（机械设计及理论专业论文）基于ansys的汽车起重机起重臂参数化设计研究.pdf

硕士研究生学位论文 摘 要 i 摘 要 随着现代工程建设的增加，汽车起重机已经成为施工中重要的起重设备，缩短产品结 构的设计周期，也已成为汽车起重机现代设计发展中的重要部分。对一个复杂结构进行有 限元建模和分析时，所涉及到的参数量多，手工计算繁琐，效率低且易出差错。因此，本 文利用 ansys 软件的命令流功能，即 ansys 的参数化设计语言 apdl，建立汽车起重机 起重臂结构参数化有限元分析系统，实现汽车起重机起重臂的参数化设计过程，在优化汽 车起重机结构，提高工作性能，降低其产品开发成本等方面具有一定的理论及实际意义。 本文在查阅国内外相关文献的基础上，对汽车起重机实际工作状况进行研究，依据起 重机设计规范（gb/t3811- 2008），选取汽车起重机的性能参数、起重臂的结构尺寸参数 和载荷参数为特征参数；依据有限单元法基本理论，确定了汽车起重机起重臂结构简化的 原则及处理方法，利用有限元分析软件 ansys，建立了qy20 汽车起重机起重臂结构的有 限元分析模型；在此基础上，基于 ansys 的二次开发功能，利用参数化设计语言 apdl， 对 qy20 汽车起重机的起重臂结构进行参数化建模，并在典型工况下对参数化模型进行了 有限元分析，获得了相应的应力分布情况，实现了汽车起重机起重臂的参数化设计过程。 根据对比参数化设计模型和利用菜单功能所建模型的应力分布情况和最大应力值，发现二 者结果一致，验证了汽车起重机起重臂参数化设计过程的有效性。选取对应型号的汽车起 重机进行起重臂的结构应力测试试验，获得了起重臂结构在相应工况下的应力试验结果， 结果表明：参数化设计过程符合实际情况；最后，结合 vb（visual basic 6.0）的界面设计 功能，编制程序，实现了汽车起重机起重臂参数化设计过程的可视化，完善了汽车起重机 起重臂的参数化设计研究。 本文在汽车起重机起重臂结构进行设计时，将参数化设计概念引入到有限元结构分析 中，根据调整起重臂的特征参数，实现了自动生成分析模型并完成相应的分析过程，缩减 了产品设计周期，达到了起重臂结构参数化设计的目的。 关键词：汽车起重机；起重臂；参数化设计；a n s y s ；可视化 硕士研究生学位论文 abstract iii abstract along with modern engineering constructions increase, the truck crane already became an important hoisting equipment, shorten the cycle of the structure and properties of the design，it had also become truck crane to play an important part in modern design development. through the complex process of structural design of large- scale study found that the structure of a complex finite element modeling and analysis, the parameters of the quantity involved, very complicated formula, labor efficiency is very low and easy to go wrong. therefore, the thesis established truck crane boom structure parametric fem analysis system by the ansys parametric design language apdl, realize truck crane of hoist boom of parametric design process, in the optimization of the structure, raise work performance, reduce the cost of the product development has certain theoretical and practical significance. based on correlated domestic and foreign references, researched on the practical working condition of truck crane, according to crane design standard (gb/t3811- 2008), select truck crane performance parameters, crane boom structure size parameters and load parameters for the characteristic parameters; according to the basic