c a e 技术有了长足的发展一，有限元 理论的逐步成熟及计算机硬件的迅速发展使得c a e 技术应用经历了从上 世纪6 0 年代的探索发展时期，7 0 年代至8 0 年代的独立发展专家应用时 期，直到9 0 年代与c a d 相辅相成的共同发展、推广使用时期“”。 由于6 0 一7 0 年代，有限元的理论尚处在发展阶段，这个时期c a e 技 术主要针对结构分析问题进行发展，同时在商业需求的推动下，先后研 制出了g a d s a m ( s t r u c t u r a la n a ly s isb yd i g i t a ls i m u l a t i o no fa n a l o g m e t h o d s ) 结构分析软件、m s c n a s t r a n 、s d r c 动力学测试及模态分析软件、 s u p e r t a b ( 后并入i d e a s ) 、a n s y s 。 7 0 一8 0 年代是c a e 技术的蓬勃发展时期，在此期间，先后推出了一系 列有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 软件，如m a r c 、a d a m s 、 a b a q u s 、c s a n a s t r a n 、f i d a p 、p o l y f e m 、l s d y n a 及l s n i k e 3 0 、f 1 0 t h r m ： 这个时期，c a e 的发展有如下特点：( i ) 使用领域多集中在航空、航天、 核工业、军事等几个方面；( 2 ) 有限元分析技术在结构分析和场分析领域 昆明理1 = 人掌硕上研究生学位论文 获得了很大的成功，从力学模型开始拓展到各类物理场( 如温度场、电 磁场、声波场等) 的分析；从线性分析向非线性分析( 如材料为非线性、 几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等) 发展： 从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。 时至上世纪9 0 年代，上述c a e 软件在逐步完善自身的功能之外，一 些c a d 软件c a t i a 、c a d d s 、u g 都增加了基本的c a e 前后处理及般线性、 模态分析功能。 1 3 5o a e 技术的应用现状 计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型 并进行计算机仿真分析。一方面，c a e 技术的应用，使许多过去受条件限 制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方 面，计算机辅助分析使大量复杂的工程分析问题科学化，使复杂的过程 层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更 快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作 用，同时c a e 这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技 术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。 1 、国外c a e 技术概况 在影响计算机辅助工程技术发展的诸多因素中，人刊、计算机硬件 和分析软件是三个最主要的方面。现代计算机技术的飞速发展，已经为 c a e 技术奠定了良好的硬件基础。多年来，重视c a e 技术人才的培养和分 析软件的开发和推广应用，发达国家不仅在科技界而且在工程界已经具 有一支较强的掌握c a e 技术的人才队伍，同时在分析软件的开发和应用 方面也达到了较高水平。 美国于1 9 9 8 年成立了工程计算机模拟和仿真学会( c o m p u t e r 第章绪论 m o d e l i l 3 9a n ds i m u 】a t i 0 1 1i ne n g if i e e f in g ) ，其它国家也成立了类似的 学术组织1 。各国都在投入大量的人力和物力，加快人才的培养。正是 各行业中大批掌握c a e 技术的科技队伍推动了c a e 技术的研究和工业化 应用，c a e 技术在国外已经广泛应用于不同领域的科学研究，并普遍应用 于实际工程问题，在解决许多复杂的工程分析方面发挥了重要作用。 国外对c a e 技术的开发和应用真正得到高速的发展和普遍应用则是 近年来的事。这一方面主要得益于计算机在高速化和小型化方面取得的 成就，另一方面则有赖于通用分析软件的推出和完善。早期的c a e 分析 软件一般都是基于大型计算机和t 作站开发的，近年来p c 机性能的提高， 使采用p c 机进行分析成为可能，促使许多c a e 软件被移植到p c 机上应 用。这显然对c a e 技术的推广应用极为有利。 衡量c a e 技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前 一些发达国家在这方面已达到了较高的水平，仅以有限元分析软件为例， 国际上不少先进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的 阶段并已商品化。如a n s y s 、n a s t r a n 等。这些软件具有良好的前后处理 界面，静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多种强大的功能， 都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的 能力和效率，已得到学术界和工程界的公认。