重机吊臂的有限元参数化设计与优化_图文

1、大连理工大学硕士学位论文甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化 姓名:孙庆申请学位级别:硕士专业:工业工程指导教师:苗明20091201大连理工大学硕士学位论文摘 要甲板起重机是设置在船舶甲板上的起重机械,具有结构紧凑、操作简便、装卸效率 高、机动灵活等优点,因而得到广泛的应用。由于甲板起重机的规格繁多,结构复杂多 样,因此设计过程比较复杂;同时,在设计过程中要进行反复修改,每次修改后都需要 设计人员重新进行分析计算以保证安全,重复性的工作较多。为了缩短设计周期,提高 效率,有必要建立一个参数化的设计、分析系统,把设计人员从繁重的重复劳动中解放 出来。本文以甲板起重机的吊臂为研究对象,以ANS

2、YS为工具,利用其参数化设计语言 (APDL进行二次开发,建立了甲板起重机吊臂的专用开发系统。该系统集吊臂的参 数化设计、分析、优化功能于一体,并且所有功能都封装为宏。运用此系统,用户只需 点击相应的按钮并输入所需的参数,程序即可自动完成吊臂的参数化建模、分析、结果 查看和优化设计,准确且高效。论文的主要研究内容包括以下几个方面:(1在ANSYS中声明宏定义,将宏和工具栏按钮建立起一一对应的关系,定制了 工具栏,完善了吊臂开发的交互界面。(2利用APDL语言建立典型的甲板起重机吊臂的有限元模型,作为后续分析和 优化的基础。吊臂的所有参数都设有输入对话框,可以很方便的变更设计。(3集成结构静力分

3、析、模态分析、屈曲分析,全面分析吊臂的强度、刚度、稳 定性情况。(4将复杂的优化设计过程进行封装,实现了吊臂的优化设计,简单高效。(5以10tx 10m的甲板起重机为例,验证了本系统的实用性和可靠性。关键词:甲板起重机;吊臂;参数化设计;优化;APDL甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化Finite Element Parametric Design and Optimization of Deck Crane Boom AbstractDeck cranes are lifting appliances which set up on the deck of the ship,with a

4、 compact structure,easy operation,loading and unloading efficiency and flexibility,ete.,SO they are widely used.The specifications ofdeck cranes arenumerous,and structures are complex,SO the design process is complicated.And in the design process we need to repeatedly modify, designersmust reanalyze

5、 and calculate to ensure security after each change,SO there are a lot of repetitive works.In order to shorten design cycles,improve efficiency,it is necessary to establish a parametric design and analysis system to make the designers free from heavy repetitive works.In this paper,the deck crane boo

6、m is the research object and ANSYS is the tool,by using its parametric design language(APDLfor secondary development,a dedicated development system is established for deck crane boom.The system sets the parametric design,analysis, optimization functions into one,and all of these functions are packag

7、ed as macro.Using this system,users only need to click the corresponding buRonand enter the required parameters,the program automatically complete the parametric modeling,analysis,results viewing and optimal design,it's accurate and efficient.The main research contents include:(1Macros are decla

8、red in ANSYS,a one to one relationship between the macros and tool bar buRons iS established.then the toolbar iS customized and the interface iS improved.(2A finite element model of typical deck crane boom is established by APDL,itS the basis for follow-up analysis and optimization.There are input d

9、ialog for all parameters of the boom,the design Can be changed easily.(3Structural static analysis,modal analysis and buckling analysis are integrated,SO it Can do a comprehensive analysis of strength,stiffness,stability for the boom.(4Complex process of optimization is packaged to achieve the optim

10、al design of the boom,itS simple and efficient.(5Take a deck crane(10t x 10mas an example,the practicality and reliability of the system iS verified.Key Words:Deck Crane;Boom;Parametric Design;Optimization;APDL Il大连理工大学硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定,在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学,允许论文被查阅和借

11、阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名.一 :4幺 一 一一日期:一丝2年互月4L日 导师签名:苎左i 日期:亟望z年三月二日 /大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外, 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确

12、的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目:空丛垫鱼血至虿盘益巨隧墨垫丝遮芏复缒丝 作者签名:函:么 日期:埋笙年互月虹日大连理工大学硕士学位论文1绪论11课题背景随着现代工业的发展和国内外市场竞争的加剧,起重机械在现代化生产过程巾的应 用越来越广,作用越来越大,对起重机的要求也越来越高,世界销售市场对起重机械的 需求量也在小断增加,从而使国内外各种制造起重机企业在生产中更多地采用优化设 计、机械自动化等先进制造技术去提高劳动生产率,增强市场竞争力“1。甲板起重机(克令吊是设置在船舶甲板上的起重机械。这种起重机结构紧凑,使 船舶有较多的甲板面积可利用,对桥楼上视线