theory of finite element method, determined the truck crane boom structure simplified principle and processing method, established the qy20 truck crane boom structure finite element analysis model by ansys. on this basis, based on secondary development function of ansys, qy20 truck crane boom structure of parameterized modeling, and carried out parametric model finite element analysis is in typical working conditions, obtained the corresponding stress distribution, realizing the truck crane boom of parametric design process. according to the contrast parametric design model and use menu functions the built model of the stress distribution situation and the maximum stress value, found that these two results are consistent, verifies the truck crane boom parametric design effectiveness of the process. choose corresponding type of truck cranes to carry crane boom of structural stress test testing, won the crane boom structure in the corresponding working conditions of stress test results. results show that: the parametric design process conform to the actual situation. finally, combined with the function of vb (visual basic 6.0) interface design, program composition with vb, r ealized the truck crane boom parametric design process of visualization, it has consummated to the truck crane boom parametrization modelling research. this thesis on truck crane boom structure design, parametric design concepts were introduced into the finite element structural analysis, according to adjust crane boom of the characteristic parameters, it realized automatic generating analysis model and finish the relevant analysis process, shrunk the product design cycle, reached crane boom structure parametric design purposes. iv abstract 硕士研究生学位论文 keywords: truck crane; crane boom; parametric design; ansys; visualization 声 明 本人声明， 所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、 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 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 （如作者 和导师同意论文交流，请在下方签名；否则视为不同意。 ） 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 不限 半年 一年 一年半 两年 作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 本文研究背景及研究意义 轮式起重机是一种使用范围广，作业适应性强的大型机械设备，随着我国经济建设的 快速发展，基础建设力度逐渐増大，道路交通、机场、港口、水利水电和市政建设等基础 设施的建设规模也越来越大，起重安装工程量亦随之增加；同时，建筑业的迅速发展，使 得其逐渐由单一的半机械化作业向机械化、自动化过渡，这就增加了对工程起重机的需求 量；其中，由于汽车起重机具有行驶速度高、转移灵活、底盘的零部件供应方便等优点， 使得国内外汽车起重机近年来都得到了迅速的发展；传统的起重机械设计大部分采用半理 论与半经验结合的设计类比方法，辅助手工计算与绘图，结果造成设计过程反复多，周期 长，设计的精确度低，而不同技术员所设计的机构常常也存在差异；在实际工程设计中常 需对同一类型、不同规格的系列结构做大量的相似设计，即使是同一规格的系统设计中也 常存在许多类似设计，只是具体的参数数值不同，这样就造成了许多枯燥的重复劳动1- 4。 图 1- 1 汽车起重机 汽车起重机传统的校核是把其结构简化为物理模型，采用数学和力学方面的知识进行 单一的理论计算，但这种校核方法与实际情况相差甚多，不能达到较好的分析效果。同时 起重臂结构在工作中所受的载荷非常大，也不可能在实物实验中校核它在工作状态下的强 度。相较于传统的设计方法而言，将参数化设计技术的概念引入到汽车起重机的设计、研 发过程中来，采用参数化设计的方法建立有限元分析模型可以快速、 有效的检验其可靠性。 为此，本论文在对 qy20 汽车起重机起重臂结构进行分析研究后，以有限单元法为理 论依据，利用有限元分析软件 ansys，充分利用对 apdl语言的研究，并利用 visual basic 6.0 的界面设计功能为调用工具，在充分确定汽车起重机起重臂结构参数的前提下， 采用 ansys 软件与参数化设计技术相结合的研究方法， 模拟汽车起重机的真实工作环境， 建立出能够反映汽车起重机外观、空间结构关系、力学特性等的有限元分析模型，利用 ansys 软件建立汽车起重机臂架结构参数化有限元分析系统，在优化汽车起重机的结构， 提高汽车起重机的工作性能，降低其产品开发的成本等方面具有一定的理论及实际意义。 2 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 1.2 国内外汽车起重机研究现状发展趋势综述 1.2.1 研究现状及发展趋势 起重机作为传统机械的一种，发展至今，在其承载结构、取物装置、控制系统等方面 都有了相当大的发展，在其设计理论、制造工艺、检测手段等都逐渐趋于完善，并逐渐成 为一种各个方面都比较规范化的机械5。 我国汽车起重机的发展大致经历了以下几个阶段： （1）五六十年代，生产 5t 的机械式汽车起重机为主； （2）六七十年代，生产 12t 以下的小型液压汽车起重机为主； （3）直至九十年代，16t50t 中吨位液压汽车起重机的产量较多6。 八十年代初，部分国内生产商引进了日本和美国的起重机产品技术，以合作方式相继 制造出大吨位的汽车起重机和越野轮胎起重机，及全路面汽车起重机6。目前我国起重机 平均吨位在 200 吨，而欧洲的平均吨位在 800 吨，现在称为我国国内之最的是最大起重量 可达 300 吨的徐州重型的的 quy300 型履带式起重机，和额定起重量为 200 吨的 qay200 型全路面起重机，但是在技术方面与德国的利渤海尔等国际起重机行业巨头还有很大差距 7。 目前我国汽车起重机产品存在以下几方面的差距： （1）产品质量的稳定性能比较差，部分产品故障频频发生； （2）产品品种过于单一化，不能做到多样化发展； （3）产品的性能在智能化、自动化及安全保护方面的设备可靠性等都与国外存在一 定的差距； （4）材料方面，低合金高强度钢和其它轻型材料在国外已被广泛利用，并正在不断 地向高强度钢发展，而国内的材料主要为 q235、16mn等，造成国产的汽车起重机显得比 较笨重，性能也被影响； （5）涂漆防腐技术与国外相比，也有明显差距。 目前，由于各种工程项目都逐渐向大型化发展，对大吨位起重机的需求也逐渐增多， 因此大吨位化是汽车起重机的一个发展趋势，目前德国始终在这方面处于遥遥领先的地 位。为适应现代建设工程作业的需要，汽车起重机正逐渐向微型化发展，十年前由日本神 户制钢公司开发的世界第一台 7trk70 型的“迷你”rt 起重机，而在汽车起重机的伸缩臂 结构方面也正在不断地改进和发展，此外汽车起重机的另一发展趋势有一机多能化，工作 范围的扩大。 汽车起重机在技术方面，未来的五种发展趋势： （1）先导比例控制技术和变量系统的应用 具有操纵舒适、微动性能较好及便于安装等优点的先导比例控制技术，被应用在大吨 位起重机上；而作业效率高、节能并且成本较高的变量系统，将被逐渐应用在大吨位汽车 起重机的起升系统上； 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 （2）优化构件设计，减轻自重，提高性能 自重方面，国外的先进产品比国产的汽车起重机轻 20左右，造成国产产品的成本较 高，且在方向性能方面发展缓慢，尤其在起重臂结构和车架结构的优化设计方面，成为起 重机设计中的重要课题； （3）较高的越野性能和广泛的通用性能 我国的城市街道和交通道路决定着汽车起重机的发展方向是全路面起重机，而不是轮 胎起重机；在国外，无论是轮胎起重机还是全路面起重机，都已经解决了越野性能和通用 性能； （4）设计细化 为了将产品的可靠性进一步提高，外观结构及仪表盘布置等设计都有待进一步的改善 和细化，产品的可靠性提高了，才能够适应市场需求； （5）产品适应性广泛 根据我国地域广阔、环境变化大及城市环保的要求，产品必须能够适应我国这种市场 的发展需求，而不断地采用新技术进行深入的试验研究8- 10。 