重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(yōu)化_圖文

1、大連理工大學碩士學位論文甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(yōu)化 姓名:孫慶申請學位級別:碩士專業(yè):工業(yè)工程指導教師:苗明20091201大連理工大學碩士學位論文摘 要甲板起重機是設置在船舶甲板上的起重機械,具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、裝卸效率 高、機動靈活等優(yōu)點,因而得到廣泛的應用。由于甲板起重機的規(guī)格繁多,結(jié)構(gòu)復雜多 樣,因此設計過程比較復雜;同時,在設計過程中要進行反復修改,每次修改后都需要 設計人員重新進行分析計算以保證安全,重復性的工作較多。為了縮短設計周期,提高 效率,有必要建立一個參數(shù)化的設計、分析系統(tǒng),把設計人員從繁重的重復勞動中解放 出來。本文以甲板起重機的吊臂為研究對象,以ANS

2、YS為工具,利用其參數(shù)化設計語言 (APDL進行二次開發(fā),建立了甲板起重機吊臂的專用開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集吊臂的參 數(shù)化設計、分析、優(yōu)化功能于一體,并且所有功能都封裝為宏。運用此系統(tǒng),用戶只需 點擊相應的按鈕并輸入所需的參數(shù),程序即可自動完成吊臂的參數(shù)化建模、分析、結(jié)果 查看和優(yōu)化設計,準確且高效。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:(1在ANSYS中聲明宏定義,將宏和工具欄按鈕建立起一一對應的關系,定制了 工具欄,完善了吊臂開發(fā)的交互界面。(2利用APDL語言建立典型的甲板起重機吊臂的有限元模型,作為后續(xù)分析和 優(yōu)化的基礎。吊臂的所有參數(shù)都設有輸入對話框,可以很方便的變更設計。(3集成結(jié)構(gòu)靜力分

3、析、模態(tài)分析、屈曲分析,全面分析吊臂的強度、剛度、穩(wěn) 定性情況。(4將復雜的優(yōu)化設計過程進行封裝,實現(xiàn)了吊臂的優(yōu)化設計,簡單高效。(5以10tx 10m的甲板起重機為例,驗證了本系統(tǒng)的實用性和可靠性。關鍵詞:甲板起重機;吊臂;參數(shù)化設計;優(yōu)化;APDL甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(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大連理工大學碩士學位論文大連理工大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解學校有關學位論文知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定,在校攻讀學位期間 論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于大連理工大學,允許論文被查閱和借

11、閱。學校有 權(quán)保留論文并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版,可以將 本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、 縮印、或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。作者簽名.一 :4幺 一 一一日期:一絲2年互月4L日 導師簽名:苧左i 日期:亟望z年三月二日 /大連理工大學學位論文獨創(chuàng)性聲明作者鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下進行研究 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人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果,也不包含其他已申請 學位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻 均已在論文中做了明確

12、的說明并表示了謝意。若有不實之處,本人愿意承擔相關法律責任。學位論文題目:空叢墊魚血至蠆盤益巨隧墨墊絲遮芏復縋絲 作者簽名:函:么 日期:埋笙年互月虹日大連理工大學碩士學位論文1緒論11課題背景隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和國內(nèi)外市場競爭的加劇,起重機械在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程巾的應 用越來越廣,作用越來越大,對起重機的要求也越來越高,世界銷售市場對起重機械的 需求量也在小斷增加,從而使國內(nèi)外各種制造起重機企業(yè)在生產(chǎn)中更多地采用優(yōu)化設 計、機械自動化等先進制造技術(shù)去提高勞動生產(chǎn)率,增強市場競爭力“1。甲板起重機(克令吊是設置在船舶甲板上的起重機械。這種起重機結(jié)構(gòu)緊湊,使 船舶有較多的甲板面積可利用,對橋樓上視線

13、的影響較小。甲板起重機操作簡便,裝卸 效率高,機動靈活,作業(yè)前沒有繁瑣的準備丁作.因而得到廣泛的應用01。圖11所示 為常見的甲板起重機。型1l常見的甲板起重機Fig 11Commondeckcf柚e由于甲板起重機的規(guī)格繁多,結(jié)構(gòu)復雜多樣,各結(jié)構(gòu)間的關系復雜,設計工作量很 重,采用傳統(tǒng)的手工設訓方法己經(jīng)不能適應現(xiàn)今高質(zhì)量、高速度、高效益的發(fā)展趨勢”1。 隨著計算機技術(shù)的不斷應用與發(fā)展以及CAD技術(shù)在工程機械各個領域不斷的滲透,超 重機的設計必然要與計算機相結(jié)合,應用先進的計算方法與計算軟件,提高設計精度, 縮短設計周期,減輕設計人員的負擔n“。工程設計過程復雜而艱澀,實際的機械生產(chǎn)設計中常常需