13、的影响较小。甲板起重机操作简便,装卸 效率高,机动灵活,作业前没有繁琐的准备丁作.因而得到广泛的应用01。图11所示 为常见的甲板起重机。型1l常见的甲板起重机Fig 11Commondeckcf柚e由于甲板起重机的规格繁多,结构复杂多样,各结构间的关系复杂,设计工作量很 重,采用传统的手工设训方法己经不能适应现今高质量、高速度、高效益的发展趋势”1。 随着计算机技术的不断应用与发展以及CAD技术在工程机械各个领域不断的渗透,超 重机的设计必然要与计算机相结合,应用先进的计算方法与计算软件,提高设计精度, 缩短设计周期,减轻设计人员的负担n“。工程设计过程复杂而艰涩,实际的机械生产设计中常常需

14、要对同一类型但不同规格 的系统做大量的相似设汁。设计过程中不可避免地要多次反复修改,进行形状和尺寸的 综合协调、优化,设计、计算与选型,各个分支机构以及总体结构计算,性能及工作特 性分析、比较,最后确定出屉佳的设计方案。虽然起重机设计在工程应用中己渐趋成熟, 似零部件的参数值及结构在设计过程中有时会根据.I一程要求有一nb变化,而即便是最微 一甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化小的变化,也需要设计人员重新设计、计算,以保证安全。为能在短期内设计出符合客 户要求的产品,有必要设计一套参数化的设计、分析系统,把设计人员从繁重的重复劳 动中解放出来哺7引。本文所研究的对象是天津某起重机企业所设计

15、制造的一种甲板起重机。如图1.2所 示,由吊臂、塔体、基柱三大构件组成,具有结构简单,体积轻巧,起重量大,可全方 位回转等优点。对该型号的甲板起重机吊臂进行参数化建模、分析、优化,可以缩短开 发周期,减少重复劳动,快速寻求既合理又经济的设计方案,降低了产品的成本;同时, 满足企业和港口发展的步伐,从而实现经济效益和社会效益,也为起重机其它部件的类 似设计提供借鉴。The structure schematic of deck crane吊臂是甲板起重机的主要组成部件之一,工作时臂架是直接的承载结构,它的受力 情况是比较恶劣的。一旦臂架结构破坏,将造成重大机损甚至人员伤亡的严重后果,臂 架的力学

16、性能对整机的正常运转有直接影响呻1,因此对甲板起重机吊臂进行合理的结构 设计及力学分析是非常必要的。同时,随着起重量的不断增大,吊臂的重量也不断的增 大,所以要在保证吊臂安全工作的条件下尽量减轻吊臂的重量,这对提高整机质量和经 济性具有很大的现实意义。大连理工大学硕士学位论文在实际设计任务中,经常会遇到系列化的变形产品的设计分析工作。这些产品在结 构上基本相同,但由于不同客户的使用场合、工况有差别,在结构尺寸上形成了一个系 列。对于这类结构相对固定不变的产品,在进行结构有限元分析时,如果逐一地进行建 模与分析,重复工作量将相当庞大,也无谓地延长了设计周期。另外,工程实际中很多 新产品的设计都需

17、要反复进行“设计.建模.分析.修改设计一再建模.再分析的过程,重 复建模与分析使得产品开发的效率不高。而且,在用ANSYS进行起重机结构的有限元分析时,分析结果的是否正确、是否 精确依赖于工程设计人员对理论知识的认识深度,同时还依赖于分析者对软件的掌握程 度,这就提高了设计的门槛。其次,在ANSYS中,一般是采用基于GUI的人机交互界 面进行设计,一些大量的、重复性的工作往往需要手工输入计算,而且对理论知识和软 件的掌握程度有很高的要求,可能导致系统误差和人为差错n们。所以,需要将有限元分 析的主要功能进行集成,通过简单点选按钮的形式,来实现以往需要专业知识和繁琐操 作的分析过程、结果查看等。

18、为了减轻自重,降低制造成本,提高整机性能,吊臂大都采用以钢板为主的箱形截 面。在箱型吊臂的设计中,结构的边界条件、载荷组合、受力位置都是比较固定的,只 是载荷大小、结构的几何尺寸有所变化。若按照传统的设计方法,这些参数中的任何一 项做了改变,则对其进行有限元分析的时候,就需要重新建立模型。显然会有大量的重 复劳动,设计周期和成本也会随之上升。所以,需要对甲板起重机臂架进行参数化建模, 当设计改变的时候,只需将参数值改变,就可以快速得到改变后的模型。综上所述,对甲板起重机臂架进行参数化设计与优化,其研究意义如下:(1实现臂架有限元建模中的全参数驱动,快速建模只需要按照所设计的尺寸进行输入,系统就

