工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的整體結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)

 

    1工程背景與需求

 

    以北京航空制造工程研究所為技術(shù)依托單位的北京起重機(jī)器廠CIMS工程(簡(jiǎn)稱(chēng)BQCIMS工程)，是國(guó)家863CIMS工程資助的北京市信息技術(shù)推廣示范項(xiàng)目之一。其中，汽車(chē)起重機(jī)與礦用重型汽車(chē)設(shè)計(jì)中的工程分析是該項(xiàng)目的核心創(chuàng)新技術(shù)與提高企業(yè)市場(chǎng)快速反映能力的重要手段。北京航空制造工程研究所推廣應(yīng)用航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的先進(jìn)分析技術(shù)與方法[1]，以國(guó)際上先進(jìn)的工程分析平臺(tái)—ANSYS系統(tǒng)[2]為基礎(chǔ)，與北京起重機(jī)器廠的工程師們緊密合作，利用ANSYS/APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立了適應(yīng)汽車(chē)起重機(jī)[3]與礦用重型汽車(chē)[4]設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)工程分析方法。

 

    汽車(chē)起重機(jī)與礦用重型汽車(chē)，作為一類(lèi)“大力神”產(chǎn)品，具有其特殊的作業(yè)環(huán)境，要求良好的力學(xué)性能，包括剛度、應(yīng)力水平、變形、抗干擾性能等。對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，零件、結(jié)構(gòu)件及整機(jī)的力學(xué)性能如何？會(huì)不會(huì)因強(qiáng)度不夠造成破壞事故？這些都是他們必須關(guān)心和回答的問(wèn)題。

 

    對(duì)于結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，一般地說(shuō)，它是零部件的組合設(shè)計(jì)。汽車(chē)起重機(jī)的主要承力結(jié)構(gòu)件是吊臂、轉(zhuǎn)臺(tái)、車(chē)架。礦用重型汽車(chē)的主要承力骨架是整體車(chē)架，它又是許多結(jié)構(gòu)件的組合，包括支撐架、前車(chē)架、中車(chē)架、尾架及若干子構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件有限元分析是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性分析。最基本的分析是進(jìn)行線性應(yīng)力分析；對(duì)于有些結(jié)構(gòu)件，例如吊臂與車(chē)架，還要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，研究結(jié)構(gòu)件失穩(wěn)(屈曲)的條件。

 

    對(duì)于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，整體分析是工程師面臨的最直接、最重要的問(wèn)題。汽車(chē)起重機(jī)整機(jī)分析的對(duì)象包括若干個(gè)受力結(jié)構(gòu)件和機(jī)構(gòu)(回轉(zhuǎn)、變幅、伸縮、起升等)；最危險(xiǎn)的工況是起重作業(yè)工況，力的傳遞路線是：重物®吊臂®變幅油缸支撐®高架轉(zhuǎn)臺(tái)®回轉(zhuǎn)支撐®底架®支腿®垂直油缸®地面；礦用重型汽車(chē)的傳力路線實(shí)際上包括了整車(chē)的各嚴(yán)重工況(靜滿載、舉升、剎車(chē)、轉(zhuǎn)彎)。因此，整體分析往往非常復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中要求較快地預(yù)測(cè)整體結(jié)構(gòu)在不同工況(特別是嚴(yán)重工況)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平與變形，以便完善與優(yōu)化總體設(shè)計(jì)，變?yōu)樽罴逼榷蛛y以實(shí)現(xiàn)的事情。

 

    針對(duì)整體分析這一難點(diǎn)問(wèn)題，本文論述的基于ANSYS/APDL平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)的整體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，利用APDL語(yǔ)言的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化，采用子結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)策略，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的剖分與結(jié)構(gòu)件分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的變換與組裝，最終完成整體結(jié)構(gòu)分析。這種技術(shù)策略在汽車(chē)起重機(jī)與礦用重型汽車(chē)的成功應(yīng)用說(shuō)明了它的優(yōu)越性。

 

    2基于APDL的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化技術(shù)

 

    2.1參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言

 