14、要對同一類型但不同規(guī)格 的系統(tǒng)做大量的相似設汁。設計過程中不可避免地要多次反復修改,進行形狀和尺寸的 綜合協(xié)調(diào)、優(yōu)化,設計、計算與選型,各個分支機構(gòu)以及總體結(jié)構(gòu)計算,性能及工作特 性分析、比較,最后確定出屜佳的設計方案。雖然起重機設計在工程應用中己漸趨成熟, 似零部件的參數(shù)值及結(jié)構(gòu)在設計過程中有時會根據(jù).I一程要求有一nb變化,而即便是最微 一甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(yōu)化小的變化,也需要設計人員重新設計、計算,以保證安全。為能在短期內(nèi)設計出符合客 戶要求的產(chǎn)品,有必要設計一套參數(shù)化的設計、分析系統(tǒng),把設計人員從繁重的重復勞 動中解放出來哺7引。本文所研究的對象是天津某起重機企業(yè)所設計

15、制造的一種甲板起重機。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)簡單,體積輕巧,起重量大,可全方 位回轉(zhuǎn)等優(yōu)點。對該型號的甲板起重機吊臂進行參數(shù)化建模、分析、優(yōu)化,可以縮短開 發(fā)周期,減少重復勞動,快速尋求既合理又經(jīng)濟的設計方案,降低了產(chǎn)品的成本;同時, 滿足企業(yè)和港口發(fā)展的步伐,從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益,也為起重機其它部件的類 似設計提供借鑒。The structure schematic of deck crane吊臂是甲板起重機的主要組成部件之一,工作時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,將造成重大機損甚至人員傷亡的嚴重后果,臂 架的力學

16、性能對整機的正常運轉(zhuǎn)有直接影響呻1,因此對甲板起重機吊臂進行合理的結(jié)構(gòu) 設計及力學分析是非常必要的。同時,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,這對提高整機質(zhì)量和經(jīng) 濟性具有很大的現(xiàn)實意義。大連理工大學碩士學位論文在實際設計任務中,經(jīng)常會遇到系列化的變形產(chǎn)品的設計分析工作。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合、工況有差別,在結(jié)構(gòu)尺寸上形成了一個系 列。對于這類結(jié)構(gòu)相對固定不變的產(chǎn)品,在進行結(jié)構(gòu)有限元分析時,如果逐一地進行建 模與分析,重復工作量將相當龐大,也無謂地延長了設計周期。另外,工程實際中很多 新產(chǎn)品的設計都需

17、要反復進行“設計.建模.分析.修改設計一再建模.再分析的過程,重 復建模與分析使得產(chǎn)品開發(fā)的效率不高。而且,在用ANSYS進行起重機結(jié)構(gòu)的有限元分析時,分析結(jié)果的是否正確、是否 精確依賴于工程設計人員對理論知識的認識深度,同時還依賴于分析者對軟件的掌握程 度,這就提高了設計的門檻。其次,在ANSYS中,一般是采用基于GUI的人機交互界 面進行設計,一些大量的、重復性的工作往往需要手工輸入計算,而且對理論知識和軟 件的掌握程度有很高的要求,可能導致系統(tǒng)誤差和人為差錯n們。所以,需要將有限元分 析的主要功能進行集成,通過簡單點選按鈕的形式,來實現(xiàn)以往需要專業(yè)知識和繁瑣操 作的分析過程、結(jié)果查看等。

18、為了減輕自重,降低制造成本,提高整機性能,吊臂大都采用以鋼板為主的箱形截 面。在箱型吊臂的設計中,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)的設計方法,這些參數(shù)中的任何一 項做了改變,則對其進行有限元分析的時候,就需要重新建立模型。顯然會有大量的重 復勞動,設計周期和成本也會隨之上升。所以,需要對甲板起重機臂架進行參數(shù)化建模, 當設計改變的時候,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,對甲板起重機臂架進行參數(shù)化設計與優(yōu)化,其研究意義如下:(1實現(xiàn)臂架有限元建模中的全參數(shù)驅(qū)動,快速建模只需要按照所設計的尺寸進行輸入,系統(tǒng)就

