（机械制造及其自动化专业论文）钢丝绳变幅起重机臂架系统事故坠落失效分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 起重机械是机械设备中蕴藏危险因素较多 易发事故几率较大的典型危险 机械之一 国内外每年都因起重设备作业造成大量的人身伤亡事故灾害 损失 较大 大型的钢丝绳变幅臂架类起重机目前较多地应用于各大小港口 根据吊具 的不同可以分别进行散货或标准集装箱的装卸 但因为各种原因 在使用过程 中不时会发生各样的安全事故 其中由于变幅系统的失效而导致的事故占有一 定的比例 因此对大型的钢丝绳变幅臂架起重机变幅系统进行事故失效分析 可以对以后的设计使用提供指导意见 并预防此类事故再次发生 本论文主要的工作内容包括如下 1 介绍单臂架门座起重机的主要组成部分及其各自的结构特点 主要介 绍了门座起重机的臂架结构和变幅驱动系统 2 分析介绍钢丝绳变幅的单臂架门座起重机变幅系统的事故失效情况类 别 其事故的严重程度决定了所引发后果的损失情况 最严重的情况下会导致 臂架坠落 造成很大的财务损失和人员伤害 3 运用动力学的知识分析得出起重机的动力学特点 及其动力学相关问 题的研究策略与方法 同时对门座起重机的臂架系统进行动力学的分析 在对 臂架系统模型进行简化的前提下 建立臂架系统的动力学微分方程 4 用s o l i d w o r k s 三维建模软件里建臂架的三维模型 然后转换为x t 格 式的文件在a n s y s l s d y n a 中打开 并经过处理得到可以进行非线性分析的 臂架几何模型 然后在a n s y s l s d y n a 中对几何模型附属性并划分 得到臂 架有限元模型 5 对臂架有限元模型进行求解设置 求解臂架在两个位置发生事故开始 坠落 并与地面发生碰撞后臂架结构的受应力情况和变形情况等 关键词 变幅系统 事故失效分析 臂架坠落 a n s y s l s d y n a 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o i s t i n gm a c h i n e r yi s t h em e c h a n i c a le q u i p m e n tt h a tc o n t a i n sal o to fr i s k f a c t o r s a n di ti so n eo ft h et y p i c a ld a n g e r o u sm a c h i n e st h a ta r em o r ep r o n et o a c c i d e n t s e v e r yy e a r t h ea c c i d e n t so ft h eh o i s t i n gm a c h i n e r yh a p p e n e da th o m ea n d a b r o a dc a u s e dh u g el o s t l a r g ew i r er o p el u f f i n gs i n g l ej i bc r a n ea tp r e s e n ta r eu s e di ne a c hs i z ep o r t i t c a nl o a da n du n l o a db u l k c a r g oo rs t a n d a r dc o n t a i n e ra c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tt y p e o f s l i n g s b u tb e c a u s eo fd i f f e r e n tr e a s o n s al o tk i n d so fs a f ea c c i d e n t sm a y o c c u r r e dd u r i n gw o r k i n gt i m e i nw h i c ht h ea c c i d e n tc a u s e db yl u f f i n gs y s t e mi sa m a j o ro n e s ot h er e s e a r c ho fa c c i d e n t sa b o u tt h el u f f i n gs y s t e mo ft h el a r g ew i r e r o p el u f f i n gs i n g l eji bc r a n ei sv e r yi m p o r t a n ta n dm e a n f u l i tc a ng i v eg u i d eo p i n i o n t of u t u r ed e s i g na n dp r e v e n tt h eh a p p e n i n go fs i m i l a ra c c i d e n t t h ew o r k i n gc o n t e n to ft h i st h e s i si n c l u d e s 1 i n t r o d u c et h em a i nc o m p o n e n t st h es i n g l eji bg a n t