基于ANSYSWorkbench的斗轮堆取料机关键零部件的有.docx
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基于ANSYSWorkbench的斗轮堆取料机关键零部件的有
基于ANSYSWorkbench的斗轮堆取料机
关键零部件的有限元分析优化
中国华电工程(集团有限公司物料输送技术上海中心
叶阜张宝国张起伟韩刚华
摘要:
论述了在ANSYSWorkbench环境下对斗轮堆取料机关键零部件参数化建模后有限元分析的基本原理,研究了有限元分析的方法,实践了门座架有限元分析优化的整个过程,并针对分析过程中容易出现的问题提出了有效的解决方法,讨论了在ANSYSWorkbench环境下对所设计产品的零部件进行有限元应力及变形分析,有效地解决了传统设计中产品开发周期长、设计结果偏于保守、工作效率低等问题。
关键词:
ANSYSWorkbench;斗轮堆取料机;有限元分析;优化设计
Abstract:
Thepaperexpoundsthebasicprincipleandmethodoffiniteelementanalysisofparametricmodelofkeypartsinbucket-wheelstacker&reclaimerbasedonANSYSWorkbench,Italsoputsforwardthesolutiontoproblemstheprocessoffiniteelementanalysisandoptimizationdesignoftheporta,landconductsthestressanddeformationfiniteelementanalysisunderANSYSWorkbenchenvironmentThiswaycanservetoshortenthedesigntime,makedesignmorepreciseandenhancedesignefficiency
Keywords:
ANSYSWorkbench;bucket-wheelstacker&reclaimer;finiteelementanalysis;optimizationdesign
在目前日益激烈的市场竞争环境下,如何提高斗轮堆取料机的性能,同时降低成本成为业内各企业亟待解决的问题。
产品的质量关乎企业的声誉、产品的利润关乎企业的发展、产品推出的速度关乎市场的占有率,所以更多的企业将ANSYSWorkbench有限元分析渗入研发、生产的各个环节,从而提高产品的竞争力和企业的经济效益。
应用基于ANSYSWorkbench的斗轮堆取料机关键零部件的结构强度、刚度分析设计较以往通过手工计算方法大大缩短设计周期,更好地保证了设备运转的稳定性,同时,通过对一些零部件的部分结构尺寸优化,也提高了材料的利用率,在较大程度上节省了成本。
ANSYSWorkbench的工程解决方案见图1。
1ANSYSWorkbench仿真分析环境
ANSYS软件能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究,在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医药、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用,不仅可以提供工程计算校核、机械部件特性预测,而且结合优化平台和CAD软件,可用于指导工程设计,贯穿工业设计的全过程。
图1ANSYSWorkbench的工程解决方案
(a传统CAE在工业中的应用可行性方案
(b以AWE优化工具为平台的CAD/CAE设计模拟过程
5维尔辛斯基CB,达尼诺夫BH,契尔诺柯夫铁路
车辆动力学王福天等译北京:
中国铁道出版社,1986作者:
姜世平地址:
秦皇岛河北大街438号燕山大学机械工程学院邮编:
066004
收稿日期:
2008-02-03
ANSYSWorkbench是用ANSYS求解实际问题的新一代产品,它给ANSYS的求解提供了强大的功能。
这种环境为CAD系统和设计提供了全新的平台,保证了最好的CAE结果,ANSYSWorkbench由4个模块组成:
DS(DesignSimulation用ANSYS的求解器,做结构或热分析。
DM(DesignModeler用来建立CAD几何模型,为分析做准备。
DX(DesignXplorer和DXVT(DesignXplorerVT用于研究变量的输入(如几何、载荷对响应(如应力、频率的影响。
