（机械工程专业论文）某厂20吨抓斗起重机主梁的技术改造.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 某厂2 0 吨抓斗起重机主梁的技术改造 摘要 本文主要针对大孤山选矿厂过滤车间2 0 吨抓斗起重机在实际运行过程中存在 主梁挠曲变形大、振动比较严重的问题而提出的。首先选择不同工况，并对每种 工况下特定点的应力和振动信号进行现场实测，通过分析找出主梁上特定测点中 应力最大，变形最大的位置及所对应的工况，以便进一步分析。 利用a n s y s 有限元软件建立了合理的主梁有限元模型，并尽可能减小载荷、 约束边界条件等与实际情况的差距，对加固前和初次加固后的主梁进行刚度、强 度的计算与分析，分别获得主梁的变形图、应力分布图及梁端等效应力分布图。 通过与现场实测结果进行对比分析，验证了本文方法的正确性与可行性，为下一 步对主梁进行二次加固提供了理论依据。 为了提高生产率，需对起重机再次进行改造，为此，本文提出两种二次加固 主梁的方案，经过有限元模拟分析，发现两种方案都能使主梁的变形和应力值有 所减小。本文分别从刚度、强度和综合因素来考虑，对提出的两种方案进行了分 析比较，确定了一种更合理的加固方案，为起重机主梁的技术改造提供了有价值 的理论依据。起重机主梁按此方案进行技术改造后，运行情况良好。 关键词：抓斗起重机，有限元，刚度，强度，改造 辽宁科技大学硕士论文 t e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o nf o r t h em a i nb e a mo f2 0 tg r a b c r a n ei n0 n ep l a n t a b s t r a c t t l l i sp a p e rm a i n l ya i m sa tt h ep r o b l e r nt h a tt h em a i nb e a mo f2 0t o n sg r a bc r a n eh a d g r e a td e f l e c t i o nd u et ob e n d i n ga n ds e r i o u s 、r i b 砸o ni na c t u a lr u n n i n gi nt h ef i l t r a t i o n w o r k s h o po fd ag us h a hc o n c e n t r a t i n gm i l l w ec h o o s ed i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s ，a n d t e s ts u ? e s sa n dv i b r a t i o ns i g n a l si ne a c hw o r kc o n d i t i o n b ya n a l y z i n gt h e s ed a t aa n d w a v e f o r l n s , t h em a x i m u m s t r e s sa n dt h e g r e m e s t d e f o r m a t i o n p o s i t i o n sa n d c o r r e s p o n d i n gw o r kc o n d i t i o n sa 托f o u n do u t n l i si sf a v o r a b l et of u r t h e ra n a l y s i s t h er e a s o n a b l ef i n i t ee l e m e n tm o d e jo f t h em a i nb e a mi sb u i l ti na n s y sw h i c hi st h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea b s 缸 a c tm o d e la n dt h e a c t u a ls i t u a t i o ni sf u r t h e s tr e d u c e d b yc a l c u l a t i n ga n da n a i y z i n gr i g i d i t i e sa n d i n t e n s i t i e so ft h em a i nb e a mb e f o r ec o n s o l i d a t i o na n da f t e rc o n s o l i d a t i o n , t h e d e f o r m a t i o nf i g u r e s ，s t r e s sf i g u r e so ft h em a i nb e a ma n de q u i v a l e n t5 t r e s sf i g u r e so f b e a me n da r eg a i n e d b yc o m p a r i n gt oa n d a n a l y z i n gt h ea c t u a lt e s t i n gr e s u l t , i tp r o v e s t h a tt h i sm e t h o di sc o r r e c ta n df e a s i b l e t i l i so f f e r st h e o r e t i c a lr e f e r e n c et ot h es e c o n d c o n s o l i d a t i o no f t h em a i nb e a m i no r d e rt oi n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , t h et e c h n i c a lr e c o 删o no ft h i sg r a bc r a n ei s n e e d e d i nt h i sp a p e r , t w ok i n d so f c o n s o l i d a t i o np l a no f t h em a i nb e a ma l ep u tf o r w a r d t w op l a n sc a l lb o t hd e c r e a s et h ed e f o r m a t i o na n ds u c s $ o ft h em a i nb e a ma c c o r d i n gt o t h ef u f i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i st ot h em a i nb e a m n l i sp a p e ra l l o w sf o rr i g i d i t y , i n t e n s i t ya n di n t e g r a t i v ef a c t o r s ，ak i n do fm o l er e a s o n a b l ec o n s o l i d a t i o np l a ni s c o n f i r m e db yc o m p a r i n gt h e s ep l a n s t h i so f f e r sv a l u a b l et h e o r e t i c a lr e f e r e n c et ot h e t e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o nf o rt h em a i nb e a mo ft h i sg r a bc r a l l e i th a sa t t a i n e df m er e s u l t a f t e rt e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：g r a bc r a n e ，f i n i t ee l e m e n t ，r i g i d i t y ，i n t e n s i t y ，r e c o n s t r u c t i o n 独创性声明 。 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：! 鱼照日期：幽：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题的提出和意义 第一章绪论 起重运输机械作为物料搬运工具，在各行各业中得到广泛的应用，在现代化 生产中占有重要的地位。起重运输机械在完成一个工作过程中，一般包括“储、 装、运、卸”作业，因而对于提高生产能力、保证产品质量、减轻劳动强度、降 低生产成本、提高运输效率、加快物资周转、流通等方面均有着重要的影响，对 安全生产、减少事故更有显著作用。 本课题题目是结合大孤山选矿厂现场生产的实际需要设定的。大孤山选矿厂 是鞍钢矿山公司下属的主要铁精矿生产厂，年产品位6 7 的铁精矿3 5 0 万吨，员 工1 0 0 0 余人，有破碎、磁选、过滤等八个生产车间。过滤车间负责铁精矿生产的 最后作业铁精矿脱水与输出，主要设备有过滤机和抓斗起重机。该车间共有 2 0 吨抓斗起重机4 台，主要功用是装运铁精矿。抓斗起重机一旦出现故障，不但 影响铁精矿对外输出，而且由于铁精矿不能输出，无处存放而会导致全厂停产。 抓斗起重机是制约全厂生产的重要因素之一。这4 台抓斗起重机于2 0 0 4 年安装， 起重量2 0 吨，跨度2 8 5 米。由于制造缺陷、主梁跨度大等原因，在实际运行过程 中存在主梁挠曲变形大、振颤严重等问题，造成大车两侧行走不同步、小车轮咬 道等，并存在安全隐患。2 0 0 4 年年末从安全考虑，将抓斗斗容减小为1 5 吨，主梁 挠曲交形大、振动严重现象有所缓解，但大车两侧行走不同步、小车轮咬道等问 题仍然存在，为此该厂对主梁进行了一次加固，加固方案是在主梁的下缘两侧各 焊接了1 根1 6 号槽钢( 见图4 7 ) ，并进行了火焰矫正，但效果不是很理想。尤其 是球团厂2 0 0 6 年投产后，其所需的铁精矿由大孤山选矿厂通过管带机进行输送， 而抓斗起重机直接负责向管带机输送铁精矿，抓斗起重机的作业率高达8 5 左右。 为保证抓斗起重机正常运行，保证铁精矿正常输出及全厂正常生产，需要对起重 机再次进行改造处理，以满足生产要求。那么，对课题的研究目的就是为了通过 计算现有起重机的承载能力，准确找出主梁的薄弱环节，为制定改造方案提供理 论依据，并对其进行设备改造。这对提高选矿厂的生产效率。降低成本具有一定 的现实意义。 1 2 本课题的国内外动态 近十年来，随着计算机技术的发展，有限单元法在越来越多的领域中得到了 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 广泛的应用。利用有限单元法对起重机、吊车梁、桁架结构、装卸桥等进行强度、 刚度计算以及模态分析的研究成果也越来越多，理论比较成熟。 几乎所有的机械设计都会涉及到机械零部件的应力和变形问题，为结构的强 度和刚度提供依据。要准确的计算出力学结果，必须求解一系列的弹性力学方程。 但这些方程本身的复杂程度和边界条件的复杂性，使求解十分困难。有限元方法 解决了上述问题。目前，有限元法在工程中的应用最为广泛，尤其是在计算机技 术飞速发展的今天。从应用数学的角度来说，有限元法基本思想的提出可以追溯 到c o u r a n t 在1 9 4 3 年求解s t v e n a n t 扭转问题。