剪叉式液壓升降機構(gòu)有限元及實驗應力分析

1、剪叉式液壓升降機構(gòu)有限元及實驗應力分析 中國民航大學 碩士學位論文 剪叉式液壓升降機構(gòu)有限元及實驗應力分析 姓名：姜梅惠 申請學位級別：碩士 專業(yè)：機械電子工程 指導教師：解本銘 20070301 摘 要 本文以中國民航大學自行研制的平臺車為研究對象，在考慮接觸非線性的 情況下，應用大型有限元分析軟件ANSYS對剪叉機構(gòu)在靜載工況下的受力、 應力分布等力學特性進行了二維、三維有限元分析，確定剪叉臂的應力和應變 的薄弱點，并在此基礎上對其進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的有限元優(yōu)化設計，為剪叉機構(gòu)的 設計提供計算依據(jù)。 為了對剪叉機構(gòu)關鍵受力處數(shù)值計算結(jié)果進行驗證，對剪叉機構(gòu)進行了靜 態(tài)應力電測測試，并與ANSYS

2、有限元計算結(jié)果進行比較。通過對應變片檢測實 驗獲得的各測量點的應力數(shù)據(jù)整理分析，驗證了ANSYS計算所確定的最大應力 點及最大應力值與實驗結(jié)果較好地吻合，確定了剪叉機構(gòu)最大應力點發(fā)生的區(qū) 域，為結(jié)構(gòu)設計和使用提供參考。 研制液壓剪叉式升降平臺車一方面可以提高維護人員的故障分析能力，另 一方面可以培訓維護人員的標準排故操作，提高其維修能力，并填補國內(nèi)空白， 研制意義重大。 關鍵詞：剪叉機構(gòu)有限元實驗應力分析接觸非線性優(yōu)化設計 Iv Abstract Thearticletakesthe loaderwhich is civilaviation cylinder produced by ofchi

3、nafor university research twoandthree-dimensional objectFirst,makes ofthescissorsmechanismS analyfis mechanicscharacteristicsuch嬲itSstatusunder static forceandstress on of thecondition aboutcontact distributing thinking nonlinearofthestructure finiteelement byusing large?scale analysis itsstressandw

4、eak oncean soRware-ANSYS；Determined spots emergency occurs，thenmakesstrueturefiniteelement oftheinstaticload optimizationdesign onthebasisof aboutcontactnonlinearofthestructureit thatcan thinking provides therationalefor ofscissorsmechanism design To the resultofthe areaofthescissors provecomputed k

5、ey mechanism，the staticstressmeas四entistestedandthe resultis withANSYSfinite compared element thestressdataofscissorsarnl$which calculationByanalyzing many on andimum pointsit，the stressareobtainedAlso measuring dangerouspoints the anSWerANSYSwiththe theory by resultisexamined，andthe tallying experi

6、ment critical stress most onscissors point greatly mechanismisdeterminedThe analysis resultsare referencesforstructureand designapplication Theresearchonthis scissors loaderCan the hydrauliccylinder improveanalysis ofthe maintenancetheother Cantrainthemaintenancecrew ability man，on hand，it with stan

7、dardtrouble the shooting nationalblankand manipulationItflls叩the researchiS verysignificant words：scissors stress Key mechanism；finiteelement；experimentalanalysis；contact； nonlinear stress；optimizationdesign V 中國民航大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)

8、表或 撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國民航大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表 示了謝意。 研究生簽名： 善枸惠 日期：翌煎弘Z陰 中國民航大學學位論文使用授權(quán)聲明 中國民航大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學位論文 的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以 公布 包括刊登 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布 包括刊登 授權(quán)中國民航大學研 究生部辦理。 研究生簽名，二隨導

9、師簽名： III 中國民航人學顧I學位論文 第一章 緒論 11課題的來源、研究目的及意義 平臺車是用來向航空器上裝卸標準航空集裝箱板的自行式車輛，是航空貨 物運輸裝卸作業(yè)不可缺少的工具，是一種專為航空器提供地面服務的機場配套 特種設備。平臺車可以通過改變平臺的高度，來實現(xiàn)平臺與飛機艙門的對接， 這樣做的好處是可以實現(xiàn)貨物的直接水平傳送，使飛機上貨物的裝卸變得比較 方便。 平臺車按整體機構(gòu)分為單平臺，前、后雙平臺。按裝卸重量分，目Iji有68 噸、136噸、27噸、30噸等規(guī)格。它是一種機電液一體化的特種設備。 目前所使用的各種類型的平臺車，主要是依靠液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)平臺的升降 以及貨物的水平傳送

