（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)論文）基于ansys的汽車(chē)起重機(jī)起重臂參數(shù)化設(shè)計(jì)研究.pdf

碩士研究生學(xué)位論文 摘 要 i 摘 要 隨著現(xiàn)代工程建設(shè)的增加，汽車(chē)起重機(jī)已經(jīng)成為施工中重要的起重設(shè)備，縮短產(chǎn)品結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)周期，也已成為汽車(chē)起重機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)展中的重要部分。對(duì)一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有 限元建模和分析時(shí)，所涉及到的參數(shù)量多，手工計(jì)算繁瑣，效率低且易出差錯(cuò)。因此，本 文利用 ansys 軟件的命令流功能，即 ansys 的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 apdl，建立汽車(chē)起重機(jī) 起重臂結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)起重機(jī)起重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程，在優(yōu)化汽 車(chē)起重機(jī)結(jié)構(gòu)，提高工作性能，降低其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本等方面具有一定的理論及實(shí)際意義。 本文在查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車(chē)起重機(jī)實(shí)際工作狀況進(jìn)行研究，依據(jù)起 重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb/t3811- 2008），選取汽車(chē)起重機(jī)的性能參數(shù)、起重臂的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 和載荷參數(shù)為特征參數(shù)；依據(jù)有限單元法基本理論，確定了汽車(chē)起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的 原則及處理方法，利用有限元分析軟件 ansys，建立了qy20 汽車(chē)起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)的有 限元分析模型；在此基礎(chǔ)上，基于 ansys 的二次開(kāi)發(fā)功能，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 apdl， 對(duì) qy20 汽車(chē)起重機(jī)的起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，并在典型工況下對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行了 有限元分析，獲得了相應(yīng)的應(yīng)力分布情況，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)起重機(jī)起重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。 根據(jù)對(duì)比參數(shù)化設(shè)計(jì)模型和利用菜單功能所建模型的應(yīng)力分布情況和最大應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)二 者結(jié)果一致，驗(yàn)證了汽車(chē)起重機(jī)起重臂參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程的有效性。選取對(duì)應(yīng)型號(hào)的汽車(chē)起 重機(jī)進(jìn)行起重臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，獲得了起重臂結(jié)構(gòu)在相應(yīng)工況下的應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果， 結(jié)果表明：參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程符合實(shí)際情況；最后，結(jié)合 vb（visual basic 6.0）的界面設(shè)計(jì) 功能，編制程序，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)起重機(jī)起重臂參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程的可視化，完善了汽車(chē)起重機(jī) 起重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)研究。 本文在汽車(chē)起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將參數(shù)化設(shè)計(jì)概念引入到有限元結(jié)構(gòu)分析 中，根據(jù)調(diào)整起重臂的特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生成分析模型并完成相應(yīng)的分析過(guò)程，縮減 了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，達(dá)到了起重臂結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的。 關(guān)鍵詞：汽車(chē)起重機(jī)；起重臂；參數(shù)化設(shè)計(jì)；a n s y s ；可視化 碩士研究生學(xué)位論文 abstract iii abstract along with modern engineering constructions increase, the truck crane already became an important hoisting equipment, shorten the cycle of the structure and properties of the design，it had also become truck crane to play an important part in modern design development. through the complex process of structural design of large- scale study found that the structure of a complex finite element modeling and analysis, the parameters of the quantity involved, very complicated formula, labor efficiency is very low and easy to go wrong. therefore, the thesis established truck crane boom structure parametric fem analysis system by the ansys parametric design language apdl, realize truck crane of hoist boom of parametric design process, in the optimization of the structure, raise work performance, reduce the cost of the product development has certain theoretical and practical significance. based on correlated domestic and foreign references, researched on the practical working condition of truck crane, according to crane design standard (gb/t3811- 2008), select truck crane performance parameters, crane boom structure size parameters and load parameters for the characteristic parameters; according to the basic theory of finite element method, determined the truck crane boom structure simplified principle and processing method, established the qy20 truck crane boom structure finite element analysis model by