基于ANSYS的船用伸縮折臂式起重機整機結構的有限元模塊化建模研究

李利斌 徐金帥

(大連理工大學運載工程與力學學部 遼寧 大連 116000)

基于ANSYS的船用伸縮折臂式起重機整機結構的有限元模塊化建模研究

李利斌 徐金帥

(大連理工大學運載工程與力學學部 遼寧 大連 116000)

本文以6 t-10m伸縮折臂式起重機為例，提出了一種基于ANSYS、通過APDL編程實現整機結構有限元模塊化建模的方法，將各工況建模參數化，提高了這種起重機的有限元分析效率，縮短了研發周期。

ANSYS；APDL；伸縮折臂式起重機；船用起重機；有限元；模塊化建模；參數化

一、引言

隨著航運業的發展，船用起重機的需求越來越大，并逐漸向大型化、專業化的方向發展。其中，伸縮折臂式起重機以其工作幅度大、占用空間小等優點，能夠非常好地滿足船舶對起重設備的要求，在各類船舶尤其是中小型船舶上的應用越來越廣泛。

伸縮折臂式起重機的運動部件較多，起重工況也較多，因此有限元建模及分析都比較復雜，往往每分析一個工況，就要重新建立一次模型，分析人員不但工作繁重，效率也較低。

本文以ANSYS 14.5為平臺，以6 t-10m船用伸縮折臂式起重機為例，通過APDL編程，實現了整機結構的有限元模塊化建模，將各工況建模參數化，大大提高了分析效率，縮短了產品的開發時間。

二、船用伸縮折臂式起重機的結構組成

船用伸縮折臂式起重機的工作狀態及結構組成如圖1所示。

1—立柱；2—回轉支承；3—塔身；4—變幅臂；5—底節臂；6、7—伸縮臂；8—伸縮油缸；10—變幅油缸；11—折臂油缸；12—起升卷揚

圖1 起重機工作狀態及結構組成

三、船用伸縮折臂式起重機整機結構有限元模型的建立

(一)整機結構的模塊化

根據起重機各部件間的連接關系，可以將其劃分成不同的模塊，用solid45單元建立有限元模型，并對其密度進行調整，保證其質量與實際質量相等。三個油缸均用link180模擬。

各模塊分別是由立柱、回轉支承、塔身組成的下車模塊，變幅臂模塊，由底節臂和卷揚支架組成的底節臂模塊，以及各節伸縮臂模塊，其有限元模型見圖2—圖5所示。

圖2 立柱—塔身模塊

圖3 變幅臂模塊

圖4 底節臂模塊

圖5 伸縮臂模塊

各個模塊建立有限元模型后均導出其節點文件(NLIST)和單元文件(ELIST)，再對這兩個文件進行處理(可利用EXCEL、MATLAB或C語言等軟件進行編程處理)，生成一定格式的APDL命令流文件，其文件格式如下：

其中nmax為在組裝各模塊時，為了與其它模塊的節點號區分開來而設立的一個標號，可以在前一模塊裝配完畢后，在主程序中用以下APDL命令得到：

*get,nmax1,node,,num,max!取得當前最大節點標號

(二)各模塊的組合

1.確定工況參數

實際作業中，變幅臂的變幅角度α、基本臂的折臂角度β和伸縮臂的伸縮長度L1、L2共同決定了起重機的作業半徑，所以可以將這四個參數作為起重機的工況參數，如圖6所示。

圖6 工況參數

2.各模塊有限元模型的連接方法

各個模塊間的連接方式有兩種，即鉸接和滑塊連接。

鉸接分兩種：單向鉸接和關節鉸接。單向鉸接約束除繞軸向轉動外的五個自由度，關節鉸接約束三個平移自由度。

滑塊連接約束除沿臂長方向平移以外的五個自由度。

下面詳述在ANSYS里如何模擬鉸接和滑塊連接。

為了簡化模型，提高運算速度，也為了便于APDL編程，這里不采用接觸的連接方法，而是采用了剛性區域和剛性約束的方法。這樣做忽略了接觸面周圍小區域內受力分析的準確性，對這些區域需要用解析法或有限元法進行單獨分析，此處不再詳述。具體做法如下。

對于鉸接，需要引入mass21單元和beam188單元。mass21單元只用來傳力，其實常數中的各個值均定義為0。在鉸接的雙耳板的每個耳板的中心分別建立節點1和節點2，在這兩個節點中心再建立一個節點3。在這三個節點上均建立mass21單元，將節點1和節點2分別與其鉸孔周圍的節點建立剛性區域。然后用這三個節點建立beam188單元。同樣，在單耳板的中心建立一個節點4，在節點4上建立mass21單元，將節點4與其鉸孔周圍的節點建立剛性區域。節點3和節點4重合，將其建立剛性約束，僅放開繞軸轉動的自由度。如圖7所示。

油缸兩端的鉸接屬于關節鉸接，可不建立節點4，只需用link180連接兩端的耳板中間節點即可。

對于滑塊連接，需要引入mass21單元和單向受壓的link180單元。在滑塊連接的兩個面的中心分別建立節點1和節點2，在這兩個節點上均建立mass21單元，并將這兩個節點分別與其周圍滑塊范圍內的節點建立剛性區域，再用link180連接這兩個節點。如圖8所示。

圖7 鉸接圖

圖8 滑塊連接

3.組裝各模塊

用APDL語言編寫主程序組裝各模塊，具體步聚如下。

(1)定義單元類型(solid45，mass21，link180，beam188)、材料屬性、實常數、梁截面大小。

(2)依次用/input命令導入立柱—塔身模塊、變幅臂模塊、底節臂模塊、伸縮臂模塊等命令流文件，根據工況參數確定各模塊的位置，并根據其位置和模塊局部坐標系與總坐標系的角度關系確定工作坐標系的位置和方向，在工作坐標中導入模塊。

(3)用APDL編程連接各模塊。

(4)施加約束和載荷。約束的位置固定在立柱的根部。根據相關的規范確定各載荷的大小，根據工況參數計算出各載荷施加的位置，用APDL命令流編程實現。

這樣，只要改變主程序中相應的工況參數α、β、L1、L2和吊重G，在ANSYS中運行主程序，就可以得到起重機不同工況下的整機結構的有限元模型。

(三)6t-10m伸縮折臂式起重機算例

根據本文的方法，將6t-10m伸縮折臂式起重機各部件建立有限元模塊的命令流文件，并用APDL語言編寫主程序，通過改變工況參數和載荷參數，得到不同工況下整機結構的有限元模型。如圖9—圖12所示。

圖9 10m工作幅度狀態

圖10 15m工作幅度狀態

圖11 6t-10m工況計算結果

圖12 3t-15m工況計算結果

四、結論

本文基于ansys對船用伸縮折臂式起重機整機結構的有限元模塊化建模方法進行了研究，該方法易于用APDL編程實現各模塊的組裝和連接，實現了基于作業工況的整機結構的有限元參數化建模。通過6t-10m伸縮折臂式起重機整機結構的有限元仿真，證實了該方法的可行性。這種模塊化建模方法可大大縮短起重機有限元仿真的建模時間，從而縮短了設計周期，節約了研發經費。

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