基于ANSYS的桥式起重机主梁CAE平台的开发

张青雷, 徐忠毅, 陈 杰, 郭井宽

(1.上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;2.上海起重运输机械厂有限公司,上海200433)

基于ANSYS的桥式起重机主梁CAE平台的开发

张青雷1, 徐忠毅2, 陈 杰2, 郭井宽1

(1.上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;2.上海起重运输机械厂有限公司,上海200433)

针对起重机通用型主梁的有限元仿真难度大、周期长的问题,以ANSYS软件为基础进行二次开发,建立面向起重机通用型主梁设计的仿真设计平台,从而降低起重机主梁设计方案验证和校核的复杂性,使生产主梁的关键技术有限元快速仿真成为可能,为大型起重机产品设计制造提供技术支持。

主梁;计算机辅助工程;二次开发;仿真平台

Abstract：Simulating a general main girder is difficult and time consuming.A simulation platform for the main girder is designed based a secondary development of ANSYS.Computation complexity is reduced to make fast FEA modeling and simulation possible.The platform is also useful in the production of cranes.

Key words:main girder;computer aided enyineering(CAE);secondary development;simulation platform

桥式起重运输机械主要用于装备制造、冶金、钢铁等大型加工企业、铁路交通、港口码头及物资周转等场所。作为关键的工艺装备或重要的辅助设备,起重机在物质生产和物资流通中发挥了非常重要、不可替代的作用[1]。对起重机的深入研究和开发,必将对整个国民经济相关行业产生深远的影响。

长期以来,起重机的设计多采用以传统数学和力学为基础的半理论、半经验等传统设计方法,设计过程周期长、精度差、反复多[2]。随着科学技术水平的不断提高和现代设计方法的出现,桥式起重机在设计与制造方面的问题更加突出。不断提高桥式起重机的设计技术含量,减轻桥式起重机的重量已成为起重机械研究的主要方向;对占起重机质量60%以上的主梁进行研究,将对合理改进结构,降低起重机成本,实现起重机设计的高质量、高效率具有重要的现实意义。

本文主要结合上海起重运输机械厂有限公司的生产实际,在已有研究成果和通用有限元分析系统的基础上,以ANSYS为平台,通过软件集成和二次开发,开发出了一套具有自主知识产权、适用于多用途起重机通用型主梁强度和疲劳校核分析系统,为今后研制、开发起重机领域产品的分析软件及其他专用有限元分析软件提供了一条新的途径和实用方法。

1 起重机通用型主梁

桥式起重机主要由主梁、大车运行机构、端梁、起重小车等组成。主梁是移动的箱型结构。起重小车的自重和负荷通过轨道传递到主梁结构,主梁结构又通过支撑主梁的运行车轮将起重机的全部重量传递给起重机轨道和建筑结构。主梁的质量一般占起重机自重的50%以上,其结构复杂,包括端部弯板、上下盖板、主副腹板、轨道、大筋板、小筋板及角钢加强筋等,要求有足够的强度,紧凑的外形尺寸,较好的垂直和水平刚性,方便的安装维护、快捷的加工制造等[3-4]。由于主梁是箱形梁桥式起重机的主要承载构件,其设计参数取值优劣决定了整个起重机的设计成败。因此,利用先进的现代设计技术,搭建可以快速进行主梁设计方案验证和校核的CAE平台,成为实现起重机主梁设计方案和制造工艺优化的重要手段。

2 ANSYS软件

有限元分析软件ANSYS是世界上最著名的大型通用有限元计算软件,包括热、电、磁、流体和结构等模块,具有强大的求解器和前、后处理功能,内置有百余种单元类型,为解决复杂、庞大的工程项目和高水平的科研项目攻关提供了一个良好的工作环境[5-6]。ANSYS为用户提供了友好的二次开发技术,其功能可以向深度和广度进一步扩展,可通过软件提供的二次开发语言与外部的脚本开发语言相结合,建立满足用户需求的专业化的软件系统;同时,ANSYS还具有强大的后处理计算功能,可以满足用户复杂的工程应用计算的需要[7-8]。

3 起重机通用型主梁CAE平台

3.1 平台开发的技术方法与结构模块

CAE平台主要采用 TCL/TK脚本开发语言和ANSYS内部开发语言,分析在多用途起重机通用型主梁仿真分析过程中所涉及的各类问题,如模型建立、材料属性设置、网格划分、边界条件引入、计算结果后处理等,再提取关键的仿真参数,利用ANSYS高级分析技术,建立主梁分析系统。起重机通用型主梁CAE平台的技术流程如图2所示。