10、。當通過平臺車向飛機裝貨物時，首先把平臺車降到最低 點，把貨物從集裝箱平板車上裝到主平臺上。當貨物未在正確位置時，主平車 通過發(fā)動機驅(qū)動液壓馬達，通過控制不同位置的液壓馬達旋轉(zhuǎn)來完成貨物在主 平臺上轉(zhuǎn)動，以便實現(xiàn)貨物的正確定位，再通過液壓馬達帶動鏈條驅(qū)動主平臺 上的滾輪 鋼滾輪或橡膠滾輪 ，以便實現(xiàn)輸送貨物到橋平臺上。然后由發(fā)動機 驅(qū)動液壓泵液壓馬達，通過剪叉式支撐臂進行升降前平臺 橋平臺 及后平臺 主平臺 ，它是由一個或多個液壓缸來完成平臺的升降的。最后通過橋平臺將 貨物輸送至飛機貨艙。反之，當從飛機上卸貨時，首先將貨物由飛機貨艙輸送 到平臺車的橋平臺，然后再輸送至后平臺上，然后通過液壓缸控

11、制剪叉臂降下 平臺后，將貨物傳送到集裝箱平板車上。 剪叉式起升機構(gòu)作為升降平臺鋼結(jié)構(gòu)的關鍵組成部分，也是關鍵的受力部 件，其力學特性會對平臺性能產(chǎn)生直接影響。不管剪叉式升降平臺型式多復雜， 起升工作臂總是升降平臺鋼結(jié)構(gòu)的主體，也是關鍵的受力件，其安全性能對J下 中國民航人學碩I：學位論文 常作業(yè)具有重大的影響作用。民航行業(yè)所使用的液壓平臺車舉升負荷大，對設 備的可靠性要求高，對此關鍵性部件應當尤為關注。 本文以中國民航大學地面特種設備研究基地白行研制的液壓剪叉式升降機 構(gòu) 全文中一律簡稱剪叉機構(gòu) 為研究對象，通過對模型簡化分析并運用ANSYS 軟件對剪叉機構(gòu)進行靜力分析，通過應變片檢測法對剪叉

12、機構(gòu)進行應力檢測， 驗證理論分析的正確性，從而確定剪叉臂的應力和應變的薄弱點，為剪叉機構(gòu) 的優(yōu)化設計提供科學的依據(jù)，其分析方法和結(jié)論可作為設計這類機械的參考。 12國內(nèi)外發(fā)展情況及課題背景 目前，氣、液動剪叉式升降平臺在民航、交通運輸、冶金、汽車制造、集 裝箱、模具制造、木材加工、化工灌裝等各類工業(yè)企業(yè)及生產(chǎn)流水線等行業(yè)逐 漸得到廣泛應用，諸如固定式液壓升降平臺，固定式液壓升降貨梯，剪叉式高 空作業(yè)平臺，固定式液壓升降貨梯，高空作業(yè)平臺，民航特種車輛的航空食品 車、升降平臺車、殘疾人登機車。其采用的剪叉式機械結(jié)構(gòu)，具有整體性強， 穩(wěn)定性好，堅實耐用，承載量大，升降平穩(wěn)，安裝維護簡單方便，生產(chǎn)安

13、全性 好等特點，使升降臺起升后有較高的穩(wěn)定性，寬大的作業(yè)平臺和較高的承載能 力，使高空作業(yè)范圍更大，并適合多人同時作業(yè)，效率更高，更安全。因此， 剪叉機構(gòu)在各種升降平臺中得到了廣泛的應用。 近幾年來，隨著民航事業(yè)的飛速發(fā)展，對機場地面保障設備從數(shù)量到質(zhì)量 的要求都提出了更高的要求。以前我國航空貨運升降平臺車全部依靠進口，隨 著航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，升降平臺車需求量迅速增長。目前只有少數(shù)幾個發(fā) 達國家能生產(chǎn)升降平臺車，該車輛屬于專用車輛，生產(chǎn)批量小，價格高。直到 1995年，中國機械科學研究院才開始研制sJT68航空升降平臺車。中國是一 個民航大國，目|j 每年仍要從國外進口許多輛航空貨運平臺車

