基于参数化的动臂式塔机有限元分析系统的研发_图文

1、第 3期 (总第 154期 2009年 6月 机 械 工 程 与 自 动 化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o. 3Jun.文章编号 :1672-6413(2009 03-0017-03基于参数化的动臂式塔机有限元分析系统的研发朱斌 1, 亓秀梅 1, 高崇仁 2(1. 太原理工大学 机械工程学院 , 山西太原 030024; 2. 太原 科技大学 机电工程学院 , 山西太原 030024 摘 要 :针对动臂式塔机在有限元分析过程中建模工作量大的问题 , 将参数化思想引入有限 元分析过程中 , 采用 有 限元参数化

2、分析文本自动生成技术 , 以通用 编程语言为基础编制程序 , 根据输入参数自 动生成有限元建模分 析 所需的数据文件 , 进行结构建模与分析 , 并以计算分析实例说明方法的可行性。 关 键词 :参 数化 ; 动 臂式塔机 ; 有限元分析系统 中 图分类号 :T H213. 3文献标识码 :A收稿日期 :2008-10-21; 修回日期 :2009-02-14, 0引言已有的动臂式塔机有限元的研究对象都是针对某 种具体型号塔机或者塔机的某个部件 , 而且从模型的 处理上存在着较大的差别。本文在对动臂式塔机有限 元 模型论 证的基础 上 , 开发了 基于 Visual Basic 和 SAP5接口

3、的高效率动臂式塔机有限元分析系统 , 工 程技术人员只需具有一定的塔机设计经验 , 就可使用 该系统进行动臂式塔机参数化设计与有限元分析 , 从 而能够减少动臂式塔机研究与设计的工作量 , 提高设 计效率。1参数化动臂式塔机有限元分析系统程序的实现 1. 1系统程序实现的目标考虑到动臂式塔机结构和受力复杂 , 结构、 载荷、 材料参数类型和数量较多 , 这里采用 Visual Basic 对 SAP5结构分析程序进行封装 , 即用 Visual Basic 对 SAP5结构分析程序进行二次开发 , 用户只需输入动 臂式塔机起重臂、塔身、平衡等机构的尺寸、材料性 能和载荷参数 , 系统就能自动生

4、成建模和分析所需要 的数据文件 , 然后调用有限元计算程序 , 求解并输出 结果数据文件。 结果数据文件可在后处理程序中处理 , 便于用户查看动臂式塔机有限元计算的内力、应力及 变形等计算结果 , 并得出应力、应变图。即使未认真 学习过有限元软件的工程设计人员也能很好地借助本 系统进行动臂式塔机结构的有限元分析 , 具有较强的 处理实际问题的能力。 1. 2系统设计框图系统设计以方便、 易用、 可靠为原则。 根据 塔式 起重机设计规范 设计参数化程序 , 确定计算工况 , 选取相应参数 (包括选取弦杆、 拉杆和缀条的横截面 , 建 立材料的基本特性和节点 , 并用相应单元 (包括选材料、 横截

5、面和单元形式 将各个节点连接起来 , 自动生成动 臂式塔机的有限元模型。系统总体结构框图见图 1。 2系统模块开发 2. 1前处理部分 2. 1. 1参数化建模本 文采用 GUI (Graphics U ser's Interface, 用 户 图 形 界 面 技 术 及 OOP (Object Oriented Pro gram ming , 面向对象的程序设计 技术进行软件系 统的开发 , 对塔身、平衡臂及臂架的结构尺寸和相关 信息进行参数化 , 并以丰富的图形元素帮助用户理解 各类参数的含义 , 用户只需根据实际情况在图形界面 上进行简单的选择和参数输入 , 即可完成建模工作。在

6、图 2塔机基本参数设定对话框中 , 可以确定塔 机基本构件的质量及几何位置等参数。在面向对象的 设定对话框中 , 可选择塔机臂架弦杆、腹杆的截面形 式并输入相应的截面尺寸 , 确定动臂式塔机整机载荷 和边界条件。 动臂式塔机有限元分析系统支持圆钢、 圆 管、 方钢、 方管、工字钢、角钢、 槽钢等 12种弦杆截 面形式。用户在完成所需参数的输入后 , 由系统生成 用于有限元分析的数据文件 , 用户可根据由数据文件 生成的三维有限元模型 (见图 3 来检验数据文件的正 确性。2. 1. 2模型中的载荷加载处理系统对于所受的载荷主要是按照 塔式起重机设 计规范来处理的 , 塔机的载荷主要包括吊重、自