我国的汽车式起重机起源于上世纪的七十年代，经过了近四十年的发展。在对技术的 引进、吸收的基础上，我国起重机的某些技术水平正逐渐接近国际水平，产量也逐年所增 加，汽车起重机行业在我国正处于快速发展阶段，而其在适应国内发展的同时，也正在不 断地向国际化发展方向靠拢。 1.2.2 国内外相关研究状况 世界上各国都在不断改进起重机产品的性能，提高运转速度和生产能力，提升自动化 水平，制造方便、可靠、新型、高效能的起重机来满足生产的需要。国内外的一些相关研 究集中在运用理论建立起重机力学模型进行计算或有限元分析9- 12。例如文献 9 以 qtjs160 铁路起重机伸缩吊臂为研究对象，利用有限元软件 ansys，选用梁单元建立有 限元模型，计算了起重臂结构的整体应力和变形情况；然后用板壳单元建立有限元模型， 计算出起重臂结构在选择的载荷工况下的局部应力和变形情况，提供了起重臂在设计载荷 条件下的强度、刚度有限元分析的校核依据。文献10利用 ansys 中的接触对，对副臂 臂节间搭接处的接触问题进行了模拟，建立了汽车起重机副臂结构的实体模型，非线性分 析计算后，获得了结构应力分布和变形情况，进而使结构的刚度和强度满足要求的情况得 到了验证。文献11利用 ansys 软件，对汽车起重机伸缩吊臂结构的局部稳定性难以计算 问题进行了分析，吊臂截面被视为一个整体，建立了计算其局部稳定性的参数化有限元模 型和参数优化模型。文献12中将结构自重设为优化目标，截面尺寸设为优化设计变量， 利用ansys软件， 在约束条件为强度、 刚度的条件下， 确立了优化的数学模型， 利用ansys 的一阶方法进行迭代优化计算，经 10 次迭代，其中第 7 次迭代为最优解，最终采用随机 搜索法验证了计算结果。 单纯的有限元分析方式已经不能满足现代的设计速度要求，更谈不上对该结构进行优 化设计。而参数化设计思想更为符合和贴近现代 cad 中概念设计及并行设计的要求。一 4 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 些研究者将有限元分析与参数化设计思想融合 13- 16。例如文献13通过提取具体的 qay350h 汽车起重机副臂结构参数、截面参数和载荷参数，利用 c 语言、c+语言、通 用有限元分析软件 algor 前处理 superdrawiii 的 script 语言，开发出 qay 系列汽车 起重机副臂结构参数化模型的程序 pms，研制出汽车起重机副臂系列结构参数化设计和 分析软件系统。文献14编制并调试了 qay350h 车架结构的主要参数模块，按照设定自 动生成完整的参数化车架结构件，最终将参数化模型与利用菜单功能所建模型进行了对 比。文献15以全伸臂工况为例，进行了起重臂的特征值屈曲分析，获得了临界载荷和屈 曲安全因子，并建立吊臂的参数化有限元分析，apdl参数化语言的编写过程得到了简化。 文献16以臂架结构特点为基础，将甲板吊臂架的整体结构分解成若干板块，每个板块结 构利用 apdl 程序进行集成，实现其 apdl 参数化建模。结合 vb 的特点，封装和调用 ansys 程序，既能弥补 apdl 的不足之处，又能完善有限元分析的参数化过程17- 18。例 如文献17中以某型载货车车架为例，提取了载货车车架的横梁、纵梁，加强板，铆接孔 等特征， 结合 vb 和 uidl 语言， 开发出载货车车架参数化建模系统。 文献18中用 vb6.0 程序封装 apdl 命令流，并调用 ansys 计算程序，最终起重机轮叉有限元分析程序实现 了开发全过程。 目前国内外对汽车起重机不同工况和各个工作机构进行参数化有限元分析的研究还 比较少，因此本课题对于汽车起重机的参数化有限元分析研究有一定的理论意义。 1.3 论文研究目的 在汽车起重机起重臂结构设计及其优化设计时，将参数化设计引入到有限元结构分析 中，实现结构参数快速调整，自动生成分析模型并完成结构有限元分析过程，可将起重臂 结构系列化并缩减产品设计周期。利用 ansys 有限元分析软件建立汽车起重机起重臂有 限元模型，对其进行有限元分析，并以有限元分析结果为基础，对原始设计进行修改。通 过汽车起重机起重臂的参数化设计，并根据其在不同工况下的作业过程，分析其起重臂结 构的受力变化情况，开发出汽车起重机起重臂参数化有限元建模和分析程序，得出一系列 正确可行的结论，这些结论对汽车起重机的设计研究、试验设计、机构的优化分析及改进 设计等提供理论依据，进而为以后的设计工作提供大量详实的数据。 1.4 主要研究内容及流程 1.4.1 研究内容 本文以汽车起重机为研究对象，建立汽车起重机有限元模型，结合试验，依据有限单 元法对建立汽车起重机起重臂的参数化设计系统展开深入研究。