塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)的有限元分析

PAGE塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)的有限元分析摘要：塔式起重機(jī)是現(xiàn)代工程建設(shè)中一種主要的起重機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、以及橋梁等工程的施工作業(yè)。其桁架結(jié)構(gòu)由于桿件較多，采用傳統(tǒng)計(jì)算方法繁瑣，而且精度難以保證。根據(jù)塔式起重機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu),利用ANSYS對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析。在建模過程,對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化、單元的選擇、載荷的施加等進(jìn)行探討和分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)有限元分析,其結(jié)果對塔式起重機(jī)的后續(xù)分析有重要意義。關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī);靜態(tài)分析;有限元分析StaticfiniteelementanalysisofwholestructureoftowercraneABSTRACT:Towercranesarethemodernconstructioncraneinamajor,widelyusedinindustry,andbridgeconstructionworkandotherprojects.Trussrodbecauseofitsmorecomplicatedbythetraditionalmethod,butaccuracyisnotguaranteed.Accordingtotheactualstructureoftowercranes,usingANSYSmodelinganditsanalysisoftheoverallstructure.Inthemodelingprocess,simplifythestructureoftowercranes,unitselection,loadapplied,etc.discussedandanalyzed,andonthisbasis,thestaticfiniteelementanalysis,theresultsofthefollow-upanalysisofthetowercraneisimportant.KEYWORDS:towercrane;staticanalysis;finiteelement；1前言 11.1本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的來源、意義 11.2本課題的國內(nèi)外動(dòng)態(tài) 11.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容內(nèi)容 22塔式起重機(jī)的簡介 32.1塔式起重機(jī)的產(chǎn)生歷史及特點(diǎn) 32.2塔式起重機(jī)的分類及構(gòu)成 42.3塔式起重機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 42.4塔式起重機(jī)的發(fā)展趨勢 53有限元法及有限元軟件ANSYS 63.1有限元的基本理論 63.1.1有限元法的發(fā)展歷史 63.1.2有限元法的計(jì)算思路 63.1.3有限元法的優(yōu)越性與局限性 73.2國內(nèi)外有限元軟件發(fā)展概況 83.2.1國外有限元軟件發(fā)展概況 83.2.2我國有限元軟件的發(fā)展情況 93.3大型有限元軟件ANSYS概述 93.3.1ANSYS軟件的介紹 103.2.2ANSYS主要技術(shù)特點(diǎn) 113.3.3應(yīng)用領(lǐng)域 113.3.4ANSYS軟件的分析過程 113.4ANSYS參數(shù)化語言APDL 133.4.1APDL簡介 133.4.2APDL功能描述 134QTZ40型塔式起重機(jī)靜態(tài)分析 154.1QTZ40型塔式起重機(jī)的主要參數(shù) 154.1.1定義材料屬性 154.2QTZ40塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析過程 154.2.1在前處理器中建立有限元分析模型 16塔機(jī)結(jié)構(gòu)分析的簡化 16選擇單元類型 16建立幾何模型 164.2.2施加載荷和約束 184.2.3在通用后處理器中進(jìn)行結(jié)果分析 19強(qiáng)度分析 19剛度分析 205小結(jié) 22參考文獻(xiàn) 23致謝 24外文翻譯 25PAGE411前言1.1本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的來源、意義隨著國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，高層建筑越來越多，建筑高度也越來越大，使得塔式起重機(jī)成為不可缺少的重要施工機(jī)械。塔式起重機(jī)作為各種工程廣泛應(yīng)用的重要起重設(shè)備，其計(jì)算方法和分析手段同樣是不容忽視的。但傳統(tǒng)計(jì)算方法由于受限于理論和手段的匱乏，相對簡化過大，計(jì)算結(jié)果精度較差等一系列弊病的存在，為了改進(jìn)這些問題，目前基本采用基于有限元軟件作為平臺(tái)，用有限元法做為計(jì)算手段。這些應(yīng)用軟件包括：ANYSYS、ALGOR、MSC／NASTRAN等，對塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)起到積極的作用?，F(xiàn)代工業(yè)建設(shè)的迅速發(fā)展和市場競爭的加劇，要求塔機(jī)的起重力矩不斷增大、工作速度不斷提高，起升高度不斷加大，同時(shí)又要求機(jī)械結(jié)構(gòu)盡量輕，盡量降低加工制造成本，所以對塔機(jī)進(jìn)行局部分析和靜強(qiáng)度分析己經(jīng)不能滿足塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的要求。近幾年，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用有限元軟件對塔式起重機(jī)的重要組成部分進(jìn)行了各種分析，如起重臂危險(xiǎn)點(diǎn)的確定及穩(wěn)定性的分析，平衡臂的靜態(tài)分析及模態(tài)分析，回轉(zhuǎn)臺(tái)的計(jì)算和分析，塔機(jī)臂架銷軸連接進(jìn)行有限元分析，十字底架的受力分析等等，這些分析使得塔式起重機(jī)使用起來更加高效，更加安全。塔式起重機(jī)是一種短周期循環(huán)工作的機(jī)械，它的性能如何取決于整機(jī)的性能，所以僅僅對局部構(gòu)件進(jìn)行分析是不夠的，但因?yàn)樗狡鹬貦C(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況多樣，所以現(xiàn)階段對塔機(jī)進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)分析大多停留在靜態(tài)分析階段。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)己經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，主要表現(xiàn)為從局部環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，從常規(guī)設(shè)計(jì)到可靠性設(shè)計(jì)，從簡單類比設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從靜態(tài)設(shè)計(jì)到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。而靜態(tài)設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。本論文針對塔式起重機(jī)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算各工況下的機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。找出一種實(shí)用的計(jì)算方法，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。1.2本課題的國內(nèi)外動(dòng)態(tài)從20世紀(jì)70年代末，80年代初開始,國內(nèi)開始采用有限元方法對起重機(jī)械進(jìn)行研究，國外對這方面的研究更早。其中對塔機(jī)各部分進(jìn)行了大量的研究,例如,對塔機(jī)起重臂進(jìn)行了有限元模態(tài)分析及動(dòng)態(tài)分析,對塔機(jī)臂架銷軸連接進(jìn)行有限元分析,對塔機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)和測試,利用ALGORFEAS軟件對塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,對塔機(jī)十字型底架的受力計(jì)算,對塔機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的有限元分析等。目前對塔機(jī)各部件都有研究,但對塔機(jī)整體結(jié)構(gòu)的研究還停留在靜態(tài)分階段。所以塔機(jī)整機(jī)在復(fù)雜工況下仍然常常發(fā)生事故，對塔機(jī)進(jìn)行整機(jī)動(dòng)態(tài)分析是研究領(lǐng)域一種趨勢。1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容內(nèi)容QTZ40型塔式起重機(jī)全部采用空間桁架結(jié)構(gòu)，由于桿件多，機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜采用傳統(tǒng)計(jì)算方法繁瑣，而且精度難以保證，為了盡量克服這些缺點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)安全，所以選用有限元分析軟件ANSYS對其進(jìn)行以下分析。(1)對塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，建立有限元模型(2)進(jìn)行有限元強(qiáng)度和剛度的靜力分析，生成應(yīng)力、應(yīng)變云圖。2塔式起重機(jī)的簡介2.1塔式起重機(jī)的產(chǎn)生歷史及特點(diǎn)塔式起重機(jī)簡稱塔機(jī)，亦稱塔吊，起源于西歐。據(jù)記載，第一項(xiàng)有關(guān)建筑用塔機(jī)專利頒發(fā)于1900年。1905年出現(xiàn)了塔身固定的裝有臂架的起重機(jī)，1923年制成了近代塔機(jī)的原型樣機(jī)，同年出現(xiàn)第一臺(tái)比較完整的近代塔機(jī)。