19、会自动生成相应的有限元模型,避免了 繁琐的建模过程,使设计人员能专注于臂架本身的设计,快速高效。而通过简单改变参 数值,可以进一步实现产品的系列化设计。(2集成有限元分析的主要功能,点选按钮即可完成按步骤点选工具栏的相应按钮,就可以实现有限元分析的全过程。在此操作过程中, 不需要掌握专业知识,也无需精通ANSYS操作,降低了设计分析的门槛。(3封装结构优化功能,简单操作即可实现臂架的优化将臂架的所有参数作为设计变量,以自重最小作为优化目标,对设计进行优化。由 此得到的结果去指导实际设计改进,有利于减轻吊臂自重,降低制造成本。甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化1.3国内91"t目关

20、研究状况甲板起重机作为起重设备一种,其发展状况是与整个起重机行业的情况密不可分 的。起重机是一种古老的机械,时至今日,在其承载结构、驱动机构、取物装置、控制 系统及安全装置等各方面都有了很大的发展,其设计理论、制造工艺、检测手段等都逐 渐趋于完善和规范化,并已经成为一种较完善的机械。随着社会的发展,由于生产发展提出新的使用要求,起重机的种类、形式也需要相 应地发展和创新,性能参数也需要不断变化与究善。由于现代化设计方法n妇的建立和计 算机辅助设计n21丑141等现代设计手段的应用,使起重机设计思维观念和方法有了进一步 的更新,其它技术领域和相邻工业部门不断取得的新科技成果在起重机上的渗透、推广

21、 应用等,更使起重机的各方面不断地丰富更新。因此,起重机将向现代化、智能化、更 安全可靠方便的方向发展。目前国内的甲板起重机的种类很多,发展速度快,但与国外的发展还是存在着一定 的差距。随着现代科学技术的迅速发展,工业生产规模的扩大和自动化程度的提高,起 重机在现代化生产过程中应用越来越广,作用愈来愈大,对起重机的要求也越来越高。 尤其是电子计算机技术的广泛应用,促使了许多跨学科的先进设计方法出现,推动了现 代制造技术和检测技术的提高。我国正以前所未有的速度进入全球化国际竞争市场,中 国的起重机制造业面临着机遇与挑战并存的新形势,因此起重机的不断发展和创新是关 键。我国起重机的特征与有待解决的

22、问题有如下几个方面n副:(1重点产品大型化、高速化、耐久化和专用化;(2系列产品模块化、组合化、标准化和实用化;(3产品性能自动化、智能化、集成化和高效化:(4产品组合成套化、系统化、复合化和信息化;(5产品设计微机化、精确化、快速化和全面化;特别是就整个甲板起重机行业来说,国内企业缺乏对引进技术的消化、吸收和创新, 造成现在我国甲板机械制造仍旧依靠引进国外知名品牌的技术生产,自主研发能力较 弱,利用引进国外技术生产的甲板机械和进口的甲板机械仍然占据市场主导地位。而且, 国外公司根本不予转让一些关键的控制部件和高压液压件技术,不得不受制于人,只能 依靠进口。目前国内厂家引进技术生产的产品基本处

23、于20世纪90年代初的水平。因此, 加大自主研发力度,摆脱现在受制于人的现状,也是行业面临的一个急需解决的问题。大连理工大学硕士学位论文参数化技术(Parametric Technology最早是CAD在实际应用工作中提出的课题, 它是产品模型修改和变型设计的需要,是设计自动化所采用的关键技术之一n¨叼。将参 数化的思想扩展到部件/产品的设计中,实现结构的整体参数化设计,无疑会更大程度地 提高设计效率,为企业创造经济效益。由于参数化的概念提出较早,因此相关的研究比较多,而且在实际的生产设计中也 有较为广泛的应用。在起重机的设计领域,参数化的研究比较集中于高校和相关科研组 织。Edwi

24、n咖1等提出了一种基于CAD的设计参数化方法,将Pro/E软件和ANSYS和 MSCNastran进行“连接”,将它们直接引入到形状优化设计系统,借助这些软件中提 供的参数化几何建模、网格全自动生成、有限元分析等功能为优化过程服务。广东中山 大学刘志更晗¨以面向对象的编程工具Visual Basic 6.0为开发工具,通过二次开发技术, 完成了SolidWorks设计环境下,桥式起重机桥架参数化设计系统的开发。付韬韬、范勤 等乜21利用ANSYS和VC+的接口技术,采用VC+对APDL语言进行封装,开发出了 一套桥式起重机箱形主梁参数化有限元分析系统。武汉理工大学的龚道雄瞳3贝IJ更

25、进一 步,以桥式起重机为对象,在Visual Basic6.0编译语言环境中,对三维CAD软件 SolidWorks进行了二次开发,建立桥式起重机的参数化设计系统。陈昆、刘兆屯等乜41结合MatLab、AutoCAD和Pro/E,实现了起重机转盘式出绳口的参数化设计和仿真。 孙晓吉瞳钉将c语言、c+语言、ALGOR前处理工具SuperDrawlII的script语言结合使用, 在现有的通用有限元分析工具ALGOR软件基础上,编制了汽车起重机副臂的参数化建 模系统。龙靖宇、吴小珍啪1以APDL为工具,实现了某炼钢厂140tx22m双主梁偏轨铸 造起重机的主梁参数化建模。可以发现,在参数化领域,开

