（机械电子工程专业论文）塔式起重机臂架有限元分析系统设计及研究.pdf

摘要 吊臂是塔式起重机的主要承载部件，在设计中普遍采用有限元法对吊臂进行计算分 析。但在传统的设计校核过程中，往往需要通过对实际工况“设计一建模一分析一修改 设计一再建模一再分析”的复杂过程，而如果采用有限元分析方法对其分析，则需要多 次建模，明显会造成大量重复无效工作。此外，由于存在多种实际工况，为了充分体现 设计的全面性，合理性，则需对实际工况逐一分析，无疑这工作量也是相当巨大的。 根据上述问题，本文分析吊臂系统的结构，通过对参数化技术、有限元参数化技术、 a n s y s 的二次开发技术、v i s u a lb a s i c 6 0 的编程技术以及数据库技术深入学习研究的基 础上，提出了建立塔式起重机臂架有限元参数化分析系统的解决方案。本文取得的主要 研究成果如下： ( 1 ) 从参数化技术角度出发，科学论证臂架系统有限元参数化的可行性。 ( 2 ) 通过对已有有限元参数化分析方法的研究和总结，针对实际臂架系统所受的 载荷和约束情况，选择基于几何造型的建模方式。 ( 3 ) 在a n s y s 中实现塔式起重机参数化有限元分析。本文根据塔式起重机臂架的 结构特点和有限元分析的特点，以编程参数化为基础提出了基于a n s y s 提供的二次开发 工具a p d l 语言的有限元装配参数化建模方法。 ( 4 ) 开发塔式起重机臂架系统专用的分析软件。软件提供了友好的程序交互界面， 封装所有的a n s y s 操作，使用户只需进行对设计参数的输入，并能得到相应的分析结果。 最后基于应用实例，从力学模型位移计算和系统读取两个方面对比分析来验证整个 臂架系统的科学性、可行性以及实用性，并体现出整个系统相对于传统分析方法的优越 性，提高了设计分析效率，减少了人为错误的发生。 关键词：塔式起重机；吊臂；有限元参数化分析；a n s y s ；a p d l a bs t r a c t a st h ek e yp a r to ft o w e rc r a n e ，t h eb o o m sg e n e r a l l ya d o p tt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o a i dd e s i g n d u r i n gt h et r a d i t i o n a ld e s i g na n ds t r e n g t hc a l c u l a t i n go ft h eb o o ms y s t e m ，t h e p r o c e s s “p r e l i m i n a r yd e s i g n m o d e l i n g a n a l y s i s r e v i s i o n r e d e s i g n r e - m o d e l i n g r e a n a l y s i s a r ec a r d e do u tr e p e a t e d l y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t ，e v e r yr e v i s i o no ft h es t r u c t u r en e e dt or e b u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，s ot h e r em u s tb e p l e n t yo fr e p e a tw o r k w h a t sm o r e ，f o rt o w e rc r a n eh a v em a n yc a s e ，al a r g en u m b e ro f m o d e l sn e e dt ob u i l d t os o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h ea u t h o rs t u d i e st h eb o o ms t r u c t u r e ，t h e p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y , t h ep a r a m e t r i c f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，t h ea c t i v e a u t o m a t i o n t e c h n o l o g y , t h ev i s u a lb a s i c 6 0p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , a n dd a t a b a s et e c h n o l o g yc a r e f u l l y , a n dp r o p o s e st h ep a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o