19、會自動生成相應的有限元模型,避免了 繁瑣的建模過程,使設計人員能專注于臂架本身的設計,快速高效。而通過簡單改變參 數(shù)值,可以進一步實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化設計。(2集成有限元分析的主要功能,點選按鈕即可完成按步驟點選工具欄的相應按鈕,就可以實現(xiàn)有限元分析的全過程。在此操作過程中, 不需要掌握專業(yè)知識,也無需精通ANSYS操作,降低了設計分析的門檻。(3封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能,簡單操作即可實現(xiàn)臂架的優(yōu)化將臂架的所有參數(shù)作為設計變量,以自重最小作為優(yōu)化目標,對設計進行優(yōu)化。由 此得到的結(jié)果去指導實際設計改進,有利于減輕吊臂自重,降低制造成本。甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(yōu)化1.3國內(nèi)91"t目關

20、研究狀況甲板起重機作為起重設備一種,其發(fā)展狀況是與整個起重機行業(yè)的情況密不可分 的。起重機是一種古老的機械,時至今日,在其承載結(jié)構(gòu)、驅(qū)動機構(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,其設計理論、制造工藝、檢測手段等都逐 漸趨于完善和規(guī)范化,并已經(jīng)成為一種較完善的機械。隨著社會的發(fā)展,由于生產(chǎn)發(fā)展提出新的使用要求,起重機的種類、形式也需要相 應地發(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)代化設計方法n婦的建立和計 算機輔助設計n21丑141等現(xiàn)代設計手段的應用,使起重機設計思維觀念和方法有了進一步 的更新,其它技術(shù)領域和相鄰工業(yè)部門不斷取得的新科技成果在起重機上的滲透、推廣

21、 應用等,更使起重機的各方面不斷地豐富更新。因此,起重機將向現(xiàn)代化、智能化、更 安全可靠方便的方向發(fā)展。目前國內(nèi)的甲板起重機的種類很多,發(fā)展速度快,但與國外的發(fā)展還是存在著一定 的差距。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大和自動化程度的提高,起 重機在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應用越來越廣,作用愈來愈大,對起重機的要求也越來越高。 尤其是電子計算機技術(shù)的廣泛應用,促使了許多跨學科的先進設計方法出現(xiàn),推動了現(xiàn) 代制造技術(shù)和檢測技術(shù)的提高。我國正以前所未有的速度進入全球化國際競爭市場,中 國的起重機制造業(yè)面臨著機遇與挑戰(zhàn)并存的新形勢,因此起重機的不斷發(fā)展和創(chuàng)新是關 鍵。我國起重機的特征與有待解決的

22、問題有如下幾個方面n副:(1重點產(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、標準化和實用化;(3產(chǎn)品性能自動化、智能化、集成化和高效化:(4產(chǎn)品組合成套化、系統(tǒng)化、復合化和信息化;(5產(chǎn)品設計微機化、精確化、快速化和全面化;特別是就整個甲板起重機行業(yè)來說,國內(nèi)企業(yè)缺乏對引進技術(shù)的消化、吸收和創(chuàng)新, 造成現(xiàn)在我國甲板機械制造仍舊依靠引進國外知名品牌的技術(shù)生產(chǎn),自主研發(fā)能力較 弱,利用引進國外技術(shù)生產(chǎn)的甲板機械和進口的甲板機械仍然占據(jù)市場主導地位。而且, 國外公司根本不予轉(zhuǎn)讓一些關鍵的控制部件和高壓液壓件技術(shù),不得不受制于人,只能 依靠進口。目前國內(nèi)廠家引進技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品基本處

23、于20世紀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)面臨的一個急需解決的問題。大連理工大學碩士學位論文參數(shù)化技術(shù)(Parametric Technology最早是CAD在實際應用工作中提出的課題, 它是產(chǎn)品模型修改和變型設計的需要,是設計自動化所采用的關鍵技術(shù)之一n¨叼。將參 數(shù)化的思想擴展到部件/產(chǎn)品的設計中,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體參數(shù)化設計,無疑會更大程度地 提高設計效率,為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益。由于參數(shù)化的概念提出較早,因此相關的研究比較多,而且在實際的生產(chǎn)設計中也 有較為廣泛的應用。在起重機的設計領域,參數(shù)化的研究比較集中于高校和相關科研組 織。Edwi

