（化工过程机械专业论文）门座起重机四连杆结构fea平台的研究及应用.pdf

摘要 信息化是传统制造业的必然趋势，进入二十一世纪，传统制造业加快了信息 化的进程。门座起重机作为一种典型的旋转类型起重机，被广泛的应用与港口、 码头货物的机械化装卸，造船厂船舶的施工与安装及大型水电站工地的建坝工程 中。对于提高劳动生产率，实现生产过程的机械化具有重要的意义。 本文以浙江大学与上海港机厂合作项目“门座起重机四连杆结构分析系统” 为背景，以门座起重机四连杆机构作为主要研究对象，介绍门座起重机四连杆机 构专用f e a 平台的研究应用，以解决如下工程问题为目标： ( 1 ) 采用通用有限元程序进行传统手工分析过程繁琐，手工计算过程复杂， 人力成本大，分析效率低下，且极易出错。 ( 2 ) 采用通用有限元程序进行传统手工分析并没有切实按照g b 3 8 1 1 国家 标准进行相关如强度、疲劳、整体以及局部稳定性等验算，增加了工程安全隐患。 ( 3 ) 采用通用有限元程序进行传统手工分析很难实现统一数据存档管理， 无法充分发挥本次分析为下次设计提供参考的优势。 论文在查阅大量文献资料，分析工程现状，结合传统手工分析流程，参考最 新起重机设计规范国家标准以及港机起重机设计规范的基础上，系统阐述了门座 起重机四连杆机构专用f e a 平台的研究背景以及实现过程。本文研究内容包括： 针对a n s y s 和n 硒t r 锄分别提出专用有限元分析系统框架，并分析各框架的 可行性与优劣，确定系统开发框架；对n a s 仃a 1 1 解算器的特点进行详细分析，特 别是数据输入格式以及输入文件的组成部分，各相关段具体含义分析以及复杂梁 单元c b e a m 基本理论包括梁特性如单元坐标系、c b e a m 单元刚度阵分析，并 通过基本算例研究单元内力输出的相关性质，为系统开发积累原始资料；分析传 统通用有限元分析步骤，阐明传统分析的局限性，研究最新相关规范，阐明规范 中值得探讨之处，提出本系统的解决方案，得到系统开发的计算依据；采用面向 对象方法提出系统分析流程以及详细架构，对系统进行u m l 建模，分析系统实 例，进一步阐明系统优越性。 关键词：门座起重机，四连杆，n a s 仃锄，f e a 平台，专用有限元 a b s t r a c t h l f - 0 n 1 1 a t i o ni s t l l ei n e v i 乜l b l e 仃e n do ft h et r a d i t i o n a lm a n u f a c 细j n gi r l d u s t r i e s h n ot h e2ls tc c r 】t l l m et r a d i t i o n a lm 锄u f a c t l l r i n gi n d u s t r i e ss p e e du pt 1 1 ep r o c e s so f i n f 0 册a t i o n p o n a lc m e s ，嬲at y p i c a lr o t a t i n gt y p eo fc r 觚e ，a r eu s e dw i d e l ya tt h e p o n ，s h i p s i d ef 1 0 rt h em e c h a i l i z e dl o a d i n g 卸du i l l o a d i n gc a r g ot e m i n a l s ，m es h i p c o n s t n l c t i o n 锄di n s t a l l a t i o no nt h es h i p y a r d s ，m el a r g e s c a l eh y d r o p o w c rs t a t i o ns i t e i nd 锄c o n s t n l c t i o np r o j e c t i th 弱ag r e a ts i 鲥五c 狮c ef o r i m p r o v i n g1 a b o r p r o d u c t i v i t ) ra i l dt h ep r o d u c t i o np r o c e s sm e c h a i l i z a t i o n t h er e s e a r c h sb a c k g r o u n di st h ep r o j e c t p o r t a lc 砌ef o u r - b a rl i l l l 【a g es t m c t u r e 觚a l y s i ss y s t 锄，w h i c hi sc o o p e r a t e db y 办e j i a i l gu n i v e r s i t y 锄ds h 锄曲a ip o r t m a c h i n e r yp l 趾t t h em 锄eo ft 1 1 i sd i s s e n 纰i o ni sm ep o r t a lc 啪e 如* b 盯l i