重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化_圖文

1、大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化 姓名:孫慶申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):工業(yè)工程指導(dǎo)教師:苗明20091201大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要甲板起重機(jī)是設(shè)置在船舶甲板上的起重機(jī)械,具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便、裝卸效率 高、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn),因而得到廣泛的應(yīng)用。由于甲板起重機(jī)的規(guī)格繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜多 樣,因此設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜;同時(shí),在設(shè)計(jì)過(guò)程中要進(jìn)行反復(fù)修改,每次修改后都需要 設(shè)計(jì)人員重新進(jìn)行分析計(jì)算以保證安全,重復(fù)性的工作較多。為了縮短設(shè)計(jì)周期,提高 效率,有必要建立一個(gè)參數(shù)化的設(shè)計(jì)、分析系統(tǒng),把設(shè)計(jì)人員從繁重的重復(fù)勞動(dòng)中解放 出來(lái)。本文以甲板起重機(jī)的吊臂為研究對(duì)象,以ANS

2、YS為工具,利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 (APDL進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),建立了甲板起重機(jī)吊臂的專用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集吊臂的參 數(shù)化設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化功能于一體,并且所有功能都封裝為宏。運(yùn)用此系統(tǒng),用戶只需 點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕并輸入所需的參數(shù),程序即可自動(dòng)完成吊臂的參數(shù)化建模、分析、結(jié)果 查看和優(yōu)化設(shè)計(jì),準(zhǔn)確且高效。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1在ANSYS中聲明宏定義,將宏和工具欄按鈕建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,定制了 工具欄,完善了吊臂開(kāi)發(fā)的交互界面。(2利用APDL語(yǔ)言建立典型的甲板起重機(jī)吊臂的有限元模型,作為后續(xù)分析和 優(yōu)化的基礎(chǔ)。吊臂的所有參數(shù)都設(shè)有輸入對(duì)話框,可以很方便的變更設(shè)計(jì)。(3集成結(jié)構(gòu)靜力分

3、析、模態(tài)分析、屈曲分析,全面分析吊臂的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn) 定性情況。(4將復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行封裝,實(shí)現(xiàn)了吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì),簡(jiǎn)單高效。(5以10tx 10m的甲板起重機(jī)為例,驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。關(guān)鍵詞:甲板起重機(jī);吊臂;參數(shù)化設(shè)計(jì);優(yōu)化;APDL甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)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大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本人完全了解學(xué)校有關(guān)學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定,在校攻讀學(xué)位期間 論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于大連理工大學(xué),允許論文被查閱和借

11、閱。學(xué)校有 權(quán)保留論文并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,可以將 本學(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,可以采用影印、 縮印、或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。作者簽名.一 :4幺 一 一一日期:一絲2年互月4L日 導(dǎo)師簽名:苧左i 日期:亟望z年三月二日 /大連理工大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明作者鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行研究 工作所取得的成果。盡我所知,除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外, 本論文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果,也不包含其他已申請(qǐng) 學(xué)位或其他用途使用過(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn) 均已在論文中做了明確

12、的說(shuō)明并表示了謝意。若有不實(shí)之處,本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。學(xué)位論文題目:空叢墊魚(yú)血至蠆盤(pán)益巨隧墨墊絲遮芏復(fù)縋絲 作者簽名:函:么 日期:埋笙年互月虹日大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論11課題背景隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇,起重機(jī)械在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程巾的應(yīng) 用越來(lái)越廣,作用越來(lái)越大,對(duì)起重機(jī)的要求也越來(lái)越高,世界銷售市場(chǎng)對(duì)起重機(jī)械的 需求量也在小斷增加,從而使國(guó)內(nèi)外各種制造起重機(jī)企業(yè)在生產(chǎn)中更多地采用優(yōu)化設(shè) 計(jì)、機(jī)械自動(dòng)化等先進(jìn)制造技術(shù)去提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力“1。甲板起重機(jī)(克令吊是設(shè)置在船舶甲板上的起重機(jī)械。這種起重機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,使 船舶有較多的甲板面積可利用,對(duì)橋樓上視線

13、的影響較小。甲板起重機(jī)操作簡(jiǎn)便,裝卸 效率高,機(jī)動(dòng)靈活,作業(yè)前沒(méi)有繁瑣的準(zhǔn)備丁作.因而得到廣泛的應(yīng)用01。圖11所示 為常見(jiàn)的甲板起重機(jī)。型1l常見(jiàn)的甲板起重機(jī)Fig 11Commondeckcf柚e由于甲板起重機(jī)的規(guī)格繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,各結(jié)構(gòu)間的關(guān)系復(fù)雜,設(shè)計(jì)工作量很 重,采用傳統(tǒng)的手工設(shè)訓(xùn)方法己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)今高質(zhì)量、高速度、高效益的發(fā)展趨勢(shì)”1。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷應(yīng)用與發(fā)展以及CAD技術(shù)在工程機(jī)械各個(gè)領(lǐng)域不斷的滲透,超 重機(jī)的設(shè)計(jì)必然要與計(jì)算機(jī)相結(jié)合,應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算方法與計(jì)算軟件,提高設(shè)計(jì)精度, 縮短設(shè)計(jì)周期,減輕設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)n“。工程設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜而艱澀,實(shí)際的機(jī)械生產(chǎn)設(shè)計(jì)中常常需

14、要對(duì)同一類型但不同規(guī)格 的系統(tǒng)做大量的相似設(shè)汁。設(shè)計(jì)過(guò)程中不可避免地要多次反復(fù)修改,進(jìn)行形狀和尺寸的 綜合協(xié)調(diào)、優(yōu)化,設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型,各個(gè)分支機(jī)構(gòu)以及總體結(jié)構(gòu)計(jì)算,性能及工作特 性分析、比較,最后確定出屜佳的設(shè)計(jì)方案。雖然起重機(jī)設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用中己漸趨成熟, 似零部件的參數(shù)值及結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中有時(shí)會(huì)根據(jù).I一程要求有一nb變化,而即便是最微 一甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化小的變化,也需要設(shè)計(jì)人員重新設(shè)計(jì)、計(jì)算,以保證安全。為能在短期內(nèi)設(shè)計(jì)出符合客 戶要求的產(chǎn)品,有必要設(shè)計(jì)一套參數(shù)化的設(shè)計(jì)、分析系統(tǒng),把設(shè)計(jì)人員從繁重的重復(fù)勞 動(dòng)中解放出來(lái)哺7引。本文所研究的對(duì)象是天津某起重機(jī)企業(yè)所設(shè)計(jì)