ansys. on this basis, based on secondary development function of ansys, qy20 truck crane boom structure of parameterized modeling, and carried out parametric model finite element analysis is in typical working conditions, obtained the corresponding stress distribution, realizing the truck crane boom of parametric design process. according to the contrast parametric design model and use menu functions the built model of the stress distribution situation and the maximum stress value, found that these two results are consistent, verifies the truck crane boom parametric design effectiveness of the process. choose corresponding type of truck cranes to carry crane boom of structural stress test testing, won the crane boom structure in the corresponding working conditions of stress test results. results show that: the parametric design process conform to the actual situation. finally, combined with the function of vb (visual basic 6.0) interface design, program composition with vb, r ealized the truck crane boom parametric design process of visualization, it has consummated to the truck crane boom parametrization modelling research. this thesis on truck crane boom structure design, parametric design concepts were introduced into the finite element structural analysis, according to adjust crane boom of the characteristic parameters, it realized automatic generating analysis model and finish the relevant analysis process, shrunk the product design cycle, reached crane boom structure parametric design purposes. iv abstract 碩士研究生學(xué)位論文 keywords: truck crane; crane boom; parametric design; ansys; visualization 聲 明 本人聲明， 所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的。論文 中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外， 不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包括本人為獲得其它學(xué)位而使用過(guò)的材料。 與我共同工作過(guò)的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說(shuō)明并表示謝意。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解沈陽(yáng)建筑大學(xué)有關(guān)保留、 使用 學(xué)位論文的規(guī)定： 即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的 復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)沈陽(yáng)建筑大學(xué)可以將 學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。 （如作者 和導(dǎo)師同意論文交流，請(qǐng)?jiān)谙路胶灻环駝t視為不同意。 ） 作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流的時(shí)間為作者獲得學(xué)位后： 不限 半年 一年 一年半 兩年 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日 期： 日 期： 碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 1.1 本文研究背景及研究意義 輪式起重機(jī)是一種使用范圍廣，作業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)的大型機(jī)械設(shè)備，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的 快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)力度逐漸増大，道路交通、機(jī)場(chǎng)、港口、水利水電和市政建設(shè)等基礎(chǔ) 設(shè)施的建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越大，起重安裝工程量亦隨之增加；同時(shí)，建筑業(yè)的迅速發(fā)展，使 得其逐漸由單一的半機(jī)械化作業(yè)向機(jī)械化、自動(dòng)化過(guò)渡，這就增加了對(duì)工程起重機(jī)的需求 量；其中，由于汽車(chē)起重機(jī)具有行駛速度高、轉(zhuǎn)移靈活、底盤(pán)的零部件供應(yīng)方便等優(yōu)點(diǎn)， 使得國(guó)內(nèi)外汽車(chē)起重機(jī)近年來(lái)都得到了迅速的發(fā)展；傳統(tǒng)的起重機(jī)械設(shè)計(jì)大部分采用半理 論與半經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的設(shè)計(jì)類(lèi)比方法，輔助手工計(jì)算與繪圖，結(jié)果造成設(shè)計(jì)過(guò)程反復(fù)多，周期 長(zhǎng)，設(shè)計(jì)的精確度低，而不同技術(shù)員所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)常常也存在差異；在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中常 需對(duì)同一類(lèi)型、不同規(guī)格的系列結(jié)構(gòu)做大量的相似設(shè)計(jì)，即使是同一規(guī)格的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也 常存在許多類(lèi)似設(shè)計(jì)，只是具體的參數(shù)數(shù)值不同，這樣就造成了許多枯燥的重復(fù)勞動(dòng)1- 4。 圖 1- 1 汽車(chē)起重機(jī) 汽車(chē)起重機(jī)傳統(tǒng)的校核是把其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為物理模型，采用數(shù)學(xué)和力學(xué)方面的知識(shí)進(jìn)行 單一的理論計(jì)算，但這種校核方法與實(shí)際情況相差甚多，不能達(dá)到較好的分析效果。同時(shí) 起重臂結(jié)構(gòu)在工作中所受的載荷非常大，也不可能在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中校核它在工作狀態(tài)下的強(qiáng) 度。相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法而言，將參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的概念引入到汽車(chē)起重機(jī)的設(shè)計(jì)、研 發(fā)過(guò)程中來(lái)，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法建立有限元分析模型可以快速、 有效的檢驗(yàn)其可靠性。 