塔式起重机的结构的有限元分析

PAGE塔式起重机的结构的有限元分析摘要：塔式起重机是现代工程建设中一种主要的起重机械，广泛应用于工业、以及桥梁等工程的施工作业。其桁架结构由于杆件较多，采用传统计算方法繁琐，而且精度难以保证。根据塔式起重机的实际结构,利用ANSYS对其整体结构进行建模和分析。在建模过程,对塔式起重机结构的简化、单元的选择、载荷的施加等进行探讨和分析,并在此基础上进行静态有限元分析,其结果对塔式起重机的后续分析有重要意义。关键词：塔式起重机;静态分析;有限元分析StaticfiniteelementanalysisofwholestructureoftowercraneABSTRACT:Towercranesarethemodernconstructioncraneinamajor,widelyusedinindustry,andbridgeconstructionworkandotherprojects.Trussrodbecauseofitsmorecomplicatedbythetraditionalmethod,butaccuracyisnotguaranteed.Accordingtotheactualstructureoftowercranes,usingANSYSmodelinganditsanalysisoftheoverallstructure.Inthemodelingprocess,simplifythestructureoftowercranes,unitselection,loadapplied,etc.discussedandanalyzed,andonthisbasis,thestaticfiniteelementanalysis,theresultsofthefollow-upanalysisofthetowercraneisimportant.KEYWORDS:towercrane;staticanalysis;finiteelement；1前言 11.1本次毕业设计课题的来源、意义 11.2本课题的国内外动态 11.3本设计的主要内容内容 22塔式起重机的简介 32.1塔式起重机的产生历史及特点 32.2塔式起重机的分类及构成 42.3塔式起重机的发展状况 42.4塔式起重机的发展趋势 53有限元法及有限元软件ANSYS 63.1有限元的基本理论 63.1.1有限元法的发展历史 63.1.2有限元法的计算思路 63.1.3有限元法的优越性与局限性 73.2国内外有限元软件发展概况 83.2.1国外有限元软件发展概况 83.2.2我国有限元软件的发展情况 93.3大型有限元软件ANSYS概述 93.3.1ANSYS软件的介绍 103.2.2ANSYS主要技术特点 113.3.3应用领域 113.3.4ANSYS软件的分析过程 113.4ANSYS参数化语言APDL 133.4.1APDL简介 133.4.2APDL功能描述 134QTZ40型塔式起重机静态分析 154.1QTZ40型塔式起重机的主要参数 154.1.1定义材料属性 154.2QTZ40塔式起重机结构的有限元分析过程 154.2.1在前处理器中建立有限元分析模型 16塔机结构分析的简化 16选择单元类型 16建立几何模型 164.2.2施加载荷和约束 184.2.3在通用后处理器中进行结果分析 19强度分析 19刚度分析 205小结 22参考文献 23致谢 24外文翻译 25PAGE411前言1.1本次毕业设计课题的来源、意义随着国民经济和现代化建设的不断发展，高层建筑越来越多，建筑高度也越来越大，使得塔式起重机成为不可缺少的重要施工机械。塔式起重机作为各种工程广泛应用的重要起重设备，其计算方法和分析手段同样是不容忽视的。但传统计算方法由于受限于理论和手段的匮乏，相对简化过大，计算结果精度较差等一系列弊病的存在，为了改进这些问题，目前基本采用基于有限元软件作为平台，用有限元法做为计算手段。这些应用软件包括：ANYSYS、ALGOR、MSC／NASTRAN等，对塔式起重机的设计起到积极的作用。现代工业建设的迅速发展和市场竞争的加剧，要求塔机的起重力矩不断增大、工作速度不断提高，起升高度不断加大，同时又要求机械结构尽量轻，尽量降低加工制造成本，所以对塔机进行局部分析和静强度分析己经不能满足塔式起重机设计和使用的要求。近几年，国内外学者应用有限元软件对塔式起重机的重要组成部分进行了各种分析，如起重臂危险点的确定及稳定性的分析，平衡臂的静态分析及模态分析，回转台的计算和分析，塔机臂架销轴连接进行有限元分析，十字底架的受力分析等等，这些分析使得塔式起重机使用起来更加高效，更加安全。塔式起重机是一种短周期循环工作的机械，它的性能如何取决于整机的性能，所以仅仅对局部构件进行分析是不够的，但因为塔式起重机结构复杂，工况多样，所以现阶段对塔机进行整机结构分析大多停留在静态分析阶段。随着现代科学技术和现代机械设计方法的迅速发展，机械产品的设计和生产己经进入一个崭新的阶段，主要表现为从局部环节设计到系统综合设计，从常规设计到可靠性设计，从简单类比设计到计算机优化设计，从静态设计到动态设计。而静态设计为结构设计提供科学的依据。本论文针对塔式起重机桁架结构进行静力学分析，计算各工况下的机构的强度、刚度和稳定性。找出一种实用的计算方法，为结构设计提供依据。1.2本课题的国内外动态从20世纪70年代末，80年代初开始,国内开始采用有限元方法对起重机械进行研究，国外对这方面的研究更早。其中对塔机各部分进行了大量的研究,例如,对塔机起重臂进行了有限元模态分析及动态分析,对塔机臂架销轴连接进行有限元分析,对塔机进行动态响应和测试,利用ALGORFEAS软件对塔机结构进行动态分析,对塔机十字型底架的受力计算,对塔机回转平台的有限元分析等。目前对塔机各部件都有研究,但对塔机整体结构的研究还停留在静态分阶段。所以塔机整机在复杂工况下仍然常常发生事故，对塔机进行整机动态分析是研究领域一种趋势。1.3本设计的主要内容内容QTZ40型塔式起重机全部采用空间桁架结构，由于杆件多，机构相对复杂采用传统计算方法繁琐，而且精度难以保证，为了尽量克服这些缺点，保证结构安全，所以选用有限元分析软件ANSYS对其进行以下分析。(1)对塔式起重机金属结构进行几何建模，建立有限元模型(2)进行有限元强度和刚度的静力分析，生成应力、应变云图。2塔式起重机的简介2.1塔式起重机的产生历史及特点塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。据记载，第一项有关建筑用塔机专利颁发于1900年。1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1923年制成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1930年当时德国已开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1941年，有关塔机的德国工业标准DIN8770公布。该标准规定以吊载(t)和幅度(m)的乘积(tm)一起以重力矩表示塔机的起重能力。我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步,相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气,上海波赫驱动系统有限公司我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。