26、发工具是多种多样的,研究对象既有针对起重机的某 些部件的,也有面向整个系统的。但是,当前多数的应用都集中在有限元建模领域,而 将建模、分析、结果查看、优化等功能集于一体的研究却很少见。随着计算机的发展和普及,以计算机为基础的数值计算方法的成熟和应用,为工程 问题的优化设计提供了先进的手段和方法。优化技术为工程设计提供了一种重要的科学 设计方法,使得在解决复杂产品设计问题时,能从众多的设计方案中寻找到尽可能完善 的或最为适宜的设计方案窿71。采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量,因此 在机械、宇航、电机、石油、化工、建筑、造船、轻工等各个行业得到广泛得应用。甲板起重机吊臂的有限元参数化设

27、计与优化结构优化设计的理论和方法,基本上可以归结为两大类啪3:第一类是准则方法,它 是从结构力学的原理出发,首先选定使结构达到最优的准则,而后根据这些准则寻求结 构的最优解;第二类是数学方法,它是从解极值问题的数学原理出发,运用数学规划和 优选法等各种方法,求得一系列设计参数的最优解。当前,结构优化的理论与方法己经形成相当广泛的研究领域,主要集中在以下几个 方面啪1:(1结构优化模型的建立与模型合理性的研究;(2结构优化灵敏度的分析; (3对实用优化算法的引用、改进与发展; (4通用和专用结构优化程序的开发及其 在实际上程中的应用。R.Hajela们提出了一种新的结构设计优化方法,它采用神经网

28、络算法对钢析架在静 力作用下的应力一位移间的关系进行了结构分析和优化。吴镇、孙国正口门研究了如何在 MatLab平台上解决工程优化问题,并对门座起重机的稳定性进行了优化,证明了这一 方法的可行性。席平原口21针对塔式起重机变幅机构的设计实例,建立模糊优化设计的数 学模型,并给出优化方法和结果分析。杨春松、程文明等提出了一种将遗传算法和模 拟退火算法相结合的混合算法,并将其应用于桥式起重机结构优化中,很好地处理了工 程离散化问题。BeUman和Zadehml提出了模糊优化的概念,将模糊集的若干概念引入 优化设计。郑夕健、张璇等呤51以QY20汽车起重机为研究对象,利用ADAMS软件建立 其变幅机

29、构的虚拟样机,对变幅机构三铰点位置进行了优化,但是具有一定的局限性。 苏运波3通过建立BP神经网络模型,进行门座起重机臂架结构的最大应力及挠度的预 测,克服了以往基于有限元分析的优化设计中有限元分析占用时间过多的缺点。本文以甲板起重机的吊臂为研究对象,以ANSYS为工具,利用其参数化设计语言 (APDL进行二次开发,建立甲板起重机吊臂的专用开发系统,探索如何将有限元参 数化技术、优化技术应用于机械结构的设计和优化。该系统集吊臂的参数化设计、分析、 优化功能于一体,只需点击定制的工具栏按钮,输入所需的参数,程序即可自动完成吊 臂的参数化建模、分析、结果查看和优化设计。全文共分5章,主要包括以下几

30、个方面 的内容:(1绪论部分简要介绍了甲板起重机的特点和本文的研究意义,通过对国内外研 究概况的阐述,了解了参数化技术、优化技术在起重机领域的应用和发展状况。(2第二章介绍了有限元分析软件ANSYS及其参数化设计语言APDL,明确了应 用ANSYS进行有限元分析的过程,介绍了APDL的基本组成成分。本章是全文的理论 核心,后续的内容就是参照此分析过程,应用APDL来一一实现。大连理工大学硕士学位论文(3第三章详细介绍了几何参数的提取,建立了几何模型并进而生成了有限元模 型,然后参照设计规范分析了吊臂的受力结构,并将力的计算封装到程序内部,完成了 载荷的计算和施加,实现了甲板起重机吊臂的参数化建

31、模。(4第四章是甲板起重机吊臂的集成分析部分,本章延续参数化的思想,将结构 静力分析、模态分析、屈曲分析集成到系统中去,实现吊臂强度、刚度、稳定性等的全 面评价。(5第五章介绍了基于APDL的优化设计的基本要素,并对优化设计过程进行了 详细的说明,通过建立优化分析文件和优化控制文件完成了吊臂的优化设计,实现了优 化结果的查看,最后还对改进方案的可行性进行了验证。本文所建立的专用开发系统中,参数输入对话框中的默认值(如结构尺寸、载重量 等均取之于天津某起重机企业所设计制造的一种甲板起重机(10t×10m,实际使用 时可根据需要进行变更。甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化2ANSYS