為此，本論文在對(duì) qy20 汽車(chē)起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究后，以有限單元法為理 論依據(jù)，利用有限元分析軟件 ansys，充分利用對(duì) apdl語(yǔ)言的研究，并利用 visual basic 6.0 的界面設(shè)計(jì)功能為調(diào)用工具，在充分確定汽車(chē)起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下， 采用 ansys 軟件與參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的研究方法， 模擬汽車(chē)起重機(jī)的真實(shí)工作環(huán)境， 建立出能夠反映汽車(chē)起重機(jī)外觀、空間結(jié)構(gòu)關(guān)系、力學(xué)特性等的有限元分析模型，利用 ansys 軟件建立汽車(chē)起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)，在優(yōu)化汽車(chē)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)， 提高汽車(chē)起重機(jī)的工作性能，降低其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本等方面具有一定的理論及實(shí)際意義。 2 第一章 緒論 碩士研究生學(xué)位論文 1.2 國(guó)內(nèi)外汽車(chē)起重機(jī)研究現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(shì)綜述 1.2.1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 起重機(jī)作為傳統(tǒng)機(jī)械的一種，發(fā)展至今，在其承載結(jié)構(gòu)、取物裝置、控制系統(tǒng)等方面 都有了相當(dāng)大的發(fā)展，在其設(shè)計(jì)理論、制造工藝、檢測(cè)手段等都逐漸趨于完善，并逐漸成 為一種各個(gè)方面都比較規(guī)范化的機(jī)械5。 我國(guó)汽車(chē)起重機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： （1）五六十年代，生產(chǎn) 5t 的機(jī)械式汽車(chē)起重機(jī)為主； （2）六七十年代，生產(chǎn) 12t 以下的小型液壓汽車(chē)起重機(jī)為主； （3）直至九十年代，16t50t 中噸位液壓汽車(chē)起重機(jī)的產(chǎn)量較多6。 八十年代初，部分國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商引進(jìn)了日本和美國(guó)的起重機(jī)產(chǎn)品技術(shù)，以合作方式相繼 制造出大噸位的汽車(chē)起重機(jī)和越野輪胎起重機(jī)，及全路面汽車(chē)起重機(jī)6。目前我國(guó)起重機(jī) 平均噸位在 200 噸，而歐洲的平均噸位在 800 噸，現(xiàn)在稱為我國(guó)國(guó)內(nèi)之最的是最大起重量 可達(dá) 300 噸的徐州重型的的 quy300 型履帶式起重機(jī)，和額定起重量為 200 噸的 qay200 型全路面起重機(jī)，但是在技術(shù)方面與德國(guó)的利渤海爾等國(guó)際起重機(jī)行業(yè)巨頭還有很大差距 7。 目前我國(guó)汽車(chē)起重機(jī)產(chǎn)品存在以下幾方面的差距： （1）產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性能比較差，部分產(chǎn)品故障頻頻發(fā)生； （2）產(chǎn)品品種過(guò)于單一化，不能做到多樣化發(fā)展； （3）產(chǎn)品的性能在智能化、自動(dòng)化及安全保護(hù)方面的設(shè)備可靠性等都與國(guó)外存在一 定的差距； （4）材料方面，低合金高強(qiáng)度鋼和其它輕型材料在國(guó)外已被廣泛利用，并正在不斷 地向高強(qiáng)度鋼發(fā)展，而國(guó)內(nèi)的材料主要為 q235、16mn等，造成國(guó)產(chǎn)的汽車(chē)起重機(jī)顯得比 較笨重，性能也被影響； （5）涂漆防腐技術(shù)與國(guó)外相比，也有明顯差距。 目前，由于各種工程項(xiàng)目都逐漸向大型化發(fā)展，對(duì)大噸位起重機(jī)的需求也逐漸增多， 因此大噸位化是汽車(chē)起重機(jī)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，目前德國(guó)始終在這方面處于遙遙領(lǐng)先的地 位。為適應(yīng)現(xiàn)代建設(shè)工程作業(yè)的需要，汽車(chē)起重機(jī)正逐漸向微型化發(fā)展，十年前由日本神 戶制鋼公司開(kāi)發(fā)的世界第一臺(tái) 7trk70 型的“迷你”rt 起重機(jī)，而在汽車(chē)起重機(jī)的伸縮臂 結(jié)構(gòu)方面也正在不斷地改進(jìn)和發(fā)展，此外汽車(chē)起重機(jī)的另一發(fā)展趨勢(shì)有一機(jī)多能化，工作 范圍的擴(kuò)大。 汽車(chē)起重機(jī)在技術(shù)方面，未來(lái)的五種發(fā)展趨勢(shì)： （1）先導(dǎo)比例控制技術(shù)和變量系統(tǒng)的應(yīng)用 具有操縱舒適、微動(dòng)性能較好及便于安裝等優(yōu)點(diǎn)的先導(dǎo)比例控制技術(shù)，被應(yīng)用在大噸 位起重機(jī)上；而作業(yè)效率高、節(jié)能并且成本較高的變量系統(tǒng)，將被逐漸應(yīng)用在大噸位汽車(chē) 起重機(jī)的起升系統(tǒng)上； 碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 3 （2）優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計(jì)，減輕自重，提高性能 自重方面，國(guó)外的先進(jìn)產(chǎn)品比國(guó)產(chǎn)的汽車(chē)起重機(jī)輕 20左右，造成國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的成本較 高，且在方向性能方面發(fā)展緩慢，尤其在起重臂結(jié)構(gòu)和車(chē)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，成為起 重機(jī)設(shè)計(jì)中的重要課題； （3）較高的越野性能和廣泛的通用性能 我國(guó)的城市街道和交通道路決定著汽車(chē)起重機(jī)的發(fā)展方向是全路面起重機(jī)，而不是輪 胎起重機(jī)；在國(guó)外，無(wú)論是輪胎起重機(jī)還是全路面起重機(jī)，都已經(jīng)解決了越野性能和通用 性能； （4）設(shè)計(jì)細(xì)化 為了將產(chǎn)品的可靠性進(jìn)一步提高，外觀結(jié)構(gòu)及儀表盤(pán)布置等設(shè)計(jì)都有待進(jìn)一步的改善 和細(xì)化，產(chǎn)品的可靠性提高了，才能夠適應(yīng)市場(chǎng)需求； （5）產(chǎn)品適應(yīng)性廣泛 根據(jù)我國(guó)地域廣闊、環(huán)境變化大及城市環(huán)保的要求，產(chǎn)品必須能夠適應(yīng)我國(guó)這種市場(chǎng) 的發(fā)展需求，而不斷地采用新技術(shù)進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究8- 10。 我國(guó)的汽車(chē)式起重機(jī)起源于上世紀(jì)的七十年代，經(jīng)過(guò)了近四十年的發(fā)展。在對(duì)技術(shù)的 引進(jìn)、吸收的基礎(chǔ)上，我國(guó)起重機(jī)的某些技術(shù)水平正逐漸接近國(guó)際水平，產(chǎn)量也逐年所增 加，汽車(chē)起重機(jī)行業(yè)在我國(guó)正處于快速發(fā)展階段，而其在適應(yīng)國(guó)內(nèi)發(fā)展的同時(shí)，也正在不 斷地向國(guó)際化發(fā)展方向靠攏。 1.2.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究狀況 世界上各國(guó)都在不斷改進(jìn)起重機(jī)產(chǎn)品的性能，提高運(yùn)轉(zhuǎn)速度和生產(chǎn)能力，提升自動(dòng)化 水平，制造方便、可靠、新型、高效能的起重機(jī)來(lái)滿足生產(chǎn)的需要。國(guó)內(nèi)外的一些相關(guān)研 究集中在運(yùn)用理論建立起重機(jī)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算或有限元分析9- 12。例如文獻(xiàn) 9 以 qtjs160 鐵路起重機(jī)伸縮吊臂為研究對(duì)象，利用有限元軟件 ansys，選用梁?jiǎn)卧⒂?限元模型，計(jì)算了起重臂結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力和變形情況；然后用板殼單元建立有限元模型， 計(jì)算出起重臂結(jié)構(gòu)在選擇的載荷工況下的局部應(yīng)力和變形情況，提供了起重臂在設(shè)計(jì)載荷 條件下的強(qiáng)度、剛度有限元分析的校核依據(jù)。