1、基于 APDL 的门式起重机主梁参数化建模与仿真 83350(2) 改进桥体腹板处的结构, 加大腹板上液 (2) 通过ANSYSWorkbench 多方案结构分析,压缸安装位置通孔的尺寸, 并加大圆角; 对承受弯曲应力最大的区域进行了优化, 铸件采(3) 前后支撑轴采用中空处理, 防止产生缩 用变截面处理, 增大抗弯截面模量, 减小应力集孔、疏松等铸造缺陷,便于铸造,也减轻了重量。 中, 提高了桥体的强度。同时, 对比多方案分析通过多方案结构优化分析, 图 7b 轴承座与竖直 应力云图, 减少低应力区域的材料, 减轻桥体质筋板结合处的最大应力幅值为 227MPa, 图 7a 为 量, 节约了成
2、本。225MPa, 桥体重量从设计之初的 55kg 减小到 4718 (3)实践表明, 通过 CAE 仿真分析和计算,kg,节约了成本。 减少了实验的次数, 缩短了设计开发周期, 提高 4 结论 了设计质量, 降低了研发成本。此外。通过 CAE仿真分析改进和优化了设计方案, 证实铸造转向(1) 在创新设计过程中, 采用传统的工程力 桥体的可用性与可靠性, 优化了产品的结构, 提学计算方法难以准确求出转向桥体各种工况下的 高了产品的质量,降低了制造成本。应力分布和大小。为了解铸造桥体受载后的应力状态和变形情况, 确定铸件的材料分布状况, 首 作者地址: 合肥市望江西路 15 号安徽叉车集团公司工
3、程车先按照焊接桥体的结构建立初步的三维模型, 然 辆研究所后利用 CAE 技术对 118t 铸造转向桥体进行有限元 邮 编: 230022分析, 求解出模型中的最大应力集中点, 在建模 收稿日期: 2008-07-28基于 APDL 的门式起重机主梁参数化建模与仿真 3华东理工大学机械与动力工程学院 史 进 郑建荣上海市特种设备监督检验技术研究院 俞中建摘 要:以门式起重机主梁结构为研究对象,通过分析主梁结构尺寸的相关性,研究运用 APDL 参数化编程与宏技术命令流相结合的方法,建立起重机主梁的参数化结构模型,解决模型中板块交接处的连续问题,实现对不同型号的 L 型门式起重机的参数化快速建模和
4、仿真。关键词:门式起重机;主梁; APDL;参数化建模;有限元Abstract: Takingmaingirderofgantrycraneasresearchobject, thepaperanalyzestherelativityofstructuralsizesofthegirderandbuildstheparametricstructuralmodelbymeansofawaycombiningAPDLandmacros1Furthermore, itsolvescontinuousboardjunctionproblem, thusrealizingquickparametricm
5、odelingandsimulationofLtypegantrycranes1Keywords: gantrycrane; maingirder; APDL; parametricmodeling; finiteelement1 主梁结构分析 较复杂, 梁内部有很多加强筋板, 包括大筋板、小筋板以及横向长筋条等。在参数化建模前首先门式起重机 (以下简称门机) 的主梁结构比 需要仔细分析主梁结构, 对结构尺寸进行参数化3 基金项目:教育部科学技术研究重点项目资助 (03072)起重运输机械 2009 (4) 79成组划分。确定所有结构尺寸在坐标系中的相关 K, 53, L, -KY (52),
6、 KZ (52)关系, 并把相关联的若干结构尺寸用变量参数来 通过 K52 的坐标值表示 K53,当修改参数 L 或表示, 从而建立参数化的结构尺寸1。参数化变 W 的值时, K52 和 K53 的位置相应发生变化。用量的设计应确保能够定义模型结构的所有尺寸, 这种参数化思想建模主梁 2 板件之间的一段模型,还要考虑到不同型号门机的结构特征, 以使设计 如图 1 所示。的变量参数符合不同型号起重机的建模需求。现以 32 t 门机主梁结构的模型为例, 说明具体过程。首先分析模型的结构尺寸在坐标系中的相互关系, 从中抽象出能描述模型的特征参数,并在不影响精度的情况下, 对模型的局部细节适当简化。共
7、定义了以下 11 个参数化尺寸, 主梁中 2 个大筋板之间的间距 L; 主梁宽 W; 主梁高 H1; 主梁内小筋板宽 H2; 主梁内贯穿筋板的 图 1 主梁结构中 2 个大筋板横向长筋条 H3; 所有大筋板的个数 N_BAN; 之间的参数化模型主梁跨度 D; 支腿地板长度 FL; 支腿高 FH; 板厚度 THICK; 网格的边长 ELEM。模型的其他结 根据主梁模型中每 2 个大筋板之间结构的对构尺寸均转化为用这些参数表示, 例如, 主梁 ( )总长为 LN_BAN, 左支腿中点位置的 X 坐标 称性, 按照参数 N_ BAN 的值 大筋板个数( ) 复制图 1 的模型。在支腿建模时, 因参数
