《ANSYS工程分析进阶实例》第六章机械工程应用实例.docx
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《ANSYS工程分析进阶实例》第六章机械工程应用实例
机械工程应用实例
知识要点：
☑∙箱形结构
☑∙移动载荷
☑∙模态分析
☑∙接触分析
☑∙函数边界
☑∙过盈装配
☑∙路径分析
☑∙时程分析
☑∙Workbench
☑∙应力线性化分析
☑∙螺栓连接件的预紧力分析
☑∙APDL编程实现节点载荷循环求和
☑∙BEAM188、BEAM189、SHELL63、SHELL181单元
本章导读：
在机械行业分析设计中，越来越多地应用CAD、CAE技术进行辅助设计和辅助分析。
ANSYS软件有效的将有限元数值分析技术和CAD、CAE有机地结合在一起，使用户可以直观地分析结构设计中的问题。
集装箱起重机主要使用在吞吐量大、装卸频繁的集装箱货场、货运站。
本章中的RMG门架结构为典型的箱形结构，在比较了ANSYS中几种梁壳单元后，最后选用SHELL63来模拟龙门吊中的箱形梁。
回转窑是一种大型回转圆筒设备，是一种对称机构，包含了滚圈和托轮的接触、托轮和轴承的接触问题，含有高度非线性。
其中托轮和轴承还有过盈配合问题。
筒体对滚圈的压力简化为一个在柱坐标下的余弦压力。
ANSYS Workbench提供了一个协同仿真平台，拥有强大的CAD-CAE几何模型数据接口。
法兰接头广泛应用在压力容器和管道的可拆卸连接结构中，本章使用Workbench对法兰结构在螺栓顺序装配时的受力和变形进行有限元分析，其中包括了螺栓连接件的预紧力分析。
锥形夹头是一种机械常用装置，用于夹持机械构件。
接触分析是结构分析中的难点，本章以锥形夹头为例，详细地演示了接触分析的过程。
并且中使用APDL编程的方法演示了复杂的后处理技术。
在化工生产中，压力容器是使用最为广泛的一类设备。
本章以双支座卧式容器为例，采用ANSYS软件进行了有限元应力计算，分析了容器的应力与变形，并对其进行应力评定。
一般情况下，沿穿过壁厚路径的线法强度评定方法是目前最常用的方法。
ANSYS软件提供了应力线性化后处理方式。
6.1龙门起重机结构有限元分析
集装箱起重机主要使用在吞吐量大、装卸频繁的集装箱货场、货运站。
对于一些中小型集装箱货场来说，除了采用专用的吊具防止集装箱变形外，与一般货场装卸大件货物，并没有什么很大的区别。
也就是说一般普通轨道式龙门吊只要重量、高度够用，就可以装卸集装箱。
许多铁路集装箱站就是如此。
也就是说从事集装箱运输不一定非要轮胎式箱吊等专业工具。
实践表明，采用轨道式集装箱龙门起重机，同样的投资，大约至少可以增加三分之一以上的存箱面积，容量则可以增加一半以上。
与桥式起重机相比，主要区别在于支脚。
轨道式龙门吊（简称RMG）是靠起重大梁两端的支脚和其走行轮在地面上的轨道上往复行走，桥式集装箱起重机则是将轨道架设在空中的轨道梁上，大梁和起重小车在空中的轨道上行走。
可见轨道式起重机可靠性要高些。
6.1.1问题描述
根据国内外经验，拟今后主要采用轨道式集装箱龙门起重机。
为了有利于回转小车的布置，集装箱龙门起重机门架结构多采用双桥架结构。
常见集装箱龙门吊的分类如表6-1所示。
表6-1 集装箱龙门吊分类表
按伸臂情况分
按截面形式分
按轨道在主梁上布置位置
按支脚和主梁连接
无伸臂
双三角桁架截面
正轨箱形梁
双刚支脚结构
单伸臂
双矩形桁架截面
偏轨箱形梁
一刚一柔支脚结构
双伸臂
双矩形混合截面
半轨箱形梁
图6-1 模型简化图
本文的研究对象是一双刚支脚结构，鉴于本文主要是研究龙门吊的刚框架结构，因此对模型进行了一定的简化。
简化后模型如图6-1所示。
6.1.2力学及其有限元模型
本模型为典型的箱形结构，选用SHELL63来模拟龙门吊中的箱形梁。
工况载荷只考虑起吊移动载荷和下车自重。
1、门架跨度和伸臂长度的力学模型
在特定的作业面内，桥架的总长度是一定的。
对于不受装卸工艺条件限制的龙门起重机，可以从质量最轻的条件出发，求得最佳的伸臂长度对跨度的比值。
显然，当门架主梁沿全长的最大弯矩图越均匀，按强度条件设计的主梁就越轻。