文獻(xiàn)10利用 ansys 中的接觸對(duì)，對(duì)副臂 臂節(jié)間搭接處的接觸問(wèn)題進(jìn)行了模擬，建立了汽車(chē)起重機(jī)副臂結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，非線性分 析計(jì)算后，獲得了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形情況，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度滿足要求的情況得 到了驗(yàn)證。文獻(xiàn)11利用 ansys 軟件，對(duì)汽車(chē)起重機(jī)伸縮吊臂結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性難以計(jì)算 問(wèn)題進(jìn)行了分析，吊臂截面被視為一個(gè)整體，建立了計(jì)算其局部穩(wěn)定性的參數(shù)化有限元模 型和參數(shù)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)12中將結(jié)構(gòu)自重設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)，截面尺寸設(shè)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量， 利用ansys軟件， 在約束條件為強(qiáng)度、 剛度的條件下， 確立了優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型， 利用ansys 的一階方法進(jìn)行迭代優(yōu)化計(jì)算，經(jīng) 10 次迭代，其中第 7 次迭代為最優(yōu)解，最終采用隨機(jī) 搜索法驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。 單純的有限元分析方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代的設(shè)計(jì)速度要求，更談不上對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)。而參數(shù)化設(shè)計(jì)思想更為符合和貼近現(xiàn)代 cad 中概念設(shè)計(jì)及并行設(shè)計(jì)的要求。一 4 第一章 緒論 碩士研究生學(xué)位論文 些研究者將有限元分析與參數(shù)化設(shè)計(jì)思想融合 13- 16。例如文獻(xiàn)13通過(guò)提取具體的 qay350h 汽車(chē)起重機(jī)副臂結(jié)構(gòu)參數(shù)、截面參數(shù)和載荷參數(shù)，利用 c 語(yǔ)言、c+語(yǔ)言、通 用有限元分析軟件 algor 前處理 superdrawiii 的 script 語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)出 qay 系列汽車(chē) 起重機(jī)副臂結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型的程序 pms，研制出汽車(chē)起重機(jī)副臂系列結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)和 分析軟件系統(tǒng)。文獻(xiàn)14編制并調(diào)試了 qay350h 車(chē)架結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)模塊，按照設(shè)定自 動(dòng)生成完整的參數(shù)化車(chē)架結(jié)構(gòu)件，最終將參數(shù)化模型與利用菜單功能所建模型進(jìn)行了對(duì) 比。文獻(xiàn)15以全伸臂工況為例，進(jìn)行了起重臂的特征值屈曲分析，獲得了臨界載荷和屈 曲安全因子，并建立吊臂的參數(shù)化有限元分析，apdl參數(shù)化語(yǔ)言的編寫(xiě)過(guò)程得到了簡(jiǎn)化。 文獻(xiàn)16以臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，將甲板吊臂架的整體結(jié)構(gòu)分解成若干板塊，每個(gè)板塊結(jié) 構(gòu)利用 apdl 程序進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)其 apdl 參數(shù)化建模。結(jié)合 vb 的特點(diǎn)，封裝和調(diào)用 ansys 程序，既能彌補(bǔ) apdl 的不足之處，又能完善有限元分析的參數(shù)化過(guò)程17- 18。例 如文獻(xiàn)17中以某型載貨車(chē)車(chē)架為例，提取了載貨車(chē)車(chē)架的橫梁、縱梁，加強(qiáng)板，鉚接孔 等特征， 結(jié)合 vb 和 uidl 語(yǔ)言， 開(kāi)發(fā)出載貨車(chē)車(chē)架參數(shù)化建模系統(tǒng)。 文獻(xiàn)18中用 vb6.0 程序封裝 apdl 命令流，并調(diào)用 ansys 計(jì)算程序，最終起重機(jī)輪叉有限元分析程序?qū)崿F(xiàn) 了開(kāi)發(fā)全過(guò)程。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)起重機(jī)不同工況和各個(gè)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化有限元分析的研究還 比較少，因此本課題對(duì)于汽車(chē)起重機(jī)的參數(shù)化有限元分析研究有一定的理論意義。 1.3 論文研究目的 在汽車(chē)起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，將參數(shù)化設(shè)計(jì)引入到有限元結(jié)構(gòu)分析 中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)快速調(diào)整，自動(dòng)生成分析模型并完成結(jié)構(gòu)有限元分析過(guò)程，可將起重臂 結(jié)構(gòu)系列化并縮減產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。利用 ansys 有限元分析軟件建立汽車(chē)起重機(jī)起重臂有 限元模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，并以有限元分析結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。通 過(guò)汽車(chē)起重機(jī)起重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)其在不同工況下的作業(yè)過(guò)程，分析其起重臂結(jié) 構(gòu)的受力變化情況，開(kāi)發(fā)出汽車(chē)起重機(jī)起重臂參數(shù)化有限元建模和分析程序，得出一系列 正確可行的結(jié)論，這些結(jié)論對(duì)汽車(chē)起重機(jī)的設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析及改進(jìn) 設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)，進(jìn)而為以后的設(shè)計(jì)工作提供大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)。 1.4 主要研究?jī)?nèi)容及流程 1.4.1 研究?jī)?nèi)容 本文以汽車(chē)起重機(jī)為研究對(duì)象，建立汽車(chē)起重機(jī)有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)，依據(jù)有限單 元法對(duì)建立汽車(chē)起重機(jī)起重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)展開(kāi)深入研究。