基于ANSYS的天津機(jī)場(chǎng)鋼平臺(tái)形變及應(yīng)力分析

1、基于ANSYS的天津機(jī)場(chǎng)鋼平臺(tái)形變及應(yīng)力分析楊秀清1, 2 張翅飛1, 2 錢(qián)奕龍1, 2(1. 民航局第二研究所，成都 610041)（2. 民航成都物流技術(shù)有限公司，成都 610041）摘 要：目的:在載荷一定的情況下尋求行李處理系統(tǒng)鋼平臺(tái)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。方法:以天津機(jī)場(chǎng)行李處理系統(tǒng)的鋼平臺(tái)為例，利用PRO/E與ANSYS軟件對(duì)5種不同的常用鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)照研究。結(jié)果：槽鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變均最大；工字鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較小，但應(yīng)變較大；方鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變較小，但應(yīng)力較大；槽鋼加斜拉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變均最小。結(jié)論：采用槽鋼加斜拉方式為5種鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最佳選擇，這種結(jié)構(gòu)相比其它4種結(jié)

2、構(gòu)，不僅變形及受力均最小，結(jié)構(gòu)的可靠性及穩(wěn)定性更高，且重量輕、成本低、工藝好實(shí)現(xiàn)，上述分析研究為工程實(shí)際實(shí)施提供了一定的參考及數(shù)字依據(jù)。關(guān)鍵詞：PRO/E 與ANSYS集成；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；變形及應(yīng)力分析0 引言機(jī)場(chǎng)行李系統(tǒng)的鋼平臺(tái)是行李系統(tǒng)的重要支撐，其可靠性及穩(wěn)定性將直接影響行李系統(tǒng)的性能，如果一旦發(fā)生坍塌等現(xiàn)象，其后果不堪設(shè)想，為此在確定設(shè)計(jì)方案及工程實(shí)施前，必須對(duì)其進(jìn)行變形及應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果確定設(shè)計(jì)方案的可行性、可靠性及是否為最優(yōu)方案。本文首先根據(jù)鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)圖紙并利用PRO/E軟件建立了局部鋼平臺(tái)的簡(jiǎn)化3D模型，然后應(yīng)用PRO/E與ANSYS的集成將PRO/E 3D模型無(wú)

3、縫集成的導(dǎo)入到ANSYS中，在ANSYS下對(duì)鋼平臺(tái)進(jìn)行有限元分析，并對(duì)其它4種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了分析評(píng)估，最終確定一種最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，其為工程實(shí)際實(shí)施提供一定的參考及數(shù)字依據(jù)。1 軟件介紹本文涉及到的軟件主要有PRO/E、ANSYS兩個(gè)軟件,其中PRO/E軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件，其以參數(shù)化著稱(chēng)，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的 HYPERLINK /view/1053554.htm t _blank 三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/E作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM

4、/CAE HYPERLINK /view/37.htm t _blank 軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。ANSYS HYPERLINK /view/37.htm t _blank 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用 HYPERLINK /view/2655944.htm t _blank 有限元分析軟件，由世界上最大的 HYPERLINK /view/2655944.htm t _blank 有限元分析軟件公司之一的 HYPERLINK /view/2398.htm t _blank 美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)。 它能與多數(shù)CAD HYPERLINK /view

5、/1137050.htm t _blank 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。2 分析過(guò)程鋼平臺(tái)的變形及應(yīng)力分析過(guò)程主要包括3D建模、模型導(dǎo)入、材料及約束載荷添加、計(jì)算分析等過(guò)程，具體過(guò)程如下。2.1 3D建模圖1 天津局部鋼平臺(tái)簡(jiǎn)化截面圖天津機(jī)場(chǎng)局部鋼平臺(tái)其實(shí)為一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括吊裝、橫梁及下部的連接梁、吊桿等，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，其建模及分析均將耗費(fèi)大量時(shí)間，為此將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，取其截面，并計(jì)算其受力，簡(jiǎn)化后的鋼平臺(tái)截面圖如圖1所示，該截面主要由一根橫梁（1

6、0號(hào)槽鋼），兩根吊裝構(gòu)成，且有兩個(gè)受力點(diǎn)，其受力點(diǎn)的位置及力的大小詳見(jiàn)圖1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，兩根吊裝的承力較小，為此為了保證橫梁有足夠的安全系數(shù)，忽略吊裝承力，假設(shè)只有橫梁承力，為此根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中橫梁采用的10號(hào)槽鋼，用PRO/E建立了其3D模型1，具體如圖2所示，并制定了受力作用點(diǎn)，便于在ANSYS中進(jìn)行加載。圖2 鋼平臺(tái)局部3D圖2.2 模型導(dǎo)入 PRO/E軟件具有良好的3D建模功能，但分析功能較弱，而ANSYS軟件的3D建模功能較弱，但分析功能強(qiáng)大，為此將PRO/E和ANSYS聯(lián)合起來(lái)對(duì)天津機(jī)場(chǎng)的局部鋼平臺(tái)進(jìn)行受力分析是最佳的選擇。從PRO/E到ANSYS的模型轉(zhuǎn)換方法大致有兩種2：