14、，因此研制出具 有中國自己特色的新型平臺車完全替代進口具有顯著的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。 與此同時，經(jīng)過近年來的不斷努力，國產(chǎn)剪叉升降平臺的質(zhì)量有了較大提 高。許多制造廠也已逐步扭轉(zhuǎn)了一直以來只注重剪叉機構(gòu)的破斷強度，而對剪 叉機構(gòu)的疲勞強度重視不夠的做法，開始下功夫提高剪叉機構(gòu)在循環(huán)疲勞應力 下的強度。因此，在目前國產(chǎn)剪叉升降平臺可靠性不斷提高的情況下，必須研 制出相應的具有高破斷強度、高疲勞壽命的剪叉升降平臺。要保證剪叉機構(gòu)的 破斷強度并使之不斷提高，則要在加工工藝和材料的選擇方面以及從設計角度 來保證剪叉機構(gòu)的質(zhì)量，以使之具有最佳的工作狀態(tài)，這已經(jīng)在實際工作中成 為各廠家共同關注的焦點。提高

15、使用壽命和持久工作能力已是實際生產(chǎn)中必須 解決的問題，也是完善整個剪叉升降平臺機械系統(tǒng)的關鍵，這也確定了本課題 對剪叉機構(gòu)進行研究分析的必要性。 2 中團民航人學碩l：學位論立 13剪叉機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 剪叉機構(gòu)是升降平臺設備中不可缺少的部件之一，根據(jù)它的使用和承載要 求，它應具有高破斷強度、高疲勞壽命、耐磨損、抗腐蝕、拆裝方便以及工藝 簡單等特點。因此，剪叉機構(gòu)的強度以及各項幾何尺寸必須合理化，才能使整 個升降平臺具有整體可靠性，這也給剪叉機構(gòu)的設計帶來了較大的困難。 目前，國內(nèi)外的各種剪叉升降平臺基本結(jié)構(gòu)形式有單叉和高空作業(yè)多叉形 式。 14剪叉機構(gòu)失效的原因 1 剪叉機構(gòu)的承載特點和破壞情

16、況 剪叉機構(gòu)的承載特點主要取決于所服務的設備。在液壓升降平臺、固定式 液壓升降貨梯、剪叉式高空作業(yè)平臺、固定式液壓升降貨梯、高空作業(yè)平臺、 民航特種車輛航空食品車、殘疾人登機車等設備中，它都作為起升構(gòu)件。承受 載荷的主要形式是隨機疲勞載荷，并伴有間或發(fā)生的突發(fā)載荷。剪叉機構(gòu)承載 后，結(jié)構(gòu)上應力的分布比較復雜，其破壞情況也隨結(jié)構(gòu)形式的不同而不同，但 就其承載特點來說，主要破壞情況有兩種： a、突然超載時的強制破壞。這種情況在正常工作狀態(tài)下一般不會出現(xiàn)， 只有當剪叉升降平臺受到突然沖擊時，剪叉臂可能因受突然過載而破壞。 b、在隨機脈動壓力載荷作用下引起的疲勞破壞。剪叉機構(gòu)在遠低于破斷 壓力載荷下?lián)p

17、壞，是目lj 剪叉機構(gòu)破壞的主要情況。剪叉機構(gòu)多是由于在疲勞 載荷作用下，某些應力敏感部位萌生裂紋并逐漸擴展，最后導致脆性斷裂。并 且疲勞載荷的作用使剪叉機構(gòu)在使用過程中還不斷受到摩擦、擦傷，這些也會 促使裂紋的初期萌生和加速裂紋的擴展。因而導致剪叉機構(gòu)的最后破壞，實際 上是多種因素相互作用的結(jié)果。 2 剪叉機構(gòu)在使用中的磨損 結(jié)合剪叉式液壓升降平臺在民航等領域應用的具體實際，對使用過的剪叉 機構(gòu)進行觀察，其磨損部位主要在以下三個部位： a、剪叉臂銷孔部位。這是使用中磨損較嚴重的部位，主要由于銷與剪叉 臂之自J的接觸、擠壓、相對轉(zhuǎn)動所造成的磨損，剪叉機構(gòu)的使用時間越長磨損 越嚴重。 b、剪叉臂

18、兩端與底座和上平臺聯(lián)接處，由于接觸和相對轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的。 剪叉機構(gòu)承載后，在剪叉臂上下邊緣中部和中間銷孔周圍部位具有較大的 應力值，除焊縫處外，大多數(shù)剪叉機構(gòu)均在此兩處發(fā)生破壞。相比之下這兩處 是剪叉機構(gòu)更為薄弱部位。所以磨損、承載程度對該兩處的強度將產(chǎn)生很大影 響。 因此，國內(nèi)為提高剪叉機構(gòu)的使用壽命，在對剪叉機構(gòu)進行了一系列研究 中周民航人學碩七學位論文 的基礎上開始采用并對新類型展開了更加深入的研究。近幾年國內(nèi)各個廠家以 及研究所，各大院校都很關注剪叉機構(gòu)的研究，并且有些廠家也和研究所或?qū)W 校聯(lián)合，對現(xiàn)今采用的多種剪叉機構(gòu)進行分析改進，旨在找到一種使用壽命長、 強度高、韌性好的材料和結(jié)構(gòu)設