主要研究工作如下： （1）基于有限單元理論，對(duì)汽車(chē)起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和處理，并依據(jù)起重機(jī) 設(shè)計(jì)規(guī)范（gb/t3811- 2008），選取汽車(chē)起重機(jī)起重臂的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和載荷 參數(shù)為特征參數(shù)； （2）根據(jù)汽車(chē)起重機(jī)真實(shí)工作狀況及工作環(huán)境，以有限元分析軟件 ansys 為工具， 利用其菜單功能建立了 qy20 汽車(chē)起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)的有限元分析模型； 碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 5 （3）基于 ansys 的二次開(kāi)發(fā)功能，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 apdl，對(duì) qy20 汽車(chē)起重 機(jī)的起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，并在典型工況下對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行了有限元分析，實(shí)現(xiàn) 汽車(chē)起重機(jī)起重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程； （4）將參數(shù)化設(shè)計(jì)模型和利用菜單功能所建模型的應(yīng)力分布情況進(jìn)行比較，完善模 型特征參數(shù)的設(shè)置并驗(yàn)證模型及分析結(jié)果的可行性； （5）選取對(duì)應(yīng)型號(hào)的汽車(chē)起重機(jī)，在相應(yīng)工況下進(jìn)行起重臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)， 將試驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)化設(shè)計(jì)所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證汽車(chē)起重機(jī)起重臂參數(shù)化設(shè)計(jì)的正確 性。最后結(jié)合 vb 的界面設(shè)計(jì)功能，編制程序，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)起重機(jī)起重臂參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程的 可視化。 論文共分七章： 第一章：緒論，闡述汽車(chē)起重機(jī)在現(xiàn)代施工中的重要地位，明確本文研究的背景，指 明研究方向、研究目的、研究?jī)?nèi)容和研究流程等； 第二章：參數(shù)化設(shè)計(jì)與可視化界面，介紹有限單元法的基本理論內(nèi)容、提出和發(fā)展過(guò) 程，ansys 軟件的二次開(kāi)發(fā)功能即參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 apdl 和參數(shù)化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用， 利用 vb 界面設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)了起重臂的可視化界面的設(shè)計(jì)； 第三章：汽車(chē)起重機(jī)起重臂特征參數(shù)的提取，對(duì)汽車(chē)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并分 析了汽車(chē)起重機(jī)起重臂載荷情況。依據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb/t3811- 2008） ，確定了起重臂 的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和載荷參數(shù)為特征參數(shù)。 第四章：起重機(jī)力學(xué)性能的可視化分析，將 ansys 的二次開(kāi)發(fā)功能與 vb6.0 結(jié)合， 建立汽車(chē)起重機(jī)起重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，依據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb/t6068- 2008）選取 起重臂的作業(yè)工況，以 qy20 汽車(chē)起重機(jī)的起重臂結(jié)構(gòu)為算例，分析該結(jié)構(gòu)在所選取的工 況下進(jìn)行有限元分析，并與利用菜單功能所建模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程的可行 性。 第五章：有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)qy25汽車(chē)起重機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 得出試驗(yàn)數(shù) 據(jù)，并與參數(shù)化設(shè)計(jì)的有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程的正確性。 第六章：結(jié)論與展望。 1.4.2 研究流程 在總結(jié)和吸收國(guó)內(nèi)外有關(guān)汽車(chē)起重機(jī)的研究成果的基礎(chǔ)上，以 qy20 型汽車(chē)起重機(jī)為 研究載體，根據(jù)提取的汽車(chē)起重機(jī)特征參數(shù)，運(yùn)用有限元分析軟件 ansys 建立起重臂的 有限元模型。采用 apdl語(yǔ)音對(duì)該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立起重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)系 統(tǒng)。依據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb/t3811- 2008） ，針對(duì)不同起重量、不同工作幅度、不通工作 仰角，確定汽車(chē)起重機(jī)的四種工況，模擬起重機(jī)在不同工況下的真實(shí)工作過(guò)程并對(duì)其進(jìn)行 有限元分析。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)模型及建模系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，進(jìn)一步完善汽車(chē)起重機(jī)起 重臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為汽車(chē)起重機(jī)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、分析和研究提供一種有效的、快速 的現(xiàn)代化手段。研究流程如圖 1- 2 所示。 6 第一章 緒論 碩士研究生學(xué)位論文 1.5 本章小結(jié) 本章闡述了汽車(chē)起重機(jī)在現(xiàn)代施工中的重要地位，介紹了汽車(chē)起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā) 展趨勢(shì)，闡述了有限元分析方法與參數(shù)化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究情況。明確了本文研究的背 景，指明了本文的研究方向、研究目的、研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線。 以qy20汽車(chē)起重機(jī) 為有限元建模算例 選取典型工況分析模型 對(duì)比兩種建模方法的 有限元分析結(jié)果 完成汽車(chē)起重機(jī)起重臂 參數(shù)化設(shè)計(jì) 研究汽車(chē)起重機(jī)結(jié)構(gòu)組成 利用ansys菜單功能所 建的起重臂有限元模型 運(yùn)用apdl語(yǔ)言建立 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型 調(diào)整 修改 驗(yàn) 證 參 數(shù) 化 模 型 正 確 性 圖 1- 2 研究流程 提取起重機(jī)性能、起重 臂結(jié)構(gòu)和載荷特征參數(shù) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 碩士研究生學(xué)位論文 第三章 汽車(chē)起重機(jī)起重臂特征參數(shù)的提取 7 第二章 參數(shù)化設(shè)計(jì)與可視化界面 2.1 引言 上一章主要對(duì)論文的研究背景、研究目的、研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線等作了論述，本章主 要介紹有限元法基本思想提出和發(fā)展以及思想內(nèi)容等，對(duì)有限元法的分析流程進(jìn)行闡述。 并對(duì)目前廣泛使用的有限元分析軟件 ansys 的理論基礎(chǔ)和參數(shù)化技術(shù)及參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ) 言 apdl 進(jìn)行介紹，并設(shè)計(jì)完成了參數(shù)化設(shè)計(jì)中的可視化界面，為汽車(chē)起重機(jī)參數(shù)化設(shè) 計(jì)奠定基礎(chǔ)。 2.2 ansys 與參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù) 2.2.1 有限元法的思想和發(fā)展 從應(yīng)用數(shù)學(xué)角度來(lái)看，有限單元法基本思想，是 1943 年 courant 第一次嘗試將定義 在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合，進(jìn)而達(dá)到求解 st.venant 扭轉(zhuǎn)問(wèn) 題。