l l l 【a g e 啦u c m 】陀i th a s 锄i n t 】川u c t i o nt ot 1 1 er e s e a r c h 觚d 印p l i c a t i o nf o rt h es p e c i a lf e a s y s t 锄o fp o r t a lc 砌ef 0 盯b a rl i i l l 【a g es t n l c t m e 锄dt r i e st os 0 1 v em ef o l l o w i n g e n 西n e e r i n gi s s u e s ： ( 1 ) t h e 仃a d i t i o n a lm 柚u a l 锄a l y s i sp r o c e s s ，u s i n gt l l eg e i l e m lf a es 0 胁a r e ，i s v e r yc 啪b e r s o m ea n d i n e 伍c i e i l t ( 2 ) 1 1 l et r a d i t i o n a lm 觚u a la i l a l y s i sp r o c e s s ，u s i n gt h eg e i l e r a lf a es 0 胁a r e ， d o e s n tc h e c l 【i n gm es t r t m 垂h ，f a t i g u e ，e n t i r es t a b i l i t 弘1 0 c a ls t a b i l i t ya c c o r d i n gt ot h e n a t i o n a ld e s i 驴r u l e so f g b 3 8l l ，觚di n c r e a s e st h ee n 西n e 嘶n gs e c u r i t yd s l 【s ， ( 3 ) t h em l d i t i o n a lm 锄u a l 锄a l y s i sp r o c e s s ，u s i n gt h eg e i l e r a lf a es o 脚a r e ，i s d i 伍c u l tt 0r e a l i z et h eu 1 1 i 内n nd a t aa r c h i v em a n a g e m e i l t ，觚dc 锄tp r o v i d er c f i e r c e d a t af o r t h en e x ta n a l y s i s b a s e d 彻ag r e a td e a lo fd o m e s t i c 锄di n t 锄a t i o n a ld o c m n e n t s ，c o n s i d 嘶n go n t h et r a d i t i o n a lm a n u a la n a l y s i sp r o c e s s e s ，m a l ( i n gr e f e r e i l c et 0m el a t e s tc r a n ed e s i 印 r u l e s ，t h ed i s s e r t a t i o ns y s t 锄i c a l l yr 印r e s e n t st 1 1 eb a c k g r o u n d 锄dt h er e a l i z a t i o no f t h es p e c i a lf e as y s t 锄o ft l l ep o r t a lc r a i l ef o u r - b a rl i i l l ( a g es 仃u c t l l r e ( 1 ) s p e c i a lf e as y s t e m 行锄ec o n s t r u c t i o nw i t ha n s y sa j l dn a s 仃a i l ， ( 2 ) r e s e a r c ho nt h en a s t 珊f e as o l v e r s p e c i a l l ym ed a t ai n p u tf o m a ta n dt h e i i s 锄c t l 】r co ft h ei n p u ta n do u t p u t 五l e s ( 3 ) r e s e a r c ho nt h ec b e 创e l e m e n tl i k ee l e m 锄tc o o r d i n a t es y s t 锄，e l e m e n t s t i f 强e s sma ：t r i x 锄dt h ei 彻e re i e m e n tf o r c eo u t p u tr e l a t e dp r o p e n i e s ( 4 ) t h ef e a 孤a l y s e st l l e o d ，o ft h ep o n a lc r a n ef 0 u m i a rl i l l l 