19、計方案。 結(jié)構(gòu)設計相當關鍵，選擇高強度的材料對提高剪叉機構(gòu)的靜載強度和動態(tài) 疲勞強度尤為重要，而成熟和合理的制造工藝又是實現(xiàn)設計意圖的必要保證。 因此，對現(xiàn)有剪叉機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計分析有著重要的意義。改進剪叉機構(gòu)的結(jié)構(gòu) 設計，首先要在有限的聯(lián)接部位充分利用材料的強度，使剪叉機構(gòu)受力合理。 剪叉機構(gòu)承載后的應力分布比較復雜，要在理論上分析各部分的應力是困難的， 但可用ANSYS有限元分析方法進行分析。全面分析剪叉機構(gòu)的應力分布，對 設計合理的結(jié)構(gòu)形式十分重要；其次，局部結(jié)構(gòu)設計的合理與否對剪叉機構(gòu)的 壽命也同樣有很大影響。設計局部結(jié)構(gòu)時，對應力集中問題應予以充分重視。 15本文主要工作 本文以我校自

20、行研制的平臺車為計算對象，運用ANSYS分析軟件對剪叉機構(gòu) 進行靜力分析，通過靜力學實驗應變片檢測法對剪叉機構(gòu)進行應力檢測， 通過對剪叉式升降機構(gòu)的靜力學分析，從而確定剪叉臂的應力和應變的薄弱點， 利用ANSYS優(yōu)化設計模塊對剪叉機構(gòu)進行優(yōu)化設計。本文將所完成的工作分 如下幾章： 第一章，簡要分析我國民航地面特種設備的剪叉式液壓升降平臺車的發(fā)展 所面臨的挑戰(zhàn)，回顧了剪叉升降平臺在我國的發(fā)展歷史，介紹了剪叉升降平臺 車有關問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 第二章，簡要介紹了問題研究中所涉及到的理論及應用到的有限元軟件。 為后面幾章的有限元分析奠定基礎。 第三章，建立剪叉機構(gòu)的有限元模型，針對剪叉機構(gòu)的工作

21、原理，抽象出 問題的力學模型，進而建立有限元模型，用有限元方法對剪叉機構(gòu)的強度進行 分析。 第四章，利用ANSYS優(yōu)化設計模塊對剪叉機構(gòu)進行優(yōu)化設計，并對優(yōu)化 結(jié)果進行分析。 第五章，實驗應力分析，通過對剪叉機構(gòu)進行實驗，并對實驗結(jié)果進行分 析，從實驗的角度來驗證理論研究的正確合理性。 第六章，全文工作總結(jié)和展望。 4 中固民航人學碩f：學位論文 第二章剪叉機構(gòu)有限元法基礎及ANSYS軟件介紹 21有限元法的基本思想及步驟 有限元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。 它是50年代首先在連續(xù)體力學領域飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應用的 一種有效的數(shù)值分析方法，隨后又廣泛地應用

22、于求解熱傳導、電磁場、流體力 學等連續(xù)性的問題。有限元分析方法是計算機輔助工程 cAE 系統(tǒng)中的一個 重要組成部分。有限元法的基本思想是，將連續(xù)結(jié)構(gòu)分割成數(shù)目有限的小單元 體 稱為單元 ，這些小單元體彼此間只是在數(shù)目有限的指定點 稱為節(jié)點 上 互相連結(jié)，用這些小單元體組成的集合體代替原來的連續(xù)結(jié)構(gòu)。每個小單元體 的力學特性都與原結(jié)構(gòu)對應于該小單元處的力學特性相同，再把每個小單元體 上實際作用的外載荷按虛功等效原理分配到單元的節(jié)點上，構(gòu)成等效節(jié)點力， 并按結(jié)構(gòu)實際約束情況決定受約束節(jié)點的約束。這一過程稱為結(jié)構(gòu)離散化。其 次，對每個小單元根據(jù)分塊近似的思想，選擇一個簡單的函數(shù)來近似地表示其 位移分