l u t i o no ft o w e rc r a n eb o o ms y s t e m s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s eo fs t u d y i n gt h ep a r a m e t r i ct e c h n o l o g y , t h ef e a s i b i l i t yo fa d o p t i n g p a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oa i d t h eb o o ms y s t e md e s i g ni sr e a s o n e d ( 2 ) t h ed e f e c t so ft h ee x i s t i n gp a r a m e t e r sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da r er e s e a r c h t h ec h o i c eo fg e o m e t r i cm o d e l i n gb a s e do nm o d e l i n g ( 3 ) t h ep a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si na n s y si sr e a l i z e d f i xt h ed e s i g nv a r i a b l e s f o l l o w st h em e t h o do fs i f t i n gt h r o u g hp a r a m e t e r s ，t h e nw r i t et h ep a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sp r o g r a m so fp a r t sa n da s s e m b l i e su s i n ga p d ll a n g u a g e ，t h a ta n s y sa p p l i e s ( 4 ) as p e c i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f to ft o w e rc r a n eb o o ms y s t e m si sd e v e l o p e d ， w h i c he n c a p s u l a t i o na l lt h ea n s y s o p e r a t i o n s i t sp o s s i b l et h a tt h eu s e r sc a nc o n c e n t r a t e t h e i ra t t e n t i o no nd e s i g nv a r i a b l e s ，a n dn on e e dt oc a r et h eg e n e r a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n t m o d e l sa n d c a l l i n ga n s y s t oc a l c u l a t e a tt h ee n do ft h ep a p e r , b a s eo na p p l i c a t i o n ，c a l c u l a t e df r o mt h et h e o r yo fd i s p l a c e m e n t a n ds y s t e m a t i cc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft w oa s p e c t so fr e a d i n gt ov e r i f yt h ee n t i r es y s t e mo f s c i e n t i f i c ，t h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：t o w e rc r a n e ；b o o m ；p a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；a n s y s ；a p d l i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明 确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么 叫年厂月功日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝作者签名： 饭以 导师签名：与m 觇 二 一 矽1 年歹月k 日 彳钳肘泪 k 安大学硕士学位论文 第一章绪论 塔式起重机( 简称塔机) 是现代工业与民用建筑的重要施工机械之一。