主要研究工作如下： （1）基于有限单元理论，对汽车起重机起重臂结构进行简化和处理，并依据起重机 设计规范（gb/t3811- 2008），选取汽车起重机起重臂的性能参数、结构尺寸参数和载荷 参数为特征参数； （2）根据汽车起重机真实工作状况及工作环境，以有限元分析软件 ansys 为工具， 利用其菜单功能建立了 qy20 汽车起重机起重臂结构的有限元分析模型； 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 （3）基于 ansys 的二次开发功能，利用参数化设计语言 apdl，对 qy20 汽车起重 机的起重臂结构进行参数化建模，并在典型工况下对参数化模型进行了有限元分析，实现 汽车起重机起重臂的参数化设计过程； （4）将参数化设计模型和利用菜单功能所建模型的应力分布情况进行比较，完善模 型特征参数的设置并验证模型及分析结果的可行性； （5）选取对应型号的汽车起重机，在相应工况下进行起重臂的结构应力测试试验， 将试验结果与参数化设计所得的结果进行对比，验证汽车起重机起重臂参数化设计的正确 性。最后结合 vb 的界面设计功能，编制程序，实现汽车起重机起重臂参数化设计过程的 可视化。 论文共分七章： 第一章：绪论，阐述汽车起重机在现代施工中的重要地位，明确本文研究的背景，指 明研究方向、研究目的、研究内容和研究流程等； 第二章：参数化设计与可视化界面，介绍有限单元法的基本理论内容、提出和发展过 程，ansys 软件的二次开发功能即参数化设计语言 apdl 和参数化技术的发展及应用， 利用 vb 界面设计功能实现了起重臂的可视化界面的设计； 第三章：汽车起重机起重臂特征参数的提取，对汽车起重机的结构进行了介绍，并分 析了汽车起重机起重臂载荷情况。依据起重机设计规范（gb/t3811- 2008） ，确定了起重臂 的性能参数、结构尺寸参数和载荷参数为特征参数。 第四章：起重机力学性能的可视化分析，将 ansys 的二次开发功能与 vb6.0 结合， 建立汽车起重机起重臂的参数化设计系统，依据起重机设计规范（gb/t6068- 2008）选取 起重臂的作业工况，以 qy20 汽车起重机的起重臂结构为算例，分析该结构在所选取的工 况下进行有限元分析，并与利用菜单功能所建模型进行对比，验证参数化设计过程的可行 性。 第五章：有限元计算与试验结果对比，对qy25汽车起重机进行现场试验， 得出试验数 据，并与参数化设计的有限元分析数据进行比对，验证参数化设计过程的正确性。 第六章：结论与展望。 1.4.2 研究流程 在总结和吸收国内外有关汽车起重机的研究成果的基础上，以 qy20 型汽车起重机为 研究载体，根据提取的汽车起重机特征参数，运用有限元分析软件 ansys 建立起重臂的 有限元模型。采用 apdl语音对该结构模型进行参数化设计，建立起重臂的参数化设计系 统。依据起重机设计规范（gb/t3811- 2008） ，针对不同起重量、不同工作幅度、不通工作 仰角，确定汽车起重机的四种工况，模拟起重机在不同工况下的真实工作过程并对其进行 有限元分析。结合现场试验对模型及建模系统进行对比和验证，进一步完善汽车起重机起 重臂的参数化设计系统，为汽车起重机的开发、设计、分析和研究提供一种有效的、快速 的现代化手段。研究流程如图 1- 2 所示。 6 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 1.5 本章小结 本章阐述了汽车起重机在现代施工中的重要地位，介绍了汽车起重机的发展现状及发 展趋势，阐述了有限元分析方法与参数化技术在国内外的研究情况。明确了本文研究的背 景，指明了本文的研究方向、研究目的、研究内容和技术路线。 以qy20汽车起重机 为有限元建模算例 选取典型工况分析模型 对比两种建模方法的 有限元分析结果 完成汽车起重机起重臂 参数化设计 研究汽车起重机结构组成 利用ansys菜单功能所 建的起重臂有限元模型 运用apdl语言建立 参数化设计模型 调整 修改 验 证 参 数 化 模 型 正 确 性 图 1- 2 研究流程 提取起重机性能、起重 臂结构和载荷特征参数 现场试验 硕士研究生学位论文 第三章 汽车起重机起重臂特征参数的提取 7 第二章 参数化设计与可视化界面 2.1 引言 上一章主要对论文的研究背景、研究目的、研究内容及技术路线等作了论述，本章主 要介绍有限元法基本思想提出和发展以及思想内容等，对有限元法的分析流程进行阐述。 并对目前广泛使用的有限元分析软件 ansys 的理论基础和参数化技术及参数化设计语 言 apdl 进行介绍，并设计完成了参数化设计中的可视化界面，为汽车起重机参数化设 计奠定基础。 2.2 ansys 与参数化设计技术 2.2.1 有限元法的思想和发展 从应用数学角度来看，有限单元法基本思想，是 1943 年 courant 第一次尝试将定义 在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，进而达到求解 st.venant 扭转问 题。刚架位移法被推广应用到弹性力学平面问题中，是 1956 年 turner、clough等人对飞 机结构进行分析时，采用直接刚度法，由弹性理论方程确定的三角形单元特性，得到了正 确的平面应力问题的解答，也就书写了现代有限单元法的开端， 创造了利用电子计算机求 解复杂平面弹性问题的新局面。