23、量的分布規(guī)律，并按照彈性力學中的變分原理 虛功原理 建立起單元 節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系 單元剛度方程 ，最后把全部單元的節(jié)點力與節(jié) 點位移之間的關系組集起來，就得到了一組以結(jié)構(gòu)節(jié)點位移為未知量的代數(shù)方 程組，并考慮結(jié)構(gòu)約束情況，消去節(jié)點位移為零的方程，再由最后的代數(shù)方程 組就可求得結(jié)構(gòu)上有限個離散節(jié)點的各位移分量。求得結(jié)構(gòu)上各節(jié)點的位移分 量之后，即可按單元的幾何方程和物理方程求得各單元的應變和應力分量【4瑚J。 在實際的工程應用中，設計的結(jié)果要付諸實施必須首先經(jīng)過一系列的工程分析， 以驗證其是否滿足各種設計要求。有限元分析方法的出發(fā)點是用大量形狀簡單 的單元組合來近似描述整體結(jié)構(gòu)，將整體

24、結(jié)構(gòu)離散化，利用節(jié)點變量對單元內(nèi) 部變量進行插值來實現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)的分析i13】。因此，成功應用有限元分析方法 取決于是否將實際工程問題抽象出正確的力學模型，是否將力學模型工F確劃分 有限元集合。 實際工程問題抽象和正確力學模型，即對實際問題的邊界條件、約束條件 和外載荷進行簡化，當然這種簡化應盡可能的反映實際情況，不至于使簡化后 的模型與實際差別過大，同時計算也不過分復雜。模型簡化過程中必須判斷實 際結(jié)構(gòu)的問題類型 二維、三維、平面應力還是平面應交問題 ，判斷結(jié)構(gòu)是否 對稱，外載荷大小、位置，結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和材料參數(shù) 彈性模量E、泊松比 u等 ，單元劃分的粗細與模型的需要是否相符等。有限元的實

25、質(zhì)就是把具有無 限個自由度的連續(xù)體，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題簡化 為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。有限元法的基本步驟可歸納為： 1連續(xù)體離散化，為此選擇某組單元，這些單元在節(jié)點處相連接； 2計算單元的質(zhì)量、剛度矩陣和載荷列陣； 中困民航人學石貞l：學位論文 3列出連續(xù)體的總體質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和載荷列陣； 4施加邊界條件； 5求解結(jié)果方程組。 22ANSYS軟件介紹 剪叉機構(gòu)的運行過程不是熱一結(jié)構(gòu)耦合場的問題，因此不涉及到動能和熱 能之間的轉(zhuǎn)換問題。但由于剪叉機構(gòu)是由三個零件組成的，在剪叉臂與銷軸之 間存在接觸，接觸是一種很普遍的非線性行為，它是狀態(tài)非線性類型中一個特 殊而重

26、要的子集，是一種高度非線性行為。傳統(tǒng)的分析方式很難達到研究目的， 而ANSYS軟件中可以利用ContactWizard建立接觸對，實現(xiàn)對這種狀態(tài)非線 性的處理。這就滿足了我們對剪叉機構(gòu)的求解要求，因此本文選擇ANSYS軟 件進行分析。 ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是 在機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負載所出現(xiàn)的反應，例如應力、位移、溫度等，根據(jù) 該反應可知道機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負載后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設計要 求。它是融結(jié)構(gòu)，熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元軟件，由世 界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)。它具有與PROE， 現(xiàn)數(shù)據(jù)

27、共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD工具之一。它已廣泛應用于 機械制造、汽車交通、軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學、水利、石油化工、 輕工、造船、能源、航空航天等等眾多工業(yè)領域及科學研究當中。 盡管ANSYS程序功能強大，應用范圍很廣，但其良好的圖形用戶界面 GUD 及優(yōu)秀的程序構(gòu)架使其易學易用。該程序使用了基于Motif標準的GuI可方便 地訪問ANSYS的多種控制功能和選項。通過GUI還可以方便地交互訪問程序 的各種功能、命令、用戶手冊和參考資料。同時該軟件提供了完整的在線說明 和狀態(tài)途徑的超文本幫助系統(tǒng)，以協(xié)助有經(jīng)驗的用戶進行高級應用。 此外，它有統(tǒng)一和集中的數(shù)據(jù)庫，保證了系統(tǒng)各模塊之

28、間的可靠和靈活的 集成，其DDA模塊實現(xiàn)了它與多個CAD軟件產(chǎn)品的有效連接。ANSYS軟件可 在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行，在PC機、NT工作站、UNIX大型機和巨 型機的所有硬件平臺上，ANSYS數(shù)據(jù)文件均可兼容。該軟件提供了不斷改進的 功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、 設計優(yōu)化、接觸分析、自適應網(wǎng)格劃分及利用ANSYS參數(shù)設計語言擴展宏命 令功能121，從ANSYS61版本后又增加了疲勞壽命的計算。本文所使用的版本 為ANSYS NT及Windows XP,也可運用于UNIX系統(tǒng)下。 ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分柝計算模塊和后處理模