DesignXplorer主要由基于实验设计(DOE技术的优化工具DesignXplorer和基于变分(VT技术的优化工具DesignXplorerVT组成,其后处理分析结果直观生动。
FEModeler用来把Nastran的网格转化到ANSYS中使用。
各模块之间集成于一体,可随时进入彼此之间进行双向参数互动调节,构成协同仿真环境的核心,使数值模拟仿真技术与参数化数据完美地结合起来,使与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作。
ANSYSWorkbench的底层数据与CAD相同,因此可以直接与Catia、UnigraphicsNX、Pro/Engineer、Inventor等CAD系统共享参数。
对于装配体,采用自动探测装配关系功能,自动完成∀接触#单元的建立,无需人工干预。
同时具备高级网格划分与控制,提供丰富的材料库。
用户可以进行基于结构线性或非线性分析的静动力分析,包括应力应变、疲劳寿命、模态分析与结构屈曲稳定性分析、几何尺寸形状参数优化分析等工程优化设计。
在系统环境下的分析数据可进行传统的ANSYS环境下工作,同时可将ANSYS的前后处理功能如材料属性、边界条件、分析结果输出等功能集成进来。
2ANSYSWorkbench有限元分析优化过程
基于ANSYSWorkbench对斗轮堆取料机关键零部件进行的应力分析过程就是通过建立数学物理模型,然后建立几何模型,对该几何模型约束、加载,确定想要得到的目标函数或变形、应力、应变,进而对结构刚度、强度进行结果分析评定。
如果评定不合格则对所建模型尺寸进行修改,然后求解,进行强度评定,如此反复,直至结果评定合格为止,如图2。
典型的FEA优化过程通常需要经过以下的步骤来完成:
图2参数优化有限元模拟分析基本流程
(1参数化几何建模利用CAE软件的参数化建模功能,把将要参与优化的数据(设计变量定义为模型参数,为以后软件修正模型提供可能;也可以在CAD软件中完成参数化建模,以便后续计算通不过时修改模型参数。
(2约束、加载与求解控制对结构的参数化模型进行约束、加载,进而求解。
(3后处理把状态变量(约束条件和目标函数(优化目标提取出来供优化处理器进行优化参数评价。
(4参数优化优化处理器根据本次循环提供的优化参数(设计变量、状态变量及目标函数与目标函数做比较后确定结构是否达到最优,如果最优,完成迭代,退出循环;否则,修正模型重新计算评定。
21建模
根据以往经验参数,对斗轮堆取料机关键零部件建模。
门座架位于斗轮堆取料机的底部,承受着整机自重和所运送物料的重量,是大型焊接结构件,其结构复杂,它的设计好坏直接影响着斗轮堆取料机的工作性能和安全性。
因此,本文
以门座架的分析优化为例进行斗轮堆取料机关键零部件的有限元分析,由于是对门座架的结构进行应力分析,所以不考虑在门座架体和平衡梁之间连接铰轴与铰耳之间的接触分析问题,而将门座架上承受的力直接通过铰轴传递给平衡梁铰耳;轴与轴承之间的作用力也忽略不计,在Inventor建模的过程中直接进行装配,并定义各个实体的材料常数。
使用CAD建模后,在ANSYSWorkbench中会产生一个Workbenchproject来管理各文件间的关系,指定图形源文件(从1个文件或激活的CAD/DM模型,然后选定1个DesignSimulation,会自动关联零件/装配体,这时新的DesignSimulation就产生了,双击DS图标就可以从WorkbenchProjects页面打开DS。
读入ANSYSWorkbench后,如果∀MaterialPropertiesTransfer#被激活,定义的材料属性将从支持的CAD系统被输入,ANSYSWorkbench就会自动识别各个实体的材料属性常数。
ANSYSWorkbench可以自动识别所有接触表面,只需确定识别出的接触表面是否是我们所需要和关心的部位,并确定接触类型和接触方式即可。
与CAD的结合性允许在DesignSimulation中更新CAD图形,无需重新定义材料属性、载荷、支撑及求解结果。
22定义约束、载荷
斗轮堆取料机属于连续工作的机械,在工作过程中虽然门座架以上部分由驱动机构带动做连续回转运动,但因其回转速度仅为5~30m/min,所以通常认为门座架所承受的载荷为静载荷。
可按如下载荷类型进行加载:
(1惯性载荷
这些载荷作用在整个系统中,需要用到质量的时候密度是必须的。
考虑门座架自身的重力,整体施加惯性载荷,此时需要在定义材料属性时选择合适材料以定义材料密度,从而完成标准地心引力的加载。