    對(duì)于結(jié)構(gòu)的CAD模型(通常由點(diǎn)、線、面及實(shí)體組合而成)進(jìn)行參數(shù)化特征設(shè)計(jì)，是現(xiàn)代CAD系統(tǒng)的基本功能。但是，對(duì)于有限元結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)的有限元模型要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，卻并非易事。先進(jìn)的ANSYS系統(tǒng)為用戶提供了一種建立參數(shù)化模型的基本工具_(dá)_APDL語(yǔ)言。但是，使用APDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)參數(shù)化的模型程序，卻是用戶自己的事情。APDL是一種面向工程的、結(jié)構(gòu)化的解釋性語(yǔ)言。它具有高級(jí)算法語(yǔ)言的基本特征與功能。它的表達(dá)方式是一系列基本的用戶命令串。符合ANSYS_APDL語(yǔ)法規(guī)則的FEA參數(shù)模型程序，一般來(lái)說(shuō)，它包括：幾何(點(diǎn)、線、面、實(shí)體)定義與操作命令，有限元單元?jiǎng)澐置?，邏輯控制命令，條件與循環(huán)命令，分析流程命令等。用戶要對(duì)結(jié)構(gòu)件的有限元模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，必須熟練地掌握這種語(yǔ)言。所有復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)及整機(jī)的FEA模型都要用APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

 

    2.2結(jié)構(gòu)件的參數(shù)化

 

    結(jié)構(gòu)件參數(shù)的提取是參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。這里的關(guān)鍵是選取能表述結(jié)構(gòu)件幾何特征的主要參數(shù)。一般地說(shuō)，結(jié)構(gòu)件的主要參數(shù)包括長(zhǎng)、寬、高、關(guān)鍵點(diǎn)、連接條件、板厚、型材截面積、材料與物理特性等。我們將對(duì)這些參數(shù)規(guī)范化地命名，設(shè)置有關(guān)的參數(shù)名(或數(shù)組名)。例如，我們命名長(zhǎng)度參數(shù)為a[1]，...a[n]，寬度參數(shù)為w[1]，...w[m]，高度參數(shù)為h[1]，...h[i]，厚度參數(shù)為t[1]，...t[j]，對(duì)于每一個(gè)結(jié)構(gòu)件，它都具有這樣一組參數(shù)。定義結(jié)構(gòu)件名為相應(yīng)參數(shù)組名，并以/EOF作為結(jié)束符，這就構(gòu)成了一個(gè)APDL能夠調(diào)用的結(jié)構(gòu)件的參數(shù)模塊。集成所有結(jié)構(gòu)件的參數(shù)模塊，便構(gòu)成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的FEA參數(shù)庫(kù)文件。

 

    2.3產(chǎn)品的FEA參數(shù)庫(kù)與模型庫(kù)

 

    產(chǎn)品結(jié)構(gòu)往往是由幾個(gè)主要承力結(jié)構(gòu)件組成的。產(chǎn)品參數(shù)文件包含了它們相應(yīng)的參數(shù)模塊。這些參數(shù)模塊的任何參數(shù)值的改變，都會(huì)引起有關(guān)結(jié)構(gòu)件的有限元模型的改變，也就引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的改變。系列化的產(chǎn)品便是這些參數(shù)的系列變化。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)便是這些參數(shù)的優(yōu)化。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)的FEA模型程序，正是利用ANSYS/APDL語(yǔ)言，引用參數(shù)庫(kù)中相應(yīng)參數(shù)模塊，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)得到的。我們以型號(hào)名來(lái)命名產(chǎn)品的FEA模型庫(kù)，它不僅包括產(chǎn)品的參數(shù)庫(kù)文件，也包括結(jié)構(gòu)件模型程序、載荷文件、工況控制文件等。這里，以六邊形臂QY25D模型庫(kù)為例，說(shuō)明它的構(gòu)成。

 

    圖1QY25D型號(hào)模型程序庫(kù)的邏輯樹(shù)

 

    圖1表明了FEA模型庫(kù)的邏輯樹(shù)，主要包括：

 

    §BQCDB.LIB產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)參數(shù)文件

 

    §BQDDB.LIB產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)文件

 

    §CRANE.LIB宏子程序文件

 

    §BQC100.A吊臂方案設(shè)計(jì)模型程序

 

    §BQC200.A雙墻高架轉(zhuǎn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)模型程序

 

    §BQC300.A車(chē)架方案設(shè)計(jì)模型程序

 