在高层建筑 施工中，它的幅度利用度比其他类型起重机高。塔机由于能靠近建筑物，其幅度利用率 可达整体幅度的8 0 。塔式起重机的变幅及回转机构是可以同时实现重物在垂直方向 和水平方向移动的机构，所以可以扩大起重机的工作范围，提高生产率。应用塔机对于 加快施工速度、缩短工期、降低工程造价能够起到重要作用。塔式起重机已经成为建筑 工程业必要的技术装备，成为衡量建筑工程业生产力水平高下的重要标志之一，成为加 快工程建设、确保工程整体质量、降低工程造价、提高社会效益与经济效益的重要手段。 1 1 塔式起重机的研究现状及发展趋势 1 1 1 塔式起重机生产概况 塔式起重机又称塔机，从西欧发源，具有适用范围广，回转半径大，操作方便，工 作效率高以及安装与拆卸比较简便等特点，从而广泛的使用在建筑安装工程中，并成为 重要的施工机械之一。同时，塔式起重机在水利建设，造船以及电站施工等部门也有应 用参考。 在我国，塔式起重机的生产与应用经历了一个从测绘仿制到自行设计的过程，其中 大概有四十多年的历史。 2 0 世纪5 0 年代，引进了苏联及东欧一些国家的塔式起重机，用来满足国家经济建 设的需要。1 9 5 4 年，我国第一台t q 2 6 型塔式起重机在抚顺试制成功，随后又研制了 1 5 t 与2 5 t 塔式起重机，相对来说，这个时期我国生产与使用的塔机的数量都较少。 到2 0 世纪6 0 年代，开始进入了自行研制塔式起重机的重要阶段。1 9 6 1 年红旗i i 型 塔式起重机首先在北京试制成功，它也是我国最早自行研制的塔式起重机。其后，我国 自行研制了t q 6 型塔式起重机，到1 9 6 5 年全国已有生产厂家1 0 家左右，生产塔式起 重机3 6 0 余台。当时，这些塔式起重机都是下回转动臂式，可整体拖运，基本能够满足 六层以下民用施工建筑施工的要求。 从2 0 世纪7 0 年代起，出于建筑施工的需要，我国的塔式起重机从而进入了技术提 高，品种增高的新阶段，1 9 7 2 年新中国第一台下回转的轻型轮胎轨道两用起重机在北 京问世，同年即为北京饭店施工，同时我国还自行设计制造了q t 4 1 0 型塔式起重机， 该机的起重力矩为1 6 0 0 k n m 。同一时期，还先后开发了z t l 0 0 、z t l 2 0 、z t 8 0 型等小 1 第一南纬论 车变幅白升式塔式起重机等，枷：志着我国塔式起重机行业进入了个全新的阶段。 进入2 0 世纪8 0 年代，我国塔式起重机x 相继h 现了小少新产品，牟要包括有 q t 8 0 a 、q t z l 0 0 、q f z l 2 0 等自升式塔式起秉机，q t 9 0 上回转动臂f 1 顶升接高塔式起 重机和q t 6 0 、q t k 6 0 、q t 2 5 k t 等下同转快装塔式超重机等。这些产品在性能方面与 国外7 0 年代水平相接近。这时期的产品最高年产量达到了1 4 0 0 台。l 叫时，随着改革 丌放和国际技术交流的发展，为满足建筑施 的需要，也从国外引进了一批塔式超重机， 其中包括德国的l i e b h e r r 、法困的p o t a i n 以及意大利的e d i l m a c 等公司的塔机。由于这 些塔式起重机制造顶量较好，技术性能比较先进，相当程度的促进了我国塔式起重机产 品的设计与制造技术的进步。如图1 1 所示，为q t z 8 0 塔机。 图1 1q t z s 0 塔式起重机 到2 0 世纪9 0 年代以后，塔式起重机行业随着全幽建筑任务的增加而进入了新兴时 期，年产量连年猛增，m 日也有部分产品m 口到了国外。全国塔式起重机的拥有总量也 从2 0 世纪5 0 年代的几十台到2 0 0 0 年的6 0 0 0 0 台左右。至此，无论从生产规模、应用 范围、塔式起重机总量等各个角度来衡量，我国都可以称为塔式起重机大国【”。 塔式起重机的发展不仅与机械化施丁的需求密切相关，同时与其他领域科学技术的 发展相关。当前塔机的发展具各如下一些特点和趋势： 1 、吊臂长度加长 在六十年代初，吊臂长度超过4 0 m 的较少，七t 一年代吊臂长度已能做到7 0 m ，快 速拆装下回转塔式起重机的吊臂长度可达3 5 m 。自升式塔式起重机吊臂是可以接长的， 标准臂长一般为3 0 _ 4 5 m ，可以接长到5 0 6 0 i n 。重型塔式起重机吊臂则更长。吊臂加 2 嗡 长安大学硕士学位论文 长可带来更好的技术经济效果。随着塔式起重机设计水平的提高，能解决由臂长加大带 来的一些技术问题( 如安装和运输问题) 。低合金高强度钢材及铝合金的广泛采用亦为 加长吊臂提供了非常有利的条件。 2 、工作速度提高，且能调速 由于调速技术的进步，滑轮组倍率可变，双速、三速电动机及直流电动机调速的应 用，使塔式起重机工作速度在逐渐提高。起升机构普遍做到具有3 一种工作速度，重 物起升速度超过1 0 0 m m i n 者也很多。构件安装就位速度可在0 - - - 1 0 m m i n 范围内进行 选择。回转速度一般可在旺1 r m i n 之间进行调节。小车牵引和塔式起重机行走大多也 有2 _ 3 种工作速度，小车牵引速度最快可达6 0 m m i n 3 、改善操纵条件 随着塔式起重机向大型、大高度方向发展，操纵人员的能见度愈来愈差。