r yc r a n ea n dt h e i ro w n s t r u c t u r a lf e a t u r e s t h ei n t r o d u c ei sm a i n l ya b o u tt h ej i bs t r u c t u r ea n dt h el u f f i n g d r i v es y s t e m 2 a n a l y s i sa n di n t r o d u c et h ec a t e g o r i z et h ea c c i d e n t st h a tm a yo c c u r r e do nt h e l u f f i n gs y s t e mo ft h el a r g ew i r er o p el u f f i n gs i n g l ej i bc r a n e i nt h em o s tb a d s i t u a t i o n t h ej i bo ft h ec r a n em a yf a l la n dc a u s el a r g ef i n a n c i a ll o s sa n de v e nk i l lt h e p e o p l ew o r k i n gt h e r e 3 u s et h ek n o w l e d g eo fd y n a m i c st oa n a l y s i sa n dg e tt h ed y n a m i c a lf e a t u r eo f c r a n e a l s og e tt h er e s e a r c hs t r a t e g i e sa n dm e t h o d sa b o u tt h ed y n a m i c a lp r o b l e m s m e a n w h i l e g e td y n a m i c a la n a l y s i so ft h ej i bs y s t e mo fg a n t r yc r a n e c r e a tt h e d y n a m i c a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o no f j i bs y s t e mb yt h es i m p l i f i e dm o d e l 4 c r e a tt h e3 dj i bm o d e lb ys o l i d w o r k s t h e nc h a n g ei tt ox ts t y l et h a tc a n i m p o r tt oa n s y s l s d y n a a n dg e tt h ej i bg e o m e t r i c a lm o d e lt h r o u g hm o d e l o p t i m i z a t i o n a n dt h e nm e s h t h eg e o m e t r i c a lm o d e lt og e tt h ej i bf e mm o d e l 5 s e tt h es l o v ec o n f i g n t a t i o no ft h ej i bf e mm o d e l s u p p o s et h ej i bb e g i nt o f a l la tt w op o s i t i o nb e c a u s eo f a c c i d e n t s g e tt h ed e f o r m a t i o ns i t u a t i o na n dt h es t r e s s 武汉理工大学硕士学位论文 s i t u a t i o na f t e rt h ej i bc r a s ht h eg r o u n d k e yw o r d s l u f f i n gs y s t e m a c c i d e n tf a i l u r ea n a l y s i s j i bc r a s h a n s y s l s d y n a b i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 立题背景及研究意义 随着世界经济的快速发展 国与国之间的贸易往来也得到了迅猛发展 其 中大部分的货物运输是通过海运完成的 而港口作为海洋运输的前沿阵地 呈 现出了蓬勃发展的景象 进入新世纪以来 为维护我国在国际贸易体系中的竞 争地位 国内的各重要港口也开始了现代化的技术革新和改造 为适应日益增 长的港口装卸需求 应用于港口的起重机械也得到了长足的发展 各种新技术 新机型层出不穷 同时起重机械也开始面向大型化 高速化 自动化和多功能 复杂化方向发展 l j 起重运输机械是所有机械设备中危险因素蕴藏比较多 容易发生事故的典 型危险机械之一 目前 在国内外每年都会发生由于起重机械设备在工作过程 中发生故障 而造成大量的人员伤亡的事故 财产损失和其他损失也都非常大 国外近期每年因起重事故造成的伤亡事例多达2 0 多万起 我国每年发生的起重 事故灾害也比较常见l 引 