基于參數(shù)化的動(dòng)臂式塔機(jī)有限元分析系統(tǒng)的研發(fā)_圖文

1、第 3期 (總第 154期 2009年 6月 機(jī) 械 工 程 與 自 動(dòng) 化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o. 3Jun.文章編號(hào) :1672-6413(2009 03-0017-03基于參數(shù)化的動(dòng)臂式塔機(jī)有限元分析系統(tǒng)的研發(fā)朱斌 1, 亓秀梅 1, 高崇仁 2(1. 太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 , 山西太原 030024; 2. 太原 科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 , 山西太原 030024 摘 要 :針對(duì)動(dòng)臂式塔機(jī)在有限元分析過程中建模工作量大的問題 , 將參數(shù)化思想引入有限 元分析過程中 , 采用 有 限元參數(shù)化

2、分析文本自動(dòng)生成技術(shù) , 以通用 編程語言為基礎(chǔ)編制程序 , 根據(jù)輸入?yún)?shù)自 動(dòng)生成有限元建模分 析 所需的數(shù)據(jù)文件 , 進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模與分析 , 并以計(jì)算分析實(shí)例說明方法的可行性。 關(guān) 鍵詞 :參 數(shù)化 ; 動(dòng) 臂式塔機(jī) ; 有限元分析系統(tǒng) 中 圖分類號(hào) :T H213. 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A收稿日期 :2008-10-21; 修回日期 :2009-02-14, 0引言已有的動(dòng)臂式塔機(jī)有限元的研究對(duì)象都是針對(duì)某 種具體型號(hào)塔機(jī)或者塔機(jī)的某個(gè)部件 , 而且從模型的 處理上存在著較大的差別。本文在對(duì)動(dòng)臂式塔機(jī)有限 元 模型論 證的基礎(chǔ) 上 , 開發(fā)了 基于 Visual Basic 和 SAP5接口

3、的高效率動(dòng)臂式塔機(jī)有限元分析系統(tǒng) , 工 程技術(shù)人員只需具有一定的塔機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) , 就可使用 該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)臂式塔機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)與有限元分析 , 從 而能夠減少動(dòng)臂式塔機(jī)研究與設(shè)計(jì)的工作量 , 提高設(shè) 計(jì)效率。1參數(shù)化動(dòng)臂式塔機(jī)有限元分析系統(tǒng)程序的實(shí)現(xiàn) 1. 1系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)考慮到動(dòng)臂式塔機(jī)結(jié)構(gòu)和受力復(fù)雜 , 結(jié)構(gòu)、 載荷、 材料參數(shù)類型和數(shù)量較多 , 這里采用 Visual Basic 對(duì) SAP5結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行封裝 , 即用 Visual Basic 對(duì) SAP5結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行二次開發(fā) , 用戶只需輸入動(dòng) 臂式塔機(jī)起重臂、塔身、平衡等機(jī)構(gòu)的尺寸、材料性 能和載荷參數(shù) , 系統(tǒng)就能自動(dòng)生

4、成建模和分析所需要 的數(shù)據(jù)文件 , 然后調(diào)用有限元計(jì)算程序 , 求解并輸出 結(jié)果數(shù)據(jù)文件。 結(jié)果數(shù)據(jù)文件可在后處理程序中處理 , 便于用戶查看動(dòng)臂式塔機(jī)有限元計(jì)算的內(nèi)力、應(yīng)力及 變形等計(jì)算結(jié)果 , 并得出應(yīng)力、應(yīng)變圖。即使未認(rèn)真 學(xué)習(xí)過有限元軟件的工程設(shè)計(jì)人員也能很好地借助本 系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)臂式塔機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析 , 具有較強(qiáng)的 處理實(shí)際問題的能力。 1. 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)以方便、 易用、 可靠為原則。 根據(jù) 塔式 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 設(shè)計(jì)參數(shù)化程序 , 確定計(jì)算工況 , 選取相應(yīng)參數(shù) (包括選取弦桿、 拉桿和綴條的橫截面 , 建 立材料的基本特性和節(jié)點(diǎn) , 并用相應(yīng)單元 (包括選材料、 橫截

