大型升降系統懸臂箱體受力特性分析與結構優化

蔣偉++劉曉貴++陳民

摘 要：升降系統是整個平臺的重要動力輸出機構，升降系統能否正常正確的運行直接關系到整個平臺的工作可靠性。該文針對升降系統中懸臂箱體在設計過程中存在的問題，建立該懸臂箱體的實體模型，采用有限元法分析壁厚為12mm的箱體在實際工況下的受力特性，并以此為依據完成箱體的結構優化，獲得壁厚是8mm的箱體應力、應變分布圖。本分析為該項目的設計提供了技術支持，并已經被生產實踐所采納。

關鍵詞：懸臂箱體 有限元法 受力特性 結構優化

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

隨著世界各國對能源的需求日益增加，海洋工程裝備，特別是鉆井平臺的市場需求前景非常廣闊，升降系統是海洋工程關鍵配套件之一，是整個平臺工作的重要動力輸出機構，升降系統能否正常正確的運行直接關系到整個平臺的工作可靠性。

ABAQUS是一款優秀的大型通用有限元分析軟件，能與多款CAD造型軟件實現數據的共享和交換，在一般工業和科學研究中，得到廣泛應用[1-4]。ABAQUS的建模能力不強，在建立復雜的三維實體模型時，需要耗費大量的時間和精力。SolidWorks作為當今的主流CAD/CAM軟件，在三維造型領域占有重要地位。該文利用SolidWorks強大的三維建模功能建立升降系統懸臂箱體的實體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數據接口把SolidWorks中的三維實體模型導入到ABAQUS中，再進行劃分網格、創建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析，此方法可以大大縮減建模所需的時間，提高分析和計算效率。

1 箱體有限元模型的建立

1.1 數學模型的建立

用有限元法求解彈性力學空間問題，先將所研究的彈性體分割為一系列的單元體，這些單元體可以是四面體、長方體、立方體、任意形狀的六面體等，然后進行單元分析，并據此列出單元的勢能泛函[5]：

取線性位移模式，即把單元中的位移分量取為坐標x，y，z的線性函數：

參數常應變三角形單元分析，可見式（2）中的常數，，代表剛性位移；，，代表常量正應變；其余6個系數則反映了剛體轉動，即：

和常量剪應變，即：

也就是說，12個系數充分反映了單元的剛體位移和常量應變。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析軟件ABAQUS的實體建模能力不夠強大，對于不規則結構的物體更是很難建模，但是ABAQUS支持多種軟件的數據傳遞和共享，這在一定程度上彌補了建模能力不強的弱點。

該文利用SolidWorks和ABAQUS相結合的方法研究某大型升降系統的懸臂箱體受力特性分析，運用SolidWorks建立升降系統懸臂箱體的實體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數據接口把三維實體模型導入到ABAQUS中，再進行劃分網格、創建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根據該平臺升降系統懸臂箱體的實際工況條件，設置正確合理的邊界條件和載荷施加后，即可進行有限元分析求解，獲得該平臺升降系統懸臂箱體的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有強大的后處理功能，能夠很好的完成升降系統懸臂箱體的分析求解。提交分析JOB后的數據計算結果可在后處理模塊Visualization中得到直觀的變化云圖。圖1和圖2分別是懸臂箱體壁厚為12 mm的應力和應變分布云圖。

由圖1可知，壁厚為12 mm的懸臂箱體應力最大值出現在靠近升降系統的箱體上表面，位于電機輸入端的箱體側板與軸承法蘭板的結合處。由于懸臂箱體的外側還要懸掛一個動力輸入電機，在升降系統工作過程中，電機的轉動帶動懸臂減速箱中的齒輪嚙合傳遞轉矩，通過懸臂減速箱的輸出軸把動力傳遞給升降系統，實現機構的上升和下降。在轉矩的傳遞過程中，懸臂箱體不僅承受軸承的壓力，同時受到電機輸入轉矩和自身重量的疊加作用。通過以上分析可以，壁厚為12 mm的懸臂箱體應力分布圖與理論分析相一致，應力最大值為51.69 MPa。