大型的钢丝绳变幅臂架类起重机目前较多地应用于各大小港口和船厂等 根据吊具的不同可以分别进行散货或标准集装箱的装卸 但因为各种原因 在 使用过程中也不时会发生各样的安全事故 其中由于变幅系统的失效而导致的 事故占有一定的比例 如国内的某一船厂使用的单臂架钢丝绳变幅起重机 由 于变幅系统联轴器失效 导致卷筒高速旋转 并带动减速器高速轴的高速旋转 超过其极限转速并导致高速轴的断裂 国内某一港口使用的单臂架钢丝绳变幅 起重机 由于其减速器的高速轴同心度误差过大 造成高速轴破坏 致使起升 机构坠箱 砸箱和臂架的坠落 类似的事故例子还有很多 因此对大型的钢丝 绳变幅臂架起重机变幅系统进行事故失效分析 可以对以后的设计使用提供指 导意见 并预防此类事故再次发生 1 2 起重机机械事故类型简介 起重机械在工作过程中发生的事故灾害大概包括如下的几类 坠落事故 武汉理工大学硕士学位论文 挤伤事故 触电事故和特殊类型事故等f 3 1 本文研究的是由于变幅系统发生故 障而导致的货物 吊具的失落事故和臂架失控坠落的砸臂事故 其它事故虽然 也是比较常见 需要多加注意和预防 但因与本文的研究内容联系不大 因此 在本文中不做详细的介绍 几种常见的事故类型介绍如下 1 失落事故 所谓的起重机械失落事故指的是在起重机工作过程中 因为某些原因而造 成起重机所吊装的货物以及吊具本身等重物 从一定高度的半空意外坠落 并 砸中其下面的起重机设备或工作人员而所造成的设备 货物损坏和人员伤亡的 事故 目前 发生比较多的失落事故主要包括起重吊钩的脱钩事故 吊钩的破损 断裂事故 起重钢丝绳或件散货捆绑绳的脱绳以及断绳事故 这些事故有些是 起重机结构 钢丝绳等组件强度不够造成的 有些是人为疏忽造成的 部分轻 微事故不会造成比较大的危害 但有时比较大的事故就会造成很严重的后果 因此也是要重点防范的常见事故之一 2 坠落事故 所谓的坠落事故与上面所说的失落事故是有区别的 坠落事故指的是从事 货物起升吊装相关工作的人员 包括起重机械驾驶人员 检测人员 维修人员 等 因为某些原因从起重机机体 攀登梯 驾驶室等高空处意外坠落 摔至起 重机机体其它地方或地面的致伤 致死事故 此类事故主要是造成相关工作人 员的伤残 但由于近年来从业人员安全意识的提升 以及安全绳等辅助措施的 普遍运用 此类事故发生频率日渐降低 3 触电事故 所谓的触电事故主要指的是从事起重机械操作和检修的相关从业工作者 在起重机械运行操作或日常检修 故障处理等工作中 因为意外接触到起重机 械电气设备 而造成工作人员遭受电击 导致相关工作人员伤亡的事故 此类 事故主要包括室外作业的触电事故和室内作业的触电事故 预防此类事故的关 键是提高相关工作人员的用电安全意识 电气问题检修应由专业的人员来完成 4 起重机械机体毁坏事故 所谓的起重机械机体的毁坏性事故主要指的是起重机械在工作状态或非工 作状态下 因为某些原因 如起重机械超载失稳 暴风侵袭等 造成起重机械 机体发生变形 断裂 甚至部分倾翻或整体倾覆等机体严重损坏的事故 在有 些情况下甚至会造成工作人员的伤亡 此类事故在起重机各类型事故中是相对 2 武汉理工大学硕士学位论文 比较严重的事故 造成的财务损失和人员伤亡相对来说也是比较大的 近些年来 在港口码头等场所比较多见的起重机械机体的毁坏性事故主要 包括起重臂断臂事故 机体摔伤事故 倾翻事故 相互撞毁事故等 造成事故 的原因有些是起重机械本身存在设计或制造缺陷 有些是在起重机械使用过程 中工作人员操作不当 有些则是因为恶劣的天气 如台风 强雨雪等 在事后 得到事故分析后 应该根据原因对应地去整改 如果是因为设计制造缺陷造成 的 就要对设计和制造进行优化 改善起重机械质量 如果事故原因是工作人 员操作不当 则应加大对操作人员的培训 增强其责任心和预防事故的意识 1 3 门机变幅系统事故失效情况分类 钢丝绳变幅单臂架门座起重机的变幅系统是由多个部件组成的 如变幅驱 动组件 钢丝绳缠绕组件等 系统中某个部件发生故障 都会造成整个变幅系 统发生故障或事故 部件发生故障的严重与否也决定了变幅系统发生故障的严 重程度 小的故障一般常见的有变幅功能的丧失 可能是因为变幅系统电子元 器件等控制系统因为某些原因不能正常工作 导致变幅系统在工作过程中突然 不受控制而发生变幅系统的失效 如突然断电或过载等原因 如果变幅系统有 相应的安全保护措施 导致故障的原因不严重时就不会发生重大事故 否则就 可能发生门座起重机臂架坠落 货物脱落等严重的事故 造成很大的经济损失 和人员伤亡 就目前的情况来看 变幅系统中因为变幅驱动装置发生故障而导致变幅系 统发生故障或事故的占比较大的比例 变幅驱动装置的故障一般包括 1 变幅驱动电机的故障 在门座起重机正常的工作状态下 变幅系统的 驱动电机如果突然发生故障导致驱动电机停止运行 变幅系统失去驱动力 就 会对变幅系统的运行造成影响 在严重的情况下就会导致臂架失控坠落 2 变幅驱动系统中联轴器的故障 门座起重机变幅驱动系统联轴器的故 障也会导致变幅系统驱动电机的扭矩传递路线断开 臂架系统失去驱动力而导 致臂架系统发生臂架坠落情况 3 变幅驱动系统减速器故障 变幅驱动系统中减速器是连接驱动电机和 变幅钢丝绳卷筒的重要部件 变幅减速器发生故障就会引起变幅系统失去驱动 力而发生臂架下坠的事故 门座起重机变幅系统的事故中 由于减速器的故障 而导致变幅系统发生事故的占很大的部分 