1 9 6 3 到1 9 6 4 年b e s s e l ， m e l o s h ，j o n e s 等人证明了有限元法是基于变分原理的里茨法的一种形式，从 而使里茨分析法的所有原理都适用于有限元法。6 0 年代后期，对加权余量法、伽 辽金法的应用使有限元法得到极大的推广。有限元法不仅能用于工程中复杂的非 线性问题，非稳态问题的求解，而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和 动态分析。 p r a t t & w h i t n e y 公司的工程师应用有限元分析代替设计试验，使航天飞机发动 机的关键零件的生产周期从原来的一年半缩短为两个月。为适应高速动力车对速 度的要求，在机车结构的设计中应用有限元分析，合理选择车体截面形状和尺寸， 使机车结构有足够的强度和刚度，并且要最大限度的减轻车体的重量。随着有限 元技术的成熟，有限元在工程中得到了极其广泛的应用。 随着计算机在工程领域的广泛应用，出现了如s a p ，a l o g o ，a n s y s 等较 为成熟的有限元分析软件，使得有限元分析切实可行且简便。有限元法能针对起 重机实际使用的结构边界条件进行定量的分析计算，为设计提供了丰富的，反映 实际工作情况的计算结果，并可以配有丰富的动态图形显示功能。 1 3 本课题的主要工作 由于该抓斗起重机在实际运行过程中存在主粱挠曲变形大、振动严重等问题， 2 0 0 4 年末将主梁加固后，仍不理想，2 0 吨的抓斗实际抓取量已不足1 5 吨，那么， 如何能保证起重机主梁的承载能力并且保证抓斗的作业效率，这是本课题急需解 决的问题。针对这一问题，本课题准备采取以下技术路线来进行本课题的研究： 1 、首先对起重机主梁进行应力、振动进行现场测试。根据抓斗起重机实际生产情 况，选择不同工况，分别测出每种工况下5 点的应力和3 个位置的振动信号。 通过对测试信号的分析，找出主梁上应力最大，变形最大的位置及所对应的工 况，以便进一步分析。 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 2 、建立合理的抓斗起重机主梁的有限元模型，利用a n s y s 大型有限元分析软件 来模拟现场的工况，分别对加固前和初次加固后的模型进行刚度、强度计算， 并对计算结果进行对比分析。 3 、通过分析，拟定主梁二次加固方案。分别建立两种加固方案的有限元模型，进 行刚度、强度的计算，并对分析结果进行分析比较，选出最优方案。从而为改 造方案的确定提供了理论依据。 4 、进行改造施工，并对改造效果进行分析。 辽宁科技大学硕士论文 第二章有限单元_ i 圭及有限元软件a $ s y s 第二章有限单元法及有限元软件a n s y s 传统起重机的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设 计法和类比法、直觉法等传统设计方法，设计过程反复多，周期长，设计的精确 度差。近年来，随着电子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工 程、可靠性工程、创造工程、人机工程等设计理论的不断深入，促使许多跨学科 的现代设计方法出现，使起重机的设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。这 些起重机的现代设计方法主要包括有限元法、优化设计、可靠设计、计算机辅助 设计( c a d ) 、动态仿真设计、模块化设计、反求工程设计、工艺技术造型设计、 通用化设计等。其中有限元法和优化设计耳前在起重机的设计中应用最为广泛， 成为起重机设计中的主流方法。 2 1 有限元法的基本理论幽 2 1 1 有限单元法的提出和应用 工程计算中，由于传统的计算方法不仅经常因人为计算疏忽造成错误外，而 且在先天上，将几何结构及边界条件等过于简化，使得计算结果与实际上有极大 的出入，因此参考价值有限。有限单元法正是基于工程的实际需要而产生的。有 限单元法的基本思想早在4 0 年代初期就有人提出，但真正用于工程中则是在电子 计算机出现之后。“有限单元法”这个名称是1 9 6 0 年美国的克拉夫( c t o u g h r w ) 在一篇题为“平面应力有限元法”论文中首先使用的。4 0 多年来，有限单元法的 应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到 稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到粘弹性粘塑性 和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域，经过4 0 多 年的发展，不仅使各种不同的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，而 且己经开发了一批使用有效的、通用和专用的有限元软件，使用这些软件己经成 功地解决了整机、机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、造船、宇航、核能、 地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程等领域众多的大型 科学和工程计算难题，有限元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力， 并且产生了巨大的经济和社会效益。 2 1 。2 有限单元法的计算思路 有限元法是将结构细分成有限个单元，每个单元以节点相连，两相邻单元共 - 4 - 辽宁科技大学硕士论文第二章有限单元法及有限元软件a n s y $ 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，系统方程式如下所示： z - k q = f 其中厦，为刚度矩阵，表示节点载荷倒与节点自由度的位移| 口相关性。 