32、与参数化设计语言APDLANSYS是Analysis System的简写,是目前广泛使用的有限元工程分析软件。美国 John Swanson博士于1970年创建ANSYS公司后,便开发出了该应用程序,以此用计算 机模拟工程结构分析,历经30多年的不断完善和修改,现成为全球最受欢迎的应用程 序1。ANSYS汹瑚1是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件, 可在大多数计算机及操作系统中运行,从PC机到工作站直至巨型计算机,ANSYS文件 在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。多年来,它一直在有限元分析(FEA软件排名中名列第一,是第一个通过IS09001质量认证的分析设计类软件

33、,也是通过美国机械工程师协会(ASME、美国核安全局 (NQA及近20种专业技术协会认证的标准分析软件,随着软件的发展,其在中国也 得到了日益广泛的认可和应用H训。目前,ANSYS广泛用于航空航天、机械制造、能源、国防军工、电子、土木工程、 生物医学等一般工业及科学研究HL4羽。利用ANSYS可以对结构在各种外载荷条件下的 受力、变形稳定性及各种动力特性做出全面分析,从力学计算、组合分析等方面提出全 面解决方案,为工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。ANSYS的主要特点是紧跟计算机硬件、软件发展的最新水平,功能丰富,用户界 面好,前、后处理和图形功能完备,是使用高效的有限元系统。它具有以

34、下几个优点H31: (1拥有丰富的、完善的单元库、材料模型库和求解器,保证了它能够高效地求 解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题,并能有效地求解温度场问题、散 热场以及多场藕合问题;(2它的完全交互式前后处理和图形文件,大大减轻了用户创建工程模型、生成 有限元模型以及分析和评价结果的工作量;(3它的统一和集中的数据库,保证了系统各模块之间的可靠和灵活的集成;(4它的DDA模块实现了它与多个CAD软件产品的有效连接;(5它的并行处理技术大大提高了分析效率。大连理工大学硕士学位论文ANSYS的架构分两层:起始层(begin level和处理器层(processor level。起始 层的

35、功能用于开始ANSYS和各不同的处理器层等。各层处理器的功能在于接受并完成 相关类型的工作命令。处理器主要包括H引:(1前处理器(PREP7:建立有限元模型,赋予材料属性,划分网格等。(2求解处理器(SOLU:加载、定义边界约束条件及求解。(3通用后处理器(PoSTI:用于静态结构分析、模态分析等,考察整个模型的 计算结果等。(4时间历程后处理器(POST26:用于动态结构分析后,察看动态分析与时间 有关的时域结果。一个典型的ANSYS分析过程包括3个主要步骤:前处理、加载求解和后处理H51。 (1创建有限元模型(也称“前处理”创建或读入几何模型通过使用ANSYS提供的基本元素,点、线、面、体

36、等,构建实际物体或需要分析 部分的几何形状,这个形状既可以是完全三维的,也可以是简化了的。另外,ANSYS提供了与其他CAD软件传递数据的专用接口和一个IGES通用接口, 可以非常方便的从很多CAD软件中直接读取相应的几何模型,避免了设计分析中建摸 的重复操作m1。定义材料属性对于分析对象在分析中需要给定材料的属性,也就是给出材料的各种力学、热学、 电磁学等参数。对于一般静力学的分析,最基本的各向同性材料参数包括杨氏模量、泊 松比、材料密度等。同时也可以创建各种线性、非线性、各向异性的材料模型。划分单元一个几何模型仅仅表示了需要分析的物体的几何尺寸、形状,要通过划分成为单元 以后,才能够进行有

37、限元的分析。划分单元的时候,需要选择单元的形状、类型,同时 根据分析精度的需要设定不同的单元的密度。(2施加载荷并进行求解施加载荷9一甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化这里的“载荷"是一个广义的载荷,包括了施加在物体上的边界条件、初始条件等, 例如加在模型上的各种载荷、固定支撑等,这些载荷应该能够最直接的反映出物体所处 的环境与物体当前的状态。设置载荷及求解控制选项ANSYS计算中,允许载荷按照时间历程缓慢递增地施加到模型上,也可以是阶跃 式地施加,还可以通过设置载荷步来模拟载荷加载的先后以及加载与卸载等实际情况。 另外,求解过程实际上是数值求解方程的过程,ANSYS提供了很多数

38、值求解的算 法供选择,用户可以针对不同的问题进行相应的选取。对于不同类型的工程问题,还需要使用不同的求解分析方法。例如需要指定分析类 型为静力学、动力学或者是模态分析等。求解有限元求解的过程就是解矩阵方程的过程,从输出窗口中可以查看求解过程的信 息,根据计算工程的大小,节点的多少,这个过程可能会很快,也可能会是几天甚至几 十天。(3查看结果(也称“后处理”查看分析结果查看分析结果也称为后处理,ANSYS的后处理功能是非常强大的,它提供了多种 查看结果的渠道,用户既可以通过颜色等值线图直观地显示结果,也可以通过曲线来描 述我们关心的数值变化,也可以直接将结果数据输出到文本文件中,ANSYS还提供