24、n咖1等提出了一種基于CAD的設計參數(shù)化方法,將Pro/E軟件和ANSYS和 MSCNastran進行“連接”,將它們直接引入到形狀優(yōu)化設計系統(tǒng),借助這些軟件中提 供的參數(shù)化幾何建模、網(wǎng)格全自動生成、有限元分析等功能為優(yōu)化過程服務。廣東中山 大學劉志更晗¨以面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ遃isual Basic 6.0為開發(fā)工具,通過二次開發(fā)技術(shù), 完成了SolidWorks設計環(huán)境下,橋式起重機橋架參數(shù)化設計系統(tǒng)的開發(fā)。付韜韜、范勤 等乜21利用ANSYS和VC+的接口技術(shù),采用VC+對APDL語言進行封裝,開發(fā)出了 一套橋式起重機箱形主梁參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)。武漢理工大學的龔道雄瞳3貝IJ更

25、進一 步,以橋式起重機為對象,在Visual Basic6.0編譯語言環(huán)境中,對三維CAD軟件 SolidWorks進行了二次開發(fā),建立橋式起重機的參數(shù)化設計系統(tǒng)。陳昆、劉兆屯等乜41結(jié)合MatLab、AutoCAD和Pro/E,實現(xiàn)了起重機轉(zhuǎn)盤式出繩口的參數(shù)化設計和仿真。 孫曉吉瞳釘將c語言、c+語言、ALGOR前處理工具SuperDrawlII的script語言結(jié)合使用, 在現(xiàn)有的通用有限元分析工具ALGOR軟件基礎上,編制了汽車起重機副臂的參數(shù)化建 模系統(tǒng)。龍靖宇、吳小珍啪1以APDL為工具,實現(xiàn)了某煉鋼廠140tx22m雙主梁偏軌鑄 造起重機的主梁參數(shù)化建模?？梢园l(fā)現(xiàn),在參數(shù)化領域,開

26、發(fā)工具是多種多樣的,研究對象既有針對起重機的某 些部件的,也有面向整個系統(tǒng)的。但是,當前多數(shù)的應用都集中在有限元建模領域,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。隨著計算機的發(fā)展和普及,以計算機為基礎的數(shù)值計算方法的成熟和應用,為工程 問題的優(yōu)化設計提供了先進的手段和方法。優(yōu)化技術(shù)為工程設計提供了一種重要的科學 設計方法,使得在解決復雜產(chǎn)品設計問題時,能從眾多的設計方案中尋找到盡可能完善 的或最為適宜的設計方案窿71。采用這種設計方法能大大提高設計效率和設計質(zhì)量,因此 在機械、宇航、電機、石油、化工、建筑、造船、輕工等各個行業(yè)得到廣泛得應用。甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設

27、計與優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的理論和方法,基本上可以歸結(jié)為兩大類啪3:第一類是準則方法,它 是從結(jié)構(gòu)力學的原理出發(fā),首先選定使結(jié)構(gòu)達到最優(yōu)的準則,而后根據(jù)這些準則尋求結(jié) 構(gòu)的最優(yōu)解;第二類是數(shù)學方法,它是從解極值問題的數(shù)學原理出發(fā),運用數(shù)學規(guī)劃和 優(yōu)選法等各種方法,求得一系列設計參數(shù)的最優(yōu)解。當前,結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論與方法己經(jīng)形成相當廣泛的研究領域,主要集中在以下幾個 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對實用優(yōu)化算法的引用、改進與發(fā)展; (4通用和專用結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序的開發(fā)及其 在實際上程中的應用。R.Hajela們提出了一種新的結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法,它采用神經(jīng)網(wǎng)

28、絡算法對鋼析架在靜 力作用下的應力一位移間的關系進行了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化。吳鎮(zhèn)、孫國正口門研究了如何在 MatLab平臺上解決工程優(yōu)化問題,并對門座起重機的穩(wěn)定性進行了優(yōu)化,證明了這一 方法的可行性。席平原口21針對塔式起重機變幅機構(gòu)的設計實例,建立模糊優(yōu)化設計的數(shù) 學模型,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,并將其應用于橋式起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化中,很好地處理了工 程離散化問題。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)化設計。鄭夕健、張璇等呤51以QY20汽車起重機為研究對象,利用ADAMS軟件建立 其變幅機