1930年當(dāng)時(shí)德國已開始批量生產(chǎn)塔機(jī)，并用于建筑施工。1941年，有關(guān)塔機(jī)的德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN8770公布。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以吊載(t)和幅度(m)的乘積(tm)一起以重力矩表示塔機(jī)的起重能力。我國的塔機(jī)行業(yè)于20世紀(jì)50年代開始起步,相對于中西歐國家由于建筑業(yè)疲軟造成的塔機(jī)業(yè)的不景氣,上海波赫驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有限公司我國的塔機(jī)業(yè)正處于一個(gè)迅速的發(fā)展時(shí)期。從塔機(jī)的技術(shù)發(fā)展方面來看，雖然新的產(chǎn)品層出不窮，新產(chǎn)品在生產(chǎn)效能、操作簡便、保養(yǎng)容易和運(yùn)行可靠方面均有提高，但是塔機(jī)的技術(shù)并無根本性的改變。塔機(jī)的研究正向著組合式發(fā)展。所謂的組合式，就是以塔身結(jié)構(gòu)為核心，按結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，將塔身分解成若干部分，并依據(jù)系列化和通用化要求，遵循模數(shù)制原理再將各部分劃分成若干模塊。根據(jù)參數(shù)要求，選用適當(dāng)模塊分別組成具有不同技術(shù)性能特征的塔機(jī)，以滿足施工的具體需求。推行組合式的塔機(jī)有助于加快塔機(jī)產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度，節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，并能更好的為客戶服務(wù)。塔機(jī)分為上回轉(zhuǎn)塔機(jī)和下回轉(zhuǎn)塔機(jī)兩大類。其中前者的承載力要高于后者，在許多的施工現(xiàn)場我們所見到的就是上回轉(zhuǎn)式上頂升加節(jié)接高的塔機(jī)。按能否移動(dòng)又分為：走行式和固定式。固定式塔機(jī)塔身固定不轉(zhuǎn)，安裝在整塊混凝土基礎(chǔ)上，或裝設(shè)在條形式X形混凝土基礎(chǔ)上。在房屋的施工中一般采用的是固定式的。如圖2.1示： 圖2.1固定式塔式起重機(jī)2.2塔式起重機(jī)的分類及構(gòu)成按有無行走機(jī)構(gòu)可分為移動(dòng)式塔式起重機(jī)和固定式塔式起重機(jī)。移動(dòng)式塔式起重機(jī)塔身固定于行走底架上，可在專設(shè)的軌道上運(yùn)行，穩(wěn)定性好，能帶負(fù)荷行走，工作效率高，因而廣泛應(yīng)用于建筑安裝工程。固定式塔式起重機(jī)根據(jù)裝設(shè)位置的不同，又分為附著自升式和內(nèi)爬式兩種。內(nèi)爬式起重機(jī)在建筑物內(nèi)部（電梯井、樓梯間），借助一套托架和提升系統(tǒng)進(jìn)行爬升，頂升較繁瑣，但占用結(jié)構(gòu)用鋼少，不需要裝設(shè)基礎(chǔ)，全部自重及載荷均由建筑物承受。附著自升塔式起重機(jī)能隨建筑物升高而升高，適用于高層建筑，建筑結(jié)構(gòu)僅承受由起重機(jī)傳來的水平載荷，附著方便，但占用結(jié)構(gòu)用鋼多。按起重臂的構(gòu)造特點(diǎn)可分為俯仰變幅起重臂和小車變幅起重臂塔式起重機(jī)。俯仰變幅起重臂塔式起重機(jī)是靠起重臂升降來實(shí)現(xiàn)變幅的，其優(yōu)點(diǎn)是：能充分發(fā)揮起重臂的有效高度，機(jī)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是最小幅度被限制在最大幅度的30%左右，不能完全靠近塔身，變幅時(shí)負(fù)荷隨起重臂一起升降，不能帶負(fù)荷變幅。小車變幅起重臂塔式起重機(jī)是靠水平起重臂軌道上安裝的小車行走實(shí)現(xiàn)變幅的，其優(yōu)點(diǎn)是：變幅范圍大，載重小車可駛近塔身，能帶負(fù)荷變幅，缺點(diǎn)是：起重臂受力情況復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)要求高。按塔身結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)方式可分為下回轉(zhuǎn)和上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)。下回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)將回轉(zhuǎn)支承、平衡重主要機(jī)構(gòu)等均設(shè)置在下端，其優(yōu)點(diǎn)是：塔身所受彎矩較少，重心低，穩(wěn)定性好，安裝維修方便，缺點(diǎn)是對回轉(zhuǎn)支承要求較高，安裝高度受到限制。上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)將回轉(zhuǎn)支承，平衡重，主要機(jī)構(gòu)均設(shè)置在上端，其優(yōu)點(diǎn)是由于塔身不回轉(zhuǎn)，可簡化塔身下部結(jié)構(gòu)、頂升加節(jié)方便。缺點(diǎn)是：當(dāng)建筑物超過塔身高度時(shí)，由于平衡臂的影響，限制起重機(jī)的回轉(zhuǎn)，同時(shí)重心較高，風(fēng)壓增大，壓重增加，使整機(jī)總重量增加。以上塔式起重機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但目前使用范圍最廣泛，構(gòu)造較為典型的仍然是平臂上回轉(zhuǎn)自升式塔式起重機(jī)。本論文所要研究的正是此類起重機(jī)的一種，既QTZ40型平臂上回轉(zhuǎn)自升式塔式起重機(jī)。塔式起重機(jī)主要由機(jī)械部分、金屬結(jié)構(gòu)和電氣三大部分所組成。機(jī)械部分是指起升、運(yùn)行、變幅和回轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)；電氣是起重機(jī)械動(dòng)作的能源，各機(jī)構(gòu)都是單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。金屬結(jié)構(gòu)是構(gòu)成起重機(jī)械的軀體，是安裝各機(jī)構(gòu)和支托它們?nèi)恐亓康闹黧w部分。2.3塔式起重機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r自上世紀(jì)80年代以來，我國塔機(jī)行業(yè)得到快速發(fā)展，尤其近幾年，塔機(jī)銷量持續(xù)攀高，2001年行業(yè)統(tǒng)計(jì)銷量9738臺(tái)，2002年成為世界上首個(gè)塔機(jī)年產(chǎn)量突破10000臺(tái)的國家。2004年，由于宏觀調(diào)控作用以及起重機(jī)行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，塔機(jī)的產(chǎn)銷量有所回落，2005、2006年，在經(jīng)濟(jì)高速增長的強(qiáng)力拉動(dòng)下，我國塔機(jī)的產(chǎn)銷恢復(fù)高速增長，2006年銷量已超過2萬臺(tái)。由于行業(yè)管理及統(tǒng)計(jì)的局限性，塔機(jī)產(chǎn)銷量歷來是一個(gè)大家都想知道而誰也說不清的數(shù)字，因?yàn)樾袠I(yè)統(tǒng)計(jì)只統(tǒng)計(jì)了二三十家生產(chǎn)企業(yè)的銷量，全行業(yè)銷量肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過統(tǒng)計(jì)數(shù)字，本文根據(jù)調(diào)查的部分業(yè)內(nèi)專家給出了估計(jì)數(shù)字，見表1.1。勿庸置疑，我國已成為世界民用塔機(jī)的生產(chǎn)大國，也是世界塔機(jī)主要需求市場之一。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，目前我國取得生產(chǎn)許可證的塔機(jī)生產(chǎn)廠達(dá)40余家。表1.1國內(nèi)塔機(jī)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)50年代60年代70年代80年代90年代2001-2006年產(chǎn)量(臺(tái))748473882888963694915002.4塔式起重機(jī)的發(fā)展趨勢（1）向大型化、高效率化、無保養(yǎng)化和節(jié)能化發(fā)展。（2）向自動(dòng)化、智能化、集成化和信息化發(fā)展。將機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，將先進(jìn)的電力電子技術(shù)、液壓技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，以適應(yīng)多批次少批量的柔性生產(chǎn)模式。（3）向成套化、系統(tǒng)化、綜合化和規(guī)模化發(fā)展。（4）向模塊化、組合化、系列化和通用化發(fā)展。（5）向輕型化、簡易化和多樣化發(fā)展。（6）采用新結(jié)構(gòu)、新部件、新材料和新工藝提高產(chǎn)品性能。結(jié)構(gòu)方面采用薄壁型材和異型鋼，減少結(jié)構(gòu)的拼接焊縫，采用各種高強(qiáng)度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重和增加外形美觀。（7）采用新理論、新方法、新技術(shù)和新手段提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。進(jìn)一步應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，不斷提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平與精度。開展對起重運(yùn)輸機(jī)械載荷變化規(guī)律、動(dòng)態(tài)特性和疲勞特性的研究，開展對可靠性的試驗(yàn)研究，全面采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法、概率設(shè)計(jì)法、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等，利用CAD提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，與計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)相銜接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造一體化。3有限元法及有限元軟件ANSYS3.1有限元的基本理論3.1.1有限元法的發(fā)展歷史對于許多工程問題，不可能獲得解析的數(shù)學(xué)解。以前，為了獲得解析解，人們不得不作多到難以承受的假設(shè)和簡化，以至于所得結(jié)果只能適用于最簡單的情況?