50吨吊管机工作装置的强度分析毕业设计说明书.doc

河北工业大学2014届本科毕业设计说明书河 北 工 业 大 学毕业设计说明书(论文) 作 者： 王晶 学 号： 100302 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 50吨吊管机工作装置的强度分析 指导者： 周志革 教 授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2014 年 6 月 7 日毕业设计（论文）中文摘要50吨吊管机工作装置的强度分析摘要： 吊管机作为重要的施工设备，其工作装置的结构强度直接影响工作的安全性。为了工作装置的优化设计和主要受力部件的安全，要求设计人员在进行设计检验时须使用一种准确快捷的方法来进行分析计算。相对于计算量庞大、繁琐且不准确的传统计算方法来讲，有限元分析法为设计人员提供了一种最优的选择。 本论文首先用UG建立结构的三维模型；再用UG自带的有限元分析模块对吊管机最主要的工作装置吊臂进行结构的强度分析；后将模型导入ANSYS进行平行对比的强度分析；最后校核其是否满足要求的结构强度。从而达到提高吊管机工作安全性的目的。关键词： 有限元 结构强度 吊管机 河北工业大学2014届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）外文摘要Title The Strength Analysis of 50 Tons Sideboom Working Device AbstractAs an important construction equipment, structural strength of the sideboom working device affects the safety of the work directly. For optimization design of equipment and the safety of the main stress components, required when designers design inspection must use a kind of accurate and fast method for analysis and calculation. Relative to the large amount of calculation, complicated and inaccurate traditional algorithm, the finite element analysis for the design personnel to provide a best choice. At first, this paper using UG to establish three-dimensional model of the structure; With finite element analysis module of UG with the main work device on sideboom - support for structural strength analysis; After the model into ANSYS analysis of the strength of the parallel comparison; Check it whether meet the requirements of structural strength at last. So as to achieve the aim of improving sideboom work safety.Keywords： finite element structural strength sideboom目 录1 绪论 11.1 引言 11.2 吊管机简介 11.3 有限元的优势 21.4 有限元发展史 31.5有限元在国内外的应用 41.6 本文研究内容及目的42 工作装置三维模型的建立 6 2.1 建模工具UG简介 6 2.2 模型的导入 7 2.3 模型的建立 8 2.4 本章小结 103 UG中有限元模型 11 3.1 有限元模型简化 11 3.2 有限元模型网格划分 13 3.3 边界条件的加载 14 3.4 本章小结 154 ANSYS中有限元模型 16 4.1 有限元分析软件ANSYS Workbench 简介 16 4.2 有限元模型的建立 17 4.3 添加模型材料 19 4.4 网格的划分 19 4.5 添加约束和载荷 21 4.6 本章小结 225 吊臂强度分析结果 23 5.1 UG运算结果 23 5.2 ANSYS运算结果 26 5.3 结果对比及分析 28 5.4 吊臂最远状态下的强度分析 29 5.5 本章小结 31结论 32参考文献 33致谢343河北工业大学2014届本科毕业设计说明书1 绪论1.1 引言吊管机是一种大型的工程机械，工作载荷较大，一般为几十吨甚至上百吨。在这样大的载荷下，其工作装置的强度是否满足要求成为重要的安全因素。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。为了吊管机工作的安全性、工作装置的优化设计和主要受力部件的安全，要求设计人员必须放弃传统的算法来设计校核，转而采用有限元分析来进行快捷准确的计算。有限元分析法是最常用的一种工程分析技术，它可以将复杂的问题简单化，相比于传统算法有很大的优势。