（机械设计及理论专业论文）基于ansys的岸边集装箱桥式起重机参数化仿真及疲劳分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 岸边集装箱桥式起重机( 简称岸桥) 是我国重工业运输环节中必不可 少的工艺装备。作为提高装卸作业生产能力的大型起重运输设备，岸桥被 广泛用于船厂和港口，因此岸桥的结构设计对整个运输业有着重大影响。 目前在岸边集装箱起重机结构的设计中存在以下几个问题：1 ) 基本上采用 的是手工软件对话方式，即手工建模、手工提取分析结果，建模和结 果分析效率非常低下，且岸桥结构模型计算显得非常的孤立，无法自动循 环计算，优化设计无从谈起；2 ) 不能通过c a e ( 计算机辅助计算) 来主导 c a d ( 计算机辅助设计) ，使得岸桥的计算仅仅沦为设计的校核部分；3 ) 起重 机的结构设计中主要校核其强度和剐度，基本上不考虑疲劳，而事实上疲 劳也是其主要的失效方式之一。针对以上三个问题，本文以岸边集装箱桥 式起重机为研究对象，以有限元法，机械动力学和疲劳强度理论为理论基 础和分析手段，运用参数化技术和有限元分析软件a n s y s 对小车吊载运行 过程中的起重机结构进行了运动数值仿真，研究了岸边集装箱桥式起重机 结构的静动态特性，对其疲劳进行计算，并采用v i s u a lb a s i c 开发了相应 的数值仿真软件。主要研究工作如下； 1 ) 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岸边集装 箱起重机结构的有限元参数化模型。它使得有限元分析过程中对模型的修 改以及再次计算方便、快捷，而且不容易出错。 2 ) 用建立好的有限元参数化模型和a n s y s 的内部命令以及a p d l 语言 编写了小车吊载运动过程中起重机运动数值仿真的命令流文件，具体实现 了仿真，得出结论。 3 ) 研究了岸边集装箱桥式起重机结构的动态特性。结合有限元参数化 模型编写了模态分析的命令流文件。提取了前1 0 阶固有频率、主振型及其 振型图，并对结果进行了分析。 4 ) 对岸边集装箱桥式起重机进行疲劳校核，得出结论。 5 ) 有效地运用v i s u a lb a s i c 软件对岸边集装箱桥式起重机结构的运 动数值仿真和动力学分析进行了封装，界面简单易读，使a n s y s 在后台进 行计算求解，直接给出分析结果，可以使得对a n s y s 不熟悉甚至完全不懂 的用户也能运用其进行计算。 关键词：岸边集装箱起重机，数值仿真，有限元法，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 q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n ei s 肌a b s o l u t e l yn e c e s s a r yt e c h n i c a le q u i p m e n ti nh e a v y i n d u s t r yt r a n s p o r t a t i o ni no u rc o u n t r y a sal a r g el i f t i n gc o n v e y i n ge q u i p m e n tt o i m p r o v e t h et h r o u g h p u to f1 0 a d i n ga n du n l o a d i n g , q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n ei s w i d e s p r e a du s e di nd o c k y a r da n dp o r t ，s ot h es t r u c t u r ed e s i g no fq u a y s i d ec o n t a i n e r c r a n ei sv e r yi m p o r t a n t p r e s e n t l y , t h e r ea r es o m ep r o b l e m si nt h ed e s i g ns t r u c t u r eo f q u a y s i d e c o n t a i n e rc r a n ea s f o l l o w s ：1 ) i t i sa l m o s t d e s i g n e db y t h e w a yo f m a n u a l - s o f t w a r e ，t h a ti sm a n u a l l yc r e a t i n gm o d e l ，m a n u a l l yg e r i n gr e s u l t t h e n ，t h e e f f i c i e n c yo fc r e a t i n gm o d e la n dg e u i n gr e s u l ti sv e r yl o w , w h a t sm o r e ，t h es t r u c t u r e c a l c u l a t i o no fe a c hq u a y s i d ec o n t a i n e ri si s o l a t e d ，a n dt h es t r u c t u r ec a l ln o tb e c a l c u l a t e dc