因此需要 在吊臂端部( 动臂变幅) 或小车上( 小车变幅) 安装电视摄象机，在操作室利用电视进 行操作。有的还采用了双频道的无线电遥控系统，不但可由地面的操作人员控制吊装； 还可根据事先编排的程序自动进行吊装。 4 、更多地采用组装式结构 为了便于产品的更新换代，简化设计制造、使用与管理，提高塔式起重机使用的经 济效益，国外塔式起重机专业厂已做到产品系列化，部件模数化。以不同模数塔身，臂 架标准节组合成变截面塔身和臂架，不仅能提高塔身，臂架的力学性能，减轻塔式起重 机自重，而且可明显减少使用单位塔架，臂架的储备量，为降低成本，简化管理创造了 条件【2 1 。 1 1 2 a n s y s 介绍及其二次开发 “有限元 这个词语于1 9 6 5 年首次被提出，经过大约4 0 多年的不断发展和完善， 到今天已经广泛应用于各种不同的工程之中，理论也已经相当成熟。有限元思想的核心 就是把实际结构离散化，假想地使实际的结构离散为有限数目个类似结构的个体，然后 通过分析这些有限个体的性能来求出满足实际工程要求的计算结果，从而代替对于具体 复杂实际结构的求解。经过离散化，应用有限元思想，可以解决很多实际复杂的工程问 题，并在理论研究和工程应用两方面都具有极其重要的实用价值。 1 9 7 0 年，美国著名力学专家、匹兹堡大学教授j o h ns w a n s o n 创建了a n s y s 公司， 通过四十余年的发展壮大，已经逐渐成为全球c a e 行业中最大的公司。在发展过程中， 第一章绪论 a n s y s 软件不断改进提高，性能也不断增强，可靠性也不断得到保证，在易用性和适应 运行环境等其他方面也日趋完善，基本上完全能够满足当前用户对于有限元分析软件的 要求，当下，已发展到了1 1 0 版本。 a n s y s 作为一个大型通用软件，可以广泛的应用于结构、流体、声场、热、耦合场、 电磁场上面，其使用用户也能够涵盖机械、土木建筑、水利、生物、医学、能源、航空 航天和交通运输等各行各业的不同领域，利用a n s y s 软件，能够将实际模型置于各种各 样不同的复杂实际工况之中，准确并合理的分析，优化设计，减少实际试验的物质和人 力投入，提高工作效率，缩短研发周期从而能够为提高利润做出贡献。 使用a n s y s 软件分析，包含以下几个过程：建立模型、划分网格、加载和求解、结 果后处理。若在实际应用过程中想对其中的某一个步骤进行改动和变化，则依然需要重 新完成其中的每一个步骤，无形中浪费了太多的工作时间。针对现实情况，a n s y s 提供 了a p d l 参数化设计语言来处理类似问题，通过a p d l 语言及u i d l 语言或类似v b 、v c 编 程语言开发应用界面，即可完成在a n s y s 中的二次开发。 二次开发已经在国外得到了很多方面的应用。例如： a l e x e y i b o r o v k v 桫】开发了两 款软件，分别应用于散热器稳态3 d 热分析及转子体刚度不对称补偿。使用者只需面对 初始参数输入界面，而软件自动完成建立模型、划分网格、加载和求解等复杂步骤，还 可以在专用软件中生成符合用户要求的报告，这一系列开发，无形中减少了用户建模的 工作量，无疑会提高相当的效率，大大节省了用户的时间。 而相对而言，国内关于a n s y s 的二次开发方面才刚刚起步，在很多方面与国外先进 水平存在相当的差距，但一些高校和科研机构也相应的开发了很多产品，取得了一定的 研究成果，并在实际应用方面也做出了很大的贡献。这系列研究和实际应该大致取得的 成果有：针对具体实际工程应用问题而开发的专用系统，例如在水利工程、土木建筑以 及机械的结构和优化设计；针对商业化发展的具体模块，例如压力容器自动化分析软件 c p v - a n s y s ，基于a n s y s 的应用柴油机铸造成型专用软件等。总体而言，国内关于 二次开发的研究也已经取得了很好的效果，同时也存在发展的空间，是一个具有相当潜 能，大有可为的新兴科研项目。 1 2 本课题研究的目的和意义 塔式起重机作为各种工程广泛应用的重要起重设备，其计算方法和分析手段同样是 不容忽视的。但，传统计算方法由于受限于理论和手段的匮乏，相对简化过大，计算结 4 长安人学硕士学位论文 果精度较差等一系列弊病的存在，为了改进这些问题，目前基本采用基于有限元软件作 为平台，用有限元法做为计算手段。这些应用软件包括：a n y s y s 、a l g o r 、 m s c n a s t r a n 等，随其它们功能强大，性能卓越，但依然存在不少问题，如下所述： ( 1 ) 建模工作量过大，参数化程度不高，实际工作时间过长。在有限元分析一系 列过程( 建立模型、划分网格、加载和求解、结果后处理) 中，首先第一步也是很重要 的一部就是建立有限元分析模型，但由于塔式起重机臂架实际物理结构相当复杂，在施 工阶段，又存在多种不同工况，为了全面合理准确的反映臂架系统的实际情况，提高设 计的可靠性，需要重复多次建模，来一一对应不同的实际工况，无疑整个塔式起重机臂 架系统的建模量是相当巨大。