有限元法将结构( 或物理系统) 分割成单元接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( 或物理量) 近似的以节点位移量( 或物理量) 的内插函数表达。作用在结构( 或物理系统) 上的外力及力矩作用在节点上，因此 由节点的作用效应及节点反应关系式构成了结构( 或物理系统) 的离散化方程式， 在己知作用外力及力矩( 或外激效应) 时，求解此方程式，得到结构在各节点的位 移( 或物理量) 。 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，这一步称作单元剖分。 离散后单元与单元之间利用单元的节点互相连结起来：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 1 ) 选择位移模式 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、应变和变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，如：y = q 奶，其中q 是特 1 1 定系数，是与坐标有关的某种函数。 2 ) 分析单元的力学性质 辽宁科技大学硕士论文 第二章有限单元法及有限元软件a n s y s 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。 3 ) 计算等效节点力 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。因此，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。 4 ) 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联系起来， 形成整体的有限元方程 i k j q = f ) 其中翮刚度矩阵，表示节点载荷仍f 与节点自由度的位移f q t 相关性。 5 ) 求解位置节点位移 解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的 计算方法。 2 1 3 有限单元法的解题步骤 有限单元法的解题步骤归纳如下： 1 ) 单元剖分和插值函数的确定根据结构件的几何特征、载荷情况及所要求的 变形点，建立由各种单元所组成的计算模型。再按单元的性质和精度要求，写出 表示单元内任意点的位移函数一( x ，y ，z ) ，v ( x ，y ，z ) ，( x ，y ，力或d = s ( x ，y ，z ) a 。 利用节点的边界条件，写出以a 表示的节点位移旷= 如v 。q 鸬v 2 q a r 并写成q 。= c a 求c 。及口= c 。q ，并代入d = s a ，得 d = s c 一1 q 。= n q 5 它是用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。 2 ) 单元特征分析 根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可计算出应变为 = b q t 式中：曰应变矩阵。响应的变分为 辽宁科技大学硕士论文第二章有限单元法及有限元软件a n s y s 占= b s q 5 自物理关系，得应变与应力的关系为 盯= d 。= d b q 。 式中：d 为弹性矩阵 自虚位移原理k 7 a d v = 8 q 5 7 f 。，可得单元节点力与位移之间的关系式为 f t = k 4 q e 式中：足。是单元个性，即刚度矩阵，并可以写成 x 。= 陋7 d b d v 3 ) 单元组集 把各单元按节点组成与原结构相似的整体结构，得到整体结构的节点力与节 点位移的关系，即整体结构平衡方程组 = k q 式中，k 一整体结构的刚度矩阵： ，一总的载荷列阵： g 一整体结构所有节点的位移列阵。 对于结构静力分析载荷列阵f 可包括 = l f 七 m + j ， 式中z = 7 q ，d v ( 体积力转移) ，工= p 7 qd s ( 表面力转移) = p 7 p ( 集中力转移) 。 4 ) 解有限元方程 可采用不同的计算方法解有限元方程，得出各节点的位移。在解题之前，必 须对结构平衡方程组进行边界条件处理，然后再解出节点位移q 。 5 1 计算应力 若要求计算应力，则在计算出各单元的节点位移g 后，自万= 助8 和盯= d 6 即 可求出相应的节点应力。 2 1 4 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。 辽宁科技大学硕士论文 第二章有限单元法及有限元软件a n s y $ 有限元的优越性主要有： 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结点参数的计算，虽然它的解是近似的， 但适当选择单元的形状与大小，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莫大的简化。 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有关，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己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与推广。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。对于输出数据的整理与判 断也是很费时间与精力的。