7、一種是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)圖形格式轉(zhuǎn)換，即將PRO/E創(chuàng)建的模型存儲(chǔ)為中性文件格式比如STEP、IGES等，然后通過(guò)ANSYS的接口模塊將相應(yīng)模型導(dǎo)入到仿真分析環(huán)境；二是使用PRO/E和ANSYS的集成接口，實(shí)現(xiàn)PRO/E與ANSYS模型的無(wú)縫集成。前者在傳遞過(guò)程中圖形元素可能會(huì)丟失，而后者應(yīng)用專(zhuān)門(mén)的接口實(shí)現(xiàn)不同軟件間的模型轉(zhuǎn)化可以使得模型的失真最小，幾乎保留了原模型的所有屬性，比如形狀、尺寸、點(diǎn)線(xiàn)面信息等。為此本文也是采用后者將天津機(jī)場(chǎng)鋼平臺(tái)的模型導(dǎo)入到ANSYS中。一般在安裝高版本的ANSYS過(guò)程中，比如ANSYS 12.0均會(huì)提示選擇所在的PROE目錄，選擇PROE目錄后，在啟動(dòng)PROE的界面后，就

8、能在菜單欄看到ANSYS12.0的圖標(biāo)，點(diǎn)擊后，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)ANSYS，并打開(kāi)ANYSYS Workbench界面，在此環(huán)境下可以直接把PRO/E當(dāng)前窗口的模型轉(zhuǎn)化到ANSYS中，具體詳見(jiàn)圖3所示。圖3 PRO/E到ANSYS的模型轉(zhuǎn)化菜單通過(guò)圖3界面將在PRO/E中建立的天津機(jī)場(chǎng)鋼平臺(tái)的3D模型毫無(wú)失真的轉(zhuǎn)化到ADAMS中，幾乎保留了原模型的所有屬性，比如形狀、尺寸、點(diǎn)線(xiàn)面信息等，轉(zhuǎn)化到ANSYS軟件下的模型如圖4所示。圖4 從PRO/E轉(zhuǎn)化到ANSYS中的鋼平臺(tái)3D模型2.3 材料屬性的添加或編輯 啟動(dòng)ANSYS Workbench并建立靜態(tài)分析后，出現(xiàn)界面如圖4所示，雙擊即可對(duì)材料進(jìn)行選擇

9、或?qū)Σ牧系南嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行編輯修改。圖5 靜態(tài)分析界面2.4 網(wǎng)格劃分根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)的網(wǎng)格類(lèi)型及大小或根據(jù)實(shí)際情況定制網(wǎng)格類(lèi)型及大小3，對(duì)橫梁及連接槽鋼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。圖6 網(wǎng)格劃分2.5 重力及約束添加重力豎直向下，并在橫梁即10#槽鋼兩端添加固定約束，具體詳見(jiàn)圖7所示。圖7 重力及固定約束添加2.6 載荷添加分別在10#槽鋼底部的左右連接槽鋼的背面加載壓強(qiáng)力1.6MP和1.4MPA，該壓強(qiáng)力是通過(guò)加載力7460N和6630N換算而得到，具體詳見(jiàn)圖8所示。圖8 載荷添加2.7 分析計(jì)算上述工作完成后，就可以對(duì)鋼平臺(tái)進(jìn)行分析計(jì)算了，該過(guò)程一般是根據(jù)模型的復(fù)雜程度及網(wǎng)格劃分的粗細(xì)，其計(jì)算時(shí)間

10、有所差別。3 結(jié)果分析根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間情況，主要關(guān)心的是垂直于橫梁的水平及豎直方向的位移、最大應(yīng)力，為此對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行查看，得出垂直于橫梁方向的水平及豎直位移及應(yīng)力分布圖如圖9所示。從圖上可以看出，水平方向最大位移為111.33mm，豎直方向最大位移為152.02 mm，應(yīng)力最大為186.62MPA，其變形和受力均較大，由此確定原方案設(shè)計(jì)的橫梁為10號(hào)槽鋼不可行，其安全系數(shù)太小，約為1.26（235/186.62=1.26）。 （1）水平方向位移分布圖 （2）豎直方向位移分布圖（3）應(yīng)力分布圖圖9 橫梁為10號(hào)槽鋼的分析結(jié)果結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化及分析由于原方案橫梁為10號(hào)槽鋼不可行，為此對(duì)橫梁為12號(hào)槽鋼