实际经验显示：有限元建模在整个有限元系统分析过程中 需要占据大概6 0 一7 0 的工作量，所以，建模直接关系到设计时间，进而影响设计效 南 q 净o ( 2 ) 有限元分析软件的通用性和友好度虽然不断提高，但还是有很多不足之处。 用户必须掌握一定的有限元理论知识和对软件有一定的熟悉程度之后，才能够比较好的 掌握通用有限元软件，虽然软件用户界面越来越简便，但由于使用界面一直保持英文， 对于专业的工程技术人员，其局限性还是一直存在，客观上也阻碍了有限元软件的推广。 针对以上实际存在的问题，本文提出了塔式起重机臂架有限元分析系统设计及研究 的解决方案。主要思想在于，通过把c a d 参数化思想与a n s y s 提供的二次开发参数化语言 a p d l 相结合，先根据单一臂架上各臂节的特点，建立单一臂架的参数化模型，然后再建 立整个臂架系统参数化模型，进行分析。最后，通过v i s u a lb a s i c 6 0 的编程技术以及数据 库技术开发相应的塔式起重机臂架系统有限元参数化分析系统，使之把分析过程中产生 的参数化文件、数据流、a n s y s 程序等封装起来，方便用户，提高效率。而操作系统的 用户只需关注实际工况的参数输入界面，以及对最后a n s y s 的分析结果，不必关注于对 于软件本身的学习和熟练之上。对于塔式起重机的研究和发展具有非常重要的意义和参 考价值。 1 3 本课题研究的主要内容 针对普遍存在的问题，本文通过对参数化技术、有限元参数化技术、a n s y s 的二 次开发技术、v i s u a lb a s i c 6 0 的编程技术以及数据库技术深入学习研究的基础上，提出 了建立塔式起重机臂架有限元参数化分析系统的解决方案。本文的工作具体分为以下几 个方面： 5 第一章绪论 ( 1 ) 从参数化技术角度出发，分析塔式起重机臂架系统的结构，科学论证臂架系 统有限元参数化的可行性。 ( 2 ) 通过对已有有限元参数化分析方法的研究和总结，针对实际臂架系统所受的 载荷和约束情况，选择基于几何造型的建模方式。并依据此建模方式，对系统进行结构 简化，同时确定系统的参数选择( 包括几何模型参数、物理特性参数、载荷参数) 。 ( 3 ) 在a n s y s 中实现塔式起重机参数化有限元分析。本文根据塔式起重机臂架的 结构特点和有限元分析的特点，以编程参数化为基础提出了基于a n s y s 提供的二次开发 工具a p d l 语言的有限元装配参数化建模方法。先根据单一臂架上各臂节的特点，建立 其单一的参数化模型，然后在其基础上，依照工况要求建立整个臂架系统有限元模型。 ( 4 ) 开发塔式起重机臂架系统专用的分析软件。以v i s u a lb a s i c 6 0 作为编程语言； 运用m i c r o s o f t a c c e s s 建立数据库系统，以a d o 数据对象实现数据库与应用程序的链接； 通过o l ed b 技术实现v i s u a lb a s i c 控制w b r d 和e x c e l ，并通过a p d l 语言自带命令来实现 与a n s y s 的数据传输和同步调用，来完成系统的需求。软件提供了友好的程序交互界面， 封装所有的a n s y s 操作，使用户只需进行对设计参数的输入，并能得到相应的分析结果。 ( 5 ) 最后基于应用实例，从力学模型位移计算和系统读取两个方面对比分析来验 证整个臂架系统的科学性、可行性以及实用性。 1 4 本章小结 本章概述了塔式起重机生产现状、参数化技术在有限元领域的应用以及a n s y s 软件 二次开发的发展趋势，简要介绍了本课题研究的主要内容，阐述了本课题研究的重要性 及意义。 6 长安人学硕士学位论文 2 1 参数化技术 第二章有限元参数化分析方法 参数化技术( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ) ，是在c a d 的实际使用过程中所提出的研究 方向，是为了产品模型变化设计的需求，是实现自动化设计的主要技术手段之一。它的 关键部分在于几何尺寸约束的提取，设置，以及基于几何尺寸的参数化模型的建立，所 以由此产生的特点是：基于结构特征、尺寸约束、尺寸关联、参数修改驱动模型改变。 现阶段所采用的参数化建模技术主要有以下几种【1 5 】： ( 1 ) 变量几何法 它是针对非线性方程组求解的方法，通过把几何模型散化为有限个的特征点，而约 束为有限个特征点组成的非线性方程组，通过求解整个方程组来确定每个特征点所处的 位置，进而来确定几何模型。所以，从字面上来理解，这种方法可以适应于很多问题， 能应用于数值较大领域的类型，但由于求解的过程中是使用数值方法的，所以不可避免 的会遇到稳定性不够的问题，故整体的规模和求解的速度不可把握，局限性相对较大。 ( 2 ) 几何推理法 这是一种通过已有的几何元素，来推导确定出其他剩余未知的几何元素的参数化建 模技术。一般，可以分为两类：其一是建立在之前的专家系统之上，用推理机来推导出 所求几何模型所需要的几何细节，显然它具有相对完美的细节处理功能，并能够很好的 推导出整个模型，但同时也存在处理速度慢，不能重复循环处理等缺陷；其二是通过扩 展已有的几何图形，并确定一定的几何约束，使系统能够比较完善的模拟出其他图形， 这一种方法有别于第一种方法，相对而言更实用，也更具效率，但由于未能深入研究， 现在只能处理些简单的尺寸约束，有待于解决复杂整体的几何尺寸。 ( 3 ) 基于构造过程的方法 该方法的原理是通过用户在建立模型过程中的每一步，核心思想在于把这里面的每 一步与几何约束相关联，通过变量来替代其中的参数，进而改变整体几何尺寸。所以这 种办法对于结构类似，尺寸不同的模型效果很好，但对于变化较大，结构差距很大的问 题并不能很好的适应。 参数化实际上就是指建立实际模型中的几何参数与表、尺寸、变量、用户元素四种 图素之间的约束。一旦参数化的关系建立之后，只需要改变与几何参数相关联的图素， 7 第_ 二章有限元参数化分析方法 然后几何参数自然会随着约束而改变，并不需要直接来对几何参数进行修改，同样也不 用对图形进行直接操作。 采用参数化设计技术，对于提高类似产品的设计速度，实际工作的效率会有很大的 作用。在实际设计过程中，一个产品往往会有多个零件所组成的，把参数化设计技术应 用到零件的设计过程中去，进而影响到整个产品的设计过程，无疑对于理论研究和实际 应用都具有很重要的意义，所以需要进一步的研究整个产品的参数化设计技术。整个产 品基本上都是由多个零件经过装配而组成的，所以在整个参数化设计过程中，我们可以 把产品看作一个装配体，而想描述这样的一个装配体，除了需要完整的体现每一个零件 之外，还要考虑零件之间的装配关系，以及各种零件之间的层次关系。所以，综上所述， 装配体的模型可以分为以下几个方面1 4 】： ( 1 ) 零件信息 ( 2 ) 层次关系 在实际工程运用中，很多产品中的零件往往具有层次关系，具体在说到产品的设计、 制作次序上，零件往往通过之间的装配组成一些零件组，也称为部件，而这些不同的部 件再根据不同的装配关系来组合成最后的产品，所以从实际过程来看，层次关系体现的 正是产品、部件、零件三者之间的从属关系( 父子关系) ，产品为根，零件为叶，部件 作为连接两者的树枝。 ( 3 ) 装配关系 装配关系是整个参数化设计过程中的关键部分，我们一般把装配关系分为定位关 系、运动关系和联结关系三种。如图2 1 所示。 8 长安人学硕士学位论文 图2 1 装配关系的分类 对于零件的参数化设计研究是为了过渡到产品的参数化设计，是后者的基础，而为 了实现产品的参数化设计，需要通过装配关系对整个产品模型和设计参数进行控制和管 理，实现当单个零件的几何尺寸和设计参数改变是，整个产品模型的几何尺寸和设计参 数相应驱动而改变，但同时要保证整个过程中，传递数据的准确，改变模型的合理。为 了得到需要的结果，我们就要在过程中实行关联。 关联是事物之间所有的彼此互相约束的关系【16 1 。在实际产品中体现为，部件的某一 零件可以全部或部分的推导出另一零件，两者具有某种内在的联系，则两者互为关联单 元。关联一般分为以下两种： ( 1 ) 变量关联 变量关联是指分别从属于两个不同参数集的变量之间建立映射关系，为了使一个变 量的数值改变时，另一变量通过两者之间的映射关系，能够自动得到改变。对于参数化 特征造型系统，其构造的特征模型可以表示为： m = f i ，p i ( 2 1 ) 式中，m 一系统所构造的特征模型； 厅一构成特征模型的组成特征； p f 一与特征相对应的参数集。 于是，当引入其它的具有工程意义的尺寸控制参数集q f 并建立参数集q f 与尸，的映 9 第二章有限元参数化分析方法 射关系厂，使得： 尸江厂( q 7 ) ( 2 2 ) 那么，几何模型就可具有另一种表示： m = 厅，s ( e o ( 2 3 ) ( 2 ) 几何关联 几何关联就是指将某一零件的几何特征提取出来，将其作为其他零件的基准，用来 达到关联的效果。 2 2 有限元参数化可行性分析 采用交互式建立塔机臂架的有限元模型，建模的工作量将十分巨大，而且当臂架结 构发生变化时，需要重新建立模型。如果把结构模型都以参数化技术进行有限元建模， 当需要新产品结构设计时，只需要输入必要的、合理的参数值，即可自动建模。考虑到 塔机臂架结构主要以型钢焊接结构为主，结构具有相似性，仅有局部细节存在差异。对 于这种结构一致只有少量特征差异的系列化产品，十分有必要进行参数化设计计算，以 缩短设计周期、提高效率。 根据上面的一系列叙述，有限元参数化分析主要借助于产品和零件的编程来实现， 需要借助于通用有限元软件作为平台，并使用有限元软件自带的参数化编程语言来实现 整个参数化分析过程。当前在使用的通用有限元分析软件中，只有a n s y s 和m s c p a t r a n 提供参数化的编程语言，而a n s y s 的应用范围，使用人群，通用性能方面相对更对于 m s c p a t r a n 效果更好，所以，本文选用a n s y s 作为参数化有限元分析的软件平台。通 过借助于a n s y s 的二次开发工具a p d l 语言，来实现建模、计算的自动化运行，并通 过程序设计，使用不同的变量来替换设计参数，实现有限元参数化分析，从上面一开始 的描述可以看出，这是基于构造过程的参数化建模方法。故无论从实际应用和理论两方 面来看，基于a n s y s 的塔式起重机臂架有限元参数化分析的可行性都是毫无问题的， 是切实可行的。