7、重 载荷、风载荷、冲击载荷、惯性载荷。界面参数输入冲击载荷系数 (包括吊重冲击系数 51、 载荷动载系数52和运行冲击系数 53 、风压 p w 和风力系数 C w , 考虑 了垂直、 水平方向及它们的载荷组合情况 ; 起升机构、 平衡重及其他部件采用力的等效原理来处理 , 即把它 们的作用效果通过力学等效的方式按其相应工况处理成节点集中力 ; 臂架自重采用单元载荷因子 , 由程序 处理成节点力 ; 风载荷考虑了各构件前后挡风折减系 数等影响 ; 臂架回转时各点的惯性力近似地认为相同 , 由用户根据实际情况选择 , 程序自动加载。图 1 动臂式塔机有限元分析系统总体结构框图图 2塔机基本参数

8、设定对话框2. 1. 3有限元计算输入数据文件的建立有限元计算所需的输入参数要求严格 , 主要包括 5大部分 :控制参数、 节点信息、 单元信息、 材料信息、 载荷信息。这些信息由计算机从前程序生成的文件中 读取并生成相应的输出文件 , 按梁单元、桁架单元的 不同要求产生相应的控制参数。其程序框图见图 4。 2. 2执行有限元分析程序导入生成的数据文件执行有限元分析程序 , 通过 选择操作和输入相应的命令和参数 , 计算、分析动臂 度情况 , 同时输出结果到指定的数据文件中。 2. 3后处理有限元计算结果文件主要包括 :结构控制参数 , 节 点、 单元、 载荷信息列表 , 节点位移 , 单元力

9、 , 应力 , 应变 , 单元固端力。后置处理程序对结果数据文件进 行读取、判断 , 其文件显示通过菜单形式来实现。后 处理技术就是通过一定的方法 , 如绘制应力图、变形 图等 , 使计算结果可视化。图 3塔机的三维有限元模型3系统应用实例18 机 械 工 程 与 自 动 化 2009年第 3期析系统在动臂塔机上的具体应用 , 选取一种工况 , 详 见表 1。在此工况下 , 动臂变幅即起重机的工作半径是取 物装置中心铅垂线与塔机回转中心线的距离 , 在此为 12m , 俯仰变幅角度为 60o , 由本系统建立出的有限元 结构模型如图 3所示 , 此模型包括 521个节点、 780个 单元 ,

10、并解出此工况下的应力、位移、支反力和单元 力的值 , 分别见表 2和表 3。 由应力计算的结果可以看 出 , 最大应力出现在拉杆与臂架连接处和臂架与塔身 连接处 , 与实际相符。组合应力 R 1、 R 2、 R 3、 R 4分别指计算应力 P /A +M 2/S 2、 P /A -M 2/S 2、 P /A +M 3/S 3、 P /A -M 3/S 3, P 、 A 分别是指单元轴向力和截面积 , M 2、 M 3分别指 单元固定端的扭矩值、弯矩值 , S 2、 S 3分别指单元的 抗扭、抗弯截面系数。另为方便用户查询 , 对计算结 果运用了图形和数据查看的方式进行查询。对于塔机 杆件的变形

11、和应力分布采用云图来显示 , 如图 5、 图 6所示。另为用户方便 , 有限元分析系统还输出了包括 基本参数、结构形式及数据计算结果的设计计算说明 书。图 4数据文件形成程序框图表 1工况表工况 变幅 (m 吊重质量 (kg 水平风载荷 (N 变幅惯性力 (N 1124250982450表 2最大变形节点及其变形节点 X 方向位移mm Y 方向位移mm Z 方向位移mm X 方向转角radY 方向转角r ad Z 方向转角rad134-18. 505222. 0603-22. 58110. 01063280. 01294980. 009260962700. 3222270. 037166224

12、7. 225-0. 001125270. 1241529. 90484×10 -527233. 9506-0. 885456 -1. 17774-803. 345-0. 0001853940. 0428336-1. 38366×10-5表 3最大应力单元 所受的应力M P a单元 组合应力 R 1组合应力 R 2组合应力 R 3组合应力 R 4455-83. 6369. 41-192. 816. 5548278. 2-66. 0383. 47-95. 64488-52. 59-52. 59-52. 59-52. 59图 5动臂式塔机变形图4结论基于参数化编程的动臂式塔机有限