39、了 生成动画的后处理功能,用户可以通过动画来演示和重现模型变形或者破坏的过程。 检查结果,分析结果是否正确检查结果是否正确以及误差的估计在任何有限元分析中无疑是最重要的。往往会因 为建模或加载设置时一个小小的疏漏,导致整个结果的不同甚至是得到错误结论。 一般对结果的验证,需要在开始分析之前,就能够通过经验或者实验等对结果有粗 略的估计,如果结果与预期的不一样,应该仔细研究原因。更多时候还需要用户根据 ANSYS提供的信息和实际情况进行更准确的分析。ANSYS软件给用户提供了两种工作模式,即人机交互方式(GUI方式和命令流 输入方式(BATCH方式“利。人机交互方式对于初学者来说,似乎要容易掌握

40、一些, 对一个简单的有限元分析模型来说,这也许是要来得快一些,但对于一个复杂的有限元大连理工大学硕士学位论文模型,其缺点就会显露出来:由于一个分析的完成往往需要进行多次的反复,特别是当 要对模型进行修改后再进行分析时,在GUI方式中就会出现大量的重复操作,这些重复 工作会浪费大量的时间。而命令流输入方式是一种后台批处理工作方式,批处理文件的编写是通过ANSYS 软件自带的参数化设计语言APDL来实现,通过APDL语言编写的程序,可以使整个分 析过程一次性完成,大大地提高了工作效率,缩短了分析过程中所花的时间。并且当有 相似的问题需要分析时,只需对APDL语言编写的程序进行少量的修改,原文件就可

41、重 新使用,避免了大量的重复性劳动。参数化设计语言APDL实质上由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成H引。其中,程序设计语言部分与其它编程语言一样,具有参数、 数组表达式、函数、流程控制(循环与分支、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。 标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的,这些命令可以写进程序设计语言编 写的程序,命令的参数可以赋确定值,也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。 从ANSYS命令的功能上讲,它们分别对应ANSYS分析过程中的定义材料、构建几何 模型、划分单元网格、添加载荷和边界条件、控制和执行求解以及后处理计算结果等

42、指 令。APDL扩展了传统有限元分析的范围,并开发了更高级运算包括灵敏度研究、零件 库参数化建模、设计修改和设计优化等。其优点如下:(1减少大量的重复工作,特别适用于经少许修改后需要多次重复计算的场合, 可为设计人员节省大量的时间;(2文件数据量小,便于保存和携带,其数据量仅为GUI数据文件的千分之一, 无论交流还是应用都很方便;(3不受ANSYS软件的版本和系统操作平台的限制,用户编辑时既可在Windows 平台进行交流运行,也可以在UNIX或其它的操作平台上运行;(4不受ANSYS软件的版本限制,一般情况下,ANSYS软件以GUI方式生成 的数据文件只能向上兼容一个版本,即ANSYS 11

43、.0版本的软件只能直接调出ANSYS 10.0版本的数据文件,不能直接调用ANSYS 9.0及以前版本的数据文件。而APDL文 件则不存在这种限制,仅有个别命令会有影响;(5利用APDL可以编写一些常用命令的集合,即宏命令。APDL语言主要包括以下几个方面:甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化(1参数参数即APDL的变量。用户在定义时不必精确地指明参数类型,所有的数值变量(整 型或实型都将保存为双精度类型。若使用一个没有定义的参数,ANSYS软件将会以一 个非常小的数来替代。参数名称必须以字母开头,并且只能包含字母、数值和下划线, 应避免参数名称与ANSYS内部命令或变量名相同。在实际运用中

44、最重要的工作是给参数赋值,使用*SET命令直接赋值或直接用“=” 来给参数赋值可以实现这项工作。除用户指定的参数值外,ANSYS计算出的值也可赋 给参数,利用专用命令可指示程序从模型数据库中读出数据。如节点号的最小值或最大 值,关键点坐标或计算出的应力和温度值。实际上,数据库中的任何数据都能赋给参数。 这一特性在优化过程中显的特别重要。(2数组参数除了可以定义单一数值的参数外,在ANSYS中还可以定义一维(列、二维(行、 列和三维(行、列、面数组参数。ANSYS提供了3种数组类型:ARRAY、CHAR 和ATBLE。数组参数项可以是用户定义的值也可以是ANSYS计算出来的值,而且用户 定义的数

45、组参数能在ANSYS中直接键入或从现有的数据文件读入。由于本文中用到数组的地方不多,所以对数组参数的操作这里不再详述。(3分支和循环APDL语言是类似于FORTRAN的程序设计语言,同样具有对程序流程的控制,循 环和分支是其中重要的部分。循环使用户避免了冗长的命令重复,分支为用户提供了控 制程序全局和指定程序完成分析的能力。分支利用FORTRAN中的GO和IF语句引导程序按非连续顺序读取命令。GO命令 指示程序转到用户标定的输入行。IF命令是条件转移命令,只有当满足条件时,该命令 才指示程序转到另一行。IF.THEN.ELSE语句用来指示程序根据现行的条件去执行几个 动作中的一个。IF命令可以