(2结构载荷
这种载荷是作用在系统部分结构上的力或者力矩。
∃门座架的工作应力主要由运送物料和整机自重产生,这2部分载荷中物料相比整机自重小得多,所以门座架的工作应力主要由整机自重产生,通过估算整机重量即可将载荷F=350t加载在门座架上,ANSYSWorkbench会自动完成载荷在受力面上的分配。
%斗轮堆取料机门座架以上部分,在工作过程中重心位置实际上不是恰好在门座架的几何中心上,而是存在偏心。
这样就会造成对门座架的作用力是关于整机对称面近似对称的,而对垂直于整机对称面的机构对称面是不对称的,因此需根据生产和设计经验按对不利的极限工作情况,根据整机上仰、水平、下俯的具体俯仰状态在门座架上加载偏心矩M。
(3结构支撑
这些是利用约束来防止部分范围内的移动。
本文所举例子为3支点4支腿式门座架,其结构属于对称型,门座架的4个支腿与可在轨道上行走的台车联接,因此,4支腿与台车平衡梁连接的法兰面均为固定约束。
23网格划分
网格划分是有限元前处理中的主要工作,也是整个有限元分析的关键工作,网格划分的质量和优劣将对计算结果产生相当大的影响。
它不仅繁琐、费时,而且在许多地方依赖于人的经验和技巧。
ANSYSWorkbench的网格划分是比较智能化的,有多种控制方法,与ANSYS的部分命令效果相似。
如果对所分析结构计算结果要求不是特别高,使用ANSYSWorkbench中的∀Default#、∀Advanced#栏目中的默认设置即可完成网格的自动划分。
如有更高要求,可通过调节∀Default#、∀Advanced#中某些控制选项完成。
(1∀Default#栏中的∀Relevance#可完成基本的网格控制,可以在-100和+100之间通过滑移块进行控制。
(2∀Advanced#中:
∃ElementSize定义了平均的单元边的长度,通过∀edge#选择器选取具有代表性的边(比如筋板的厚度进行控制。
%ShapeChecking用于对单元质量的检验,对于线性分析,用∀Standard#就可以。
对于非线性分析和场分析,需要严格的验收(∀Aggressive#。
&SolidElementOrder允许用户建立低阶和实体单元之间的连接。
因为门座架结构比较复杂,建模时因局部考虑不周可能造成网格划分不能生成合适形状的单
元,这时就会生成error信息,屏幕上有问题的几何体也会显示出来,在anamedselectiongroup将生成∀ProblematicGeometry#,方便看见模型网格划分出错的大致位置。
设置∀UnmeshableAreas#为∀ShowAllFailed#允许用户改变网格划分的状态,如果确实是模型出现问题,mesher会找出所有划分失败的细部。
找出后,通过更多合理的单元控制、更小的尺寸控制,生成形状规则的单元,或者利用virtualcell连接缝和小面就可以完成网格划分。
需要注意的是,划分网格时,通过改变不同参数设置可以得到更加细密的网格,但同时也会增加CPU的计算时间,并且需要更大的存储空间,在理想的情况下,分析中需要的网格密度是不再随网格的加密而改变密度的,也就是说,当网格细化后求解的结果是没有什么改变的;再者,细化网格不能弥补不准确的假设和输入引起的错误,所以,在完成模型的网格划分时,需要权衡计算成本和网格划分份数之间的利弊。
24计算求解
在使用DS求解时,需要在计算前设定求解结果对象来衡量是否模型尺寸已达到目标函数要求。
求解结果对象也可以在计算完成后设定,计算完成后查询所要结果,点击按钮∀Solve#,结果就会重新得到。
求解结果对象可以在∀Solution#菜单下定义。
在门座架的优化分析中,需在∀Solution#菜单中定义总体变形量(TotalDeformation、等效应力(EquivalentStress,以此为对象来衡量所建立门座架模型结构是否最优。
完成求解结果对象设定后,点击标准工具条上的∀Solve#按钮即可进行求解。
3结果和后处理
31计算结果
计算完成后,所有设定好的求解结果对象的云图和矢量会在变形的几何体中显示。
(1变形
模型的总体变形是一个标量
Utotal=U2x+U2y+U2z
其中,x、y、z方向的变形可以在菜单∀Directional#下得到,因为这里有和部件相联系的方向,假如有∀CoordinateSystem#菜单存在的话,可以指定给定的坐标系下的变形。
(2等效应力
von-Mises或者等效应力为e定义为
e=1
2
[(1-22+(2-32+(3-12]这个准则一般用于韧性金属。
当应用单轴晶体的拉伸实验试件来测定屈服强度和应力!