从塔机的技术发展方面来看，虽然新的产品层出不穷，新产品在生产效能、操作简便、保养容易和运行可靠方面均有提高，但是塔机的技术并无根本性的改变。塔机的研究正向着组合式发展。所谓的组合式，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔身分解成若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理再将各部分划分成若干模块。根据参数要求，选用适当模块分别组成具有不同技术性能特征的塔机，以满足施工的具体需求。推行组合式的塔机有助于加快塔机产品开发进度，节省产品开发费用，并能更好的为客户服务。塔机分为上回转塔机和下回转塔机两大类。其中前者的承载力要高于后者，在许多的施工现场我们所见到的就是上回转式上顶升加节接高的塔机。按能否移动又分为：走行式和固定式。固定式塔机塔身固定不转，安装在整块混凝土基础上，或装设在条形式X形混凝土基础上。在房屋的施工中一般采用的是固定式的。如图2.1示： 图2.1固定式塔式起重机2.2塔式起重机的分类及构成按有无行走机构可分为移动式塔式起重机和固定式塔式起重机。移动式塔式起重机塔身固定于行走底架上，可在专设的轨道上运行，稳定性好，能带负荷行走，工作效率高，因而广泛应用于建筑安装工程。固定式塔式起重机根据装设位置的不同，又分为附着自升式和内爬式两种。内爬式起重机在建筑物内部（电梯井、楼梯间），借助一套托架和提升系统进行爬升，顶升较繁琐，但占用结构用钢少，不需要装设基础，全部自重及载荷均由建筑物承受。附着自升塔式起重机能随建筑物升高而升高，适用于高层建筑，建筑结构仅承受由起重机传来的水平载荷，附着方便，但占用结构用钢多。按起重臂的构造特点可分为俯仰变幅起重臂和小车变幅起重臂塔式起重机。俯仰变幅起重臂塔式起重机是靠起重臂升降来实现变幅的，其优点是：能充分发挥起重臂的有效高度，机构简单，缺点是最小幅度被限制在最大幅度的30%左右，不能完全靠近塔身，变幅时负荷随起重臂一起升降，不能带负荷变幅。小车变幅起重臂塔式起重机是靠水平起重臂轨道上安装的小车行走实现变幅的，其优点是：变幅范围大，载重小车可驶近塔身，能带负荷变幅，缺点是：起重臂受力情况复杂，对结构要求高。按塔身结构回转方式可分为下回转和上回转塔式起重机。下回转塔式起重机将回转支承、平衡重主要机构等均设置在下端，其优点是：塔身所受弯矩较少，重心低，稳定性好，安装维修方便，缺点是对回转支承要求较高，安装高度受到限制。上回转塔式起重机将回转支承，平衡重，主要机构均设置在上端，其优点是由于塔身不回转，可简化塔身下部结构、顶升加节方便。缺点是：当建筑物超过塔身高度时，由于平衡臂的影响，限制起重机的回转，同时重心较高，风压增大，压重增加，使整机总重量增加。以上塔式起重机各有优缺点，但目前使用范围最广泛，构造较为典型的仍然是平臂上回转自升式塔式起重机。本论文所要研究的正是此类起重机的一种，既QTZ40型平臂上回转自升式塔式起重机。塔式起重机主要由机械部分、金属结构和电气三大部分所组成。机械部分是指起升、运行、变幅和回转等机构；电气是起重机械动作的能源，各机构都是单独驱动的。金属结构是构成起重机械的躯体，是安装各机构和支托它们全部重量的主体部分。2.3塔式起重机的发展状况自上世纪80年代以来，我国塔机行业得到快速发展，尤其近几年，塔机销量持续攀高，2001年行业统计销量9738台，2002年成为世界上首个塔机年产量突破10000台的国家。2004年，由于宏观调控作用以及起重机行业的结构调整，塔机的产销量有所回落，2005、2006年，在经济高速增长的强力拉动下，我国塔机的产销恢复高速增长，2006年销量已超过2万台。由于行业管理及统计的局限性，塔机产销量历来是一个大家都想知道而谁也说不清的数字，因为行业统计只统计了二三十家生产企业的销量，全行业销量肯定远远超过统计数字，本文根据调查的部分业内专家给出了估计数字，见表1.1。勿庸置疑，我国已成为世界民用塔机的生产大国，也是世界塔机主要需求市场之一。据初步统计，目前我国取得生产许可证的塔机生产厂达40余家。表1.1国内塔机产量统计50年代60年代70年代80年代90年代2001-2006年产量(台)748473882888963694915002.4塔式起重机的发展趋势（1）向大型化、高效率化、无保养化和节能化发展。（2）向自动化、智能化、集成化和信息化发展。将机械技术和电子技术相结合，将先进的电力电子技术、液压技术应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化和智能化，以适应多批次少批量的柔性生产模式。（3）向成套化、系统化、综合化和规模化发展。（4）向模块化、组合化、系列化和通用化发展。（5）向轻型化、简易化和多样化发展。（6）采用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能。结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。（7）采用新理论、新方法、新技术和新手段提高设计质量。进一步应用计算机技术，不断提高产品的设计水平与精度。开展对起重运输机械载荷变化规律、动态特性和疲劳特性的研究，开展对可靠性的试验研究，全面采用极限状态设计法、概率设计法、优化设计和可靠性设计等，利用CAD提高设计效率与质量，与计算机辅助制造系统相衔接，实现产品设计与制造一体化。3有限元法及有限元软件ANSYS3.1有限元的基本理论3.1.1有限元法的发展历史对于许多工程问题，不可能获得解析的数学解。以前，为了获得解析解，人们不得不作多到难以承受的假设和简化，以至于所得结果只能适用于最简单的情况。现在，对于材料性质和边界条件较复杂的问题,工程师就可以依靠数值方法给出近似的、较令人满意的答案。有限元法就是这样一种数值方法。从数学角度来看，有限元法基本思想的提出，可以1943年Courant的开创性工作为标志。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题。但由于当时计算条件的限制，这种方法并没有收到足够的重视。从应用角度看，有限元法的第一个成功应用者是Turener和Clough等人。他们在分析飞机结构时用有限元法第一次得出了平面应力问题的正确答案。Clough又进一步应用有限元法处理了平面弹性问题。半个世纪以来随着电子计算机的广泛应用，有限元法不仅成为进行工程结构分析的重要数值方法，而且被广泛应用于固体力学的各个分支，甚至流体力学、热传导、电磁场、地质力学、生物力学等领域中，从结构计算扩展到结构优化设计，并向更高设计自动化方向发展。有限元法的发展借助于两个重要工具：其理论指导采用矩阵方法，在实际计算中则采用电子计算机。因此，在有限元法中，有限元、矩阵、计算机是三位一体的。理论上确认有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。建立了其基本的理论基础：基于变分原理的里兹(Ritz)法。而基于变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是前者假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。