29、6 中國民航大學碩+學位論文 塊。I；i處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地 構(gòu)造較簡單的有限元模型：分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)線性分析、結(jié)構(gòu)非 線性分析和結(jié)構(gòu)高度非線性分析 、熱分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲 場分析、電壓分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用， 具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力：后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、 梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖 形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS軟件 提供了100種以上單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 A

30、NSYS在所應用到的領域都能達到很高的可信度，頗獲各界好評。多年以 來，ANSYS軟件不斷吸取新的計算方法和計算技術，隨著交互方式的加入，簡 化了模型的生成和結(jié)果的評價。特別是其強大的后處理功能，大大簡化了設計 人員在有限元分析完成后的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，減小了應力分析設計時間， 縮短了設計周期。 221ANSYS軟件的結(jié)構(gòu) 1、處理器 ANSYS按功能模塊分為9個處理器，這些處理器分別執(zhí)行不同的任務。只 要按步驟進行操作，就很容易建立自己的分析任務，獲得求解。有兩種方法進 入處理器，圖形用戶交互方式和命令方式。 2、文件格式 當建立一個分析任務時，ANSYS自動創(chuàng)建大量文件，這些文件以任務名

31、為 文件名，通過對任務名后添加字符或使用不同的擴展名來識別不同類型的文件。 在所有文件中，數(shù)據(jù)庫文件是最重要的文件。ANSYS以確定的結(jié)構(gòu)，把所有輸 入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)存儲在一個數(shù)據(jù)庫中 擴展名為DB ，通過對數(shù)據(jù)庫的讀取完 成不同處理器之間的相互通信。 3、輸入方式 ANSYS提供了多種輸入方式，方便用戶完成分析任務：菜單方式、函數(shù)方 式和命令方式，或者這些方式的組合。 菜單方式是用鼠標在菜單 通用菜單或主菜單 上進行選取，通常會彈出各 種對話框，以完成各項操作。 命令方式是從命令行中輸八命令及命令域的值。對一些常用且熟悉的命令， 用該方式更為快捷。 函數(shù)方式也是從命令行中輸入，只需要輸入命令

32、，而命令域的值將通過彈 出菜單輸入，這樣可以簡化操作。 222ANSYS的基本使用方法 有限元分析是對物理現(xiàn)象 幾何及載荷工況 的模擬，是真實情況的數(shù)值 近似。通過對分析對象劃分網(wǎng)格，求解有限個數(shù)值來逼近和模擬真實環(huán)境的無 7 中困民航人學顧l：學位論文 限個未知量。 ANSYS分析過程包含三個主要的步驟： 1、創(chuàng)建有限元模型 1 創(chuàng)建或讀入有限元模型 2 定義材料屬性 3 劃分網(wǎng)格 2、施加載荷并求解 1 施加載荷及載荷選項、設定約束條件 2 求解 3、查看結(jié)果 1 查看分析結(jié)果 2 檢查結(jié)果是否正確 23本章小結(jié) 本章對現(xiàn)代設計方法中有限元方法及其軟件在工程中的應用進行了簡單的 介紹，總結(jié)

33、了有限元法基本思想以及用有限元ANSYS軟件進行問題分析的基 本步驟。 8 中國民航大學碩f|學位論文 第三章基于ANSYS的剪叉機構(gòu)有限元分析 31引言 有限元模型是以數(shù)學的方式表達結(jié)構(gòu)的幾何形狀，把實體模型劃分為節(jié)點 和單元，在幾何邊界上施加載荷及邊界條件，來模擬實際工程問題。因此在創(chuàng) 建剪叉機構(gòu)的有限元模型之前，必須先建立其力學模型，合理的模擬約束，確 定邊界條件及載荷。所以難點還在于從剪叉機構(gòu)靜力作用下，抽象出力學模型， 建立合理的、便于劃分網(wǎng)格的實體模型，從而完成有限元模型的建立。 32力學模型 剪叉機構(gòu)的實驗模型如圖3-1所示，主要由兩個結(jié)構(gòu)完全相同的剪叉臂和 一個中間圓柱銷三部分