15、制造的一種甲板起重機(jī)。如圖1.2所 示,由吊臂、塔體、基柱三大構(gòu)件組成,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積輕巧,起重量大,可全方 位回轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)該型號(hào)的甲板起重機(jī)吊臂進(jìn)行參數(shù)化建模、分析、優(yōu)化,可以縮短開(kāi) 發(fā)周期,減少重復(fù)勞動(dòng),快速尋求既合理又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案,降低了產(chǎn)品的成本;同時(shí), 滿足企業(yè)和港口發(fā)展的步伐,從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,也為起重機(jī)其它部件的類 似設(shè)計(jì)提供借鑒。The structure schematic of deck crane吊臂是甲板起重機(jī)的主要組成部件之一,工作時(shí)臂架是直接的承載結(jié)構(gòu),它的受力 情況是比較惡劣的。一旦臂架結(jié)構(gòu)破壞,將造成重大機(jī)損甚至人員傷亡的嚴(yán)重后果,臂 架的力學(xué)

16、性能對(duì)整機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有直接影響呻1,因此對(duì)甲板起重機(jī)吊臂進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)及力學(xué)分析是非常必要的。同時(shí),隨著起重量的不斷增大,吊臂的重量也不斷的增 大,所以要在保證吊臂安全工作的條件下盡量減輕吊臂的重量,這對(duì)提高整機(jī)質(zhì)量和經(jīng) 濟(jì)性具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文在實(shí)際設(shè)計(jì)任務(wù)中,經(jīng)常會(huì)遇到系列化的變形產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析工作。這些產(chǎn)品在結(jié) 構(gòu)上基本相同,但由于不同客戶的使用場(chǎng)合、工況有差別,在結(jié)構(gòu)尺寸上形成了一個(gè)系 列。對(duì)于這類結(jié)構(gòu)相對(duì)固定不變的產(chǎn)品,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí),如果逐一地進(jìn)行建 模與分析,重復(fù)工作量將相當(dāng)龐大,也無(wú)謂地延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。另外,工程實(shí)際中很多 新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都需

17、要反復(fù)進(jìn)行“設(shè)計(jì).建模.分析.修改設(shè)計(jì)一再建模.再分析的過(guò)程,重 復(fù)建模與分析使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率不高。而且,在用ANSYS進(jìn)行起重機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析時(shí),分析結(jié)果的是否正確、是否 精確依賴于工程設(shè)計(jì)人員對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)深度,同時(shí)還依賴于分析者對(duì)軟件的掌握程 度,這就提高了設(shè)計(jì)的門(mén)檻。其次,在ANSYS中,一般是采用基于GUI的人機(jī)交互界 面進(jìn)行設(shè)計(jì),一些大量的、重復(fù)性的工作往往需要手工輸入計(jì)算,而且對(duì)理論知識(shí)和軟 件的掌握程度有很高的要求,可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤差和人為差錯(cuò)n們。所以,需要將有限元分 析的主要功能進(jìn)行集成,通過(guò)簡(jiǎn)單點(diǎn)選按鈕的形式,來(lái)實(shí)現(xiàn)以往需要專業(yè)知識(shí)和繁瑣操 作的分析過(guò)程、結(jié)果查看等。

18、為了減輕自重,降低制造成本,提高整機(jī)性能,吊臂大都采用以鋼板為主的箱形截 面。在箱型吊臂的設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)的邊界條件、載荷組合、受力位置都是比較固定的,只 是載荷大小、結(jié)構(gòu)的幾何尺寸有所變化。若按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,這些參數(shù)中的任何一 項(xiàng)做了改變,則對(duì)其進(jìn)行有限元分析的時(shí)候,就需要重新建立模型。顯然會(huì)有大量的重 復(fù)勞動(dòng),設(shè)計(jì)周期和成本也會(huì)隨之上升。所以,需要對(duì)甲板起重機(jī)臂架進(jìn)行參數(shù)化建模, 當(dāng)設(shè)計(jì)改變的時(shí)候,只需將參數(shù)值改變,就可以快速得到改變后的模型。綜上所述,對(duì)甲板起重機(jī)臂架進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化,其研究意義如下:(1實(shí)現(xiàn)臂架有限元建模中的全參數(shù)驅(qū)動(dòng),快速建模只需要按照所設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行輸入,系統(tǒng)就

19、會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的有限元模型,避免了 繁瑣的建模過(guò)程,使設(shè)計(jì)人員能專注于臂架本身的設(shè)計(jì),快速高效。而通過(guò)簡(jiǎn)單改變參 數(shù)值,可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)。(2集成有限元分析的主要功能,點(diǎn)選按鈕即可完成按步驟點(diǎn)選工具欄的相應(yīng)按鈕,就可以實(shí)現(xiàn)有限元分析的全過(guò)程。在此操作過(guò)程中, 不需要掌握專業(yè)知識(shí),也無(wú)需精通ANSYS操作,降低了設(shè)計(jì)分析的門(mén)檻。(3封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能,簡(jiǎn)單操作即可實(shí)現(xiàn)臂架的優(yōu)化將臂架的所有參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量,以自重最小作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。由 此得到的結(jié)果去指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)改進(jìn),有利于減輕吊臂自重,降低制造成本。甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化1.3國(guó)內(nèi)91"t目關(guān)

20、研究狀況甲板起重機(jī)作為起重設(shè)備一種,其發(fā)展?fàn)顩r是與整個(gè)起重機(jī)行業(yè)的情況密不可分 的。起重機(jī)是一種古老的機(jī)械,時(shí)至今日,在其承載結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、取物裝置、控制 系統(tǒng)及安全裝置等各方面都有了很大的發(fā)展,其設(shè)計(jì)理論、制造工藝、檢測(cè)手段等都逐 漸趨于完善和規(guī)范化,并已經(jīng)成為一種較完善的機(jī)械。隨著社會(huì)的發(fā)展,由于生產(chǎn)發(fā)展提出新的使用要求,起重機(jī)的種類、形式也需要相 應(yīng)地發(fā)展和創(chuàng)新,性能參數(shù)也需要不斷變化與究善。由于現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法n婦的建立和計(jì) 算機(jī)輔助設(shè)計(jì)n21丑141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,其它技術(shù)領(lǐng)域和相鄰工業(yè)部門(mén)不斷取得的新科技成果在起重機(jī)上的滲透、推廣

