起重机伸缩臂变量化建模与有限元分析
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截面的三节伸缩臂为例说明变量化的有限元建模与计
算分析过程。 矩形和六边形的构造截面变量设计参数如图 1 所
示。 截 面 变 量 包 括: 矩 形 截 面 宽 度 (w id th )、高 度 (h igh t)、相同的上下盖板厚度 (th ick ) 与左右腹板厚度 (th ickf) ; 六边形截面上盖板宽度 (w id th )、下盖板宽度
3 ABBR 指令后第一个参数为工具栏中的按钮菜 单名, 第二参数为对应的宏文件。启动AN SYS 后主界 面工具栏中便产生对应的输入参数菜单项, 如图 2 所 示。
…… ! 网格划分 esize, 0. 05 ! 设置网格大小 typ e, 1 ! 选择单元类型 real, 1 ! 选择实常数 m at, 1 ! 选择材料参数 M SHA PE, 0, 2D ! 单元网格设定二维四边形 M SH KEY, 1 ! 映射网格划分 …… ! 在搭接部分将节点耦合
收稿日期: 2009212221; 修回日期: 2010203223 作者简介: 曾成奇 (19842) , 男, 湖南娄底人, 在读硕士研究生。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
p search, e: an sys ! 指定宏文件存放的路径 3 ABBR , F IR ST , first ! 第一节臂参数输入按钮 3 ABBR , SECOND , second ! 第二节臂参数输入按钮 3 ABBR , ET YPE, etyp e ! 选择单元类型按钮 3 ABBR , PR EP 7, p rep 7 ! 建模与分网按钮 3 ABBR , LOAD , load ! 加载按钮 3 ABBR , SOLV E, so lve ! 求解按钮 3 ABBR , PO ST 1, po st1 ! 后处理按钮
0 引言 伸缩臂作为起重机的主要受力构件, 其结构性能
的好坏不仅影响作业的安全可靠性, 还是决定整机质 量与经济成本的重要因素。 因此快速有效地对起重臂
架的刚强度进行正确分析计算是满足性能要求、 降低
质量的重要途径。目前, 伸缩臂的箱形截面有矩形、梯 形、 倒置梯形、 五边形、 六边形、 大圆角矩形以及椭
3 CSET , 25, 27, R 1, ’the rad io of flangethe w ith w eb’, 0. 05 ! 变幅 油缸距臂根部长
3 CSET , 28, 30, R 2, ’ the rad io of flap w ith w eb’, 0. 1 ! 吊臂起升时 与水平面仰角
圆形等。 有限元方法能可靠便捷地对起重臂架应力变
形分布情况做出整体了解, 而且目前大多生产企业也 都有应用, 只是使用效率不高。 其主要原因是有限元 模型的前处理工作量较大, 包括建模、分网、加载、求 解, 若要使臂架结构保持而几何尺寸改变, 就需要重 复前面的工作。针对这种情况, 本文利用AN SYS 提供 的 U IDL 用户界面设计语言和 A PDL 参数化设计语 言进行二次开发, 实现相同构造特征下变量化建模与 有限元分析计算, 较好地解决了起重臂架的有限元计 算问题。
3 CSET , 61, 62, ’en ter the p aram eter_ 1 of m odelling ’, ’p aram eter
1’
3 CSET , 63, 64, ’no te: un it of lengh th is m ! ’, ’’ M U L T IPRO , ’END ’ ! 定义结束
第 4 期 (总第 161 期) 2010 年 8 月
机械工程与自动化 M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G & AU TOM A T ION
文章编号: 167226413 (2010) 0420062204
N o 14 A ug1
起重机伸缩臂变量化建模与有限元分析
曾成奇, 卫良保
3 CSET , 16, 18, flap , ’first flap th ick of the boom ’, 0. 01 ! 左右折 板厚
3 CSET , 19, 21, bo ttom , ’first bo ttom long of the boom ’, 0. 154 ! 下盖板宽
3 CSET , 22, 24, a, ’the ang le of flap w ith bo ttom ’, 30 ! 折板与下盖 板夹角
·64·
机 械 工 程 与 自 动 化 2010 年第 4 期