34、組成。剪叉機構(gòu)的承載特點主要取決于它的服務場合， 作為起升構(gòu)件，承受載荷的主要形式是隨機疲勞載荷，并伴有間或發(fā)生的突發(fā) 載荷。對剪叉機構(gòu)來說，在實際運行過程中，剪叉機構(gòu)主要是承受向下的壓力 載荷。承載以后應力在結(jié)構(gòu)上的分布往往比較復雜，由于所作的研究還屬摸索 階段，因此此次研究中我們主要考慮其在靜載荷下的承載方式。 圖3-1剪叉機構(gòu)的實驗模型圖 33實體模型 331建模方法 在實體建模方面，ANSYS與一般的CAD軟件一樣，利用點、線、面、體 積組合而成。不同的是為了便于有限元計算，劃分網(wǎng)格前的實體模型要根據(jù)載荷 的特點和邊界條件，適當?shù)暮雎砸恍┬〉膱A角、圓孔、凸臺和凹槽等結(jié)構(gòu)。在模 型的建立

35、過程中用到以下方法： Method 1、由下往上法 Bottomup 9 中國民航人學頊十學位論文 由建立最低單元的點到最高單元的體，即建立點，再由點連成線，然后由線 組合成面，最后由面組合建立體。 Method 及布爾運算命令一起使用此方法直接建 2、由上往下法 Top-down 立較高單元對象，其所對應的較低單元對象一起產(chǎn)生，對象單元高低順序依次為 體、面、線及點。所謂布爾運算為對象相互加、減、組合等。 3、混合法 在實際的工程中需要根據(jù)具體的情況來建立幾何模型，根據(jù)實際幾何模型的 幾何特點，結(jié)合前兩種方法綜合運用，但應考慮到要獲得什么樣的有限元模型， 即在網(wǎng)格化分時，要產(chǎn)生自由網(wǎng)格劃分或

36、對應網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分時，實體 模型的建立比較簡單，只要所有的面或體能接合成一個體就可以，對應網(wǎng)格劃分 時，平面結(jié)構(gòu)一定要由四邊形或三邊形面相接而成，立體結(jié)構(gòu)一定要由六面體相 接而成。 332剪叉機構(gòu)模型的建立 剪叉機構(gòu)實際的構(gòu)件外形比較復雜，分析時對構(gòu)件進行了簡化。根據(jù)剪叉機 構(gòu)的形狀和受力特點，取結(jié)構(gòu)的一半為計算模型，在模擬過程中刪除不參與本體 力傳遞的部件和與分析計算無關的枝節(jié)結(jié)構(gòu)。選擇一個剪叉臂和銷的截面建立帶 實孔的薄板這樣一個簡化幾何模型見圖 32 。 圖3-2 ANSYS簡化模型 采用混合的方法，根據(jù)給定的剪叉機構(gòu)的幾何尺寸直接建立了剪叉臂和銷的 實體模型以此對剪叉機構(gòu)進行有

37、限元分析。 又本文分別研究了： 1、將剪叉臂 實心截面 與銷簡化成固接結(jié)構(gòu)和鉸接結(jié)構(gòu)時的應力分布情況， 其鉸接結(jié)構(gòu)采用了接觸單元，并分析了不同摩擦系數(shù)對接觸分析中應力大小分布 的影響。定義剪叉臂與銷為固接結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為：起升臂總長L 2100mm，寬 0 中困民航大學碩十學位論文 2、剪叉臂 實心截面 與銷為鉸接結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為：起升臂總長工 銷直徑為d 296mm 截面如圖33 。 3、將剪叉臂 空心矩形截面 與銷簡化成鉸接結(jié)構(gòu)時的應力分布，以便與 下一步實驗應力分析的結(jié)果進行對比，進一步分析剪叉機構(gòu)的應力分布情況， 確定薄弱點。定義平臺車剪叉機構(gòu)的幾何尺寸為：起升臂總長L 2100mm，

38、寬 銷直徑為d 296mm 截面如圖3-4 。 圖3-3實心截面剪叉臂幾何尺寸圖 圖3-4空心矩形截面剪叉臂幾何尺寸圖 34實常數(shù)、材料特性參數(shù)的設定及單元的選取、模型的網(wǎng)格劃分 341實常數(shù)、材料特性參數(shù)的設定 本文只作靜態(tài)分析，即研究剪叉機構(gòu)在考慮接觸非線性的基礎上承受向下 壓力的受力情況，因此應用ANSYS靜力分析中的結(jié)構(gòu)分析模塊，所需要定義的 觸分析摩擦系數(shù)MU f 01，02，03，04。并根據(jù)剪叉機構(gòu)的實際受力情況對模型 施加約束。 342單元的選取、模型的網(wǎng)格劃分 342 1單元的選取 在進行網(wǎng)格劃分之前必須定義單元類型和設置。ANSYS單元庫有180多種 單元類型可供選擇，每種