圖2是壁厚為12 mm的懸臂箱體應變分布圖，從圖中可以看出懸臂箱體在電機及自身重量的作用下，最大應變位置發生在電機輸入端處，和實際結果相符，應變最大值是0.0782 mm。

3 優化設計

由于該項目的懸臂箱體材料為Q235，壁厚為12 mm的最大應力值為51.69 MPa、最大應變值為0.0782 mm，最大應力值小于箱體材料的屈服強度，最大變形量小于設計允許的最大變形量。根據以上分析結果，為了優化設計，將懸臂箱體的壁厚由原來的12 mm減少到8 mm，重新創建模型，添加邊界條件和載荷，分析得到箱體壁厚為8 mm的應力、應變分布云圖如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，懸臂箱體的壁厚由12 mm減少為8 mm后，箱體的最大應力和應變位置沒有發生變化，但最大應力值從51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大應變值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，這是由于箱體的壁厚減少引起的應力、應變增大的結果。從以上的分析結果可以看出，懸臂箱體的壁厚減少了4 mm導致箱體的最大應力值和最大應變值都增大，但增大后的應力、應變值仍然在機構的允許變化范圍內，該分析結果已被項目采納。

4 結語

運用三維實體建模軟件SolidWorks建立某平臺升降系統懸臂箱體的實體模型，并通過轉換接口導入到有限元分析軟件ABAQUS中，通過設置合理的邊界條件和載荷類型，完成該升降系統懸臂箱體的有限元仿真分析，得到箱體的應力、應變分布云圖。由懸臂箱體分析可知，壁厚是12 mm的懸臂箱體最大應力和最大應變值都遠遠小于許用值，通過優化設計把壁厚改為8 mm。從有限元分析結果可知，壁厚為8 mm的升降系統懸臂箱體是可以滿足項目需要的，該優化方案已經被生產實踐所采納。

運用SolidWorks和ABAQUS軟件相結合的方法來進行計算機輔助設計和分析，可以省去制造物理樣機，避免傳統設計方法的局限性，大大縮短了新產品的設計周期，提高了工作效率，節約了大量的人力和物力。該文可以為類似產品的設計提供一種嶄新的設計方法，并具有一定的指導作用。

參考文獻

[1] Hidaka，Yoshioetal. Analysis of Dynamic Tooth Load on Planetary Gear [J]. Bulletin of the JSME，1980，23 （176）：315-323.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 柳忠良，陳剛.低速重載行星齒輪傳動嚙合特性分析[J].裝備制造技術，2012（8）：27-30.

[4] 鐘明，柳忠良.基于有限元的平臺升降系統接觸特性研究[J].中國水運，2012（12）：77-79.

[5] 畢繼紅，王輝.工程彈塑性力學[M].天津：天津大學出版社，2003.endprint

摘 要：升降系統是整個平臺的重要動力輸出機構，升降系統能否正常正確的運行直接關系到整個平臺的工作可靠性。該文針對升降系統中懸臂箱體在設計過程中存在的問題，建立該懸臂箱體的實體模型，采用有限元法分析壁厚為12mm的箱體在實際工況下的受力特性，并以此為依據完成箱體的結構優化，獲得壁厚是8mm的箱體應力、應變分布圖。本分析為該項目的設計提供了技術支持，并已經被生產實踐所采納。

關鍵詞：懸臂箱體 有限元法 受力特性 結構優化

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

隨著世界各國對能源的需求日益增加，海洋工程裝備，特別是鉆井平臺的市場需求前景非常廣闊，升降系統是海洋工程關鍵配套件之一，是整個平臺工作的重要動力輸出機構，升降系統能否正常正確的運行直接關系到整個平臺的工作可靠性。

ABAQUS是一款優秀的大型通用有限元分析軟件，能與多款CAD造型軟件實現數據的共享和交換，在一般工業和科學研究中，得到廣泛應用[1-4]。ABAQUS的建模能力不強，在建立復雜的三維實體模型時，需要耗費大量的時間和精力。SolidWorks作為當今的主流CAD/CAM軟件，在三維造型領域占有重要地位。該文利用SolidWorks強大的三維建模功能建立升降系統懸臂箱體的實體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數據接口把SolidWorks中的三維實體模型導入到ABAQUS中，再進行劃分網格、創建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析，此方法可以大大縮減建模所需的時間，提高分析和計算效率。