5、面和單元形式 將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來 , 自動(dòng)生成動(dòng) 臂式塔機(jī)的有限元模型。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見圖 1。 2系統(tǒng)模塊開發(fā) 2. 1前處理部分 2. 1. 1參數(shù)化建模本 文采用 GUI (Graphics U ser's Interface, 用 戶 圖 形 界 面 技 術(shù) 及 OOP (Object Oriented Pro gram ming , 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì) 技術(shù)進(jìn)行軟件系 統(tǒng)的開發(fā) , 對(duì)塔身、平衡臂及臂架的結(jié)構(gòu)尺寸和相關(guān) 信息進(jìn)行參數(shù)化 , 并以豐富的圖形元素幫助用戶理解 各類參數(shù)的含義 , 用戶只需根據(jù)實(shí)際情況在圖形界面 上進(jìn)行簡(jiǎn)單的選擇和參數(shù)輸入 , 即可完成建模工作。在

6、圖 2塔機(jī)基本參數(shù)設(shè)定對(duì)話框中 , 可以確定塔 機(jī)基本構(gòu)件的質(zhì)量及幾何位置等參數(shù)。在面向?qū)ο蟮?設(shè)定對(duì)話框中 , 可選擇塔機(jī)臂架弦桿、腹桿的截面形 式并輸入相應(yīng)的截面尺寸 , 確定動(dòng)臂式塔機(jī)整機(jī)載荷 和邊界條件。 動(dòng)臂式塔機(jī)有限元分析系統(tǒng)支持圓鋼、 圓 管、 方鋼、 方管、工字鋼、角鋼、 槽鋼等 12種弦桿截 面形式。用戶在完成所需參數(shù)的輸入后 , 由系統(tǒng)生成 用于有限元分析的數(shù)據(jù)文件 , 用戶可根據(jù)由數(shù)據(jù)文件 生成的三維有限元模型 (見圖 3 來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)文件的正 確性。2. 1. 2模型中的載荷加載處理系統(tǒng)對(duì)于所受的載荷主要是按照 塔式起重機(jī)設(shè) 計(jì)規(guī)范來處理的 , 塔機(jī)的載荷主要包括吊重、自

7、重 載荷、風(fēng)載荷、沖擊載荷、慣性載荷。界面參數(shù)輸入沖擊載荷系數(shù) (包括吊重沖擊系數(shù) 51、 載荷動(dòng)載系數(shù)52和運(yùn)行沖擊系數(shù) 53 、風(fēng)壓 p w 和風(fēng)力系數(shù) C w , 考慮 了垂直、 水平方向及它們的載荷組合情況 ; 起升機(jī)構(gòu)、 平衡重及其他部件采用力的等效原理來處理 , 即把它 們的作用效果通過力學(xué)等效的方式按其相應(yīng)工況處理成節(jié)點(diǎn)集中力 ; 臂架自重采用單元載荷因子 , 由程序 處理成節(jié)點(diǎn)力 ; 風(fēng)載荷考慮了各構(gòu)件前后擋風(fēng)折減系 數(shù)等影響 ; 臂架回轉(zhuǎn)時(shí)各點(diǎn)的慣性力近似地認(rèn)為相同 , 由用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇 , 程序自動(dòng)加載。圖 1 動(dòng)臂式塔機(jī)有限元分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖圖 2塔機(jī)基本參數(shù)

8、設(shè)定對(duì)話框2. 1. 3有限元計(jì)算輸入數(shù)據(jù)文件的建立有限元計(jì)算所需的輸入?yún)?shù)要求嚴(yán)格 , 主要包括 5大部分 :控制參數(shù)、 節(jié)點(diǎn)信息、 單元信息、 材料信息、 載荷信息。這些信息由計(jì)算機(jī)從前程序生成的文件中 讀取并生成相應(yīng)的輸出文件 , 按梁?jiǎn)卧㈣旒軉卧?不同要求產(chǎn)生相應(yīng)的控制參數(shù)。其程序框圖見圖 4。 2. 2執(zhí)行有限元分析程序?qū)肷傻臄?shù)據(jù)文件執(zhí)行有限元分析程序 , 通過 選擇操作和輸入相應(yīng)的命令和參數(shù) , 計(jì)算、分析動(dòng)臂 度情況 , 同時(shí)輸出結(jié)果到指定的數(shù)據(jù)文件中。 2. 3后處理有限元計(jì)算結(jié)果文件主要包括 :結(jié)構(gòu)控制參數(shù) , 節(jié) 點(diǎn)、 單元、 載荷信息列表 , 節(jié)點(diǎn)位移 , 單元力