剛架位移法被推廣應(yīng)用到彈性力學(xué)平面問(wèn)題中，是 1956 年 turner、clough等人對(duì)飛 機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，采用直接剛度法，由彈性理論方程確定的三角形單元特性，得到了正 確的平面應(yīng)力問(wèn)題的解答，也就書(shū)寫(xiě)了現(xiàn)代有限單元法的開(kāi)端， 創(chuàng)造了利用電子計(jì)算機(jī)求 解復(fù)雜平面彈性問(wèn)題的新局面。1960 年 clough第一次提出了“有限單元法”的名稱，平 面彈性問(wèn)題得到進(jìn)一步的處理。此后，隨著電子數(shù)值計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有限單元法的理論和 應(yīng)用都得到迅速的、持續(xù)不斷地發(fā)展，使得有限單元法進(jìn)入到快速發(fā)展階段，人們開(kāi)始認(rèn) 識(shí)了有限單元法。1963- 1964 年，besseling，melosh和 jones 等人證明了基于變分原理的 里茲（ritz）法的另一種形式就是有限單元法，從而有限單元法的適用范圍擴(kuò)展到使里茲 法分析的所有理論基礎(chǔ)，有限單元法成為處理連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的一種有效方法。從 60 年代 后期開(kāi)始，有限單元法中所利用的伽遼金（galerkin）法，可用于問(wèn)題的微分方程和邊界 條件都已知，而變分的泛函情況未知的條件下，因此，有限單元法的應(yīng)用領(lǐng)域被大大擴(kuò)展 了19。 圖 2- 1 有限單元法發(fā)展 如圖 2- 1 所示的有限單元法發(fā)展過(guò)程來(lái)看， 有限單元法已然成為一個(gè)具有鞏固理論基 彈性力學(xué)平面問(wèn)題 空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題 靜力平衡問(wèn)題 穩(wěn)定問(wèn)題、 動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題 彈性材料 塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料 固體力學(xué) 流體力學(xué)、傳熱學(xué)等介質(zhì)力學(xué) 有 限 單 元 法 從 到 到 到 到 8 第三章 汽車(chē)起重機(jī)起重臂特征參數(shù)的提取 碩士研究生學(xué)位論文 礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用效力的數(shù)值分析工具， 它的發(fā)展和完善必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)中發(fā) 揮巨大的作用20。 有限元法，又稱有限單元法。其思想是將連續(xù)的求解區(qū)離散為按一定方式相互聯(lián)結(jié)在 一起的一組有限個(gè)單元的組合體。不同的聯(lián)結(jié)方式、 不同的單元形狀進(jìn)行組合，復(fù)雜幾何 形狀的求解域就可以模型化。用假設(shè)的近似函數(shù)分片地表示全求解域上待求的未知場(chǎng)函 數(shù)，而其中單元內(nèi)的近似函數(shù)用未知場(chǎng)函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)表 示。在有限元分析中，新的未知量（即自由度）就是未知場(chǎng)函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的 數(shù)值，這樣一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題就變成了離散的有限自由度問(wèn)題。這些未知量得到 求解之后，通過(guò)插值函數(shù)就可以計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，得到整個(gè)求解域上的 近似值。單元尺寸會(huì)隨著數(shù)目的增加而縮小， 而解的近似度也將隨著單元自由度的增加 及插值函數(shù)精度的提高而提高。最后單元若滿足收斂要求，近似解將收斂于精度解21。 結(jié)構(gòu)有限單元法分析過(guò)程常分為以下步驟：結(jié)構(gòu)離散化、力學(xué)特性分析、結(jié)構(gòu)分析、 引入邊界條件、 求解線性方程和后處理與計(jì)算結(jié)果。 結(jié)構(gòu)離散化是有限單元法分析的第一 步，劃分被分析結(jié)構(gòu)為有限個(gè)單元體，按照被指定點(diǎn)所設(shè)置的節(jié)點(diǎn)連接相鄰的單元體，使 其相關(guān)參數(shù)具有一定的物理關(guān)系和連續(xù)性， 離散化過(guò)程就是用這些離散的單元來(lái)逼近原來(lái) 復(fù)雜的物體；力學(xué)特性分析的目的也就是計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚕ê?jiǎn)稱單剛） ，通過(guò)分析單元 到其力學(xué)特性上的共性； 結(jié)構(gòu)分析就是建立起整個(gè)結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點(diǎn)載荷與節(jié)點(diǎn)位移之間的 關(guān)系，就是結(jié)構(gòu)的總體剛度方程； 在求解之前必須在總體剛度方程中引入邊界條件，通過(guò) 施加邊界約束條件，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體剛性位移的可能性將被排除， 最終結(jié)構(gòu)位移在一定載荷 作用下唯一地被確定；在引入邊界條件之后，方程組將具有唯一的解，即得到結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn) 的位移。而通過(guò)節(jié)點(diǎn)位移插值會(huì)得到單元內(nèi)部任意點(diǎn)的位移，通過(guò)位移也可導(dǎo)出應(yīng)變、應(yīng) 力等量；在得到節(jié)點(diǎn)位移之后，可進(jìn)而得到應(yīng)變、應(yīng)力等量和結(jié)果的可視化后處理21。 目前，ansys 程序中包含了專(zhuān)門(mén)的后處理器，可進(jìn)行各種物理量的圖形以及動(dòng)畫(huà)顯示等 實(shí)用的操作。 2.2.2 基于 ansys 的參數(shù)化設(shè)計(jì) ansys 是美國(guó) ansys 公司開(kāi)發(fā)的融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的新一代 大型通用有限元分析程序，是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。ansys 擁有豐富和完 善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器，能高效地求解各類(lèi)結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線性和 非線性、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、斷裂力學(xué)等問(wèn)題，擁有完善的前后處 理和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口， 成為計(jì)算機(jī)輔助工程 （cae） 和工程數(shù)值分析和模擬最有效的軟件， 在工程上，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、 國(guó)防軍工、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利等一般工業(yè)及科學(xué)研究，都能達(dá)到某種程度的可信 度，獲各界好評(píng)。該軟件可利用其參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言擴(kuò)展宏命令，還提供了流體力學(xué)分析、結(jié) 構(gòu)高度非線性分析、接觸分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、電磁分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分等功能，使用該軟 件能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間22。 