喻杰勇 陳廬彪 陳世爐 陳盼盼

(中國船舶工業(yè)第六三五四研究所，九江，332000)

為在轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)過程中了解結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能是否滿足使用要求，一般情況下都是通過在CAD設(shè)計(jì)軟件（Pro/E、CATIA、UG等）中建好三維模型，然后將三維模型保存為中間格式，并借助 ANSYS或者ABAQUS等通用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析。通過這種方式盡管省去了在力學(xué)仿真軟件（ANSYS或ABAQUS）中建模這一步驟，然而在仿真過程中我們一般也只能使用 solid45等實(shí)體單元，在力學(xué)分析時(shí)僅僅只能對(duì)該固定模型（相對(duì)于參數(shù)化模型）進(jìn)行分析。雖然通過計(jì)算結(jié)果可知能否滿足力學(xué)性能要求，但對(duì)進(jìn)一步結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化有一定的限制。鑒于此，本文利用beam188、beam44梁單元，以U形框?yàn)檠芯繉?duì)象，在ANSYS經(jīng)典版本中利用APDL命令流對(duì)U形框進(jìn)行建模、仿真，并與傳統(tǒng)分析方法做一個(gè)對(duì)比。

1 研究對(duì)象及其載荷組合

選用型號(hào)三軸位置速率轉(zhuǎn)臺(tái)主要參數(shù)：轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)體為U-O-O框架結(jié)構(gòu)；負(fù)載安裝面要求平面度0.02 mm，材料為超硬鋁；負(fù)載質(zhì)量為45 kg；最大角加速度外環(huán) 100°/s2、中環(huán) 200°/s2、內(nèi)環(huán) 250°/s2。臺(tái)體框架結(jié)構(gòu)為鑄件，材料為ZL201。將中環(huán)U形框隔離出，以其為研究對(duì)象，研究U形框在負(fù)載作用下結(jié)構(gòu)的剛度等力學(xué)特性，主要載荷及說明如表1所示，外形圖見圖1。

表1 U形框主要載荷及說明

圖1 三軸速率位置轉(zhuǎn)臺(tái)外形圖

轉(zhuǎn)臺(tái)分為停機(jī)狀態(tài)、帶負(fù)載平穩(wěn)速率狀態(tài)、帶負(fù)載最大角加速搖擺工作狀態(tài)三種工況，它們分別對(duì)應(yīng)三種不同的載荷組合，如表2所示。為了驗(yàn)證基于ANSYS APDL下對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的可行性與適用性，本文將分別就轉(zhuǎn)臺(tái)三種不同工況對(duì)U形框進(jìn)行力學(xué)分析。

表2 載荷組合

2 力學(xué)模型建立

2.1 傳統(tǒng)力學(xué)模型

在有限元建模的過程中，采用了solid45實(shí)體單元，該單元可以很好的模擬結(jié)構(gòu)受壓、受拉和力矩的作用。U形框架采用的材料是鑄鋁，模型中材料的彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2.7 g/cm3，Pro/E中U形框三維模型如圖2所示。

圖2 U形框三維模型

為了提高計(jì)算效率，對(duì)U形框結(jié)構(gòu)做部分簡化，去除一些非主要的不承重部位和安裝孔，將模型保存為“ .x_t ”中間格式，導(dǎo)入到ANSYS workbench 中，對(duì)U形框劃分網(wǎng)格、加載、邊界條件處理，其力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 U形框力學(xué)模型（傳統(tǒng)CAD建模）

2.2 基于ANSYS經(jīng)典版本APDL參數(shù)化建模

有限元計(jì)算模型的單元類型采用三維梁單元beam188、beam44和集中質(zhì)量單元mass21，定義的材料參數(shù)如下：

et,1,beam188 ！定義單元類型

mp,prxy,1,0.3 ！定義材料泊松比

mp,ex,1,7e4 ！定義材料彈性模型

mp,dens,1,2.7e-6！定義材料密度

通過對(duì)模型的簡化（去除螺紋孔及其它安裝光孔），利用ANSYS中自頂向下建模思路，通過節(jié)點(diǎn)和截面的定義、單元的聯(lián)接，建立U形框有限元模型?？紤]到在ANSYS庫內(nèi)沒有標(biāo)準(zhǔn)的與U形框相對(duì)應(yīng)的截面，并且考慮結(jié)構(gòu)上的縱筋是不可以簡化的（因?yàn)樗怯绊懡Y(jié)構(gòu)剛度的重要因素），因此本文自定義截面來模擬U形框的截面。圖4是U形框自定義截面中的一個(gè)截面外形，定義好之后將其保存在計(jì)算機(jī)工作目錄中。圖5是U形框有限元模型。

自定義截面網(wǎng)格劃分：

mshkey,1

mshape,0,2d

allsel

amesh,all

secwrite,jm1,sect,,1

圖4 自定義截面形狀

圖5 U形框有限元模型

考慮到實(shí)際邊界條件是對(duì) U形框下部整個(gè)凸臺(tái)進(jìn)行部分自由度的約束，本文通過beam44單元模擬凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，將凸臺(tái)與U形框上凸臺(tái)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)剛性連接。

定義凸臺(tái)

邊界條件的定義如表3所示。表中UX、UY、UZ分別表示沿X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度，ROTX、TOTY、ROTZ分別表示繞X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)自由度；其中：1表示約束、0表示釋放。其力學(xué)模型如圖6所示。

表3 邊界條件的定義

圖6 U形框力學(xué)模型（APDL參數(shù)化模型）

3 計(jì)算結(jié)果和分析

圖7～圖9描述了結(jié)構(gòu)在表2所述的三種不同工況下、兩種不同分析方法U形框的位移云圖。可以看出：在CAD輔助建模下，三種不同工況U形框最大位移分別為0.004 0 mm、0.019 7 mm、0.025 mm；基于ANSYS APDL參數(shù)化建模，通過前處理、加載、求解、后處理，三種不同工況 U形框最大位移分別為0.003 5 mm、0.019 2 mm、0.021 mm，位移云圖分布一致。通過簡化，U形框?qū)嵸|(zhì)上等效于一個(gè)懸臂梁，最大位移出現(xiàn)在梁端，與實(shí)際符合。兩種結(jié)果對(duì)比表明：如果不關(guān)心結(jié)構(gòu)局部力學(xué)特性，分析類似問題可以采用梁單元來模擬結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，結(jié)果相對(duì)誤差不大、位移云圖分布一致。

圖7 轉(zhuǎn)臺(tái)停機(jī)狀態(tài)下位移云圖

圖8 帶負(fù)載平穩(wěn)速率狀態(tài)位移云圖

圖9 帶負(fù)載最大角加速度搖擺狀態(tài)位移云圖

4 結(jié)論

U形框剛度對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度、位置精度有很大影響。但是考慮到經(jīng)濟(jì)效益，不可能把結(jié)構(gòu)做的非常笨重，因此對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化很重要，包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)的外形和板厚。為了驗(yàn)證利用APDL參數(shù)化建模對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的適用性，基于轉(zhuǎn)臺(tái)三種不同工況下，通過對(duì)比APDL參數(shù)化建模的U形框力學(xué)特性與傳統(tǒng)分析方法的分析結(jié)果，計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi)，云圖分布一致。通過本文分析，為后續(xù)研究者研究類似問題提供了一種研究思路：利用APDL命令流建立參數(shù)化模型，設(shè)置板厚、影響外形的尺寸等敏感變量、設(shè)置約束條件（結(jié)構(gòu)的剛度變化范圍）及目標(biāo)函數(shù)（結(jié)構(gòu)的自重），對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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