基于ANSYS的天津机场钢平台形变及应力分析

1、基于ANSYS的天津机场钢平台形变及应力分析杨秀清1, 2 张翅飞1, 2 钱奕龙1, 2(1. 民航局第二研究所，成都 610041)（2. 民航成都物流技术有限公司，成都 610041）摘 要：目的:在载荷一定的情况下寻求行李处理系统钢平台的最优结构。方法:以天津机场行李处理系统的钢平台为例，利用PRO/E与ANSYS软件对5种不同的常用钢平台结构进行有限元分析，并对分析结果进行对照研究。结果：槽钢结构的应力应变均最大；工字钢结构的应力较小，但应变较大；方钢结构的应变较小，但应力较大；槽钢加斜拉结构的应力应变均最小。结论：采用槽钢加斜拉方式为5种钢平台结构的最佳选择，这种结构相比其它4种结

2、构，不仅变形及受力均最小，结构的可靠性及稳定性更高，且重量轻、成本低、工艺好实现，上述分析研究为工程实际实施提供了一定的参考及数字依据。关键词：PRO/E 与ANSYS集成；有限元分析；结构优化；变形及应力分析0 引言机场行李系统的钢平台是行李系统的重要支撑，其可靠性及稳定性将直接影响行李系统的性能，如果一旦发生坍塌等现象，其后果不堪设想，为此在确定设计方案及工程实施前，必须对其进行变形及应力分析，根据分析结果确定设计方案的可行性、可靠性及是否为最优方案。本文首先根据钢平台的设计图纸并利用PRO/E软件建立了局部钢平台的简化3D模型，然后应用PRO/E与ANSYS的集成将PRO/E 3D模型无

3、缝集成的导入到ANSYS中，在ANSYS下对钢平台进行有限元分析，并对其它4种结构方案进行了分析评估，最终确定一种最优的结构方案，其为工程实际实施提供一定的参考及数字依据。1 软件介绍本文涉及到的软件主要有PRO/E、ANSYS两个软件,其中PRO/E软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，其以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的 HYPERLINK /view/1053554.htm t _blank 三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM

4、/CAE HYPERLINK /view/37.htm t _blank 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。ANSYS HYPERLINK /view/37.htm t _blank 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 HYPERLINK /view/2655944.htm t _blank 有限元分析软件，由世界上最大的 HYPERLINK /view/2655944.htm t _blank 有限元分析软件公司之一的 HYPERLINK /view/2398.htm t _blank 美国ANSYS开发。 它能与多数CAD HYPERLINK /view

5、/1137050.htm t _blank 软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。2 分析过程钢平台的变形及应力分析过程主要包括3D建模、模型导入、材料及约束载荷添加、计算分析等过程，具体过程如下。2.1 3D建模图1 天津局部钢平台简化截面图天津机场局部钢平台其实为一个空间网络结构，包括吊装、横梁及下部的连接梁、吊杆等，结构相对比较复杂，其建模及分析均将耗费大量时间，为此将其进行简化，取其截面，并计算其受力，简化后的钢平台截面图如图1所示，该截面主要由一根横梁（1

6、0号槽钢），两根吊装构成，且有两个受力点，其受力点的位置及力的大小详见图1。根据现场的实际情况，两根吊装的承力较小，为此为了保证横梁有足够的安全系数，忽略吊装承力，假设只有横梁承力，为此根据设计图纸中横梁采用的10号槽钢，用PRO/E建立了其3D模型1，具体如图2所示，并制定了受力作用点，便于在ANSYS中进行加载。图2 钢平台局部3D图2.2 模型导入 PRO/E软件具有良好的3D建模功能，但分析功能较弱，而ANSYS软件的3D建模功能较弱，但分析功能强大，为此将PRO/E和ANSYS联合起来对天津机场的局部钢平台进行受力分析是最佳的选择。从PRO/E到ANSYS的模型转换方法大致有两种2：

7、一种是通过标准图形格式转换，即将PRO/E创建的模型存储为中性文件格式比如STEP、IGES等，然后通过ANSYS的接口模块将相应模型导入到仿真分析环境；二是使用PRO/E和ANSYS的集成接口，实现PRO/E与ANSYS模型的无缝集成。前者在传递过程中图形元素可能会丢失，而后者应用专门的接口实现不同软件间的模型转化可以使得模型的失真最小，几乎保留了原模型的所有属性，比如形状、尺寸、点线面信息等。为此本文也是采用后者将天津机场钢平台的模型导入到ANSYS中。一般在安装高版本的ANSYS过程中，比如ANSYS 12.0均会提示选择所在的PROE目录，选择PROE目录后，在启动PROE的界面后，就

8、能在菜单栏看到ANSYS12.0的图标，点击后，会自动启动ANSYS，并打开ANYSYS Workbench界面，在此环境下可以直接把PRO/E当前窗口的模型转化到ANSYS中，具体详见图3所示。图3 PRO/E到ANSYS的模型转化菜单通过图3界面将在PRO/E中建立的天津机场钢平台的3D模型毫无失真的转化到ADAMS中，几乎保留了原模型的所有属性，比如形状、尺寸、点线面信息等，转化到ANSYS软件下的模型如图4所示。图4 从PRO/E转化到ANSYS中的钢平台3D模型2.3 材料属性的添加或编辑 启动ANSYS Workbench并建立静态分析后，出现界面如图4所示，双击即可对材料进行选择