【a g es t m c t u r e ( 5 ) t h er e a l i z a t i o na i l da p p l i c a t i o no ft h es p e c i a lf e as y s t e mo ft l l ep o n a lc 瑚e f o u r - b a rl i l l l ( a g es t n l c t u r e k e y w o r d s ：p o n a lc m e ，f o l 衲a r1 i i l l ( a g e ，n a u s t r 锄，f e as y s t e i i l ，s p e c i a lf e a i 浙江大学硕士学位论文 图1 1 全门座起重机和半门座起重机 以起重臂的结构型式为主要标志，门座起重机可以分为四连杆组合臂架式门 座起重机和单臂架式门座起重机两种( 图1 2 ) 。由于前者臂架下净高度大，因 而在一定的起升高度要求下，起重机的总高度可以较低，目前国内使用前种型式 居多。 图1 2 四连杆组合臂架们座起重机和单臂架门座起重机 哆酝 ，一，、 ：、 崎 纛 浙江大学硕士学位论文 按上部旋转部分相对下部运行部分旋转的支撑装置的结构型式为主要标志， 可分为转柱式门座起重机、定柱式门座起重机、转盘式门座起重机和大轴承式门 座起重机。 根据用途和使用场合的不同，又可分为港口用门座起重机、造船用门座起重 机和建筑用门座起重机等等【3 l 。 1 3 四连杆机构介绍 门座起重机的构造大体上可以分为两大部分，即上部旋转部分和下部运行部 分。上部旋转部分相对下部运行部分可以实现整周旋转，它包括臂架系统、人字 架、旋转平台、司机室等，同时还有起升机构、变幅机构和旋转机构( 图1 3 ) 。 通过起升、变幅、旋转三种运动的组合可以在一个环形圆柱体空间实现物品的升 降。下部运行机构主要由门架和运行机构组成。 1 3 1 行走机构2 圆筒门架3 转台4 起升机构5 人字架 6 配重系统7 大拉杆铰支座8 大拉杆9 小拉杆 1 0 臂架铰支座1 1 变幅齿条1 2 主臂架1 3 象鼻梁1 4 吊重 图1 3门座起重机模型示意图【4 】 根据门座起重机的一般构造，可以看出，门座起重机具备起重机的起升、变 幅、旋转、运行四大机构。通过四个机构的协调运作( 通常是2 3 个机构同时工 作) ，来实现物品的升降、转载【5 1 。 浙江大学硕士学位论文 臂架系统是门座起重机把货载传递到旋转平台的主要构件，臂架形式主要有 两种：单臂架式和组合臂架式，而采用哪种型式主要根据变幅机构的型式。 在门座起重机中，从取物装置中心线到起重机旋转中心线之间的距离，称为 起重机的幅度，而用来改变幅度的机构，称为起重机的变幅机构。为使载重在变 幅过程中沿水平线或接近水平线移动，大多采用绳索补偿法( 单臂架式) 或组合 臂架补偿法f 3 l 。 绳索补偿法的共同缺点是起升绳长度达，磨损快、小幅度时物品悬挂长度大、 摆动也大。在港口及造船用门座起重机上应用最广的是组合臂架补偿法。其特点 是物品在变幅过程中的水平移动是依靠臂架端点在变幅过程中沿接近水平线的 轨迹运动来保证【6 1 。而使用最广泛的是由象鼻梁、刚性拉杆、臂架以及机架通过 绞轴组合形成的四连连机构。当臂架系统的尺寸选择得合宜，臂架摆动时，象鼻 梁的端点在有效幅度a b 线断内的运动轨迹接近于一根水平线【7 】。 为了臂架系统在变幅过程中的中心尽可能的不发生升降现象，以免由于重心 升降时需要做功或吸收能量而引起变幅机构驱动功率的增大，臂架系统要用配重 加以平衡。最常见的配重型式为通过杠杆系统降配重与臂架相连接。 最常见变幅驱动机构采用齿条变幅机构，臂架由齿推动。 这样，整个四连杆机构综合起来由下列构件组成：象鼻梁、臂架、大连杆、 平衡梁、小拉杆、齿条架( 图1 4 、图1 5 ) 。 4 浙江大学硕士学位论文 图1 4 四连杆机构三维立体图形 图1 5 四连杆机构简化几何模型 浙江大学硕士学位论文 1 4 传统手工分析方式局限 臂架系统四连杆机构( 由象鼻梁、臂架、大拉杆、平衡梁以及小拉杆和齿条 组成) 作为主承载以及运动机构，在优化设计完相关几何尺寸外，需要进行相关 强度、疲劳以及稳定性校核，而有限元分析则是现代最常用的校核验算方法。 由于起重机设计的特殊性，在使用通用有限元如m s c p a 缸觚、u gn x 、a n s y s 等分析处理过程中，其大致流程如下：手工计算各个变幅位置几何关系，得出构 件空间位置，并绘制各幅度几何模型；采用梁单元对四连杆机构各构件划分节点， 连接单元、赋单元材料、截面以及参考点；根据起重机设计规范手工计算出各种 均布载荷如自重、吊重、风载、变幅惯性力、旋转惯性力、旋转离心力、起升冲 击载荷、地震载荷等等大小并采用人工加载方式均布到相关节点；定义位移边界 条件并转化为最终有限元模型，并进行求解。根据求解强度结果，根据经验人工 提取相关幅度相关工况应力，手工进行相关疲劳分析和整体以及局部稳定性分析 【引。其有限元分析模型如图1 6 所示。