工程机械钢结构设计与结构优化的有限元分析的应用
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务ｌ
甸 化
工 程 机 械钢 结 构 设 计 与 结 构 优 化 的有 限 元 分 析的应用
是
且 謦 三 篓量 梁 焉 的 种
磊 ： 羹 举妻 萋 萋
陋 川 ；
械 是 篓 鎏 篓 烹 竺 二 苎 域三 茬 署 篓 妻 妻 ： 速 茎 ， Ｈ 公 篓ｈ 磊 主 二
８ ． ４５ ７ ． ４５ ８． １１ ０ ２ ．８ ２ ． ５２ ｌ ． ７９
ｌ３ １ １０ ３ １９ １ ０６ ．３ ４２ ． １ ． ３７
ｌ７ １ １８ ５ ３． １８ ２ ３ １ ．５ ８２ ． １ ． ３４
单 元模 型 进 行 有 限 元分 析 。利 用 钢 结 构 梁 的 结 构
深 层 次 的优 化 设 计 ， 以 达 到 在 实 际 生 产 制 造 中 节 省 材 料 ，实现 高 效 节 能 的 目的 。总之 可 以将ＭＳ ／ Ｃ
Ｐ ＲＡＮ进 行 有 限 元 分 析 的基 本 程 序 概 括 为 三 个 ＡＴ
４ ）对组 集 的 结果 进 行有 限 元分 析 求 解 ，在 此 过 程 中可 以采 用 不 同 的计 算 方 法 解 有 限 元 方 程 ，
几何 特 性 、钢 梁 节 点 处 的边 界 条 件写 出 以ａ 表示 的 节 点位 移ｑ一【１ １ 。 ｕ、Ｖ、Ｗｌ ２ ２ ２ … 、Ｕ、Ｖ、ｗ … 然 后 再 将 公 式转 化 为ｑ＝Ｃ ，然后 再 由ａ ｑ，并 代 。 ａ —Ｃ 。 入到ｄ ａ —Ｓ ，得 到ｄ Ｃ ＝Ｓ ｑ ＝Ｎｑ ，此 公式 是 利 用 。 钢 结构 梁 的结构 几何 特性 、钢 梁节 点位 移 表示单 元 体 内任 意点 位移 的插值 函数 式 。 ２ ）进行 主 梁 钢 结构 的 单 元特 性 分析 ，根 据 上 面 总 结 出 的位 移 插 值 函数 ， 由弹 性 力 学 中给 出 的 应 变 和 位移 关 系 ，可 以计 算 出应 变 为 ： ￡＝Ｂ 。 ｑ，
表 １公路架桥机各测试点 的应 力值
工况 １ 工况 ２ 工况 ３
的 网 格 ，这 是 为 了 适 应 计 算 数 据 的 分 布 特 点 ，在
计 算 数 据 变化 梯 度 较 大 的 部 位 ，为 了较 好 地 反 映 数 据 变化 规 律 ，需 要 采 用 比较 密 集 的 网 格 。然 后
设 计 要 点 ，其 中 公 路 架 桥 机 的 主 体 钢 结 构 为 横 一 一 。
收 稿 日 期 ：２ １－０ － ９ ０ ２ ３ ０ 作者简介：张 彩芬 （ ９ ２一），女 ，副教授 ，硕 士 ，主要从事 《 １７ 机械制 图》、 《 机械设计基础 》 、 《 工程 力学》 、 《 计
行 单 元 划 分 和 插值 函 数 的 确 定 。 由于 公 路 架 桥 机
主 梁 的 横 切 孟 为 箱 型 结 构 ，在 空 间 上 可 以划 分 为
若 干 个 箱 型 结 构 单 元 通 过 焊 接 连 接 而 成 ， 因此 可 以根 据钢 结 构 梁 的 结 构 几 何 特 性 、 钢 梁 节 点 处 的
位 ， 以便 更加 全 面 的考 察公 路 架 桥 机 主ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ梁 的 工 作 状 态 ， 因 此本 文 主 要 选 取 公 路 架 桥 机 的 主 梁 在 悬
臂状态 （ 工况 １ 、运 梁 状 态 （ 况２ 以及 架 边 ） 工 ） 梁 状 态 （ 况３ 工 ）下 的 ｌ 个 测 量点 ，具 体 的 检 测数 Ｏ 据 如表 ｌ 示 ： 所
边 界 条 件 等 情 况 ，建 立 由各 种 单 元 组 成 的 计 算 模 型。在对公路架桥机的主梁进行有限元分析时 ， 最 关 键 的 环 节 就 是 有 限 元 的 网 格 划 分 ， 因为 网 格