1960 年 clough第一次提出了“有限单元法”的名称，平 面弹性问题得到进一步的处理。此后，随着电子数值计算机的发展，有限单元法的理论和 应用都得到迅速的、持续不断地发展，使得有限单元法进入到快速发展阶段，人们开始认 识了有限单元法。1963- 1964 年，besseling，melosh和 jones 等人证明了基于变分原理的 里兹（ritz）法的另一种形式就是有限单元法，从而有限单元法的适用范围扩展到使里兹 法分析的所有理论基础，有限单元法成为处理连续介质问题的一种有效方法。从 60 年代 后期开始，有限单元法中所利用的伽辽金（galerkin）法，可用于问题的微分方程和边界 条件都已知，而变分的泛函情况未知的条件下，因此，有限单元法的应用领域被大大扩展 了19。 图 2- 1 有限单元法发展 如图 2- 1 所示的有限单元法发展过程来看， 有限单元法已然成为一个具有巩固理论基 弹性力学平面问题 空间问题、板壳问题 静力平衡问题 稳定问题、 动力问题和波动问题 弹性材料 塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料 固体力学 流体力学、传热学等介质力学 有 限 单 元 法 从 到 到 到 到 8 第三章 汽车起重机起重臂特征参数的提取 硕士研究生学位论文 础和广泛应用效力的数值分析工具， 它的发展和完善必将在国民经济建设和科学技术中发 挥巨大的作用20。 有限元法，又称有限单元法。其思想是将连续的求解区离散为按一定方式相互联结在 一起的一组有限个单元的组合体。不同的联结方式、 不同的单元形状进行组合，复杂几何 形状的求解域就可以模型化。用假设的近似函数分片地表示全求解域上待求的未知场函 数，而其中单元内的近似函数用未知场函数或其导数在各个结点的数值和其插值函数表 示。在有限元分析中，新的未知量（即自由度）就是未知场函数或其导数在各个结点上的 数值，这样一个连续的无限自由度问题就变成了离散的有限自由度问题。这些未知量得到 求解之后，通过插值函数就可以计算出各个单元内场函数的近似值，得到整个求解域上的 近似值。单元尺寸会随着数目的增加而缩小， 而解的近似度也将随着单元自由度的增加 及插值函数精度的提高而提高。最后单元若满足收敛要求，近似解将收敛于精度解21。 结构有限单元法分析过程常分为以下步骤：结构离散化、力学特性分析、结构分析、 引入边界条件、 求解线性方程和后处理与计算结果。 结构离散化是有限单元法分析的第一 步，划分被分析结构为有限个单元体，按照被指定点所设置的节点连接相邻的单元体，使 其相关参数具有一定的物理关系和连续性， 离散化过程就是用这些离散的单元来逼近原来 复杂的物体；力学特性分析的目的也就是计算单元刚度矩阵（简称单刚） ，通过分析单元 到其力学特性上的共性； 结构分析就是建立起整个结构的所有节点载荷与节点位移之间的 关系，就是结构的总体刚度方程； 在求解之前必须在总体刚度方程中引入边界条件，通过 施加边界约束条件，结构发生整体刚性位移的可能性将被排除， 最终结构位移在一定载荷 作用下唯一地被确定；在引入边界条件之后，方程组将具有唯一的解，即得到结构各节点 的位移。而通过节点位移插值会得到单元内部任意点的位移，通过位移也可导出应变、应 力等量；在得到节点位移之后，可进而得到应变、应力等量和结果的可视化后处理21。 目前，ansys 程序中包含了专门的后处理器，可进行各种物理量的图形以及动画显示等 实用的操作。 2.2.2 基于 ansys 的参数化设计 ansys 是美国 ansys 公司开发的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的新一代 大型通用有限元分析程序，是一种广泛的商业套装工程分析软件。ansys 拥有丰富和完 善的单元库、材料模型库和求解器，能高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和 非线性、模态分析、谐波响应分析、瞬态动力分析、断裂力学等问题，拥有完善的前后处 理和强大的数据接口， 成为计算机辅助工程 （cae） 和工程数值分析和模拟最有效的软件， 在工程上，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、土木工程、生物医学、水利等一般工业及科学研究，都能达到某种程度的可信 度，获各界好评。该软件可利用其参数设计语言扩展宏命令，还提供了流体力学分析、结 构高度非线性分析、接触分析、设计优化、电磁分析、自适应网格划分等功能，使用该软 件能够降低设计成本，缩短设计时间22。 