某起重機起重臂的有限元分析案例 11.1有限元分析方法概述 1 1 2 2 31.3雙吊點式塔式起重機起重臂的有限元分析過程 31.3.1定義材料和加載材料 41.3.2定義連接類型及夾具 41.3.3施加載荷和約束 51.3.4有限元模型的建立 6 7 81.4.1定義材料和加載材料 9 9 9 11.1有限元分析方法概述1.1.1有限元方法簡介有限元法(FEA,FiniteElementAnalysis)基礎(chǔ)的原理是固體流動變分，遇到整體比較龐大的曲面或者比較復(fù)雜的曲線時，研究者就要把它切成一個個規(guī)則的小塊，這個小塊就稱為單元，單元之間利用普通節(jié)點連接起來，這樣整個復(fù)雜的整體就被有規(guī)則的劃分成了有限個單元，簡稱有限元?？梢钥闯鰜?，單元格劃分?jǐn)?shù)量有限，節(jié)點數(shù)目也有限，所以這種方法叫有限元。說白了，有限元就類似于是一個數(shù)學(xué)求解的過程。第一步按照已知的平衡條件進行簡單的分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程把這些規(guī)則小塊重新進行有目的地組裝，成為一個新的組合體，我們需要先進的計算機模擬技術(shù)解決求解微分方程這個難題轉(zhuǎn)化而來的大量數(shù)程中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析問題而設(shè)計的，它最開始誕生于1940年。經(jīng)過大半個世紀(jì)料的特征性能和3D幾何形狀等；有限元法工作的基本原理是加權(quán)余量法和變分原理，這意味著將其整體劃分為數(shù)量一定、具有一樣的從而可以不間斷地將空間問題轉(zhuǎn)化為具有基本單元的離散問題。1.1.3SolidWorks軟件及Simulation插件介紹程圖、Api二次開發(fā)等。SolidWorks軟件建模使用的是三維設(shè)計方法。設(shè)計人員或者將設(shè)計繪畫的零部件及經(jīng)裝配配合而生成的新裝配體的零件再次進行配合生成三維裝配體。SolidWorks使用方便，可以直接從現(xiàn)有零件中生成新零件進行裝配設(shè)計，很大程度上改善了設(shè)計效率。SolidWorks都具有全面的三維建模能力，豐富性超乎預(yù)期。Simulation是一個內(nèi)嵌在SolidWorks軟件中的設(shè)計分析系統(tǒng)，是運動仿真分析中一個重要插件，分析流程相對固定，一般包括定義材質(zhì)、定義連結(jié)、定義夾具、指定載荷、劃分網(wǎng)格，然后運行分析，最后得到結(jié)果。它提供了單一屏幕解決方案來進行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。其最早出現(xiàn)于2009版本，體現(xiàn)了設(shè)計仿真一體化的設(shè)計理念，它是對實體事物或過程的虛擬模仿。該插件提供了靜態(tài)及動態(tài)分析功能，其在有限元分析計算過程中的程序一般是：首先通過定義一系列參數(shù)創(chuàng)建并命名一個新算例，而后選定模型的材料，接著通過工具欄中外部載荷顧問實現(xiàn)模型載荷大小和方向及類型的施加，再往后定義模型的接觸類型并使用右側(cè)網(wǎng)格化命令對模型進行網(wǎng)格化劃分，在這些步驟完成之后就可以點擊算例運行按鈕等待計算分析結(jié)果的產(chǎn)生。經(jīng)過該分析程序后操作人員可以得到該模型的應(yīng)力、扭曲、頻率及熱分析并可據(jù)此提出相應(yīng)的優(yōu)化建立模型進行后期結(jié)構(gòu)處理時應(yīng)遵循如下原則：a.起重臂建模最顧及的就是約束條件，既要符合實際條件，還又要簡化計算，所以將塔身近似看成剛性基礎(chǔ)錯誤!未找到引用源。b.起重臂吊點之類的結(jié)構(gòu)設(shè)計是重要研究部位，應(yīng)與實際載荷一致，根據(jù)虛功原理把所有不在節(jié)點上的力要平均分配給相鄰節(jié)點，便于理想化模型；c.原則上起重臂結(jié)構(gòu)模型要和實際一模一樣，但是在專門的研究領(lǐng)域可以忽略某些對結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述原則，在建立模型時作了如下簡化和理想化：(1)及時多次地對完成建模的部件進行干涉和間隙檢查，如果存在干涉情況會影響后續(xù)工作的開展；(2)完成的模型上不要有細長的表面。進行網(wǎng)格劃分時，細長曲面劃分質(zhì)量(3)通常，小于10mm的孔忽略不計，這些孔對整體強度影響很小，平白增加工作量。1.3雙吊點式塔式起重機起重臂的有限元分析過程由于在有限元分析中不易對零件結(jié)構(gòu)進行分離，總是存在著難以確定的邊界錯誤!未找到引用源。立，分析運算，即可以得到塔式起重機吊裝2t貨物時起重臂的靜態(tài)應(yīng)力分布圖定義吊臂的材料為Q235鋼，密度為p=7800kg/m3,彈性模量E=2.1*10?Mpa,泊松比為0.28,屈服強度為220.594Mpa。