在发达国家的机械、化工、 土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车、电气工业设计等许多领 域中得到了广泛的应用。 就c a e 技术的工业化应用而言，发达国家且前已经达到了实用化阶 段。通过c a e 与c a d 、c a m 等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多 样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞 争能力。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造过程 中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。如，以国外某大汽车公 司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分 昆蜩理工大学顶：k t i ) f 究生学位论文 析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。计算机数值 模拟现在己不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也已作为必 备工具普通应用。 2 、 国内c a e 技术应用现状 随着我国科学技术现代化水平的提高，计算机辅助工程技术也在我 国蓬勃发展起来。科技界和政府的主管部门已经认识到计算机辅助工程 技术对提高我国科技水平，增强我国企业的市场竞争能力乃至整个国家 的经济建设都具有重要意义。近年来，我国的c a e 技术研究开发和推广 应用在许多行业和领域己取得了一定的成绩。但从总体来看，研究和应 用的水平还不能说很高，某些方面与发达国家相比仍存在不小的差距。 从行业和地区分布方面来看，发展也还不平衡。 目前，a n s y s 、n a s t r a n 、m a r c 等大型通用有限元分析软件已经引进 我国，在军事、一航空、机械、汽车、材料加工等许多行业一得到了应用， 而且我们在某些领域的应用水平并不低，不少大型工程项目也采用了这 类软件进行分析。我国已经拥有一批科技人员在从事c a e 技术的研究和 应用，取得了不少研究成果和应用经验，使我们在c a e 技术方面紧跟住 现代科学技术的发展。但是，这些研究和应用的领域以及分布的行业和 。 地区还很有限，现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、 部分大学和研究机构。 我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了c a e 技 术的发展。在c a e 分析软件开发方丽，我国目前至少落后于美国等发达 国家十年。计算机软件是高技术和高附加值的商品，目前的国际市场为 美国等发达国家所垄断。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年 市场份额达5 亿美元，并且以每年1 5 的速度递增。相比之下，我国自己 民族的软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。作为一个国家， 一个民族不能长期依赖于引进外国的技术和产品，因此我们必须加大力 度开发自己的计算机分析软件，只有这样才能改变在技术上和经济上受 第章绪论 制于人的局面。 我国的工业界在c a e 技术的应用方面与发达国家相比水平还比较低， 大多数的工业企业对c a e 技术还处于初步的认同阶段，缺乏掌握c a e 技 术的科技人员。目前，通过多年的不懈努力，c a d c a e 应用已覆盖了国 内众多的技术岗位，我国在c a e 仿真分析方面也取得了长足进步，建立 了自己的计算机辅助工程科技队伍，在许多领域开展了c a e 技术的研究 和应用。“6 ”例如，太原理工大学土木系采用a n s y s 软件成功地完成了 中国国家大剧院的结构分析，在李珠博士( 教授) 领导下的课题组采用 a n s y s 软件成功地对中国国家大剧院进行了结构分析。分析目标是计算 内力、多种载荷组合： 况下的变形、结构抗震分析以及验证结构设计的 合理性与可靠性。”“ 中国国家大剧院是中国最高级别的艺术中心，建筑面积1 4 万平方米， 占地3 8 9 公顷，拥有5 4 7 3 个座位，可同时进行歌剧、音乐、话剧的演出； 其建筑规模、体型复杂程度、功能多样性等方面均堪称中国之最。 图1 2 结构的整体变形 1 3 6o a e 技术的发展趋势 随着科学技术的迅速发展，知识经济的到来，互联网技术的普及和 全球信息化，c a e 软件必然有一个全新的发展。采用最先进的信息技术， 昆明理工大学顿i - 研究生学位论文 吸纳最新的科学知识和方法，扩充c a e 软件的功能，提高其性能，是c a e 软件求得生存和发展的根本。在工程实践中，有限元分析软件与c a d 系 统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加设计功能，减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品 和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 在产品翻 造或工程施工前预先发现潜在的问题；模拟各种试验方案，减少试验 时间和经费；进行机械事故分析，查找事故原因。