，F(xiàn)在，對于材料性質(zhì)和邊界條件較復(fù)雜的問題,工程師就可以依靠數(shù)值方法給出近似的、較令人滿意的答案。有限元法就是這樣一種數(shù)值方法。從數(shù)學(xué)角度來看，有限元法基本思想的提出，可以1943年Courant的開創(chuàng)性工作為標(biāo)志。他第一次嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合，來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題。但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算條件的限制，這種方法并沒有收到足夠的重視。從應(yīng)用角度看，有限元法的第一個(gè)成功應(yīng)用者是Turener和Clough等人。他們在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)用有限元法第一次得出了平面應(yīng)力問題的正確答案。Clough又進(jìn)一步應(yīng)用有限元法處理了平面彈性問題。半個(gè)世紀(jì)以來隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，有限元法不僅成為進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)分析的重要數(shù)值方法，而且被廣泛應(yīng)用于固體力學(xué)的各個(gè)分支，甚至流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場、地質(zhì)力學(xué)、生物力學(xué)等領(lǐng)域中，從結(jié)構(gòu)計(jì)算擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并向更高設(shè)計(jì)自動(dòng)化方向發(fā)展。有限元法的發(fā)展借助于兩個(gè)重要工具：其理論指導(dǎo)采用矩陣方法，在實(shí)際計(jì)算中則采用電子計(jì)算機(jī)。因此，在有限元法中，有限元、矩陣、計(jì)算機(jī)是三位一體的。理論上確認(rèn)有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。建立了其基本的理論基礎(chǔ)：基于變分原理的里茲(Ritz)法。而基于變分原理建立有限元方程和經(jīng)典里茲法的主要區(qū)別是前者假設(shè)的近似函數(shù)不是在全求解域而是在單元上規(guī)定的，而且事先不要求滿足任何邊界條件，因此它可以用來處理很復(fù)雜的連續(xù)介質(zhì)問題。60年代以后，人們在有限元法中主要應(yīng)用伽遼金(Galerkin)法，利用加權(quán)余量的方式來確定單元特性和建立有限元求解方程。這使得在不存在變分泛函的情況下也可以應(yīng)用有限元法了，從而大大擴(kuò)充了其使用范圍。3.1.2有限元法的計(jì)算思路有限元法是將連續(xù)體結(jié)構(gòu)分成有限個(gè)單元，每個(gè)單元以節(jié)點(diǎn)相連，兩相鄰單元共用節(jié)點(diǎn)的位移、斜率、曲率必須一致，而兩節(jié)點(diǎn)之間的位移則同節(jié)點(diǎn)的位移和變形函數(shù)相關(guān)。將載荷作用于節(jié)點(diǎn)，不論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，利用有限元法將其離散化，建立的方程式均為統(tǒng)一的矩陣形式，以靜態(tài)強(qiáng)度分析為例，系統(tǒng)方程式如式（2.1）所示。其中[K]為剛度矩陣，表示節(jié)點(diǎn)載荷{F}與節(jié)點(diǎn)自由度位移{q}的相關(guān)性。[K]{q}={F}（2.1）有限元法將結(jié)構(gòu)分割成單元結(jié)合在一起的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，相鄰元素共用相同的節(jié)點(diǎn),元素內(nèi)部的變形位移量近似的以節(jié)點(diǎn)位移量的內(nèi)插函數(shù)表達(dá)。作用在結(jié)構(gòu)上的外力力矩作用在節(jié)點(diǎn)上，因此由節(jié)點(diǎn)的作用效應(yīng)及節(jié)點(diǎn)反應(yīng)關(guān)系式構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的離散化方程式，在已知作用外力及力矩時(shí)，求解此方程式，得到結(jié)構(gòu)在各節(jié)點(diǎn)的位移。其分析計(jì)算的思路和做法可歸納如下：(1)物體離散化:將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，這一步稱為單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)互相連接起來;單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定。一般情況，單元越細(xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量越大。所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原來的物體或結(jié)構(gòu)體而是同樣材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。這樣用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目足夠多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況足夠接近。(2)單元特征分析：在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化，所以在有限元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)離散化之后，就可把單元中的一些物理量如位移，應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對單元中位移的分布采取一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常,有限元法中我們就將位移表示為坐標(biāo)變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式。這是單元分析中的關(guān)鍵一步，此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?。這是有限元法的基本步驟之一。一般來說，建立剛度陣的方法有：直接方法、虛功原理法、能量變分原理方法等。物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另外一個(gè)單元。但是對于實(shí)際的連續(xù)體,力是從單元的公共邊界傳遞到另外一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效地移到節(jié)點(diǎn)上去,也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來替代所有作用在單元上的力。(3)單元組集：利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體有限元方程。(4)求解未知節(jié)點(diǎn)位移：求解有限元方程可求出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來選擇合適的計(jì)算方法。3.1.3有限元法的優(yōu)越性與局限性有限元法能夠得到迅速的發(fā)展與越來越廣泛的應(yīng)用，除高速電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展提供了充分有利的條件外，還與有限元法所具有的優(yōu)越性是分不開的。有限元法的優(yōu)越性主要有：(1)在固體力學(xué)及其他連續(xù)體力學(xué)中,只有一些特殊類型的位移場和應(yīng)力場才能求得微分方程式的解。對于多數(shù)復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)得不到解。而有限元法對于完成這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析是一種十分有效的數(shù)值方法。有限元法是利用離散化將無限自由度的連續(xù)體力學(xué)問題變?yōu)橛邢迒卧?jié)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算，雖然它的解是近似的，但適當(dāng)選擇單元的形狀和大小，可使近似解達(dá)到滿意的精度。(2)有限元法另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于引入邊界條件的方法簡單，邊界條件不需要進(jìn)入單元有限元的方程，而是求得整個(gè)集合體的代數(shù)方程后再引進(jìn)。所以對內(nèi)部和邊界上的單元都采用相同的場變量函數(shù)。而且當(dāng)邊界條件改變時(shí)，場變量函數(shù)不需要改變，這對編制通用化的程序帶來了極大的簡化。(3)有限元法不僅適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，而且能處理各種復(fù)雜的材料性質(zhì)問題，例如材料的各向異性，非線性，隨時(shí)間或溫度而變化的材料性質(zhì)問題。另外它還可以解決非均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)的問題。其應(yīng)用范圍極為廣泛。有限元法通常采用矩陣表達(dá)形式，非常便于編制計(jì)算機(jī)程序，從而適應(yīng)于電子計(jì)算機(jī)的工作。有限元法的局限性主要有：(1)有限元法的應(yīng)用與電子計(jì)算機(jī)緊密相關(guān)，它與計(jì)算機(jī)質(zhì)量與速度取決于計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存容量和速度，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)將有利于有限元的發(fā)展。(2)有限元法作為一種計(jì)算方法已經(jīng)達(dá)到了成熟的程度，但在具體應(yīng)用中還有不小的差距,特別對于一些復(fù)雜的問題，如固體力學(xué)領(lǐng)域中斷裂形態(tài)，接觸問題與其他領(lǐng)域中的瞬態(tài)問題的數(shù)值解，目前雖有進(jìn)展但還不能十分令人滿意，需進(jìn)一步研究。(3)目前在許多有限元通用程序中，增加了前、后處理功能，網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)生成或分割，有利于更廣泛的應(yīng)用和推廣。盡管結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分割與準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)的工作在某種程度上可以自動(dòng)化，但還不能全靠計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵陔x散化過程中，還必須根據(jù)不同的要求來決策。