ansys 用戶交互界面如圖2- 2所示， 可以分為6個(gè)部分： ansys utility menu、 ansys 碩士研究生學(xué)位論文 第三章 汽車(chē)起重機(jī)起重臂特征參數(shù)的提取 9 command prompt、ansys main menu、ansys toolbar、graphics window和 status bar （狀態(tài)欄） ，下面簡(jiǎn)要列出這 6 部分的作用： （1）ansys utility menu：其中包含的菜單命令均為在一般 window 程序和其他 cad/cae軟件中通用的菜單選項(xiàng)； （2）ansys command prompt：可以直接輸入一些命令，也可以粘貼一些文本格式 的成段命令，輸入或粘貼命令后，按 enter鍵，系統(tǒng)即執(zhí)行命令； （3）ansys main menu：是 ansys 建模、求解和后處理的應(yīng)用菜單； （4）graphics window：交互界面的操作窗口； （5）ansys toolbar：可以根據(jù)用戶需要設(shè)置一些常用操作的快捷鍵； （6）status bar：從左至右各欄分別顯示：提示操作信息、單元類(lèi)型、材料類(lèi)型、實(shí) 常數(shù)序號(hào)和坐標(biāo)系序號(hào)等22。 啟動(dòng) ansys，進(jìn)入歡迎畫(huà)面以后，程序停留在主程序界面。從主菜單可以進(jìn)入各處 理模塊： prep7 （通用前處理模塊） ， solution （求解模塊） ， psot1 （通用后處理模塊） ， post26（時(shí)間歷程后處理模塊） ，ansys 用戶手冊(cè)的全部?jī)?nèi)容都可以聯(lián)機(jī)查閱，用戶的 圖 2- 2 ansys 圖形交互界面 ansys main menu ansys utility menu ansys command prompt ansys toolbar graphics window status bar 10 第三章 汽車(chē)起重機(jī)起重臂特征參數(shù)的提取 碩士研究生學(xué)位論文 指令可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過(guò)鍵盤(pán)輸入， 命令一 經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在*log 文件中列出，打開(kāi)輸出窗口可看到*log 文件的內(nèi)容，如 果軟件運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，查看*log 文件中的命令流及錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā) 現(xiàn)錯(cuò)誤的根源，*log 文件的內(nèi)容可以略做修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同 樣工作時(shí)，由 ansys 自動(dòng)讀入并執(zhí)行，這是 ansys 軟件的第三種命令輸入方式，這 種命令方式在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)， 能有效的提高工作速度， 軟件提供了 100 種 以上的單元類(lèi)型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料23。ansys 結(jié)構(gòu)有限元分析流程如 圖 2- 3 所示。 圖 2- 3 有限元分析流程 前處理是整個(gè)分析過(guò)程的開(kāi)始階段， 其目的在于建立一個(gè)符合實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)有限單 元分析模型；施加載荷、設(shè)置求解參數(shù)并求解的目的在于為分析定義載荷，指定分析類(lèi)型 以及各種求解控制參數(shù)，ansys 提供了很多的結(jié)構(gòu)分析類(lèi)型，實(shí)際分析中可以根據(jù)問(wèn)題 的性質(zhì)選擇不同的分析類(lèi)型如表 2- 1 所示； 后處理對(duì)計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和相 關(guān)的分析，可以利用 ansys 的通用后處理器 post1 和時(shí)間歷程后處理器 post26 完成 21。 表 2- 1 ansys 結(jié)構(gòu)分析類(lèi)型表 數(shù)字代號(hào) 分析類(lèi)型 中文名稱 0 static 靜力學(xué)分析 1 buckle 屈曲分析 2 modal 模態(tài)分析 3 harmic 諧載荷響應(yīng)分析 4 trans 瞬態(tài)動(dòng)力分析 7 substr 子結(jié)構(gòu)分析 8 spectr 譜分析 ansys 為用戶提供了友好的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境，這也使 ansys 自身的功能可以向深度 和廣度進(jìn)一步擴(kuò)展。ansys 提供的二次開(kāi)發(fā)工具有三個(gè)：參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（ansys parametric design language， apdl ) ， 用戶界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言 （user interface design language， 1.前處理 分析環(huán)境設(shè)置、定義單元以及材料類(lèi)型、建立 幾何模型、網(wǎng)格的劃分和定義邊界及約束條件 定義載荷信息、指定分析類(lèi)型和分 析選項(xiàng)和執(zhí)行求解計(jì)算 3.后處理 進(jìn)入后處理器并讀入計(jì)算結(jié)果、進(jìn)行后處 理操作和輸出后處理操作的結(jié)果 有 限 元 分 析 流 程 2.施加載荷、設(shè)置 求解參數(shù)并求解 碩士研究生學(xué)位論文 第三章 汽車(chē)起重機(jī)起重臂特征參數(shù)的提取 11 u idl）以及用戶可編程特性（user programmable features，upfs） 。其中，前兩種可歸 類(lèi)為標(biāo)準(zhǔn)使用特性，后一種為非標(biāo)準(zhǔn)使用特性。本文主要利用的是參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 （apdl） ，因此，下面主要介紹參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計(jì) apdl語(yǔ)言。 （1）參數(shù)化設(shè)計(jì) 參數(shù)化設(shè)計(jì)（parametric design）24- 28，是 cad 技術(shù)在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中被提出、并 得到迅速發(fā)展的有著強(qiáng)大使用價(jià)值的技術(shù)。按照給定的要求用一組參數(shù)來(lái)定義幾何圖形 ( 體素) 尺寸數(shù)值，在約定尺寸關(guān)系后能夠自動(dòng)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，修改時(shí)只需修改給定的相 關(guān)參數(shù)，更新某一些約束參數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，提供給設(shè)計(jì)者進(jìn)行幾何造型使用。在實(shí)際生 產(chǎn)中，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)常被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)形狀較定型的產(chǎn)品，可一次設(shè)計(jì)一系列產(chǎn)品模型， 標(biāo)準(zhǔn)件的系列化就是屬于這一類(lèi)型，這樣一來(lái)對(duì)于同一類(lèi)型但不同規(guī)格的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員 在從事產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)時(shí)，只需編制一定的程序，不必一次次都重新運(yùn)行設(shè)計(jì)全過(guò)程， 也無(wú)需要考慮其中的細(xì)節(jié)部分，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的快速建立。實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中需要進(jìn) 行綜合協(xié)調(diào)和優(yōu)化，會(huì)對(duì)形狀和尺寸造成多次反復(fù)的修改，而對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程較為穩(wěn)定或結(jié) 構(gòu)形式變化不大的產(chǎn)品，能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)選擇設(shè)計(jì)方案或修改尺寸就顯得尤為重 要。