基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁CAE平臺(tái)的開發(fā)

張青雷, 徐忠毅, 陳 杰, 郭井寬

(1.上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院,上海200070;2.上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠有限公司,上海200433)

基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁CAE平臺(tái)的開發(fā)

張青雷1, 徐忠毅2, 陳 杰2, 郭井寬1

(1.上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院,上海200070;2.上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠有限公司,上海200433)

針對起重機(jī)通用型主梁的有限元仿真難度大、周期長的問題,以ANSYS軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā),建立面向起重機(jī)通用型主梁設(shè)計(jì)的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái),從而降低起重機(jī)主梁設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和校核的復(fù)雜性,使生產(chǎn)主梁的關(guān)鍵技術(shù)有限元快速仿真成為可能,為大型起重機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造提供技術(shù)支持。

主梁;計(jì)算機(jī)輔助工程;二次開發(fā);仿真平臺(tái)

Abstract：Simulating a general main girder is difficult and time consuming.A simulation platform for the main girder is designed based a secondary development of ANSYS.Computation complexity is reduced to make fast FEA modeling and simulation possible.The platform is also useful in the production of cranes.

Key words:main girder;computer aided enyineering(CAE);secondary development;simulation platform

橋式起重運(yùn)輸機(jī)械主要用于裝備制造、冶金、鋼鐵等大型加工企業(yè)、鐵路交通、港口碼頭及物資周轉(zhuǎn)等場所。作為關(guān)鍵的工藝裝備或重要的輔助設(shè)備,起重機(jī)在物質(zhì)生產(chǎn)和物資流通中發(fā)揮了非常重要、不可替代的作用[1]。對起重機(jī)的深入研究和開發(fā),必將對整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

長期以來,起重機(jī)的設(shè)計(jì)多采用以傳統(tǒng)數(shù)學(xué)和力學(xué)為基礎(chǔ)的半理論、半經(jīng)驗(yàn)等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)過程周期長、精度差、反復(fù)多[2]。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn),橋式起重機(jī)在設(shè)計(jì)與制造方面的問題更加突出。不斷提高橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)含量,減輕橋式起重機(jī)的重量已成為起重機(jī)械研究的主要方向;對占起重機(jī)質(zhì)量60%以上的主梁進(jìn)行研究,將對合理改進(jìn)結(jié)構(gòu),降低起重機(jī)成本,實(shí)現(xiàn)起重機(jī)設(shè)計(jì)的高質(zhì)量、高效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文主要結(jié)合上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠有限公司的生產(chǎn)實(shí)際,在已有研究成果和通用有限元分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,以ANSYS為平臺(tái),通過軟件集成和二次開發(fā),開發(fā)出了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適用于多用途起重機(jī)通用型主梁強(qiáng)度和疲勞校核分析系統(tǒng),為今后研制、開發(fā)起重機(jī)領(lǐng)域產(chǎn)品的分析軟件及其他專用有限元分析軟件提供了一條新的途徑和實(shí)用方法。

1 起重機(jī)通用型主梁

橋式起重機(jī)主要由主梁、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、端梁、起重小車等組成。主梁是移動(dòng)的箱型結(jié)構(gòu)。起重小車的自重和負(fù)荷通過軌道傳遞到主梁結(jié)構(gòu),主梁結(jié)構(gòu)又通過支撐主梁的運(yùn)行車輪將起重機(jī)的全部重量傳遞給起重機(jī)軌道和建筑結(jié)構(gòu)。主梁的質(zhì)量一般占起重機(jī)自重的50%以上,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包括端部彎板、上下蓋板、主副腹板、軌道、大筋板、小筋板及角鋼加強(qiáng)筋等,要求有足夠的強(qiáng)度,緊湊的外形尺寸,較好的垂直和水平剛性,方便的安裝維護(hù)、快捷的加工制造等[3-4]。由于主梁是箱形梁橋式起重機(jī)的主要承載構(gòu)件,其設(shè)計(jì)參數(shù)取值優(yōu)劣決定了整個(gè)起重機(jī)的設(shè)計(jì)成敗。因此,利用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù),搭建可以快速進(jìn)行主梁設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和校核的CAE平臺(tái),成為實(shí)現(xiàn)起重機(jī)主梁設(shè)計(jì)方案和制造工藝優(yōu)化的重要手段。

2 ANSYS軟件

有限元分析軟件ANSYS是世界上最著名的大型通用有限元計(jì)算軟件,包括熱、電、磁、流體和結(jié)構(gòu)等模塊,具有強(qiáng)大的求解器和前、后處理功能,內(nèi)置有百余種單元類型,為解決復(fù)雜、龐大的工程項(xiàng)目和高水平的科研項(xiàng)目攻關(guān)提供了一個(gè)良好的工作環(huán)境[5-6]。ANSYS為用戶提供了友好的二次開發(fā)技術(shù),其功能可以向深度和廣度進(jìn)一步擴(kuò)展,可通過軟件提供的二次開發(fā)語言與外部的腳本開發(fā)語言相結(jié)合,建立滿足用戶需求的專業(yè)化的軟件系統(tǒng);同時(shí),ANSYS還具有強(qiáng)大的后處理計(jì)算功能,可以滿足用戶復(fù)雜的工程應(yīng)用計(jì)算的需要[7-8]。

3 起重機(jī)通用型主梁CAE平臺(tái)

3.1 平臺(tái)開發(fā)的技術(shù)方法與結(jié)構(gòu)模塊

CAE平臺(tái)主要采用 TCL/TK腳本開發(fā)語言和ANSYS內(nèi)部開發(fā)語言,分析在多用途起重機(jī)通用型主梁仿真分析過程中所涉及的各類問題,如模型建立、材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、邊界條件引入、計(jì)算結(jié)果后處理等,再提取關(guān)鍵的仿真參數(shù),利用ANSYS高級分析技術(shù),建立主梁分析系統(tǒng)。起重機(jī)通用型主梁CAE平臺(tái)的技術(shù)流程如圖2所示。