在輸入數(shù)據(jù)中，如有差錯(cuò)，且未被發(fā)現(xiàn)，將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤計(jì)算結(jié)果，而且往往較難發(fā)現(xiàn)，帶來不少麻煩。3.2國內(nèi)外有限元軟件發(fā)展概況3.2.1國外有限元軟件發(fā)展概況有限元是在電子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，僅僅了解有限元法的原理和解題步驟，如果沒有電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算程序，那是解決不了實(shí)際問題的，而自己著手去編制有限元程序也是不現(xiàn)實(shí)的，而且也是沒有必要的。因?yàn)楝F(xiàn)在的商業(yè)化有限元軟件已經(jīng)很多，很成熟，而且所能解決的范圍非常廣泛,從結(jié)構(gòu)，動(dòng)力，熱平衡到電磁場，核子等諸種情況均有非常成熟的軟件。比較常用的有：SAP,ADINA,ASKA,NASTRAN,ANSYS等。SAP(structuralAnalisis,Pragram)——結(jié)構(gòu)分析程序。它由美國貝克萊加利福尼亞大學(xué)研制，該程序可處理空間桁架、剛架、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱、等參元、薄板、薄殼、三維固體、厚殼、管單元等問題。它的功能有信息處理，靜力分析，動(dòng)力分析，繪圖，帶寬優(yōu)化，計(jì)算幾何剛度等。ADINA(AFiniteElementProgramForAutomaticDynamicIncrementalNonlinearAnalysis)——自動(dòng)動(dòng)力增量非線性分析有限元程序。它是由美國麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系研制。單元庫中有梁、平面、板殼、三維板體、軸對稱、厚板等單元。它可處理非線性問題，與溫度有關(guān)的問題。ASKA(AutomaticSystemKinematicAnalysis)——自動(dòng)動(dòng)力分析系統(tǒng)。它是由德國斯圖加特大學(xué)宇航結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力學(xué)研究所研制。NATTRAN(NASAStructuralAnalysis)——NASA結(jié)構(gòu)分析程序。它由美國國家航空和宇航局研制。它可供各種結(jié)構(gòu)分析之用。其功能包括熱力分析，瞬態(tài)載荷與隨機(jī)激振的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，實(shí)特征值與復(fù)特征值計(jì)算，以及穩(wěn)定性分析，還有一定的非線性分析能力，可用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在眾多可用的通用和專業(yè)有限元軟件中，ANSYS是最為通用有效的商業(yè)有限元軟件之一。在多次用戶調(diào)查中，ANSYS都名列前茅。ANSYS軟件從70年代至今，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)成為能夠緊跟計(jì)算機(jī)硬、軟件發(fā)展的最新水平，功能豐富，用戶界面友好，前后處理和圖形功能完備的，使用高效的有限元軟件系統(tǒng)。它擁有豐富和完善的單元庫，材料模庫和求解器，保證了它能夠高效的求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線性和非線性問題，穩(wěn)定和瞬態(tài)熱分析及熱－結(jié)構(gòu)耦合問題，靜態(tài)和時(shí)變電磁場問題，壓縮和不可壓縮的流體力學(xué)問題，以及多場耦和問題；它的友好的圖形用戶界面和程序結(jié)構(gòu)使用易學(xué)易會(huì)；它的完全交互式的前后處理和圖形軟件，大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型，生成有限元模型以及分析和評價(jià)計(jì)算機(jī)結(jié)果的工作量；它的統(tǒng)一和集中式的數(shù)據(jù)庫，保證了系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的可靠和靈活的集成，它的DDA模塊實(shí)現(xiàn)了它與多個(gè)CAD軟件產(chǎn)品的有效連接；ANSYS系統(tǒng)的各種產(chǎn)品和適應(yīng)于各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)的版本，為用戶提供了各種可能的選擇。ANSYS公司的不懈努力，已經(jīng)使ANSYS成為計(jì)算機(jī)輔助工具和工程數(shù)據(jù)模擬的最有效的軟件，成為當(dāng)代CAD/CEA/CAM主流產(chǎn)品之一。3.2.2我國有限元軟件的發(fā)展情況我國在60年代初期已將矩陣分析用于解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，但由于電子計(jì)算機(jī)發(fā)展較遲，故受到一定的影響。70年代有限元法才開始在國內(nèi)得到應(yīng)用與推廣，隨后在航空工業(yè)、造船工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、水利工業(yè)、建筑工業(yè)、石油化工等部門得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展，總的來說對靜態(tài)分析方面做的工作較多,尤其是70年代，根據(jù)我國當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)容量小的情況，在力求用小的國產(chǎn)機(jī)器解決大題目方面做了不少工作，取得了一些成果。進(jìn)幾年來在動(dòng)態(tài)和非線性方面，流體力學(xué)與電磁場方面也開展了不少的工作，取得了很好的成績。3.3大型有限元軟件ANSYS概述3.3.1ANSYS軟件的介紹有限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的非常有效的數(shù)值方法，是將所研究的工程系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)結(jié)構(gòu)近似的有限元系統(tǒng)，該系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)及單元組合而成，以取代原有的工程系統(tǒng)。有限元系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)數(shù)學(xué)模式，并根據(jù)數(shù)學(xué)模式，進(jìn)而得到該有限元系統(tǒng)的解答，并通過節(jié)點(diǎn)、單元表現(xiàn)出來。完整有限元模型除了節(jié)點(diǎn)、單元外，還包含工程系統(tǒng)本身所具有的邊界條件、約束條件、外力負(fù)載等。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn),故在短短多年間已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、宇航航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一種重要工具。特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展核軟、硬件環(huán)境的不斷完善以及高檔微機(jī)核計(jì)算機(jī)工作站逐步普及,從而為ANSYS的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件，并將展示出更為廣闊的工程應(yīng)用前景。ANSYS是目前世界頂端的有限元商業(yè)應(yīng)用程序，是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之之一的的美國ANSYS開發(fā),它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,如Pro/Engineer,AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級CAD工具之一。美國JohnSwanson博士于1970年創(chuàng)建ANSYS公司后,便開發(fā)出了該應(yīng)用程序，以此用計(jì)算機(jī)模擬工程結(jié)構(gòu)分析,歷經(jīng)30多年的不斷完善和修改,現(xiàn)成為全球最受歡迎的應(yīng)用程序。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(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,受的負(fù)載也相當(dāng)多,理論分析往往無法進(jìn)行。想要解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛,在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。到20世紀(jì)80年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS,NASTRAN等。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件，它從1971年的2.0版本與今天的12.0版本已有很大的不同,起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析,現(xiàn)在可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合,已成為現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的工具。ANSYS軟件是第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)美國核安全局(NQA)及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國內(nèi)第一個(gè)通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證并在國務(wù)院17個(gè)部委推廣使用。3.2.2ANSYS主要技術(shù)特點(diǎn)ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包,其特點(diǎn)(1)數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果,實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（2）強(qiáng)大的建模能力。SNSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI（圖形界面）就可建立各種復(fù)雜的幾何模型.(3)強(qiáng)大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器,用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。（4）強(qiáng)大的非線性分析功能。ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能,可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析.（5）智能網(wǎng)格劃分。SNSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。（6）良好的優(yōu)化功能。（7）良好的用戶開發(fā)環(huán)境。3.3.3應(yīng)用領(lǐng)域ANSYS的應(yīng)用可分為國防和民用兩大類,主要有：汽車、飛機(jī)、火車、輪船等運(yùn)輸工具的碰撞分析；金屬成型、金屬切割；汽車零部件的機(jī)械制造；塑料成型、玻璃成型；生物力學(xué)；地震工程；消費(fèi)品、建筑物、高速結(jié)構(gòu)等的安全性分析；點(diǎn)焊、鉚焊、螺栓連接；液體6結(jié)構(gòu)相互作用；運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)；內(nèi)彈道發(fā)射對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析；終點(diǎn)彈道的爆炸驅(qū)動(dòng)和破壞效應(yīng)分析；軍用新材料（包括炸藥、復(fù)合材料、特種金屬等）的研制和動(dòng)力特性分析；超高速碰撞模擬分析等等。ANSYS在機(jī)械的應(yīng)用。ANSYS可以對機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行分析。靜力分析是用于靜態(tài)載荷?？梢钥紤]結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如：大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈性及蠕變等。模態(tài)分析是計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形。譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變。在機(jī)械構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，利用彈性力學(xué)有限元建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動(dòng)力響應(yīng)。3.3.4ANSYS軟件的分析過程ANSYS典型的分析過程由前處理、求解計(jì)算和后處理三個(gè)部分組成。如下圖示：ANSYS分析流程（1）前處理雙擊實(shí)用菜單中的Preprocessor,進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個(gè)模塊主要有兩部分內(nèi)容:實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法:自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí),用戶定義一個(gè)模型的最高級圖元,如球、棱柱，稱為基元,程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型,如二維的圓和矩形以及三維的塊、錐和柱。無論使用自頂向下還是球、自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括4種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格.ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的,可對復(fù)雜模型直接劃分,避免了用戶對各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后,用戶指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格,分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差,然后重新定義網(wǎng)格大小,再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。（2）加載及求解在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。加載即用邊界條件數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，即分析結(jié)構(gòu)和外界之間的相互作用。載荷的含義有：自由度約束位移、節(jié)點(diǎn)力（力，力矩）表面載荷壓力、慣性載荷（重力加速度，角加速度）?？梢栽趯?shí)體模型或FEA，（有限元分析）模型（節(jié)點(diǎn)和單元）上加載。直接在實(shí)體模型加載優(yōu)點(diǎn)是幾何模型加載獨(dú)立于有限元網(wǎng)格，重新劃分網(wǎng)格或局部網(wǎng)格修改不影響載荷；同時(shí)加載的操作更加容易，尤其是在圖形中直接拾取時(shí)。但要注意：無論采取何種加載方式，ANSYS求解前都將載荷轉(zhuǎn)化到有限元模型上。因此,加載到實(shí)體的載荷將自動(dòng)轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點(diǎn)或單元上。（3）后處理后處理階段是對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力）在模型上的不同的等值線顏色，代變化情況可用等值線圖表示，表了不同的值（如應(yīng)力值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如應(yīng)力范圍）清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。另外還可以檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。3.4ANSYS參數(shù)化語言APDLANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）是一種可用來完成有限元分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言。本設(shè)計(jì)就是以通用有限元軟ansys的內(nèi)部命令和參數(shù)化編程語言APDL為基礎(chǔ),研究了塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模問題,設(shè)計(jì)了針對塔式起重機(jī)差異模型的參數(shù)化建模程序,通過對程序中結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式參數(shù)的修改和賦值,完成具有相似結(jié)構(gòu)的塔式起重機(jī)的建模和分析。3.4.1APDL簡介進(jìn)行有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)過程包括：定義模型及其載荷，求解和解釋結(jié)果，假如求解結(jié)果表明有必要修改設(shè)計(jì)，例如在建模時(shí)，就必須重復(fù)定義節(jié)點(diǎn)位置，特別當(dāng)模型較復(fù)雜或修改較多時(shí)，這個(gè)過程可能很復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的。ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)用建立智能分析的手段為用戶提供了自動(dòng)完成上述循環(huán)的功能，也就是說程序的輸入可設(shè)定為根據(jù)指定的函數(shù)，變量以及選出的分析標(biāo)準(zhǔn)作出決定。APDL允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶實(shí)際上對任何設(shè)計(jì)或分析屬性有控制權(quán)；例如尺寸，材料，載荷，約束位置和網(wǎng)絡(luò)密度等。APDL擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析范圍以外的能力，并擴(kuò)充了更高級運(yùn)算，包括靈敏度研究，零件庫參數(shù)化建模，設(shè)計(jì)修改及設(shè)計(jì)優(yōu)化。APDL的功能主要有：參數(shù)；數(shù)組參數(shù)；表達(dá)式和函數(shù)；分支和循環(huán)；重復(fù)功能和縮寫；宏；用戶函數(shù)；這些功能可根據(jù)需要單獨(dú)或同時(shí)使用。3.4.2APDL功能描述APDL允許用戶通過指定或程序計(jì)算給變量(參數(shù))賦值，ANSYS運(yùn)行中的任一時(shí)刻都能定義參數(shù)。另外，可將參數(shù)保存或其它運(yùn)行和報(bào)告使用。參數(shù)性能提供了對程序進(jìn)行控制和簡化數(shù)據(jù)輸入的有效方法。參數(shù)可以定義成常數(shù)值，也可以用參數(shù)表達(dá)式的當(dāng)前值定義，甚至可以是一個(gè)字符串。參數(shù)的名稱必須以字母開頭，可以包含數(shù)字和下劃線或命令。定義參數(shù)的參數(shù)表達(dá)式可以包括典型的數(shù)值運(yùn)算和FORTRAN函數(shù)。除了用戶指定的參數(shù)外，ANSYS計(jì)算出的值也可以賦給參數(shù)，*GET命令(GUI：UtilityMenu>GetScalarData)可指示程序從模型數(shù)據(jù)庫中讀出數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)號(hào)的最小值或最大值，關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)或計(jì)算的應(yīng)力和溫度值。工程分析所需要和所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型，有時(shí)用表格形式更易理解。ANSYS數(shù)組參數(shù)的功能使這類數(shù)據(jù)的處理很方便。定義數(shù)組參數(shù)，首先明確它的類型和維數(shù)，數(shù)組參數(shù)是定義成矩陣形式的多維數(shù)組。它們可以是一維、二維或三維。數(shù)組參數(shù)可以具有用戶定義的，也可以具有ANSYS計(jì)算出的值。用戶定義的數(shù)組能在ANSYS中直接鍵入或從現(xiàn)在的數(shù)據(jù)文件讀入。智能分析需要一個(gè)做決定用的框架，利用分支和循環(huán)性把這個(gè)框架提供給ANSYS程序，循環(huán)使用戶避免了冗長的命令重復(fù)，而分支為用戶提供了控制程序全局和指導(dǎo)程序完成的分析和能力。