ANSYS Workbench在舞臺機械工程中的應(yīng)用

尹海鵬 胡海龍 趙健

[摘要]從靜力學(xué)理論分析入手，針對ANSYSWorkbench在舞臺機械應(yīng)用中常見的問題，提出建議并給出適用于舞臺機械的校核方法。

[關(guān)鍵詞]靜力學(xué)理論;ANSYS Workbench;舞臺機械;校核方法

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.05.009

1引言

舞臺機械是兼有起重機械和建筑鋼結(jié)構(gòu)雙重特點的特種裝備。不同于起重設(shè)備的是，舞臺機械主要用于載人運動;而不同于建筑靜態(tài)鋼結(jié)構(gòu)的是，舞臺機械設(shè)備自身參與平移、旋轉(zhuǎn)、升降等運動。所以，舞臺機械的安全性能倍受關(guān)注。ANSYS等有限元分析工具常被用來校核結(jié)構(gòu)強度、剛度等力學(xué)性能，受分析人員和行業(yè)特點的限制，有限元分析結(jié)果合理性也受到質(zhì)疑，從而不能有效指導(dǎo)工程實踐。目前，行業(yè)內(nèi)對舞臺機械結(jié)構(gòu)校核標(biāo)準(zhǔn)也無明確規(guī)定，設(shè)計人員只能通過設(shè)備適用場合主觀評估安全系數(shù)。筆者基于工程經(jīng)驗，給出校核方法，供業(yè)內(nèi)探討。

2靜力學(xué)分析判定準(zhǔn)則

2.1強度判定準(zhǔn)則

ANSYS Workbench的等效應(yīng)力求解器較全面地考慮各個主應(yīng)力對結(jié)構(gòu)強度的影響，形狀改變比能密度理論認(rèn)為：在理想外載荷（F）下，結(jié)構(gòu)引起的形狀變化（x）的比能達(dá)到材料的承受極限時，發(fā)生塑性破壞，即：

3分析結(jié)果評估

3.1誤差來源

引言講到舞臺機械是兼有起重機械和建筑鋼結(jié)構(gòu)的雙重特點的特種裝備，結(jié)構(gòu)大、質(zhì)量大、載人運動是其最明顯的特點之一。為了使有限元分析結(jié)果盡可能地為工程應(yīng)用提供設(shè)計指導(dǎo)，且考慮到舞臺機械的結(jié)構(gòu)特點，分析用到的數(shù)學(xué)模型通常只能按工程圖1：1建模。根據(jù)“墨菲法則”，模型越復(fù)雜則越得不到可靠的結(jié)果，評估舞臺機械這類復(fù)雜模型的有限元分析結(jié)果是否正確，能不能用于指導(dǎo)工程實踐，一個專業(yè)經(jīng)驗豐富的cAE工程師便顯得尤為重要。

有限元計算中誤差來源是多樣的，對分析結(jié)果影響最大誤差有兩類。

（1）建模誤差

建模雖然1：1“復(fù)原”工程圖，但實際建模過程中，經(jīng)驗豐富的CAET.程師會省去對整體結(jié)構(gòu)影響不大圓角和型材之間的焊縫，而這些結(jié)構(gòu)能有效弱化應(yīng)力集中效應(yīng)。

（2）CAET.程師引入的誤差

一個合格的CAET.程應(yīng)具備一定的工程經(jīng)驗、扎實的理論功底和熟練的軟件操作技能。唯如此，才能使約束、載荷設(shè)置應(yīng)盡量模擬工程實際，模型前期處理應(yīng)盡量與分析模型匹配。其余誤差源，如軟件自帶缺陷、離散化誤差、舍入誤差等不能靠分析師人為降低，不在討論范圍。

3.2應(yīng)力集中和應(yīng)力奇異

原則上隨著網(wǎng)格單元越小，模型的分析精度越高，應(yīng)力解越趨收斂，但在實際應(yīng)用中好多數(shù)學(xué)模型會出現(xiàn)網(wǎng)格單元越小，應(yīng)力越大的情況，即產(chǎn)生應(yīng)力奇異性。造成應(yīng)力奇異的原因很多，人為原因有結(jié)構(gòu)設(shè)計不連續(xù)、點/線載荷和約束、過約束。究其根本，是這類情況阻礙了材料的泊松比效應(yīng)。應(yīng)力集中不同于應(yīng)力奇異，存在于特殊結(jié)構(gòu)中，只能通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計來降低。

應(yīng)力奇異處必然存在應(yīng)力集中，前期設(shè)置不與計算模型匹配時，求解的應(yīng)力最大值有可能“湮沒”真實解。處理應(yīng)力奇異和應(yīng)力集中的過程十分復(fù)雜，需要CAES工程師的創(chuàng)造力和經(jīng)驗積累，且需具體模型具體分析，沒有四海皆準(zhǔn)的辦法。有限元分析本身是計算成本與分析需求之間的權(quán)衡，最行之有效的辦法是CAE工程師的主觀評估，如當(dāng)某些局部應(yīng)力過大，但在合理范圍內(nèi)且又不是重點關(guān)心區(qū)域時，可直接忽略。

需要指出的是，在有限元強度和剛度分析過程中，總變形（Utotal）是無條件收斂的，只有導(dǎo)出量等效應(yīng)力（σmax）可能存在不收斂的情況。

4算例

4.1建模及前處理

某主升降臺架體的上層臺面主梁用120×80×5的矩形管，輔梁用80×60×4的矩形管;下層臺面主梁用120×80×5的矩形管，輔梁用60×60×3的矩形管;靠近支撐的立筋120×80×5的矩形管，其他立筋60×60×3的矩形管;靠近支腿部分斜拉筋80×60×4的矩形管、其他斜拉筋60×40×3的矩形管?？紤]計算機運行速度，建模時省略型材圓角及焊接處的焊縫。所用型材全部定義為Q235，相關(guān)參數(shù)如表3。

4.2載荷及約束

（1）-Y方向添加重力加速度，模擬模型的自重;

（2）架體上表面P1=28927Pa加載，換算如下：

以上參數(shù)帶入（11）式可得。

（3）臺面下表面4個局部區(qū)域，施加Y方向的位移約束，限制Y方向位移為O，其他兩個方向自由，模擬柔性升降柱與升降臺架體的作用。

4.3分析結(jié)果

添加ANSYS Workbench總變形和等效應(yīng)力求解器求解，放大1.5e+002倍，如圖1、圖2所示。

由應(yīng)力云圖知，最大應(yīng)力為

5結(jié)語

目前，舞臺機械行業(yè)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)計算的軟件很多，ANSYS相對來說更加實用。由于諸多原因影響，舞臺機械結(jié)構(gòu)安全不能有效保證。筆者基于工程經(jīng)驗提出舞臺機械強度、剛度校核準(zhǔn)則，供同行參考、討論。另外，本文給出的表1、表2結(jié)論對參考文獻(xiàn)[2]中應(yīng)用的校核準(zhǔn)則予以補充。