应变关系时,需要一个涉及单轴晶体数据到应力状态(张量的方法。
因此,等效应力是一种利用不变标量来实现此目的的普遍应用。
32后处理
(1切片
通过对模型结构进行切片研究,可以更真切地了解模型内部结构受力情况。
当在SectionPlane显示模式下,切片的面能被添加或者编辑。
选择∀NewSectionPlane#图标,然后点击鼠标左键穿过图形窗口,创建的路径就完成添加了一个切片面。
(2最大/最小值探测工具
分析对象结果云图显示后,可以通过选择∀Maximum#和∀Minimum#按钮,∀min/max#标签能被移走;通过选择∀Probe#按钮,能够查询模型上的结果。
同时,在模型上被查询的值处点击鼠标左键可完成添加注释。
(3调控图例
在求解出来的云图中,可以通过不同图例改变颜色标记范围,进而观察应力和变形是否在许可范围内。
这时,可以通过选择数值或直接输入一个数值来改变图例值的范围。
(4多窗口显示
在后处理中,可以通过使用多窗口显示同时观察数个不同对象结果图。
(5输出结果
完成求解后,来自DesignSimulation的表格数值和云图结果可以输出到Excel表格进行数据处理。
输出云图结果时,右击感兴趣的分支结果并且选择∀输出#,节点号和结果数就会被输出。
以输出主应力和主应变为例,当输出到*,XLS的文件时,需要包含额外的方位信息,生成的Excel文件包含6方面:
前3项对应于最小、最大和第2主应力和应变的数据;后3项对应于ANSYSEuler角频率(在ANSYS中对应于CLOCAL命令必须生成一个坐标系,其X、Y、Z轴分别是最大、最小和第2主应力/应变的方向。
桥式起重机动刚度计算的建模与分析
太原重工股份有限公司王创民高俊云王首成
摘要:
通过理论分析计算,并结合多台起重机实际测量数据,就起重机动刚度对起重机使用性能的综合影响进行了评估和分析。
为改善起重机动态特性,对大吨位、大跨度起重机动刚度计算提出了建议。
关键词:
桥式起重机;动刚度;有限元;建模
Abstract:
Thepaperevaluatesandanalyzes,basedontheactuallymeasureddata,thecomprehensiveimpactofcranedynamicstiffnessontheiroperatingperformancesthroughtheoreticalanalysisandcalculationToimprovedynamiccharacteristicsofcrane,itputsforwardsuggestionsondynamicstiffnesscalculationoflarge-spanheavycraneKeywords:
overheadtravelingcrane;dynamicstiffness;finiteelement;modeling
1概述
目前,随着CAD/CAM/CAE技术水平的不断发展,机械动态设计、有限元分析、疲劳分析与寿命估算、振动特性分析技术等有了越来越广泛的应用。
这些新技术的应用,对提高产品设计水平和产品性能,产生了良好的应用效果和作用。
在桥式起重机的设计中,静、动刚度是设计的重要指标之一,而动刚度影响着起重机的动态特性。
目前,用有限元进行静刚度计算已比较成熟,但如何精确地计算动态刚度还存在许多问题。
本文采用有限元计算方法,建立了一个可同时进行桥式起重机静、动刚度计算的模型,并将计算结果与实测值进行对比,来修正和完善计算模型,达到在设计阶段能精确、快速计算和校核桥式起重机静、动态刚度的目的。
2桥式起重机动态刚度的物理含义
桥式起重机的刚性要求分为静态和动态2方面,即静刚度和动刚度。
静刚度的定义:
当满载小车位于跨中时,主梁由于额定起升载荷和小车自重在跨中引起的垂直静挠度。
计算时,计算载荷一般为起升载荷和小车自重,不考虑冲击系数、动力系数和主梁的自重。
而动刚度是指起重机
4结语
通过使用ANSYSWorkbench中的DS、DX模块对斗轮堆取料机关键零部件的分析可以看出,在斗轮堆取料机设计和优化的过程中使用FEA软件ANSYSWorkbench,可以更快更详尽地对其关键零部件结构进行分析,并可以通过求解结果对零部件的局部结构进行优化改进,从而达到优质高效设计的目的,而且通过优化节省了某些不重要部位的材料,降低了成本,产生了较大的经济效益。
同时,也为设计后期斗轮堆取料机安全可靠地运行奠定了坚实的基础,具有非常重大的实际意义。
参考文献
1邵明亮,于国飞,耿华斗轮堆取料机北京:
化学工
业出版社,2007
2DurstW,VogtW斗轮挖掘机天津:
天津科技翻译
出版公司,1992
3ReinhardHWohlbierStackingBlendingReclaimingofBulk
MaterialsSwitzerland:
TransTechPublications,1977
4周长城,胡仁喜,熊文波ANSYSll0基础与典型范例
北京:
电子工业出版社,2007
5张宝国,张起伟,黄曙光基于Inventor的斗轮堆取料
机的设计工程机械,2007(11
6张宝国,张起伟,刘勤国基于Inventor的斗轮堆取料
机关键零部件的参数化设计矿山机械,2008(7
作者:
叶阜
地址:
上海市浦东大道1500号702D
邮编:
200122
收稿日期:
2008-06-10
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- 基于 ANSYSWorkbench 斗轮堆取料 机关 零部件