图1 起重机通用型主梁CAE平台的技术流程Fig.1 Flow chart of the CAE platform for main girder

CAE仿真平台主要由参数化建模模块、参数化边界设置模块、参数化仿真分析与后处理模块3部分组成。参数化建模模块主要完成主梁的几何模型和有限元模型的建立;边界设置模块主要针对主梁强度分析和疲劳校核的载荷特性形成边界快速设置;而仿真分析与后处理模块主要完成结果输出和工程应用的计算。

3.2 主梁参数化建模

总结主梁结构设计和变形分析中的共性技术问题及解决方案,以此为基础便可建立适用于主梁仿真分析的虚拟仿真平台。设计时以交互性与自动性并重为原则,对原有主梁几何模型和有限元模型进行分析,建立完整的主梁参数化建模与划分网格模块,用于快速建立仿真分析的主梁模型。

主梁建模的基本流程如图2所示。在CAE平台系统下形成一个典型的通用型主梁参数化模型,用户在此基础上可方便地修改局部尺寸数据,满意后进行有限元网格划分和边界负荷加载。

图2 主梁建模的基本流程Fig.2 Flow chart of the main girde grider modeling

参数化建模模块可在整体上控制主梁的结构,包括端部尺寸、总体尺寸和筋板尺寸等,从而形成主梁强度和疲劳校核数值模拟的模型,构成了用户操作的基础。图3为利用CAE平台建模模块建立的主梁仿真的几何模型和有限元网格模型。

图3 CAE平台建立的主梁几何模型和有限元网格模型Fig.3 Geometric model and finite element model of main girder using the CAE platform

3.3 主梁分析参数化边界设置

根据实际存在的问题,提取主梁运行过程中影响主梁变形的主要因素,对已建立的主梁模型完成载荷设计。主梁分析参数化边界设置模块分为2个界面:一般载荷条件界面和疲劳载荷界面,可以实现单一工况的主梁变形、应力、应变的分析和多工况条件集成的分析与数据对比计算。完成的CAE平台疲劳载荷条件边界设置界面如图4所示。

图4 疲劳载荷条件设置界面Fig.4 User interface for fatigue loading

3.4 参数化分析与后处理

利用ANSYS的分析与后处理功能,对主梁进行分析,以数据表格、图片和动画的形式进行结果输出,并结合已有的主梁疲劳计算数学模型理论,利用ANSYS的矩阵运算功能进行分析求解,得到特定主梁工况条件下的强度和疲劳数据,经过多型号主梁的结果对比分析,为主梁设计提供快速、准确的指导。图5为CAE仿真平台得出的主梁变形结果,图6为仿真平台计算结果和工程实测结果的对比。

图5 CAE仿真平台分析变形结果Fig.5 Deformation of main girder obtained with the CAE platform

图6 CAE仿真平台计算和实测结果对比Fig.6 Comparison between the CAE platform result and actual measured data

4 结 语

随着计算机技术的迅速发展,各种商用、通用的CAE软件已应用到起重机通用型主梁的设计与制造中,但使用情况并不理想。本文在CAE软件上进行二次开发,建立面向多用途起重机通用型主梁设计和制造的关键技术的CAE仿真平台,可以帮助设计和生产人员快速建立合理的有限元模型,得到正确可靠的分析结果,并应用该平台进行主梁设计与制造工艺的建模与仿真,这将缩短主梁的生产周期,减少加工难度,降低成本,满足当今时代产品快速设计制造的需要。

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Developing CAE Platform Using ANS YA for the Main Girder of Over-head Traveling Crane

Z HA N G Qinglei1, XU Zhongyi2, CH EN J ie2, GUO J ingkuan1
(1.Shanghai Electric Group Co.,Ltd.Central Academe,Shanghai 200070,China;2.Shanghai Crane&Convveyor Works Co.,Ltd,Shanghai 200433,China)

TB 115

A

2095-0020(2010)04-0240-04

2010-05-13

上海市科技攻关计划项目(08DZ1120400)

张青雷(1973-),男,高级工程师,博士,专业方向为数字化设计与制造,E-mail:qingleizhang@secca.cn