60年代以后，人们在有限元法中主要应用伽辽金(Galerkin)法，利用加权余量的方式来确定单元特性和建立有限元求解方程。这使得在不存在变分泛函的情况下也可以应用有限元法了，从而大大扩充了其使用范围。3.1.2有限元法的计算思路有限元法是将连续体结构分成有限个单元，每个单元以节点相连，两相邻单元共用节点的位移、斜率、曲率必须一致，而两节点之间的位移则同节点的位移和变形函数相关。将载荷作用于节点，不论结构多么复杂，利用有限元法将其离散化，建立的方程式均为统一的矩阵形式，以静态强度分析为例，系统方程式如式（2.1）所示。其中[K]为刚度矩阵，表示节点载荷{F}与节点自由度位移{q}的相关性。[K]{q}={F}（2.1）有限元法将结构分割成单元结合在一起的网架结构，相邻元素共用相同的节点,元素内部的变形位移量近似的以节点位移量的内插函数表达。作用在结构上的外力力矩作用在节点上，因此由节点的作用效应及节点反应关系式构成了结构的离散化方程式，在已知作用外力及力矩时，求解此方程式，得到结构在各节点的位移。其分析计算的思路和做法可归纳如下：(1)物体离散化:将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称为单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点互相连接起来;单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定。一般情况，单元越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。所以有限元中分析的结构已不是原来的物体或结构体而是同样材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目足够多而又合理，则所获得的结果就与实际情况足够接近。(2)单元特征分析：在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算机自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采取一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常,有限元法中我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式。这是单元分析中的关键一步，此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。这是有限元法的基本步骤之一。一般来说，建立刚度阵的方法有：直接方法、虚功原理法、能量变分原理方法等。物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另外一个单元。但是对于实际的连续体,力是从单元的公共边界传递到另外一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去,也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。(3)单元组集：利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体有限元方程。(4)求解未知节点位移：求解有限元方程可求出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。3.1.3有限元法的优越性与局限性有限元法能够得到迅速的发展与越来越广泛的应用，除高速电子计算机的出现与发展提供了充分有利的条件外，还与有限元法所具有的优越性是分不开的。有限元法的优越性主要有：(1)在固体力学及其他连续体力学中,只有一些特殊类型的位移场和应力场才能求得微分方程式的解。对于多数复杂的实际结构得不到解。而有限元法对于完成这些复杂结构的分析是一种十分有效的数值方法。有限元法是利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的计算，虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状和大小，可使近似解达到满意的精度。(2)有限元法另一个优点在于引入边界条件的方法简单，边界条件不需要进入单元有限元的方程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进。所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数。而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，这对编制通用化的程序带来了极大的简化。(3)有限元法不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料性质问题，例如材料的各向异性，非线性，随时间或温度而变化的材料性质问题。另外它还可以解决非均质连续介质的问题。其应用范围极为广泛。有限元法通常采用矩阵表达形式，非常便于编制计算机程序，从而适应于电子计算机的工作。有限元法的局限性主要有：(1)有限元法的应用与电子计算机紧密相关，它与计算机质量与速度取决于计算机的储存容量和速度，先进的计算机将有利于有限元的发展。(2)有限元法作为一种计算方法已经达到了成熟的程度，但在具体应用中还有不小的差距,特别对于一些复杂的问题，如固体力学领域中断裂形态，接触问题与其他领域中的瞬态问题的数值解，目前虽有进展但还不能十分令人满意，需进一步研究。(3)目前在许多有限元通用程序中，增加了前、后处理功能，网络能自动生成或分割，有利于更广泛的应用和推广。尽管结构的网络分割与准备输入数据的工作在某种程度上可以自动化，但还不能全靠计算机实现，因为在离散化过程中，还必须根据不同的要求来决策。在输入数据中，如有差错，且未被发现，将会导致错误计算结果，而且往往较难发现，带来不少麻烦。3.2国内外有限元软件发展概况3.2.1国外有限元软件发展概况有限元是在电子计算机的基础上发展起来的，仅仅了解有限元法的原理和解题步骤，如果没有电子计算机的计算程序，那是解决不了实际问题的，而自己着手去编制有限元程序也是不现实的，而且也是没有必要的。因为现在的商业化有限元软件已经很多，很成熟，而且所能解决的范围非常广泛,从结构，动力，热平衡到电磁场，核子等诸种情况均有非常成熟的软件。比较常用的有：SAP,ADINA,ASKA,NASTRAN,ANSYS等。SAP(structuralAnalisis,Pragram)——结构分析程序。它由美国贝克莱加利福尼亚大学研制，该程序可处理空间桁架、刚架、平面应变、平面应力、轴对称、等参元、薄板、薄壳、三维固体、厚壳、管单元等问题。它的功能有信息处理，静力分析，动力分析，绘图，带宽优化，计算几何刚度等。ADINA(AFiniteElementProgramForAutomaticDynamicIncrementalNonlinearAnalysis)——自动动力增量非线性分析有限元程序。它是由美国麻省理工学院机械工程系研制。单元库中有梁、平面、板壳、三维板体、轴对称、厚板等单元。它可处理非线性问题，与温度有关的问题。ASKA(AutomaticSystemKinematicAnalysis)——自动动力分析系统。