i r c u l a r l y , s ot h eo p t i m a ld e s i g nc a nn o tb er e a l i z e d ；2 ) c a ec a nn o tl e a dt o c a d ，a n dc a ei so n l ya st h ec h e c k o u to f c a d ；3 ) i nt h es t r u c t u r ed e s i g no f c r a n e ，o n l y c h e c kt h ei n t e n s i t ya n dr i g i d i t y , d i d n tc o n s i d e rt h ef a t i g u e a c t u a l l y , t h ef a t i g u ei so n e o ft h em a i ni n a c t i v a t i o nt o o p o i n t e dt ot h ea b o v et h r e ep r o b l e m s ，b a s e do nt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，m e c h a n i cv i b r a t i o n t h e o r y a n d f a t i g u et h e o r y , u s i n g p a r a m e t e r i z e dm e t h o da n dt h ef e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e a n s y s ，t h i sd i s s e r t a t i o n w o r k so u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec r a n es t r u c t u r e sa st h ev e h i c l e sl i f t i n gl o a d s ， r e s e a r c h e st h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r , a n a l y s e st h ef a t i g u ea n de x p l o i t sar e l e v a n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf e l l o w s ： 1 1t ob u i l dac r a n es t r u c t u r e sp a r a m e t e r i z e df e mm o d e lu s i n ga n s y si n t e r n a l c o m m a n d - - a p d la n dp a r a m e t e r i z e dm e t h o d i ti sc o n v e n i e n t l ya n dq u i c k l yt om o d i 黟 a n dr e c a l c u l a t et h em o d e li nf e m a n a l y z i n g 2 1t op r o g r a mac o m m a n dd o c u m e n to fn u m e r i c a ls i m u l m i o no ft h ec r a n e s t r u c t u r e sa st h ev e h i c l e s l i f t i n gl o a d sb yt h ep a r a m e t e r i z e dm o d e l ，t h ei n t e m a l c o m m a n do fa n s y sa n da p d l ，r e a l i z et h em o v i n gc r a n en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d g e tr e s u l t 3 ) 1 1 0s t u d yt h ec r a n es t r u 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 g r a mac o m m a n df i l e ， g a i nt h ef i r s t1 0f o r m e rn a t u r a l 疗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 ya n a l y z et h e r e s u l t s 4 ) t oa n a l y z et h ef a t i g u eo f t h ec r a n e ，g e tr e s u l t 5 ) t op a c ku pt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc r a n eb yv i s u a lb a s i c ，t h ei n t e r f a c eo f t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei ss i m p