料参数输入界面中输入。 112 单元选取及网格划分
本文采用壳单元 Shell63 对伸缩臂臂筒进行离 散。Shell63 既具有弯曲能力又具有膜力, 可以承受平 面内荷载和法向荷载。单元每个节点具有 6 个自由度: 沿节点坐标系 X 、 Y、Z 方向的平动和沿节点坐标系 X 、Y、Z 轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑 在其中, 比较符合伸缩臂的实际受载情况。 臂与臂之 间搭接处滑块用实体单元 So lid45 进行离散。 各节臂 筒 体 采 用 映 射 (m app ed ) 方 式 划 分, 滑 块 采 用 扫 掠 ( sw eep ) 方式划分, 整个网格划分控制单元形状尽可 能规则, 避免形状畸形。
图 1 伸缩臂截面形状
以创建第一节臂的六边形截面为例, 变量输入对 话框用U IDL 语言的M U L T IPRO 指令块来实现, 程 序命令流如下:
M U L T IPRO , ’STA R T ’, 10 ! 定义起始 3 CSET , 1, 3, long, ’first boom long’, 7. 4 ! 臂长
图 4 参数化设计的有限元模型
113 滑块处接触模型处理 由于本文可提供各种工况条件下的伸缩臂有限元
分析, 六边形截面的起重机三节伸缩臂就有 16 处要建 立接触对, 节数越多所需建立的接触对就越多, 而接 触问题属于非线性问题, 求解过程必须反复迭代计算, 计算量相对很大, 计算所花的时间就比较多, 不利于 对不同工况的反复计算。 本文在滑块处的搭接用节点
(太原科技大学, 山西 太原 030024)
摘要: 采用AN SYS 的参数化设计语言 A PDL , 建立变量化的起重机伸缩臂有限元模型, 实现对不同吨位、不 同截面形式伸缩臂的快速有限元分析。 关键词: 起重机; 伸缩臂; 有限元; A PDL 中图分类号: TH 21∶T P273 文献标识码: A
上述程序以宏文件名 first1m ac 保存在 an sys 文 件夹下, 同理可以建立第二节臂、 第三节臂以及单元 类型、材料特性等参数输入的窗口文件, 并以 1m ac 为 扩展名都保存在 an sys 文件夹下。 然后用文本编辑器 打开 AN SYS 安装目录下的启动文件 (AN SYS1010) sta tr1001an s, 在其最后一行用3 ABBR 指令将指定位 置的宏文件写入:
2010 年第 4 期 曾成奇, 等: 起重机伸缩臂变量化建模与有限元分析
·63·
3 CSET , 4, 6, h igh t, ’first boom h igh’, 0. 48 ! 臂截面高 3 CSET , 7, 9, w id th, ’first boom w ide’, 0. 36 ! 臂截面宽
3 CSET , 10, 12, th ick, ’first flange p late th ick of the boom ’, 0. 01 ! 上、下盖板厚
3 CSET , 13, 15, th ickf, ’first w eb th ick of the boom ’, 0. 006 ! 腹板 厚
图 3 六边形截面第一节臂参数输入界面
本文由于篇幅, 只给出了部分程序段, 其整个分 析过程都由程序控制, 使得原本繁杂的工作变得方便 简捷。 整体的六边形截面伸缩臂有限元模型如图 4 所 示, 通过改变伸缩臂仰角 r 的大小和各节臂之间的搭 接长度可以完成不同工况下的有限元分析, 仰角在材
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
CSYS, 4 N sel, all N RO TA T , all ! 旋转节点坐标系与工作坐标系相同
CP IN T F , uy, 0. 0001 CP IN T F, uz, 0. 0001 ! 将相邻节点 y、z 方向的自由度耦合
A llsel …… Save ! 保存数据文件
fin ish
F in ish
图 2 定义 AN SYS 工具栏
单击AN SYS Tooba r 中的“F IR ST ”按钮, 弹出 第一节臂参数的输入界面, 如图 3 所示。
单击“SECOND ”、“TH IRD ”等其他按钮, 弹出 与图 3 类似的输入参数对话框。
根据以上输入的变量化参数, 应用A PDL 语言编 写对应的建模、 分网、 求解、 后处理运行程序:
( bo t tom )、高度 (h igh t)、相同的上下盖板厚度 ( th ick ) 与左右腹板厚度 (th ickf)、左右斜边厚度 (flap )、 斜边 与下盖板夹角 a、 腹板与上盖板倒圆角 R 1、 腹板与折 板倒圆角 R 2。除此之外, 由臂架的伸缩形式及变幅起 升 要 求 还 需 要 定 义 臂 长 ( long )、臂 间 的 搭 接 长 度 (overlap ) 和臂架轴线对水平面的倾斜角 (仰角) r 等, 将其也作为自动建模的控制变量。 然后通过U IDL 语 言编程建立方便的变量参数输入对话框, 采用A PDL 开发语言, 利用AN SYS 提供的强大造型功能, 如拉 伸、 移动、 拷贝、 布尔加减运算、 粘接等命令流, 完 成创建有限元模型的运行程序模块。
1 起重机伸缩臂参数化建模 111 实体建模
建立起重机伸缩臂架实体模型是有限元分析的第
一步, 本 文 采 用 直 接 由 AN SYS 的 A PDL 语 言 和 U IDL 语言, 实现变量化的有限元实体模型的建立。按 照这种直接建模的方式实现了矩形、梯形、五边形、六 边形等多种截面的变量化建模。 下面以矩形和六边形
M 2=
Υ×
(Q + G i×Γ
0
)
×c
。
……………………
(5)
பைடு நூலகம்
其中: Q 为起重量; G 0 为吊具质量; G 为臂架自重; Υ
为制动时的垂直惯性载荷动力系数; m 为制动时的水
平惯性力载荷系数; i、 Γ 分别为起升滑轮组的倍率和
效率; Χ为臂架自重按杠杆比分配到臂架头部的比例
! 建立第一节臂模型 3 A fun, D EG ! 在角度函数中以度作为角度单位
CSYS, 4 w p ro , r ! 将工作平面旋转到工况仰角
k, 1, long_ 1, h igh t_ 1 2, w id th_ 1 2 k, 2, long_ 1, h igh t_ 1 2, - w id th_ 1 2…… k, 12, long_ 1, - h igh t_ 2 2+ flap _ 23 tan (a) , w id th_ 2 2 ! 建立第 一节臂截面
ep lo t ! 求解处理
SOLU CSYS, 4 …… SOLV E ! 求解
F in ish ! 后处理
PO ST 1 EFA CET , 1 PLN SOL , S, EQV , 0, 1. 0 ! 画等效应力云图 im age, save stress_ equ, jp g ! 保存等效应力云图 …… PL PA TH , show str ! 画沿路径应力变化曲线 im age, save, show str_ p ath, jp g ! 保存等效应力沿路径 stress 的 变化曲线
算分析过程。 矩形和六边形的构造截面变量设计参数如图 1 所
示。 截 面 变 量 包 括: 矩 形 截 面 宽 度 (w id th )、高 度 (h igh t)、相同的上下盖板厚度 (th ick ) 与左右腹板厚度 (th ickf) ; 六边形截面上盖板宽度 (w id th )、下盖板宽度
3 ABBR 指令后第一个参数为工具栏中的按钮菜 单名, 第二参数为对应的宏文件。启动AN SYS 后主界 面工具栏中便产生对应的输入参数菜单项, 如图 2 所 示。
…… ! 网格划分 esize, 0. 05 ! 设置网格大小 typ e, 1 ! 选择单元类型 real, 1 ! 选择实常数 m at, 1 ! 选择材料参数 M SHA PE, 0, 2D ! 单元网格设定二维四边形 M SH KEY, 1 ! 映射网格划分 …… ! 在搭接部分将节点耦合
收稿日期: 2009212221; 修回日期: 2010203223 作者简介: 曾成奇 (19842) , 男, 湖南娄底人, 在读硕士研究生。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
p search, e: an sys ! 指定宏文件存放的路径 3 ABBR , F IR ST , first ! 第一节臂参数输入按钮 3 ABBR , SECOND , second ! 第二节臂参数输入按钮 3 ABBR , ET YPE, etyp e ! 选择单元类型按钮 3 ABBR , PR EP 7, p rep 7 ! 建模与分网按钮 3 ABBR , LOAD , load ! 加载按钮 3 ABBR , SOLV E, so lve ! 求解按钮 3 ABBR , PO ST 1, po st1 ! 后处理按钮
0 引言 伸缩臂作为起重机的主要受力构件, 其结构性能
的好坏不仅影响作业的安全可靠性, 还是决定整机质 量与经济成本的重要因素。 因此快速有效地对起重臂
架的刚强度进行正确分析计算是满足性能要求、 降低
质量的重要途径。目前, 伸缩臂的箱形截面有矩形、梯 形、 倒置梯形、 五边形、 六边形、 大圆角矩形以及椭
3 CSET , 25, 27, R 1, ’the rad io of flangethe w ith w eb’, 0. 05 ! 变幅 油缸距臂根部长