ansys 用户交互界面如图2- 2所示， 可以分为6个部分： ansys utility menu、 ansys 硕士研究生学位论文 第三章 汽车起重机起重臂特征参数的提取 9 command prompt、ansys main menu、ansys toolbar、graphics window和 status bar （状态栏） ，下面简要列出这 6 部分的作用： （1）ansys utility menu：其中包含的菜单命令均为在一般 window 程序和其他 cad/cae软件中通用的菜单选项； （2）ansys command prompt：可以直接输入一些命令，也可以粘贴一些文本格式 的成段命令，输入或粘贴命令后，按 enter键，系统即执行命令； （3）ansys main menu：是 ansys 建模、求解和后处理的应用菜单； （4）graphics window：交互界面的操作窗口； （5）ansys toolbar：可以根据用户需要设置一些常用操作的快捷键； （6）status bar：从左至右各栏分别显示：提示操作信息、单元类型、材料类型、实 常数序号和坐标系序号等22。 启动 ansys，进入欢迎画面以后，程序停留在主程序界面。从主菜单可以进入各处 理模块： prep7 （通用前处理模块） ， solution （求解模块） ， psot1 （通用后处理模块） ， post26（时间历程后处理模块） ，ansys 用户手册的全部内容都可以联机查阅，用户的 图 2- 2 ansys 图形交互界面 ansys main menu ansys utility menu ansys command prompt ansys toolbar graphics window status bar 10 第三章 汽车起重机起重臂特征参数的提取 硕士研究生学位论文 指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入， 命令一 经执行，该命令就会在*log 文件中列出，打开输出窗口可看到*log 文件的内容，如 果软件运行过程中出现问题，查看*log 文件中的命令流及错误提示，将有助于快速发 现错误的根源，*log 文件的内容可以略做修改存到一个批处理文件中，在以后进行同 样工作时，由 ansys 自动读入并执行，这是 ansys 软件的第三种命令输入方式，这 种命令方式在进行某些重复性较高的工作时， 能有效的提高工作速度， 软件提供了 100 种 以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料23。ansys 结构有限元分析流程如 图 2- 3 所示。 图 2- 3 有限元分析流程 前处理是整个分析过程的开始阶段， 其目的在于建立一个符合实际情况的结构有限单 元分析模型；施加载荷、设置求解参数并求解的目的在于为分析定义载荷，指定分析类型 以及各种求解控制参数，ansys 提供了很多的结构分析类型，实际分析中可以根据问题 的性质选择不同的分析类型如表 2- 1 所示； 后处理对计算的结果数据进行可视化处理和相 关的分析，可以利用 ansys 的通用后处理器 post1 和时间历程后处理器 post26 完成 21。 表 2- 1 ansys 结构分析类型表 数字代号 分析类型 中文名称 0 static 静力学分析 1 buckle 屈曲分析 2 modal 模态分析 3 harmic 谐载荷响应分析 4 trans 瞬态动力分析 7 substr 子结构分析 8 spectr 谱分析 ansys 为用户提供了友好的二次开发环境，这也使 ansys 自身的功能可以向深度 和广度进一步扩展。ansys 提供的二次开发工具有三个：参数化设计语言（ansys parametric design language， apdl ) ， 用户界面设计语言 （user interface design language， 1.前处理 分析环境设置、定义单元以及材料类型、建立 几何模型、网格的划分和定义边界及约束条件 定义载荷信息、指定分析类型和分 析选项和执行求解计算 3.后处理 进入后处理器并读入计算结果、进行后处 理操作和输出后处理操作的结果 有 限 元 分 析 流 程 2.施加载荷、设置 求解参数并求解 硕士研究生学位论文 第三章 汽车起重机起重臂特征参数的提取 11 u idl）以及用户可编程特性（user programmable features，upfs） 。其中，前两种可归 类为标准使用特性，后一种为非标准使用特性。本文主要利用的是参数化设计语言 （apdl） ，因此，下面主要介绍参数化设计技术与参数化设计 apdl语言。 （1）参数化设计 参数化设计（parametric design）24- 28，是 cad 技术在实际设计应用中被提出、并 得到迅速发展的有着强大使用价值的技术。按照给定的要求用一组参数来定义几何图形 ( 体素) 尺寸数值，在约定尺寸关系后能够自动完成产品的设计，修改时只需修改给定的相 关参数，更新某一些约束参数进而实现设计，提供给设计者进行几何造型使用。在实际生 产中，参数化设计技术常被应用于结构形状较定型的产品，可一次设计一系列产品模型， 标准件的系列化就是属于这一类型，这样一来对于同一类型但不同规格的产品，设计人员 在从事产品的系列化设计时，只需编制一定的程序，不必一次次都重新运行设计全过程， 也无需要考虑其中的细节部分，从而实现产品模型的快速建立。实际的工程设计中需要进 行综合协调和优化，会对形状和尺寸造成多次反复的修改，而对于设计过程较为稳定或结 构形式变化不大的产品，能够根据实际情况自动选择设计方案或修改尺寸就显得尤为重 要。