l yr e a d a b i l i t y , m a k ea n s y s c o m p u t i n gi nt h eb a c k s t a g e ， a n d g i v et h er e s u l t t h e nt h ea s e rw h oi si g n o r a n to f a n s y sc a nn s ei t k e y w o r d s ：q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f i n i t e e l e m e n t m e t h o d a n s y s n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 岸边集装箱桥式起重机结构参数化设计的目的和意义 1 1 1 岸边集装箱桥式起重机的发展概况 岸边集装箱桥式起重机( 简称岸桥) 是集装箱船与码头前沿之间装卸集装箱 的主要设备。个别码头还利用岸桥的大跨距和大后伸距直接进行堆场作业。岸 桥的装卸能力和速度直接决定码头作业生产率，因此岸桥是港口集装箱装卸的 主力设备。岸桥伴随着集装箱运输船舶大型化的蓬勃发展和技术进步而在不断 更新换代，科技含量越来越高，正朝着大型化、高速化、自动化和智能化，以 及高可靠性、长寿命、低能耗、环保型方向发展“。 1 1 1 1 国内起重机的发展 国内起重机制造行业的真正形成是在1 9 4 9 年后，从开始创业至今，国内起 重机发展大致具有以下三大特点： 1 改进起重机的结构，减轻自重 国内起重机结构多已采用计算机优化设计，以此提高整机的技术性能和减 轻自重，并在此前提下尽量采用新结构。 2 充分吸收利用国外先进执术 起重机大小车运行机构采用了德国d e m a n g 公司的“三合一”驱动装置，吊 挂于端梁内侧，使其不受主梁下挠和振动的影响，提高了运行机构的性能和寿 命。 电气控制方面吸收国外的先进技术，采用新颖的节能调速系统。 遥控起重机的需要量随着生产发展也越来越大，宝钢在考察国外钢厂起重 机后。提出大力发展遥控起重机的建议，以提高安全性，减少劳动力。 3 向大型化发展 由于国家对能源工业的重视和资助，建造了许多大中型水电站，发电机组 越来越大，特别是长江三峡的建设对大型起重机的需求量迅速上升。三峡电厂 需要1 2 0 0 t 桥式起重机和2 0 0 0 t 大型塔式起重机。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 1 2 国外起重机的发展 国外起重机发展大致有以下四大特点： 1 简化设备结构，减轻自重，降低生产成本 法国p a t a i n 公司采用了一种以板材为基础构件的小车架结构，其重量轻， 加工方便，适用于中、小吨位的起重机。其公司的起重机大小车运行机构采用 三合一驱动装置，结构比较紧凑，自重较轻，简化了总体布置。 2 更新零部件，提高整机性能 法国p a t a i n 公司采用窄偏轨箱型梁作主梁，其高、宽比为3 5 4 左右， 大筋板间距为梁高的3 倍，一不用小筋板，主梁与端梁的连接采用搭接的方式， 使垂直力直接作用于端梁的上盖板，由此可以降低端梁的高度，便于运输。 变频调速在国外起重机上已经开始应用，日本富士、奥地利伊林公司已经 广泛采用。该调速方案具有高速比，甚至可达到无级调速，并有节能等优点。 另外，遥控装置用于起重机在国外也已经普遍化，特别是在大型钢铁厂己有广 泛应用。 3 设备大型化 随着世界经济的发展，起重机设备的体积和重量越来越趋于大型化，起重 量和吊运速度也有所增大，为节省生产和使用费用，起重机服务场地和使用范 围也随之增大。 4 机械化运输系统的组合应用 国外一些大厂为了提高生产率，降低生产成本，把起重机、运输机械有机 的结合在一起，构成先进的机械化运输系统。 1 1 2 岸边集装箱桥式起重机结构设计的现状与面临的挑战 2 1 世纪中国集装箱港口的发展重点是建立国际集装箱枢纽港。2 0 0 6 年1 月 至1 0 月，我国外贸进出口总值达到1 4 2 5 0 亿美元，同比增长2 4 ，1 ，提前两个 月超过去年全年进出口总额。与外贸海运量关联最密切的集装箱运输将得到迅 速发展，成为世界集装箱运输的最大的潜在市场。据统计，我国港口集装箱吞 吐量提前两个月完成去年总量，前十个月达到7 5 2 0 8 4 万标箱，预计0 6 年我国 港口集装箱吞吐量将完成9 3 0 0 万标箱，同比增长2 3 4 ，将连续四年排名全球 第一。交通部预测，到2 0 1 0 年，我国港口年吞吐量将达到6 1 亿吨，集装箱年 2 武汉理工大学硕士学位论文 吞吐量将达到1 4 亿标准箱。集装箱运输迅速发展是必然的趋势。岸边集装箱 起重机作为集装箱的主要装卸工具也将不断改进和发展。 此外，集装箱运输船舶的大型化、特别是超巴拿马船型的发展，对岸边集 装箱起重机提出了更新更高的要求：一是提高起重机的技术参数，起重机速度 参数高速化，外伸距、起升高度增大；吊具下额定起重量提高；二是开发设计 高效率的岸边集装箱装卸系统，以满足船舶大型化对起重机生产率的要求。 1 高参数和大型化 1 ) 额定起重量成倍增长。吊具下的额定起重量逐步从3 0 5 t 增大到6 1 t ，最 大已达6 5 l t 。 2 ) 外伸距越来越大。随着集装箱船的不断大型化，船宽已从第3 代巴拿马 集装箱船的1 3 排增大到现在超巴拿马船的1 4 1 7 排箱，甚至2 0 排箱的船按计 划将于下个世纪闯世，2 2 排箱的船也在设计中。