11、、12號(hào)工字鋼、80方鋼、10號(hào)槽鋼加兩根5號(hào)槽鋼斜拉這四種方案進(jìn)行了類(lèi)似的有限元分析，其模型及仿真結(jié)果分別如圖10-13所示。圖10 橫梁為12號(hào)槽鋼的模型及分析結(jié)果圖11 橫梁為12號(hào)工字鋼的模型及分析結(jié)果圖12 橫梁為80方鋼的模型及分析結(jié)果圖13 橫梁為10號(hào)槽鋼并增加兩個(gè)5號(hào)槽鋼斜拉的模型及分析結(jié)果根據(jù)包括原方案在內(nèi)的5種鋼結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如表1所示。表1 分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)序號(hào)橫梁型鋼類(lèi)別水平方向位移(mm)豎直方向位移(mm)最大應(yīng)力（MPA）110號(hào)槽鋼Y=111Z=152186.6212號(hào)槽鋼Y=112Z=109187312號(hào)工字鋼Y=1Z=5797480方鋼Y=

12、0.0069Z=3.7109510號(hào)槽鋼加兩根5號(hào)槽鋼斜拉Y=1.89Z=0.7851.2根據(jù)表1的結(jié)果統(tǒng)計(jì)可以看出，槽鋼由于其結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性及開(kāi)口較大，其變形及應(yīng)力均較大；12號(hào)工字鋼由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，其水平方向的位移較小，但豎直方向位移也較大；80方鋼由于為四面全封閉結(jié)構(gòu)無(wú)開(kāi)口，為此其水平和豎直方向的位移均最小，但由于橫梁的長(zhǎng)度較大，對(duì)方鋼內(nèi)部的除銹工藝較繁瑣，且成本較高，另外其強(qiáng)度不是太好，應(yīng)力較大；由于橫梁的長(zhǎng)度較長(zhǎng)（約3.1m），為此無(wú)論采用哪種型鋼，其形變及應(yīng)力均不是太理想，除非采用型號(hào)非常大的鋼材，但那樣不僅增加了自重，而且還會(huì)增加成本，為此采用橫梁加斜拉方式為最佳選擇，這種結(jié)

13、構(gòu)在理論上比單根橫梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及可靠性要好的多，變形也會(huì)小的多，從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以證實(shí)，為此最終選擇槽鋼加兩根斜拉的方案，并在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)存在稍微差距，其主要原因?yàn)榉治霾捎玫氖禽^理想模型，無(wú)法考慮現(xiàn)場(chǎng)工人的焊接質(zhì)量等因素，后來(lái)又采用10號(hào)槽鋼加兩根8號(hào)槽鋼斜拉進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足要求，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，最終選擇的方案為10號(hào)槽鋼加兩根10號(hào)槽鋼斜拉，從而更增加鋼平臺(tái)的可靠性。5 結(jié)束語(yǔ)本文首先根據(jù)鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)圖紙并利用PRO/E軟件建立了局部鋼平臺(tái)的簡(jiǎn)化3D模型，然后應(yīng)用PRO/E與ANSYS的集成將PRO/E 3D模型無(wú)縫集成的導(dǎo)入到ANSYS中，在ANS

14、YS下對(duì)鋼平臺(tái)的結(jié)構(gòu)受力及形變進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)除了原設(shè)計(jì)方案外的其它4種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了仿真，且對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，最終確定一種最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)鋼平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其為工程實(shí)際實(shí)施提供一定的參考及數(shù)字依據(jù)。參考文獻(xiàn)：1 恒盛杰.Pro/ENGINEER從入門(mén)到精通M. 北京：中國(guó)青年出版社. 2007：352-378.2 HYPERLINK /Main/Search.aspx?w=%e5%ba%84%e7%ab%9e 莊競(jìng) HYPERLINK /Main/Search.aspx?w=%e6%a2%81%e6%89%bf%e5%bf%a0 梁承忠. Pro/E與Ansys軟件集成實(shí)現(xiàn)推土機(jī)終傳動(dòng)齒輪的綠色設(shè)計(jì)J. HYPERLINK /qk/91505X/201103/ 起重運(yùn)輸機(jī)械.2011（3）：24-26. 3 HYPERLINK /book/search_pub.php?category=01&key2=%C6%D6%B