29、構(gòu)的虛擬樣機,對變幅機構(gòu)三鉸點位置進行了優(yōu)化,但是具有一定的局限性。 蘇運波3通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型,進行門座起重機臂架結(jié)構(gòu)的最大應力及撓度的預 測,克服了以往基于有限元分析的優(yōu)化設計中有限元分析占用時間過多的缺點。本文以甲板起重機的吊臂為研究對象,以ANSYS為工具,利用其參數(shù)化設計語言 (APDL進行二次開發(fā),建立甲板起重機吊臂的專用開發(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)應用于機械結(jié)構(gòu)的設計和優(yōu)化。該系統(tǒng)集吊臂的參數(shù)化設計、分析、 優(yōu)化功能于一體,只需點擊定制的工具欄按鈕,輸入所需的參數(shù),程序即可自動完成吊 臂的參數(shù)化建模、分析、結(jié)果查看和優(yōu)化設計。全文共分5章,主要包括以下幾

30、個方面 的內(nèi)容:(1緒論部分簡要介紹了甲板起重機的特點和本文的研究意義,通過對國內(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)在起重機領域的應用和發(fā)展狀況。(2第二章介紹了有限元分析軟件ANSYS及其參數(shù)化設計語言APDL,明確了應 用ANSYS進行有限元分析的過程,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程,應用APDL來一一實現(xiàn)。大連理工大學碩士學位論文(3第三章詳細介紹了幾何參數(shù)的提取,建立了幾何模型并進而生成了有限元模 型,然后參照設計規(guī)范分析了吊臂的受力結(jié)構(gòu),并將力的計算封裝到程序內(nèi)部,完成了 載荷的計算和施加,實現(xiàn)了甲板起重機吊臂的參數(shù)化建

31、模。(4第四章是甲板起重機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,實現(xiàn)吊臂強度、剛度、穩(wěn)定性等的全 面評價。(5第五章介紹了基于APDL的優(yōu)化設計的基本要素,并對優(yōu)化設計過程進行了 詳細的說明,通過建立優(yōu)化分析文件和優(yōu)化控制文件完成了吊臂的優(yōu)化設計,實現(xiàn)了優(yōu) 化結(jié)果的查看,最后還對改進方案的可行性進行了驗證。本文所建立的專用開發(fā)系統(tǒng)中,參數(shù)輸入對話框中的默認值(如結(jié)構(gòu)尺寸、載重量 等均取之于天津某起重機企業(yè)所設計制造的一種甲板起重機(10t×10m,實際使用 時可根據(jù)需要進行變更。甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(yōu)化2ANSYS

32、與參數(shù)化設計語言APDLANSYS是Analysis System的簡寫,是目前廣泛使用的有限元工程分析軟件。美國 John Swanson博士于1970年創(chuàng)建ANSYS公司后,便開發(fā)出了該應用程序,以此用計算 機模擬工程結(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用程 序1。ANSYS洶瑚1是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件, 可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行,從PC機到工作站直至巨型計算機,ANSYS文件 在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。多年來,它一直在有限元分析(FEA軟件排名中名列第一,是第一個通過IS09001質(zhì)量認證的分析設計類軟件

33、,也是通過美國機械工程師協(xié)會(ASME、美國核安全局 (NQA及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認證的標準分析軟件,隨著軟件的發(fā)展,其在中國也 得到了日益廣泛的認可和應用H訓。目前,ANSYS廣泛用于航空航天、機械制造、能源、國防軍工、電子、土木工程、 生物醫(yī)學等一般工業(yè)及科學研究HL4羽。利用ANSYS可以對結(jié)構(gòu)在各種外載荷條件下的 受力、變形穩(wěn)定性及各種動力特性做出全面分析,從力學計算、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大且方便易用的分析手段。ANSYS的主要特點是緊跟計算機硬件、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、下幾個優(yōu)點H31: (1擁有豐富的、完善的單元庫、材料模型庫和求解器,保證了它能夠高效地求 解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非線性問題,并能有效地求解溫度場問題、散 熱場以及多場藕合問題;(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價結(jié)果的工作量;(3它的統(tǒng)一和集中的數(shù)據(jù)庫,保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠和靈活的集成;(4它的DDA模塊實現(xiàn)了它與多個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。大連理工大學碩士學位論文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,考察整個模型的 計算結(jié)果等。(4時間歷程后處理器(POST26:用于動態(tài)結(jié)構(gòu)分析后,察看動態(tài)分析與時間 有關的時域結(jié)果。一個典型的ANSYS分析過程包括3個主要步驟: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使用ANSYS提供的基本元素,點、線、面、體