面设想中的2 4 排马六甲型船( 用 船的吃水深而不是船宽来定义船型) 会在下世纪初叶出现。集装箱船舶的大型 化，其宽度由载箱量6 0 0 1 0 0 0 箱时的2 6 2 8 m 增大到现在载货6 0 0 0 8 0 0 0 箱 的4 5 m ，几乎增大一倍。岸桥的外伸距也由3 2 m 逐渐增大到了现在的6 5 m ，将来 会增加到7 0i n ，以适应2 4 排的所谓马六甲型船的需要。 3 ) 轨上的起升高度。巴拿马岸桥的轨上起升高度通常为2 7 m 以下，超巴拿 马岸桥在2 7 m 3 6 m 之间，而现在则要求达到4 0 r n 。上海振华港机公司( z p m c ) 为阿曼s a i a i a 港提供了5 台轨上起升高度4 0m 的岸桥，可列当今之最。而今 年马士基为埃及码头和美国长滩、塔科玛、纽约招标的岸桥起升高度虽为4 0 m ， 但要考虑有加大到4 7 5 m 的可能。起升高度的大幅增大，将导致岸桥金属结构 强度、刚度、疲劳等方面出现的一系列新问题，尤其是司机视线的恶化和因自 重加大要求码头承载能力的大幅提高。因此，4 7 5 m 是难以想象的起升高度，尤 其因岸桥安装在码头前沿，对抗风载必须有特殊考虑。 4 ) 自重越来越大。岸桥的自重，已从常规巴拿马型的6 0 0 8 0 0 t ，增大到现 在超巴拿马型的1 2 0 0 2 0 0 0 t 。 2 高速化 i ) 起升速度从巴拿马型岸桥的5 0 1 2 0 m m i n ，增加到现在的9 0 2 0 0 m m i n ，电动机的功率已经大到6 9 0k w 2 ，若选为交流电机，则是目前起重用变 频电动机的最大规格了，正逼迫电动机供货商研制开发更大容量的电动机。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 小车速度已从常规巴拿马型的1 2 0 m 觚n 增加到现在的2 4 0 m m i n ，并正 在向3 0 0 3 5 0 m m i n 的速度发展。它将带来如拖令小车箱供电电缆如何适应高 速度等一系列新问题。 3 ) 双箱吊具作业。据统计，一船集装箱中约6 0 以上是2 0 箱。双箱作业 新型吊具的应用，使每次能同时装卸2 个2 0 的集装箱，效率平均提高2 5 以 上。 4 ) 双小车双箱吊具作业。在一台岸桥上除了使用双箱吊具外，沉默近十年 的双小车系统也已在德国汉堡港重新提上日程。它是在现代高技术基础上的双 小车系统。该系统采用前后两个小车。前一个小车有司机操作，承担船与转接 平台之间的集装箱搬运；后小车无司机，完全自动地实现集装箱在转接平台与 a g v 系统( 自动拖运架) 之间的搬运，转接平台设在岸桥上距船最近的海侧下横梁 上。因此，效率大为提高，理论上可达5 5 至6 0 个循环，折合8 0 i o o t e u h 。 岸边集装箱起重机是集装箱码头的主力装卸设备和标志性建筑，其在我国 各大港口中的地位和作用，历来为人们所重视和关注。岸边集装箱起重机作为 港口码头重要的技术物质基础，它体现了港口的生产力水平。在岸边集装箱起 重机中，结构件的费用要占整机的很大部分。整机的使用寿命往往取决于结构 件的使用寿命。随着我国经济的高速发展，越来越多的岸边集装箱起重机投入 使用，同时也面临一些问题，由于岸边集装箱起重机价格昂贵，用户总是希望 尽量延长其使用寿命，特别是现在使用中的岸边集装箱起重机有很多生产于8 0 年代或是更早，受当时条件限制设计上可能存在问题，如没有按疲劳强度来设 计，所以在使用多年之后，在设备管理上就需要对结构的可靠性进行评估。 1 1 3 课题研究的目的和意义 经过十多年的发展，我国己经从一个港口集装箱机械的进口国，一跃成为 世界上最大的港口集装箱机械生产国和出口国。对于大型集装箱起重机的制造 企业来说，设计的质量和设计的效率都是至关重要的。而在起重机结构设计计 算中，目前仍沿用手工建模、手工提取计算结果的做法。这种做法有很明显的 局限性。例如不容易发现输入有误的数据，工作量非常繁重，可以说是属于“体 力性”的脑力劳动。数据是孤立的，只能靠人工来操作传递，无法共享。因而 也不能很好地使结构设计的项目小组各成员联系紧密、保持数据自动更新和共 4 武汉理工大学硕士学位论文 同的进度。这样的低效率的设计计算方法已严重不适应企业的需要，成了设计 工作中的瓶颈。岸边集装箱桥式起重机大型化使得设计中经验依赖性必须减少。 而目前岸桥设计主要还是参照己有的机型，连结构、板厚的参数都几乎一样， 并且岸桥( 多数机械的结构设计也一样) 结构设计中，c a e 辅助设计实质上来讲主 要是作为设计后的校核工具，没有充分发挥其作用。 鉴于此，本文提出改变建模思路，在研究了有限元软件数据管理特点基础 上，全力从命令流入手，提出自动建模和结果分析的方案。设计出一套v b a p d l 参数化建模及结果自动分析提取系统。在这样一个平台下，数据流得到了 完全控制，因而优点非常明显。只要做些适当的数据连接工作，可以得到如下 效果：i 、建模工作简单。参数输入界面可以根据不同的需要进行设计，比如可 以根据岸桥结构设计的不同类型结构设计相应的界面。本文中所列举的是双箱 梁岸桥输入界面，其他类型的结构还有卸船机、单箱梁岸桥等，所有由梁单元 组成的结构均可直接在界面中输入。2 、结果查看分析直观明了。关联梁的信息 和计算结果，形成梁段参数信息梁段名称单元号计算结果这样一 条链，计算者可以非常方便直观地分析结果来指导设计。3 、返工修改参数计算 特别方便。