為了在不影響結(jié)果的情況下定義起重臂上銷軸孔處為“固定幾何體”,這個夾具的作用在于把吊臂固定死，使各銷軸孔完全不運動。詳細設(shè)置參數(shù)見圖4-屬性屬性表格和曲線外觀剖面線自定義應(yīng)用程序數(shù)據(jù)收藤鈑金醫(yī)模型類型M:線性彈性各向同持續(xù)性來定義 膜 膜質(zhì)量率度7850熱導(dǎo)率0.2256熱導(dǎo)率0.2256□①X面(2①面(2面<31.3.3施加載荷和約束整個起重臂是空間桁架結(jié)構(gòu)，受力不是簡單的線性關(guān)系計算，分析計算要占用電腦和人工較多的資源，所以進行簡化。起重臂每節(jié)臂之間的銷釘聯(lián)接，都假定為固定部件，簡單快速求解。詳細載荷參數(shù)設(shè)置見圖4-3。塔式起重機所有約束參數(shù)見圖4-4。略□國-5隱申圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-3載荷參數(shù)激活Windows圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-4雙吊點塔式起重機約束條件參數(shù)網(wǎng)格，二階高品質(zhì)單元，其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4-5所示。圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-5起重機網(wǎng)格劃分結(jié)果經(jīng)計算，[σ]=147.062Mpa。(1)應(yīng)力結(jié)果分析吊重2t起重臂的塔式起重機模型SolidWorksSimulation分析得到的起重臂應(yīng)力分布云圖如圖4-6所示，由圖4-6可知仿真結(jié)果很接近。吊臂整體應(yīng)力分布應(yīng)力必須小于屈服極限，這是疲勞分析的必須條件。其最大應(yīng)力為100.6Mpa,沒有超出水平截面的許用應(yīng)力147.062Mpa。因此該起重臂是安全變形比例1變形比例1圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-6起重臂應(yīng)力分布云圖(2)位移結(jié)果分析Simulation分析得到的起重臂位移分布云圖如圖4-7所示。在2t的載荷力作用下，該平衡臂的變形量滿足塔式起重機的設(shè)計要求。起重臂的最大位移為3.376cm,發(fā)生最大位移的位置在起重臂的前端。位移量較小，不會引起大的變圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-7起重臂位移分布云圖(3)安全系數(shù)結(jié)果分析Simulation分析得到的起重臂安全系數(shù)云圖如圖4-8所示。由圖4-8可知，圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-8起重臂的安全系數(shù)分別云圖式起重機吊裝2t貨物時起重臂的靜態(tài)應(yīng)力分布圖和位移分布圖。定義吊臂的材料為Q345鋼，密度為p=7700kg/m3,彈性模量E=2.06*10?Mpa,泊松比為0.3,屈服強度為345Mpa。為了在不影響結(jié)果的情況下適當(dāng)屬性屬性表格和曲線外觀剖面線自定義應(yīng)用程序數(shù)據(jù)收藏鈑金-水平臂不適用不適用持續(xù)性彈性模量材料阻尼比率未定義1.4.2定義連接類型及夾具1.4.3施加載荷和約束細載荷參數(shù)設(shè)置見圖4-11。塔式起重機所有約束參數(shù)見圖4-12。鈑鈑金標(biāo)注評估Simulation分析準(zhǔn)備|SOLIDWORKSIns22就認(rèn)<<默認(rèn)顯示-⑦固走幾何體滾柱滑桿固定較鏈面<3>面<4>面<5>符號設(shè)定陽力8圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-12動臂式塔式起重機約束條件參數(shù)分析采用實體網(wǎng)格，二階高品質(zhì)單元.,其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4-13所示。圖錯誤!文檔中沒有指定樣式的文字。-13起重機網(wǎng)格劃分結(jié)果算，[σ]=257.463Mpa。(1)應(yīng)力結(jié)果分析SolidWorksSimulation分析得到的吊重2t起重臂應(yīng)力分布云圖如圖4-14所示，由圖4-14可以看出吊臂整體應(yīng)力分布均勻，起重臂與塔身接觸部分所受的此該起重臂是安全的。交升比例1vonMresiN/m^2)→壓報力3450-+09(2)位移結(jié)果分析Simulation分析得到的起重臂位移分布云圖如圖4-15所示。2t的