36、等,構(gòu)建實際物體或需要分析 部分的幾何形狀,這個形狀既可以是完全三維的,也可以是簡化了的。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的幾何模型,避免了設計分析中建摸 的重復操作m1。定義材料屬性對于分析對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、熱學、 電磁學等參數(shù)。對于一般靜力學的分析,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,要通過劃分成為單元 以后,才能夠進行有

37、限元的分析。劃分單元的時候,需要選擇單元的形狀、類型,同時 根據(jù)分析精度的需要設定不同的單元的密度。(2施加載荷并進行求解施加載荷9一甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(yōu)化這里的“載荷"是一個廣義的載荷,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,這些載荷應該能夠最直接的反映出物體所處 的環(huán)境與物體當前的狀態(tài)。設置載荷及求解控制選項ANSYS計算中,允許載荷按照時間歷程緩慢遞增地施加到模型上,也可以是階躍 式地施加,還可以通過設置載荷步來模擬載荷加載的先后以及加載與卸載等實際情況。 另外,求解過程實際上是數(shù)值求解方程的過程,ANSYS提供了很多數(shù)

38、值求解的算 法供選擇,用戶可以針對不同的問題進行相應的選取。對于不同類型的工程問題,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、動力學或者是模態(tài)分析等。求解有限元求解的過程就是解矩陣方程的過程,從輸出窗口中可以查看求解過程的信 息,根據(jù)計算工程的大小,節(jié)點的多少,這個過程可能會很快,也可能會是幾天甚至幾 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大的,它提供了多種 查看結(jié)果的渠道,用戶既可以通過顏色等值線圖直觀地顯示結(jié)果,也可以通過曲線來描 述我們關心的數(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 生成動畫的后處理功能,用戶可以通過動畫來演示和重現(xiàn)模型變形或者破壞的過程。 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在任何有限元分析中無疑是最重要的。往往會因 為建模或加載設置時一個小小的疏漏,導致整個結(jié)果的不同甚至是得到錯誤結(jié)論。 一般對結(jié)果的驗證,需要在開始分析之前,就能夠通過經(jīng)驗或者實驗等對結(jié)果有粗 略的估計,如果結(jié)果與預期的不一樣,應該仔細研究原因。更多時候還需要用戶根據(jù) ANSYS提供的信息和實際情況進行更準確的分析。ANSYS軟件給用戶提供了兩種工作模式,即人機交互方式(GUI方式和命令流 輸入方式(BATCH方式“利。人機交互方式對于初學者來說,似乎要容易掌握

40、一些, 對一個簡單的有限元分析模型來說,這也許是要來得快一些,但對于一個復雜的有限元大連理工大學碩士學位論文模型,其缺點就會顯露出來:由于一個分析的完成往往需要進行多次的反復,特別是當 要對模型進行修改后再進行分析時,在GUI方式中就會出現(xiàn)大量的重復操作,這些重復 工作會浪費大量的時間。而命令流輸入方式是一種后臺批處理工作方式,批處理文件的編寫是通過ANSYS 軟件自帶的參數(shù)化設計語言APDL來實現(xiàn),通過APDL語言編寫的程序,可以使整個分 析過程一次性完成,大大地提高了工作效率,縮短了分析過程中所花的時間。并且當有 相似的問題需要分析時,只需對APDL語言編寫的程序進行少量的修改,原文件就可

41、重 新使用,避免了大量的重復性勞動。參數(shù)化設計語言APDL實質(zhì)上由類似于FORTRAN77的程序設計語言部分和1000多條ANSYS命令組成H引。其中,程序設計語言部分與其它編程語言一樣,具有參數(shù)、 數(shù)組表達式、函數(shù)、流程控制(循環(huán)與分支、重復執(zhí)行命令、縮寫、宏以及用戶程序等。 標準的ANSYS程序運行是由1000多條命令驅(qū)動的,這些命令可以寫進程序設計語言編 寫的程序,命令的參數(shù)可以賦確定值,也可以通過表達式的結(jié)果或參數(shù)的方式進行賦值。 從ANSYS命令的功能上講,它們分別對應ANSYS分析過程中的定義材料、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算結(jié)果等

