的单主梁门式起重机的结构分析 ANSYS
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1 有限元模型的建立
图 1 有限元模型 Figure 1 Finite element model 1.1 起重机的主要性能参数 起重机主要性能参数为:额定载荷:40/10T;跨度 28.3 m;起升 速度:主起升 4.6m/min,副起升 10.3 m/min;最大起升高度:主起升 10m,副起升 10m;最大轮压:大车 411KN,小车 444KN;工作级别: A6;材料全部采用 Q235。 1.2 模型的建立 起重机实际工作中会发生弯曲、扭转变形而且箱形梁门
表 1 MLLP 协议下 HL7 消息结构
此外,还必须保证每个段以回车 0x0D 结束,这是 HL7 标准 的规定, 但有时通过 FTP 或 EMAIL 接收到的 HL7 日志数据的 段终止符(回车 0x0D)有可能会被改为 0x0A 字符等等。
4.3.3 HL7 消息的 MLLP 通信实现 根据以上 HL7 通信机制的要求,本方案对底层网络通讯模 块的实现为:使用 windows socket 进行 TCP/IP 通信,提供流控制 以及网络基本通信可靠性保障机制。并在 TCP/IP 上扩充 HL7 的 MLLP 协议。发送时按 MLLP 自动进行消息的头尾封装,按 MLLP 协议获取接收每个消息, 向上层接口提交消息。并实现 HL7 的消息传递模式,使其能够发送 HL7 消息,等待 ACK 以及 发送 ACK,并且能定义 HL7 超时。同时还必须提供反映网络状 况的上层接口,用接口机制向上层提供底层网络状况的报告,让 应用程序可以获取控制底层网络状况。 在上层应用的接入连接模块中, 还设计了事件管道通讯模 板,配置时保存该事件管道所对应的 IP 地址和端口,引擎运行 时自动调用该模板进行连接,发送和接收消息。
表 1 跨中满载自振频率 Table 1 The full load’s vibration frequency of midspan
图 2 跨中应力云图 Figure 2 Stress contour of midspan
技
术 图 3 跨中局部最大应力云图
创
Figure 3 The local maximum stress contour of midspan 2.2 静刚度分析
图 8 四阶振型图 Figure 8 Mode of vibration of
the fourth order
图 4 跨中位移云图 Figure 4 Displacement contour of midspan
3 单主梁门式起重机的模态分析
3.1 模态分析简介 模态分析主要用于计算结构的固有频率和振型, 是结构承 受动态载荷结构设计中的重要参数。如果通过模态分析方法搞 清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的 特性, 就可预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下 实际振动响应。因此,模态分析是结构动态设计及设备的故障诊 断的重要方法。 3.2 结构模态分析 模态分析的基本有限元方程为:
WANG Chun-hua QIAO Liang
摘要: 利 用 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS, 建 立 以 Shell63 为 基 本 单 元 的 有 限 元 模 型 。 对 单 主 梁 门 式 起 重 机 的 最 危 险 工 况 进 行 静 力
学分析和动力学分析,从静强度和模态两个方面对该起重机的安全性作出评价,并为设计类似起重机提出合理建议。
2 单主梁门式起重机结构静力学分析
2.1 强度分析
对于弹塑性材料许用应力为
, 其中: 为材料的
屈服极限。 为安全系数。龙门起重机材料为 Q235 钢,取 =
1.33,则许用应力 176.69MP。
由于起重机的跨度较长,所以当小车满载运行至跨中时,主
技 术 创 新
《P LC 技术应用 200 例》
邮局订阅号：82-946 360 元 / 年 - 211 -
王春华: 教授
式起重机金属结构中,多数构件为平面板件焊接而成,故用四 节点板单元 Shell63 建模计算。建模过程:依次由关键点到线 到面自底向上建模,所有面经过 Glue 处理模拟点焊。支腿上 的扶梯和楼梯未在有限元模型中充分体现, 因其在整个构中 影响不大,为了简化模型,故在建模中忽略。划分网格时主梁 采用映射网格划分,其他部分采用自由网格划分,其有限元计 算模型如图 1 所示。