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。本课题首先应用三维造型软件（如UG/CATIA）建立主要受力结构（上支臂、下支臂和吊臂）的三维几何模型，然后再使用UG和ANSYS软件进行有限元分析并得出正确结果，以便于指导工程设计。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1.2 吊管机简介DGY系列吊管机是管道施工和石油天然气施工的重要设备，主要是用在大口径管子的对口、布局和下沟作业上。资料给出的GDY-50高驱动底盘吊管机由底盘、液压系统、配重系统、起升系统、摆幅系统五大部分组成。根据履带式吊管机的行业编号标准（JB/T 9725-1999），以DGY-50H 型吊管机为例，“DG”代表“吊管”，“Y”代表液压传动，“50”代表最大额定总起重量（吨），“H”是生产企业对该机型的编号。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。目前，全球主要的吊管机生产制造商为：美国卡特彼勒公司、日本小松、波兰德莱赛公司、中国管道人机械设备有限公司和泰安泰山工程机械股份有限公司。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。工程起重机有薄壁箱型结构或杆系结构的吊臂；转台、底架一般为板架结构【1】。DGY系列吊管机主要采用履带式专用底盘和康明斯发动机，刚性的结构，液力机械传动，加长加宽的履带。工作装置大多采用全液压驱动，主要能实现3个动作：吊臂的摆动；吊钩的起升和降落；配重的起升和降落。吊臂和吊钩分别由两个独立的液压绞车驱动。吊臂是坚固的箱型剖面焊接结构，以低合金高强度钢制成，。吊管机装有的吊钩自动限位装置，吊管机智能监控仪和吊臂自动限位装置能够对吊管机工作装置的工况进行实时监测和控制。此外，DGY吊管机具有快速落钩功能，较好的微动性能。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.3 有限元的优势有限元法的英文名称为Finite Element Method，简称FEM，是力学计算中一种常用而且重要的方法。它是上世纪50年代初期兴起的一种将现代力学，应用数学和计算机应用综合起来利用的边缘化科学【2】。其从其诞生就一直应用在结构应力分析这一层块。随着我国社会主意经济的发展，在汽车、船舶、飞机等复杂机械方面有限元已经成为了一种主要的工程分析方法，十分广泛地应用在静动应力分析，模态分析等方面。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。可以说，现代产品和结构设计的重要工具就是有限元。边界条件不清楚和结构复杂的力学方面问题都可以用有限元法来进行分析计算。有限元的基本思想是将整体的三维模型打散，使其成为有限个单元个体，并相互连接在有一定具体数量的节点上。然后对每一个单元体建立一个简单易解的函数方程，利用方程来模拟单元的物理条件，主要是应力和位移。由单元体的函数方程来建立单元节点处平衡的方程组，再进而集成为整个结构的力学方程组。最后带入已知的约束条件来求解这个集成起来的代数方程组，从而获得结构的应力或位移等数值解【3】。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。采用传统办法来计算受力与结构复杂的系统强度、刚度，或者对它们进行振动等分析，过多的简化假设和精度较差的计算使得设计变的没有意义。而有限元法具有出色的能力来应对这些复杂结构的处理分析【4】。利用有限元软件方面，首先了解待分析的结构，确定边界条件，建立三维模型并通过简化处理建立结构的有限元模型，加载边界条件，再进行运算求解，从而求得应力与位移分布。同时，要提出符合既定的制造工艺要求的改进设计，从而最终确定设计方案【5】。其中，UG自带的有限元分析模块的使用步骤是先将三维模型转换成有限元模型，进行简化，然后进行指定材料，确定约束载荷等前置处理，接着由NASTRAN处理器进行运算求解，最后进行结果处理，可以有资料显示和图片显示等多种结果显示方法。该模块主要具有以下4种优点：鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1、交互操作简便的图形接口。2、功能强大的前置处理：在UG中建立三维模型后，就可以直接在“高级分析”模块中转化为有限元模型，且简化处理很方便，约束载荷类型多样，之后可以直接划分网格。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。3、求解器支持多样化。4、功能强大的后置处理：独立运行的后置处理器可以让操作人员在检查有限元模型的同时处理结果。而结果的图形显示方式可以很直观的帮助操作人员进行判断。并且有动画的方式来反映模型的变化过程【6】。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.4 有限元发展史有限元法是R.Courant在1943年首先提出来的【7】。至今有限元理论及其应用已得到了迅速发展。从二维向三维问题扩展，例如板壳问题；从静力向动力问题扩展，例如疲劳寿命问题；从线性向非线性扩展【2】。由分析校核到优化设计，由单一操作到和CAD技术结合已成为有限元应用的发展趋势。而计算机辅助工程分析（简称CAE）就是以有限体积、有限元、有限差分和无网格方法的数学基础成长起来的软件行业【8】。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。