    從產(chǎn)品模型庫(kù)表明，參數(shù)的修改可直接得到修改的結(jié)構(gòu)模型。這可對(duì)同一結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品進(jìn)行方案的比較及參數(shù)優(yōu)化，而且使系列化設(shè)計(jì)成為可能。

 

    3整體結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

 

    3.1整體結(jié)構(gòu)的剖分與子結(jié)構(gòu)分析

 

    整體結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)規(guī)模大、組合形式復(fù)雜。目前，國(guó)際上解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析問(wèn)題通常選擇子結(jié)構(gòu)方法，或者結(jié)構(gòu)超單元方法。由于超單元實(shí)際上是子結(jié)構(gòu)的一種表達(dá)形式，因此這里僅簡(jiǎn)介子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。

 

    對(duì)于任何一個(gè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，我們總可以劃分為若干部分或結(jié)構(gòu)件(簡(jiǎn)稱(chēng)為子結(jié)構(gòu))，它們靠邊界節(jié)點(diǎn)與整體結(jié)構(gòu)相關(guān)連。如果我們將所有的子結(jié)構(gòu)的邊界節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)集合，那么這個(gè)集合便表征了這個(gè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的連接骨架，我們稱(chēng)之為邊界結(jié)構(gòu)。只要我們把各子結(jié)構(gòu)對(duì)有關(guān)邊界節(jié)點(diǎn)的剛度效應(yīng)(或影響〕計(jì)算出來(lái)，并施加在這些邊界節(jié)點(diǎn)上，則解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析問(wèn)題，便轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼庖?guī)模小得多的若干子結(jié)構(gòu)及邊界結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

 

    當(dāng)然，如果邊界結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)的規(guī)模也很大，還可以再剖分為若干二級(jí)或三級(jí)的子結(jié)構(gòu)。但是，這種多重子結(jié)構(gòu)的使用，將帶來(lái)分析流程的復(fù)雜化。因此，如何有效地剖分整體結(jié)構(gòu)便成了問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

 

    我們用K表示子結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣，U表示子結(jié)構(gòu)的總位移矩陣，P表示子結(jié)構(gòu)的總載荷矩陣；Ki表示僅與子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)相關(guān)的剛度矩陣，Kb表示僅與子結(jié)構(gòu)邊界節(jié)點(diǎn)相關(guān)的剛度矩陣,Kib表示子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與邊界節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的剛度矩陣;Pi表示僅與子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)相關(guān)的外載荷矩陣，Pb表示僅與子結(jié)構(gòu)邊界節(jié)點(diǎn)相關(guān)的載荷矩陣；Ui表示子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位移矩陣，Ub表示子結(jié)構(gòu)的外部節(jié)點(diǎn)位移矩陣。我們將有平衡方程：

 

    KU=P(1)

 

    其中，

 

    這里，就是子結(jié)構(gòu)的僅與邊界節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的等效邊界剛度矩陣與等效邊界載荷矩陣。它們對(duì)整體結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)與子結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)相當(dāng)，因而被稱(chēng)之為超單元。一旦邊界節(jié)點(diǎn)的位移已知，結(jié)構(gòu)的內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位移便由公式

 

    Ui=Ki-1(Pi-KibUb)(4)

 

    對(duì)子結(jié)構(gòu)的分析，其主要計(jì)算工作量是消除該子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)自由度，得到它的等效矩陣。從(2)、(3)式可以看出，如果各子結(jié)構(gòu)的邊界節(jié)點(diǎn)越少，則這些等效矩陣的規(guī)模也越小，最終的邊界子結(jié)構(gòu)的規(guī)模也越小，其運(yùn)算速度也越快。因此，劃分復(fù)雜結(jié)構(gòu)為多個(gè)子結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本方法，就是要盡量控制子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)規(guī)模適當(dāng)，并且具有邊界節(jié)點(diǎn)的數(shù)目較少。例如，充分利用結(jié)構(gòu)的鏈?zhǔn)?、外伸等特點(diǎn)，合理劃分子結(jié)構(gòu)，可收到較好的效果。

 

    3.2子結(jié)構(gòu)的變換與組裝

 