3 武汉理工大学硕士学位论文 4 变幅钢丝绳断裂 采用钢丝绳变幅的门座起重机 其变幅钢丝绳受力 工况比较复杂 发生疲劳断裂的几率比较大 如果变幅钢丝绳发生断裂的话 会直接导致起重机臂架的失控坠落 发生事故 钢丝绳变幅单臂架门座起重机的变幅系统发生各种各样的事故后 最常见 的后果就是臂架的失控坠落 导致起吊货物的损坏和臂架结构的损坏 严重情 况下甚至会导致整机的严重变形或倾覆 其中臂架失控坠落的过程是比较复杂 的 要对这个过程进行分析的话 就需要运用理论力学 动力学 机械振动等 多学科的知识 其具体的分析过程在本文后面的部分进行介绍 1 4 论文主要研究工作 如果单臂架起重机变幅系统失控 臂架发生坠落 则会通过变幅钢丝绳带 动变幅卷筒快速旋转 若此时紧急制动没发生作用 卷筒也会通过联轴器带动 变幅减速器的齿轮轴高速旋转 造成轴的转速超速 当超速到达一定程度的时 候就会损坏减速器的轴 甚至造成断轴事故 相反 若是因为某些原因致使变幅减速器高速轴 低速轴或联轴器发生故 障 或者变幅钢丝绳断裂 相应的也会引起臂架的失控坠落 造成财产损失或 人员伤亡 本文主要研究在钢丝绳变幅单臂架起重机变幅系统发生故障而导致 臂架坠落时 臂架与地面发生碰撞后 臂架结构的变形和应力情况 本论文的研究工作主要有以下几方面内容 1 介绍单臂架门座起重机的主要组成部分及其各自的结构特点 主要介 绍了门座起重机的臂架结构和变幅驱动系统 另外以m q 4 5 9 9 为对象介绍其主 要的技术参数以及这种类型的起重机臂架的受力情况和载荷分析 为后面的动 力学分析提供依据 2 分析介绍钢丝绳变幅的单臂架门座起重机变幅系统的事故失效情况类 别 其事故的严重程度决定了所引发后果的损失情况 最严重的情况下会导致 臂架坠落 造成很大的财产损失和人员伤亡 3 运用动力学的知识分析得出起重机的动力学特点 及其动力学相关问 题的研究策略与方法 同时对钢丝绳变幅单臂架门座起重机的臂架系统进行动 力学的分析 在对臂架系统模型进行简化的前提下 建立臂架系统的动力学微 分方程 4 用三维建模软件s o l i d w o r k s 建立臂架的三维模型 然后转换为xt 4 武汉理工大学硕士学位论文 格式的文件在a n s y s l s d y n a 中打开 并经过处理得到可以进行非线性分 析的臂架几何模型 然后在a n s y s l s d y n a 中对几何模型附属性并划分 得到臂架有限元模型 5 对臂架有限元模型进行求解设置 求解臂架在两个不同位置发生事故 开始坠落 并与地面发生碰撞后臂架结构的受应力情况和变形情况等 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章单臂架门机简介及臂架载荷分析 2b 1 单臂架门机的简介 随着中国经济的快速发展及海运业 造船业等的蓬勃发展 露天工作的门 座起重机 高架门座起重机等已广泛应用于港口 水电站工地 建筑工地和造 船厂里 门座起重机的旋转部分的支撑结构基本上都是跨越在火车轨道上 通 常做成门形 以使其下面有一定的通过性 此支撑结构称为门架 门架起重机 也因此而得名 4 单臂架门座起重机的结构一般包含如下构件 臂架 人字架 转台 转柱 门架 或支承圆筒 平衡梁 运行台架等 其中单臂架门座起重机在目前是比 较常见的一种门机结构形式 一般采用钢丝绳变幅形式 齿轮齿条变幅形式或 液压油缸变幅形式等 不同的变幅形式有其各自的优缺点 在实际工程中可以 根据具体的设计要求选择适当的变幅形式 在本文中 主要研究的是钢丝绳变 幅的单臂架门座起重机 2 1 1 臂架结构 臂架是门座起重机的主要构件之一 由于各种门座起重机的作业和使用条 件不同 其臂架的组成方式 结构形式和受力特点都有所不同 单臂架门座起重机的臂架通常采用直臂架 桁架结构的形式 变幅幅度小 的臂架采用整体式 由不同尺寸的无缝钢管焊接而成 变幅幅度大的臂架可以 采用分段式 根据实际需要可以分前后两段或前中后三段这两种不同结构形式 同样由无缝钢管焊接而成 各分段之间的连接采用法兰盘的连接形式 用高强 度螺栓连接固定 桁架结构的单臂架系统自重比较轻 制造成本相对较低 整机的性能却比 较优越 因此是目前较常采用的结构形式 但是其相对于四连杆这样的组合臂 架而言 也有一些缺点和不足 比如说货物的水平位移补偿可能没有组合臂架 控制的好 单臂架长度过长 稳定性比较差 有可能发生屈曲 失稳等现象 臂架在小幅度时 起升钢丝绳垂下长度过长 货物的稳定性不好 易发生偏摆 不利于货物的装卸 6 武汉理工大学硕士学位论文 门座起重机整机高度均很高 而臂架系统总是在整机的上部 因此 臂架 结构设计的优劣 将直接影响整机的性能 如整机重量 整机重心高度和整机 稳定性等 因此臂架结构的合理选型和合理设计是提高结构设计质量的重要环 节 5 1 2 1 2 变幅驱动系统 变幅机构是指在起重机中用来改变幅度的机构 单臂架门座起重机属于回 转类的起重机 它的幅度是指从取物装置的中心线到回转中心线的距离 通过 摆动臂架来改变幅度 变幅机构中的变幅驱动系统是变幅机构中重要的组成部 分 目前比较常见的是绳索滑轮组驱动形式 即我们常说的钢丝绳变幅驱动形 式 6 钢丝绳变幅驱动系统主要包括驱动装置 传动装置 以及安全辅助装置等 其工作原理为通过驱动机构带动钢丝绳牵引臂架摆动 实现起重机的变幅运动 在变幅的过程中 