， 一 is ，：5 7 国 乃6 惫 9 、 、 2 v 4， ，峪5 浙江大学硕士学位论文 法发挥通用有限元计算的优势。首先，对于一个幅度为3 0 m 到1 0 i i l 的起重机， 如果1 m 分析一次，需要手工计算出2 0 个模型，并手工重复进行2 0 次流程完全 一致的前处理，而这个过程除了模型节点空间坐标以及加载的载荷大小不一样之 外，其他过程均为一模一样；其次，通用有限元计算只是得到了各个单元的内力 和各单元截面几个角点的应力，仍然需要提取出内力或应力来手工相关后处理： 强度分析、疲劳分析、整体稳定性分析、局部稳定性分析，人力成本消耗很大， 时间很长。 而在工程实际中，通常只取几个个幅度进行强度计算，甚至连疲劳、整体稳 定性、局部稳定性均不进行计算，这就使起重机的分析陷入了无依可循的窘境。 究其原因，都是因为通用有限元分析软件无法适应门座起重机四连杆机构有限元 分析的特定要求以及通用有限元的另一弊端价格昂贵。 现在市面上常见的通用有限元软件有很多，如a n s y s 、m s cn 龉t r 锄、u g n a s t i 锄、i d e a l s 等已被广泛应用于各公司的c a e 工程分析中。然而，所有这些 有限元软件越来越有一个共同的趋势就是：前后处理范围非常广泛，基本上能涵 盖静力学、非线性、瞬态、流体、热、电等各种工程场合。而实际处于某特定行 业开展特定业务的某公司只是需要用到特定的前后处理流程以及模式处理特定 的产品，却不得不使用通用的前后处理，这实际上降低了生产效率。 通用有限元软件一个基本分析模块动辄上百万蹦b ，如果要在所有工程师 的个人电脑上都进行安装，成本不菲，而传统的二次开发只是在软件本身的基础 上进行开发，并没有能跳出这个圈，虽然能开发出适合具体情况的前后处理模式， 提高生产效率，但是成本并没有得到降低，因为其底层调用的还是单机的通用有 限元软件，如果要多台安装仍需要高昂的成本。 1 5 论文内容以及意义 综上对传统手工对臂架系统进行分析以及传统有限元局限的描述，可见开发 一套专用的四连杆机构f e a 平台，最大化的减少人工成本以及时间成本和经济 成本，是有很深切的现实意义的。 本项目由上海港机重工有限公司和浙江大学化机所c a d 实验室共同合作， 旨在开发一套基于n 弱t 舳的针对门座起重机四连杆机构进行强度、疲劳、整体 浙江大学硕士学位论文 稳定性、局部稳定性、铰轴验算的专用有限元分析系统。一方面根据最新起重机 设计规范进行计算设计，得到更精确更丰富的分析结果，为工程分析提供更准确 更详细的参考资料；另一方面针对传统手工分析的局限性，在保证系统必备的用 户输入接 i 基础上，集合已有的优化结果数据库，简化基本分析流程，最大化减 轻人工设计成本，提高分析效率，提高企业信息化程度。 本论文主要的研究内容有： ( 1 )专用有限元分析系统框架搭建分析，针对后a n s y s 、n a s 咖提出不 同的系统框架，并分析了各框架的可行性与优劣。 ( 2 )对n 触解算器的特点进行详细分析，特别是数据输入格式以及输 入文件的组成部分，各相关段具体含义分析。 ( 3 )n a s t r a i l 复杂梁单元c b e a m 基本理论包括梁特性如单元坐标系、 c b e j 蝴单元刚度阵以及单元内力输出等相关性质研究。 ( 4 )四连杆机构工程分析理论基础，根据起重机设计规范以及相关标准 进行四连杆机构工程分析的理论研究，说明传统通用有限元分析步骤，同时详细 阐述采用通用有限元软件进行分析的局限性，并阐明系统开发的相关计算依据。 ( 5 )模拟手工分析流程，抽象出系统框架进行建模，提取出各基本类并 进行相关架构组织，同时对系统相关模块开发框架进行分析，并结合系统实例进 一步阐明系统优越性。 浙江大学硕士学位论文 第2 章专用有限元分析系统框架搭建分析 针对固定的流程，我们可以利用计算机进行处理，因为处理固定的流程正是 计算机的强项。针对此，涌现出了一系列的二次开发技术，然而传统的二次开发 只是简单的嫁接封装，并不能解决另一个通用有限元软件的弊病成本太高。 就像c s ，b s 模弋的涌现一样，我们可以采用服务器、客户机甚至是浏览 器的模式结合传统的二次开发来实现专用有限元系统的搭建。下面我们来分析这 种既能够解决效率又能够解决成本问题的方案相应技术框架。 2 1 方案概貌 购买一套通用有限元分析软件( 至少要能够满足企业分析目的) 甚至是一个 有限元解算器，在这个基础上进行传统的二次开发部分实现特定的前后处理，并 实现客户端、服务器访问，即通过开发，所有的工程分析人员可以共用一套通用 有限元软件进行专用的前后处理。 2 2 框架分析 以下分别针对a n s y s 和n a l s 咖进行相关框架分析。 2 2 1a n s y s a n s y s 提供了a p d l 参数化设计语言，由类似于f o r t r 孤7 7 的程序设计语言 和l o o o 多条a n s y s 命令组成。通过a p d l 语言可以实现参数化建模、参数化的 划分网格、参数化的材料定义、参数化的加载和边界条件定义、参数化的分析 控制求解和参数化的结果后处理【9 】。