分支利用FORTRAN的GO和IF語句引導(dǎo)程序按非連續(xù)讀取命令，GO命令指示程序轉(zhuǎn)到用戶標(biāo)定的輸入行，IF命令是條件轉(zhuǎn)移語言，只有當(dāng)滿足指定條件時(shí)，該命令才指示程序轉(zhuǎn)到另一行。ELSE語句也有效，它指示程序根據(jù)現(xiàn)有的條件去執(zhí)行幾個(gè)動(dòng)作的一個(gè)，IF命令可以包含用戶指定或ANSYS計(jì)算出的參數(shù)評估條件。最簡單的分支命令，*GO，指引程序轉(zhuǎn)到特定的標(biāo)記而不執(zhí)行中間部分的命令。最常見的分支結(jié)構(gòu)為IF-then-else,使用*IF，*ELSEIF和*ENDIF。分支命令能引導(dǎo)程序根據(jù)實(shí)際或分析作決定，該命令允許帶參數(shù)，且允許部分輸入值隨計(jì)算出的某些量值改變。循環(huán)通過典型的DO循環(huán)指令實(shí)現(xiàn)，這個(gè)指令指示程序重復(fù)一串命令，循環(huán)的次數(shù)有記數(shù)器或其它循環(huán)的控制器來控制，控制器完全根據(jù)給定條件的狀態(tài)來決定程序是繼續(xù)循環(huán)還是退出循環(huán)。重復(fù)功能通過去除命令串中是不必要的重復(fù)來簡化命令輸入，在一個(gè)輸入序列中鍵入重復(fù)命令*REPEAT時(shí)，程序立即將前面的命令重復(fù)執(zhí)行指定的次數(shù)。被重復(fù)的命令執(zhí)行起來就像它是輸入的一樣，每重復(fù)一次，命令變量就會(huì)增加。這些功能可大大簡化模型構(gòu)造，在模型開發(fā)中可以重復(fù)功能產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)、線段、邊界條件及其它模型屬性?？s寫能用于簡化命令輸入，一旦一個(gè)縮寫定義好，就能在命令流的任何地方使用。ANSYS的APDL語言其它項(xiàng)功能就不詳細(xì)介紹了，因?yàn)樵诒菊撐闹胁粫?huì)用到它們。在后面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中主要用到參數(shù)和分支、循環(huán)語句。4QTZ40型塔式起重機(jī)靜態(tài)分析4.1QTZ40型塔式起重機(jī)的主要參數(shù)QTZ40自升塔式起重機(jī)是我公司在總結(jié)各種系列自升塔式起重機(jī)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，吸收國內(nèi)外最新科技成果和先進(jìn)技術(shù)研制成的新一代自升塔式起重機(jī)。該機(jī)為水平臂架、小車變幅、上回轉(zhuǎn)、液壓頂升的自升塔式起重機(jī)。起重臂長有50m、44m、二種；最大起重量為5t，平衡臂長為9.95m，塔頂高5.748m,額定重力矩為400KN.m(40t.m)。該機(jī)固定式起升高度為31.1m，附著式起升高度為60/120m，適用于28層以下的高層建筑和居民住宅的施工。該機(jī)的作業(yè)空間大，可以小代大，大大降低施工設(shè)備的臺(tái)班費(fèi)用，是節(jié)約能源，節(jié)約鋼材，減少運(yùn)輸量的理想的建筑施工用起重機(jī)械。塔機(jī)的升高加節(jié)，采用液壓頂升，使塔機(jī)在一定高度范圍內(nèi)，根據(jù)建筑施工的需要自由升降，并能保持塔機(jī)的起重性能的穩(wěn)定。司機(jī)室安裝在塔機(jī)上部，視野開闊，操作舒適便捷。塔機(jī)設(shè)有各種安全保護(hù)裝置，包括起重力矩限制器、最大起重量限制器、回轉(zhuǎn)限位器和變幅限位器等，從而保證了塔機(jī)的安全運(yùn)作。QTZ40自升塔式起重機(jī)參數(shù)先進(jìn),性能可靠,造型美觀,結(jié)構(gòu)合理,質(zhì)量精良，其設(shè)計(jì)思想既注重量大面廣的中小建筑施工單位的要求，具有簡單實(shí)用價(jià)格合理的突出優(yōu)點(diǎn)又能適應(yīng)高層住房和高層工業(yè)建筑的施工要求。4.1.1定義材料屬性根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊，起重機(jī)金屬機(jī)構(gòu)選擇材料的原則，通常考慮下列因素：(1)金屬結(jié)構(gòu)的類型；(2)金屬結(jié)構(gòu)的載荷性質(zhì)；(3)金屬結(jié)構(gòu)的工作溫度；(4)金屬結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境。塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)通常選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)主要采用Q235A碳鋼，彈性模量為212Gpa，泊松比為0.288，密度為7.86×103kg/m3。4.2QTZ40塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析過程對于不同的分析目的就會(huì)存在不同的模型化方法。可以把“不同的分析目的”用“視點(diǎn)的變化”來表現(xiàn)，在分析結(jié)構(gòu)整體變化時(shí)的情況把視點(diǎn)放置于遠(yuǎn)方的場合，在分析結(jié)構(gòu)局部變化時(shí)的情況把視點(diǎn)放置于拉近時(shí)的場合。本文主要分析結(jié)構(gòu)整體的變化，所以把視點(diǎn)放置于稍微遠(yuǎn)的地方，看到的塔式起重機(jī)就是由許多細(xì)長的構(gòu)件組合而成的框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)然如果要考慮其局部結(jié)構(gòu)變化，可以把塔式起重機(jī)用三維實(shí)體單元來模型化。4.2.1在前處理器中建立有限元分析模型塔式起重機(jī)包括塔身、頂升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、司機(jī)室和回轉(zhuǎn)臺(tái)、平衡臂、塔頂撐桿、起重臂、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、變幅小車和起升吊鉤等部分。建立正確而可靠的塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型是一項(xiàng)非常重要而且繁雜的工作，它不僅關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確與否，而且直接影響著以后的各項(xiàng)工作，因此需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，根據(jù)實(shí)際計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，建立有限元模型的工作量一般要占整個(gè)分析工作的70-80%。實(shí)際塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，除了大量的梁桿結(jié)構(gòu)之外，還有板殼結(jié)構(gòu)、桿結(jié)構(gòu)等，支承邊界條件形式多種多樣，載荷種類和組合也較多，因此分析一臺(tái)實(shí)際塔式起重機(jī)必須對其進(jìn)行一定的簡化，忽略次要因素，建立既能反映實(shí)際情況又便于計(jì)算分析的結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型。塔機(jī)結(jié)構(gòu)分析的簡化由于回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實(shí)體部件相對塔機(jī)整體結(jié)構(gòu)而言幾何尺寸較小，而剛度較大、質(zhì)量較為集中，當(dāng)對塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析時(shí)，可以將回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實(shí)體部件采用梁桿單元進(jìn)行等效，使塔機(jī)的整體分析中只包含梁單元．避免了具有不同結(jié)點(diǎn)自由度的梁單元和板殼單元的聯(lián)接問題。另外，一般塔機(jī)都具有幾百甚至幾千根桿件，其輸人數(shù)據(jù)文件已經(jīng)很大，如果再同時(shí)分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的板殼結(jié)構(gòu)，更將大大增大數(shù)據(jù)文件，甚至超出了汁算機(jī)的工作能力。在做完整體分析之后，再將整體分析中得到的等效單元的結(jié)點(diǎn)力作為外載荷．采用板殼單元單獨(dú)分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，塔機(jī)必須工作在材料彈性范圍內(nèi)，且對一般的中小型塔機(jī)的分析不必考慮非線因素，因此本文只討論線性分析。選擇單元類型ANSYS提供了多種梁桿單元，在塔機(jī)分析中主要應(yīng)用梁單元，桿單元，殼單元及集中質(zhì)量單元。塔機(jī)是一種空間結(jié)構(gòu)，ANSYS軟件提供的常用彈性三維梁單元有BEAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189，它們都有各自的特點(diǎn)，能滿足不同的分析要求。塔機(jī)結(jié)構(gòu)中有許多較短的桿件，如塔身接頭、吊臂接頭等都屬于深梁，用普通梁單元建模會(huì)帶來較大的誤差，所以塔機(jī)分析應(yīng)使用BEAM188單元(線性梁單元)。BEAM188單元其形函數(shù)中撓度和截面轉(zhuǎn)動(dòng)各自獨(dú)立插值，并考慮了剪切變形的影響。建立幾何模型在ANSYS中有兩種方法來建立有限元幾何模型：(1)直接生成法；(2)實(shí)體建模法。直接生成法，是一種簡單的方法，本文采用該方法。使用命令流編程，這樣便于修改，而且節(jié)省時(shí)間。先建立節(jié)點(diǎn)，再生成單元。本文計(jì)算分析對象為QTZ40塔式起重機(jī)，將塔身、起重臂、平衡臂，過度節(jié)的每個(gè)結(jié)構(gòu)件連接點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間連接點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，吊臂各節(jié)銷軸連接處也作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)塔機(jī)有限元模型一共有個(gè)999個(gè)節(jié)點(diǎn)，1388個(gè)單元。整個(gè)QTZ40塔機(jī)的有限元模型如圖4.1,4.2所示，塔式起重機(jī)的起重臂和塔身如圖4.3,4.4所示。圖4.1塔式起重機(jī)的軸測圖圖4.2塔式起重機(jī)的左視圖圖4.3塔機(jī)的起重臂圖4.4塔機(jī)的塔身4.2.2施加載荷和約束進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，模型的約束方式必須滿足的條件是：保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生剛體位移，也就是說必須有足夠的自由度約束，以保證結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為滿秩矩陣，從而使整體剛度方程有唯一解。