42、指 令。APDL擴展了傳統(tǒng)有限元分析的范圍,并開發(fā)了更高級運算包括靈敏度研究、零件 庫參數(shù)化建模、設計修改和設計優(yōu)化等。其優(yōu)點如下:(1減少大量的重復工作,特別適用于經(jīng)少許修改后需要多次重復計算的場合, 可為設計人員節(jié)省大量的時間;(2文件數(shù)據(jù)量小,便于保存和攜帶,其數(shù)據(jù)量僅為GUI數(shù)據(jù)文件的千分之一, 無論交流還是應用都很方便;(3不受ANSYS軟件的版本和系統(tǒng)操作平臺的限制,用戶編輯時既可在Windows 平臺進行交流運行,也可以在UNIX或其它的操作平臺上運行;(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,僅有個別命令會有影響;(5利用APDL可以編寫一些常用命令的集合,即宏命令。APDL語言主要包括以下幾個方面:甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(yōu)化(1參數(shù)參數(shù)即APDL的變量。用戶在定義時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。若使用一個沒有定義的參數(shù),ANSYS軟件將會以一 個非常小的數(shù)來替代。參數(shù)名稱必須以字母開頭,并且只能包含字母、數(shù)值和下劃線, 應避免參數(shù)名稱與ANSYS內(nèi)部命令或變量名相同。在實際運用中

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“=” 來給參數(shù)賦值可以實現(xiàn)這項工作。除用戶指定的參數(shù)值外,ANSYS計算出的值也可賦 給參數(shù),利用專用命令可指示程序從模型數(shù)據(jù)庫中讀出數(shù)據(jù)。如節(jié)點號的最小值或最大 值,關鍵點坐標或計算出的應力和溫度值。實際上,數(shù)據(jù)庫中的任何數(shù)據(jù)都能賦給參數(shù)。 這一特性在優(yōu)化過程中顯的特別重要。(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)項可以是用戶定義的值也可以是ANSYS計算出來的值,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,所以對數(shù)組參數(shù)的操作這里不再詳述。(3分支和循環(huán)APDL語言是類似于FORTRAN的程序設計語言,同樣具有對程序流程的控制,循 環(huán)和分支是其中重要的部分。循環(huán)使用戶避免了冗長的命令重復,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語句引導程序按非連續(xù)順序讀取命令。GO命令 指示程序轉(zhuǎn)到用戶標定的輸入行。IF命令是條件轉(zhuǎn)移命令,只有當滿足條件時,該命令 才指示程序轉(zhuǎn)到另一行。IF.THEN.ELSE語句用來指示程序根據(jù)現(xiàn)行的條件去執(zhí)行幾個 動作中的一個。IF命令可以

46、包含用戶指定的或ANSYS計算出的參數(shù)作評估條件。分支 命令能引導程序根據(jù)實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 計算出的某些量值改變。循環(huán)通過DO命令實現(xiàn),使用*DO和*ENDDO命令作為循環(huán)的開始和結(jié)束點的標 志,并且可允許嵌套20層的DO循環(huán)。這個指令指示程序重復一串命令,循環(huán)的次數(shù) 由計數(shù)器或其它的循環(huán)的控制器來控制,控制器完全根據(jù)給定條件的狀態(tài)決定是跨過循 環(huán)還是終止循環(huán)。(4宏大連理丁大學碩士學位論文ANSYS的宏是一列保存在一個文件中,并能在任何時間在ANSYS運行中執(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、,宏可以被重復任意多次,并可嵌套多達20層,其中包括由ANSYS/INPUT命令 引起的任何文件轉(zhuǎn)換。宏最常見的用法之一是簡化重復的數(shù)據(jù)輸入。在ANSYS中有三種方法來生成宏。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,所有的命令都是對該文件進行操作。*CREATE命令所帶的參 數(shù)用來指定文件名、擴展名和路徑。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、命令開頭,才會被寫入指定文件中,否則都會被 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。通過該菜單項可以打開作為一個簡單的多行編輯器的對話框來生成宏,但是不能通 過它來打開并編輯已經(jīng)存在的宏。宏的使用貫穿本文的始終,在后文的每個部分都會使用到。尤其是將宏和用戶工具 欄建立起一一對應的關系后,就可以通過單擊按鈕的形式實現(xiàn)宏的調(diào)用,完成整個有限 元分析優(yōu)化的全過程。本章對有限元分析軟件ANSYS做了簡要介紹,說明了該軟件的主要組成架構(gòu),并 對應用ANSYS進行有限元分析的基本過程做了概括。接著又介紹了參數(shù)化設計語言