3 CSET , 28, 30, R 2, ’ the rad io of flap w ith w eb’, 0. 1 ! 吊臂起升时 与水平面仰角
圆形等。 有限元方法能可靠便捷地对起重臂架应力变
形分布情况做出整体了解, 而且目前大多生产企业也 都有应用, 只是使用效率不高。 其主要原因是有限元 模型的前处理工作量较大, 包括建模、分网、加载、求 解, 若要使臂架结构保持而几何尺寸改变, 就需要重 复前面的工作。针对这种情况, 本文利用AN SYS 提供 的 U IDL 用户界面设计语言和 A PDL 参数化设计语 言进行二次开发, 实现相同构造特征下变量化建模与 有限元分析计算, 较好地解决了起重臂架的有限元计 算问题。
3 CSET , 61, 62, ’en ter the p aram eter_ 1 of m odelling ’, ’p aram eter
1’
3 CSET , 63, 64, ’no te: un it of lengh th is m ! ’, ’’ M U L T IPRO , ’END ’ ! 定义结束
第 4 期 (总第 161 期) 2010 年 8 月
机械工程与自动化 M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G & AU TOM A T ION
文章编号: 167226413 (2010) 0420062204
N o 14 A ug1
起重机伸缩臂变量化建模与有限元分析
曾成奇, 卫良保
3 CSET , 16, 18, flap , ’first flap th ick of the boom ’, 0. 01 ! 左右折 板厚
3 CSET , 19, 21, bo ttom , ’first bo ttom long of the boom ’, 0. 154 ! 下盖板宽
3 CSET , 22, 24, a, ’the ang le of flap w ith bo ttom ’, 30 ! 折板与下盖 板夹角
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机 械 工 程 与 自 动 化 2010 年第 4 期
料参数输入界面中输入。 112 单元选取及网格划分
本文采用壳单元 Shell63 对伸缩臂臂筒进行离 散。Shell63 既具有弯曲能力又具有膜力, 可以承受平 面内荷载和法向荷载。单元每个节点具有 6 个自由度: 沿节点坐标系 X 、 Y、Z 方向的平动和沿节点坐标系 X 、Y、Z 轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑 在其中, 比较符合伸缩臂的实际受载情况。 臂与臂之 间搭接处滑块用实体单元 So lid45 进行离散。 各节臂 筒 体 采 用 映 射 (m app ed ) 方 式 划 分, 滑 块 采 用 扫 掠 ( sw eep ) 方式划分, 整个网格划分控制单元形状尽可 能规则, 避免形状畸形。
图 1 伸缩臂截面形状
以创建第一节臂的六边形截面为例, 变量输入对 话框用U IDL 语言的M U L T IPRO 指令块来实现, 程 序命令流如下:
M U L T IPRO , ’STA R T ’, 10 ! 定义起始 3 CSET , 1, 3, long, ’first boom long’, 7. 4 ! 臂长
图 4 参数化设计的有限元模型
113 滑块处接触模型处理 由于本文可提供各种工况条件下的伸缩臂有限元
分析, 六边形截面的起重机三节伸缩臂就有 16 处要建 立接触对, 节数越多所需建立的接触对就越多, 而接 触问题属于非线性问题, 求解过程必须反复迭代计算, 计算量相对很大, 计算所花的时间就比较多, 不利于 对不同工况的反复计算。 本文在滑块处的搭接用节点
(太原科技大学, 山西 太原 030024)
摘要: 采用AN SYS 的参数化设计语言 A PDL , 建立变量化的起重机伸缩臂有限元模型, 实现对不同吨位、不 同截面形式伸缩臂的快速有限元分析。 关键词: 起重机; 伸缩臂; 有限元; A PDL 中图分类号: TH 21∶T P273 文献标识码: A
上述程序以宏文件名 first1m ac 保存在 an sys 文 件夹下, 同理可以建立第二节臂、 第三节臂以及单元 类型、材料特性等参数输入的窗口文件, 并以 1m ac 为 扩展名都保存在 an sys 文件夹下。 然后用文本编辑器 打开 AN SYS 安装目录下的启动文件 (AN SYS1010) sta tr1001an s, 在其最后一行用3 ABBR 指令将指定位 置的宏文件写入:
2010 年第 4 期 曾成奇, 等: 起重机伸缩臂变量化建模与有限元分析