8、值的为 LN_ BAN /2-D/2。在运用 APDL 建模 变化可能导致关键点的个数不同, 支腿中关键时,使用这些参数变量名代替具体数值, 进行参 点的编号要避免与原有的重复, 导致模型发生数化建模。 错误。将编写好的所有 APDL 命令导入 ANSYS2 参数化模型的实现 命令流窗口, 便可自动建成参数化模型, 如图 2ANSYS 提供了 APDL 参数化设计语言 2 次开 所示。发功能2,利用 APDL 程序语言与宏技术组织管理ANSYS 命令,可以实现参数化建模、施加参数化载荷、求解以及后处理结果显示等有限元分析全过程。运用 APDL 实现参数化建模, 包括 3 部分,首先定义结构参数
9、并赋值, 然后根据定义的参 图 2 32tL 型门机主梁结构的参数化模型数计算确定所有结构尺寸, 最后建立有限元模型。 门机的型号多以跨度来定义, 本例 32 t 门机( 的跨度参数为 D =26000mm, 对于其他型号的建APDL 命令流的建模过程与 GUI 图型用户界面)方式有所不同, 命令流方式的参数化建模更 模, 可通过在APDL 中修改跨度参数 D 的数值来讲究顺序性。本文主梁模型采用壳单元 实现, 同时也可实现其他结构尺寸的变化, 例如 SHELL181, 取自底向上的方式构造有限元模型。 修改板单元的厚度, 网格尺寸的大小等。图 3 为在定义尺寸数值的地方用参数变量名代替, 或
10、使 跨度修改为 D =10000mm, SHELL181 四边形网用与其相关的其他尺寸编号, 以达到参数化的效 格尺寸大小定义为 ELEM =400, 并同时修改其他果。在定义建模的关键点时, 根据点在坐标系中 参数后自动建立的模型。的相联关系确定坐标值。例如, 在 APDL 中的关键 由于主梁内部板件较多, 结构较复杂, 实现点 52 和关键点 53 可以表示为 参数化建模的另一难点是如何使网格划分后的有K, 52, L, W/2-33H3, H2-H1 限元模型在板块之间的交接处能共用节点。本文 80 起重运输机械 2009 (4) 图 3 修改参数后的模型采用了对所有相连板件进行 GLU
11、E 布尔运算的解决方法, 以满足加载计算等的要求。利用 APDL 的循 图 4 主梁结构的应力云图和变形云图(a) 应力云图 (b)变形云图环语句选择不同位置的板块, 反复进行 GLUE 布尔运算, 以使主梁的所有板块连为一体, 满足有限 4 结束语元分析的要求。 对主梁的参数化建模和仿真分析实例表明,3 有限元仿真分析实例 本文提出的方法简单实用, 为不同型号门机的快以 32t 门机为例, 运用基于以上原理开发 速有限元分析及其推广应用提供了一种有效手段。的参数化建模程序模块, 快速建立有限元模型, 参 考 文 献进行主梁结构强度和变形的有限元分析。假设 1 博弈创作室1APDL 参数化有限
12、元分析技术及其应用实起重机仿真工况为无风环境下大车静止, 小车 例 1 北京:中国水利水电出版社, 2004满载位于主梁跨中, 起升吊重从静止以额定加 2 周宁 1APDL 高级工程应用实例与二次开发 1 北京:中速度加速到额定速度。运用ADAMS 环境下的门机 国水利水电出版社, 2007虚拟样机动态仿真, 获得此工况下作用于主梁的 作 者: 史 进载荷值,再通过 ANSYS 参数化建模模块施加载荷。 地 址: 华东理工大学机械电子工程专业ANSYS 分析获得的应力云图和变形云图如图 4 邮 编: 200237收稿日期: 2008-12-04所示。提升机全数字化控制自动化系统兖州矿业 (集团
13、) 公司杨村煤矿的副井提升机原配置交流异步电动机驱动的 TKD 系统,采用继电器有触点的逻辑控制,以磁放大器为核心组成模拟量可调闸闭环调节,靠切换串入交流电机转子的电阻来达到调速的目的,稳定性较差。为此,决定对其进行改造,并在中国矿业大学的支持下,研制出了提升机全数字化控制自动化系统。矿井提升机直流拖动与交流异步电动机拖动相比,调速性能好,不需附加其他拖动装置,容易实现自动化。此项改造的内容是去掉 TKD 电控系统、交流电动机和信号操车设备等,改为新型的直流调速自动化系统,主要包括开发 1 套由高压开关柜、整流变压器、电枢整流柜、司机控制台、PLC 柜、低压配电柜和上位监视机等组成的全数字自动
14、化副井提升电控系统,使用直流电动机,更换 1 套 PLC 控制信号操车设备。实践表明,由于硬件电路均采用大规模和超大规模集成电路,元器件少,结构简单,故障点少,可靠性高。硬件采用以总线联系的模块化结构,控制算法和系统控制利用软件完成具有可构置性,可以进行功能扩展,运行灵活。硬件工作状态可以通过软件来反映,软件运行情况也可以通过硬件来监视,软、硬件故障均可通过指示直接反映出来,维护方便。设有微处理器,整个控制功能与调速算法均由软件完成,控制精度高,稳定性好。全数字控制的直流拖动系统运行效率高,无功能耗低,可节约大量电能,减少维护费用。此系统能够产生“S”形曲线,减少了对系统的冲击,保护了系统运行的平滑性。此项成果容易实现数字通讯,并与其他系统联网,将系统中的运行参数和运行状态传递到网络上,实现现代化管理。 (李剑峰)起重运输机械 2009 (4) 81