21、 應(yīng)用等,更使起重機(jī)的各方面不斷地豐富更新。因此,起重機(jī)將向現(xiàn)代化、智能化、更 安全可靠方便的方向發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)的甲板起重機(jī)的種類很多,發(fā)展速度快,但與國(guó)外的發(fā)展還是存在著一定 的差距。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的提高,起 重機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣,作用愈來(lái)愈大,對(duì)起重機(jī)的要求也越來(lái)越高。 尤其是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,促使了許多跨學(xué)科的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法出現(xiàn),推動(dòng)了現(xiàn) 代制造技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的提高。我國(guó)正以前所未有的速度進(jìn)入全球化國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng),中 國(guó)的起重機(jī)制造業(yè)面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的新形勢(shì),因此起重機(jī)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新是關(guān) 鍵。我國(guó)起重機(jī)的特征與有待解決的

22、問(wèn)題有如下幾個(gè)方面n副:(1重點(diǎn)產(chǎn)品大型化、高速化、耐久化和專用化;(2系列產(chǎn)品模塊化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)用化;(3產(chǎn)品性能自動(dòng)化、智能化、集成化和高效化:(4產(chǎn)品組合成套化、系統(tǒng)化、復(fù)合化和信息化;(5產(chǎn)品設(shè)計(jì)微機(jī)化、精確化、快速化和全面化;特別是就整個(gè)甲板起重機(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)企業(yè)缺乏對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化、吸收和創(chuàng)新, 造成現(xiàn)在我國(guó)甲板機(jī)械制造仍舊依靠引進(jìn)國(guó)外知名品牌的技術(shù)生產(chǎn),自主研發(fā)能力較 弱,利用引進(jìn)國(guó)外技術(shù)生產(chǎn)的甲板機(jī)械和進(jìn)口的甲板機(jī)械仍然占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。而且, 國(guó)外公司根本不予轉(zhuǎn)讓一些關(guān)鍵的控制部件和高壓液壓件技術(shù),不得不受制于人,只能 依靠進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)廠家引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品基本處

23、于20世紀(jì)90年代初的水平。因此, 加大自主研發(fā)力度,擺脫現(xiàn)在受制于人的現(xiàn)狀,也是行業(yè)面臨的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文參數(shù)化技術(shù)(Parametric Technology最早是CAD在實(shí)際應(yīng)用工作中提出的課題, 它是產(chǎn)品模型修改和變型設(shè)計(jì)的需要,是設(shè)計(jì)自動(dòng)化所采用的關(guān)鍵技術(shù)之一n¨叼。將參 數(shù)化的思想擴(kuò)展到部件/產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體參數(shù)化設(shè)計(jì),無(wú)疑會(huì)更大程度地 提高設(shè)計(jì)效率,為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。由于參數(shù)化的概念提出較早,因此相關(guān)的研究比較多,而且在實(shí)際的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中也 有較為廣泛的應(yīng)用。在起重機(jī)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域,參數(shù)化的研究比較集中于高校和相關(guān)科研組 織。Edwi

24、n咖1等提出了一種基于CAD的設(shè)計(jì)參數(shù)化方法,將Pro/E軟件和ANSYS和 MSCNastran進(jìn)行“連接”,將它們直接引入到形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng),借助這些軟件中提 供的參數(shù)化幾何建模、網(wǎng)格全自動(dòng)生成、有限元分析等功能為優(yōu)化過(guò)程服務(wù)。廣東中山 大學(xué)劉志更晗¨以面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ遃isual Basic 6.0為開(kāi)發(fā)工具,通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù), 完成了SolidWorks設(shè)計(jì)環(huán)境下,橋式起重機(jī)橋架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。付韜韜、范勤 等乜21利用ANSYS和VC+的接口技術(shù),采用VC+對(duì)APDL語(yǔ)言進(jìn)行封裝,開(kāi)發(fā)出了 一套橋式起重機(jī)箱形主梁參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)。武漢理工大學(xué)的龔道雄瞳3貝IJ更

25、進(jìn)一 步,以橋式起重機(jī)為對(duì)象,在Visual Basic6.0編譯語(yǔ)言環(huán)境中,對(duì)三維CAD軟件 SolidWorks進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),建立橋式起重機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。陳昆、劉兆屯等乜41結(jié)合MatLab、AutoCAD和Pro/E,實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)式出繩口的參數(shù)化設(shè)計(jì)和仿真。 孫曉吉瞳釘將c語(yǔ)言、c+語(yǔ)言、ALGOR前處理工具SuperDrawlII的script語(yǔ)言結(jié)合使用, 在現(xiàn)有的通用有限元分析工具ALGOR軟件基礎(chǔ)上,編制了汽車起重機(jī)副臂的參數(shù)化建 模系統(tǒng)。龍靖宇、吳小珍啪1以APDL為工具,實(shí)現(xiàn)了某煉鋼廠140tx22m雙主梁偏軌鑄 造起重機(jī)的主梁參數(shù)化建模?？梢园l(fā)現(xiàn),在參數(shù)化領(lǐng)域,開(kāi)

26、發(fā)工具是多種多樣的,研究對(duì)象既有針對(duì)起重機(jī)的某 些部件的,也有面向整個(gè)系統(tǒng)的。但是,當(dāng)前多數(shù)的應(yīng)用都集中在有限元建模領(lǐng)域,而 將建模、分析、結(jié)果查看、優(yōu)化等功能集于一體的研究卻很少見(jiàn)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及,以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法的成熟和應(yīng)用,為工程 問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的手段和方法。優(yōu)化技術(shù)為工程設(shè)計(jì)提供了一種重要的科學(xué) 設(shè)計(jì)方法,使得在解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí),能從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找到盡可能完善 的或最為適宜的設(shè)計(jì)方案窿71。采用這種設(shè)計(jì)方法能大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量,因此 在機(jī)械、宇航、電機(jī)、石油、化工、建筑、造船、輕工等各個(gè)行業(yè)得到廣泛得應(yīng)用。甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)

27、計(jì)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論和方法,基本上可以歸結(jié)為兩大類啪3:第一類是準(zhǔn)則方法,它 是從結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理出發(fā),首先選定使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)的準(zhǔn)則,而后根據(jù)這些準(zhǔn)則尋求結(jié) 構(gòu)的最優(yōu)解;第二類是數(shù)學(xué)方法,它是從解極值問(wèn)題的數(shù)學(xué)原理出發(fā),運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃和 優(yōu)選法等各種方法,求得一系列設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)解。當(dāng)前,結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論與方法己經(jīng)形成相當(dāng)廣泛的研究領(lǐng)域,主要集中在以下幾個(gè) 方面啪1:(1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立與模型合理性的研究;(2結(jié)構(gòu)優(yōu)化靈敏度的分析; (3對(duì)實(shí)用優(yōu)化算法的引用、改進(jìn)與發(fā)展; (4通用和專用結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序的開(kāi)發(fā)及其 在實(shí)際上程中的應(yīng)用。R.Hajela們提出了一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,它采用神經(jīng)網(wǎng)