46、包含用户指定的或ANSYS计算出的参数作评估条件。分支 命令能引导程序根据实际模型或分析作决定,该命令允许代参数,且允许部分输入值随 计算出的某些量值改变。循环通过DO命令实现,使用*DO和*ENDDO命令作为循环的开始和结束点的标 志,并且可允许嵌套20层的DO循环。这个指令指示程序重复一串命令,循环的次数 由计数器或其它的循环的控制器来控制,控制器完全根据给定条件的状态决定是跨过循 环还是终止循环。(4宏大连理丁大学硕士学位论文ANSYS的宏是一列保存在一个文件中,并能在任何时间在ANSYS运行中执行的 ANSYS命令集。宏可以包括APDL特性的任何内容,例如参数、循环、分支等。在分 析中

47、,宏可以被重复任意多次,并可嵌套多达20层,其中包括由ANSYS/INPUT命令 引起的任何文件转换。宏最常见的用法之一是简化重复的数据输入。在ANSYS中有三种方法来生成宏。第一种方法是在ANSYS输入窗口执行 *CREATE命令。在命令输入窗口执行该命令后,ANSYS转向控制该命令指定的文件。 在执行*END命令之前,所有的命令都是对该文件进行操作。*CREATE命令所带的参 数用来指定文件名、扩展名和路径。第二种方法是使用*CFWRITE。和*CREATE不同, *CFWRITWE不能指定宏文件名,因此必须先用*CFOPEN命令来指定宏文件名。在命 令窗口输入的命令流只有以*CREATE

48、命令开头,才会被写入指定文件中,否则都会被 执行。第三种方法是使用菜单方式,即使用Utility Menu>Macro>create Macro途径生成 宏。通过该菜单项可以打开作为一个简单的多行编辑器的对话框来生成宏,但是不能通 过它来打开并编辑已经存在的宏。宏的使用贯穿本文的始终,在后文的每个部分都会使用到。尤其是将宏和用户工具 栏建立起一一对应的关系后,就可以通过单击按钮的形式实现宏的调用,完成整个有限 元分析优化的全过程。本章对有限元分析软件ANSYS做了简要介绍,说明了该软件的主要组成架构,并 对应用ANSYS进行有限元分析的基本过程做了概括。接着又介绍了参数化设计语言

49、APDL,详细阐述了组成该语言的参数、数组参数、宏、分支和循环等内容,着重强调 了宏在本文中的重要作用。本章是后文进行甲板起重机吊臂参数化建模、分析、优化的 理论基础。甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化3甲板起重机吊臂的参数化建模在章节2.1.3中,已经介绍了采用ANSYS进行有限元分析的过程,总的来说就是建 立有限元模型、加载、求解、结果查看、优化等环节。根据章节2.2.2中关于宏的介绍, 这些环节均是通过宏来实现,而且是将宏和工具栏按钮建立起一一对应的关系,然后就 可以通过单击按钮的形式实现宏的调用,完成整个有限元分析优化的全过程。所以在整 个工作进行之前,需要先对本文中将要定义的宏做

50、一个功能说明,并将定制的工具栏按 钮与相应的宏关联。为了实现吊臂有限元分析的各个环节,本文需要定义的宏和相对应的工具栏按钮如 下:(1Material.mac-对应按钮黝毽捌,实现材料特性和实常数的输入; (2Modeling.mac:对应按钮则,建立吊臂的几何模型; (3Loads.mac:对应按钮删蚓,实现载荷的计算和施加,并建立有限元模型; (4SA.mac:对应按钮删,进行结构静力分析;(5VonS.mac:对应按钮黝剧,显示吊臂的应力云图; (6YDeform.mac:对应按钮劂,显示吊臂在Y轴方向的变形情况; (7ZDeform.mac:对应按钮删,显示吊臂在Z轴方向的变形情况;

51、(8DS Animate.mac:对应按钮删,动画显示吊臂的变形过程;(9Modal.mac:对应按钮鲤必,进行模态分析; (10Frequency.mac:对应按钮删,列表显示吊臂的固有频率; (11Vibrant . :对 应 按 钮 划 , 查 看 吊 臂 的 各 阶 振 型 ; . mac(12Buckling.mac:对应按钮删,进行屈曲分析; (13Eigenvalue.mac:对应按钮望侧,列表显示吊臂的屈曲特征值; (14Buckling . :对 应 按 钮 则 , 查 看 吊 臂 的 各 阶 屈 曲 模 态 ; mac(15Optimization.mac:对应按钮则,进行

