塔机平衡臂有限元分析

1、牟晋勇机械 0852007071275一、实验目的：综合训练和培养学生利用有限元技术进行机械系统分析和设计的能力，独立解决本专业方向实际问题的能力；增强对 an sys软件的认识和操作能力；进一步提高学生创新设计、动 手操作能力，为将来所从事的机械设计打下坚实的基础。二、实验环境1硬件：方正计算机1台2软件：CAE软件ANSYS三、实验内容（任务及要求）：主要训练学生对机械结构问题分析规划的能力，能正确利用有限元分析软件ANSYS建立结构的有限元模型，合理定义单元、分析系统约束环境，正确加 载求解，能够提取系统分析结果。通过实验分析使学生了解和掌握有限元技术辅 助机械系统设计和分析的特点，推动

2、学生进行创新设计。本组数据：数据项学生2a(m)12P(N)1.99e5N2.3e4N1500N左端集度（N/m）0右端集度q°（N/m）1000弹性模量（GPa）200帕松比0.3截面积0.000314抗弯惯性矩0.020833截面咼度0.4m四、实验步骤:（一）问题分析:塔机平衡臂主要载荷包括：平衡臂的自重，风载荷，平衡重，起升机构，电 机重。结构为背向两槽钢用角钢焊接，上表面有拉杆的一个立体机构。因此，将 实验模型简化为槽钢与角钢搭接，拉杆与槽钢上表面耦合的结构。( 二)实验过程：1) 设置计算类型：ANSYS Main Menu: Preferences select Str

3、uctural (结构分析) OK2) 选择单元类型ANSYS Main Menu: PreprocessorElement Type Add/Edit/Delete Add select shell63 applyselect link 1 OKClose real con sta nadd shell63定义厚度 set1 为 0.0105 ok同理定义厚度 set2为 0.018, set3为 0.01 adc link1 定义拉杆截面积set4为0.0003143) 定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material

4、Models Structural Linear ElasticIsotropicinput EX:2.06 e11, PRXY:0.3 OK Preprocessor Material Props Material Models Structural Densityinput 7850 OK4) 生成几何模型(A) 生成槽钢生成特征点： Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS依次输入坐标值(-0.32,0,0) (-0.42,0,0) (-0.42,0.4,0) (-0.32,0.4,0) (0.32,0,

5、0)(0.42,0,0)(0.42,0.4,0)(0.32,0.4,0)(0,0,0)(0,0,12)生成线：Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines 依次连接( -0.32,0,0) (-0.42,0,0) (-0.42,0.4,0) (-0.32,0.4,0)；同样依次连接相 邻点(0.32,0,0) (0.42,0,0) (0.42,0.4,0) (0.32,0.4, 0)再次连接( 0,0,0)(0,0,12) 拉伸成面：PreprocessorModeling operateextrude l

6、inesabout lines选择 槽钢型线apply选择(0,0,0) (0,0,12)形成的线OK，将槽钢拉伸完成(B) 生成角钢：生成特征点： Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS依次输入坐标值(-0.34,0.4, 0) (-0.40, 0.4,0.07) (-0.40,0.5, 0.07)(-0.34,0.4,0.84) ， (0.34,0， 0) (0.40,0,0) (0.40,0， 0.07) (-0.34,-0.1,0.07) (-0.34,-0,0.84)生成线：依次连接( -0.34,

7、0.4, 0) (-0.40, 0.4,0.07) (-0.40,0.5, 0.07) 0.34,0, 0) (0.40,0,0)(0.40,0,0.07)(-0.34,-0.1,0.07)拉伸成面：PreprocessorModeling operateextrude linesabout lines选择 (-0.34,0.4,0.84) (-0.34,0.4, 0)和(0.34,0, 0) (-0.34,-0,0.84)形成的线 apply选择( 0.42,0.4,0.14)(-0.35,0.4,0.91)形成的线 OK复制生成其他角钢：PreprocessorModeli ng copy

8、 areas选中要移动的角钢 ok dz 输入 1.9 OK同理：生成特征点： Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS依次输入坐标值( 0.34,0.4,0.86) ( 0.340,0.4,0.93) (0.34,0.5,0.86)(-0.34,0.4,1.7) (-0.34,0.4,0.86) (-0.340,0.4,0.93) (-0.34,0.5,0.86) (0.34,0.4,1.7) 生成线： Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines lines S

9、traight lines 依次连接( 0.34,0.4,0.86) ( 0.340,0.4,0.93)( 0.34,0.5,0.86) (-0.34,0.4,0.86) (-0.340,0.4,0.93) (-0.34,0.5,0.86)拉伸成面：Preprocessor Modeli ngoperate extrude lin esabout lines将角钢拉伸完成。复制生成其他角钢：PreprocessorModeli ng copy areas选中要移动的角钢 f ok dz 输入 1.88 ok(C) 创建拉杆：生成点： Main Menu: Preprocessor Modeli