9、 , 應(yīng)力 , 應(yīng)變 , 單元固端力。后置處理程序?qū)Y(jié)果數(shù)據(jù)文件進(jìn) 行讀取、判斷 , 其文件顯示通過菜單形式來實(shí)現(xiàn)。后 處理技術(shù)就是通過一定的方法 , 如繪制應(yīng)力圖、變形 圖等 , 使計(jì)算結(jié)果可視化。圖 3塔機(jī)的三維有限元模型3系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例18 機(jī) 械 工 程 與 自 動(dòng) 化 2009年第 3期析系統(tǒng)在動(dòng)臂塔機(jī)上的具體應(yīng)用 , 選取一種工況 , 詳 見表 1。在此工況下 , 動(dòng)臂變幅即起重機(jī)的工作半徑是取 物裝置中心鉛垂線與塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心線的距離 , 在此為 12m , 俯仰變幅角度為 60o , 由本系統(tǒng)建立出的有限元 結(jié)構(gòu)模型如圖 3所示 , 此模型包括 521個(gè)節(jié)點(diǎn)、 780個(gè) 單元 ,

10、并解出此工況下的應(yīng)力、位移、支反力和單元 力的值 , 分別見表 2和表 3。 由應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果可以看 出 , 最大應(yīng)力出現(xiàn)在拉桿與臂架連接處和臂架與塔身 連接處 , 與實(shí)際相符。組合應(yīng)力 R 1、 R 2、 R 3、 R 4分別指計(jì)算應(yīng)力 P /A +M 2/S 2、 P /A -M 2/S 2、 P /A +M 3/S 3、 P /A -M 3/S 3, P 、 A 分別是指單元軸向力和截面積 , M 2、 M 3分別指 單元固定端的扭矩值、彎矩值 , S 2、 S 3分別指單元的 抗扭、抗彎截面系數(shù)。另為方便用戶查詢 , 對(duì)計(jì)算結(jié) 果運(yùn)用了圖形和數(shù)據(jù)查看的方式進(jìn)行查詢。對(duì)于塔機(jī) 桿件的變形

11、和應(yīng)力分布采用云圖來顯示 , 如圖 5、 圖 6所示。另為用戶方便 , 有限元分析系統(tǒng)還輸出了包括 基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的設(shè)計(jì)計(jì)算說明 書。圖 4數(shù)據(jù)文件形成程序框圖表 1工況表工況 變幅 (m 吊重質(zhì)量 (kg 水平風(fēng)載荷 (N 變幅慣性力 (N 1124250982450表 2最大變形節(jié)點(diǎn)及其變形節(jié)點(diǎn) X 方向位移mm Y 方向位移mm Z 方向位移mm X 方向轉(zhuǎn)角radY 方向轉(zhuǎn)角r ad Z 方向轉(zhuǎn)角rad134-18. 505222. 0603-22. 58110. 01063280. 01294980. 009260962700. 3222270. 037166224

12、7. 225-0. 001125270. 1241529. 90484×10 -527233. 9506-0. 885456 -1. 17774-803. 345-0. 0001853940. 0428336-1. 38366×10-5表 3最大應(yīng)力單元 所受的應(yīng)力M P a單元 組合應(yīng)力 R 1組合應(yīng)力 R 2組合應(yīng)力 R 3組合應(yīng)力 R 4455-83. 6369. 41-192. 816. 5548278. 2-66. 0383. 47-95. 64488-52. 59-52. 59-52. 59-52. 59圖 5動(dòng)臂式塔機(jī)變形圖4結(jié)論基于參數(shù)化編程的動(dòng)臂式塔機(jī)有限

13、元分析系統(tǒng)的 應(yīng)用使得動(dòng)臂式塔機(jī)的有限元分析方便快捷 , 進(jìn)行有限 元分析時(shí)不需要重復(fù)建模。 用戶通過使用此動(dòng)臂式塔機(jī) 有限元分析系統(tǒng)可以對(duì)不同材料、 不同設(shè)計(jì)方案的分析 , 圖 6動(dòng)臂式塔機(jī)應(yīng)力分布圖參考文獻(xiàn) :1高 崇仁 , 任會(huì)禮 , 張紅 麗 . 塔 機(jī)附著 裝置的 有限元分 析計(jì)算 J . 建筑機(jī)械化 , 2006(4 :45-46.2 任會(huì)禮 . 基于 A NSY S 的有 限元參 數(shù)化 分析及 工程 設(shè)計(jì)選優(yōu) D.太原 :太原科 技大學(xué) , 2004:52-54.3鮮 飛軍 . 一 種具有友 好用戶 界面的 專用有 限元軟件 的開發(fā)方法 J.計(jì)算機(jī) 工程與應(yīng)用 , 2001(3