49、APDL,詳細闡述了組成該語言的參數(shù)、數(shù)組參數(shù)、宏、分支和循環(huán)等內(nèi)容,著重強調(diào) 了宏在本文中的重要作用。本章是后文進行甲板起重機吊臂參數(shù)化建模、分析、優(yōu)化的 理論基礎。甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(yōu)化3甲板起重機吊臂的參數(shù)化建模在章節(jié)2.1.3中,已經(jīng)介紹了采用ANSYS進行有限元分析的過程,總的來說就是建 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中關于宏的介紹, 這些環(huán)節(jié)均是通過宏來實現(xiàn),而且是將宏和工具欄按鈕建立起一一對應的關系,然后就 可以通過單擊按鈕的形式實現(xiàn)宏的調(diào)用,完成整個有限元分析優(yōu)化的全過程。所以在整 個工作進行之前,需要先對本文中將要定義的宏做

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

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

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

53、論文章中詳細介紹。(15至(20實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能,第5章介紹。此外,還有一個用于 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啟動文件startl 10.ans的方法來 實現(xiàn)。在ANsYS安裝目錄D:LProgram FilesLamsys Incvl10認NSYSDL中找到它 (根據(jù)具體安裝目錄和軟件版本的不同,會有一定變化,然后用記事本打開,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 并關聯(lián)宏文件。啟動ANSYS,如圖3.1所示,在ANSYS的工具欄欄已經(jīng)成功添加了相應的按鈕, 點擊這些按鈕,就能調(diào)用預先定義的宏,實現(xiàn)相應的有限元分析環(huán)節(jié)。至此,就完善了 吊臂開發(fā)的交互界面,前期的準備工作已經(jīng)完成。一15一甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計o優(yōu)化!曼J些!到堅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堅望J二!堅ji!吲!g豎IE刪囤31定制的工具欄按鈕接下來將詳細介紹吊臂參數(shù)化建模過程,包括材料特性和丈常數(shù)、模型的建立、載 荷和約束三個部分。31材料特性和實常數(shù)材料特性包括彈性

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

56、EX,。彈性模量(Mpa:。,206E5MULTIPRO,'END+IF,BUTTON,EQ,1,THEN,EOF+ENDIF實常數(shù)的輸入同樣采用上面的方法來實現(xiàn),實現(xiàn)不同板厚的參數(shù)化定義。使用時只 需點擊_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話框。人連理T大學碩士學位論文8臣!”臣“i;in叫=一圖32材料特性輸入對話框Fig 32Input dialogofmaterial properties對話框中已有的數(shù)值為默認值,可以根據(jù)自己的需要使用默認值或者更改該值。 輸入完成后.點-h OK按鈕,接著進入實常數(shù)輸入對話框,如圖3.3所示。“E。E”EH_叫劍倒33

57、實常數(shù)輸入對話框Fig 3 3Input dialog ofreal constants根據(jù)具體的設計,調(diào)整各塊板的板厚,完成后確認即可。ANSYS中建立模型分為兩個部分,首先是根據(jù)具體尺寸,建立要分析對象的幾何 模型,然后是對幾何模型進行網(wǎng)格劃分,生成有限元模型。由于要實現(xiàn)吊臂的參數(shù)化建模,所以需要先研究吊臂的幾何特征,提取關鍵的尺寸 參數(shù)。然后為這些參數(shù)沒計輸入對話框,方便更改,并根據(jù)幾何參數(shù)建立模型。般后對 建立好的幾何模型劃分網(wǎng)格,生成有限元模型。甲板起重機吊臂的有限元參數(shù)化設計與優(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工作,它直接關系到計算結(jié)果 的正確與否。然而,實際工程問題往往非常復雜,支撐邊界形式多樣,載荷變化多端, 因此就要求在建立計算模型的過程中,作合理必要的簡化“引。對于甲板起重機吊臂同樣 如此,它的幾何參數(shù)很多,如果全部考慮則建模復雜,問題的規(guī)模會很大,這就需要我 們從中提取主要的參數(shù)進行考慮。只要簡化出來的模型能夠充分反映吊臂的力學特性, 那么方案就是可行的。甲板起重機吊臂的幾何外形如圖3.4所示。一 Ll 一 一 “ 一l 一學/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 心的是整體的變形量和應力,所以臂頭部分不