18世纪末出现了现代有限元方法的思想萌芽。欧拉创立了变分法，用类似于现代有限元法来求解轴力杆的平衡。但由于时代的计算工具差，最终以计算量庞大无法求解而告终。A.Hrennikoff在1941年提出了用构架方法来求解弹性力学的理论，当时称为离散元素法，但是这种方法仅能利用杆系来构造模型。1943年，纽约大学Richard Courant教授尝试应用最小位能原理和定义在三角形区域上的分片连续函数相结合来求解St.Venant扭转问题；50年代，美国波音公司采用三结点三角形单元，将矩阵位移法应用到平面问题上【9】。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。有限元概念自被提出以来，其理论与应用便得到了迅速的发展。之前不能解决的或者求解精度差的问题都得到了更加优秀的解决方案。传统的有限元假设是：分析域无限、材料同质、对边界条件简化。而实际问题是往往分析域有限、材料各向异性、边界条件不定等。为解决这类问题，美国学者提出GFEM的理论，来求解分析域内含有大量孔洞特征的问题。比利时学者提出HSM理论，来解决实际开裂问题。印度Mahanty博士对拖拉机前桥的优化设计不但降低了前桥40%的自重，还减少了制造过程中大量的焊接工艺，直接降低了其生产成本【2】。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。我国著名力学家，教育家徐芝纶院士（河海大学教授）首次将有限元法引入我国。他于1974年编著出版了我国第一部关于有限元法的专著弹性力学问题的有限单元法。从此开创了我国有限元应用及发展的历史【9】。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.5 有限元在国内外的应用目前国际市面流行的主要有ABAQUS、ANSYS、NASTRAN、ADINA、COSMOS等CAE分析软件。当今国际上CAE软件最重要的发展趋势是与CAD软件的无缝集成。在这一方面SolidWorks Simulation走在了各CAE软件的前头，与SolidWorks真正意义上的无缝集成大大地提高了其软件的操作实用性和领先性。同时它的简单操作和各类工程问题的优秀处理也很得企业工程师的赞赏【9】。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。有限元在国内的应用十分广泛。自从国内第一个通用有限元程序系统IGFEX的成功研发后，有限元法便成功应用到工程分析的大潮里。国内著名的三峡工程和科技前沿的微米器件都采用有限元进行分析，可以说FEM在我国经具有得天独厚的发展和应用前景【2】。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。国外由于有限元法发展和使用的较早，对汽车的结构分析等方面的技术已经较国内领先较多。70年代，欧美就已经采用有限元进行车架的结构分析，摸拟分析车架动态特性的效果不错【10】。Beermann，H.J提出了利用梁板混合单元对货车车架横纵梁的连接处进行模拟的方法。Kim，H.S等人详细讨论了极限静态载荷下车架的失效表现形式。Ao.Kazuo,Niiyama等人对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进行了详细的介绍【11】。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。目前，国外几家著名公司推出的有限元分析软件，MSC、ANSYS、I-DEARS等在国内得到了较为广泛的接受与应用。MSC公司的有限元软件在热、静、电磁场、流体及其耦合、接触、非线性、碰撞等方面都有独到的处理方法，其中的前后处理软件MSCPATRAN与结构分析软件MSCNASTRAN在机车转向架强度计算与分析中的应用很有独到之处【12】。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。国内从上世纪80年代才开始有限元的研究，起步较晚。虽然多年的发展积累了不少的经验，但由于软硬件水平的限制，利用有限元法来进行结构的设计优化与分析己成为国内亟待解决的问题【10】。目前国内做验证分析比较成熟，用于正向的设计也发展的不错；但国外发展的更完善，应用领域也更多。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。1.6 本文研究内容及目的吊管机主要实现的工作有吊钩的升降，吊臂的摆动和配重的升降。其主要的工作装置吊臂的工作环境十分恶劣，吊臂的结构强度是否满足施工要求变成了一个急待解决的问题。为了GDY-50吊管机工作的安全性、工作装置的优化设计和主要受力部件的安全，本文首先利用UG进行吊臂的三维建模，再利用目前最主流且最具优势的结构分析方法有限元分析法对GDY-50吊管机吊臂的结构强度进行分析计算，校验其是否满足既定要求。其中用到的有限元软件有UG，ANSYS和ABAQUS，由于ABAQUS需要的数据较多且在数据不多的情况下结果和显示不是很理想，本文只论述了UG和ANSYS。得出正确结果，以便指导工程设计，增加吊管机工作的安全性。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2 工作装置三维模型的建立2.1 建模工具UG简介UG全称Unigraphics NX，是Siemens PLM Software公司推出的工程分析解决软件，它把产品的设计加工过程进行了数字化的处理，这样就可以大大的减少操作人员的工作量，节省了大量的时间。