每一个图形操作( g u i ) 都对应一条命令，即 用户在界面上每单击一次菜单，每单击一个工具，都有一条对应的语句与之相对 应，根据这些命令加上特定的模型参数以及有限元参数编写成一个命令文件就相 当于模拟了整个界面操作流程，而a n s y s 可以导入命令文件进行解算并输出结果 文件【1 们。 针对a n s y s 的这个特点，前处理可以在客户端进行，用v c 或者其他编程工 浙江大学硕士学位论文 具编写特定的前处理界面，用户输入相关参数，后台模拟手工a n s y s 界面操作过 程写成特定的m a c 命令文件【1 ，通过网络传输该文件到服务器，并启动服务器 的a n s y s ，调用传输过来的该命令流文件，进行求解输出结果，并将结果返回至 客户端，利用编写好的客户端后处理程序提取结果并进行特定后处理( 当然也可 以调用服务器a n s y s 输出通用后处理结果至客户端) ，其框架如图2 1 所示。 匝巫困 ) 囤蛰 网络传输a p d l 文t l 1r i 调用a n s y s 运行该a p d l 文件，卉+ 输出结果 网络传输结果 1 r i 提取结果，并进行特定需求的后处理l 2 2 2n a s t r a n 图2 - 1a n s y s 方案框架分析 针对n a s t r a n 的特点，我们提出两套解决方案并进行分析。 ( 一) 对于u gn xn a s t r a j l ，由于u gc a e 已经实现了对n a s t r a j l 前后处理 的封装，可以利用u g 提供的二次丌发接口o p e n a p i 等进行前后处理开发，这 也是传统的二次开发过程。u g o p e na p i 是一个允许程序访问并修改u g 对象模 型的程序集，它封装了近2 0 0 0 个u g 操作的函数，其中也包括c a e 部分，绝大 多数的u g 操作都可以用u g o p e na p i 的函数实现【1 2 】【1 3 】【1 4 】【15 1 ，它也是最常用的 u g 二次开发工具，不过这种开发需要在用户对u go p e n a p i 的o p e nc 相关函数 或者o p e nc 抖类( 以及o p e nf o r j a v a 等) 与开发选用语言有较好背景知识【1 6 】，当然， 这样达到特定前处理的实现效率比较低下。 通过开发具有基本参数输入功能的客户端，用户基本参数输入完毕，即由客 户端传递这些参数到服务器，由服务器上的u g 启动并进行有限元模型建立的前 处理工作，然后进行解算，解算完毕传递相关结果到客户端，利用编写好的客户 浙江大学硕士学位论文 端后处理程序提取结果并进行特定后处理( 当然也可以调用服务器u g 输出通用 后处理结果至客户端) ，其框架如图2 2 所示。 | “”飞喊 客户端学 暑 碧 图2 2n a s t r a u l 方案框架一分析 ( 二) 由于n a s t r a n 解算器的输入文件有特定的格式，可以根据模型参数编 写出该格式对应得输入文件，并调用n a s t r a n 进行求解。n a s t r a l l 输入文件包含以 下段落：n a s t r a n 语句、文件管理段、执行控制段、情况控制段、模型数据段。 n a s t r a n 语句、文件管理段、执行控制段、情况控制段采用自由域格式，而模型 数据段允许采用自由域、小域以及大域格式的任意一种【1 7 】。 由此，根据n a s t r a l l 解算器需要的输入文件的格式是固定的，只要我们独立 开发的前处理能够写出这个格式的对应模型的文件并启用n a s t r a n 解算器进行求 解即可。前处理可以用v c 或者其他编程工具编制适合特定需要的前处理程序， 然后生成n a s t r a n 需要的输入文件并传输至服务器端，服务器端调用n a s t r a n 求 解器进行解算，结算完毕传递结果文件至客户端，客户端提取结果文件进行特定 后处理，( 当然也可以调用u g 输出通用后处理结果至客户端) ，其框架如图2 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 恨据实际需要开发特定前处 理程序以及界面 上 输入模型参数根据模耍! 生成 n a s t r a n 需要的解算文件 网络传输n a s t r a n 输入支 1 r i 瑚刖n a s t r a n 解算该文件，并输出结果 网络传输结果 1r i 提驭结果，并进行特定需求的后处理 ) 圈椭 图2 3n a s t r a n 方案框架二分析 2 3 系统架构分析 2 3 1 客户端，服务器模式 1 8 】 望 在客户端进行前后处理，服务器进行解算。客户端生成a n s y s 命令流文件或 者n a s t 啪解算输入文件并通过网络传递到服务器，启用服务器通用有限元软件 或者解算器进行解算，服务器输出结果并通过网络将结果传递至客户端，客户端 根据结果数据进行特定后处理。c s 模式架构如图2 4 所示。 