9、或对材料的相关参数进行编辑修改。图5 静态分析界面2.4 网格划分根据系统默认的网格类型及大小或根据实际情况定制网格类型及大小3，对横梁及连接槽钢进行网格划分，如图6所示。图6 网格划分2.5 重力及约束添加重力竖直向下，并在横梁即10#槽钢两端添加固定约束，具体详见图7所示。图7 重力及固定约束添加2.6 载荷添加分别在10#槽钢底部的左右连接槽钢的背面加载压强力1.6MP和1.4MPA，该压强力是通过加载力7460N和6630N换算而得到，具体详见图8所示。图8 载荷添加2.7 分析计算上述工作完成后，就可以对钢平台进行分析计算了，该过程一般是根据模型的复杂程度及网格划分的粗细，其计算时间

10、有所差别。3 结果分析根据现场时间情况，主要关心的是垂直于横梁的水平及竖直方向的位移、最大应力，为此对仿真结果进行查看，得出垂直于横梁方向的水平及竖直位移及应力分布图如图9所示。从图上可以看出，水平方向最大位移为111.33mm，竖直方向最大位移为152.02 mm，应力最大为186.62MPA，其变形和受力均较大，由此确定原方案设计的横梁为10号槽钢不可行，其安全系数太小，约为1.26（235/186.62=1.26）。 （1）水平方向位移分布图 （2）竖直方向位移分布图（3）应力分布图图9 横梁为10号槽钢的分析结果结构方案优化及分析由于原方案横梁为10号槽钢不可行，为此对横梁为12号槽钢

11、、12号工字钢、80方钢、10号槽钢加两根5号槽钢斜拉这四种方案进行了类似的有限元分析，其模型及仿真结果分别如图10-13所示。图10 横梁为12号槽钢的模型及分析结果图11 横梁为12号工字钢的模型及分析结果图12 横梁为80方钢的模型及分析结果图13 横梁为10号槽钢并增加两个5号槽钢斜拉的模型及分析结果根据包括原方案在内的5种钢结构的分析，对其结果进行统计，具体如表1所示。表1 分析结果统计序号横梁型钢类别水平方向位移(mm)竖直方向位移(mm)最大应力（MPA）110号槽钢Y=111Z=152186.6212号槽钢Y=112Z=109187312号工字钢Y=1Z=5797480方钢Y=

12、0.0069Z=3.7109510号槽钢加两根5号槽钢斜拉Y=1.89Z=0.7851.2根据表1的结果统计可以看出，槽钢由于其结构的不对称性及开口较大，其变形及应力均较大；12号工字钢由于其结构的对称性，其水平方向的位移较小，但竖直方向位移也较大；80方钢由于为四面全封闭结构无开口，为此其水平和竖直方向的位移均最小，但由于横梁的长度较大，对方钢内部的除锈工艺较繁琐，且成本较高，另外其强度不是太好，应力较大；由于横梁的长度较长（约3.1m），为此无论采用哪种型钢，其形变及应力均不是太理想，除非采用型号非常大的钢材，但那样不仅增加了自重，而且还会增加成本，为此采用横梁加斜拉方式为最佳选择，这种结

13、构在理论上比单根横梁的结构稳定性及可靠性要好的多，变形也会小的多，从表1的统计结果可以证实，为此最终选择槽钢加两根斜拉的方案，并在施工现场进行了实际测试，测试结果与仿真数据存在稍微差距，其主要原因为分析采用的是较理想模型，无法考虑现场工人的焊接质量等因素，后来又采用10号槽钢加两根8号槽钢斜拉进行测试，测试结构能够满足要求，为了保险起见，最终选择的方案为10号槽钢加两根10号槽钢斜拉，从而更增加钢平台的可靠性。5 结束语本文首先根据钢平台的设计图纸并利用PRO/E软件建立了局部钢平台的简化3D模型，然后应用PRO/E与ANSYS的集成将PRO/E 3D模型无缝集成的导入到ANSYS中，在ANS

14、YS下对钢平台的结构受力及形变进行评估，并对除了原设计方案外的其它4种结构方案进行了仿真，且对仿真结果进行统计和分析，最终确定一种最优的结构方案，实现钢平台的结构优化，其为工程实际实施提供一定的参考及数字依据。参考文献：1 恒盛杰.Pro/ENGINEER从入门到精通M. 北京：中国青年出版社. 2007：352-378.2 HYPERLINK /Main/Search.aspx?w=%e5%ba%84%e7%ab%9e 庄竞 HYPERLINK /Main/Search.aspx?w=%e6%a2%81%e6%89%bf%e5%bf%a0 梁承忠. Pro/E与Ansys软件集成实现推土机终传动齿轮的绿色设计J. HYPERLINK /qk/91505X/201103/ 起重运输机械.2011（3）：24-26. 3 HYPERLINK /book/search_pub.php?category=01&key2=%C6%D6%B