28、絡(luò)算法對(duì)鋼析架在靜 力作用下的應(yīng)力一位移間的關(guān)系進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化。吳鎮(zhèn)、孫國(guó)正口門(mén)研究了如何在 MatLab平臺(tái)上解決工程優(yōu)化問(wèn)題,并對(duì)門(mén)座起重機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化,證明了這一 方法的可行性。席平原口21針對(duì)塔式起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)例,建立模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù) 學(xué)模型,并給出優(yōu)化方法和結(jié)果分析。楊春松、程文明等提出了一種將遺傳算法和模 擬退火算法相結(jié)合的混合算法,并將其應(yīng)用于橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中,很好地處理了工 程離散化問(wèn)題。BeUman和Zadehml提出了模糊優(yōu)化的概念,將模糊集的若干概念引入 優(yōu)化設(shè)計(jì)。鄭夕健、張璇等呤51以QY20汽車起重機(jī)為研究對(duì)象,利用ADAMS軟件建立 其變幅機(jī)

29、構(gòu)的虛擬樣機(jī),對(duì)變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)位置進(jìn)行了優(yōu)化,但是具有一定的局限性。 蘇運(yùn)波3通過(guò)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,進(jìn)行門(mén)座起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及撓度的預(yù) 測(cè),克服了以往基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)中有限元分析占用時(shí)間過(guò)多的缺點(diǎn)。本文以甲板起重機(jī)的吊臂為研究對(duì)象,以ANSYS為工具,利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 (APDL進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),建立甲板起重機(jī)吊臂的專用開(kāi)發(fā)系統(tǒng),探索如何將有限元參 數(shù)化技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。該系統(tǒng)集吊臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)、分析、 優(yōu)化功能于一體,只需點(diǎn)擊定制的工具欄按鈕,輸入所需的參數(shù),程序即可自動(dòng)完成吊 臂的參數(shù)化建模、分析、結(jié)果查看和優(yōu)化設(shè)計(jì)。全文共分5章,主要包括以下幾

30、個(gè)方面 的內(nèi)容:(1緒論部分簡(jiǎn)要介紹了甲板起重機(jī)的特點(diǎn)和本文的研究意義,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研 究概況的闡述,了解了參數(shù)化技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)在起重機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r。(2第二章介紹了有限元分析軟件ANSYS及其參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL,明確了應(yīng) 用ANSYS進(jìn)行有限元分析的過(guò)程,介紹了APDL的基本組成成分。本章是全文的理論 核心,后續(xù)的內(nèi)容就是參照此分析過(guò)程,應(yīng)用APDL來(lái)一一實(shí)現(xiàn)。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文(3第三章詳細(xì)介紹了幾何參數(shù)的提取,建立了幾何模型并進(jìn)而生成了有限元模 型,然后參照設(shè)計(jì)規(guī)范分析了吊臂的受力結(jié)構(gòu),并將力的計(jì)算封裝到程序內(nèi)部,完成了 載荷的計(jì)算和施加,實(shí)現(xiàn)了甲板起重機(jī)吊臂的參數(shù)化建

31、模。(4第四章是甲板起重機(jī)吊臂的集成分析部分,本章延續(xù)參數(shù)化的思想,將結(jié)構(gòu) 靜力分析、模態(tài)分析、屈曲分析集成到系統(tǒng)中去,實(shí)現(xiàn)吊臂強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等的全 面評(píng)價(jià)。(5第五章介紹了基于APDL的優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本要素,并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了 詳細(xì)的說(shuō)明,通過(guò)建立優(yōu)化分析文件和優(yōu)化控制文件完成了吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了優(yōu) 化結(jié)果的查看,最后還對(duì)改進(jìn)方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。本文所建立的專用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中,參數(shù)輸入對(duì)話框中的默認(rèn)值(如結(jié)構(gòu)尺寸、載重量 等均取之于天津某起重機(jī)企業(yè)所設(shè)計(jì)制造的一種甲板起重機(jī)(10t×10m,實(shí)際使用 時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行變更。甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化2ANSYS

32、與參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDLANSYS是Analysis System的簡(jiǎn)寫(xiě),是目前廣泛使用的有限元工程分析軟件。美國(guó) John Swanson博士于1970年創(chuàng)建ANSYS公司后,便開(kāi)發(fā)出了該應(yīng)用程序,以此用計(jì)算 機(jī)模擬工程結(jié)構(gòu)分析,歷經(jīng)30多年的不斷完善和修改,現(xiàn)成為全球最受歡迎的應(yīng)用程 序1。ANSYS洶瑚1是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件, 可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行,從PC機(jī)到工作站直至巨型計(jì)算機(jī),ANSYS文件 在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。多年來(lái),它一直在有限元分析(FEA軟件排名中名列第一,是第一個(gè)通過(guò)IS09001質(zhì)量認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)類軟件

33、,也是通過(guò)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME、美國(guó)核安全局 (NQA及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件,隨著軟件的發(fā)展,其在中國(guó)也 得到了日益廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用H訓(xùn)。目前,ANSYS廣泛用于航空航天、機(jī)械制造、能源、國(guó)防軍工、電子、土木工程、 生物醫(yī)學(xué)等一般工業(yè)及科學(xué)研究HL4羽。利用ANSYS可以對(duì)結(jié)構(gòu)在各種外載荷條件下的 受力、變形穩(wěn)定性及各種動(dòng)力特性做出全面分析,從力學(xué)計(jì)算、組合分析等方面提出全 面解決方案,為工程師提供了功能強(qiáng)大且方便易用的分析手段。ANSYS的主要特點(diǎn)是緊跟計(jì)算機(jī)硬件、軟件發(fā)展的最新水平,功能豐富,用戶界 面好,前、后處理和圖形功能完備,是使用高效的有限元系統(tǒng)。它具有以