运行有限元解算器解 算并返回结果文件 前处理生成解算 文件( 或者生成命 令流文件) 提取结果文件 进行后处理 解算 d i m 2 ( b )e t c -d 蹦n ( b ) n s m ( b ) 字域 p d m d g r o u p t y p e d 口i ( a ) ， d 口i ( i ) n s m ( a ) ， n s m ( j ) 内容 单元属性卡唯一的编号 对应的材料卡片编号编号 截面群组，默认为“m s c b m l 0 截面形状，也就是n a u s t 啪内部截面类型，如“i ”、“l d m i ( b ) 单元a 、b 端截面各纬度尺寸 从a 端开始的比例为x ( j ) ( b ) 的单元中间某部位的截面 各纬度的尺寸 n s m ( b ) 单元a 、b 端的非结构集中质量，实数，默认为o o 从a 端开始的比例为x ( j ) x ( b ) 的单元中间某部位的非结 构集中质量，实数，默认为o o s o ( j ) ，s o ( b ) 是否输出该部位的强度，默认为“y e s x ( j ) x ( b )单元中间某部位距离a 端长度与单元总长度的比例，实 数，默认就是b 端，也就是1 0 下面是一个p b e 蝴l 的例子，采用自由域书写 p b e a m l ，l6 ，l ，b o x l ，1 0 3 2 o o ，6 2 0 o o ，1 0 0 0 ，l o o o ，1 6 0 0 ，1 6 o o ，y e s ， ，1 0 ，1 0 3 2 0 0 ，6 2 0 o o ，1 0 o o ，1 0 o o ，1 6 0 0 ，1 6 o o ， 其意义为：1 6 号截面特性卡片，使用1 号材料，界面类型为b o x l ( 箱型梁) ， 浙江大学硕士学位论文 左端截面参数分别为( 1 0 3 2 0 0 ，6 2 0 o o ，1 0 0 0 ，1 0 0 0 ，1 6 0 0 ，1 6 0 0 ) ，没有指 定单元中间某部位的截面几何参数，右端截面几何参数为( 1 0 3 2 o o ，6 2 0 0 0 ， l o o o ，l o 0 0 ，1 6 0 0 ，1 6 0 0 ) ，即等截面，同时输出b 段的强度结果。 4 3 4n a s t r a n 中c b e a m 单元内力输出分析 由于本系统需要提取n a s t r a i l 的内力结果作为原数据进行所有后处理分析， 所以需要对c b e 删单元内力的输出结果进行相关分析。 n a s t 瑚可以在情况控制段中设定输出c b e 伽单元内力，然而关于这个输 出的内力的一些详细解析在各类文档上基本没有任何介绍。下面通过算例的方式 手工分析总结出c b e 削m 单元内力输出几个十分重要也是工程中十分关键的地 方。 ( 1 ) 梁单元坐标平面 如前所述，c b e 舢讧单元的坐标系以截面剪心连线方向为x 轴，y 、z 为截面 的两个纬度方向，称x y 平面为p l a i l e l ，x z 平面为p l 觚e 2 ，如图4 憎7 所示。 l 图4 - 7 梁单元坐标平面 ( 2 ) 各内力输出顺序 n 碱r a l l 输出的梁单元内力结果如图4 8 所示： 浙江大学硕士学住论文 th【t3i 一t 一一elt t 一； 0t 一， s t td i s t ， 一口e h ，i h cm 睫h t s 一一e ls e 冉r s 一一x i 札t o t 札一r p i t e l k 町一i 朗l pl e t hp l n k1p l 矗k2n 睢1p l 冉睢2f o r c et o 叫眶t o 咖u e 1 一a 2 7 e 一2 9 柚7 6 e 7s 2 m 6 9 一s2 9 6 3 引e 7 9 3 9 7 e 一 7 3 9 e + 7 2 一3 s 0 6 7 8 s e 一一；1 t + - s 2 驺6 9 e 一为2 9 6 a 9 + n7 9 3 1 9 7 蚯一1 7 a 神e 盯 图禾8n 弱仃趾复杂梁单元c b e a m 内力输出结果 依据梁单元坐标系，在p l a n c l 为x y 平面，p l 锄e 2 为x z 平面。b e n d i n g m o m e n t s 为弯矩，w e bs h e a r s 为剪力，a x i a lf o r c e 为轴力，t o 玑气l t o r q u e 为扭矩。弯矩在p l 锄e 1 和p l a i l e 2 内应分别 t 、m ，剪力在p l a i l e l 和 p l a n e 2 内分别是q 、q ：。通过一些简单的悬臂梁例子进行测试，如悬臂梁仅加 一个y 向集中力，或者z 向集中力，结果表明，从左到右的6 个内力顺序分别 为：m ：、m ，、q 、q 、m 、以。 ( 3 ) 各内力的正负规则 n a s t r 孤规定，梁单元轴向力和扭矩方向以使梁单元受拉为正，弯矩以使梁 单元下部受拉为正，剪力以左下右上为正( 如图4 9 所示) 【2 l 】。 