臂架通过仰起来减小幅度的时候 臂架的重心位置高度和吊 重货物的重心位置高度都随着臂架的仰起而升高 这样就增加了变幅时能量的 消耗 为了克服这个缺点 在钢丝绳变幅驱动系统中设计了吊重水平位移补偿 系统 使货物和臂架的重心在变幅过程中可以沿水平线或接近水平线轨迹运动 以减小变幅阻力 降低变幅机构变幅运动中的能耗 从而改善单臂架门座起重 机的工作性能 7 1 目前常见的水平位移补偿系统是通过主起升机构的补偿卷筒实现吊重水平 位移的补偿 其工作原理为 主起升钢丝绳的一端固定在主起升卷筒上 另一 端绕过导向轮及主起升滑轮组后 固定在变幅卷筒上 起重机变幅时 绕在变 幅卷筒上的主起升绳对吊重水平位移起补偿作用 变幅卷筒为双联卷筒 其中 一边为主起升绳和变幅绳共用段 主起升绳和变幅绳分别固定在共用段的两端 起重机变幅是 两绳一收一放 两绳间留2 圈空绳槽 其绕绳系统如图2 1 所 示 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 单臂架钢丝绳变幅起重机常见绕绳系统 2 2f l 术 tm q 4 5 9 9 的技术参数及臂架载荷分析 作为本文研究对象的m q 4 5 9 9 门座起重机是采用圆管桁架式单臂架 钢丝 绳变幅形式 如图2 2 所示 变幅钢丝绳采用双联滑轮组 每组倍率为1 0 相 应采用双联卷筒 主起升钢丝绳采用单联滑轮组 倍率为4 副起升钢丝绳采 用单联滑轮组 倍率为2 变幅过程中 货物近似水平运动 主起升采用卷筒 水平补偿 最大水平落差为2 5 7 m 副起升采用起升滑轮组水平补偿 最大水 平落差为1 5 9 m 2 2 1m q 4 5 9 9 的主要技术参数 m q 4 5 9 9 机型其他的主要技术参数如下所示 1 主起升起重量及工作幅度4 5 t 2 4 3 5 m 2 5 t2 4 6 0 m lo t2 4 9 4 m 副起升起重量及工作幅度 5 t2 7 一9 9 m 2 起升高度6 4m 轨面上 1 4 m 轨面下 3 工作速度 武汉理工大学硕士学位论文 主起升 副起升 变幅 回转 运行 4 工作级别 o 2 1 0m m i n 0 2 2 0m m i n 空钩 o 2 2 0m m i n 1 5m m i n 平均 o 0 3 o 3r m i n 3 3 0m r a i n 起升m 5 变幅m 4 回转m 4 运行m 5 整机a 5 5 轨距 基距1 2 m x l 3 m 6 总轮数 驱动轮数4 8 2 4 7 最大轮压 1 j 醒 b z1 6 锄舢 2 0硼御 盘筐d雹旷 一 7 1 o a n 1 q狮 1 置t 2 图4 1 部分桁架中心线草图 用结构构件的特征建模方式对草图里的桁架中心线附截面尺寸 形成实 2 4 别n 面删眦黼 寸弱的肘脚籼 截 蠹义娥撤舣成射先 而畦首接矩要罴钢撒寸形怕尺圆方面寸厚睁 种次线硎揪饯栅所批 架 架臂 桁的俎给黼嚣 桁 撕铀懒a 篇 武汉理工大学硕士学位论文 寸文件 具体方法为 首先 新建一个s o l i d w o r k s 零件的新文件 在里面创建一个直径为2 3 5 m m 的圆 保存文件 之后 把此文件另存为s l d l f p 格式的文件 存储的文件夹路径为 x s o l i d w o r k sc o r p s o l i d w o r k s d a t a w e l d m e n t p r o f i l e sk i s o p i p e x 为 s o l i d w o r k s 软件在本地电脑上的安装目录盘 然后用同样的方法自定义直径为1 1 5 m m 的圆管截面尺寸文件 定义好两个截面尺寸文件后 用结构构件的特征建模方式分别对两种截面 尺寸的桁架中心线附属性 最后形成的实体圆杆模型如图4 2 所示 图4 2 部分桁架杆实体模型 用结构构件里面的裁剪功能对模型进行裁剪 按步骤 形成的圆杆构件之间互相连接的地方会有相交和重复的部分 使用结构构件里面的裁剪功能 便可以对构件进行裁剪 裁剪掉杆件之间互相 重复相交的地方 并在相交的边界形成相贯线 这样更符合实际情况 也方便 把模型导入a n s y s 后进行有限元模型的划分 用这样的方法 可以一步一步的把整个臂架的三维实体模型建立出来 因 为臂架有些部分是对称的 建完一侧后 可以通过实体镜像功能把建好的一侧 模型镜像到另一侧 节省建模的时间 有些地方的草图可以使用3 d 草图的功 能来建 省去建参考平面的麻烦 最后建立出来的完整的臂架三维实体模型如 图4 3 所示 武汉理工大学硕士学位论文 图4 3 臂架整体完整三维实体模型 最后的实体模型中 有些杆件长度比较长 这样在a n s y s l s d y n a 前处 理里进行处理的时候不易于选择其面 给处理和优化带来困难 因此建成实体 模型后 最后通过分割线的命令 把长度比较长的杆件表面分隔开 2 把建好的模型转存成可以导入a n s y s l s d y n a 的格式 s o l i d w o r k s 跟a n s y s l s d y n a 没有直接的数据接口 经过多次尝试 把 s o l i d w o r k s 里面的模型转存成x t 格式的文件 导入a n s y s l s d y n a 中 得 到的模型比较完整 不会丢失模型的数据 因此 最终是把建好的s o l i d w o