李利斌 徐金帥

(大連理工大學(xué)運載工程與力學(xué)學(xué)部 遼寧 大連 116000)

基于ANSYS的船用伸縮折臂式起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模塊化建模研究

李利斌 徐金帥

(大連理工大學(xué)運載工程與力學(xué)學(xué)部 遼寧 大連 116000)

本文以6 t-10m伸縮折臂式起重機(jī)為例，提出了一種基于ANSYS、通過APDL編程實現(xiàn)整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模塊化建模的方法，將各工況建模參數(shù)化，提高了這種起重機(jī)的有限元分析效率，縮短了研發(fā)周期。

ANSYS；APDL；伸縮折臂式起重機(jī)；船用起重機(jī)；有限元；模塊化建模；參數(shù)化

一、引言

隨著航運業(yè)的發(fā)展，船用起重機(jī)的需求越來越大，并逐漸向大型化、專業(yè)化的方向發(fā)展。其中，伸縮折臂式起重機(jī)以其工作幅度大、占用空間小等優(yōu)點，能夠非常好地滿足船舶對起重設(shè)備的要求，在各類船舶尤其是中小型船舶上的應(yīng)用越來越廣泛。

伸縮折臂式起重機(jī)的運動部件較多，起重工況也較多，因此有限元建模及分析都比較復(fù)雜，往往每分析一個工況，就要重新建立一次模型，分析人員不但工作繁重，效率也較低。

本文以ANSYS 14.5為平臺，以6 t-10m船用伸縮折臂式起重機(jī)為例，通過APDL編程，實現(xiàn)了整機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模塊化建模，將各工況建模參數(shù)化，大大提高了分析效率，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)時間。

二、船用伸縮折臂式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

船用伸縮折臂式起重機(jī)的工作狀態(tài)及結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1—立柱；2—回轉(zhuǎn)支承；3—塔身；4—變幅臂；5—底節(jié)臂；6、7—伸縮臂；8—伸縮油缸；10—變幅油缸；11—折臂油缸；12—起升卷揚

圖1 起重機(jī)工作狀態(tài)及結(jié)構(gòu)組成

三、船用伸縮折臂式起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

(一)整機(jī)結(jié)構(gòu)的模塊化

根據(jù)起重機(jī)各部件間的連接關(guān)系，可以將其劃分成不同的模塊，用solid45單元建立有限元模型，并對其密度進(jìn)行調(diào)整，保證其質(zhì)量與實際質(zhì)量相等。三個油缸均用link180模擬。

各模塊分別是由立柱、回轉(zhuǎn)支承、塔身組成的下車模塊，變幅臂模塊，由底節(jié)臂和卷揚支架組成的底節(jié)臂模塊，以及各節(jié)伸縮臂模塊，其有限元模型見圖2—圖5所示。

圖2 立柱—塔身模塊

圖3 變幅臂模塊

圖4 底節(jié)臂模塊

圖5 伸縮臂模塊

各個模塊建立有限元模型后均導(dǎo)出其節(jié)點文件(NLIST)和單元文件(ELIST)，再對這兩個文件進(jìn)行處理(可利用EXCEL、MATLAB或C語言等軟件進(jìn)行編程處理)，生成一定格式的APDL命令流文件，其文件格式如下：

其中nmax為在組裝各模塊時，為了與其它模塊的節(jié)點號區(qū)分開來而設(shè)立的一個標(biāo)號，可以在前一模塊裝配完畢后，在主程序中用以下APDL命令得到：

*get,nmax1,node,,num,max!取得當(dāng)前最大節(jié)點標(biāo)號

(二)各模塊的組合

1.確定工況參數(shù)

實際作業(yè)中，變幅臂的變幅角度α、基本臂的折臂角度β和伸縮臂的伸縮長度L1、L2共同決定了起重機(jī)的作業(yè)半徑，所以可以將這四個參數(shù)作為起重機(jī)的工況參數(shù)，如圖6所示。

圖6 工況參數(shù)

2.各模塊有限元模型的連接方法

各個模塊間的連接方式有兩種，即鉸接和滑塊連接。

鉸接分兩種：單向鉸接和關(guān)節(jié)鉸接。單向鉸接約束除繞軸向轉(zhuǎn)動外的五個自由度，關(guān)節(jié)鉸接約束三個平移自由度。

滑塊連接約束除沿臂長方向平移以外的五個自由度。

下面詳述在ANSYS里如何模擬鉸接和滑塊連接。

為了簡化模型，提高運算速度，也為了便于APDL編程，這里不采用接觸的連接方法，而是采用了剛性區(qū)域和剛性約束的方法。這樣做忽略了接觸面周圍小區(qū)域內(nèi)受力分析的準(zhǔn)確性，對這些區(qū)域需要用解析法或有限元法進(jìn)行單獨分析，此處不再詳述。具體做法如下。