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。这是一个设计人员与机器双向交流的系统，它的功能非常强大，对于各种复杂繁琐的造型它可以轻松的实现造型。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。UG最开始主要的用户是工程师们，随着电脑技术的发展和软件的优化处理等，个人电脑上使用UG的用户越来越多，这就大大提升了UG的用户市场，也很大程度上刺激了UG的发展和进步。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。其中UG主要的功能有：1、工业设计首先，UG产生就是为了满足设计人员对于复杂模型的建模。所以，UG在复杂造型方面有不错的表现。这种建模功能为工业设计人员提供了强大的支持并节省了大量的线下工作时间。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2、产品设计在满足工业设计以后，工程师们越来越多的希望辅助软件可以在专业领域的设计方面提供更多的帮助，这就催生了UG在产品设计方面的应用。例如：专业的管路和线路设计系统、钣金模块、焊接模块和其他行业设计所需的专业应用程序。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3、仿真、确认和优化UG功能的强大不仅仅限于它在各种建模方面的应用，也在于它整合了各种仿真软件。例如：有限元分析的NASTRAN。在完成建模以后，UG自己可以完成对该模型的有限元分析，从而节省各种软件来回转换所浪费的时间。但仿真分析的有些方面UG并没有其他的专业软件操作简单，功能也没有别的专业软件丰富。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。4、模具设计UG是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大。Mold Wizard（注塑模向导）是基于NX开发的，它是针对注塑模具设计方面的一个专业的解决方案。模块中配有常用的模具设计功能，用户可以方便的进行设计，也可以按照个人的操作习惯设计属于自己的操作界面，还可以开发出新的模具等。这在很大程度上节省了模具设计时间。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。此外，Mold Wizard（注塑模向导）模块为设计人员提供了一个简单易懂的操作流程，这些流程包括了从实体设计到最终成型的各个阶段。直观形象、简便的操作大大减少了工作时间，还可以轻松完成复杂的模具设计【13】。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2.2 模型的导入首先，打开NX 8.0，新建模型，确定后点击菜单栏“文件”选项，选择导入，在下拉菜单中点击parasolid，从打开的窗口中选择zhengji.X_T文件，确定。完成后即可导入整体的吊管机三维模型。软件默认的背景颜色为渐变浅色，点击菜单栏“首选项”，选择“背景”，在弹出来的窗口中将渐变改为纯色，普通颜色设为白色，单击确定。如图2-1。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。图2-1整体三维模型在导出结构模型后，在UG窗口中选择测量距离按钮，测量各个部件的具体数据，为接下来的建模做准备。2.3 模型的建立打开NX8.0，新建模型，名称输入为“shangzhibi”，单击确定，开始建模。点击插入草图命令，这里选择默认的设置，即选择X-Y平面为草图的基准平面，单击确定。选择视图，定向视图到草图，这时正对着草图基准平面。选择草图工具栏里的矩形命令，单击原点后输入数值，单击空白处确定。再选择“圆”工具，画出四个圆，输入直径。最后选择快速修剪命令，将草图中多余的线去掉，完成草图。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。选择工具栏“拉伸”命令，选中草图曲线，矢量为ZC方向，开始距离值55mm，单击确定。完成上支臂的三维建模。如图2-2。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。图2-2上支臂三维模型建立下支臂建模时先拉伸底面平板，再以平板左面为草图基准面，画出草图后拉伸弯杆。具体步骤为：新建基准平面，选择按某一距离，选择第二次拉伸的草图平面，距离输入575.5mm，单击确定，即建立一个基准面。选择插入，关联复制，镜像体命令。选择好体和镜像平面后确定，产生平板左侧结构的镜像体。然后在建立的基准面上画一个草图，外径57mm，内径50mm，约束好位置后拉伸，-XC方向，开始值-575.5mm，结束值575.5mm，单击确定。调整边倒圆为半径30mm，完成下支臂的建模。如图2-3。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。图2-3下支臂三维模型建立吊臂建模时先建立各个部件的三维模型，再通过装配约束将各个部件连接在一起，组成整体的吊臂模型。装配具体步骤如下：打开UG，新建装配，确定后即系统提示添加部件。选择窗口中打开命令，选中优先装配的几个部件，单击确定。坐标可以选择默认值，确定。这时几个部件处在原点处，且相互嵌插。右击要移动的部件，选择移动命令。拖动移动坐标的箭头和弧形可以相应移动部件的空间位置。