圖1 起重機(jī)通用型主梁CAE平臺(tái)的技術(shù)流程Fig.1 Flow chart of the CAE platform for main girder

CAE仿真平臺(tái)主要由參數(shù)化建模模塊、參數(shù)化邊界設(shè)置模塊、參數(shù)化仿真分析與后處理模塊3部分組成。參數(shù)化建模模塊主要完成主梁的幾何模型和有限元模型的建立;邊界設(shè)置模塊主要針對主梁強(qiáng)度分析和疲勞校核的載荷特性形成邊界快速設(shè)置;而仿真分析與后處理模塊主要完成結(jié)果輸出和工程應(yīng)用的計(jì)算。

3.2 主梁參數(shù)化建模

總結(jié)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和變形分析中的共性技術(shù)問題及解決方案,以此為基礎(chǔ)便可建立適用于主梁仿真分析的虛擬仿真平臺(tái)。設(shè)計(jì)時(shí)以交互性與自動(dòng)性并重為原則,對原有主梁幾何模型和有限元模型進(jìn)行分析,建立完整的主梁參數(shù)化建模與劃分網(wǎng)格模塊,用于快速建立仿真分析的主梁模型。

主梁建模的基本流程如圖2所示。在CAE平臺(tái)系統(tǒng)下形成一個(gè)典型的通用型主梁參數(shù)化模型,用戶在此基礎(chǔ)上可方便地修改局部尺寸數(shù)據(jù),滿意后進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分和邊界負(fù)荷加載。

圖2 主梁建模的基本流程Fig.2 Flow chart of the main girde grider modeling

參數(shù)化建模模塊可在整體上控制主梁的結(jié)構(gòu),包括端部尺寸、總體尺寸和筋板尺寸等,從而形成主梁強(qiáng)度和疲勞校核數(shù)值模擬的模型,構(gòu)成了用戶操作的基礎(chǔ)。圖3為利用CAE平臺(tái)建模模塊建立的主梁仿真的幾何模型和有限元網(wǎng)格模型。

圖3 CAE平臺(tái)建立的主梁幾何模型和有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Geometric model and finite element model of main girder using the CAE platform

3.3 主梁分析參數(shù)化邊界設(shè)置

根據(jù)實(shí)際存在的問題,提取主梁運(yùn)行過程中影響主梁變形的主要因素,對已建立的主梁模型完成載荷設(shè)計(jì)。主梁分析參數(shù)化邊界設(shè)置模塊分為2個(gè)界面:一般載荷條件界面和疲勞載荷界面,可以實(shí)現(xiàn)單一工況的主梁變形、應(yīng)力、應(yīng)變的分析和多工況條件集成的分析與數(shù)據(jù)對比計(jì)算。完成的CAE平臺(tái)疲勞載荷條件邊界設(shè)置界面如圖4所示。

圖4 疲勞載荷條件設(shè)置界面Fig.4 User interface for fatigue loading

3.4 參數(shù)化分析與后處理

利用ANSYS的分析與后處理功能,對主梁進(jìn)行分析,以數(shù)據(jù)表格、圖片和動(dòng)畫的形式進(jìn)行結(jié)果輸出,并結(jié)合已有的主梁疲勞計(jì)算數(shù)學(xué)模型理論,利用ANSYS的矩陣運(yùn)算功能進(jìn)行分析求解,得到特定主梁工況條件下的強(qiáng)度和疲勞數(shù)據(jù),經(jīng)過多型號(hào)主梁的結(jié)果對比分析,為主梁設(shè)計(jì)提供快速、準(zhǔn)確的指導(dǎo)。圖5為CAE仿真平臺(tái)得出的主梁變形結(jié)果,圖6為仿真平臺(tái)計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)測結(jié)果的對比。

圖5 CAE仿真平臺(tái)分析變形結(jié)果Fig.5 Deformation of main girder obtained with the CAE platform

圖6 CAE仿真平臺(tái)計(jì)算和實(shí)測結(jié)果對比Fig.6 Comparison between the CAE platform result and actual measured data

4 結(jié) 語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,各種商用、通用的CAE軟件已應(yīng)用到起重機(jī)通用型主梁的設(shè)計(jì)與制造中,但使用情況并不理想。本文在CAE軟件上進(jìn)行二次開發(fā),建立面向多用途起重機(jī)通用型主梁設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵技術(shù)的CAE仿真平臺(tái),可以幫助設(shè)計(jì)和生產(chǎn)人員快速建立合理的有限元模型,得到正確可靠的分析結(jié)果,并應(yīng)用該平臺(tái)進(jìn)行主梁設(shè)計(jì)與制造工藝的建模與仿真,這將縮短主梁的生產(chǎn)周期,減少加工難度,降低成本,滿足當(dāng)今時(shí)代產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)制造的需要。

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Developing CAE Platform Using ANS YA for the Main Girder of Over-head Traveling Crane

Z HA N G Qinglei1, XU Zhongyi2, CH EN J ie2, GUO J ingkuan1
(1.Shanghai Electric Group Co.,Ltd.Central Academe,Shanghai 200070,China;2.Shanghai Crane&Convveyor Works Co.,Ltd,Shanghai 200433,China)

TB 115

A

2095-0020(2010)04-0240-04

2010-05-13

上海市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(08DZ1120400)

張青雷(1973-),男,高級工程師,博士,專業(yè)方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造,E-mail:qingleizhang@secca.cn