1 箱體有限元模型的建立

1.1 數學模型的建立

用有限元法求解彈性力學空間問題，先將所研究的彈性體分割為一系列的單元體，這些單元體可以是四面體、長方體、立方體、任意形狀的六面體等，然后進行單元分析，并據此列出單元的勢能泛函[5]：

取線性位移模式，即把單元中的位移分量取為坐標x，y，z的線性函數：

參數常應變三角形單元分析，可見式（2）中的常數，，代表剛性位移；，，代表常量正應變；其余6個系數則反映了剛體轉動，即：

和常量剪應變，即：

也就是說，12個系數充分反映了單元的剛體位移和常量應變。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析軟件ABAQUS的實體建模能力不夠強大，對于不規則結構的物體更是很難建模，但是ABAQUS支持多種軟件的數據傳遞和共享，這在一定程度上彌補了建模能力不強的弱點。

該文利用SolidWorks和ABAQUS相結合的方法研究某大型升降系統的懸臂箱體受力特性分析，運用SolidWorks建立升降系統懸臂箱體的實體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數據接口把三維實體模型導入到ABAQUS中，再進行劃分網格、創建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根據該平臺升降系統懸臂箱體的實際工況條件，設置正確合理的邊界條件和載荷施加后，即可進行有限元分析求解，獲得該平臺升降系統懸臂箱體的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有強大的后處理功能，能夠很好的完成升降系統懸臂箱體的分析求解。提交分析JOB后的數據計算結果可在后處理模塊Visualization中得到直觀的變化云圖。圖1和圖2分別是懸臂箱體壁厚為12 mm的應力和應變分布云圖。

由圖1可知，壁厚為12 mm的懸臂箱體應力最大值出現在靠近升降系統的箱體上表面，位于電機輸入端的箱體側板與軸承法蘭板的結合處。由于懸臂箱體的外側還要懸掛一個動力輸入電機，在升降系統工作過程中，電機的轉動帶動懸臂減速箱中的齒輪嚙合傳遞轉矩，通過懸臂減速箱的輸出軸把動力傳遞給升降系統，實現機構的上升和下降。在轉矩的傳遞過程中，懸臂箱體不僅承受軸承的壓力，同時受到電機輸入轉矩和自身重量的疊加作用。通過以上分析可以，壁厚為12 mm的懸臂箱體應力分布圖與理論分析相一致，應力最大值為51.69 MPa。

圖2是壁厚為12 mm的懸臂箱體應變分布圖，從圖中可以看出懸臂箱體在電機及自身重量的作用下，最大應變位置發生在電機輸入端處，和實際結果相符，應變最大值是0.0782 mm。

3 優化設計

由于該項目的懸臂箱體材料為Q235，壁厚為12 mm的最大應力值為51.69 MPa、最大應變值為0.0782 mm，最大應力值小于箱體材料的屈服強度，最大變形量小于設計允許的最大變形量。根據以上分析結果，為了優化設計，將懸臂箱體的壁厚由原來的12 mm減少到8 mm，重新創建模型，添加邊界條件和載荷，分析得到箱體壁厚為8 mm的應力、應變分布云圖如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，懸臂箱體的壁厚由12 mm減少為8 mm后，箱體的最大應力和應變位置沒有發生變化，但最大應力值從51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大應變值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，這是由于箱體的壁厚減少引起的應力、應變增大的結果。從以上的分析結果可以看出，懸臂箱體的壁厚減少了4 mm導致箱體的最大應力值和最大應變值都增大，但增大后的應力、應變值仍然在機構的允許變化范圍內，該分析結果已被項目采納。