参数输入完毕后，在生成模型的过程中无需人工参与，当修改某个 参数后，程序会自动重新生成更改参数后的模型，所以返工只是对数字进行修 改而无需对模型进行操作，大大减轻了此设计环节的工作量。 1 2 结构数值仿真技术的发展现状和趋势 1 9 8 4 年初，诺贝尔奖金获得者，著名的美国物理学家w i i s o n 文指出：科学 的计算机化就是要把从牛顿以来的4 0 0 多年间人类在科学技术研究中获得的和 正在获得的知识转化为计算机程序，应用于科研和生产实际，促进各个学科的 科学家与工程师们的广泛合作u ”。 由计算机带来的当代技术革命的巨大意义，在于它继实验方法、理论方法 之后，引进了第三种科学手段计算。而科学计算的意义则在于：可以模拟 客观物理世界的过程，部分取代实验或作为实验的补充，检验理论的模型，进 行预测、模拟在实际中无法重复或进行实验的自然现象或社会现象；利用”数值 实验”发现新的规律，并对工业生产进行产品分析与设计；对那些精确性尚不够， 数学模型尚未定型的问题，利用数值模拟可以进行多个方案的模拟计算和对比 武汉理工大学硕士学位论文 筛选，从而对科学定量化起到了重要作用。 数值动态仿真在许多重要的部门得到了应用：例如采用三维图形来表示飞 行器高速穿过大气层时，其周围气流的运动情况以及对飞行器表面的压力、温 度的影响等；再如，以三维图形显示核爆炸数值模拟中高温高压下物质状态的 动态变化规律等。这样做大大加快加深研究人员对被模拟对象物理变化过程的 认识，发现通过数值信息发现不了的现象、并获得意外的启发与灵感，从而可 缩短研究周期，提高研究效率，取得更丰硕的研究成果。 自6 0 年代后期以来，电子计算机的持续高速发展和各种数值方法特别是有 限元方法的发展，促进科学研究方法的变革，即从理论和试验的两极转变为理 论、试验和计算三极。人们可能利用数值分析方法，根据精确试验得出的材料 本构关系和调查得到的载荷随机过程，对各种结构进行分析，并可能结合成熟 的数值图形显示技术与图像技术，进行试验过程的数值模拟与仿真。在国际上， 这方面已有良好的开端，美国三里岛核反应堆的事故分析采用了计算机仿真技 术，用数小时就重现了这个无法重复的事故，并找到了事故的原因；此外，美 国斯坦福大学的地质现象仿真和瑞士洛柔大学的”数值混凝土”都是成功的仿真 实例。仿真技术的优点在于它不受空间尺寸和时间长短的限制，可以提供人们 有关结构行为的各种数据和图形( 其中有些数据在试验中由于量测手段等局限 性无法获得) ，省去了人们大量的人力物力和时间，还甚至可代替一些无法进行 的现场试验；另一方面，数值计算和仿真技术可使结构的重分析和再设计易于 实现。 数值模仿与仿真概念的提出与发展，是计算机飞速发展及相应计算分析理论 成熟的必然结果，是两种分析及认识问题的过程及方法。随着人们对客观世界认 识的深入及研究手段的发展，模拟与仿真己被赋予更多的内涵。数值模拟依赖由 客观存在而简化的物理模型，物理模型进一步抽象为数学模型，此时复杂问题转 化为大量重复的简单分析过程，最后借助具有快速计算能力大容量存贮设备的计 算工具求得问题的数值结果。仿真是数值模拟进一步发展的必然结果。它是利用 计算分析程序对自然现象，系统工程，运动规律、以至人脑思维等客观世界进行 逼真的模拟；它集成了现有科学技术成果。是思维过程的再现及延伸，计算机仿 真考虑更多影响结果的因素，采用更精确的算法，根据实际结果或预期目标确定 或重新组合计算分析参数( 如本构关系、单元类型选取与划分、阻尼系数的选择 等) ，力求达到预期的求解i i 标；仿真的计算分析结果声形图文并茂，含有更丰 6 武汉理工大学硕士学位论文 富的信息。数值模拟与计算机计算分析技术，图形、图像技术，可视化技术相结 合以后，计算机仿真的应用范围更加扩大，其发展速度也更为迅速。 模拟与仿真的特征可概括为：( 1 ) 具有预期的分析求解目标；( 2 ) 计算分析过 程具有逻辑判断能力；( 3 ) 考虑多种影响结果的因素，每种因素具有简繁不同的几 种模型；( 4 ) 可根据问题求解的需要判断并选择影响因素的组合；( 5 ) 具有直观形 象的抽象数据表现形式；( 6 ) 具有自含的分析系统，易补充新的信息”1 。 成功的数值模拟和仿真除了需要有效的数值计算方法和成熟的图形显示技术 外，正确的材料本构模型和高质量的试验数据是必不可少的。目前，一般状态下 金属材料的本构关系理论已发展得相当成熟，但对复合介质这方面的研究则还远 远不够。以混凝土为例：目前仍缺乏在复杂应力条件下，包括应力与变形的完整 试验数据和完善的本构关系模型和破坏准则。另一个值得重视的问题是高质量结 构试验。数值模拟与仿真一般表现为软件形式，而软件中本构模型、计算方法及 其软件编制的正确性和合理性必须通过试验工作来支持和验证，少量的模型乃至 原型试验仍是十分必要的。 数值计算已经和理论、试验一样成为科学技术领域中强有力的方法。数值计 算、理论和试验之间相互促进，相互渗透并相互制约。理论对数值计算的发展是 必不可少的，精细的数值计算对理论和试验提出了愈来愈高的要求。通过试验， 又可发现新现象，促进理论的发展。理论和数值计算对试验有着重要的指导作用。 理论方法和数值方法的结合形成了一些新的结构分析方法，如边界元法、有限元 法、半解析法和群论方法，而工程界常用的半经验半理论公式则是理论方法和试 验方法结合的最生动的实例。就目前材料本构关系研究而言，理论上微观力学、 断裂力学和损伤力学等的介入使研究的广度和深度有了很大提高，而利用计算机 模拟材料的微观结构、分析微观结构的模型和参数正在成为探索材料各种力学现 象机理和本构关系的一种手段，试验则是了解材料基本性能和确定本构关系参数 的基本手段。