r k s 三维模型另存为x t 格式的文件 3 把x t 格式的文件导入a n s y s l s d y n a 打开a n s y s l s d y n a 软件 然后点击菜单栏里f i l e i m p o r t p a r a 导 入臂架模型的x t 格式文件 刚导入的模型是由线框来表示的 通过p l o t c t r l s s t y l e s o l i dm o d e lf a c e t s 然后选n o r m a lf a c e t i n g 最后按鼠标右键选r e p l o t 得到面显示的模型 通过上述操作 得到的面显示的臂架模型 如图4 4 所示 j v 图4 4 臂架儿何模型面显示状态图 武汉理工大学硕士学位论文 4 删除模型里的体 留下面 并删除多余的面 因为在s o l i d w o r k s 里面建的三维模型是实体的 模型导入 a n s y s l s d y n a 中也是实体 而本文只是需要得到实体模型的面 因此 在 s o l i d w o r k s 模型导入a n s y s l s d y n a 后 通过前处理里的命令d e l e t ev o l u m e o n l y 删除模型中的体 留下模型的面 这样得到的臂架面模型中 桁架杆两端的面也会被留下 这些面在实际模 型中是没有的 因此我们要删除这些多余的面 最终得到符合实际情况的模型 5 在a n s y s l s d y n a 中对模型进行修改和优化 通过上一步得到的模型并不能直接划分为有限元模型 因为模型中细桁架 杆跟主桁架杆之间接触的地方 在主桁架杆的面上没有公共相交线 因此这样 直接对模型进行划分后 两桁架杆划分的单元没有共节点 分析计算的时候模 型在此处不能传递应力 模型便得不到正确的分析结果 所以要对模型进行优 化和处理 笔者之前参与项目用a n s y s 软件分析门座起重机圆筒门架 人字架等部 件时 大部分都是用经典单元类型里的s h e l l1 6 3 单元 几何模型一般都是矩形 面 对模型进行优化处理时可以运用布尔运算里的p a r t i t i o n 功能 把完全相交 但是没有公共线的面分割开 分割开后的模型在相交处有公共线后就能正确的 划分 但是本文中的桁架杆式臂架模型 并且其外表面大部分都是圆柱面 同 时面相交的地方不是完全贯穿的相交 因此布尔运算里的p a r t i t i o n 功能在此时 便对模型的优化不起作用 并不能把相交的圆柱面分割开 在尝试了布尔运算里的其他功能都不能解决此问题后 后又经过多次尝试 最终得到了一种可以成功处理臂架模型的方法 使用的方法是布尔运算里面的 d i v i d e a r e ab yl i n e 这一功能 即用线对面进行分割 先选择待分割开的圆柱 面 然后选择跟其接触的另一圆柱面端部的线 选择确定 便能把两个圆柱面 接触的地方分割开 这样两圆柱面在互相接触的地方便有了公共线 在以后网 格划分的过程中就不会出现上文中提到的问题 因为整个臂架模型比较大 使用这种方法对模型进行处理和优化的时候是 分段来进行的 在s o l i d w o r k s 软件里建实体模型的最后 使用了分割线的特征 把桁架杆的面分割开了 这样模型导入a n s y s l s d y n a 之后 也是一个个独 立的面 选取起来就比较方便 分段对模型进行布尔运算的时候 先选择模型 的前视图或上视图 方便对模型面的选取 然后点击d i v i d e a r e ab yl i n e 的命 令 把选取方式设定为框选 框选一段模型里面所有的面 点击a p p l y 确定 武汉理工大学硕士学位论文 再通过框选 选择这一段模型里所有的线 点击a p p l y 确定 便能把此段模型 里所有面接触的地方分割开 使其有公共线 通过此方法 一段一段地对模型进行处理 就能把整个模型处理完 使整 个模型圆柱面相交的地方都分割开 经过这样处理和优化的模型局部如图4 5 所示 arz牡蔑勰222 0 1 2 w 丁yp暑 礅l5 08 49 图4 5 处理优化后臂架模型局部示意图 通过上文所述的五个步骤 便最终得到了在a n s y s l s d y n a 中可以进行 有限元网格划分的几何模型 接下来对几何模型附单元类型 材料属性及实常 数后就能对几何模型划分有限元网格得到有限元模型 4 2 2 划分臂架有限元模型的方法步骤 在得到臂架几何模型后 在a n s y s l s d y n a 中对其划分有限元网格 便 能得到臂架的有限元模型 本文的这 d 节就详细介绍对臂架几何模型选择单 元类型 附材料属性等参数 并对其进行划分的方法和步骤 1 模型单元类型的选择 本文中的臂架模型选择的是用a n s y s l s d y n a 中的s h e l l1 6 3 单元 s h e l l 1 6 3 单元是有4 个节点的空间薄壳单元 在单元面内单点积分 在壳的厚度方 向多点积分 s h e l l1 6 3 单元能比较好地用在大变形 材料失效等非线性的问题 武汉理工大学硕士学位论文 求解 选择和定义s h e l l1 6 3 单元的操作为 g u i m a i nm e n u e l e m e n tt y p e a d d e d i t d e l e t e 在弹出如图4 6 