它是由德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所研制。NATTRAN(NASAStructuralAnalysis)——NASA结构分析程序。它由美国国家航空和宇航局研制。它可供各种结构分析之用。其功能包括热力分析，瞬态载荷与随机激振的动态响应分析，实特征值与复特征值计算，以及稳定性分析，还有一定的非线性分析能力，可用于计算机系统。在众多可用的通用和专业有限元软件中，ANSYS是最为通用有效的商业有限元软件之一。在多次用户调查中，ANSYS都名列前茅。ANSYS软件从70年代至今，经过30多年的发展，已经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水平，功能丰富，用户界面友好，前后处理和图形功能完备的，使用高效的有限元软件系统。它拥有丰富和完善的单元库，材料模库和求解器，保证了它能够高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳定和瞬态热分析及热－结构耦合问题，静态和时变电磁场问题，压缩和不可压缩的流体力学问题，以及多场耦和问题；它的友好的图形用户界面和程序结构使用易学易会；它的完全交互式的前后处理和图形软件，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计算机结果的工作量；它的统一和集中式的数据库，保证了系统各个模块之间的可靠和灵活的集成，它的DDA模块实现了它与多个CAD软件产品的有效连接；ANSYS系统的各种产品和适应于各种计算机平台的版本，为用户提供了各种可能的选择。ANSYS公司的不懈努力，已经使ANSYS成为计算机辅助工具和工程数据模拟的最有效的软件，成为当代CAD/CEA/CAM主流产品之一。3.2.2我国有限元软件的发展情况我国在60年代初期已将矩阵分析用于解决飞机结构的强度问题，但由于电子计算机发展较迟，故受到一定的影响。70年代有限元法才开始在国内得到应用与推广，随后在航空工业、造船工业、机械工业、水利工业、建筑工业、石油化工等部门得到广泛应用与发展，总的来说对静态分析方面做的工作较多,尤其是70年代，根据我国当时计算机容量小的情况，在力求用小的国产机器解决大题目方面做了不少工作，取得了一些成果。进几年来在动态和非线性方面，流体力学与电磁场方面也开展了不少的工作，取得了很好的成绩。3.3大型有限元软件ANSYS概述3.3.1ANSYS软件的介绍有限元法是一种采用电子计算机求解复杂工程结构的非常有效的数值方法，是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统，该系统由节点及单元组合而成，以取代原有的工程系统。有限元系统可以转化成一个数学模式，并根据数学模式，进而得到该有限元系统的解答，并通过节点、单元表现出来。完整有限元模型除了节点、单元外，还包含工程系统本身所具有的边界条件、约束条件、外力负载等。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点,故在短短多年间已广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，成为现代机械产品设计中一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展核软、硬件环境的不断完善以及高档微机核计算机工作站逐步普及,从而为ANSYS的推广应用创造了良好的条件，并将展示出更为广阔的工程应用前景。ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之之一的的美国ANSYS开发,它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。美国JohnSwanson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。ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂,受的负载也相当多,理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛,在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。到20世纪80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS,NASTRAN等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的12.0版本已有很大的不同,起初它仅提供结构线性分析和热分析,现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为现代工程学问题必不可少的工具。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是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。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院17个部委推广使用。3.2.2ANSYS主要技术特点ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包,其特点(1)数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果,实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。（2）强大的建模能力。SNSYS具备三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型.(3)强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器,用户可以根据分析要求选择合适的求解器。（4）强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能,可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析.（5）智能网格划分。SNSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。（6）良好的优化功能。（7）良好的用户开发环境。3.3.3应用领域ANSYS的应用可分为国防和民用两大类,主要有：汽车、飞机、火车、轮船等运输工具的碰撞分析；金属成型、金属切割；汽车零部件的机械制造；塑料成型、玻璃成型；生物力学；地震工程；消费品、建筑物、高速结构等的安全性分析；点焊、铆焊、螺栓连接；液体6结构相互作用；运输容器设计；内弹道发射对结构的动力响应分析；终点弹道的爆炸驱动和破坏效应分析；军用新材料（包括炸药、复合材料、特种金属等）的研制和动力特性分析；超高速碰撞模拟分析等等。ANSYS在机械的应用。ANSYS可以对机械结构的静、动态力学特性进行分析。