考虑到塔机臂架形式多种多样，接下来本文以最常见的双吊点吊臂为例 进行说明。 i o 长安大学硕上学位论文 2 3 有限元参数化分析方法 2 3 1 臂架系统有限元模型 ( 1 ) 结构简化 建立准确而可靠的模型，是整个有限元分析过程中的关键部分，因为这关系到整个 有限元分析的有效性，实用性，以及计算是否正确。但是，在工程实际情况之下，各种 边界条件千变万化，多种载荷交互作用，从而导致整个模型的变化相当之多，所以，我 们在建立有限元分析模型中，需要对模型进行合理又完善的简化，但是为了确保模型的 正确，必须遵从以下几点原则： 模型必须具备很好的准确性。在实际应用中选用的计算模型必须基本具备结构的 实际状况，体现出一般模型的相似形状，又能体现不同模型的特殊边界条件，还要使选 用载荷与实际相符，最为关键的一点在于要能够体现结构的主要功能。 模型还要具备很好的经济性。一般情况下，越复杂的计算模型，其的准确性更为 可靠，但相应的整个模型的计算时间，数据处理等各方面要求都会提高，从而影响建模 效率，导致成本提升。 从上两点看出，准确性和经济性这两点是矛盾的。在实际模型处理中，我们首先 要考虑有限元分析模型结构的准确性，在准确性得到保证的前提下，适当考虑经济性， 而针对实际工况，对于同一种结构，我们可以建立多种计算模型，从多方面角度来分析 结构。 根据上面三点关于结构简化的要求，根据塔式起重机臂架系统的实际结构特点，对 塔式起重机臂架有限元模型做出如下简化：桁架的连接基本上都是焊接处理，在分析时， 忽略焊缝对整个臂架的影响；弦杆上相邻的各腹杆端点都相应的合为一点；臂架作为塔 式起重机的一部分单独拿出来进行分析，底座及其他部分的变形不予考虑；钢管忽略制 造偏差；在工作过程中，认定钢丝绳并不变形；臂架各节之间的销轴连接均按固定连接 来对待；上弦杆、下弦杆及腹杆的截面均一致。 ( 2 ) 有限元离散 考虑具体模型中的单元类型时，不仅仅要体现结构的几何形状，还要与实际载荷的 类型和方向相关，在有限元结构离散时，不同形状特征的结构应当采用不一样的单元类 型。 类似塔式起重机臂架这种桁架结构在简化计算模型时，一般都简化为由梁单元杆单 第二章有限兀参数化分析方法 元组成的模型。严仁军在装配式龙门起重机的强度计算时，采用了杆单元和梁单元组 成的计算模型。在本文中，对于臂架上下弦杆与腹杆使用b e a m 4 4 单元，因为b e a m 4 4 可以自定义单元的截面形状，可以较好的再现角钢组合、方钢、角钢等实际形状，使计 算更接近实际。一般认为起重臂拉杆弹性变形大，主要承受拉力，选择三维桁架l i n k 8 模拟。l i n k 8 是轴向拉伸一压缩杆件单元，主要用于模拟两端结点铰接的空间杆件，不 考虑杆件的弯曲及扭转变形【1 9 】。 ( 3 ) 有限元模型边界条件 塔式起重机臂架所受的外载荷种类多而且变化不定，需要考虑结构受力最不利的情 况。参照起重机设计规范，载荷计算【1 1 如下： 臂架自重 对于小型吊臂，吊臂自重g 6 可近似地认为集中作用在吊臂中点；对于大型臂架， 吊臂自重可以看成沿吊臂全长均匀分布，均布载荷的大小为q = g 6 l 。 起升钢丝绳的拉力 起升钢丝绳的拉力可按下式计算： s o ：盟 a r l ( 2 4 ) 式中 仍一起升载荷动载系数 a 一滑轮组倍率 町一滑轮组总效率 风载荷 风载荷有工作状态的风载荷和非工作状态的风载荷两种。非工作状态的风载荷可以 不考虑，因为在大风中吊臂会自动转动的。工作状态下，吊臂顶风回转为不利工况。风 力在吊臂上是均匀分布的，在起升载荷上的风力看作一集中力。 水平惯性力 吊臂在回转启、制动时，起升载荷质量和吊臂回转部分质量将产生惯性力尼。其 中起升载荷质量产生的回转惯性力为： 1 2 长安大学硕上学位论文 为： e ，n r c r 2 靠矿 式中： r 一起升载荷到塔机回转中心的距离，m ； 刀一塔机回转机构额定转速，r m i n ，一回转机构启、制动时间，s 。 吊臂自身质量产生的回转惯性力为： 足，：g h n r c l + 2 a 州 3 0 2 式中： g 6 一吊臂回转部分自重； a 一吊臂根部销轴中心到塔机回转中心的距离； 三一吊臂总长度。 为便于计算，可近似认为该力沿吊臂全长均匀分布。 起重机在行走制动时( 吊臂垂直于起重机运行轨道) ， ( 2 5 ) ( 2 6 ) 起升载荷引起的水平惯性力 2 苦 7 ， 式中： r - n ；4 j 时间，s ； v 一行走速度，m m i n 。 此时，吊臂自身重力引起的水平惯性力为： 2 嚣 ( 2 8 ) 弦杆附加内力 起重小车行走制动时产生惯性力只。，该力方向沿小车轨道纵轴方向，作用于轨顶： 兄= 等 亿9 ， 式中： 第二章有限元参数化分析方法 f 一制动时间，s ； v 一行走速度，m m i n ； f q 。舣一最大起升载荷。 另外，起重绳和小车牵引绳的张力都是作用在吊臂下弦杆的轴向力，可以把它们和 小车行走制动惯性力近似的看成作用在下弦杆截面重心上。 尸pp p p p 图2 2 轮压对轨道的附加弯矩 起重小车的行走轮也会在轨道( 一般是下弦杆) 上产生局部弯矩。