52、吊臂的优化设计; (16Opt. :对 应 按 钮 删 , 列 表 显 示 优 化 过 程 产 生 的 设 计 序 列 ; . mac(17Vcurve.mac:对应按钮划,显示吊臂的体积变化曲线:(18S curve.mac:对应按钮删,显示最大应力的变化曲线; (19DYcurve.mac:对应按钮删,显示Y向最大变形量的变化曲线; (20DZ curve.mac:对应按钮则,显示Z向最大变形量的变化曲线。本文中的宏均存储在D:workansyscrane boom目录下。其中,(1至(3实现 吊臂的建模部分,为本章内容。 (4至(14实现模型分析和结果查看功能,在第4大连理工大学硕士学位

53、论文章中详细介绍。(15至(20实现结构优化功能,第5章介绍。此外,还有一个用于 优化部分的分析文件Boomopt.19w,该文件必须另外放在ANSYS的工作目录下(本文 中该目录为D:workansys。定制工具栏按钮有多种方法,本文采用修改ANSYS启动文件startl 10.ans的方法来 实现。在ANsYS安装目录D:LProgram FilesLamsys Incvl10认NSYSDL中找到它 (根据具体安装目录和软件版本的不同,会有一定变化,然后用记事本打开,在文件 的最后一行添加如下命令即可。/PSEARCH.D:workansyscrane boom其中,/PSEARCH命令为

54、指定宏文件的搜索路径,*ABBR命令为定义工具栏按钮 并关联宏文件。启动ANSYS,如图3.1所示,在ANSYS的工具栏栏已经成功添加了相应的按钮, 点击这些按钮,就能调用预先定义的宏,实现相应的有限元分析环节。至此,就完善了 吊臂开发的交互界面,前期的准备工作已经完成。一15一甲板起重机吊臂的有限元参数化设计o优化!曼J些!到坚I型!叫!划!型!划!型!堕|里!d竺!墅j些!叫!划型删蔓!叫些!蚓!型 |!叫型J坚望J二!坚ji!吲!g竖IE删囤31定制的工具栏按钮接下来将详细介绍吊臂参数化建模过程,包括材料特性和丈常数、模型的建立、载 荷和约束三个部分。31材料特性和实常数材料特性包括弹性

55、模量、泊松比、密度等,对于起重机吊臂分析来说,一般不用改 变。但是在某地情况卜,可能需要根据所用的材料对这些值进行修正,所以将它们独立 出来允许自定义是有必要的。实常数是跟选择的有限元单元类型相关的.由于本文分析 的甲板起重机吊臂为箱型结构,采用SHELL63单元,所以实常数就是各个板的板厚(详 见章节32。这一部分两大块的输入功能由宏Material mac实现。要实现材料特性和实常数的输入,就需要用APDL实现多参数输入对话框的设计。 下血的代码为宏文件Material mac中的部分内容,功能是实现材料特性输入。完整程序 详见附录A。MULTIPRO,START。,3+CSET,1,3,

56、EX,。弹性模量(Mpa:。,206E5MULTIPRO,'END+IF,BUTTON,EQ,1,THEN,EOF+ENDIF实常数的输入同样采用上面的方法来实现,实现不同板厚的参数化定义。使用时只 需点击_L=具栏按钮墅里叫.即弹出如图3.2所示的材料特性输入对话框。人连理T大学硕士学位论文8臣!”臣“i;in叫=一图32材料特性输入对话框Fig 32Input dialogofmaterial properties对话框中已有的数值为默认值,可以根据自己的需要使用默认值或者更改该值。 输入完成后.点-h OK按钮,接着进入实常数输入对话框,如图3.3所示。“E。E”EH_叫剑倒33

57、实常数输入对话框Fig 3 3Input dialog ofreal constants根据具体的设计,调整各块板的板厚,完成后确认即可。ANSYS中建立模型分为两个部分,首先是根据具体尺寸,建立要分析对象的几何 模型,然后是对几何模型进行网格划分,生成有限元模型。由于要实现吊臂的参数化建模,所以需要先研究吊臂的几何特征,提取关键的尺寸 参数。然后为这些参数没计输入对话框,方便更改,并根据几何参数建立模型。般后对 建立好的几何模型划分网格,生成有限元模型。甲板起重机吊臂的有限元参数化设计与优化建立正确可靠的有限元分析模型是有限元分析的基础工作,它直接关系到计算结果 的正确与否。然而,实际工程问题往往非常复杂,支撑边界形式多样,载荷变化多端, 因此就要求在建立计算模型的过程中,作合理必要的简化“引。对于甲板起重机吊臂同样 如此,它的几何参数很多,如果全部考虑则建模复杂,问题的规模会很大,这就需要我 们从中提取主要的参数进行考虑。只要简化出来的模型能够充分反映吊臂的力学特性, 那么方案就是可行的。甲板起重机吊臂的几何外形如图3.4所示。一 Ll 一 一 “ 一l 一学/k/一一K4jFig.3.4Geometric parameters of boom可以看到,吊臂分为两段,后段为恒定截面,前段为渐变截面。由于吊臂分析关 心的是整体的变形量和应力,所以臂头部分不