因此在这方面还必须进一步减轻手工的、费时的、烦 琐的、易出错的工作。 辽宁科技大学硕士论文第二章有限单元法及有限元软件a n s y s 2 2 有限元软件的发展及应用嘲 2 2 1 当前国内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：s a p ， a d i n a ，a s i c a ，n a s t r a n 等。 s a p ( s t r u c m m la n a l y s i sp r o g r a m ) 一结构分析程序。它由美国贝克莱加利福 尼亚大学研制，该程序可处理空间析架，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。 a d i n a ( af i n i t ee l e m e n tp r o g r a mf o ra u t o m a t i cd y l 值l m ci n c r e m e n t a l n o n l i n e a ra n a l y s i s ) - - 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，三维块体，轴对称，厚板( 壳) 等单元。它可处理非线性问题，与温度有关的问题。 a s k a ( a u t o m a t i cs y s t e mk i n e m a t i ca n a l y s i s ) 一自动动力分析系统。它 是由德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所研制。 n a s t r a n ( n a s as t r u c t u r a l a n a l y s i s ) - - n a s a 结构分析程序。它由美国国 家航空和宇宙局研制。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。 a n s y 卜a n s y s 公司开发的有限元软件，既有适用于工作站的版本也有适用 于个人计算机的版本。 在众多可用的通用和专用有限元软件中，a n s y s 是最为通用有效的商用有限 元软件之一，在多次用户调查中，a n s f s 都名列前茅。a n s y s 软件从7 0 年代至 今，经过3 0 多年的发展，己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，材料模型库和求解器，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一 结构耦合问题，静态和时变电磁场问题，压缩与不可压缩的流体力学问题，以及 9 辽宁科技大学硕士论文 第二章有限单元法及有限元软件a n s y s 多场耦合问题：它的友好的图形用户界面和程序结构易学易用；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d d a 模块实现了它与多个c a d 软件产品的有 效连接；a n s y s 系统的各种产品和适应于各种计算机系统平台的版本，为用户提 供了各种可能的选择。a n s y s 公司的不懈努力，已经使a n s y s 成为计算机辅助工 具c e a 和工程数据模拟的最有效的软件，成为当代c a d c a e c 舢d 主流产品之 一d 2 2 2 我国有限元软件的发展情况 我国在6 0 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。7 0 年代初，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，总的说来对静态分析方面做的工作较多，尤其 是7 0 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。近几年来，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。 2 3 大型有限元软件a n s y s 应用嘲 a n s y s 软件是融结构，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。在世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发。 a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡，目前是世界 c a e 行业最大的公司。近3 0 年来，a n s y s 公司一直致力于分析软件的开发，维 护及售后服务，不断吸取当前世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元 界的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。 2 3 1a n s y s 功能简介 a n s y s 软件是融机构，流体，电场，磁场，声学于一体的大型通用有限元分 析软件。可广泛用于核工业，铁道，石油化工，航空航天，机械制造，能源，汽 车交通，国防军工，电子，土木工程，造船，生物医学，轻工，水利，日用家电 等一般工业及科学研究，该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从p c 机到 工作站直到巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。 辽宁科技大学硕士论文 第二章有限单元法及有限元软件a n s y s a n s y s 的多物理场耦合功能，允许在同一模型上进行各式各样的藕合计算，如： 热一结构耦合，磁结构耦合以及电一磁一流体一热耦合，在p c 机上生成的模型 同样可运行在巨型计算机上，这样就确保了a n s y s 对多领域多变工程问题的求 解。 