34、下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)H31: (1擁有豐富的、完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器,保證了它能夠高效地求 解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線性和非線性問(wèn)題,并能有效地求解溫度場(chǎng)問(wèn)題、散 熱場(chǎng)以及多場(chǎng)藕合問(wèn)題;(2它的完全交互式前后處理和圖形文件,大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型、生成 有限元模型以及分析和評(píng)價(jià)結(jié)果的工作量;(3它的統(tǒng)一和集中的數(shù)據(jù)庫(kù),保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠和靈活的集成;(4它的DDA模塊實(shí)現(xiàn)了它與多個(gè)CAD軟件產(chǎn)品的有效連接;(5它的并行處理技術(shù)大大提高了分析效率。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文ANSYS的架構(gòu)分兩層:起始層(begin level和處理器層(processor level。起始 層的

35、功能用于開(kāi)始ANSYS和各不同的處理器層等。各層處理器的功能在于接受并完成 相關(guān)類型的工作命令。處理器主要包括H引:(1前處理器(PREP7:建立有限元模型,賦予材料屬性,劃分網(wǎng)格等。(2求解處理器(SOLU:加載、定義邊界約束條件及求解。(3通用后處理器(PoSTI:用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析等,考察整個(gè)模型的 計(jì)算結(jié)果等。(4時(shí)間歷程后處理器(POST26:用于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析后,察看動(dòng)態(tài)分析與時(shí)間 有關(guān)的時(shí)域結(jié)果。一個(gè)典型的ANSYS分析過(guò)程包括3個(gè)主要步驟:前處理、加載求解和后處理H51。 (1創(chuàng)建有限元模型(也稱“前處理”創(chuàng)建或讀入幾何模型通過(guò)使用ANSYS提供的基本元素,點(diǎn)、線、面、體

36、等,構(gòu)建實(shí)際物體或需要分析 部分的幾何形狀,這個(gè)形狀既可以是完全三維的,也可以是簡(jiǎn)化了的。另外,ANSYS提供了與其他CAD軟件傳遞數(shù)據(jù)的專用接口和一個(gè)IGES通用接口, 可以非常方便的從很多CAD軟件中直接讀取相應(yīng)的幾何模型,避免了設(shè)計(jì)分析中建摸 的重復(fù)操作m1。定義材料屬性對(duì)于分析對(duì)象在分析中需要給定材料的屬性,也就是給出材料的各種力學(xué)、熱學(xué)、 電磁學(xué)等參數(shù)。對(duì)于一般靜力學(xué)的分析,最基本的各向同性材料參數(shù)包括楊氏模量、泊 松比、材料密度等。同時(shí)也可以創(chuàng)建各種線性、非線性、各向異性的材料模型。劃分單元一個(gè)幾何模型僅僅表示了需要分析的物體的幾何尺寸、形狀,要通過(guò)劃分成為單元 以后,才能夠進(jìn)行有

37、限元的分析。劃分單元的時(shí)候,需要選擇單元的形狀、類型,同時(shí) 根據(jù)分析精度的需要設(shè)定不同的單元的密度。(2施加載荷并進(jìn)行求解施加載荷9一甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化這里的“載荷"是一個(gè)廣義的載荷,包括了施加在物體上的邊界條件、初始條件等, 例如加在模型上的各種載荷、固定支撐等,這些載荷應(yīng)該能夠最直接的反映出物體所處 的環(huán)境與物體當(dāng)前的狀態(tài)。設(shè)置載荷及求解控制選項(xiàng)ANSYS計(jì)算中,允許載荷按照時(shí)間歷程緩慢遞增地施加到模型上,也可以是階躍 式地施加,還可以通過(guò)設(shè)置載荷步來(lái)模擬載荷加載的先后以及加載與卸載等實(shí)際情況。 另外,求解過(guò)程實(shí)際上是數(shù)值求解方程的過(guò)程,ANSYS提供了很多數(shù)

38、值求解的算 法供選擇,用戶可以針對(duì)不同的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的選取。對(duì)于不同類型的工程問(wèn)題,還需要使用不同的求解分析方法。例如需要指定分析類 型為靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)或者是模態(tài)分析等。求解有限元求解的過(guò)程就是解矩陣方程的過(guò)程,從輸出窗口中可以查看求解過(guò)程的信 息,根據(jù)計(jì)算工程的大小,節(jié)點(diǎn)的多少,這個(gè)過(guò)程可能會(huì)很快,也可能會(huì)是幾天甚至幾 十天。(3查看結(jié)果(也稱“后處理”查看分析結(jié)果查看分析結(jié)果也稱為后處理,ANSYS的后處理功能是非常強(qiáng)大的,它提供了多種 查看結(jié)果的渠道,用戶既可以通過(guò)顏色等值線圖直觀地顯示結(jié)果,也可以通過(guò)曲線來(lái)描 述我們關(guān)心的數(shù)值變化,也可以直接將結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到文本文件中,ANSYS還提供

39、了 生成動(dòng)畫(huà)的后處理功能,用戶可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)來(lái)演示和重現(xiàn)模型變形或者破壞的過(guò)程。 檢查結(jié)果,分析結(jié)果是否正確檢查結(jié)果是否正確以及誤差的估計(jì)在任何有限元分析中無(wú)疑是最重要的。往往會(huì)因 為建?；蚣虞d設(shè)置時(shí)一個(gè)小小的疏漏,導(dǎo)致整個(gè)結(jié)果的不同甚至是得到錯(cuò)誤結(jié)論。 一般對(duì)結(jié)果的驗(yàn)證,需要在開(kāi)始分析之前,就能夠通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)等對(duì)結(jié)果有粗 略的估計(jì),如果結(jié)果與預(yù)期的不一樣,應(yīng)該仔細(xì)研究原因。更多時(shí)候還需要用戶根據(jù) ANSYS提供的信息和實(shí)際情況進(jìn)行更準(zhǔn)確的分析。ANSYS軟件給用戶提供了兩種工作模式,即人機(jī)交互方式(GUI方式和命令流 輸入方式(BATCH方式“利。人機(jī)交互方式對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō),似乎要容易掌握

40、一些, 對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的有限元分析模型來(lái)說(shuō),這也許是要來(lái)得快一些,但對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的有限元大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文模型,其缺點(diǎn)就會(huì)顯露出來(lái):由于一個(gè)分析的完成往往需要進(jìn)行多次的反復(fù),特別是當(dāng) 要對(duì)模型進(jìn)行修改后再進(jìn)行分析時(shí),在GUI方式中就會(huì)出現(xiàn)大量的重復(fù)操作,這些重復(fù) 工作會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間。而命令流輸入方式是一種后臺(tái)批處理工作方式,批處理文件的編寫(xiě)是通過(guò)ANSYS 軟件自帶的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)APDL語(yǔ)言編寫(xiě)的程序,可以使整個(gè)分 析過(guò)程一次性完成,大大地提高了工作效率,縮短了分析過(guò)程中所花的時(shí)間。并且當(dāng)有 相似的問(wèn)題需要分析時(shí),只需對(duì)APDL語(yǔ)言編寫(xiě)的程序進(jìn)行少量的修改,原文件就可