静力分析是用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为，例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。模态分析是计算线性结构的自振频率及振形。谱分析是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变。在机械构动力学分析中，利用弹性力学有限元建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应。3.3.4ANSYS软件的分析过程ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理三个部分组成。如下图示：ANSYS分析流程（1）前处理双击实用菜单中的Preprocessor,进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容:实体建模和网格划分。ANSYS程序提供了两种实体建模方法:自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时,用户定义一个模型的最高级图元,如球、棱柱，称为基元,程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型,如二维的圆和矩形以及三维的块、锥和柱。无论使用自顶向下还是球、自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线自动倒角生成、用于网格划分与面的自动相交运算、的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括4种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格.ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的,可对复杂模型直接划分,避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后,用户指示程序自动地生成有限元网格,分析、估计网格的离散误差,然后重新定义网格大小,再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。（2）加载及求解在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。载荷的含义有：自由度约束位移、节点力（力，力矩）表面载荷压力、惯性载荷（重力加速度，角加速度）。可以在实体模型或FEA，（有限元分析）模型（节点和单元）上加载。直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局部网格修改不影响载荷；同时加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。但要注意：无论采取何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此,加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。（3）后处理后处理阶段是对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果（如应力）在模型上的不同的等值线颜色，代变化情况可用等值线图表示，表了不同的值（如应力值）。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区（如应力范围）清晰地反映了计算结果的区域分布情况。另外还可以检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。3.4ANSYS参数化语言APDLANSYS参数化设计语言（APDL）是一种可用来完成有限元分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。本设计就是以通用有限元软ansys的内部命令和参数化编程语言APDL为基础,研究了塔式起重机结构的参数化建模问题,设计了针对塔式起重机差异模型的参数化建模程序,通过对程序中结构尺寸参数和结构形式参数的修改和赋值,完成具有相似结构的塔式起重机的建模和分析。3.4.1APDL简介进行有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷，求解和解释结果，假如求解结果表明有必要修改设计，例如在建模时，就必须重复定义节点位置，特别当模型较复杂或修改较多时，这个过程可能很复杂和费时的。ANSYS参数化设计语言(APDL)用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成上述循环的功能，也就是说程序的输入可设定为根据指定的函数，变量以及选出的分析标准作出决定。APDL允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权；例如尺寸，材料，载荷，约束位置和网络密度等。APDL扩展了传统有限元分析范围以外的能力，并扩充了更高级运算，包括灵敏度研究，零件库参数化建模，设计修改及设计优化。APDL的功能主要有：参数；数组参数；表达式和函数；分支和循环；重复功能和缩写；宏；用户函数；这些功能可根据需要单独或同时使用。3.4.2APDL功能描述APDL允许用户通过指定或程序计算给变量(参数)赋值，ANSYS运行中的任一时刻都能定义参数。另外，可将参数保存或其它运行和报告使用。参数性能提供了对程序进行控制和简化数据输入的有效方法。参数可以定义成常数值，也可以用参数表达式的当前值定义，甚至可以是一个字符串。参数的名称必须以字母开头，可以包含数字和下划线或命令。定义参数的参数表达式可以包括典型的数值运算和FORTRAN函数。除了用户指定的参数外，ANSYS计算出的值也可以赋给参数，*GET命令(GUI：UtilityMenu>GetScalarData)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，关键点的坐标或计算的应力和温度值。工程分析所需要和所产生的数据类型，有时用表格形式更易理解。ANSYS数组参数的功能使这类数据的处理很方便。定义数组参数，首先明确它的类型和维数，数组参数是定义成矩阵形式的多维数组。它们可以是一维、二维或三维。数组参数可以具有用户定义的，也可以具有ANSYS计算出的值。用户定义的数组能在ANSYS中直接键入或从现在的数据文件读入。智能分析需要一个做决定用的框架，利用分支和循环性把这个框架提供给ANSYS程序，循环使用户避免了冗长的命令重复，而分支为用户提供了控制程序全局和指导程序完成的分析和能力。分支利用FORTRAN的GO和IF语句引导程序按非连续读取命令，GO命令指示程序转到用户标定的输入行，IF命令是条件转移语言，只有当满足指定条件时，该命令才指示程序转到另一行。ELSE语句也有效，它指示程序根据现有的条件去执行几个动作的一个，IF命令可以包含用户指定或ANSYS计算出的参数评估条件。最简单的分支命令，*GO，指引程序转到特定的标记而不执行中间部分的命令。最常见的分支结构为IF-then-else,使用*IF，*ELSEIF和*ENDIF。