10、ng Create Keypoints In Active CS依次输入(0,290) (0.35,0.4,8.5) (-0.35,0.4,8.5)生成线：Ma in Menu: Preprocessor Modeli ng Create lin esStraight lin es依 次连接)(0.35,0.4,8.5)(-0.35,0.4,8.5)5) 将角钢和槽钢搭接：Main Menu: Preprocessor Modeling operatebooleansoverlapareaspick allOK6) 拉杆与槽钢耦合前先建立硬点： Main Menu: Preprocessor

11、Modeling Create Keypo in ts hardpo int on area hard pt by coordi nate选择建立硬点的面 ok 输入( 0.35,0.4,8.5)同理在点( -0.35,0.4,8.5)建立硬点。7) 网格划分ANSYS Main Menu: PreprocessorMeshing Mesh tool arease选择槽 钢的上下表面OK在对话框中选择1 okarea se选择槽钢的上下表面 ok对话框中输入0.2 ok mesh选择槽钢的侧表面 OK 同理划分腹板和角钢8) 将拉杆跟槽钢耦合：Main Menu: Preprocesso co

12、uplingcouple DOFs选择硬点ok选择 node点 选择全约束( all)ok9) 模型施加约束：施加平衡臂的全约束：main Menu: solution define loadsapply Structural Displacemen on line选择约束线ux ok。同理施加除z轴旋转的弯矩。 在(0,2.4,13)点施加全约束： main Menu: solutiondefine loadsapply Structural Displacemenon keypoints选择点(0,2.9,0)选择全约束ok 施加载荷： main Menu: solutiondefine

13、loadsapply Structural forceon keypoints( 0.34,0.4,11) (-0.34,0.4,11) ok y方向施加-72030。同理，在(0.34,0.4,10) (-0.34,0.4,10)施加 y方向-11270,在(0.34,0.4,7) (-0.34,0.4,7) 施 加y方向-18886.510)施加风载荷： Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次输入坐标值(0.42,0.2,10 (0.42,0.2,7)main Menu: solutiondefin

14、e loadsapply Structural forceon keypoints (0.42,0.2,10) OK FX-4410 OK ;同理在(0.42,0.2,7)施加-690N 的力 定义重力加速度和风载荷：main Menu: solutiondefine loadsapply Structural inertialgravitygloble acelx 0.454， acely9.8ok11 )后处理：main Menu: solutionsolvecurrent LSOK12)定义力：General postprocelement table define tableaddus

15、er able for iterm TXby sequence numsmiscsmisc1applyuser able for iterm TYby sequence num smisc smisc2 apply依次定义 TXY , MX , MY , MXY user able for itermSTRESS1 f by sequenee numnmiscl apply依次定义 STRESS2 , STRESS3 f ok closeTX图：General postprof element tables plot element tables iterm to be ploted tx f

16、 ok TY 图选择 ty TXY 图：txy MX 图：mx MY 图：my MXY 图：mxy PSTRESS1 图：NMSIC,1PSTRESS2图：NMSIC,2PSTRESS3图：NMSIC,3TX图TY图TXY图爭若T -MX图MXY图PSTRESS1图 LMliF3iaM.3 AfllaiHIl*i',lliMiPSTRESS2图PSTRESS3图变形图：General postprob Plot result Deformed shape-Select Def+Underformed两约束点的受力情况：General Postproc-List Results-Reac

17、tion Solu-Select All items-OKPRlNr BEftCll«N SOLUTIONS FEM NODE* POS71 TCTOL REACT!CH SOUITTOM LISTING *TIME=1.0600SUBSIEP=1LOAE CrtSE= 0rs押X抖屮HZ12G2 .773807.£615731A4為71,649Tim.t-23.493-6.52472E-011934-455.83-».8?2615 S3 .2-23-56341.1025SE-01Zinn加.vnn. rmtwVi.VMVmEJ.WWTOTftL VALUES73

18、3.3S179GS.B.59319E-e7-114.32-0.Z304Jfc-dlTHE FOLLOVIHG 陷Y比 SOLUTIOMSARE IN THE GLOBAL GQORDIHATE SVSTEtl（三）对比结果（误差分析）：ansys软件所得数值与原来计算结果存在差别，但力最大点，弯矩最大点，扭矩最大点均在同一处，与实际情况相符。通过截图的颜色可以看出，平衡臂回转惯性力最大值点以及风载荷加载在臂架上的力转矩最大值点在同一处，即在约束点处。在起升平面内弯矩及剪力最大值点在拉杆与臂架的结合处。数值存在误差主要原因是在计算时，将平衡臂简化了，而用软件进行仿真时则是应用实际模型进行仿真，与计算数据相比较，数据更真实。五、实验总结加深了对有限元的理解，熟悉了 ansys的操作指令，练习ANSYS软件解决问题的步骤， 熟悉自底向上建模和自顶向下建模的各种命令，练习布尔操作，练习网格划分，练习加载求解和通用后处理，收获很大。掌握了原理，明白了an sys软件的操作。现在感觉比刚开始学习有限元的时候还是懂了许多内容，随着时间的推移，积累的东西多了也会有不同的