移动到大概位置后选择装配工具条里约束按钮，相应选择接触对齐、平行、胶合等约束将各个部件连结成一整体。装配好后再选择装配条里的添加按钮，循环上一步骤。显示约束的装配图如图2-4。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。图2-4吊臂三维模型建立2.3 本章小结本章首先是建模工具UG的简介，介绍了UG建模的优势和主要功能。随后导入整机三维模型，将三个部件导出后进行数据测量，详细记录数据后开始结构三维模型的建立。三维建模这一步骤十分关键，直接影响后续的网格划分和结果的正确性。充分做好建模工作后开始进行有限元分析步骤。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3 UG中有限元模型3.1 有限元模型简化在前期的学习准备中进行了上下支臂的有限元分析，过程很简单且内容与接下来的吊臂分析步骤有重叠，这里不再赘述。谚辞調担鈧谄动禪泻類。模型结构复杂，有缺陷面和小细缝等都会导致后续网格划分的失败或者网格划分成功后结果不能显示等问题，所以需要进行有限元模型简化。有限元模型简化是一个不断尝试和需要经验的过程。首先去掉对模型应力影响不大的结构或特征，检查模型细微处是否有瑕疵。修剪好模型后，用工具栏求和命令将部件进行整体求和。这里有一个小技巧，在装配状态下不能进行求和或者模型的修剪。需要进行插入，关联复制，提升体命令，选择所有部件，单击应用。这样就可以对模型进行修剪、求和、删除面、填补缝隙等操作了。如图3-1，3-2。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。图3-1修剪部分图3-2填补缝隙部分通过UG的拉伸求差命令将多余部分修剪掉；通过投影，拉伸等功能将问题处的空隙填补上，再经过工具栏的求和命令求和成一个整体。在进行网格划分时还是由于结构复杂，电脑卡机，网格划分失败。再次经过拉伸求差、删除圆角面、抑制部分部件、改变部分部件形状等操作将吊臂进行简化，去除了一些对结构力学性能影响不大的零件等，最后简化模型如图3-3：熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。图3-3简化后吊臂模型3.2 有限元模型网格划分点击“开始”，“高级仿真”，右击仿真导航器里部件名称，选择“新建FEM和仿真”选项。两个“确定”后右击仿真文件视图里fem为后缀的文件，选择“设为显示部件”。后指定材料“Steel-Rolled”，再进行网格划分。选择“3D四面体网格”，单元大小为20mm。网格划分成功后如下图所示：鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。图3-4有限元网格划分局部图1图3-5有限元模型网格划分局部图23.3 边界条件的加载在仿真文件视图窗口里右击sim后缀文件，设为显示部件。打开约束窗口，约束类型选择“固定约束”，具体操作如图：纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。图3-6加载约束然后载荷类型选择“力”，根据算出的数据分三次加载，如图：图3-7加载载荷3.4本章小结本章先是进行一些列操作对模型进行简化处理，处理完成后进行高级仿真里的网格划分。简化处理和网格划分是一个循环反馈的过程。网格划分成功后进行的是边界条件的加载，主要是约束和载荷。其中载荷的具体数据会在后面的表格里详细列出。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。4 ANSYS中有限元模型4.1 有限元分析软件ANSYS Workbench 简介目前，国内有限元软件已经存在很多。用程序直接分析计算即可，不需要操作人员具备很强的专业知识，不必要对有限元理论有多深的理解，只需要按软件步骤操作即可得到想要的结果，这也是现代软件的一个“专业傻瓜型”的趋势。前面讲过，当今市面上主流的有限元分析软件包括：ANSYS(美国ANSYS公司)、ABAQUS(美国HKS公司)、NASTRAN、MARK（美国MSC公司）、I-DEAS(美国SDRC公司)、ADINA（美国ADINA公司）等。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。而Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，主要是为了解决企业产品研发过程中分析软件的异构问题。Workbench是专门为重新组合ANSYS组件而设计的专用平台。用户可以根据自己的操作习惯和技术流程图的提示进行自我设计，并集成为具有自主知识产权的技术，形成既能够充分满足自身的分析需求又能充分融入产品研发流程的仿真体系。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。本课题“50吨吊管机工作装置的强度分析”主要分析的是吊臂在两种极限状态（吊臂摆动范围最大和最小）下的强度分析。涉及到的是静力分析，主要应用到ansys systems中的Static Structural。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。图4-1 Static StructuralStatic Structure的基本分析步骤为：.确定分析类型（静态，模态等）、构建模型、确定单元类型等。.导入几何模型，简化模型，指定材料特性，网络划分，施加边界条件，设置要求结果。.