    在一般整體結(jié)構(gòu)分析中，使用了四種坐標(biāo)系。其中，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系確定了節(jié)點(diǎn)自由度的方向;元素坐標(biāo)系規(guī)定了元素剛度(載荷)矩陣與子結(jié)構(gòu)之間的變換矩陣;子結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系將確定子結(jié)構(gòu)等效邊界剛度(載荷)矩陣向整體結(jié)構(gòu)的組裝的變換矩陣;整體坐標(biāo)系通常取世界系。

 

    對(duì)于子結(jié)構(gòu)分析來(lái)說(shuō)，子結(jié)構(gòu)的幾何建模與應(yīng)力分析是在子結(jié)構(gòu)的局部坐標(biāo)系下進(jìn)行的。但是，子結(jié)構(gòu)的等效剛度(載荷)矩陣卻必須按總體坐標(biāo)系進(jìn)行組裝。因此，每一個(gè)子結(jié)構(gòu)在組裝之前，需要對(duì)等效邊界剛度(載荷)矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換。我們?cè)O(shè)B為子結(jié)構(gòu)對(duì)總體系的變換矩陣(通常它由整體系的三個(gè)節(jié)點(diǎn)確定：節(jié)點(diǎn)1定義原點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1-2方向定義X向，節(jié)點(diǎn)1-2連線與節(jié)點(diǎn)1-3定義連線構(gòu)成的平面法線確定Z向，由Z與X向構(gòu)成的平面法線定義Y向)，則整個(gè)結(jié)構(gòu)的邊界子結(jié)構(gòu)的剛度(載荷)矩陣為

 

    值得說(shuō)明，這里...是按總體結(jié)構(gòu)的邊界節(jié)點(diǎn)編號(hào)位置，對(duì)號(hào)疊加的。因此，整體結(jié)構(gòu)的邊界平衡方程為：

 

    KzUz=Pz(7)

 

    給定整體結(jié)構(gòu)六個(gè)剛體自由度的約束，求解(7)，我們將得到整體邊界結(jié)構(gòu)的位移。再經(jīng)過(guò)整體邊界位移向子結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)變換，執(zhí)行(4)式，將求得子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)自由度。

 

    3.3整體結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化準(zhǔn)則

 

    對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的分析，不僅需要將所有的結(jié)構(gòu)件及機(jī)構(gòu)加以考慮，而且需要將作業(yè)過(guò)程中的不同載荷工況加以考慮。為了控制整體結(jié)構(gòu)分析的規(guī)模，整體模型的建立既要盡量理想化、簡(jiǎn)單化、典型化，又要較客觀地反映出整體(特別是結(jié)構(gòu)件連接部位)的應(yīng)力分布、變形(剛度)及失效等問(wèn)題。整體結(jié)構(gòu)的作業(yè)運(yùn)動(dòng)表明，有必要選擇多種典型的作業(yè)工況加以計(jì)算；同時(shí)還要根據(jù)工程規(guī)范，考慮風(fēng)載、慣性載、作業(yè)場(chǎng)地的不平等多因素對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力的影響。由于整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與控制結(jié)構(gòu)分析規(guī)模的需要，整體結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化基于下述原則：

 

    ¨確保整體結(jié)構(gòu)的傳力路線完整

 

    ¨確保整體結(jié)構(gòu)典型作業(yè)工況的實(shí)用性

 

    ¨關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的參數(shù)化

 

    ¨將結(jié)構(gòu)件參數(shù)化與整體結(jié)構(gòu)參數(shù)化統(tǒng)一

 

    ¨對(duì)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)作重要簡(jiǎn)化

 

    ¨整體結(jié)構(gòu)有限元建模及分析流程自動(dòng)化。

 

    3.4整體結(jié)構(gòu)模型的集成

 

    集成結(jié)構(gòu)件模型以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)建模，實(shí)際上變成了結(jié)構(gòu)件模型的組裝與連接。

 

    結(jié)構(gòu)件的組裝必須在總體系下進(jìn)行。第一步要設(shè)置子結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系，定義原點(diǎn)與坐標(biāo)系方向，第二步要調(diào)用相關(guān)結(jié)構(gòu)件的模型程序自動(dòng)產(chǎn)生幾何模型，最后還要恢復(fù)總體系。

 