1.3 边界约束的处理 大车行走机构在龙门起重机工作过程中处于锁定状态,大 车轮子简化为有约束的支撑点。实际工作时大车车轮与轨道始 终保持接触, 因此约束所有车轮高度方向自由度 UY 和垂直于 轨道方向自由度 UZ; 沿轨道方向约束横梁一端车轮的自由度 UX,另一端的车轮的自由度 UX 不加约束。 1.4 载荷的施加 起重机常见的载荷主要有:起升载荷(在小车轮压处按节点 集中力的形式施加 PQ=420KN)、自重 (重力加速度的形式施加 g=-9.8m/s2)、惯性载荷(大车惯性力则以水平加速度的形式施加 取加速度 0.13 m/s2,同时,考虑到起重机驱动力突加或突变时,对 金属结构的动力影响,取加速度放大倍数 1.5)和风载荷(按分布 载荷的形式施加 PW=400N/m2)。 由于有限元建立的模型是理想化的, 在不影响计算精度的 前提下,做了一些必要的简化,从而会造成模型的重量小于起重 机的真实重量,所以有必要在施加载荷时对重量进行补偿。故在 模型中相应的节点上增大重力加速度、增大材料的密度或设置 质量元。材料密度为 =7850kg/m3,弹性模量为 E=210GPa,泊松 比为 μ=0.3。
您的论文得到两院院士关注 文 章 编 号 :1008-0570(2010)11-1-0211-02
软件天地
基于 ANSYS 的单主梁门式起重机的结构分析
Structural Analysis of Single Girder Crane Based On ANSYS
(辽宁工程技术大学) 王 春 华 乔 良
新
对于门式类型起重机, 刚度上的要求就是限制主梁的变形
即主梁的跨中挠度,静挠度
,其中 L 为起重机跨
度,单位 mm。
wk.baidu.com
对于 A6 工作级别的起重机选取
较为合适。己知该起
重机 L=27.3m,即挠度值小于 34.125mm 均满足使用要求。由图
4 可得最大挠度为 9.794mm, 说明起重机结构的静态刚度满足
引言
门式起重机是实现大型物料搬运、减轻笨重体力劳动、提 高作业效率、实现安全生产的重要设备,在国民经济中得到广泛 应用。但是起重机发生故障不但会造成重大人员伤亡和经济损 失,而且其受载情况比较复杂且变换频率较高。长期以来,起重 机的设计方法多采用以经典力学和数学为基础的半理论、半经 验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法,设计过程反复多, 周期长,设计的精确度较低等缺点。本文利用大型有限元分析软 件 ANSYS 通过 Shell63 单元建立有限元模型, 合理简化单梁龙 门起重机结构,对起重机结构强度进行校核,并对其安全性作出 评估。
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梁所承受的载荷最大,即此种工况最危险,这里仅对起重机最危 险工况的结构进行强度分析,其受到的最大应力为 161.221MP, 如图 2、图 3 所示。故从应力角度看,结构强度有余量,结构设计 安全。
《微计算机信息》(测控自动化 )2010 年第 26 卷第 11-1 期
(1) 式中: 和 分别为结构系统的质量矩阵和刚度矩阵; 为位移矩阵; 为加速度矩阵。 本文采用精确程度较高,速度快的 Block Lanczos 法进行求 解,常利用前 3 阶固有频率评价起重机结构动刚度。这里给出该 起重机前 5 阶模态分析结果。规定起重机主梁方向为 Z 方向,垂 直地面向上方向为 Y 方向,X 向垂直于起重机平面。 前 5 阶跨中满载自振频率,如表 1 所示,图 5~9 为振型图。
图 9 五阶振型图 Figure 9 Mode of vibration of the fifth order 动态刚性的要求是当小车位于跨中时的满载自振频率应 不低于 2 Hz。在实际使用中,动态刚性要求的满足对起重机的 司机的工作条件以及桥架的疲劳性能是有重要影响的。由表 1 知,最低阶满载自振频率为 2.7367,其满载自振频率满足要求。
5 结语
HL7 引擎设计的目标是开发一组支持 HL7 通讯的过程调 用函数或控件,应用程序按照 HL7 接口引擎的约定提供参数,模 块之间的通讯则由 HL7 接口引擎完成。本文提供的 HL7 接口 引擎设计及实现方案分为上层应用及下层组件结构, 下层组件 完成了 HL7 引擎的核心操作, 上层应用设计了事件管道机制, 使异构系统的 HL7 改造功能可以进行灵活的配置,以其能达到 从外部可以视其为 HL7 系统而加入到医疗信息的标准网络中, 进而参与 IHE 的集成。 参考文献 [1]H ealth Level Seven. Health Level Seven Standard Version 2.3: An Application Protocol for Electronic Data Exchange in Health－ care Environments. Health Level Seven, Inc., Ann Arbor, MI, 1997. [2]HL7 URL : http://www.hl7.org/ [3]Ki Sung Um, Yun Sik Kwak, Hune Cho, Il Kon Kim ,Develop－ ment of an HL7 interface engine, Computer Methods and Programs in Biomedicine,2005 [4]Sang Min Lee, Jin Tae Song, HL7 V2.4 Message Interface En－ gine Implement, [5]Andrew Watt, Begging Regular Expressions [6]Alfred V.Aho , John E.Hopcroft , Jeffrey D.Ullman《, 计算机算 法的设计与分析》 [7] 李敏. 基于 HL7 接口 PDA 在 HIS 中的应用系统模型研究[J]. 微计算机信息,2009,5-2:67-68 作 者 简 介 :刘颖慧(1986-),女(瑶族),上海理工大学医疗器械与食