13、元分析系统的 应用使得动臂式塔机的有限元分析方便快捷 , 进行有限 元分析时不需要重复建模。 用户通过使用此动臂式塔机 有限元分析系统可以对不同材料、 不同设计方案的分析 , 图 6动臂式塔机应力分布图参考文献 :1高 崇仁 , 任会礼 , 张红 丽 . 塔 机附着 装置的 有限元分 析计算 J . 建筑机械化 , 2006(4 :45-46.2 任会礼 . 基于 A NSY S 的有 限元参 数化 分析及 工程 设计选优 D.太原 :太原科 技大学 , 2004:52-54.3鲜 飞军 . 一 种具有友 好用户 界面的 专用有 限元软件 的开发方法 J.计算机 工程与应用 , 2001(3

14、:17-18.4 J V reug denhll. Out-o f-ser vice w ind-loading o f cranesg ustsJ.Bulk Solids Handling, 1995(1 :117-124.5北京建 筑机械综合 研究所 . GB /T 13752-1992塔 式起重机设计规范 S .北京 :中国标准出版社 , 1993:1-96.(19 2009年第 3期朱斌 , 等 :基于参数化的动 臂式塔机有限元分析系统的研发4结论由以上分析可以得出 , 采用模糊控制后 , 汽车的 平顺性和安全性明显得到改善。用 M ATLAB 构建模 糊控制器和模糊控制系统简单、 可

15、视化界面操作方便、 不需要编制程序 , 使研究人员能够用方便、直观的仿 真链图 , 通过调整模块的参数 , 使用多种模糊控制方 法 , 对不同参数的悬架系统快速进行仿真 , 提高了其 工作效率。表 1主动悬架和被动悬架各参数均方根值对比参数被动悬架 性能改善 (%车身加速度 (m/s 2 1. 90621. 679111. 91悬架变形量 (mm 24. 7421. 6112. 65轮胎位移 (mm 7. 696. 5514. 82参考文献 :1 王望予 . 汽车设计 M .北京 :机械工业出版社 , 2003. 2 Su T , N euvo Y. D et ail-preser ving

16、median based filter s inimage pr ocessing M .New Y or k , N Y , U SA :Elsevier Science Inc , 1994. 3 宋晓 琳 . 汽车 主 动悬 架系 统 的模 糊控 制 J. 专用 汽 车 ,2000(3 :18-20.4 余志生 . 汽车理论 M .北京 :机械工业出版社 , 2003.5易继锴 , 侯媛彬 . 智能控制技术 M . 北京 :北京工 业出版社 , 1999.Study on the Fuzzy Control Simulation of the Active SuspensionLI Mi

17、n , YANG Jian -wei(S chool of M ech atronic En gineering , T aiyuan Un iversity of S cien ce and Techn ology , Taiyuan 030024, Ch ina Abstract :An auto motive active suspension model abo ut tw o -degr ee-o f-fr eedo m is built, accor ding to the str uctur e o f the auto mativ esuspension. In o r der

18、 to impr ov e the ride co mfor tabilit y and sa fet y, the active suspension is used in the v ehicle. T he fuzzy contr ol has advantag es of being easy to build up mo del , hig h precisio n and go od no nlinear adaptability , etc , so it has been w idely used in the activ e suspension co ntro l of t

19、he v ehicle . T he fuzzy co ntro ller selected t he velo city and accelera tio n of the auto mot ive body as the input s t o r ealize t he co nt ro l o f the activ e suspensio n. M eanw hile, fo r this sim ulation analy sis a vehicle activ e suspensio n model w as chosen as the o bject, using M A T

20、L AB/Simulink co nt ro lling system to simulate the r esults. T he r esults show that t he perfo rmance o f the activ e suspension desig ned w it h t he fuzzy contr oller is better than the passive suspension in the r ide co mfor tability and safety. Key words :activ e suspensio n; fuzzy co ntro l;

21、simulatio n(上接第 16页 Study on CAN Bus Communicationin Vehicle Terminal SystemWANG C han -juan(School of M echanical and Electronic Engin eering , North University of China , T aiyuan 030051, China Abstract :T his paper pr esent s a long -r ang e vehicle termina l system w hich uses M oto r ola's

22、16-bit micro contr oller M C 9S 12DG 128assingle chip. It br iefly int ro duces the str uctur e featur es and functio n of this single chip, and g iv es CA N co mmunicatio n-r elatedhardw are and softw ar e desig n, in o rder t o achiev e the r ea lization o f the monit or ing sy stem. T he sy stem is simple, r eliable, pr actical and so on.Key words :M C 9S 12DG 128; CAN ; co mmunicatio n(上接第 19页 Development of Finite Element Analysis System for Tower Cranewith Luffing Boom Based on ParameterizationZHU Bin 1, QI Xiu -mei 1, GAO Chong -ren 2(1. College of M echanic