因此，参数化设计技术已然成为产品在初始设计阶段、模型编辑修改阶段以及进行多 种方案比较时的有效手段。 起重机结构形式多种多样，其设计时会有大量的参数被涉及到，再加上繁琐的计算公 式，而设计人员不同所构思的设计方案也会有所不同，显然传统的手工设计方法已不能够 适应其发展的需要。同时由于生产发展提出新的使用要求，起重机的种类、形式也需要相 应地发展和创新，性能参数也需要不断变化与完善。而应用参数化设计技术在快速、准确 地得到计算结果的同时，又可以进行多个方案的比较，实现设计结果优化的目标。现代化 设计方法的建立和计算机辅助设计等现代设计手段的应用， 使起重机设计思维观念和方法 有了进一步的更新，研制并开发出全新的参数化设计系统实现安全、经济、节能起重机， 已成为当前重要发展趋势之一。 （2）参数化设计语言 apdl apdl是一种类似于 fortran 的解释性语言， 提供一般程序语言的功能， 如参数、 宏、缩写、标量、向量及矩阵运算、函数、流程控制（循环与分支） 、重复执行命令、用 户程序以及访问 ansys 有限元数据库等，另外还提供简单界面定制功能， 实现参数交 互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等24。利用 apdl 的程序语言与宏技术组 织管理 ansys 的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、参数化的网格划分与控制、 参数化的材料定义、参数化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后 处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程，同时这也是 ansys 批处理分析 的最高技术。 以 apdl 为基础用户可以开发专用有限元分析程序，或者编写经常重复使用的功能 小程序，保存成宏文件以供用户随时调用或创建成按钮（缩写）放在工具条上。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 ansys 中二者是 12 第三章 汽车起重机起重臂特征参数的提取 硕士研究生学位论文 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。ansys 工具 条就是一个很好的缩写例子。 如图2- 4即为自己定义的工具条。 其中， 前四个按钮是ansys 本身自带的，其余是自己创建的快捷键按钮。 apdl是一种能够通过参数化变量方式建立分析模型， 或自动完成有限元常规分析操 作的脚本语言，它的范围已从传统有限元分析扩展到了更高级运算，包括灵敏度研究、零 件库参数化建模、设计修改和设计优化等。apdl使得程序的输入可根据指定的函数、变 量以及选用的分析类型来决定，同时能够更好地实现复杂的数据输入，对任何设计或分析 属性上用户的控制权都得到了发挥， 是完成优化设计和自适应网格的最主要的基础。 鉴于 apdl 强大的命令功能，本系统正是利用 vb 和 apdl联合开发的。 2.3 vb 的可视化设计 visual basic 是一种具有良好图形用户界面（gui）的程序设计语言，同时又是一种 完全支持面向对象程序设计（oop）的语言29。 “visual”指的是开发图形用户界面，只把先前建立的对象拖放到窗体上即可。这种 直观的编程方法，也叫做可视化编程。 “basic”指的是 basic（beginners aii purpose symbolic instruction code）语言，这是一种在计算机技术发展历史上应用得最为广泛的语 言。而“visual basic”则综合运用了 basic 语言的结构化特点和 gui 可视设计工具（控 件、下拉式菜单、窗口、对话框等） ，既具有 windows 丰富的图形窗口工作环境，又继承 了 basic 语言编程的简便性。这种设计方法给程序设计带来了许多良好特性，一般说来有 以下几点： （1）模块性 对象是一个功能和数据独立的单元，他们之间只能通过对象认可的方式进行通信，并 可以较为自由地为其他对象所调用； （2）封装性 这一特性为信息的隐藏提供了具体的实现手段，用户不必清楚对象内部的细节，只需 了解其功能即可； （3）继承性 这一特性为代码的共享提供了一种非常有效的方法，从而可以避免重复的代码设计， 实现对象的可重用性。这一特性也是面向对象程序设计技术最本质的特征； （4）可靠性 对象实现了抽象和封装，从而使得其中出现的错误限制在对象的内部，因而不会向外 部传播，同时也易于检查和维护； （5）连续性 虽然面向对象系统可以通过继承机制不断扩充其对象的功能， 但它并没有摒弃传统的 图 2- 4 用户自己定义的工具条 硕士研究生学位论文 第三章 汽车起重机起重臂特征参数的提取 13 做法，它不仅采用了传统程序设计语言的语言元素，而且利用它们来模拟建立对象，从而 使得一个熟悉传统程序设计语言的编程者能很快掌握其设计规律29。 visual basic 是在 basic 语言基础上发展起来的，它提供的可视化设计平台能够“封 装”设计复杂的 windows 界面，不必编写大