14、:17-18.4 J V reug denhll. Out-o f-ser vice w ind-loading o f cranesg ustsJ.Bulk Solids Handling, 1995(1 :117-124.5北京建 筑機(jī)械綜合 研究所 . GB /T 13752-1992塔 式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 S .北京 :中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 , 1993:1-96.(19 2009年第 3期朱斌 , 等 :基于參數(shù)化的動(dòng) 臂式塔機(jī)有限元分析系統(tǒng)的研發(fā)4結(jié)論由以上分析可以得出 , 采用模糊控制后 , 汽車的 平順性和安全性明顯得到改善。用 M ATLAB 構(gòu)建模 糊控制器和模糊控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、 可

15、視化界面操作方便、 不需要編制程序 , 使研究人員能夠用方便、直觀的仿 真鏈圖 , 通過調(diào)整模塊的參數(shù) , 使用多種模糊控制方 法 , 對(duì)不同參數(shù)的懸架系統(tǒng)快速進(jìn)行仿真 , 提高了其 工作效率。表 1主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架各參數(shù)均方根值對(duì)比參數(shù)被動(dòng)懸架 性能改善 (%車身加速度 (m/s 2 1. 90621. 679111. 91懸架變形量 (mm 24. 7421. 6112. 65輪胎位移 (mm 7. 696. 5514. 82參考文獻(xiàn) :1 王望予 . 汽車設(shè)計(jì) M .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 2003. 2 Su T , N euvo Y. D et ail-preser ving

16、median based filter s inimage pr ocessing M .New Y or k , N Y , U SA :Elsevier Science Inc , 1994. 3 宋曉 琳 . 汽車 主 動(dòng)懸 架系 統(tǒng) 的模 糊控 制 J. 專用 汽 車 ,2000(3 :18-20.4 余志生 . 汽車?yán)碚?M .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 2003.5易繼鍇 , 侯媛彬 . 智能控制技術(shù) M . 北京 :北京工 業(yè)出版社 , 1999.Study on the Fuzzy Control Simulation of the Active SuspensionLI Mi

17、n , YANG Jian -wei(S chool of M ech atronic En gineering , T aiyuan Un iversity of S cien ce and Techn ology , Taiyuan 030024, Ch ina Abstract :An auto motive active suspension model abo ut tw o -degr ee-o f-fr eedo m is built, accor ding to the str uctur e o f the auto mativ esuspension. In o r der

18、 to impr ov e the ride co mfor tabilit y and sa fet y, the active suspension is used in the v ehicle. T he fuzzy contr ol has advantag es of being easy to build up mo del , hig h precisio n and go od no nlinear adaptability , etc , so it has been w idely used in the activ e suspension co ntro l of t

19、he v ehicle . T he fuzzy co ntro ller selected t he velo city and accelera tio n of the auto mot ive body as the input s t o r ealize t he co nt ro l o f the activ e suspensio n. M eanw hile, fo r this sim ulation analy sis a vehicle activ e suspensio n model w as chosen as the o bject, using M A T

20、L AB/Simulink co nt ro lling system to simulate the r esults. T he r esults show that t he perfo rmance o f the activ e suspension desig ned w it h t he fuzzy contr oller is better than the passive suspension in the r ide co mfor tability and safety. Key words :activ e suspensio n; fuzzy co ntro l;

21、simulatio n(上接第 16頁 Study on CAN Bus Communicationin Vehicle Terminal SystemWANG C han -juan(School of M echanical and Electronic Engin eering , North University of China , T aiyuan 030051, China Abstract :T his paper pr esent s a long -r ang e vehicle termina l system w hich uses M oto r ola's

22、16-bit micro contr oller M C 9S 12DG 128assingle chip. It br iefly int ro duces the str uctur e featur es and functio n of this single chip, and g iv es CA N co mmunicatio n-r elatedhardw are and softw ar e desig n, in o rder t o achiev e the r ea lization o f the monit or ing sy stem. T he sy stem is simple, r eliable, pr actical and so on.Key words :M C 9S 12DG 128; CAN ; co mmunicatio n(上接第 19頁 Development of Finite Element Analysis System for Tower Cranewith Luffing Boom Based on ParameterizationZHU Bin 1, QI Xiu -mei 1, GAO Chong -ren 2(1. College of M echanic