参见材料力学可知，这样按照等强度原则，即使得门架主梁外伸臂段的最大负弯矩等于跨中段的最大正弯矩，求出伸臂长度对跨的最佳比值，如图6-2所示。
即满足如下条件：
（6-1）
（6-2）
式中
为主梁自重引起的主梁在两个支脚处的弯矩；
为主梁自重引起的主梁在跨中处的弯矩；
分别为移动荷载引起的主梁在两个支脚处的弯矩和跨中处的弯矩。
由结构力学可知：
，
从而可得
0.图6-2 伸臂长度与跨度力学简图
图6-3 经典板梁结构
2、箱形结构的有限元求解
箱形结构是由板和型钢组成的，其厚度t与板面长宽中的最小尺寸b的比值一般在小于（1/5~1/8）与大于（1/80~1/100）之间的范围内，是有限元中的薄板问题，如图6-3所示。
一般箱形结构受外载较复杂，变形也很复杂，往往不能单纯只考虑一种变形状态。
其所受的载荷及变形情况都较复杂，在实际计算分析中，通常可简构的板壁可视为薄板弯曲问题或薄板弯曲状态与平面应力状态组合来处理。
板壁上化为平面应力状态和弯曲状态的组合，这样比只考虑一种变形状态更符合实际情况，这就是有限元方法中薄板的平面应力状态和弯曲状态的组合。
大多数的箱形结构，在板壁上附有加强筋，这类加强筋则可视为等截面梁，分析时，将薄板的弯曲状态与梁的弯曲状态组合起来考虑，或者把薄板的弯曲、平面应力和梁的弯曲三种状态组合起来考虑。
本例中的RMG门架结构为典型的箱形结构。
ANSYS为结构分析提供了百余种单元模型，我们在进行板梁结构的静结构分析时，究竟应用哪一种单元模型更为合理。
下面将通过一个经典结构计算实例进行单元试验，以论证板梁结构单元的选用。
3、箱形悬臂梁结构的单元测试
箱形悬臂梁长5m ,梁的宽度和高度均为1m,板厚度为0.01m,弹性模量为E=1.96E5MPa, 泊松比为0.25，作用力F=2880N.如果将模型简化为梁，则其为中粗梁，在此选择考虑了剪切变形效应的铁摩辛柯梁BEAM188、BEAM189,为了比较将其处理为实体模型，并采用SHELL63、SHELL181。
Step1 梁单元测试
*SET,L,5 !
梁长
*SET,B,1 !
梁宽
*SET,H,1 !
梁高
*SET,T,0.01 !
板厚
/PREP7 !
进入前处理器
ET,1,189 !
选用BEAM189单元
MP,EX,1,1.96E11 !
弹性模量（PA）
MP,PRXY,1,0.25 !
泊松比
SECTYPE,1,BEAM,HREC, , 0 !
选择箱形截面
SECOFFSET, CENT !
截面无偏移
SECDATA,1,1,0.01,0.01,0.01,0.01,0,0,0,0 !
截面数据
K,1,0, !
生成关键点1
K,2,5, !
生成关键点1
L,1,2 !
生成线
LESIZE,1,,,20 !
设置划分数
LMESH,ALL !
划分网格
D,1,ALL !
固端约束
F,2,FY,-2880 !
施加集中载荷
/SOLU !
进入求解器
ALLSEL !
选择所用元素
SOLVE !
求解
/POST1 !
进入后处理
PLNSOL,U,Y,0,1 !
Y向位移云图（挠度）
使用BEAM188和BEAM189单元对应的挠度值如图6-4和6-5所示。
上面的程序使用BEAM189，读者只需在定义单元时将单元类型改为BEAM188即可。
图6-4 BEAM188挠度值
图6-5 BEAM189挠度值
Step2 壳单元测试
*SET,L,5 !
梁长
*SET,B,1 !
梁宽
*SET,H,1 !
梁高
*SET,T,0.01 !
板厚
/PREP7 !
进入前处理器
ET,1,63 !
选用shell63单元
MP,EX,1,1.96E11 !
弹性模量（PA）
MP,PRXY,1,0.25 !
泊松比
R,1,T,T,T,T !
实常熟
K,1,0,H/2,B/2 !
生成关键点1
K,2,0,H/2,-B/2 !
生成关键点2
K,3,0,-H/2,B/2 !
生成关键点3
K,4,0,-H/2,-B/2 !
生成关键点4
KGEN,2,1,4,1,5
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