可以预料，随着科学技术的发展，数值计算、理论分析和试验测试 将相互依靠、相互交叉、协调发展。 综上所述，结构仿真分析须有4 个条件：( 1 ) 有关材料的本构关系或物理模型， 这可以由小尺寸试件性能试验得到；( 2 ) 有效的数值方法，如差分方法、有限元法、 直接积分法等均己相当成熟，可以采用；( 3 ) 丰富的图形显示软件及各种视景系统； ( 4 ) 开放的数据管理系统，易于补充新的算法及基础数据，亦可根据求解目标完成 算法选优功能。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究内容 综上所述，本论文以岸边集装箱桥式起重机结构为研究对象，以有限元法， 机械振动动力学和疲劳强度理论为理论基础和分析手段，运用参数化技术和有限 元分析软件a n s y s 对岸边集装箱桥式起重机结构在小车吊载运行的整个过程中进 行运动数值仿真，研究其静动态特性，进行疲劳分析，并采用面向对象的程序设计 软件v i s u a lb a s i c 开发相应的数值运动和动力仿真软件。具体工作如下： 1 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岸桥结构的有限元 参数化模型。所谓有限元参数化模型是指：通过a n s y s 建立的起重机结构的有限 元模型的材料特性、单元类型及实常数、边界条件及载荷等实现了参数化。这是 进行数值仿真最为基础也是最为关键的一个环节。 2 用建立好的有限元参数化模型和a n s y s 的a p d l 语言编写岸边集装箱起重 机结构在小车吊载运行整个过程的a p d l 命令流文件，具体实现仿真，获得仿真动 画，使人一目了然。 3 研究岸边集装箱起重机结构的动态特性。结合有限元参数化模型编写模态 分析的命令流文件。提取前几阶固有频率、主振型及其振型图，并对结果进行分 析。 4 研究岸边集装箱起重机结构的疲劳特性，运用a n s y s 提取易产生疲劳破坏 的位置的应力，进行疲劳校核。 5 有效地运用v i s u a lb a s i c 软件对岸桥结构的运动数值仿真和动力学分析进 行封装。开发岸边集装箱起重机结构运动和动力数值仿真软件，该软件界面友好， 操作简便、实用，并且使用不仅仅局限于岸桥结构，可以对任意梁单元结构进行 仿真。 8 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章参数化技术、a n s y s 软件二次开发及开发工 具v is u a ib a s i c 2 1 参数化技术 2 1 1 参数化设计概念 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 方法是存储设计的整个过程，一次能设计一 组( 而不是单一的) 产品模型。参数化设计技术过程使工程设计人员无需要考虑细 节而尽快建立基本模型，经过对基本模型的反复修改来得到所需的设计，并可变 动某一些参数来更新设计，从而在设计系列化产品时不必一次次都重新运行设计 全过程。因此，这种设计技术己成为进行产品初始设计、模型编辑修改及对多种 方案进行比较的有效手段。 工程设计需要多次反复地修改，对形状和尺寸要进行综合协调和优化，尤其 对于结构形式变化不大或设计过程较为稳定的产品，更需要根据实际情况自动选 择设计方案例或修改尺寸，这就需要参数化设计。同时，起重机的设计过程中， 不同设计人员构思的设计方案也可能不同，再加上其结构形式多样，设计时涉及 到的参数众多，计算公式繁琐，人工计算效率低且很容易出现差错。显然这种传 统的手工设计方法已不再适应目前工程机械发展的需要，利用计算机则可以快速 准确地得到计算结果，并且可以进行多个方案的比较，从而得到优化的设计结果。 因此，研制与开发新的设计计算系统来优化设计出安全、经济、合理、美观的起 重机的要求己迫在眉睫。 参数化设计的基本思想是针对实际的生产设计中，对于同一类型但不同规格 的产品，他们实际设计时的差别仅在于特定的若干关键技术的选择。针对这种特 点，我们编制一定的程序，让计算机按照给定的要求自动完成产品的设计，修改 设计时只需修改给定的相关参数，其它部分由计算机来完成。 参数化的优点是设计的参数除描述几何拓扑信息外，还能表达与处理几何元 素间的各种设计关系和约束关系。这样，工程设计人员不需要考虑具体细节，精 确计算结果由计算机自动生成。同时，可以通过变动某些参数和约束关系来更新 9 武汉理1 = 大学硕士学位论文 设计”。 参数化程序设计突出的优点是快速、准确，传递数据可靠，特别是对那些结 构形式与结合方式确定的设计。如结构形状不变，只改变大小，可通过改变几何 参数加以控制，组合方式不变，则可设一关系类参数控制其变化。对于创新设计， 单纯通过修改参数，显得不够灵活。此时，采用人工输入的方法补充某些系统不 能完成的功能，结构参数可以向下一级设计传递。 在实际设计任务中，经常会遇到系列产品的设计工作。这些产品在结构上基 本相同，但由于使用场合、工况的差别， 类设计任务，在进行有限元结构分析中， 在结构尺寸上形成了一个系列。对于这 如果逐一地进行建模与分析，重复工作 量将相当庞大、也延长了设计周期。另外，工程实际中很多产品的设计都需要反 复进行修改或优化，即：设计建模分析修改设计再建模再 分析。对于这种重复进行的再设计与分析，在有限元建模与处理结果方面，存在 着大量的重复工作，影响到设计分析的效率。