求解模型，对模型开始求解。.后处理，包括结果检查，求解合理性检查等【14】。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。图4-2 ANSYS工具栏工作栏主要包括四部分：Analysis Systems：可以直接在项目中使用预先定义好的模板。Component Systems：建立、扩展分析系统的各种应用程序。Custom Systems：应用于耦合（FSI，热应力等）分析的预先定义好的模板。用户也可以创建自己的预定义系统。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。Design Exploration：参数管理和优化工具【15】。4.2 有限元模型的建立由于ANSYS的有限元分析这一块做的比UG好，在网格划分和运算方面要超出UG，所以初期做的ANSYS的模型简化处理过程很简单，模型较接近原有状态。这里为了平行对比校核，采用一样的简化模型。将UG中的简化模型另存为igs格式的文件就可以导入ANSYS中了。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。右击分析流程图的Geometry选项，在下级菜单里选择Import Geometry，再选择Browse，选择保存的igs格式文件打开，导入模型。如图：仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。图4-3导入模型步骤然后再点击4-3图中绿色DM选项，在打开的窗口里单击左上部分的Generate按钮。如果显示的模型不是一个part而是多个，单击Create，选择Boolean选项。再选中所有part，点击Generate按钮即可形成一个Solid，即生成求和后吊臂的模型。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。图4-4 ANSYS模型4.3 添加模型材料双击Engineering Date，进入界面之后单击（click here to add new material）添加新的材料Q235。之后单击下面的窗口或者按Enter键添加材料属性。双击窗口左侧工具箱中的Physical Properties下的Density、Linear Elastic下的Isotropic Elasitidy和Strength下的Compressive Yield Strength。添加属性：弹性模量E 200000MPa、泊松比0.3、密度7.85g/cm3、屈服极限235MPa。如图所示：骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。图4-5添加材料属性4.4 网格的划分双击Modle进入Mechanical界面，单击左侧的Molel，Geometry，Solid。图4-6改变结构材料为Q235然后单击左侧的Mesh，在左下方Physics Performance里面选择Mechanical。然后单击Sizing，设定网格尺寸为20mm。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。图4-7定义网格属性然后右击左侧mesh，选择Generate Mesh，进行网格的划分。图4-8 Ansys网格划分效果1图4-9 Ansys网格划分效果24.5 添加约束和载荷单击左侧的Static Structural选项，选择Environment工具栏Supports中的Fixed Support选项。选择要固定的面，单击Apply为模型添加固定约束。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。图4-10添加固定约束然后，单击Environment工具栏Loads中的Force，再选择力施加的面单击Apply分4次为模型施加力。使Define By定义为Components，填入各方向上的力值大小。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。图4-11 添加载荷4.6 本章小结本章主要是在Ansys中尽量建立与UG中有限元分析平行的材料、网格划分、约束、载荷等条件。接下来是结果运算，运算结果会在第五章中写出，和UG中的结果进行对比。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。5 吊臂强度分析结果5.1 UG运算结果运算完成后选择左侧后处理导航器，右击导入结果。点击选项可以查看相应的分析结果。分析过程的具体数据由下列表格给出。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。