其主要发展变化会体 现在如下几个方面： 1 真三维图形处理与虚拟现实一随着三维虚拟现实技术的同趋威 熟，c a e 软件的前后处理系统将会在复杂的三维实体建模及相关的静态和 动态图形处理技术方面有新的发展，例如复杂的三维实体建模及相应的 自适应网格划分，复杂的动态物理场的虚拟显示与实时提示等。 2 面向对象的工程数据库及其管理系统一高性能价格比的大容量 存储器及其高速的存储技术的迅速发展，必将推动c a e 软件数据库及其 数据管理技术的发展。 3 多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析一对于多 物理场的强耦合问题、多相多态介质耦合问题、特别是多尺度模型的耦 合问题，目前尚没有成熟可靠的理论，尚处于基础性前沿研究阶段1 。 4 适应于超级并行计算机和机群的高性能c a e 求解技术新型的岛 精度和商效率并行算法将被做成c a e 的软件模块，使其在对复杂的：1 程 或产品仿真时，能够充分发挥超级并行计算系统的硬、软件资源，高效 率和高精度地获得计算结果。 5 并行的c a d c a e c a m 系统一现在的c a d ，c a e c a m 系统，沿 纵向的集成已经得到了发展，从早期的c a d c a m 再增加c a e 、c a p p ， 已经从设计到模拟分析到制造进行了集成。但对于横向的集成还有待于 发展。为推动集成化过程国际标准化组织( i s o ) 正在推行新的国际标准 s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e l 产品模型数据交换标 准) 【1 3 1 。这一标准的特点是不仅包括图形数据，而且还包括从初步设计 第一章绪论 详细设计到生产设备、产品制造，直到生产出产品全过程的所有数据的 交流方法。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。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度 场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解 几个交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔产生变形，丽塔 的变形又反过来影响到气流的流动这就需要用固体力学和流体动力 学的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓”流固耦合”的问题。 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。例如建筑行业中的高层建 筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非 线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑 材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现， 仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算 0 法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多 专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此近 年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如m a r c 、a b q u s 和 a d i n a 等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用予工程 实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用 的非线性材料库。 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 的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分 析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统 昆明理工大学硕七研究生学位论文 用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却醑 益突出。在现在的工程工作站上，求解一个包含1 0 万个方程的有限元模 型只需要用几十分钟。但是如果用手工方式来建立这个模型，然后再处 理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说，工程师在分 析计算一个工程问题时有8 0 以上的精力都花在数据准备和结果分析 上。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建 模和后置数据处理模块。在强调”可视化”的今天，很多程序都建立了对用 户非常友好的g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) ，使用户能以可视图形方式 直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将 大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数 据的列表输出。 