该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析，电 磁分析，计算流体力学分析，设计分析，接触分析，自适应性网络划分，大应变 有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言( a p d l ) 的扩展宏命令功能。基于 m o t i f 的菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用a n s y s 提供“导航”。a n s y s 目前最新版本为9 0 版，该版本比以往版本新增了许多功能，如更多的有限元单元， 多种材料梁等。 2 3 2a n s y s 的发展 1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士洞察到计算机模拟工程应该商品化，于是创建了 a n s y s 公司致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导 着世界有限元技术的发展，并为全球工业广泛接受。 a n s y s 程序的第一个版本与今天的版本相比已有了很大的区别，它仅提供了 热分析及线性结构分析功能。像当时的在多数程序一样，它只是一个批处理程序， 且只能在大型计算机上运行，7 0 年代初。a n s y s 程序中融入新的技术以及用户的 要求，从而使程序发生了很大的变化，非线性，子结构以及更多的单元类型被加 入了程序。7 0 年代末，交互方式的加入是该程序最为显著的变化，它大大地简化 了模型生成和结果评价( 前处理和后处理) 。在进行分析前，可用交互式图形来验 证模型的几何形状，材料及边界条件：在分析完成之后计算结果的图形显示立即可 用于分析检验。 今天该程序的功能更加强大，使用更加便利。a n s y s 提供的虚拟样机设计法， 使用户减省了昂贵费时的物理样机，在一个连续的，相互协作的工程设计中，分 析用于整个产品开发过程，并且工作人员之间像一个团体一样相互协作。a n s y s 分析模拟工具易于使用支持多种工作平台，并在异种异构平台上数据百分之百 兼容，提供了多场耦合的分析功能。 2 3 3a n s y s 特点 、用户界面 尽管a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，但它友好的图形用户界面( g u i ) 及 辽宁科技大学硕士论文 第二章有限单元j 圭及有限元软件a n s y s 优秀的程序构架使其易学易用，该程序使用了其于m o t i f 标准的易于理解的g u i 。 通过g u i 可方便地交互访问程序的各个功能，命令，用户手册和参考材料， 并可一步一步地完成整个分析，因而使a n s y s 易于使用。同时，改程序提供了完 整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统，以协助使用有经验的用户进行高级 应用。a n s y s 开发了一套直观的菜单系统，为使用系统提供导航，用户输入，可 通过鼠标或键盘完成，也可以二者一起使用 在用户界面中，a n s y s 程序提供了四种通用的方法输入命令： 宰菜单； 对话框： 车工具杆； 牛直接输入命令； 菜单由运行a n s y s 程序时相关的命令和操作功能组成，它们位于各自的窗口 中。用户的任何时候均可用鼠标访问这些窗口，这些窗口也可用鼠标进行移动或 隐去操作。a n s y s 命令根据其功能分组，保证了用户快速访问到合适的命令。 a n s y s 共有七个菜单窗口，具体包括： 使用菜单：该菜单包括了a n s y s 的实用功能，在a n s y s 运行的任何时刻均可访 问这些菜单。该菜单为下拉式结构，可直接完成某一程序功能或引出一个对话框。 在使用菜单中，用户可一次完成多个动作( 如在执行选择操作期间改变视图) 。 主菜单：该菜单由a n s y s 最主要的功能组成，为弹出式菜单结构，其组成基于程 序的操作顺序。 $ 输入窗口：该窗口提供了a n s y s 命令的输入区域，同时还可以显示程序的提示信 息和浏览先前输入的命令。用户可从l o g 文件，先前输入的命令和或输入文件 中剪切和粘贴命令。 图形窗口：该窗口用于显示诸如模型、分析结果等图形，用户可根据个人喜好调 整该窗口的大小。 砷俞出窗口：该窗口用于显示a n s y s 程序对己输入命令或已使用功能的响应信息。 在g u i 下用户随时可以访问该窗口。 工具杆：该窗口允许用户将常用命令放在自己编写的过程当中，用户只需要用鼠 标点击即可完成访问。 木对话框：对话框是为了完成操作或设定参数而进行选取的窗口，该窗口提示用户 为完成功能所需要输入的数据或做出的决定。 由于工具杆可设置的范围宽，因而它是执行a n s y s 程序命令的一个高效手 段，用户可将一些常用的命令做成按扭放入工具杆中，以便立即访问。工具杆最 辽宁科技大学顸士论文第二章有限单元法及有限元软件a n s y s 多可以容纳2 0 0 个这样的按扭。不管用户如何设置，命令总是用于提供数据并控 制各种程序功能。新设计的用户界面使用户可方便的通过菜单、对话框和工具杆 来选取和执行命令，并使其更加直观。用户界面的交互性和根据功能组织的命令， 使命令句法对用户透明。当然，熟悉a n s y s 命令的用户也可通过键盘直接键入命 令。 命令一经执行，该命令就会在l o gf i l e 列出，该l o gf i l e 可在a n s y s 的输出窗 口中访问。当程序出现运行错误时，用户可浏览已执行过的命令，这些命令也可 存为一个文件，以用于批处理。 