41、重 新使用,避免了大量的重復(fù)性勞動(dòng)。參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL實(shí)質(zhì)上由類似于FORTRAN77的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言部分和1000多條ANSYS命令組成H引。其中,程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言部分與其它編程語(yǔ)言一樣,具有參數(shù)、 數(shù)組表達(dá)式、函數(shù)、流程控制(循環(huán)與分支、重復(fù)執(zhí)行命令、縮寫(xiě)、宏以及用戶程序等。 標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS程序運(yùn)行是由1000多條命令驅(qū)動(dòng)的,這些命令可以寫(xiě)進(jìn)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編 寫(xiě)的程序,命令的參數(shù)可以賦確定值,也可以通過(guò)表達(dá)式的結(jié)果或參數(shù)的方式進(jìn)行賦值。 從ANSYS命令的功能上講,它們分別對(duì)應(yīng)ANSYS分析過(guò)程中的定義材料、構(gòu)建幾何 模型、劃分單元網(wǎng)格、添加載荷和邊界條件、控制和執(zhí)行求解以及后處理計(jì)算結(jié)果等

42、指 令。APDL擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析的范圍,并開(kāi)發(fā)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。其優(yōu)點(diǎn)如下:(1減少大量的重復(fù)工作,特別適用于經(jīng)少許修改后需要多次重復(fù)計(jì)算的場(chǎng)合, 可為設(shè)計(jì)人員節(jié)省大量的時(shí)間;(2文件數(shù)據(jù)量小,便于保存和攜帶,其數(shù)據(jù)量?jī)H為GUI數(shù)據(jù)文件的千分之一, 無(wú)論交流還是應(yīng)用都很方便;(3不受ANSYS軟件的版本和系統(tǒng)操作平臺(tái)的限制,用戶編輯時(shí)既可在Windows 平臺(tái)進(jìn)行交流運(yùn)行,也可以在UNIX或其它的操作平臺(tái)上運(yùn)行;(4不受ANSYS軟件的版本限制,一般情況下,ANSYS軟件以GUI方式生成 的數(shù)據(jù)文件只能向上兼容一個(gè)版本,即ANSYS 11

43、.0版本的軟件只能直接調(diào)出ANSYS 10.0版本的數(shù)據(jù)文件,不能直接調(diào)用ANSYS 9.0及以前版本的數(shù)據(jù)文件。而APDL文 件則不存在這種限制,僅有個(gè)別命令會(huì)有影響;(5利用APDL可以編寫(xiě)一些常用命令的集合,即宏命令。APDL語(yǔ)言主要包括以下幾個(gè)方面:甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化(1參數(shù)參數(shù)即APDL的變量。用戶在定義時(shí)不必精確地指明參數(shù)類型,所有的數(shù)值變量(整 型或?qū)嵭投紝⒈４鏋殡p精度類型。若使用一個(gè)沒(méi)有定義的參數(shù),ANSYS軟件將會(huì)以一 個(gè)非常小的數(shù)來(lái)替代。參數(shù)名稱必須以字母開(kāi)頭,并且只能包含字母、數(shù)值和下劃線, 應(yīng)避免參數(shù)名稱與ANSYS內(nèi)部命令或變量名相同。在實(shí)際運(yùn)用中

44、最重要的工作是給參數(shù)賦值,使用*SET命令直接賦值或直接用“=” 來(lái)給參數(shù)賦值可以實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作。除用戶指定的參數(shù)值外,ANSYS計(jì)算出的值也可賦 給參數(shù),利用專用命令可指示程序從模型數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出數(shù)據(jù)。如節(jié)點(diǎn)號(hào)的最小值或最大 值,關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)或計(jì)算出的應(yīng)力和溫度值。實(shí)際上,數(shù)據(jù)庫(kù)中的任何數(shù)據(jù)都能賦給參數(shù)。 這一特性在優(yōu)化過(guò)程中顯的特別重要。(2數(shù)組參數(shù)除了可以定義單一數(shù)值的參數(shù)外,在ANSYS中還可以定義一維(列、二維(行、 列和三維(行、列、面數(shù)組參數(shù)。ANSYS提供了3種數(shù)組類型:ARRAY、CHAR 和ATBLE。數(shù)組參數(shù)項(xiàng)可以是用戶定義的值也可以是ANSYS計(jì)算出來(lái)的值,而且用戶 定義的數(shù)

45、組參數(shù)能在ANSYS中直接鍵入或從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)文件讀入。由于本文中用到數(shù)組的地方不多,所以對(duì)數(shù)組參數(shù)的操作這里不再詳述。(3分支和循環(huán)APDL語(yǔ)言是類似于FORTRAN的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,同樣具有對(duì)程序流程的控制,循 環(huán)和分支是其中重要的部分。循環(huán)使用戶避免了冗長(zhǎng)的命令重復(fù),分支為用戶提供了控 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語(yǔ)句引導(dǎo)程序按非連續(xù)順序讀取命令。GO命令 指示程序轉(zhuǎn)到用戶標(biāo)定的輸入行。IF命令是條件轉(zhuǎn)移命令,只有當(dāng)滿足條件時(shí),該命令 才指示程序轉(zhuǎn)到另一行。IF.THEN.ELSE語(yǔ)句用來(lái)指示程序根據(jù)現(xiàn)行的條件去執(zhí)行幾個(gè) 動(dòng)作中的一個(gè)。IF命令可以

46、包含用戶指定的或ANSYS計(jì)算出的參數(shù)作評(píng)估條件。分支 命令能引導(dǎo)程序根據(jù)實(shí)際模型或分析作決定,該命令允許代參數(shù),且允許部分輸入值隨 計(jì)算出的某些量值改變。循環(huán)通過(guò)DO命令實(shí)現(xiàn),使用*DO和*ENDDO命令作為循環(huán)的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)的標(biāo) 志,并且可允許嵌套20層的DO循環(huán)。這個(gè)指令指示程序重復(fù)一串命令,循環(huán)的次數(shù) 由計(jì)數(shù)器或其它的循環(huán)的控制器來(lái)控制,控制器完全根據(jù)給定條件的狀態(tài)決定是跨過(guò)循 環(huán)還是終止循環(huán)。(4宏大連理丁大學(xué)碩士學(xué)位論文ANSYS的宏是一列保存在一個(gè)文件中,并能在任何時(shí)間在ANSYS運(yùn)行中執(zhí)行的 ANSYS命令集。宏可以包括APDL特性的任何內(nèi)容,例如參數(shù)、循環(huán)、分支等。在分 析中