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，从面极大地提高了设计水平和 效率。今天，工程师可以在集成的c a d 和f e a 软件环境中快捷地解决一 个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限_ ：元 系统商都开发了和著名的c a d 软件( 例如p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 、 s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、i d e a s 、b e n t l e y 和a u t o c a d 等) 的接口a 5 在w i n t e l 平台上的发展早期的有限元分析软件基本上都是在大中 型计算机( 主要是m a i n f r a m e ) 上开发和运行的，后来又发展到以工程工 作站( e w s ，e n g i n e e r i n gw o r k s t a t i o n ) 为平台，它们的共同特点都是采 用u n i x 操作系统。p c 枫的出现使计算机的应用发生了根本性的变化， 工程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。m i c r o s o f t w i n d o w s 操作系统和3 2 位的i n t e lp e n t i u m 处理器的推出为将p c 机用于 有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的 第一章绪论 有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到w i n t e l 平台上。 1 3 7 本课题用到的c a e 软件a n s y s 简介 a n s y s 公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授 j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建发展起来的，总部设在美国宾夕法尼亚 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。直致力于分析设计软件的开发、维护及售后服务，不断吸取当今世 界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元界的发展趋势，并为全 球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于体的大型通用有 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、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的、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 x 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 和完善的单元库、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、有限元求解以及结采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问的有效可靠的集成，并实现了与多个 昆明埋工大学硕士研究生学位论文 c a d c a e 软件的友好连接。 在中国，a n s y s 软件经过几年的经营，用户数量迅速增长，遍及工 业的各个领域，应用也越来越深入。为更好地拓展a n s y s 软件的中国市 场，给中国用户以更好的就近支持和服务，1 9 9 6 年初，a n s y s 公司在中 国成立了北京办事处，1 9 9 7 年初，又相继成立了成都办事处和上海办事 处。由此，a n s y s 公司的三大办事处、各代理商及十大a n s y s 技术支 持中心构成了a n s y s 完整的市场、销售及售后服务体系。 使用有限元分析软件a n s y s 解决工程实际问题，有如下的优点： ( 1 ) 能显著减少设计和制造费用 利用a n s y s 程序，工程师们可以构造结构、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，工程师们也可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 ) 具有多物理场耦合的功能 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，样机试验是不方便的或是不可能的，而利用a n s y s 软件，已解决了一些这类问题，包括在生物医学中的应用，如髋部移植、 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固定系统的设计。 第章绪论 ( 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。 ( 5 ) 留有二次开发的接口，供使用者根据需要进行二次开发。任何 个计算机软件都不可能解决客户的所有问题，因为许多问题是非常个性 化的。软件开发者必须给使用着留有足够的开发空间和开发手段。a n s y s 除提供菜单操作方式外，还提供了命令流操作方式，此外，还提供了 种脚本语言a p d l ，让使用者可根据实际需要，自己编程，交由a n s y s 执行。 