4 结论
(1)起重机的最危险工况的最大应力 161.221MP 小于许用 (下转第 187 页)
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为在 TCP/IP 上传递的数据是一串连续的比特流, 而 HL7 的封 装协议(如消息头和消息尾)要求通信代码能够识别每条消息的 开始和结束。
MLLP 是最常见的通过 TCP/IP 局域网(如医院局域网)传送 未封装的 HL7 消息的机制。每个 HL7 消息用一个消息头和一 个消息尾封装,以标示消息的开始和结束。消息头和消息尾均为 非打印字符,不会在实际显示 HL7 消息内容时显示出来。
通过 MLLP 传送的典型结构 HL7 标准消息见下表。它包含 的四个部分见表 1:
要求。
图 5 一阶振型图 Figure 5 Mode of vibration of
the first order
图 7 三阶振型图 Figure 7 Mode of vibration of
the third order
图 6 二阶振型 Figure 6 Mode of vibration of
the second order
关键词: ANSYS; 起重机; 静强度; 模态分析
中图分类号: TH213.5
文献标志码: A
Abstract: Finite element analysis software ANSYS is used in this paper, based on finite element model the shell63 as the basic unit. Choosed the single girder crane's most dangerous conditions as a target for static analysis and dynamic analysis.From the modal and static strength aspects, evaluated the performance of crane, and made suggestions for crane design. Key words: ANSYS; crane; static strength; modal analysis
图 1 有限元模型 Figure 1 Finite element model 1.1 起重机的主要性能参数 起重机主要性能参数为:额定载荷:40/10T;跨度 28.3 m;起升 速度:主起升 4.6m/min,副起升 10.3 m/min;最大起升高度:主起升 10m,副起升 10m;最大轮压:大车 411KN,小车 444KN;工作级别: A6;材料全部采用 Q235。 1.2 模型的建立 起重机实际工作中会发生弯曲、扭转变形而且箱形梁门
表 1 MLLP 协议下 HL7 消息结构
此外,还必须保证每个段以回车 0x0D 结束,这是 HL7 标准 的规定, 但有时通过 FTP 或 EMAIL 接收到的 HL7 日志数据的 段终止符(回车 0x0D)有可能会被改为 0x0A 字符等等。
4.3.3 HL7 消息的 MLLP 通信实现 根据以上 HL7 通信机制的要求,本方案对底层网络通讯模 块的实现为:使用 windows socket 进行 TCP/IP 通信,提供流控制 以及网络基本通信可靠性保障机制。并在 TCP/IP 上扩充 HL7 的 MLLP 协议。发送时按 MLLP 自动进行消息的头尾封装,按 MLLP 协议获取接收每个消息, 向上层接口提交消息。并实现 HL7 的消息传递模式,使其能够发送 HL7 消息,等待 ACK 以及 发送 ACK,并且能定义 HL7 超时。同时还必须提供反映网络状 况的上层接口,用接口机制向上层提供底层网络状况的报告,让 应用程序可以获取控制底层网络状况。 在上层应用的接入连接模块中, 还设计了事件管道通讯模 板,配置时保存该事件管道所对应的 IP 地址和端口,引擎运行 时自动调用该模板进行连接,发送和接收消息。
表 1 跨中满载自振频率 Table 1 The full load’s vibration frequency of midspan
图 2 跨中应力云图 Figure 2 Stress contour of midspan
技
术 图 3 跨中局部最大应力云图
创
Figure 3 The local maximum stress contour of midspan 2.2 静刚度分析
图 8 四阶振型图 Figure 8 Mode of vibration of
the fourth order
图 4 跨中位移云图 Figure 4 Displacement contour of midspan
3 单主梁门式起重机的模态分析