    結(jié)構(gòu)件的連接，也是在總體系下進(jìn)行的。不同的連接方式需要建立不同的連接結(jié)構(gòu)，以便模擬結(jié)構(gòu)件在總體結(jié)構(gòu)中的傳力關(guān)系。例如，汽車(chē)起重機(jī)，吊臂與轉(zhuǎn)臺(tái)之間就有變幅油缸；吊臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸，卷?yè)P(yáng)機(jī)的鋼絲純等連接件都必須給予簡(jiǎn)化；回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的上下墊圈可作為曲梁元；滾珠與螺栓柱的模擬支撐結(jié)構(gòu)要參與轉(zhuǎn)臺(tái)與車(chē)架平臺(tái)的抗彎，都是值得關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)。又例如，礦用汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)架、減速器的支撐架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等，均參與了車(chē)架的總體受力，在大膽簡(jiǎn)化時(shí)也必需建立相應(yīng)模擬結(jié)構(gòu)的有限元模型。

 

    4整體結(jié)構(gòu)分析的自動(dòng)化流程

 

    4.1整體結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化

 

    整體結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化是以子結(jié)構(gòu)參數(shù)化為基礎(chǔ)的。由于整體結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)劃分是以關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件為實(shí)體。因此，結(jié)構(gòu)件的參數(shù)化與整體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化可以有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，建立統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)參數(shù)庫(kù)文件。

 

    4.2結(jié)構(gòu)件的FEA模型程序

 

    結(jié)構(gòu)件的模型自動(dòng)產(chǎn)生程序是以APDL語(yǔ)言為平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，它將調(diào)用結(jié)構(gòu)參數(shù)庫(kù)文件的相關(guān)模塊。只要一旦實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的參數(shù)化，它的幾何模型自動(dòng)產(chǎn)生程序便以宏子程序方式建立與調(diào)用。這就構(gòu)成了結(jié)構(gòu)件幾何模型的宏程序庫(kù)。結(jié)構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)的幾何模型均調(diào)用這個(gè)宏程序庫(kù)產(chǎn)生，這十分有利于整體結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)件分析的協(xié)調(diào)。同時(shí)，整體結(jié)構(gòu)分析的某些結(jié)果也可以作為結(jié)構(gòu)件的邊界條件以自動(dòng)方式引入。

 

    4.3整體結(jié)構(gòu)分析的基本步驟

 

    現(xiàn)在，我們可以對(duì)整體結(jié)構(gòu)分析的基本步驟作出一定的規(guī)范：

 

    ¨建立以結(jié)構(gòu)件為基本模塊的參數(shù)庫(kù)文件

 

    ¨以APDL為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)件FEA模型的宏程序庫(kù)

 

    ¨調(diào)用宏程序庫(kù)，開(kāi)發(fā)整體結(jié)構(gòu)模型的集成程序

 

    ¨建立整體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化分析流程

 

    ¨建立后置處理流程

 

    4.4流程設(shè)計(jì)

 

    基于上述技術(shù)路線，我們很容易按功能設(shè)計(jì)需求，建立若干結(jié)構(gòu)自動(dòng)分析流程。圖2便是基于ANSYS/APDL二次開(kāi)發(fā)的一般分析流程框圖。其中，F(xiàn)EA模型程序是利用ANSYS的APDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，與新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)；它引用結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)及載荷數(shù)據(jù)文件；解算器及后處理器是ANSYS的基本功能模塊。這里，我們建立的基本分析流程有：

 

    §結(jié)構(gòu)件分析流程；實(shí)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)件FEA模型自動(dòng)產(chǎn)生與應(yīng)力分析；

 

    §整體結(jié)構(gòu)分析流程：實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的各結(jié)構(gòu)件FEA模型生成、組裝及應(yīng)力分析。

 

    §結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定性分析流程－實(shí)現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)件FEA模型生成及穩(wěn)定性分析。

 

    圖2.基于ANSYS_APDL的二次開(kāi)發(fā)流程

 

    5整體結(jié)構(gòu)分析在重型機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

 

    5.1汽車(chē)起重機(jī)QY25D的整體結(jié)構(gòu)分析

 

    我們對(duì)北京起重機(jī)器廠六面體四節(jié)臂的汽車(chē)起重機(jī)QY25D進(jìn)行了整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析。這是該行業(yè)對(duì)整機(jī)分析的第一次賞試。全結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)子結(jié)構(gòu)及若干連接結(jié)構(gòu)，建立了兩個(gè)用于整機(jī)分析的程序流程：