1 4 课题的主要研究内容及其研究意义 1 4 1 本课题的研究的意义： 本课题将针对攀钢集团煤化公司转予式4 号翻车机，就其整机翻转 过程中的不同角度进行变形、应力分布开展研究工作，其研究成果将为 该产品的整改提供理论依据，为c a e 技术在我省机电行业的应用和推广 奠定基础。其理论研究成果将对复杂的大型结构在复杂受力条件下各种 物理场分布提供理论和数值计算，具有一定的学术和应用价值。 1 4 2 课题的主要研究内容： 本课题研究的内容主要是，从理论上建立符合翻车机世纪工矿的理 论模型和边界条件，然后应用有限元分析软件对其进行建模及分析，并 将结果与实际相比较，分析产生破坏的原因，进而找到解决问题的方法 昆明理工火学硕上研究生学位论文 和途径。 ( 1 ) 根据甲方所提供的4 号翻车机工程图纸，用建模软件建立三维模 型； ( 2 ) 在所建立三维模型的基础上，根据需要按c a b 的规则将模型进行 一定的简化及建模，建立适应有限元计算的力学模型； ( 3 ) 依据所建立的有限元模型，得出不同翻转角度得出被破坏部位的 应力、应变分布； ( 4 ) 根据得出的结果进行分析，找出问题的原因和提出相应的整改方 案。 1 4 3 研究方法和技术路线： ( 1 ) 据所研究对象工作的物理环境，确定影响其工作的主要因素，建立其 有限元分析模型： ( 2 ) 据计算精度和设计要求，对整个结构选取合适的单元类型( 四面体、 等参元等) ，将其网格化； ( 3 ) 根据所研究对象工作的物理环境，确定其各种物性系数，初始条件， 0 边界条件，依据相关知识，建立物性参数，初始条件，边界条件的非 线性数学模型，并将其引入有限元分析软件： ( 4 ) 运用有限元分析软件a n s y s 中的结构分析模块，根据结构受力情况进 行分析、计算并进行相应的后处理，得到相应结构的变形及应力分布。 ( 5 ) 分析结果与实际情况进行验证、比较，检验分析计算结果的正确性， 并提出相应的整改意见。 第二章力、边界条件的建立及有关理论知识 第二章力、边界条件的建立及有关理论知识 2 1 翻车机不同翻转方位的载荷力的施加大小及方向 翻车机的整个结构如下图( 图2 1 ) 所示，在它的转动过程中，由于 其转动较慢，可以近似地认为是在静力状态下的情况。在计算翻车机的 受力情况时，由于结构比较复杂，难以直接计算出它的实际受力情况， 因此在计算时将整个模型的受力情况简化在四个受力点，这四个点的位 置分别为，托车梁与转子圆盘的接触点和联系梁与转子圆盘的交界处， 见图2 2 中的a 处和b 处为其中的两点，另外两点的位置关于整体的中 问平面对称，然后应用有限元软件对整个模型进行分析。 图2 1 翻车机总装图 昆明理工大学硕士研究生学位论文 图2 2 受力点的位置图 翻车机在火车车皮刚刚进入的位置时，全部的重量由摇臂连杆和底 梁承担。然后随着齿条的运动，翻车机的重量转移到托车梁和压车梁上， 在此将利用材料力学和结构力学的知识来求出其在4 3 。、9 0 。和17 5 。时 的受力大小。当其转动以后，托车梁1 和托车梁3 连接处将成为一条直 线，其所受主要的力将在下图中所示的a 处和b 处，随着其转动角度的 增加，受力情况将有所变化，全部重量由压车梁和托车梁共同承担。 图2 3托车梁构件 车皮的重量为9 0 吨，在方程式中用g 代替，其在4 3 。时，其受力情 况如下图： 第二章力、边界条件的建立及有关理论知识 况 b = 0 凡= 0 y m = 0 z m 口= 0 c 图2 - 5 托车梁受力简图2 ( 2 ，3 ) 处的受力情 其中a c = 2 3 4 0 m m ，b c = 5 18 0 m m ，a d = 1 0 0 m m ，b e = 2 9 2 0 m m ，f i 和f 2 的位 置分别处于d 处和e 处，由结构力学的知识，可以建立四个方程，其中 的f 。和f ：已经由上面的方程所求出，求出a 处和b 处的分力后，将它 们合并为一个力。 琵秘瑾工大学礞：i 一研究生学位论文 f x = o 2 9 g = o 3 2 g 民= o 3 6 g 吒。= o 4 4 g ( 2 4 ) 合力的大小为a 处：f a 磁+ f 。2，b 处f b = 瑶+ 焉，并用9 0 吨 代替g ，得到 摆2黑10墓雾fb1 3 1 0 i= 5 5 牛顿 另外两种情况下的力计算方法同上，这里列出计算后的结果： 翻车机翻转，o u 时， f 忍b ：4 4 ：0 9 5 5 ：1 0 1 0 ；举鬈( 2 - 6 )i = 3 牛顿 、7 翻车机翻转1 7 5 。时， f a ：= 5 7 6 。x l o ，s 牛e l ：- 顿顿f b 32 41 0 ( 2 7 ) l= 牛顿 、 2 2 建立数学模型阻1 3 6 1 有限单元法是近年来发展起来的计算方法，自从它引入力学中以来， 已从起初在航空工程中的应用，扩展到土木工程，水利工程，船舶工程 和核能工程中。而且从固体力学扩展到流体力学、启动弹性力学、磁流 体力学等各个领域中，随着它的进一步的发展和完善，它的应用将更加 “泛和它的理论将更加完善。 2 2 1 有限元法的基本思想 有限单元法的基本作法，首先是对求解的弹性区域进行离散化，即 把具有无限多个自由度的连续体，化为有限多个自由度的结构物。具体 来说，就是把整个弹性区域用点、线或面割分为有限个具有一定几何形 状的单元。单元与单元的连节点称为节点，这些节点可以是真实的构件 的点，也可以是假想的点，这就是所谓区域剖分。其次是选择一个表示 单元内任意点位移随位置变化的函数式，并且按照函数插值理论，将单 元内任意点的位移通过一定的函数关系用节点位移来表示。这种假设的 第二章力、边界条件的建立及确关理论知识 试函数称为位移插值函数或位移模式，在般情况下，它应满足