y ， x x y p l a n el i ， x x z p l a n e 2 图4 9 n a s 仃趾梁单元力和力矩方向正负规则 ( 4 ) 各内力通过截面点：形心还是剪心 n x n x 浙江大学硕士学位论文 因为本系统需要提取内力并根据截面特性来计算强度，计算强度时需要用到 截面特性，截面特性是相对于截面某一个特性点如形心的，如果输出的内力不是 通过这个求截面特性的点，则必须考虑将这些内力平移到这个点上，这样就会产 生附加弯矩和扭矩。 根据c b e a m 单元的特性，x 轴为两端剪心的连线，是否输出的轴力以及两 个剪力都应该是通过x 轴的，也就是通过剪心轴的。如果计算强度用到的都是 截面的形心主惯性轴的惯性矩、以及静矩s ，、篷，而输出的三个力不是通过 形心的，自然要偏移到形心上计算强度才有意义，这样就有附加弯矩( 轴力) 和 附加扭矩( 剪力) 产生。下面通过m s c p a t r a 玎2 0 0 5 的一些算例进行相关的验证 分析。 用一个假定w = 2 0 ，h = 3 0 ，t 1 = 2 ，t 2 = 2 的t 型钢，做一个只有一个单 元的悬臂梁，形心在剪心的垂直正下方8 7 5 i 砌处。如图4 1 0 所示： h i 而剪心 形心 一 t 2 t l z 图4 一l o t 型钢算例截面示意图 算例一：两个节点通过形心，自右端节点添加轴向1 0 0 n 轴力。 输入偏移如图4 一1 1 ： e b e n h 11126 1 口 0 7 s1 7 s 图4 1 1 算例一输入偏移 输出内力如图4 1 2 ： f 0 r c e sihle he le ehts cb e ah s t 冉td l s t ， 一b 糟l m 匪卅s 一一蚝bs 抖e 冉r s 一 冉x i 冉lt 8 t 札 e l e 睚咐一l oe r i dl e 峨t hp l n 惟1 p l n 曜2p l 睚1p l n 惺2 f 佣c et o r 叫e 1 1 b 0 睢陀 21 n 口口b 口 1 口口口日眭蛇日 1瞧c s t 胁hj o bc r e 矗t e do h2 9 一d e c 一耵冉t1 7 ：3 2 d e c e m 明 砷2 口盯 咻c s t r h，2 3 ， 浙江大学硕士学位论文 图4 - 1 2 算例一输出内力结果 输出四个角点强度如图4 _ 1 3 ： st 囊es s elihe he l ehe ts s t 囊td i s t ， e l e l 町一l d “i dl e 帖t h 铽c s 轴 1 1 s 一憎x lc enh s - h i hh s 一t 一s 1 1 6 6 7 e 1 1 6 6 7 e 1 1 6 6 7 e 1 1 6 6 7 e 1 呐1 6 6 7 e 1 聃1 6 6 7 e + 21 - 1 呐1 6 6 7 e + o - 1 呐1 6 6 7 e 1 n 1 6 6 7 e o1 1 6 6 7 e 1 呐1 6 6 7 e 1 呐1 6 6 7 e b c 啪s t r mj o bc r e r t e oo h2 9 一d e c 一盯冉t1 7 ： ：3 2 d e c e 啊明 2 ，2 - 酊 皤c m s t 聃h，2 3 ，np 觚e1 图禾1 3 算例一输出强度结果 由此可见，并不是像预期的那样，解算前，将通过形心的轴力偏移到剪心并 输出一个弯矩，解算出内力后，强度计算也只是m 4 ，并没将轴力偏移回来并 且添加一个正好抵消结算前移过去产生的附加弯矩的弯矩。 算例二：将节点偏移到形心与剪心中间，距离剪 其输入以及内力和、强度输出如图禾1 4 。 c b e h1 2 2 1 2 心2 m处，增加相同的轴力， f orce sihe heleheht sc e 一一， s t a td l s t ，一b e i 雌呻k 町s 一一蚝bs h e 柚s 一 x i 札t o t 札啪r p i e l e 睫町一i 0 i dl e 睢t hp l k1p l 矗哐2r l r 哐1p l n 睢2f 口r c e t o r q u et o r q u e 1 1 一7 s 口口0 e + 2 21 口一6 7 s 0 0 0 畦屹 6 c s t r 囊hj o bc r e 冉t e dd h2 9 一d e c 一7 一t 一1 8 1 7 0 虻一1 1 - 旺越 一明1 7 8 4 e 一1 1 0 0 口a 口畦舷- 1 7 ：3 2昨c e 哺e r2 9 2 盯幅c s t 肭h9 ，2 0 ，n stre s s e sihe he le eht s s t r td i s t ， e l e l 町一i 0 r l dl e 惯t hs耜s轴 1 1 7 7 9 a 1 _ e 1 7 7 3 1 e 一引盼6 9 e 一1 21 n1 7 7 9 3 1 口e 1 7 7 9 3 1 0 e 口一9 a 6 明e 一1 s l fs 一_ x p 船e tc le 矗一 s - h i h一s 一th s 1 7 7 9 3 1 e + 1 7 7 9 a l t 一9 6 神e 一卅 1 7 7 9 3 1 莨+ 1 7 7 9 3 1 旺一9 明6 神e 一州 1嚣c m s t 矗n h 加叠c r e r t e do h 即一d e c 一盯r t1 7 ：3 2d e c e e r2 9 2 盯惦c s t 肌h9 ，2 3 ，呐r 旺 1 图4 - 1 4 算例二输入与输出 可以看到内力中一个十分明显的附加弯矩，而且这个附加弯矩是 轴力1 0 0 力距形心距离( 8 7 5 2 ) = 6 7 5 ，而且根据上一节所述梁单元坐标系规 则，确实这个附加弯矩应该是负的! 