因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)已然成為產(chǎn)品在初始設(shè)計(jì)階段、模型編輯修改階段以及進(jìn)行多 種方案比較時(shí)的有效手段。 起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式多種多樣，其設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有大量的參數(shù)被涉及到，再加上繁瑣的計(jì)算公 式，而設(shè)計(jì)人員不同所構(gòu)思的設(shè)計(jì)方案也會(huì)有所不同，顯然傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法已不能夠 適應(yīng)其發(fā)展的需要。同時(shí)由于生產(chǎn)發(fā)展提出新的使用要求，起重機(jī)的種類(lèi)、形式也需要相 應(yīng)地發(fā)展和創(chuàng)新，性能參數(shù)也需要不斷變化與完善。而應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)在快速、準(zhǔn)確 地得到計(jì)算結(jié)果的同時(shí)，又可以進(jìn)行多個(gè)方案的比較，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)化的目標(biāo)。現(xiàn)代化 設(shè)計(jì)方法的建立和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段的應(yīng)用， 使起重機(jī)設(shè)計(jì)思維觀念和方法 有了進(jìn)一步的更新，研制并開(kāi)發(fā)出全新的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能起重機(jī)， 已成為當(dāng)前重要發(fā)展趨勢(shì)之一。 （2）參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 apdl apdl是一種類(lèi)似于 fortran 的解釋性語(yǔ)言， 提供一般程序語(yǔ)言的功能， 如參數(shù)、 宏、縮寫(xiě)、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算、函數(shù)、流程控制（循環(huán)與分支） 、重復(fù)執(zhí)行命令、用 戶程序以及訪問(wèn) ansys 有限元數(shù)據(jù)庫(kù)等，另外還提供簡(jiǎn)單界面定制功能， 實(shí)現(xiàn)參數(shù)交 互輸入、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行應(yīng)用程序等24。利用 apdl 的程序語(yǔ)言與宏技術(shù)組 織管理 ansys 的有限元分析命令，就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、 參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化后 處理結(jié)果的顯示，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過(guò)程，同時(shí)這也是 ansys 批處理分析 的最高技術(shù)。 以 apdl 為基礎(chǔ)用戶可以開(kāi)發(fā)專(zhuān)用有限元分析程序，或者編寫(xiě)經(jīng)常重復(fù)使用的功能 小程序，保存成宏文件以供用戶隨時(shí)調(diào)用或創(chuàng)建成按鈕（縮寫(xiě)）放在工具條上?？s寫(xiě)是某 條命令或宏的替代名稱，它與被替代命令或宏存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在 ansys 中二者是 12 第三章 汽車(chē)起重機(jī)起重臂特征參數(shù)的提取 碩士研究生學(xué)位論文 完全等同的，但縮寫(xiě)更符合用戶習(xí)慣，更易于記憶，減少敲擊鍵盤(pán)的次數(shù)。ansys 工具 條就是一個(gè)很好的縮寫(xiě)例子。 如圖2- 4即為自己定義的工具條。 其中， 前四個(gè)按鈕是ansys 本身自帶的，其余是自己創(chuàng)建的快捷鍵按鈕。 apdl是一種能夠通過(guò)參數(shù)化變量方式建立分析模型， 或自動(dòng)完成有限元常規(guī)分析操 作的腳本語(yǔ)言，它的范圍已從傳統(tǒng)有限元分析擴(kuò)展到了更高級(jí)運(yùn)算，包括靈敏度研究、零 件庫(kù)參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改和設(shè)計(jì)優(yōu)化等。apdl使得程序的輸入可根據(jù)指定的函數(shù)、變 量以及選用的分析類(lèi)型來(lái)決定，同時(shí)能夠更好地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析 屬性上用戶的控制權(quán)都得到了發(fā)揮， 是完成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自適應(yīng)網(wǎng)格的最主要的基礎(chǔ)。 鑒于 apdl 強(qiáng)大的命令功能，本系統(tǒng)正是利用 vb 和 apdl聯(lián)合開(kāi)發(fā)的。 2.3 vb 的可視化設(shè)計(jì) visual basic 是一種具有良好圖形用戶界面（gui）的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，同時(shí)又是一種 完全支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（oop）的語(yǔ)言29。 “visual”指的是開(kāi)發(fā)圖形用戶界面，只把先前建立的對(duì)象拖放到窗體上即可。這種 直觀的編程方法，也叫做可視化編程。 “basic”指的是 basic（beginners aii purpose symbolic instruction code）語(yǔ)言，這是一種在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展歷史上應(yīng)用得最為廣泛的語(yǔ) 言。而“visual basic”則綜合運(yùn)用了 basic 語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)和 gui 可視設(shè)計(jì)工具（控 件、下拉式菜單、窗口、對(duì)話框等） ，既具有 windows 豐富的圖形窗口工作環(huán)境，又繼承 了 basic 語(yǔ)言編程的簡(jiǎn)便性。這種設(shè)計(jì)方法給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多良好特性，一般說(shuō)來(lái)有 以下幾點(diǎn)： （1）模塊性 對(duì)象是一個(gè)功能和數(shù)據(jù)獨(dú)立的單元，他們之間只能通過(guò)對(duì)象認(rèn)可的方式進(jìn)行通信，并 可以較為自由地為其他對(duì)象所調(diào)用； （2）封裝性 這一特性為信息的隱藏提供了具體的實(shí)現(xiàn)手段，用戶不必清楚對(duì)象內(nèi)部的細(xì)節(jié)，只需 了解其功能即可； （3）繼承性 這一特性為代碼的共享提供了一種非常有效的方法，從而可以避免重復(fù)的代碼設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)象的可重用性。這一特性也是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)最本質(zhì)的特征； （4）可靠性 對(duì)象實(shí)現(xiàn)了抽象和封裝，從而使得其中出現(xiàn)的錯(cuò)誤限制在對(duì)象的內(nèi)部，因而不會(huì)向外 部傳播，同時(shí)也易于檢查和維護(hù)； （5）連續(xù)性 雖然面向?qū)ο笙到y(tǒng)可以通過(guò)繼承機(jī)制不斷擴(kuò)充其對(duì)象的功能， 但它并沒(méi)有摒棄傳統(tǒng)的 圖 2- 4 用戶自己定義的工具條 碩士研究生學(xué)位論文 第三章 汽車(chē)起重機(jī)起重臂特征參數(shù)的提取 13 做法，它不僅采用了傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)言元素，而且利用它們來(lái)模擬建立對(duì)象，從而 使得一個(gè)熟悉傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編程者能很快掌握其設(shè)計(jì)規(guī)律29。 visual basic 是在 basic 語(yǔ)言基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它提供的可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠“封 裝”設(shè)計(jì)復(fù)雜的 windows 界面，不必編寫(xiě)大