划 分 的 精 度 直 接 影 响 着 有 限 元 分 析 的 精 确 度 以及
响 应 速 度 。要 有 效 的 控 制 网 格 的 疏 密 程 度 ，主 要 就 是 通 过 在 主 梁钢 结 构 的 各 个 部 位 采 用 不 同大 小
再 按 照 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 Ｕ （ 、 Ｙ ｘ 、ｚ ，ｖ （ 、 Ｙ ） Ｘ 、 Ｚ ，ｗ （ 、Ｙ ）或者 ｄ ） Ｘ 、Ｚ ＝Ｓ （ 、Ｙ ）ａ Ｘ 、ｚ ，通 过
测试点 １ 测试点 ２ 测试 点 ３ 测试点 ４ 测试点 ５ 测试点 ６
接 触节 点位 移ｑ 。计算 单 元模 型 的 结构 应 力 ，如 果 需 要求 出单 元模 型 的应 力值 ，则 在 计 算 出各 单 元
的节 点 位 移 ｑ后 ， 自 ｅ＝Ｂ 。 Ｏ＝Ｄ ￡即 可 求 出 。 ｑ和 相 应 的节 点应 力 。 根 据公 路 架桥 机 主 梁 钢 结 构 的 施 工 情 况 对其 进行 实 际 强 度 、 刚度 检 测 ，从 而分 析 钢 梁 的 框 架 结 构 的 最 大 应 力 、 应 变 情 况 ， 从 而 判 断 是 否 能 够 满 足 实 际施 工 时 的具 体 要 求 。在 进 行 检 测 时 对 于 测量 的 点位 选 择 ，应 该 能 够 代 表 主 梁 钢 结 构 的 真 实 使 用 情 况 以及 一 些 主 梁 钢 结 构 的 集 中受 力 部
得 出单 元模型各节点 的位移 。在进行求解之前必
须对 结 构 平 衡 方 程 组 进 行 边 界 条 件 处 理 ，然 后 再
主 要 部分 ，即 分析 主 梁 钢 结 构 的 离 散 化 、 有 限 元
计 算 以及对结 果 的优化 处理 。 对 于 公 路 架 桥 机 主 梁 框 架 结 构 的 有 限 元 分 析 步骤 具体 如下 所 示 ： １ ）通 过 ＭＳ ／ ＡＴ ＡＮ软 件 对 主 梁 钢 结 构 进 ＣＰ Ｒ
算机绘 图》、 《 机电 一 体化系统设计基础 》、 《 设备 机械 装配与调试 》等专 业课程 的教学工作 。
［４］ 第３卷 １２ ４ 第４ 期 ２ １－ ４上 ） ０２ ０ （
参１
有 限 元模 型 的分 析 结 果 对钢 梁 的 框 架 结 构 进 行 更
訇 似
位 移列 阵 。
甸 化
工 程 机 械钢 结 构 设 计 与 结 构 优 化 的有 限 元 分 析的应用
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ｌ３ １ １０ ３ １９ １ ０６ ．３ ４２ ． １ ． ３７
ｌ７ １ １８ ５ ３． １８ ２ ３ １ ．５ ８２ ． １ ． ３４
单 元模 型 进 行 有 限 元分 析 。利 用 钢 结 构 梁 的 结 构
深 层 次 的优 化 设 计 ， 以 达 到 在 实 际 生 产 制 造 中 节 省 材 料 ，实现 高 效 节 能 的 目的 。总之 可 以将ＭＳ ／ Ｃ
Ｐ ＲＡＮ进 行 有 限 元 分 析 的基 本 程 序 概 括 为 三 个 ＡＴ
４ ）对组 集 的 结果 进 行有 限 元分 析 求 解 ，在 此 过 程 中可 以采 用 不 同 的计 算 方 法 解 有 限 元 方 程 ，
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表 １公路架桥机各测试点 的应 力值
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设 计 要 点 ，其 中 公 路 架 桥 机 的 主 体 钢 结 构 为 横 一 一 。