塔式起重機(jī)主要承受的載荷如下：1）塔式起重機(jī)自重以重力加速度的方式加到每個(gè)單元上。2）在塔臂配重端施加的配重以集中載荷的方式加到配重端的節(jié)點(diǎn)上。3）在塔臂最前端承受的吊重以集中載荷的方式加到前端的節(jié)點(diǎn)上，載荷為5T。4）固定塔身底部約束塔身底部的四個(gè)結(jié)點(diǎn)的所有自由度。在本次分析中忽略其它作用力對塔式起重機(jī)的影響。施加載荷和約束后的模型如4.5所示：4.2.3在通用后處理器中進(jìn)行結(jié)果分析進(jìn)入后處理器POST1(MainMenu>GeneralPostproc)，后處理通過圖形或列表方式顯示分析結(jié)果，通用后處理用于觀察在指定的載荷步的整個(gè)模型結(jié)果。由于直接在ANSYS里建立的有限元模型，模型里的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對實(shí)體模型來說都很少，其計(jì)算過程很簡單，不會(huì)花費(fèi)很長時(shí)間在求解過程。求解完成以后，分別對該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析如下：強(qiáng)度分析根據(jù)強(qiáng)度理論，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以保證在規(guī)定的使用條件下不發(fā)生意外斷裂或顯著塑性變形,所以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析是必要的。該結(jié)構(gòu)使用的材料為塑性材料,對于塑性材料,其屈服應(yīng)力σs小于強(qiáng)度極限,故通常以屈服應(yīng)力作為極限應(yīng)力。Q235A碳鋼的屈服應(yīng)力值為235MPa,按屈服應(yīng)力所規(guī)定的安全因素ns,通常取為1.5～2.2,在這取ns=1.5?？傻迷S用應(yīng)力[σ]=σs/ns＝156.7MPa式中———第一主應(yīng)力；———第二主應(yīng)力；———第三主應(yīng)力；———第四強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力。根據(jù)ANSYS的計(jì)算結(jié)果,最大等效應(yīng)力即相當(dāng)應(yīng)力值為126.98MPa,位置如圖4.6中所示。圖4.6塔式起重機(jī)的等效應(yīng)力云圖=126.98MPa=156.7MPa,,可知該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求,儲(chǔ)備較大。從圖中可以看出最大應(yīng)力發(fā)生在塔式起重機(jī)立著的部分，為了使結(jié)構(gòu)更為合理，可以對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。對于塔式起重機(jī)這類超靜定結(jié)構(gòu)，切不可在缺少理論根據(jù)的前提下,采取簡單辦法去盲目的局部加強(qiáng)、加固。以免造成超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分配而形成新的危險(xiǎn)區(qū)域。即使是局部焊補(bǔ)加固，也需要在一定的理論分析的基礎(chǔ)下選擇合適的部位，以免造成只降低了最大應(yīng)力而沒有改善應(yīng)力集中的情況，實(shí)際的隱患并沒有消除。剛度分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外,具有足夠的剛度也非常重要。將塔式起重機(jī)看作為外伸梁，對于梁的剛度條件為要求梁的最大撓度與最大轉(zhuǎn)角分別不超過各自的許用值，起重機(jī)的臂架在變幅平面內(nèi)相當(dāng)于簡支剛架，而在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)為懸臂剛架，其在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的變形是主要的，故以臂端在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的許用剛度為整個(gè)臂架的許用剛度：==1.75m根據(jù)ANSYS計(jì)算結(jié)果如圖4.7和塔機(jī)金屬結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析變形圖4.8，剛度滿足要求。圖4.7位移云圖圖4.8塔機(jī)金屬結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析變形圖5小結(jié)通過以上的分析，我們可以得到如下的結(jié)論：1）由以上分析，可以清楚地看到塔機(jī)所受到的最大、最小應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形情況，從而找出其危險(xiǎn)點(diǎn)，為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。2）有限元分析法是結(jié)構(gòu)分析的快速有效的方法，特別是有限元分析軟件的應(yīng)用使復(fù)雜工程問題求解變得簡單。參考文獻(xiàn)【1】劉相新,孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M]，北京：科學(xué)出版社，2006，181-396.【2】鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學(xué)手冊，北京：人民郵電出版社，2007,1.【3】巴特.有限元分析中的數(shù)值方法[M]，北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，2000,11-12.【4】胡宗武等.起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算[M]，北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社,2005,15-21.【5】起重機(jī)械[M]，上海：上海交通大學(xué)出版社，1990,10-12.【6】陳精一,蔡國忠.電腦輔助工程分析—ANSYS使用指南[M]，北京；中國鐵道出版社，2001,21-22.【7】岳中第等.基于ANSYS二次開發(fā)的整體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)[D]，成都：2000年ANSYS年會(huì)論文集，2000.【8】宋子康.材料力學(xué).上海:同濟(jì)大學(xué)出版社.致謝外文翻譯DimensionalTolerancesandSurfaceRoughnessBecauseofthehighlycompetitivenatureofmostmanufacturingbusinesses,thequestionoffindingwaystoreducecostiseverpresent.Agoodstartingpointforcostreductionisinthedesignoftheproduct.Thedesignengineershouldalwayskeepinmindthepossiblealternativesavailabletohiminmakinghisdesign.Itisoftenimpossibletodeterminethebestalternativeswithoutacarefulanalysisoftheprobableproductioncost.Designingforfunction,interchangeability,quality,andeconomyrequiresacarefulstudyoftolerances,surfaceroughness,processes,materials,andequipment.Toassuresoundandeconomicaldesignfromaproducbilitystandpoint,carefulconsiderationofthefollowinggeneraldesignrules—bothseparatelyandtogether—isofparamountimportance.Theorderofimportancemayvaryaccordingtodesignrequirements,orfactors,buttheoverallimportancealwaysremainsthesame.Seeksimplicity.Designformaximumsimplicityinfunctionalandphysicalcharacteristics.Determinethebestproductionmethod.Seekthehelpofaproductionengineertodesignforthemosteconomicalproductionmethods.Analyzematerials.Selectmaterialsthatwilllendthemselvestolow—costproductionaswellastodesignrequirements.EliminatefixTuringandhandlingproblems.Designforeaseoflocating,settingup,andholdingparts.Employmaximumacceptabletolerancesandfinishes.Specifysurfaceroughnessandaccuracynogreaterthanthatwhichiscommensuratewiththetypeofpartormechanismbeingdesigned,andtheproductionmethodormethodscontemplated.Dimensionaltoleranceandsurfaceroughnessplayanimportantpartinthefinalachievementorabsenceofpracticalproductiondesign.Acomprehensivestudyoftheprinciplesofinterchangeabilityisessentialforathoroughunderstandingandfullappreciationoflow—costproductiontechniques.Interchangeabilityisthekeytosuccessfulproductionregardlessofquantity.Detailsofallpartsshouldbesurveyedcarefullytoassurenotonlyinexpensiveprocessingbutalsorapid,easyassemblyandmaintenance.Itmustberememberedthateachproductionmethodhasawell-establishedlevelofprecisionwhichcanbemaintainedincontinuousproductionwithoutexceedingnormalbasiccost.