分支命令能引导程序根据实际或分析作决定，该命令允许带参数，且允许部分输入值随计算出的某些量值改变。循环通过典型的DO循环指令实现，这个指令指示程序重复一串命令，循环的次数有记数器或其它循环的控制器来控制，控制器完全根据给定条件的状态来决定程序是继续循环还是退出循环。重复功能通过去除命令串中是不必要的重复来简化命令输入，在一个输入序列中键入重复命令*REPEAT时，程序立即将前面的命令重复执行指定的次数。被重复的命令执行起来就像它是输入的一样，每重复一次，命令变量就会增加。这些功能可大大简化模型构造，在模型开发中可以重复功能产生节点、关键点、线段、边界条件及其它模型属性。缩写能用于简化命令输入，一旦一个缩写定义好，就能在命令流的任何地方使用。ANSYS的APDL语言其它项功能就不详细介绍了，因为在本论文中不会用到它们。在后面的优化设计中主要用到参数和分支、循环语句。4QTZ40型塔式起重机静态分析4.1QTZ40型塔式起重机的主要参数QTZ40自升塔式起重机是我公司在总结各种系列自升塔式起重机成功经验的基础上，吸收国内外最新科技成果和先进技术研制成的新一代自升塔式起重机。该机为水平臂架、小车变幅、上回转、液压顶升的自升塔式起重机。起重臂长有50m、44m、二种；最大起重量为5t，平衡臂长为9.95m，塔顶高5.748m,额定重力矩为400KN.m(40t.m)。该机固定式起升高度为31.1m，附着式起升高度为60/120m，适用于28层以下的高层建筑和居民住宅的施工。该机的作业空间大，可以小代大，大大降低施工设备的台班费用，是节约能源，节约钢材，减少运输量的理想的建筑施工用起重机械。塔机的升高加节，采用液压顶升，使塔机在一定高度范围内，根据建筑施工的需要自由升降，并能保持塔机的起重性能的稳定。司机室安装在塔机上部，视野开阔，操作舒适便捷。塔机设有各种安全保护装置，包括起重力矩限制器、最大起重量限制器、回转限位器和变幅限位器等，从而保证了塔机的安全运作。QTZ40自升塔式起重机参数先进,性能可靠,造型美观,结构合理,质量精良，其设计思想既注重量大面广的中小建筑施工单位的要求，具有简单实用价格合理的突出优点又能适应高层住房和高层工业建筑的施工要求。4.1.1定义材料属性根据起重机设计手册，起重机金属机构选择材料的原则，通常考虑下列因素：(1)金属结构的类型；(2)金属结构的载荷性质；(3)金属结构的工作温度；(4)金属结构的工作环境。塔式起重机金属结构通常选用普通碳素结构钢塔式起重机结构主要采用Q235A碳钢，弹性模量为212Gpa，泊松比为0.288，密度为7.86×103kg/m3。4.2QTZ40塔式起重机结构的有限元分析过程对于不同的分析目的就会存在不同的模型化方法。可以把“不同的分析目的”用“视点的变化”来表现，在分析结构整体变化时的情况把视点放置于远方的场合，在分析结构局部变化时的情况把视点放置于拉近时的场合。本文主要分析结构整体的变化，所以把视点放置于稍微远的地方，看到的塔式起重机就是由许多细长的构件组合而成的框架结构。当然如果要考虑其局部结构变化，可以把塔式起重机用三维实体单元来模型化。4.2.1在前处理器中建立有限元分析模型塔式起重机包括塔身、顶升机构、回转机构、司机室和回转台、平衡臂、塔顶撑杆、起重臂、起升机构、变幅机构、变幅小车和起升吊钩等部分。建立正确而可靠的塔式起重机结构模型是一项非常重要而且繁杂的工作，它不仅关系到计算结果的正确与否，而且直接影响着以后的各项工作，因此需要花费大量的时间和精力，根据实际计算经验，建立有限元模型的工作量一般要占整个分析工作的70-80%。实际塔式起重机的结构非常复杂，除了大量的梁杆结构之外，还有板壳结构、杆结构等，支承边界条件形式多种多样，载荷种类和组合也较多，因此分析一台实际塔式起重机必须对其进行一定的简化，忽略次要因素，建立既能反映实际情况又便于计算分析的结构动力模型。塔机结构分析的简化由于回转支承结构等实体部件相对塔机整体结构而言几何尺寸较小，而刚度较大、质量较为集中，当对塔机结构进行整体分析时，可以将回转支承结构等实体部件采用梁杆单元进行等效，使塔机的整体分析中只包含梁单元．避免了具有不同结点自由度的梁单元和板壳单元的联接问题。另外，一般塔机都具有几百甚至几千根杆件，其输人数据文件已经很大，如果再同时分析回转机构的板壳结构，更将大大增大数据文件，甚至超出了汁算机的工作能力。在做完整体分析之后，再将整体分析中得到的等效单元的结点力作为外载荷．采用板壳单元单独分析回转机构。根据设计规范的规定，塔机必须工作在材料弹性范围内，且对一般的中小型塔机的分析不必考虑非线因素，因此本文只讨论线性分析。选择单元类型ANSYS提供了多种梁杆单元，在塔机分析中主要应用梁单元，杆单元，壳单元及集中质量单元。塔机是一种空间结构，ANSYS软件提供的常用弹性三维梁单元有BEAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189，它们都有各自的特点，能满足不同的分析要求。塔机结构中有许多较短的杆件，如塔身接头、吊臂接头等都属于深梁，用普通梁单元建模会带来较大的误差，所以塔机分析应使用BEAM188单元(线性梁单元)。BEAM188单元其形函数中挠度和截面转动各自独立插值，并考虑了剪切变形的影响。建立几何模型在ANSYS中有两种方法来建立有限元几何模型：(1)直接生成法；(2)实体建模法。直接生成法，是一种简单的方法，本文采用该方法。使用命令流编程，这样便于修改，而且节省时间。先建立节点，再生成单元。本文计算分析对象为QTZ40塔式起重机，将塔身、起重臂、平衡臂，过度节的每个结构件连接点作为一个节点，塔身标准节之间连接点作为一个节点，吊臂各节销轴连接处也作为一个节点。整个塔机有限元模型一共有个999个节点，1388个单元。整个QTZ40塔机的有限元模型如图4.1,4.2所示，塔式起重机的起重臂和塔身如图4.3,4.4所示。图4.1塔式起重机的轴测图图4.2塔式起重机的左视图图4.3塔机的起重臂图4.4塔机的塔身4.2.2施加载荷和约束进行有限元计算时，模型的约束方式必须满足的条件是：保证结构不产生刚体位移，也就是说必须有足够的自由度约束，以保证结构的刚度矩阵为满秩矩阵，从而使整体刚度方程有唯一解。塔式起重机主要承受的载荷如下：1）塔式起重机自重以重力加速度的方式加到每个单元上。2）在塔臂配重端施加的配重以集中载荷的方式加到配重端的节点上。3）在塔臂最前端承受的吊重以集中载荷的方式加到前端的节点上，载荷为5T。4）固定塔身底部约束塔身底部的四个结点的所有自由度。在本次分析中忽略其它作用力对塔式起重机的影响。施加载荷和约束后的模型如4.5所示：4.2.3在通用后处理器中进行结果分析进入后处理器POST1(MainMenu>GeneralPostproc)，后处理通过图形或列表方式显示分析结果，通用后处理用于观察在指定的载荷步的整个模型结果。由于直接在ANSYS里建立的有限元模型，模型里的单元和节点数目相对实体模型来说都很少，其计算过程很简单，不会花费很长时间在求解过程。求解完成以后，分别对该结构的强度和刚度分析如下：强度分析根据强度理论，结构应具有足够的强度，以保证在规定的使用条件下不发生意外断裂或显著塑性变形,所以对结构进行强度分析是必要的。该结构使用的材料为塑性材料,对于塑性材料,其屈服应力σs小于强度极限,故通常以屈服应力作为极限应力。Q235A碳钢的屈服应力值为235MPa,按屈服应力所规定的安全因素ns,通常取为1.5～2.2,在这取ns=1.5。