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3 CSET , 4, 6, h igh t, ’first boom h igh’, 0. 48 ! 臂截面高 3 CSET , 7, 9, w id th, ’first boom w ide’, 0. 36 ! 臂截面宽
3 CSET , 10, 12, th ick, ’first flange p late th ick of the boom ’, 0. 01 ! 上、下盖板厚
3 CSET , 13, 15, th ickf, ’first w eb th ick of the boom ’, 0. 006 ! 腹板 厚
图 3 六边形截面第一节臂参数输入界面
本文由于篇幅, 只给出了部分程序段, 其整个分 析过程都由程序控制, 使得原本繁杂的工作变得方便 简捷。 整体的六边形截面伸缩臂有限元模型如图 4 所 示, 通过改变伸缩臂仰角 r 的大小和各节臂之间的搭 接长度可以完成不同工况下的有限元分析, 仰角在材
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
CSYS, 4 N sel, all N RO TA T , all ! 旋转节点坐标系与工作坐标系相同
CP IN T F , uy, 0. 0001 CP IN T F, uz, 0. 0001 ! 将相邻节点 y、z 方向的自由度耦合
A llsel …… Save ! 保存数据文件
fin ish
F in ish
图 2 定义 AN SYS 工具栏
单击AN SYS Tooba r 中的“F IR ST ”按钮, 弹出 第一节臂参数的输入界面, 如图 3 所示。
单击“SECOND ”、“TH IRD ”等其他按钮, 弹出 与图 3 类似的输入参数对话框。
根据以上输入的变量化参数, 应用A PDL 语言编 写对应的建模、 分网、 求解、 后处理运行程序:
( bo t tom )、高度 (h igh t)、相同的上下盖板厚度 ( th ick ) 与左右腹板厚度 (th ickf)、左右斜边厚度 (flap )、 斜边 与下盖板夹角 a、 腹板与上盖板倒圆角 R 1、 腹板与折 板倒圆角 R 2。除此之外, 由臂架的伸缩形式及变幅起 升 要 求 还 需 要 定 义 臂 长 ( long )、臂 间 的 搭 接 长 度 (overlap ) 和臂架轴线对水平面的倾斜角 (仰角) r 等, 将其也作为自动建模的控制变量。 然后通过U IDL 语 言编程建立方便的变量参数输入对话框, 采用A PDL 开发语言, 利用AN SYS 提供的强大造型功能, 如拉 伸、 移动、 拷贝、 布尔加减运算、 粘接等命令流, 完 成创建有限元模型的运行程序模块。
1 起重机伸缩臂参数化建模 111 实体建模
建立起重机伸缩臂架实体模型是有限元分析的第
一步, 本 文 采 用 直 接 由 AN SYS 的 A PDL 语 言 和 U IDL 语言, 实现变量化的有限元实体模型的建立。按 照这种直接建模的方式实现了矩形、梯形、五边形、六 边形等多种截面的变量化建模。 下面以矩形和六边形
M 2=
Υ×
(Q + G i×Γ
0
)
×c
。
……………………
(5)
பைடு நூலகம்
其中: Q 为起重量; G 0 为吊具质量; G 为臂架自重; Υ
为制动时的垂直惯性载荷动力系数; m 为制动时的水
平惯性力载荷系数; i、 Γ 分别为起升滑轮组的倍率和
效率; Χ为臂架自重按杠杆比分配到臂架头部的比例
! 建立第一节臂模型 3 A fun, D EG ! 在角度函数中以度作为角度单位
CSYS, 4 w p ro , r ! 将工作平面旋转到工况仰角
k, 1, long_ 1, h igh t_ 1 2, w id th_ 1 2 k, 2, long_ 1, h igh t_ 1 2, - w id th_ 1 2…… k, 12, long_ 1, - h igh t_ 2 2+ flap _ 23 tan (a) , w id th_ 2 2 ! 建立第 一节臂截面
ep lo t ! 求解处理
SOLU CSYS, 4 …… SOLV E ! 求解
F in ish ! 后处理
PO ST 1 EFA CET , 1 PLN SOL , S, EQV , 0, 1. 0 ! 画等效应力云图 im age, save stress_ equ, jp g ! 保存等效应力云图 …… PL PA TH , show str ! 画沿路径应力变化曲线 im age, save, show str_ p ath, jp g ! 保存等效应力沿路径 stress 的 变化曲线