4 結語

運用三維實體建模軟件SolidWorks建立某平臺升降系統懸臂箱體的實體模型，并通過轉換接口導入到有限元分析軟件ABAQUS中，通過設置合理的邊界條件和載荷類型，完成該升降系統懸臂箱體的有限元仿真分析，得到箱體的應力、應變分布云圖。由懸臂箱體分析可知，壁厚是12 mm的懸臂箱體最大應力和最大應變值都遠遠小于許用值，通過優化設計把壁厚改為8 mm。從有限元分析結果可知，壁厚為8 mm的升降系統懸臂箱體是可以滿足項目需要的，該優化方案已經被生產實踐所采納。

運用SolidWorks和ABAQUS軟件相結合的方法來進行計算機輔助設計和分析，可以省去制造物理樣機，避免傳統設計方法的局限性，大大縮短了新產品的設計周期，提高了工作效率，節約了大量的人力和物力。該文可以為類似產品的設計提供一種嶄新的設計方法，并具有一定的指導作用。

參考文獻

[1] Hidaka，Yoshioetal. Analysis of Dynamic Tooth Load on Planetary Gear [J]. Bulletin of the JSME，1980，23 （176）：315-323.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 柳忠良，陳剛.低速重載行星齒輪傳動嚙合特性分析[J].裝備制造技術，2012（8）：27-30.

[4] 鐘明，柳忠良.基于有限元的平臺升降系統接觸特性研究[J].中國水運，2012（12）：77-79.

[5] 畢繼紅，王輝.工程彈塑性力學[M].天津：天津大學出版社，2003.endprint

摘 要：升降系統是整個平臺的重要動力輸出機構，升降系統能否正常正確的運行直接關系到整個平臺的工作可靠性。該文針對升降系統中懸臂箱體在設計過程中存在的問題，建立該懸臂箱體的實體模型，采用有限元法分析壁厚為12mm的箱體在實際工況下的受力特性，并以此為依據完成箱體的結構優化，獲得壁厚是8mm的箱體應力、應變分布圖。本分析為該項目的設計提供了技術支持，并已經被生產實踐所采納。

關鍵詞：懸臂箱體 有限元法 受力特性 結構優化

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

隨著世界各國對能源的需求日益增加，海洋工程裝備，特別是鉆井平臺的市場需求前景非常廣闊，升降系統是海洋工程關鍵配套件之一，是整個平臺工作的重要動力輸出機構，升降系統能否正常正確的運行直接關系到整個平臺的工作可靠性。

ABAQUS是一款優秀的大型通用有限元分析軟件，能與多款CAD造型軟件實現數據的共享和交換，在一般工業和科學研究中，得到廣泛應用[1-4]。ABAQUS的建模能力不強，在建立復雜的三維實體模型時，需要耗費大量的時間和精力。SolidWorks作為當今的主流CAD/CAM軟件，在三維造型領域占有重要地位。該文利用SolidWorks強大的三維建模功能建立升降系統懸臂箱體的實體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數據接口把SolidWorks中的三維實體模型導入到ABAQUS中，再進行劃分網格、創建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析，此方法可以大大縮減建模所需的時間，提高分析和計算效率。

1 箱體有限元模型的建立

1.1 數學模型的建立

用有限元法求解彈性力學空間問題，先將所研究的彈性體分割為一系列的單元體，這些單元體可以是四面體、長方體、立方體、任意形狀的六面體等，然后進行單元分析，并據此列出單元的勢能泛函[5]：

取線性位移模式，即把單元中的位移分量取為坐標x，y，z的線性函數：

參數常應變三角形單元分析，可見式（2）中的常數，，代表剛性位移；，，代表常量正應變；其余6個系數則反映了剛體轉動，即：

和常量剪應變，即：

也就是說，12個系數充分反映了單元的剛體位移和常量應變。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析軟件ABAQUS的實體建模能力不夠強大，對于不規則結構的物體更是很難建模，但是ABAQUS支持多種軟件的數據傳遞和共享，這在一定程度上彌補了建模能力不強的弱點。