所示的对话框中l s d y n ae x p l i c i t 项目下选 择t h i ns h e l l1 6 3 点击o k 退出此对话框 图4 6 定义单元类型对话框 选择材料类型后回到e l e m e n tt y p e s 对话框 点击o p t i o n s 按钮 进入设定 s h e l l1 6 3 选项的对话框 如图4 7 所示t 图4 7s h e l l16 3 单元选项对话框 其中第一项e l e m e n tf o r m u l a t i o n 单元方程算法 中一共有十多种不同的 算法 其中比较常用的算法及其各自的特点如下 1 b e l y t s c h k o t s a y 算法 这个算法是系统默认的算法 计算速度比较快 推荐在大部分的应用中使用 但是当单元可能有比较大的翘曲时不能选用此算 法 武汉理工大学硕士学位论文 2 b e l y t s c h k o w o n g c h i a n g 算法 这个算法的计算速度大概是 b e l y t s c h k o t s a y 算法速度的7 5 当模型有翘曲的时候一般能得到比较准确的 结果 因此比较适用于分析翘曲问题 3 b e l y t s c h k o l e v i a t h a n 算法 此算法的计算速度比较慢 大概是 b e l y t s c h k o t s a y 算法速度的6 0 并且此算法里包含有自动的物理沙漏控制 4 s rh u g h e s l i u 算法 此算法有4 个积分点 计算的结果没有沙漏现 象 但是计算速度很慢 根据以上各常用的算法的特点和臂架模型非线性分析的需要 笔者在本文 中的分析采用系统默认的b e l y t s c h k o t s a y 算法 单元选项中其他的各项都采用 默认设置 2 模型材料的设定 钢丝绳变幅单臂架门座起重机在变幅系统发生事故后 臂架跌落并与地面 发生碰撞的过程是一个非线性的动态响应过程 臂架结构在与地面发生碰撞后 其臂架材料可能要进入塑性流动阶段 即臂架会发生永久的变形 所以在臂架 坠落碰撞仿真分析中有必要考虑弹塑性材料模型 在a n s y s l s d y n a 中提供的弹塑性的材料模型主要包括下面的三种 1 4 1 各向同性应变率无关的塑性模型 这类模型指的是模型的性质沿各个 方向都是相同的 且模型的设定只要输入几个固定的参数 模型属性与应变率 无关 不用设定应变率曲线 这类模型主要包括经典双线性随动硬化模型 b i l i n e a rk i n e m a t i cm o d e l 经典双线性各项同性硬化模型 b i l i n e a ri s o t r o p i c m o d e l 弹塑性的流体动力模型 h y d r o 2 各向同性应变率相关的塑性模型 这类模型的性质也是各个方向都相 同 模型的属性与应变率相关 需要设定应变率曲线 这类模型主要包括 塑 性随动模型 分段线性模型 幂法则模型等 3 各项异性应变率相关模型 这类模型的性质在不同的方向上是相异的 模型的属性与应变率相关 主要包括横向正交各向异性弹塑性模型 三个参数 的b a l l a t 和l i a n 的平面应力各向异性弹塑性模型等 综合考虑本文中模型非线性计算分析的需要和计算所需花费的时间 最终 采用了经典的双线性随动硬化模型 b i l i n e a rk i n e m a t i cm o d e l 采用这个材料 模型分析的结果能比较好的显示出臂架碰撞后臂架本身的受力情况 得到比较 符合实际情况的结果 本文中m q 4 5 9 9 的臂架模型是由两种类型的无缝钢管焊接而成的 分别为 2 4 5 x 1 0 和 1 2 1 6 其两种管材的材料也不相同 前者为q 4 2 0 c 后者为 武汉理工大学硕士学位论文 q 3 4 5 一c 根据其各自的参数而确定双线性随动硬化模型里的参数 文中臂架模 型在s o l i d w o r k s 软件里面建三维实体模型的时候是以毫米为单位的 但是在模 型转存为x t 格式并导入a n s y s l s d a 后 模型变成了以米为单位 因此 在对臂架模型设置材料属性时 依照单位统一的原则 其各参数也应按照国际 单位米制来确定 a n s y s l s d y n a 程序中设置两种材料模型参数的操作如下 g u i m a i n m e n u p r e p r o c e s s o r m a t e r i a ll i b r a r y m a t e r i a lm o d e l s 弹出的对话框如图4 8 所示 图4 8 材料属性定义对话框 在m a t e r i a lm o d e l sa v a i l a b l e 框中按上图所示依次双击打开l s d y n a 下的 选项 最后双击b i l i n e a rk i n e m a t i c 在弹出的对话框中填入材料模型中各参数 q 4 2 0 c 材料模型的各参数如图4 9 所示 q 3 4 5 c 材料模型的各参数如图4 10 所示 图4 9q 4 2 0 c 材料模型参数定义 武汉理工大学硕士学位论文 图4 1 0q 3 4 5 c 材料模型参数定义 两种材料的前三项参数基本一致 密度 d e n s 参数为7 8 5 