可得许用应力[σ]=σs/ns＝156.7MPa式中———第一主应力；———第二主应力；———第三主应力；———第四强度理论的相当应力。根据ANSYS的计算结果,最大等效应力即相当应力值为126.98MPa,位置如图4.6中所示。图4.6塔式起重机的等效应力云图=126.98MPa=156.7MPa,,可知该结构的强度满足要求,储备较大。从图中可以看出最大应力发生在塔式起重机立着的部分，为了使结构更为合理，可以对局部结构进行修改。对于塔式起重机这类超静定结构，切不可在缺少理论根据的前提下,采取简单办法去盲目的局部加强、加固。以免造成超静定结构内力的重新分配而形成新的危险区域。即使是局部焊补加固，也需要在一定的理论分析的基础下选择合适的部位，以免造成只降低了最大应力而没有改善应力集中的情况，实际的隐患并没有消除。刚度分析在结构设计中,除应满足强度要求外,具有足够的刚度也非常重要。将塔式起重机看作为外伸梁，对于梁的刚度条件为要求梁的最大挠度与最大转角分别不超过各自的许用值，起重机的臂架在变幅平面内相当于简支刚架，而在回转平面内为悬臂刚架，其在回转平面内的变形是主要的，故以臂端在回转平面内的许用刚度为整个臂架的许用刚度：==1.75m根据ANSYS计算结果如图4.7和塔机金属结构静态分析变形图4.8，刚度满足要求。图4.7位移云图图4.8塔机金属结构静态分析变形图5小结通过以上的分析，我们可以得到如下的结论：1）由以上分析，可以清楚地看到塔机所受到的最大、最小应力和结构变形情况，从而找出其危险点，为进一步改进结构提供了理论依据。2）有限元分析法是结构分析的快速有效的方法，特别是有限元分析软件的应用使复杂工程问题求解变得简单。参考文献【1】刘相新,孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M]，北京：科学出版社，2006，181-396.【2】邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册，北京：人民邮电出版社，2007,1.【3】巴特.有限元分析中的数值方法[M]，北京：北京科学技术出版社，2000,11-12.【4】胡宗武等.起重机设计计算[M]，北京：北京科学技术出版社,2005,15-21.【5】起重机械[M]，上海：上海交通大学出版社，1990,10-12.【6】陈精一,蔡国忠.电脑辅助工程分析—ANSYS使用指南[M]，北京；中国铁道出版社，2001,21-22.【7】岳中第等.基于ANSYS二次开发的整体结构分析技术[D]，成都：2000年ANSYS年会论文集，2000.【8】宋子康.材料力学.上海:同济大学出版社.致谢外文翻译DimensionalTolerancesandSurfaceRoughnessBecauseofthehighlycompetitivenatureofmostmanufacturingbusinesses,thequestionoffindingwaystoreducecostiseverpresent.Agoodstartingpointforcostreductionisinthedesignoftheproduct.Thedesignengineershouldalwayskeepinmindthepossiblealternativesavailabletohiminmakinghisdesign.Itisoftenimpossibletodeterminethebestalternativeswithoutacarefulanalysisoftheprobableproductioncost.Designingforfunction,interchangeability,quality,andeconomyrequiresacarefulstudyoftolerances,surfaceroughness,processes,materials,andequipment.Toassuresoundandeconomicaldesignfromaproducbilitystandpoint,carefulconsiderationofthefollowinggeneraldesignrules—bothseparatelyandtogether—isofparamountimportance.Theorderofimportancemayvaryaccordingtodesignrequirements,orfactors,buttheoverallimportancealwaysremainsthesame.Seeksimplicity.Designformaximumsimplicityinfunctionalandphysicalcharacteristics.Determinethebestproductionmethod.Seekthehelpofaproductionengineertodesignforthemosteconomicalproductionmethods.Analyzematerials.Selectmaterialsthatwilllendthemselvestolow—costproductionaswellastodesignrequirements.EliminatefixTuringandhandlingproblems.Designforeaseoflocating,settingup,andholdingparts.Employmaximumacceptabletolerancesandfinishes.Specifysurfaceroughnessandaccuracynogreaterthanthatwhichiscommensuratewiththetypeofpartormechanismbeingdesigned,andtheproductionmethodormethodscontemplated.Dimensionaltoleranceandsurfaceroughnessplayanimportantpartinthefinalachievementorabsenceofpracticalproductiondesign.Acomprehensivestudyoftheprinciplesofinterchangeabilityisessentialforathoroughunderstandingandfullappreciationoflow—costproductiontechniques.Interchangeabilityisthekeytosuccessfulproductionregardlessofquantity.Detailsofallpartsshouldbesurveyedcarefullytoassurenotonlyinexpensiveprocessingbutalsorapid,easyassemblyandmaintenance.Itmustberememberedthateachproductionmethodhasawell-establishedlevelofprecisionwhichcanbemaintainedincontinuousproductionwithoutexceedingnormalbasiccost.