表5-1材料属性材料名材料类别材料类型 Steel-Rolled METAL各向同性类别 METAL 质量密度 (RHO) 7.85e-006 kg/mm3 杨氏模量 (E) 2.06e+008 mN/mm2(kPa) 泊松比 (NU) 0.3 应力-应变 (H) Stress-Strain (H): (默认值: 450000 mN/mm2(kPa) 初始屈服点 (LIMIT1) 235000 mN/mm2(kPa) 屈服强度 235000 mN/mm2(kPa) 极限抗拉强度 340000 mN/mm2(kPa) 加工硬化 0.22 成形极限 Forming Limit: (默认值: 0.411154) 塑性应变比 1.88 初始应变 0.02 mm/mm 硬化指数 0.22 强度系数 686.766 N/mm2(MPa) R0 2.3 R45 2.8 R90 3.1 热膨胀系数 (A) 1.728e-005 1/C 导热系数 (K) 14000 mW/mm-C 比热 (CP) 4.34e+008 microJ/kg-K 表5-2单元和节点总数部件中的单元总数412709部件中的节点总数815379表5-3载荷Force(1)类型Force - Magnitude and direction力250000 N力的方向(-0.000000, -1.000000, -0.000000)方法几何分布Force(2)类型Force - Magnitude and direction力25750 N力的方向(-0.000000, -1.000000, -0.000000)方法几何分布Force(3)类型Force - Magnitude and direction力19800 N力的方向(-0.000000, -0.000000, -1.000000)方法几何分布接下来是UG的结果云图。图5-1总变形量1图5-2总变形量2由于吊臂整体尺寸较大，如果全部显示出来会没有色彩，所以这里分两张图显示出来。虽然有这个缺点，但是UG中的最大最小值标记功能很实用方便。可以看到，结果中最大变形量为54.86mm，最小变形量为0。位置分别在途图中标注。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。图5-3应力图1图5-4应力图2由应力云图可以清晰地看出：吊臂的最大应力为213.01MPa，最小应力为0.02MPa，且位置一目了然。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。5.2 ANSYS运算结果右击在Mechanical窗口左侧的Solution，选择插入Total Deformation和Equivalent Stress两个结果选项。再右击Solution，选择Solve命令，即可得出运算结果。点击各个选项就可以观察相应的运算结果图。ANSYS结果图较UG整体显示方面好，可以一眼就看到全部。而且颜色较重，便于快速查看。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。图5-5总变形量图5-6应力强度图5-7等效应力5.3 结果对比及分析由两软件的输出结果来看相差很小：UG中位移为54.86mm，应力为213.01MPa；ANSYS中位移为54.367mm，应力强度为212.43MPa。网上资料说两者差距在10%以内属于正常，可以接受。由图可以看出，吊臂整体受力比较均匀，最大位移量近似为55mm，出现在图5-5的红色部位。最大应力为213MPa，同样出现在吊臂顶部图5-5红色部位，小于Q235材料的屈服极限235MPa，结构是安全的。但在吊臂图5-3最大应力标识处出现应力集中（这里为避免分歧以UG结果为准），原模型中在最大应力出现点的位置有一个小的加强强度的结构，避免了结构失效。如图：鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。图5-8加强强度的结构5.4 吊臂最远状态下的强度分析上面做的是吊臂处于最近状态的分析，即起重最大的时刻。这里所要分析的是吊臂最远、起重最小的状态。由于UG8.0网格划分和运算时经常卡机，这里采用ANSYS做分析，结果如图：稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。图5-9模型的边界条件加载图5-10总变形量图5-11应力强度图5-12等效应力由结果图可以看出，应力分布在下部MAX处有应力集中，最大应力为73.725MPa，远小于235MPa。而变形量也小很多，为18.187mm。可以得出结论：此种工况吊管机吊臂是安全的。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。5.5 本章小结本章首先对比了UG和ANSYS的分析结果，对吊臂处于离机身最近工作状态下吊臂的变形量和应力做出了分析图，通过平行比对大致确定了数据的正确性和准确性。随后进行了吊臂最远状态的ANSYS分析，并得出结果。通过对结果的分析得出结论：结构是安全的，设计是合理的。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。结 论论文结合题目以吊管机简介起，介绍强度分析方法有限元的优势，接着介绍了有限元的发展史和在国内外的应用。本次毕设首先通过UG建立要分析结构的三维模型，然后用UG自带的有限元分析模块进行结构的强度分析。其中包括有限元模型的简化及建立、指定材料、网格划分、加载约束和载荷，结果运算和结果分析等。同时在第四章辅助以ANSYS进行平行对比的模型处理分析，加强了运算结果的可信度，在一定程度上说明了在UG中进行的有限元分析过程的正确性。通过最后结果的分析得知，结构的最大应力值213MPa小于Q235的屈服极限235MPa，而且有可接受的安全系数n=s/=235/213=1.1；变形量方面来说，虽然55mm的变形有点大，但主要是累积变形，且相对于长度将近10米的吊臂（并结合工况）来讲是可以接受的。综上所述：此吊臂结构的设计是合理安全的，强度满足使用要求。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。本次毕设还有很多地方做的不是很尽如人意，还有待提高。比如我们只考虑