47、,宏可以被重復(fù)任意多次,并可嵌套多達(dá)20層,其中包括由ANSYS/INPUT命令 引起的任何文件轉(zhuǎn)換。宏最常見(jiàn)的用法之一是簡(jiǎn)化重復(fù)的數(shù)據(jù)輸入。在ANSYS中有三種方法來(lái)生成宏。第一種方法是在ANSYS輸入窗口執(zhí)行 *CREATE命令。在命令輸入窗口執(zhí)行該命令后,ANSYS轉(zhuǎn)向控制該命令指定的文件。 在執(zhí)行*END命令之前,所有的命令都是對(duì)該文件進(jìn)行操作。*CREATE命令所帶的參 數(shù)用來(lái)指定文件名、擴(kuò)展名和路徑。第二種方法是使用*CFWRITE。和*CREATE不同, *CFWRITWE不能指定宏文件名,因此必須先用*CFOPEN命令來(lái)指定宏文件名。在命 令窗口輸入的命令流只有以*CREATE

48、命令開(kāi)頭,才會(huì)被寫(xiě)入指定文件中,否則都會(huì)被 執(zhí)行。第三種方法是使用菜單方式,即使用Utility Menu>Macro>create Macro途徑生成 宏。通過(guò)該菜單項(xiàng)可以打開(kāi)作為一個(gè)簡(jiǎn)單的多行編輯器的對(duì)話框來(lái)生成宏,但是不能通 過(guò)它來(lái)打開(kāi)并編輯已經(jīng)存在的宏。宏的使用貫穿本文的始終,在后文的每個(gè)部分都會(huì)使用到。尤其是將宏和用戶工具 欄建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系后,就可以通過(guò)單擊按鈕的形式實(shí)現(xiàn)宏的調(diào)用,完成整個(gè)有限 元分析優(yōu)化的全過(guò)程。本章對(duì)有限元分析軟件ANSYS做了簡(jiǎn)要介紹,說(shuō)明了該軟件的主要組成架構(gòu),并 對(duì)應(yīng)用ANSYS進(jìn)行有限元分析的基本過(guò)程做了概括。接著又介紹了參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言

49、APDL,詳細(xì)闡述了組成該語(yǔ)言的參數(shù)、數(shù)組參數(shù)、宏、分支和循環(huán)等內(nèi)容,著重強(qiáng)調(diào) 了宏在本文中的重要作用。本章是后文進(jìn)行甲板起重機(jī)吊臂參數(shù)化建模、分析、優(yōu)化的 理論基礎(chǔ)。甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化3甲板起重機(jī)吊臂的參數(shù)化建模在章節(jié)2.1.3中,已經(jīng)介紹了采用ANSYS進(jìn)行有限元分析的過(guò)程,總的來(lái)說(shuō)就是建 立有限元模型、加載、求解、結(jié)果查看、優(yōu)化等環(huán)節(jié)。根據(jù)章節(jié)2.2.2中關(guān)于宏的介紹, 這些環(huán)節(jié)均是通過(guò)宏來(lái)實(shí)現(xiàn),而且是將宏和工具欄按鈕建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,然后就 可以通過(guò)單擊按鈕的形式實(shí)現(xiàn)宏的調(diào)用,完成整個(gè)有限元分析優(yōu)化的全過(guò)程。所以在整 個(gè)工作進(jìn)行之前,需要先對(duì)本文中將要定義的宏做

50、一個(gè)功能說(shuō)明,并將定制的工具欄按 鈕與相應(yīng)的宏關(guān)聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)吊臂有限元分析的各個(gè)環(huán)節(jié),本文需要定義的宏和相對(duì)應(yīng)的工具欄按鈕如 下:(1Material.mac-對(duì)應(yīng)按鈕黝毽捌,實(shí)現(xiàn)材料特性和實(shí)常數(shù)的輸入; (2Modeling.mac:對(duì)應(yīng)按鈕則,建立吊臂的幾何模型; (3Loads.mac:對(duì)應(yīng)按鈕刪蚓,實(shí)現(xiàn)載荷的計(jì)算和施加,并建立有限元模型; (4SA.mac:對(duì)應(yīng)按鈕刪,進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析;(5VonS.mac:對(duì)應(yīng)按鈕黝劇,顯示吊臂的應(yīng)力云圖; (6YDeform.mac:對(duì)應(yīng)按鈕劂,顯示吊臂在Y軸方向的變形情況; (7ZDeform.mac:對(duì)應(yīng)按鈕刪,顯示吊臂在Z軸方向的變形情況;

51、(8DS Animate.mac:對(duì)應(yīng)按鈕刪,動(dòng)畫(huà)顯示吊臂的變形過(guò)程;(9Modal.mac:對(duì)應(yīng)按鈕鯉必,進(jìn)行模態(tài)分析; (10Frequency.mac:對(duì)應(yīng)按鈕刪,列表顯示吊臂的固有頻率; (11Vibrant . :對(duì) 應(yīng) 按 鈕 劃 , 查 看 吊 臂 的 各 階 振 型 ; . mac(12Buckling.mac:對(duì)應(yīng)按鈕刪,進(jìn)行屈曲分析; (13Eigenvalue.mac:對(duì)應(yīng)按鈕望側(cè),列表顯示吊臂的屈曲特征值; (14Buckling . :對(duì) 應(yīng) 按 鈕 則 , 查 看 吊 臂 的 各 階 屈 曲 模 態(tài) ; mac(15Optimization.mac:對(duì)應(yīng)按鈕則,進(jìn)行