39、單元類型由名稱和代號組成，具有特定的單元性能， 這些單元類型按結(jié)構(gòu)可分為梁單元、殼單元、平面單元和三維實體單元等。其 中許多單元具有好幾種可選擇特性來勝任不同的功能 342 2模型的網(wǎng)格劃分 劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，需 要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對計算精度和計算規(guī)模將產(chǎn)生直接的影晌。 因此在剪叉機構(gòu)網(wǎng)格劃分的過程中應考慮一些基本原則。 中國民航大學碩l：學位論文 l、網(wǎng)格劃分中基本原則 1 網(wǎng)格數(shù)量 網(wǎng)格的數(shù)量多少將影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng) 格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng) 格數(shù)量時應權(quán)衡兩

40、個因素綜合考慮。 圖3-5位移精度和計算時間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化 圖35中曲線1表示結(jié)構(gòu)中的位移隨網(wǎng)格數(shù)量收斂的一般曲線，曲線2 代表計算時問隨網(wǎng)格數(shù)量的變化9,191?？梢钥闯?，網(wǎng)格較少時增加網(wǎng)格數(shù)量可 以使計算精度明顯提高，而計算時間不會有大的增加。當網(wǎng)格數(shù)量增加到一定 程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時精度提高甚微，而計算時間卻有大幅度增加。所以 應注意增加網(wǎng)格的經(jīng)濟性 2 網(wǎng)格疏密 網(wǎng)格的疏密是指在結(jié)構(gòu)不同的部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應計 算數(shù)據(jù)的分布特點。在計算數(shù)據(jù)梯度變化較大的區(qū)域 如應力集中處 ，為了 較好的反映應力變化的規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計算數(shù)據(jù)變化梯 度小的部位，為

41、減小模型規(guī)模，則應劃分相對稀疏的網(wǎng)格。采用疏密不同的網(wǎng) 格劃分，即可以保持相當計算精度，又可使網(wǎng)格數(shù)目減少。因此網(wǎng)格數(shù)目應增 加到結(jié)構(gòu)的關鍵部位，在次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟的。 3 網(wǎng)格質(zhì)量 網(wǎng)格的質(zhì)量是指網(wǎng)格形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影響到計算精度。質(zhì)量太 差的網(wǎng)格甚至會終止計算。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個內(nèi)角相差不能太大、網(wǎng) 格面不過分扭曲。網(wǎng)格的質(zhì)量可以用細長比、錐度比等指標衡量。在重點研究 結(jié)構(gòu)的關鍵部位，應保證高質(zhì)量的網(wǎng)格。 4 單元階次 許多單元都具有線性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱 為高階單元。高階單元的曲線能夠更好地通近結(jié)構(gòu)曲線和曲面邊界，且高次插

42、值能夠更好地逼近復雜函數(shù)，因此選用高階單元可以提高計算精度。但是其計 12 中國民航人學碩士學位論文 算規(guī)模也要人很多。當適當增加網(wǎng)格數(shù)量可以提高到規(guī)定的計算精度時，原則 上不提倡使用高階單元。本次研究采用二維四節(jié)點等參單元計算出的結(jié)構(gòu)己經(jīng) 滿足精度要求。 5 網(wǎng)格分界面和分界點 結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點應分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點，以便定義材料特 性、物理特性、載荷和位移約束條件。即應使網(wǎng)格形式滿足邊界條件特點，而 不應讓邊界條件適應網(wǎng)格。常見的特殊界面和特殊點有材料分界面、幾何尺寸 突變面、分布載荷分界線、集中載荷作用點和位移約束作用點等。 6 位移協(xié)調(diào)性 物體變形后必須仍保持其整體性和連續(xù)性

43、，這樣才能使單元上的力和力矩 通過節(jié)點傳遞給相鄰的單元。為保證位移協(xié)調(diào)，一個單元的節(jié)點必須同時也是 相鄰單元的節(jié)點，而不是內(nèi)點或邊界點。相鄰單元的共有節(jié)點具有相同的自由 度性質(zhì)。否則，單元之間須用多點約束等式或約束單元進行處理。 7 網(wǎng)格布局 當結(jié)構(gòu)形狀對稱時，其網(wǎng)格也應劃分對稱的網(wǎng)格，以使模型表現(xiàn)出相應的 對稱性。不對稱布局會引起一定誤差。 2、網(wǎng)格劃分的步驟 網(wǎng)格劃分是生成單元和節(jié)點的過程，在有限元的求解計算中，所有施加在 有限元邊界上的載荷或約束，最終都是傳遞到有限元模型上 節(jié)點和單元 進 行求解的Il”。 網(wǎng)格劃分的步驟如下： 第一步是建立單元數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括單元的種類 TYPE ，單元的幾何 常數(shù) R ，單元的材料性質(zhì)