0 杨氏模型 e x 参数为2 0 6 e 0 1 l 泊松比 n u x y 为0 3 后面两项参数中 屈服强 度 y i e l ds t r e s s 参数 q 1 4 2 0 c 材料为4 2 0 m p a 即4 2 e 0 0 8 p a q 3 4 5 c 材料 为3 4 5 m p a 即3 4 5 e 0 0 8 p a 另一项参数切向模量 t a n g e n tm o d u l u s 其意 义是指在双线性弹塑性模型中 超过屈服强度后应力应变比值 有的参考资料 称硬化率 q 4 2 0 c 材料此参数为1 1 e 0 1 0 p a q 3 4 5 c 材料此参数为 8 5 e 0 0 9 p a 另外 臂架下坠碰撞的分析需要建立一个模拟地面的刚性平面 此刚性平 面的材料属性可以定义为刚性材料 即r i g i dm a t e r i a l 按上文定义材料模型的 操作 在m a c e r i a lm o d e l sa v a i l a b l e 下双击l s d y n a 在如图4 1 1 的右边框里 双击r i g i dm a t e r i a l 便弹出如图4 1 2 所示的对话框 在其中输入刚性材料的各 参数 就完成了刚性材料的定义 图4 11 定义刚性材料对话框 3 2 曩 武汉理工大学硕士学位论文 1 l i g i r lm l t 蜉i 碡 霉萎 挈黟甍誊醚j 纂融i 孽辩铐i a l 嚣妇b 鼍r3 一一囊 n f i0 薯 一 h 瓠蓦1 龟t io a 覆le 口n 薹悖蔽n tp 毫r i 姐e t 色rl n oe 馘s 糖a t i n t 盖 e o t s l io n a lc 啦s t r a i n t p 牡蛳e t 祥 oe 憋蜒缸n t s j 刊 二 曼巳二 璧型 监k q 目 w目 m 删 m w 一 w w 图4 1 2 刚性材料各参数定义 完成以上的工作就完成了臂架下坠碰撞分析中各材料模型的定义 为几何 模型划分有限元模型做好了准备 3 设置实常数 本文中臂架模型由两种厚度不同的钢管焊接而成 l s d y n a 中臂架几何 模型是都是面组成的 通过确定s h e l l1 6 3 单元的实常数来确定两种钢管的厚度 两种钢管的厚度分别是1 0 毫米和6 毫米 实常数的设置方法为 g u i p r e p r o c e s s o r r e a lc o n s t a n t s 在弹出的对话框中按步骤来建立两组实常数 分 别为s e tl 和s e t2 在两组实常数中分别确定s h e l l1 6 3 的厚度为0 o l 和0 0 0 6 如图4 1 3 所示 幽甾戳蕊蠲幽谜谧涵猫翟缢镒黼篮豳菡警鍪盔溢谥谥甾磁缢谧幽 e l tt 冲tf e f e r e r l c e 耳口l n 蛳t r tt 乃e h r t c en 口 1 s h 盯p t c t r 铷f j 乏夏暑 1 孙9 f7 l c 7s 噍8 f i 一 j l j 骱 fl d t e f t ap 址 肚 蓐 暑 1 鼬 j n f m t 昭黟了 习 池 t 棚el t 1 霞霞覆嚣习 妣曲 tm 1 乱黔醪 1 l i j 二二二一o 一 t m 跏 汕z 豫j 图融脚 2 砭团 眦出 sn 州 霞零零弱瓤妇 匿习 r a 妇 tm t 4 赢夏瑟翥 饿妇一一如t 孙匪 习 l o 二二 k o 能 lc 1 1 1 b l j 鉴 笔璺 璺 图4 1 3s h e l l1 6 3 单元两种实常数定义对话框 4 划分臂架有限元模型 在a n s y s l s d y n a 中选取了单元类型 并完成定义材料模型和实常数 武汉理工大学硕士学位论文 后 就可以对臂架模型进行有限元网格的划分 本文臂架几何模型都是由面组 成的 对模型进行划分也都是对面的划分 划分的方法跟经典a n s y s 中划分 方法一样 在g u i 的操作环境下 打开m e s h t o o l 对话框 路径为p r e p r o c e s s o r m e s h i n g m e s h t o o l 在m e s h t o o l 对话框中 先分别根据实际情况对臂架的不 同部分附单元类型 实常数和材料模型等参数 在s i z ec o n t r o l s 下 设置合理 的g l o b a ls i z e 然后按照如图4 1 4 所示的设置来确定划分方法 对模型进行划 分 j 璃嘲麟黎黧醺荔攀谬i l 删 一 i 搿臻 j 然 誊l 辫臻ji i 1 一 黪赫 誊誊黪i 钳 茹罐 g 硼 e i 鋈壅鹜錾粪i 鋈瞧 誊l 图4 1 4 模型划分方法的设置 为了确保划分的成功 可以分段对臂架模型进行划分 直至臂架几何模型 全部划分完成 最后划分完成的臂架整体有限元模型如图4 1 5 所示 局部详细 视图如图4 1 6 所示 图4 1 5 臂架整体有限元模型图 3 4 武汉理工大学硕士学位论文 图4 1 6 臂架有限元模型的局部详细图 完成臂架主桁架的有限元模型后 需要在此模型基础上添加模型的其他部 分 如臂架后端与人字架或转台连接的销轴孔 耳板等 另外 本文进行的臂 架事故坠落分析 为了节省计算的时间 我们把计算的初始位置定在臂架上端 与地面距离1 米的位置 因为臂架模型建立时是水