 

    A.全機(jī)方案設(shè)計(jì)的有限元參數(shù)化模型產(chǎn)生程序，其主要功能是對(duì)全機(jī)方案設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元分析。在分析過(guò)程中，整機(jī)模型具有3067個(gè)節(jié)點(diǎn)；shell63元素3149個(gè)，beam4元素133，link8元素1個(gè)；有效自由度為17597。

 

    B.具有詳細(xì)設(shè)計(jì)車(chē)架模型的全機(jī)有限元參數(shù)化模型產(chǎn)生程序，其主要功能是對(duì)具有車(chē)架局部加強(qiáng)的整機(jī)模型進(jìn)行有限元分析。在分析過(guò)程中，整機(jī)模型具有4367個(gè)節(jié)點(diǎn)，shell63元素4471個(gè)，beam4元素217，link8元素1個(gè)；有效自由度為25166。

 

    方案A與方案B比較表明，模型網(wǎng)格局部細(xì)化，會(huì)使模型分析規(guī)模增大。圖3、4表明整機(jī)分析的應(yīng)力分布云圖。整機(jī)應(yīng)力水平與分布的合理性證明了本文介紹的方法的正確性。但是，場(chǎng)外應(yīng)用表明，結(jié)構(gòu)件的局部穩(wěn)定性還是值得重視的。

 

    圖3QY25D整機(jī)分析的VonMises應(yīng)力分析云圖

 

    圖4整機(jī)分析的Y向局部變形與應(yīng)力分析云圖

 

    5.2礦用重型汽車(chē)BJZ3480車(chē)架的的整體分析

 

    我們對(duì)北京重型汽車(chē)制造廠的BJZ3480型車(chē)架進(jìn)行了整體有限元分析。整體結(jié)構(gòu)劃分為五個(gè)子結(jié)構(gòu)，若干個(gè)連接結(jié)構(gòu)。最終的整體模型具有6769節(jié)點(diǎn)，7105有限元元素，其中，殼單元(shell63)有7027個(gè)，梁?jiǎn)卧?beam4)有78個(gè)；結(jié)構(gòu)總自由度數(shù)40614。整體結(jié)構(gòu)分析得到了車(chē)架在舉升、剎車(chē)、轉(zhuǎn)彎及靜滿栽等四種不同工況下的變形與應(yīng)力水平(見(jiàn)圖5、6、7、8)。這是該廠第一次對(duì)如此復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果令人滿薏。

 

    圖5BJZ3480車(chē)架舉升工況的拉壓應(yīng)力云圖

 

    圖6BJZ3480舉升工況的關(guān)鍵部位綜合應(yīng)力云圖

 

    圖7BJZ3480支撐架在剎車(chē)工況時(shí)的拉壓應(yīng)力云圖

 

    圖8BJZ3480車(chē)架靜滿載工況的局部應(yīng)力云圖

 

    5.3QY25D吊臂的屈曲分析

 

    我們采用整體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模中的吊臂結(jié)構(gòu)件模型，進(jìn)行帶幾何大變形的非線性屈曲分析[4]，使用的ANSYS基本算法是：自動(dòng)載荷增量方法、Newton_Raphson迭代法、及帶修正的Newton_Raphson自動(dòng)迭代法。通過(guò)多工況的非線性屈曲分析證明，QY25D的吊臂在工程規(guī)范內(nèi)使用是穩(wěn)定的。但是，在結(jié)構(gòu)全伸狀態(tài)時(shí)，干擾主要是側(cè)載，超過(guò)最大總吊重10%的情況下，結(jié)構(gòu)將失穩(wěn)，其臨界載荷因子是0.8，失穩(wěn)前的最大VonMises應(yīng)力25kg/mm**2。圖9、10是在嚴(yán)重工況下失穩(wěn)前的變形與應(yīng)力云圖。

 

    圖9第3節(jié)吊臂工況3的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型失穩(wěn)前的變形與應(yīng)力云圖

 

    圖10第3節(jié)吊臂工況4的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型失穩(wěn)前的變形與應(yīng)力云圖

 

    穩(wěn)定性分析表明，即是結(jié)構(gòu)的線性靜應(yīng)力水平在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析還是非常必要的。