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北京航空制造工程研究所建所45周年论文集(355364)工程机械设计中的整体结构有限元分析技术岳中第 (100024,中航一集团北京航空制造工程研究所) 林承祯 (100053,北京机电工业控股(集团)有限责任公司)摘要:本文综述了以北京航空制造工程研究所为技术依托单位的BQCIMS工程的整体结构分析技术,包括:工程背景与需求,基于ANSYS/APDL平台的结构模型参数化技术,整体结构的子结构分析与自动化分析流程。最后,整体结构分析在汽车起重机与矿用重型汽车设计中的成功应用,证明了这种技术的实用性。1 工程背景与需求以北京航空制造工程研究所为技术依托单位的北京起重机器厂CIMS 工程(简称BQCIMS工程),是国家863CIMS工程资助的北京市信息技术推广示范项目之一。其中,汽车起重机与矿用重型汽车设计中的工程分析是该项目的核心创新技术与提高企业市场快速反映能力的重要手段。北京航空制造工程研究所推广应用航空结构设计中的先进分析技术与方法1,以国际上先进的工程分析平台ANSYS系统2为基础,与北京起重机器厂的工程师们紧密合作,利用ANSYS/APDL语言进行二次开发,建立了适应汽车起重机3与矿用重型汽车4设计的整体结构工程分析方法。汽车起重机与矿用重型汽车,作为一类“大力神”产品,具有其特殊的作业环境,要求良好的力学性能,包括刚度、应力水平、变形、抗干扰性能等。对于工程设计人员来说,零件、结构件及整机的力学性能如何?会不会因强度不够造成破坏事故?这些都是他们必须关心和回答的问题。对于结构件设计来说,一般地说,它是零部件的组合设计。汽车起重机的主要承力结构件是吊臂、转台、车架。矿用重型汽车的主要承力骨架是整体车架,它又是许多结构件的组合,包括支撑架、前车架、中车架、尾架及若干子构件。结构件有限元分析是产品设计的基础性分析。最基本的分析是进行线性应力分析;对于有些结构件,例如吊臂与车架,还要进行稳定性分析,研究结构件失稳(屈曲)的条件。对于整体结构设计来说,整体分析是工程师面临的最直接、最重要的问题。汽车起重机整机分析的对象包括若干个受力结构件和机构( 回转、变幅、伸缩、起升等);最危险的工况是起重作业工况,力的传递路线是:重物吊臂变幅油缸支撑高架转台回转支撑底架支腿垂直油缸地面;矿用重型汽车的传力路线实际上包括了整车的各严重工况(静满载、举升、刹车、转弯)。因此,整体分析往往非常复杂。设计人员在设计过程中要求较快地预测整体结构在不同工况(特别是严重工况)下结构应力水平与变形,以便完善与优化总体设计,变为最急迫而又难以实现的事情。针对整体分析这一难点问题,本文论述的基于 ANSYS/APDL平台二次开发的整体结构分析技术,利用APDL语言的特点实现结构模型的参数化,采用子结构分析的技术策略,实现整体结构的剖分与结构件分析,实现结构件的变换与组装,最终完成整体结构分析。这种技术策略在汽车起重机与矿用重型汽车的成功应用说明了它的优越性。2 基于APDL的结构模型参数化技术2.1 参数化设计语言 对于结构的CAD模型(通常由点、线、面及实体组合而成)进行参数化特征设计,是现代CAD系统的基本功能。但是,对于有限元结构分析系统来说,对复杂组合结构的有限元模型要实现参数化设计,却并非易事。 先进的ANSYS系统为用户提供了一种建立参数化模型的基本工具_APDL语言。但是,使用APDL语言开发参数化的模型程序,却是用户自己的事情。APDL是一种面向工程的、结构化的解释性语言。它具有高级算法语言的基本特征与功能。它的表达方式是一系列基本的用户命令串。符合ANSYS_APDL语法规则的FEA参数模型程序,一般来说,它包括: 几何(点、线、面、实体 )定义与操作命令,有限元单元划分命令,逻辑控制命令,条件与循环命令,分析流程命令等。用户要对结构件的有限元模型进行参数化设计,必须熟练地掌握这种语言。所有复杂组合结构及整机的FEA模型都要用APDL语言进行二次开发。 2.2 结构件的参数化 结构件参数的提取是参数化设计的基础。这里的关键是选取能表述结构件几何特征的主要参数。一般地说,结构件的主要参数包括长、宽、高、关键点、连接条件、板厚、型材截面积、材料与物理特性等。我们将对这些参数规范化地命名,设置有关的参数名(或数组名)。例如,我们命名长度参数为a1,.an,宽度参数为 w1,.wm,高度参数为 h1,.hi,厚度参数为t1,.tj,对于每一个结构件,它都具有这样一组参数。定义结构件名为相应参数组名,并以/EOF作为结束符,这就构成了一个APDL能够调用的结构件的参数模块。集成所有结构件的参数模块,便构成了产品结构的FEA参数库文件。2.3 产品的FEA参数库与模型库产品结构往往是由几个主要承力结构件组成的。产品参数文件包含了它们相应的参数模块。这些参数模块的任何参数值的改变,都会引起有关结构件的有限元模型的改变,也就引起整个结构的改变。系列化的产品便是这些参数的系列变化。产品结构性能的优化设计便是这些参数的优化。