52、吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì); (16Opt. :對(duì) 應(yīng) 按 鈕 刪 , 列 表 顯 示 優(yōu) 化 過(guò) 程 產(chǎn) 生 的 設(shè) 計(jì) 序 列 ; . mac(17Vcurve.mac:對(duì)應(yīng)按鈕劃,顯示吊臂的體積變化曲線:(18S curve.mac:對(duì)應(yīng)按鈕刪,顯示最大應(yīng)力的變化曲線; (19DYcurve.mac:對(duì)應(yīng)按鈕刪,顯示Y向最大變形量的變化曲線; (20DZ curve.mac:對(duì)應(yīng)按鈕則,顯示Z向最大變形量的變化曲線。本文中的宏均存儲(chǔ)在D:workansyscrane boom目錄下。其中,(1至(3實(shí)現(xiàn) 吊臂的建模部分,為本章內(nèi)容。 (4至(14實(shí)現(xiàn)模型分析和結(jié)果查看功能,在第4大連理工大學(xué)碩士學(xué)位

53、論文章中詳細(xì)介紹。(15至(20實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能,第5章介紹。此外,還有一個(gè)用于 優(yōu)化部分的分析文件Boomopt.19w,該文件必須另外放在ANSYS的工作目錄下(本文 中該目錄為D:workansys。定制工具欄按鈕有多種方法,本文采用修改ANSYS啟動(dòng)文件startl 10.ans的方法來(lái) 實(shí)現(xiàn)。在ANsYS安裝目錄D:LProgram FilesLamsys Incvl10認(rèn)NSYSDL中找到它 (根據(jù)具體安裝目錄和軟件版本的不同,會(huì)有一定變化,然后用記事本打開(kāi),在文件 的最后一行添加如下命令即可。/PSEARCH.D:workansyscrane boom其中,/PSEARCH命令為

54、指定宏文件的搜索路徑,*ABBR命令為定義工具欄按鈕 并關(guān)聯(lián)宏文件。啟動(dòng)ANSYS,如圖3.1所示,在ANSYS的工具欄欄已經(jīng)成功添加了相應(yīng)的按鈕, 點(diǎn)擊這些按鈕,就能調(diào)用預(yù)先定義的宏,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的有限元分析環(huán)節(jié)。至此,就完善了 吊臂開(kāi)發(fā)的交互界面,前期的準(zhǔn)備工作已經(jīng)完成。一15一甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)o優(yōu)化!曼J些!到堅(jiān)I型!叫!劃!型!劃!型!墮|里!d竺!墅j些!叫!劃型刪蔓!叫些!蚓!型 |!叫型J堅(jiān)望J二!堅(jiān)ji!吲!g豎IE刪囤31定制的工具欄按鈕接下來(lái)將詳細(xì)介紹吊臂參數(shù)化建模過(guò)程,包括材料特性和丈常數(shù)、模型的建立、載 荷和約束三個(gè)部分。31材料特性和實(shí)常數(shù)材料特性包括彈性

55、模量、泊松比、密度等,對(duì)于起重機(jī)吊臂分析來(lái)說(shuō),一般不用改 變。但是在某地情況卜,可能需要根據(jù)所用的材料對(duì)這些值進(jìn)行修正,所以將它們獨(dú)立 出來(lái)允許自定義是有必要的。實(shí)常數(shù)是跟選擇的有限元單元類型相關(guān)的.由于本文分析 的甲板起重機(jī)吊臂為箱型結(jié)構(gòu),采用SHELL63單元,所以實(shí)常數(shù)就是各個(gè)板的板厚(詳 見(jiàn)章節(jié)32。這一部分兩大塊的輸入功能由宏Material mac實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)材料特性和實(shí)常數(shù)的輸入,就需要用APDL實(shí)現(xiàn)多參數(shù)輸入對(duì)話框的設(shè)計(jì)。 下血的代碼為宏文件Material mac中的部分內(nèi)容,功能是實(shí)現(xiàn)材料特性輸入。完整程序 詳見(jiàn)附錄A。MULTIPRO,START。,3+CSET,1,3,

56、EX,。彈性模量(Mpa:。,206E5MULTIPRO,'END+IF,BUTTON,EQ,1,THEN,EOF+ENDIF實(shí)常數(shù)的輸入同樣采用上面的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)不同板厚的參數(shù)化定義。使用時(shí)只 需點(diǎn)擊_L=具欄按鈕墅里叫.即彈出如圖3.2所示的材料特性輸入對(duì)話框。人連理T大學(xué)碩士學(xué)位論文8臣!”臣“i;in叫=一圖32材料特性輸入對(duì)話框Fig 32Input dialogofmaterial properties對(duì)話框中已有的數(shù)值為默認(rèn)值,可以根據(jù)自己的需要使用默認(rèn)值或者更改該值。 輸入完成后.點(diǎn)-h OK按鈕,接著進(jìn)入實(shí)常數(shù)輸入對(duì)話框,如圖3.3所示?！癊。E”EH_叫劍倒33

57、實(shí)常數(shù)輸入對(duì)話框Fig 3 3Input dialog ofreal constants根據(jù)具體的設(shè)計(jì),調(diào)整各塊板的板厚,完成后確認(rèn)即可。ANSYS中建立模型分為兩個(gè)部分,首先是根據(jù)具體尺寸,建立要分析對(duì)象的幾何 模型,然后是對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,生成有限元模型。由于要實(shí)現(xiàn)吊臂的參數(shù)化建模,所以需要先研究吊臂的幾何特征,提取關(guān)鍵的尺寸 參數(shù)。然后為這些參數(shù)沒(méi)計(jì)輸入對(duì)話框,方便更改,并根據(jù)幾何參數(shù)建立模型。般后對(duì) 建立好的幾何模型劃分網(wǎng)格,生成有限元模型。甲板起重機(jī)吊臂的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化建立正確可靠的有限元分析模型是有限元分析的基礎(chǔ)工作,它直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果 的正確與否。然而,實(shí)際工程問(wèn)題往往非常復(fù)雜,支撐邊界形式多樣,載荷變化多端, 因此就要求在建立計(jì)算模型的過(guò)程中,作合理必要的簡(jiǎn)化“引。對(duì)于甲板起重機(jī)吊臂同樣 如此,它的幾何參數(shù)很多,如果全部考慮則建模復(fù)雜,問(wèn)題的規(guī)模會(huì)很大,這就需要我 們從中提取主要的參數(shù)進(jìn)行考慮。只要簡(jiǎn)化出來(lái)的模型能夠充分反映吊臂的力學(xué)特性, 那么方案就是可行的。甲板起重機(jī)吊臂的幾何外形如圖3.4所示。一 Ll 一 一 “ 一l 一學(xué)/k/一一K4jFig.3.4Geometric parameters of boom可以看到,吊臂分為兩段,后段為恒定截面,前段為漸變截面。由于吊臂分析關(guān) 心的是整體的變形量和應(yīng)力,所以臂頭部分不