为克服上述重复建模与分析带来的 问题，在有限元建模与分析过程中，本文引入参数化的有限元建模思想，使有限 元建模与分析实现参数化，从而提高有限元分析的效率。 2 1 2 常见的参数化方法 常见的参数化方法分成以下的几种：代数法，人工智能法，直接操作法和 语言描述法。 ( 1 ) 代数法：指把尺寸的约束转化为联立方程组，求解方程，从而得到满足尺 寸约束的解。所定义的任何尺寸约束均可以作为操作几何形体的参数。 ( 2 ) 人工智能法：是通过推理机制逐步构造物体的几何模型。它使用被存放在 知识库中的一些简单的规则进行推理。系统提取约束，把这些约束作为事实，与 规则的条件进行匹配，从而推出一些中间结论，再把这些中间结论作为事实继续 推理，最终求出物体的所有特征点，构造出几何图形。 ( 3 ) 直接操作法：直接修改图形的内部状态。所有的目标都用图形来表示，设 计者可以通过直接控制点来修改目标的位置，方向和大小等。目标的成员自动继 承父目标的属性和操作。这种关系由约束说明，目标之间的约束通过局部坐标系 与整体坐标系的关系来指定。 ( 4 ) 语言描述法；使用语言描述图形的方法。用户使用造型语言来定义带有参 0 武汉理工大学硕士学位论文 数的体素，再用这些体素来描述几何图形。也可以先绘制体素，系统自动生成几 何体的描述语言，再修改描述语言中的某些参数，以生成新的体素。 2 1 3 参数化设计原理及其设计步骤 参数化设计是c a d 技术在实际设计应用中被提出来、并 ：导到发展的、有着强 大使用价值的技术“。用一组参数来定义几何图形( 体素) 尺寸数值并约定尺寸关 系，提供给设计者进行几何造型使用。参数的求解比较简单，参数基于面向对象 技术的起重机参数化设计系统研究与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设 计结果的修改受到尺寸驱动( d i m e n s i o nd r i v e n ) 。生产中常用于设计对象的结构 形状比较定型的产品，系列化标准件就是属于这一类型。参数设计系统的原理如 图2 一l 所示。计算方程组中的方程是根据设计对象的工程原理而建立的求解参数 的方程式。 l定义几何尺寸参量 j确定几何约束关系 0 i 表示几何约束关系 上 i修改尺寸或输入尺寸 i几何约束尺寸驱动 图2 1 参数化设计的结构框图 参数化设计技术( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ) 的关键是几何约束关系的提取和 表达、约束求解以及参数化几何模型的构造。它的主要特点是：基于特征、全尺寸 约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改，约束( c o n s t r a i n t ) 是指利用一些规则或 限制条件来规定构成实体的元素之间的关系。 参数化设计的步骤为： ( 1 ) 分析工程图形，提取事物特性； ( 2 ) 设计事物特性表，将提取的几何特性制成表； 武汉理工大学硕十学位论文 ( 3 ) 算法设计； ( 4 ) 程序编制； ( 5 ) 程序调试及运行。 在参数化设计系统中，数据存储与传递是一个十分关键的问题。当正常的数 据修改结束时，退出数据修改即可完成数据存储。而在指定文件中存储的数据可 以传递到后序的设计中，并在下一次进入系统时被作为初始数据使用，这正是参 数化程序设计的优点。 本文就采用a n s y s 的二次开发工具a p d l 语言编写参数化的程序，从而来实现 参数化设计。 2 2 大型有限元软件a n s y s 及其二次开发 2 2 1a n s y s 简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之的美国a n s y s 公司开发。 它具有与p r o s ，n a s t r a n ，a l o g o r ，i d e a s ，a u t o c a d 等多数c a d 软件的数据接 口，实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。a n s y s 软件 可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、 土木工程、水利等众多工业领域及科学研究当中。该软件可在大多数计算机及 操作系统中运行，在p c 机、工作站、大型机和巨型机的所有硬件平台上，a n s y s 数据文件均可兼容。 a n s y s 的基本特点包括：前处理模块、分析计算模块、后处理模块。 1 前处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可方便的构 造有限元模型。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结 构和材料。 a n s y s 的几何建模方法包括：依次生成点、线、面和体的自底向上建模方式 和通过调用几何体素和采用布尔运算而生成几何模型的自顶向下建模方式。进 行网格划分时，a n s y s 主要有自由网格划分和映射网格划分两种方式。针对不同 几何体，a n s y s 还包括拖拉生成网格、层网格划分、局部细化等。