程序也利用过程杆指示一个长过程的执行状态( 如网格划分) ，用户可通过鼠 标点击终止此操作。 完整的a n s y s 用户手册和跟踪帮助系统为正确的完成分析工作提供了在线 帮助，只需点击一到两次鼠标键，即可获得程序功能、命令和过程的详细说明； 通过在线帮助索引中选取个超文本或利用系统的词搜寻功能，即可获得文字、 图表和其它的程序说明信息；键入所需信息的标题( 如非线性) ，即可得到该标题 和其他的程序说明信息；a n s y s 程序同样支持多种图形显示。 二、图形 安全交互图形是a n s y s 程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数 据和在后处理中检查都是非常重要的。 a n s y s 的p o w e rg r a p h i c s 能够迅速地完成a n s y s 几何图形及计算结果的显 示，如此迅速是由于几何图形是以对象而不是以需要重新组合的数据来储存的。 a n s y s 图形功能包括以下内容： 宰在实体模型和有限元模型上的边界条件显示； 术计算结果的彩色等值线显示； 随时间或模型中的一条轨迹而变化的结果图形； 幸通用显示操作( 视图方向，变焦，放大，旋转) ； 用于实体体素的橡皮筋技术； 术多窗口显示； 木隐藏线，剖面及透视显示： 牛软件实现的z - b u f f e r i n g ( 阴影光滑及加速显示) ； 宰光源阴影图像； 木边缘显示( 为清晰起见，除掉内部单元轮廓线) ； 幸收缩显示( 为清晰起见，相邻的单元线相互分开) ； 宰变形比率控制显示( 如：叠加于实体模型上的单元) ； 1 3 辽宁科技大学硕士论文 第二章有限单元法及有限元软件a n s y s 宰多达2 5 6 种颜色显示； 三维体内直观化显示，包括梯度，等值面，粒子流跟踪，立体切片； 牛x y 数据显示，包括多个相互独立曲线显示，二维，三维显示，可对色彩，背景， 栅格线和厚度控制； $ 图形化操作历程状态显示。操作包括图，网络划分，数据列表和求解； 木用文本，尺寸表注，多边形，符号，饼图等图形显示以增强注解能力： 宰动画显示，包括变形动画，时间历程结果动画，q 切片动画和等值面动画； 通过范围或类型对大部分图元( 包括单元，线，面，体，边界条件，屏幕和轮廓 色彩及色彩索引) 的色彩说明； 半对单元，实体模型的图元，组元及等值面的透明显示； 掌管单元，肘形弯管单元，梁单元以及磁源的实体形状及横截面显示； 毒层单元的复合材料层和方向显示； 窗口的复合材料层和方向显示； 木窗口背影的色彩选择； 显示说明可存于一个文件中，以便以后调用； 硬拷贝图形功能，包括p o s t s c r i p t ，h p g l 和t i e p 格式。 三、处理器 a n s y s 按功能作用可分为若干个处理器，包括一个前置处理器 ( p r e p r o c e s s i n g ) ，一个求解处理器( s o l u t i o n ) ，通用后处理器( g e n e r a lp o s t p r o c e s s i n g ) 时间历程后处理器( t i m e h i s t o r yp o s t p r o c e s s i n g ) 和几个高级应用处理器。a n s y s 的 前置处理器用于生成有限元模型，指定随后求解中所需的选择项： a n s y s 求解器用于施加载荷及边界条件，然后完成求解运算：a n s y s 后处理 器用于获取并检查求解结果，以及对模型做出评价，进而进行其他感兴趣的计算。 下面分别介绍： l 前处理模块 单击主菜单中的。p r e p r o c e s s o r ”，进入a n s y s 的前处理模块。这个模块主要 有两部分内容；实体建模和网络划分 1 ) 实体建模 a n s y s 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，球，锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方 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。 辽宁科技太学硕士论文 第二章有限单元法及有限元软件 _ s y s a n s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加，相减，相交，分割，粘贴和重叠， 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。a n s y s 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， 线与面的自动相交运算，自动倒角生成。用于网络划分的硬点的建立，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。 2 ) 网格划分 a n s y s 程序提供了使用便捷，高质量的对c a d 模型进行网格划分的功能， 包括四种网格划分方法；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 型分鼹成简单的几个部分，然后选择合适的单元属性和网格控锚，生成映像网格。 a n s y s 程序的自由网格划分功能是十分强大的，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 限元网络，分析、估计网络的离散性很差，然后重新定义网络的大小，再次分析 计算、估计网络的离散性很差，直至误差低于用户定义的值域或达到用户定义的 求解次数。 2 、求解模块s o l u t i o 咐 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。 点击快捷工