該文利用SolidWorks和ABAQUS相結合的方法研究某大型升降系統的懸臂箱體受力特性分析，運用SolidWorks建立升降系統懸臂箱體的實體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數據接口把三維實體模型導入到ABAQUS中，再進行劃分網格、創建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根據該平臺升降系統懸臂箱體的實際工況條件，設置正確合理的邊界條件和載荷施加后，即可進行有限元分析求解，獲得該平臺升降系統懸臂箱體的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有強大的后處理功能，能夠很好的完成升降系統懸臂箱體的分析求解。提交分析JOB后的數據計算結果可在后處理模塊Visualization中得到直觀的變化云圖。圖1和圖2分別是懸臂箱體壁厚為12 mm的應力和應變分布云圖。

由圖1可知，壁厚為12 mm的懸臂箱體應力最大值出現在靠近升降系統的箱體上表面，位于電機輸入端的箱體側板與軸承法蘭板的結合處。由于懸臂箱體的外側還要懸掛一個動力輸入電機，在升降系統工作過程中，電機的轉動帶動懸臂減速箱中的齒輪嚙合傳遞轉矩，通過懸臂減速箱的輸出軸把動力傳遞給升降系統，實現機構的上升和下降。在轉矩的傳遞過程中，懸臂箱體不僅承受軸承的壓力，同時受到電機輸入轉矩和自身重量的疊加作用。通過以上分析可以，壁厚為12 mm的懸臂箱體應力分布圖與理論分析相一致，應力最大值為51.69 MPa。

圖2是壁厚為12 mm的懸臂箱體應變分布圖，從圖中可以看出懸臂箱體在電機及自身重量的作用下，最大應變位置發生在電機輸入端處，和實際結果相符，應變最大值是0.0782 mm。

3 優化設計

由于該項目的懸臂箱體材料為Q235，壁厚為12 mm的最大應力值為51.69 MPa、最大應變值為0.0782 mm，最大應力值小于箱體材料的屈服強度，最大變形量小于設計允許的最大變形量。根據以上分析結果，為了優化設計，將懸臂箱體的壁厚由原來的12 mm減少到8 mm，重新創建模型，添加邊界條件和載荷，分析得到箱體壁厚為8 mm的應力、應變分布云圖如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，懸臂箱體的壁厚由12 mm減少為8 mm后，箱體的最大應力和應變位置沒有發生變化，但最大應力值從51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大應變值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，這是由于箱體的壁厚減少引起的應力、應變增大的結果。從以上的分析結果可以看出，懸臂箱體的壁厚減少了4 mm導致箱體的最大應力值和最大應變值都增大，但增大后的應力、應變值仍然在機構的允許變化范圍內，該分析結果已被項目采納。

4 結語

運用三維實體建模軟件SolidWorks建立某平臺升降系統懸臂箱體的實體模型，并通過轉換接口導入到有限元分析軟件ABAQUS中，通過設置合理的邊界條件和載荷類型，完成該升降系統懸臂箱體的有限元仿真分析，得到箱體的應力、應變分布云圖。由懸臂箱體分析可知，壁厚是12 mm的懸臂箱體最大應力和最大應變值都遠遠小于許用值，通過優化設計把壁厚改為8 mm。從有限元分析結果可知，壁厚為8 mm的升降系統懸臂箱體是可以滿足項目需要的，該優化方案已經被生產實踐所采納。

運用SolidWorks和ABAQUS軟件相結合的方法來進行計算機輔助設計和分析，可以省去制造物理樣機，避免傳統設計方法的局限性，大大縮短了新產品的設計周期，提高了工作效率，節約了大量的人力和物力。該文可以為類似產品的設計提供一種嶄新的設計方法，并具有一定的指導作用。

參考文獻

[1] Hidaka，Yoshioetal. Analysis of Dynamic Tooth Load on Planetary Gear [J]. Bulletin of the JSME，1980，23 （176）：315-323.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 柳忠良，陳剛.低速重載行星齒輪傳動嚙合特性分析[J].裝備制造技術，2012（8）：27-30.

[4] 鐘明，柳忠良.基于有限元的平臺升降系統接觸特性研究[J].中國水運，2012（12）：77-79.

[5] 畢繼紅，王輝.工程彈塑性力學[M].天津：天津大學出版社，2003.endprint