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 分析计算模块 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 e d b 将前处理模块生成的模型存盘，退出p r e p r o c e s s o r ，点击实 用菜单项中的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、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 a n s y s 软件提供的分析类型如下： 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼 对结构的影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分 析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接 触分析。 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间交化的载荷对结构或部件的影响。与静力 分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。 a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响 应分析及随机振动响应分析。 3 ) 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程序可求 解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 4 ) 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时， 可使用这些功能分析复杂结构在空问中的运动特性，并确定结构中由此产生的 应力、应变和变形。 5 ) 热分析 6 ) 电磁场分析 7 ) 流体动力学分析 8 ) 声场分析 9 ) 压电分析 3 后处理模块p o s t i 和p o s t 2 6 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 l 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 武汉理工大学硕士学位论文 果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流 等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。 2 2 2a n s y s 二次开发 标准a n s y s 程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序。同时它还具 有良好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准a n s y s 版本上进行功能扩充和 系统集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的a n s y s 程序。其 开发功能包括四个组成部分：参数化程序设计语言( a p d l ) ；用户界面设计语言 ( u i d l ) ；用户程序特性( u p f s ) 和a n s y s 数据接口。在本文中，主要运用的是参数 化程序设计语言a p d l 。 1 参数化程序设计语言a p d l 简介 参数化程序设计语言实质上由类似于f o r t r a n 7 7 的程序设计语言部分和1 0 0 0 多条a n s y s 命令组成。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、 数组表达式、函数、流程控制( 循环与分支) 、重复执行命令、缩写、宏以及用户 程序等。标准的a n s y s 程序运行是由1 0 0 0 多条命令驱动的，这些命令可以写进程 序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋于确定值，也可以通过表达式的结果 或参数的方式进行赋值。从a n s y s 命令的功能上讲，它们分别对应a n s y s 分析过 程中的定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷和边界条件、控制和 执行求解和后处理计算结果等指令。 用户可以利用程序设计语言将a n s y s 命令组织起来，编写出参数化的用户程 序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的c a d 模型、参数化的网格划 分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控 制和求解以及参数化的后处理。宏是具有某种特殊功能的命令组合，实质上是参 数化的用户小程序，可以当作a n s y s 的命令处理，可以有输入参数或没有输入参 数。缩写是某条命令或宏的替代名称，它与被替代命令或宏存在一一对应的关系， 在a n s y s 中二者是完全等同的，但缩写更符合用户习惯，更易于记忆，减少敲击 键盘的次数。a n s y s 工具条就是一个很好的缩写例予。 进行有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷，求解和解释结果，假 如求解结果表明有必要修改设计，那么就有必要修改模型的几何形状并重复上述 步骤。a n s y s 参数化设计语言(