可以把下弦杆视 为以节点为支撑的多跨连续梁，弦杆中的局部弯矩与小车轮压的大小及作用方式、小车 轮距与弦杆节间长度的比值有关。通常采用下面的近似计算： 图2 2a ) 每侧轨道有四个行走轮，有 节间弯矩鸠= m 3 = o 1 7 4 6 p 1 , m b = 一0 0 9 5 2 p 1 , 节点弯矩= - 0 2 8 5 7 巩 m d = 0 0 9 5 2 p l w 图2 2b ) 每侧轨道有两个行走轮，有 节间弯矩鸠= m 3 = o 1 4 2 8 p 1 , m 8 = - 0 0 5 3 6 p l w 节点弯矩收= - 0 1 6 0 7 p 1 , m d = - 0 0 5 3 6 p l w 式中p 一小车的局部轮压： 1 4 长安大学硕士学位论文 l ，一臂架弦杆的节间长度。 有限元模型边界条俐2 0 】： 塔式起重机臂架实际中受到多种载荷的同时作用，在载荷施加时，要保证与臂架的 实际受力情况相符，并以最不利情况的方式施加在臂架之上。具体的处理方案如下： 载荷：在起升平面内将起重臂看作两跨连续外伸梁，所受载荷可以简化为自重载 荷、起升载荷及风载荷。自重载荷为均布线载荷，包括臂架、变幅机构、钢丝绳自重， 由质量和材料密度确定；起升载荷包括外部吊重、吊钩、滑轮组及变幅小车重量。风载 荷按上面所述公式计算，但在实际过程中，由于风载荷影响比较小，所以简化风载荷。 约束：关于边界条件的约束处理，认为塔身相对起重臂刚度大，起重臂根部通过 销轴与塔机的回转节相连，在臂架起升平面内可认为是固定铰支座，上吊点按固定铰支 座处理。本文将拉杆和塔帽顶部以固定铰连接，即u ，= 0 ；u ，= 0 ；u ，= 0 ，起重臂根 部处理为固支，即在起重臂根部添加固定约束，线位移u x = 0 ；u ，= 0 ；u = 0 ；角位 移r o l = 0 ；r o r = ；r d z = 。v 00 2 3 2 有限元参数化模型 ( 1 ) 建立有限元模型的两种方式【2 1 】： 有限元模型直接建模法 直接建模法属于传统的由底向上有限元建模方式，以划分的网格作为有限元分析的 核心，把诸如边界条件、施加载荷、使用材料特性和不同约束等结构物理特性都施加在 划分网格的节点以及相应的单元之上。直接建模法的基本过程为，从最基础的节点开始， 通过基本节点生成相应的模型单元( 如杆单元，壳单元、梁单元、三维实体单元等) ， 再通过不同的单元形成符合工程实际需要的有限元模型。它的优点在于，这能够很好的 控制建模过程中的细节，比如基本的网格节点和单元，能够更好的保证有限元建模的计 算结果，但缺点在于，模型的应变性不够，当建模完成以后，其形状就很难被修改了， 自然很难实现自动化。 基于几何造型的有限元建模法 这是一种在现代有限元分析中得到广泛应用的建模方法。它建模的过程为先由普通 几何造型软件生成有限元分析模型的几何形状，然后再赋予诸如边界条件、施加载荷、 使用材料特性和不同约束等结构物理特性，通过自动网格划分软件划分整体模型的网 第二章有限元参数化分析方法 格，最后形成所需的有限元分析模型。它克服了有限元模型直接建模法的不足，相对性 状修改方便易于参数化，但有一点不足之处，在有限元分析过程中的网格不太容易控制。 于上面描述的两种建模方式，并进行比较两者的特点，我们可以得出：在一般计算 要求精确的模型中，可以采用传统的建模方式，但在有限元参数化分析中，传统的建模 法弊端过于明显，并不适合使用，所以本文在参数化建模过程之中采用的是基于几何造 型的建模方式。 ( 2 ) 参数的确定1 2 2 j 几何造型中的参数作用对象是几何的模型，但是几何模型并不能被直接作用于计算 过程之中，需要转化成为有限元分析模型才能被软件分析采用，所以在设计参数时必须 考虑整个有限元分析模型的生成，使设计参数的变化能够在有限元分析模型的变化中得 到体现，真正实现有限元参数化建模。 在建立参数化模型之时，我们首先要考虑整个模型的特点，并相应的选择参数，体 现出模型的特征，使设计模型参数化。一般来说，建立一个模型的必要途径在于还原其 作为实际工况中的数学行为特征，也就是说转化成一个包含相当多数学信息的模型，而 这些数学信息一般包含节点、材料常数、边界条件、载荷、单元等等。 塔式起重机臂架系统和其他工程模型结构类似，其有限元分析模型关注的主要是结 构的力学特征，与几何造型软件关注模型的几何特征有着很大的区别，相对于几何造型 软件，所要考虑和涉及的设计参数会更多，也会更复杂。所以，在塔式起重机臂架有限 元模型参数定义时，本文把设计参数主要分为以下几类，如图2 3 所示。 1 6 长安大学硕上学位论文 图2 3 有限元分析参数 几何模型参数 几何模型参数主要是结构尺寸参数，为了方便后来建立整个塔式起重机臂架系统的 有限元参数化模型还应包括装配关系的参数。选取几何模型参数时，并不是非得把每一 个几何结构尺寸都参数化，其主要为了来反映臂架系统的物理特征，当然也需要有利于 有限元的计算和分析。 首先，根据塔式起重机设计规范的规定，确定与臂架相关的结构参数，主要包括以 下数据： 基本数据：包括起重量、小车轮距、臂架节数、臂架根部到回转中心距离、小车及 吊钩质量等。 。 臂架的基本数据：包括臂架高度、宽度、节长、每段臂架节数等。 拉杆基本数据：