产品结构件与整体结构的FEA模型程序,正是利用ANSYS/APDL语言,引用参数库中相应参数模块,进行二次开发得到的。我们以型号名来命名产品的FEA模型库,它不仅包括产品的参数库文件,也包括结构件模型程序、载荷文件、工况控制文件等。这里,以六边形臂QY25D模型库为例,说明它的构成。图1 表明了FEA模型库的逻辑树,主要包括: BQCDB.LIB 产品方案设计参数文件 BQDDB.LIB 产品详细设计参数文件 CRANE.LIB 宏子程序文件 BQC100.A 吊臂方案设计模型程序 BQC200.A 双墙高架转台方案设计模型程序 BQC300.A 车架方案设计模型程序 QY25DBQC000.ABOOM3.ABOOM4.ABOOM2.ABOOM1.ABQCDBBQDDBBQLOADBQC001,.QY25D.ABQC100.ABQC100.N BQC300.ABQC200.A 图1 QY25D型号模型程序库的逻辑树 BQC000.A 整体方案设计模型程序 BQC100.N 吊臂方案设计的稳定性分析模型程序 BOOM14.A 基本臂及二、三、四节臂详细设计模型程序 BOOM14.N 基本臂及二、三、四节臂稳定性分析模型程序 QY25D.A 基于底架详细设计模型的整体模型程序 BQC001BQC004 结构件模型产生器 从产品模型库表明,参数的修改可直接得到修改的结构模型。这可对同一结构形式的产品进行方案的比较及参数优化,而且使系列化设计成为可能。3 整体结构的子结构分析技术3.1 整体结构的剖分与子结构分析 整体结构的基本特点是结构规模大、组合形式复杂。目前,国际上解决大型复杂结构的分析问题通常选择子结构方法,或者结构超单元方法。由于超单元实际上是子结构的一种表达形式,因此这里仅简介子结构分析技术。 对于任何一个大型复杂结构,我们总可以划分为若干部分或结构件(简称为子结构),它们靠边界节点与整体结构相关连。如果我们将所有的子结构的边界节点组成一个集合,那么这个集合便表征了这个大型复杂结构的连接骨架,我们称之为边界结构。只要我们把各子结构对有关边界节点的刚度效应(或影响计算出来,并施加在这些边界节点上,则解决大型复杂结构的分析问题,便转变为求解规模小得多的若干子结构及边界结构问题。 当然,如果边界结构与子结构的规模也很大,还可以再剖分为若干二级或三级的子结构。但是,这种多重子结构的使用,将带来分析流程的复杂化。因此,如何有效地剖分整体结构便成了问题的关键所在。我们用K表示子结构的总刚度矩阵,U表示子结构的总位移矩阵,P表示子结构的总载荷矩阵; 表示仅与子结构内部节点相关的刚度矩阵, 表示仅与子结构边界节点相关的刚度矩阵,表示子结构内部节点与边界节点相关联的刚度矩阵;表示仅与子结构内部节点相关的外载荷矩阵,表示仅与子结构边界节点相关的载荷矩阵;表示子结构的内部节点位移矩阵,表示子结构的外部节点位移矩阵。我们将有平衡方程: (1)其中, K = ,P ,。 = - (2) = - (3)这里,, 就是子结构的仅与边界节点相关联的等效边界刚度矩阵与等效边界载荷矩阵。它们对整体结构的贡献与子结构的贡献相当,因而被称之为超单元。一旦边界节点的位移已知,结构的内节点的位移便由公式 = (-) (4)对子结构的分析,其主要计算工作量是消除该子结构的内部节点自由度,得到它的等效矩阵。 从(2)、(3)式可以看出,如果各子结构的边界节点越少,则这些等效矩阵的规模也越小,最终的边界子结构的规模也越小,其运算速度也越快。因此,划分复杂结构为多个子结构的一个基本方法,就是要尽量控制子结构的内部节点规模适当,并且具有边界节点的数目较少。例如,充分利用结构的链式、外伸等特点,合理划分子结构,可收到较好的效果。 3.2 子结构的变换与组装 在一般整体结构分析中,使用了四种坐标系。其中,节点坐标系确定了节点自由度的方向;元素坐标系规定了元素刚度(载荷)矩阵与子结构之间的变换矩阵;子结构坐标系将确定子结构等效边界刚度(载荷)矩阵向整体结构的组装的变换矩阵;整体坐标系通常取世界系。 对于子结构分析来说,子结构的几何建模与应力分析是在子结构的局部坐标系下进行的。但是,子结构的等效刚度(载荷)矩阵却必须按总体坐标系进行组装。因此,每一个子结构在组装之前,需要对等效边界刚度(载荷)矩阵进行坐标变换。我们设B为子结构对总体系的变换矩阵(通常它由整体系的三个节点确定:节点1定义原点,节点1-2方向定义X向,节点1-2连线与节点1-3定义连线构成的平面法线确定Z向,由Z与X向构成的平面法线定义Y向),则整个结构的边界子结构的刚度(载荷)矩阵为 (5) = (6) 值得说明,这里是按总体结构的边界节点编号位置,对号叠加的。因此,整体结构的边界平衡方程为: = (7) 给定整体结构六个刚体自由度的约束,求解(7),我们将得到整体边界结构的位移。再经过整体边界位移向子结构的坐标变换,执行(4)式,将求得子结构的内部节点自由度。3.3 整体结构模型的简化准则 对于整体结构的分析,不仅需要将所有的结构件及机构加以考虑,而且
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