3.1 模态分析简介 模态分析主要用于计算结构的固有频率和振型, 是结构承 受动态载荷结构设计中的重要参数。如果通过模态分析方法搞 清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的 特性, 就可预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下 实际振动响应。因此,模态分析是结构动态设计及设备的故障诊 断的重要方法。 3.2 结构模态分析 模态分析的基本有限元方程为:
WANG Chun-hua QIAO Liang
摘要: 利 用 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS, 建 立 以 Shell63 为 基 本 单 元 的 有 限 元 模 型 。 对 单 主 梁 门 式 起 重 机 的 最 危 险 工 况 进 行 静 力
学分析和动力学分析,从静强度和模态两个方面对该起重机的安全性作出评价,并为设计类似起重机提出合理建议。
2 单主梁门式起重机结构静力学分析
2.1 强度分析
对于弹塑性材料许用应力为
, 其中: 为材料的
屈服极限。 为安全系数。龙门起重机材料为 Q235 钢,取 =
1.33,则许用应力 176.69MP。
由于起重机的跨度较长,所以当小车满载运行至跨中时,主
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式起重机金属结构中,多数构件为平面板件焊接而成,故用四 节点板单元 Shell63 建模计算。建模过程:依次由关键点到线 到面自底向上建模,所有面经过 Glue 处理模拟点焊。支腿上 的扶梯和楼梯未在有限元模型中充分体现, 因其在整个构中 影响不大,为了简化模型,故在建模中忽略。划分网格时主梁 采用映射网格划分,其他部分采用自由网格划分,其有限元计 算模型如图 1 所示。
1.3 边界约束的处理 大车行走机构在龙门起重机工作过程中处于锁定状态,大 车轮子简化为有约束的支撑点。实际工作时大车车轮与轨道始 终保持接触, 因此约束所有车轮高度方向自由度 UY 和垂直于 轨道方向自由度 UZ; 沿轨道方向约束横梁一端车轮的自由度 UX,另一端的车轮的自由度 UX 不加约束。 1.4 载荷的施加 起重机常见的载荷主要有:起升载荷(在小车轮压处按节点 集中力的形式施加 PQ=420KN)、自重 (重力加速度的形式施加 g=-9.8m/s2)、惯性载荷(大车惯性力则以水平加速度的形式施加 取加速度 0.13 m/s2,同时,考虑到起重机驱动力突加或突变时,对 金属结构的动力影响,取加速度放大倍数 1.5)和风载荷(按分布 载荷的形式施加 PW=400N/m2)。 由于有限元建立的模型是理想化的, 在不影响计算精度的 前提下,做了一些必要的简化,从而会造成模型的重量小于起重 机的真实重量,所以有必要在施加载荷时对重量进行补偿。故在 模型中相应的节点上增大重力加速度、增大材料的密度或设置 质量元。材料密度为 =7850kg/m3,弹性模量为 E=210GPa,泊松 比为 μ=0.3。
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基于 ANSYS 的单主梁门式起重机的结构分析
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对于门式类型起重机, 刚度上的要求就是限制主梁的变形
即主梁的跨中挠度,静挠度
,其中 L 为起重机跨
度,单位 mm。
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对于 A6 工作级别的起重机选取
较为合适。己知该起
重机 L=27.3m,即挠度值小于 34.125mm 均满足使用要求。由图
4 可得最大挠度为 9.794mm, 说明起重机结构的静态刚度满足
引言
门式起重机是实现大型物料搬运、减轻笨重体力劳动、提 高作业效率、实现安全生产的重要设备,在国民经济中得到广泛 应用。但是起重机发生故障不但会造成重大人员伤亡和经济损 失,而且其受载情况比较复杂且变换频率较高。长期以来,起重 机的设计方法多采用以经典力学和数学为基础的半理论、半经 验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法,设计过程反复多, 周期长,设计的精确度较低等缺点。本文利用大型有限元分析软 件 ANSYS 通过 Shell63 单元建立有限元模型, 合理简化单梁龙 门起重机结构,对起重机结构强度进行校核,并对其安全性作出 评估。
软件天地
梁所承受的载荷最大,即此种工况最危险,这里仅对起重机最危 险工况的结构进行强度分析,其受到的最大应力为 161.221MP, 如图 2、图 3 所示。故从应力角度看,结构强度有余量,结构设计 安全。
《微计算机信息》(测控自动化 )2010 年第 26 卷第 11-1 期
(1) 式中: 和 分别为结构系统的质量矩阵和刚度矩阵; 为位移矩阵; 为加速度矩阵。 本文采用精确程度较高,速度快的 Block Lanczos 法进行求 解,常利用前 3 阶固有频率评价起重机结构动刚度。这里给出该 起重机前 5 阶模态分析结果。规定起重机主梁方向为 Z 方向,垂 直地面向上方向为 Y 方向,X 向垂直于起重机平面。 前 5 阶跨中满载自振频率,如表 1 所示,图 5~9 为振型图。