收 稿 日 期 ：２ １－０ － ９ ０ ２ ３ ０ 作者简介：张 彩芬 （ ９ ２一），女 ，副教授 ，硕 士 ，主要从事 《 １７ 机械制 图》、 《 机械设计基础 》 、 《 工程 力学》 、 《 计
行 单 元 划 分 和 插值 函 数 的 确 定 。 由于 公 路 架 桥 机
主 梁 的 横 切 孟 为 箱 型 结 构 ，在 空 间 上 可 以划 分 为
若 干 个 箱 型 结 构 单 元 通 过 焊 接 连 接 而 成 ， 因此 可 以根 据钢 结 构 梁 的 结 构 几 何 特 性 、 钢 梁 节 点 处 的
位 ， 以便 更加 全 面 的考 察公 路 架 桥 机 主ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ梁 的 工 作 状 态 ， 因 此本 文 主 要 选 取 公 路 架 桥 机 的 主 梁 在 悬
臂状态 （ 工况 １ 、运 梁 状 态 （ 况２ 以及 架 边 ） 工 ） 梁 状 态 （ 况３ 工 ）下 的 ｌ 个 测 量点 ，具 体 的 检 测数 Ｏ 据 如表 ｌ 示 ： 所
边 界 条 件 等 情 况 ，建 立 由各 种 单 元 组 成 的 计 算 模 型。在对公路架桥机的主梁进行有限元分析时 ， 最 关 键 的 环 节 就 是 有 限 元 的 网 格 划 分 ， 因为 网 格
划 分 的 精 度 直 接 影 响 着 有 限 元 分 析 的 精 确 度 以及
响 应 速 度 。要 有 效 的 控 制 网 格 的 疏 密 程 度 ，主 要 就 是 通 过 在 主 梁钢 结 构 的 各 个 部 位 采 用 不 同大 小
再 按 照 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 Ｕ （ 、 Ｙ ｘ 、ｚ ，ｖ （ 、 Ｙ ） Ｘ 、 Ｚ ，ｗ （ 、Ｙ ）或者 ｄ ） Ｘ 、Ｚ ＝Ｓ （ 、Ｙ ）ａ Ｘ 、ｚ ，通 过
测试点 １ 测试点 ２ 测试 点 ３ 测试点 ４ 测试点 ５ 测试点 ６
接 触节 点位 移ｑ 。计算 单 元模 型 的 结构 应 力 ，如 果 需 要求 出单 元模 型 的应 力值 ，则 在 计 算 出各 单 元
的节 点 位 移 ｑ后 ， 自 ｅ＝Ｂ 。 Ｏ＝Ｄ ￡即 可 求 出 。 ｑ和 相 应 的节 点应 力 。 根 据公 路 架桥 机 主 梁 钢 结 构 的 施 工 情 况 对其 进行 实 际 强 度 、 刚度 检 测 ，从 而分 析 钢 梁 的 框 架 结 构 的 最 大 应 力 、 应 变 情 况 ， 从 而 判 断 是 否 能 够 满 足 实 际施 工 时 的具 体 要 求 。在 进 行 检 测 时 对 于 测量 的 点位 选 择 ，应 该 能 够 代 表 主 梁 钢 结 构 的 真 实 使 用 情 况 以及 一 些 主 梁 钢 结 构 的 集 中受 力 部
得 出单 元模型各节点 的位移 。在进行求解之前必
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主 要 部分 ，即 分析 主 梁 钢 结 构 的 离 散 化 、 有 限 元
计 算 以及对结 果 的优化 处理 。 对 于 公 路 架 桥 机 主 梁 框 架 结 构 的 有 限 元 分 析 步骤 具体 如下 所 示 ： １ ）通 过 ＭＳ ／ ＡＴ ＡＮ软 件 对 主 梁 钢 结 构 进 ＣＰ Ｒ
算机绘 图》、 《 机电 一 体化系统设计基础 》、 《 设备 机械 装配与调试 》等专 业课程 的教学工作 。
［４］ 第３卷 １２ ４ 第４ 期 ２ １－ ４上 ） ０２ ０ （
参１
有 限 元模 型 的分 析 结 果 对钢 梁 的 框 架 结 构 进 行 更
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位 移列 阵 。