Economicmanufacturingdoesnot“justhappen.”Itstartswithdesignandconsiderspracticallimitsofmachinetools,processes,tolerances,andsurfaceroughness.Neitherdimensionaltolerancesnorsurfaceroughnessshouldbespecifiedtolimitsofaccuracycloserthanthosewhichtheactualfunctionordesignnecessitate.Thisisdonetoassuretheadvantagesoflowestpossiblecostandfastestpossibleproduction.

Withoutneedingtoknowhowtooperateaparticularmachinetoattainthedesireddegreeofsurfaceroughness,therearecertainaspectsofallthesemethodswhichshouldbeunderstoodbythedesignengineer.Knowledgeofsuchfactsasdegreeofroughnessobtainedbyanyoperation,andtheeconomicsofattainingasmoothersurfacewitheachoperation,willaidhimindecidingjustwhichsurfaceroughnesstospecify.Becauseofitssimplicity,thearithmeticalaverageRahasbeenadoptedinternationallyandiswidelyused.TheapplicationsofsurfaceroughnessRaaredescribedinthefollowingparagraphs.0.2μmThesurfaceroughnessisusedforthesurfaceofhydraulicstruts,forhydrauliccylinders,pistonsandpistonrodsforO-ringpackings,forjoumalsoperatinginplainbearings,forcamfaces,andforrollsofantifrictionbearingswhenloadsarenormal.0.4μmThesurfaceroughnessisusedforrapidlyrotatingshaftbearings,forheavilyloadedbearings,forrollsinbearingsofordinarycommercialgrades,forhydraulicapplications,forstaticsealingrings,forthebottomofsealing-ringsgrooves,forjournalsoperatinginplainbearings,andforextremetensionmembers.0.8μmThesurfaceroughnessisnormallyfoundonpartssubjecttostressconcentrationsandvibrations,forbroachedholes,gearteeth,andotherprecisionmachinedparts.1.6μmThissurfaceroughnessissuitableforordinarybearings,forordinarymachinepartswherefairlyclosedimensionaltolerancesmustbeheld,andforhighlystressedpartsthatarenotsubjecttoseverestressreversals.3.2μmThesurfaceroughnessshouldnotbeusedonslidingsurfaces,butcanbeusedforroughbearingsurfaceswhereloadsarelightandinfrequent,orformoderatelystressedmachineparts.6.3μmTheappearanceofthissurfaceroughnessisnotobjectionable,andcanbeusedonnoncriticalcomponentsurfaces,andformountingsurfacesforbrackets,etc.

FundamentalsofMechanicalDesign

Mechanicaldesignmeansthedesignofthingsandsystemsofamechanicalnature-machines,products,structures,devices,andinstruments.Forthemostpartmechanicaldesignutilizesmathematics,thematerialssciences,andtheengineering-mechanicssciences.

Thetotaldesignprocessisofinteresttous.Howdoesitbegin?Doestheengineersimplysitdownathisdeskwithablanksheetofpaper?And,ashejotsdownsomeideas,whathappensnext?Whatfactorsinfluenceorcontrolthedecisionswhichhavetobemade?Finally,then,howdoesthisdesignprocessend?

Sometimes,butnotalways,designbeginswhenanengineerrecognizesaneedanddecidestodosomethingaboutit.Recognitionoftheneedandphrasingitinsomanywordsoftenconstituteahighlycreativeactbecausetheneedmaybeonlyavaguediscontent,afeelingofuneasiness,orasensingthatsomethingisnotright.Theneedisusuallynotevidentatall.Forexample,theneedtodosomethingaboutafood-packagingmachinemaybeindicatedbythenoiselevel,bythevariationinpackageweight,andbyslightbutperceptiblevariationsinthequalityofthepackagingorwrap.Definitionoftheproblemmustincludeallthespecificationsforthethingthatistobedesigned.Thespecificationsaretheinputandoutputquantities,thecharacteristicsanddimensionsofthespacethethingmustoccupyandallthelimitationsonthesequantities.Wecanregardthethingtobedesignedassomethinginablackbox.Inthiscasewemustspecifytheinputsandoutputsoftheboxtogetherwiththeircharacteristicsandlimitations.Thespecificationsdefinethecost,thenumbertobemanufactured,theexpectedlife,therange,theoperatingtemperature,andthereliability.

Therearemanyimpliedspecificationswhichresulteitherfromthedesigner’sparticularenvironmentorfromthenatureoftheproblemitself.Themanufacturingprocesseswhichareavailable,togetherwiththefacilitiesofcertainplant,constituterestrictionsonadesigner’sfreedom,andhencearepartoftheimpliedspecifications.Asmallplant,forinstance,maynotowncold-workingmachinery.Knowingthis,thedesignerselectsothermetal-processingmethodswhichcanbeperformedintheplant.Thelaborskillsavailableandthecompetitivesituationalsoconstituteimpliedspecifications.

Aftertheproblemhasbeendefinedandasetofwrittenandimpliedspecificationshasbeenobtained,thenextstepindesignisthesynthesisofanoptimumsolution.Nowsynthesiscannottakeplacewithoutbothanalysisandoptimizationbecausethesystemunderdesignmustbeanalyzedtodeterminewhethertheperformancecomplieswiththespecifications.

Thedesignisaniterativeprocessinwhichweproceedthroughseveralsteps,evaluatetheresults,andthenreturntoanearlierphaseoftheprocedure.Thuswemaysynthesizeseveralcomponentsofasystem,analyzeandoptimizethem,andret