图 9 五阶振型图 Figure 9 Mode of vibration of the fifth order 动态刚性的要求是当小车位于跨中时的满载自振频率应 不低于 2 Hz。在实际使用中,动态刚性要求的满足对起重机的 司机的工作条件以及桥架的疲劳性能是有重要影响的。由表 1 知,最低阶满载自振频率为 2.7367,其满载自振频率满足要求。
5 结语
HL7 引擎设计的目标是开发一组支持 HL7 通讯的过程调 用函数或控件,应用程序按照 HL7 接口引擎的约定提供参数,模 块之间的通讯则由 HL7 接口引擎完成。本文提供的 HL7 接口 引擎设计及实现方案分为上层应用及下层组件结构, 下层组件 完成了 HL7 引擎的核心操作, 上层应用设计了事件管道机制, 使异构系统的 HL7 改造功能可以进行灵活的配置,以其能达到 从外部可以视其为 HL7 系统而加入到医疗信息的标准网络中, 进而参与 IHE 的集成。 参考文献 [1]H ealth Level Seven. Health Level Seven Standard Version 2.3: An Application Protocol for Electronic Data Exchange in Health－ care Environments. Health Level Seven, Inc., Ann Arbor, MI, 1997. [2]HL7 URL : http://www.hl7.org/ [3]Ki Sung Um, Yun Sik Kwak, Hune Cho, Il Kon Kim ,Develop－ ment of an HL7 interface engine, Computer Methods and Programs in Biomedicine,2005 [4]Sang Min Lee, Jin Tae Song, HL7 V2.4 Message Interface En－ gine Implement, [5]Andrew Watt, Begging Regular Expressions [6]Alfred V.Aho , John E.Hopcroft , Jeffrey D.Ullman《, 计算机算 法的设计与分析》 [7] 李敏. 基于 HL7 接口 PDA 在 HIS 中的应用系统模型研究[J]. 微计算机信息,2009,5-2:67-68 作 者 简 介 :刘颖慧(1986-),女(瑶族),上海理工大学医疗器械与食
4 结论
(1)起重机的最危险工况的最大应力 161.221MP 小于许用 (下转第 187 页)
- 212 - 360元 / 年 邮局订阅号：82-946
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您的论文得到两院院士关注
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为在 TCP/IP 上传递的数据是一串连续的比特流, 而 HL7 的封 装协议(如消息头和消息尾)要求通信代码能够识别每条消息的 开始和结束。
MLLP 是最常见的通过 TCP/IP 局域网(如医院局域网)传送 未封装的 HL7 消息的机制。每个 HL7 消息用一个消息头和一 个消息尾封装,以标示消息的开始和结束。消息头和消息尾均为 非打印字符,不会在实际显示 HL7 消息内容时显示出来。
通过 MLLP 传送的典型结构 HL7 标准消息见下表。它包含 的四个部分见表 1:
要求。
图 5 一阶振型图 Figure 5 Mode of vibration of
the first order
图 7 三阶振型图 Figure 7 Mode of vibration of
the third order
图 6 二阶振型 Figure 6 Mode of vibration of
the second order
关键词: ANSYS; 起重机; 静强度; 模态分析
中图分类号: TH213.5
文献标志码: A
Abstract: Finite element analysis software ANSYS is used in this paper, based on finite element model the shell63 as the basic unit. Choosed the single girder crane's most dangerous conditions as a target for static analysis and dynamic analysis.From the modal and static strength aspects, evaluated the performance of crane, and made suggestions for crane design. Key words: ANSYS; crane; static strength; modal analysis