對于鉸接，需要引入mass21單元和beam188單元。mass21單元只用來傳力，其實常數(shù)中的各個值均定義為0。在鉸接的雙耳板的每個耳板的中心分別建立節(jié)點1和節(jié)點2，在這兩個節(jié)點中心再建立一個節(jié)點3。在這三個節(jié)點上均建立mass21單元，將節(jié)點1和節(jié)點2分別與其鉸孔周圍的節(jié)點建立剛性區(qū)域。然后用這三個節(jié)點建立beam188單元。同樣，在單耳板的中心建立一個節(jié)點4，在節(jié)點4上建立mass21單元，將節(jié)點4與其鉸孔周圍的節(jié)點建立剛性區(qū)域。節(jié)點3和節(jié)點4重合，將其建立剛性約束，僅放開繞軸轉(zhuǎn)動的自由度。如圖7所示。

油缸兩端的鉸接屬于關(guān)節(jié)鉸接，可不建立節(jié)點4，只需用link180連接兩端的耳板中間節(jié)點即可。

對于滑塊連接，需要引入mass21單元和單向受壓的link180單元。在滑塊連接的兩個面的中心分別建立節(jié)點1和節(jié)點2，在這兩個節(jié)點上均建立mass21單元，并將這兩個節(jié)點分別與其周圍滑塊范圍內(nèi)的節(jié)點建立剛性區(qū)域，再用link180連接這兩個節(jié)點。如圖8所示。

圖7 鉸接圖

圖8 滑塊連接

3.組裝各模塊

用APDL語言編寫主程序組裝各模塊，具體步聚如下。

(1)定義單元類型(solid45，mass21，link180，beam188)、材料屬性、實常數(shù)、梁截面大小。

(2)依次用/input命令導(dǎo)入立柱—塔身模塊、變幅臂模塊、底節(jié)臂模塊、伸縮臂模塊等命令流文件，根據(jù)工況參數(shù)確定各模塊的位置，并根據(jù)其位置和模塊局部坐標(biāo)系與總坐標(biāo)系的角度關(guān)系確定工作坐標(biāo)系的位置和方向，在工作坐標(biāo)中導(dǎo)入模塊。

(3)用APDL編程連接各模塊。

(4)施加約束和載荷。約束的位置固定在立柱的根部。根據(jù)相關(guān)的規(guī)范確定各載荷的大小，根據(jù)工況參數(shù)計算出各載荷施加的位置，用APDL命令流編程實現(xiàn)。

這樣，只要改變主程序中相應(yīng)的工況參數(shù)α、β、L1、L2和吊重G，在ANSYS中運行主程序，就可以得到起重機(jī)不同工況下的整機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模型。

(三)6t-10m伸縮折臂式起重機(jī)算例

根據(jù)本文的方法，將6t-10m伸縮折臂式起重機(jī)各部件建立有限元模塊的命令流文件，并用APDL語言編寫主程序，通過改變工況參數(shù)和載荷參數(shù)，得到不同工況下整機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模型。如圖9—圖12所示。

圖9 10m工作幅度狀態(tài)

圖10 15m工作幅度狀態(tài)

圖11 6t-10m工況計算結(jié)果

圖12 3t-15m工況計算結(jié)果

四、結(jié)論

本文基于ansys對船用伸縮折臂式起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模塊化建模方法進(jìn)行了研究，該方法易于用APDL編程實現(xiàn)各模塊的組裝和連接，實現(xiàn)了基于作業(yè)工況的整機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元參數(shù)化建模。通過6t-10m伸縮折臂式起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元仿真，證實了該方法的可行性。這種模塊化建模方法可大大縮短起重機(jī)有限元仿真的建模時間，從而縮短了設(shè)計周期，節(jié)約了研發(fā)經(jīng)費。

[1]曾成奇,衛(wèi)良保.起重機(jī)伸縮臂變量化建模與有限元分析[J].機(jī)械工程與自動化.2010,4:62-65.

[2]段鐵龍,李傳龍,韓慧敏.船用起重機(jī)吊臂的有限元分析[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報.2013,23(1):94-97.

[3]紀(jì)愛敏,彭鐸,劉木南.三種工況下大型吊臂的有限元分析[J].工程機(jī)械.2006.2：31-32

[4]曾攀.基于ANSYS平臺有限元分析手冊：結(jié)構(gòu)的建模與分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.