Economicmanufacturingdoesnot“justhappen.”Itstartswithdesignandconsiderspracticallimitsofmachinetools,processes,tolerances,andsurfaceroughness.Neitherdimensionaltolerancesnorsurfaceroughnessshouldbespecifiedtolimitsofaccuracycloserthanthosewhichtheactualfunctionordesignnecessitate.Thisisdonetoassuretheadvantagesoflowestpossiblecostandfastestpossibleproduction.

Withoutneedingtoknowhowtooperateaparticularmachinetoattainthedesireddegreeofsurfaceroughness,therearecertainaspectsofallthesemethodswhichshouldbeunderstoodbythedesignengineer.Knowledgeofsuchfactsasdegreeofroughnessobtainedbyanyoperation,andtheeconomicsofattainingasmoothersurfacewitheachoperation,willaidhimindecidingjustwhichsurfaceroughnesstospecify.Becauseofitssimplicity,thearithmeticalaverageRahasbeenadoptedinternationallyandiswidelyused.TheapplicationsofsurfaceroughnessRaaredescribedinthefollowingparagraphs.0.2μmThesurfaceroughnessisusedforthesurfaceofhydraulicstruts,forhydrauliccylinders,pistonsandpistonrodsforO-ringpackings,forjoumalsoperatinginplainbearings,forcamfaces,andforrollsofantifrictionbearingswhenloadsarenormal.0.4μmThesurfaceroughnessisusedforrapidlyrotatingshaftbearings,forheavilyloadedbearings,forrollsinbearingsofordinarycommercialgrades,forhydraulicapplications,forstaticsealingrings,forthebottomofsealing-ringsgrooves,forjournalsoperatinginplainbearings,andforextremetensionmembers.0.8μmThesurfaceroughnessisnormallyfoundonpartssubjecttostressconcentrationsandvibrations,forbroachedholes,gearteeth,andotherprecisionmachinedparts.1.6μmThissurfaceroughnessissuitableforordinarybearings,forordinarymachinepartswherefairlyclosedimensionaltolerancesmustbeheld,andforhighlystressedpartsthatarenotsubjecttoseverestressreversals.3.2μmThesurfaceroughnessshouldnotbeusedonslidingsurfaces,butcanbeusedforroughbearingsurfaceswhereloadsarelightandinfrequent,orformoderatelystressedmachineparts.6.3μmTheappearanceofthissurfaceroughnessisnotobjectionable,andcanbeusedonnoncriticalcomponentsurfaces,andformountingsurfacesforbrackets,etc.

FundamentalsofMechanicalDesign

Mechanicaldesignmeansthedesignofthingsandsystemsofamechanicalnature-machines,products,structures,devices,andinstruments.Forthemostpartmechanicaldesignutilizesmathematics,thematerialssciences,andtheengineering-mechanicssciences.

Thetotaldesignprocessisofinteresttous.Howdoesitbegin?Doestheengineersimplysitdownathisdeskwithablanksheetofpaper?And,ashejotsdownsomeideas,whathappensnext?Whatfactorsinfluenceorcontrolthedecisionswhichhavetobemade?Finally,then,howdoesthisdesignprocessend?

Sometimes,butnotalways,designbeginswhenanengineerrecognizesaneedanddecidestodosomethingaboutit.Recognitionoftheneedandphrasingitinsomanywordsoftenconstituteahighlycreativeactbecausetheneedmaybeonlyavaguediscontent,afeelingofuneasiness,orasensingthatsomethingisnotright.Theneedisusuallynotevidentatall.Forexample,theneedtodosomethingaboutafood-packagingmachinemaybeindicatedbythenoiselevel,bythevariationinpackageweight,andbyslightbutperceptiblevariationsinthequalityofthepackagingorwrap.Definitionoftheproblemmustincludeallthespecificationsforthethingthatistobedesigned.Thespecificationsaretheinputandoutputquantities,thecharacteristicsanddimensionsofthespacethethingmustoccupyandallthelimitationsonthesequantities.Wecanregardthethingtobedesignedassomethinginablackbox.Inthiscasewemustspecifytheinputsandoutputsoftheboxtogetherwiththeircharacteristicsandlimitations.Thespecificationsdefinethecost,thenumbertobemanufactured,theexpectedlife,therange,theoperatingtemperature,andthereliability.

Therearemanyimpliedspecificationswhichresulteitherfromthedesigner’sparticularenvironmentorfromthenatureoftheproblemitself.Themanufacturingprocesseswhichareavailable,togetherwiththefacilitiesofcertainplant,constituterestrictionsonadesigner’sfreedom,andhencearepartoftheimpliedspecifications.Asmallplant,forinstance,maynotowncold-workingmachinery.Knowingthis,thedesignerselectsothermetal-processingmethodswhichcanbeperformedintheplant.Thelaborskillsavailableandthecompetitivesituationalsoconstituteimpliedspecifications.

Aftertheproblemhasbeendefinedandasetofwrittenandimpliedspecificationshasbeenobtained,thenextstepindesignisthesynthesisofanoptimumsolution.Nowsynthesiscannottakeplacewithoutbothanalysisandoptimizationbecausethesystemunderdesignmustbeanalyzedtodeterminewhethertheperformancecomplieswiththespecifications.

Thedesignisaniterativeprocessinwhichweproceedthroughseveralsteps,evaluatetheresults,andthenreturntoanearlierphaseoftheprocedure.Thuswemaysynthesizeseveralcomponentsofasystem,analyzeandoptimizethem,andret