基于ANSYS的船用伸缩折臂式起重机整机结构的有限元模块化建模研究

李利斌 徐金帅

(大连理工大学运载工程与力学学部 辽宁 大连 116000)

基于ANSYS的船用伸缩折臂式起重机整机结构的有限元模块化建模研究

李利斌 徐金帅

(大连理工大学运载工程与力学学部 辽宁 大连 116000)

本文以6 t-10m伸缩折臂式起重机为例，提出了一种基于ANSYS、通过APDL编程实现整机结构有限元模块化建模的方法，将各工况建模参数化，提高了这种起重机的有限元分析效率，缩短了研发周期。

ANSYS；APDL；伸缩折臂式起重机；船用起重机；有限元；模块化建模；参数化

一、引言

随着航运业的发展，船用起重机的需求越来越大，并逐渐向大型化、专业化的方向发展。其中，伸缩折臂式起重机以其工作幅度大、占用空间小等优点，能够非常好地满足船舶对起重设备的要求，在各类船舶尤其是中小型船舶上的应用越来越广泛。

伸缩折臂式起重机的运动部件较多，起重工况也较多，因此有限元建模及分析都比较复杂，往往每分析一个工况，就要重新建立一次模型，分析人员不但工作繁重，效率也较低。

本文以ANSYS 14.5为平台，以6 t-10m船用伸缩折臂式起重机为例，通过APDL编程，实现了整机结构的有限元模块化建模，将各工况建模参数化，大大提高了分析效率，缩短了产品的开发时间。

二、船用伸缩折臂式起重机的结构组成

船用伸缩折臂式起重机的工作状态及结构组成如图1所示。

1—立柱；2—回转支承；3—塔身；4—变幅臂；5—底节臂；6、7—伸缩臂；8—伸缩油缸；10—变幅油缸；11—折臂油缸；12—起升卷扬

图1 起重机工作状态及结构组成

三、船用伸缩折臂式起重机整机结构有限元模型的建立

(一)整机结构的模块化

根据起重机各部件间的连接关系，可以将其划分成不同的模块，用solid45单元建立有限元模型，并对其密度进行调整，保证其质量与实际质量相等。三个油缸均用link180模拟。

各模块分别是由立柱、回转支承、塔身组成的下车模块，变幅臂模块，由底节臂和卷扬支架组成的底节臂模块，以及各节伸缩臂模块，其有限元模型见图2—图5所示。

图2 立柱—塔身模块

图3 变幅臂模块

图4 底节臂模块

图5 伸缩臂模块

各个模块建立有限元模型后均导出其节点文件(NLIST)和单元文件(ELIST)，再对这两个文件进行处理(可利用EXCEL、MATLAB或C语言等软件进行编程处理)，生成一定格式的APDL命令流文件，其文件格式如下：

其中nmax为在组装各模块时，为了与其它模块的节点号区分开来而设立的一个标号，可以在前一模块装配完毕后，在主程序中用以下APDL命令得到：

*get,nmax1,node,,num,max!取得当前最大节点标号

(二)各模块的组合

1.确定工况参数

实际作业中，变幅臂的变幅角度α、基本臂的折臂角度β和伸缩臂的伸缩长度L1、L2共同决定了起重机的作业半径，所以可以将这四个参数作为起重机的工况参数，如图6所示。

图6 工况参数

2.各模块有限元模型的连接方法

各个模块间的连接方式有两种，即铰接和滑块连接。

铰接分两种：单向铰接和关节铰接。单向铰接约束除绕轴向转动外的五个自由度，关节铰接约束三个平移自由度。

滑块连接约束除沿臂长方向平移以外的五个自由度。

下面详述在ANSYS里如何模拟铰接和滑块连接。

为了简化模型，提高运算速度，也为了便于APDL编程，这里不采用接触的连接方法，而是采用了刚性区域和刚性约束的方法。这样做忽略了接触面周围小区域内受力分析的准确性，对这些区域需要用解析法或有限元法进行单独分析，此处不再详述。具体做法如下。

对于铰接，需要引入mass21单元和beam188单元。mass21单元只用来传力，其实常数中的各个值均定义为0。在铰接的双耳板的每个耳板的中心分别建立节点1和节点2，在这两个节点中心再建立一个节点3。在这三个节点上均建立mass21单元，将节点1和节点2分别与其铰孔周围的节点建立刚性区域。然后用这三个节点建立beam188单元。同样，在单耳板的中心建立一个节点4，在节点4上建立mass21单元，将节点4与其铰孔周围的节点建立刚性区域。节点3和节点4重合，将其建立刚性约束，仅放开绕轴转动的自由度。如图7所示。

油缸两端的铰接属于关节铰接，可不建立节点4，只需用link180连接两端的耳板中间节点即可。

对于滑块连接，需要引入mass21单元和单向受压的link180单元。在滑块连接的两个面的中心分别建立节点1和节点2，在这两个节点上均建立mass21单元，并将这两个节点分别与其周围滑块范围内的节点建立刚性区域，再用link180连接这两个节点。如图8所示。

图7 铰接图

图8 滑块连接

3.组装各模块

用APDL语言编写主程序组装各模块，具体步聚如下。

(1)定义单元类型(solid45，mass21，link180，beam188)、材料属性、实常数、梁截面大小。

(2)依次用/input命令导入立柱—塔身模块、变幅臂模块、底节臂模块、伸缩臂模块等命令流文件，根据工况参数确定各模块的位置，并根据其位置和模块局部坐标系与总坐标系的角度关系确定工作坐标系的位置和方向，在工作坐标中导入模块。

(3)用APDL编程连接各模块。

(4)施加约束和载荷。约束的位置固定在立柱的根部。根据相关的规范确定各载荷的大小，根据工况参数计算出各载荷施加的位置，用APDL命令流编程实现。

这样，只要改变主程序中相应的工况参数α、β、L1、L2和吊重G，在ANSYS中运行主程序，就可以得到起重机不同工况下的整机结构的有限元模型。

(三)6t-10m伸缩折臂式起重机算例

根据本文的方法，将6t-10m伸缩折臂式起重机各部件建立有限元模块的命令流文件，并用APDL语言编写主程序，通过改变工况参数和载荷参数，得到不同工况下整机结构的有限元模型。如图9—图12所示。

图9 10m工作幅度状态

图10 15m工作幅度状态

图11 6t-10m工况计算结果

图12 3t-15m工况计算结果

四、结论

本文基于ansys对船用伸缩折臂式起重机整机结构的有限元模块化建模方法进行了研究，该方法易于用APDL编程实现各模块的组装和连接，实现了基于作业工况的整机结构的有限元参数化建模。通过6t-10m伸缩折臂式起重机整机结构的有限元仿真，证实了该方法的可行性。这种模块化建模方法可大大缩短起重机有限元仿真的建模时间，从而缩短了设计周期，节约了研发经费。

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