而且从强度计算的结果来看，正好是，由此，我们可以知道输 出的轴向力是通过形心的，也就是说根据输出的轴力和弯矩计算正应力时，是可 以直接采用t 啪输出的数据，无须再考虑附加相关偏移产生附加弯矩。 算例三：将上述外载改为正z 向的通过形心的剪力，再进行计算，其输入以 及内力和强度计算结果如图4 一1 5 ： - 3 3 浙江大学硕士学位论文 c e 一一 1 z1 f 0 r c e slh he l eheht scbe 靠h ， s t td i s t ，一8 e i 雌帅摧町s 一 一蚝bs e n r s a x i n lt o t n l蝴r p i l e k 盯一i i dl e h c t p l n ，e1 p l n e2p l 1p l n - e2f o r c et 口r q u et o r o u e 1 1 1口l s i 1 口蚝般 一7 s o 口9 蔓忆 21 明矗 -o口1 o a 0 0 口艇+ 蛇一0 7 s 口0 口眶眩 憾c 嘲s t 朋一j o bc 旺n t e d 口h2 9 d e c 一 一t1 7 ： ：匏p e c e _ e r2 9 ，2 i 盯啭c s t r h9 ，2 3 ，p 日g e1 st r es s e slhe _ hele hehts s t _ td i s t ， e u ! ；仃一i c l i dl e h c t hs 扯s x ls x es x fs 一嘲l 1 1 1 - 3 6 9 2 2 5 e 2 21 b o a b c h s t r 囊hj o bc r e n t e do h2 9 一o e c 一7 矗t1 7 ：1 ：3 2 3 6 9 2 2 s e - 2a 9 2 2 ；e 2 - 0 畦c e 啊e r2 ，2 盯 图4 1 5 算例三输入与输出 c e 冉一 s 一一i hh s 一th s 一3 6 9 2 2 s e 2 6 c m s t r 冉h9 ，2 3 ，p n c e1 可以明显地看到有一个附加扭矩，而且正好是形心( 力作用点) 到剪心的距 离，而且右端计算出来的切应力全部是0 ，也就是说，需要将剪力移回形心，与 输入时产生的附加弯矩抵消，由此可见输出的剪力是通过剪心的。 综上可知，n 嬲咖的复杂梁单元c b e 蝴输出的轴力是相对于形心的，而 两个剪力是相对于剪心的。计算正应力时，直接根据输出的轴力和输出的弯矩进 行计算，而计算剪应力时，需要将输出的剪力移回形心并产生附加扭矩，然后再 与本身输出的扭矩迭加一起进行计算。 3 4 - 浙江大学硕士学位论文 第5 章门座起重机四连杆机构杆系有限元分析规范 四连杆机构的一个变幅过程中，其模型几何位置、受力情况均在发生变化， 传统采用通用有限元进行门座起重机四连杆机构进行分析，由于无法进行机构运 动模拟，只能截取几个幅度单独进行计算，同样，在使用通用有限元后处理时， 也只能获取某个幅度下的结果，然后分析多个幅度，将结果进行对比。以下在说 明时均针对一个特定幅度下的分析来进行说明，而本项目实现了各幅度自动验算 的功能。 由于系统实现了针对门座起重机四连杆机构的n a s 仃a n 前后处理封装，也就 是实现了系统生成n a s t r 锄输入文件并进行解算，所以以下在进行分析时分别针 对p a 仃a n 、u g 等封装了n 嬲n 彻前后处理的软件( 传统手工分析) 和直接使用 n 淞咖输入文件的方式( 系统实现所使用技术) 进行说明。 如图5 1 所示，对于某一个固定幅度下的机构，可以用如下杆系梁单元来 模拟进行分析。 铀 图5 1 某幅度下杆系单元模型 浙江大学硕士学位论文 5 1 前处理分析 5 1 1 整体几何模型建立：手工计算得到某幅度基本几何模型 对于一个起重机构，在一个变幅过程中( 如从最大到最小，假定1 m 计算一 个模型) ，对于某一个幅度的机构模型空间位置，需要根据相关模型几何关系进 行确立。如图5 2 所示，已知某计算幅度x 以及构件几何信息如象鼻梁前端长 d 0 l ，后端长d 0 2 ，臂架长r 1 ，大拉杆长r 2 等，根据几何关系，得下列方程 f 2 8 】f 2 9 】f 如】： h l 图5 2 模型几何关系图 r 1 c o s 口+ d 1 c o s 口= x( 5 1 ) r 1 s i n 口一d 1 s i