[机械自动化] 基于Pro /Engineer, Ansys的横车有限元分析

【摘
要l研究了某船尾门吊设备的关健部件一横车的结构设计和分析系统(CAD
利用Pro/Engineer和Ansys软件分别作为设计系统和分析系统，来用IGES数据交换书，口，对横

三维实体建模，得到了横车的位移、应变和应力分析结果，为横车的结构优化设计提供了可靠的分析数
据。
    关键词:横车;计算机辅助设计;三维实体建模;有限元分析
    [Abstract] This paper studies the structural design and analysis system (CAD/CAE) integration of car-
riage which is a key part of stern A子ame. Pro/Engineer and Ansys are selected as the design and analysis
system. The system is integrated effectively by using data exchange standards--IGES. The 3D solid modeling
and the finite element modeling are built. Using the Ansys software, the precious displacements, stresses and
strains of the carriage are calculated and can be used for structural optimization design of carriage.
    Key words: Carriage; CAD; 3D solid modeling; Finite element analysis

    本文在横车的分析设计中应用CAD/CAE技术，从而提高
了横车的结构性能，改善横车目前较传统的设计方法的不足。
1横车有限元分析的理论基础阎
1.1结构离散
    结构离散也称为网络划分，即将连续的横车，假想地分割成
有限个单元和节点，这些单元仅在节点处连接，单元之间的力仅
靠节点传递。
1.2单元分析
    单元分析就是用单元节点位移表示单元内任一点处的力学
特性(从略)。
1.3整体分析
    空间问题的整体分析是利用整个横车在各节点处的静力平
衡条件和变形协调条件对整个横车进行分析，以建立结构的刚
度方程组。整体分析时，采用结构坐标系，假定外载荷均作用在
节点处，并且暂时不考虑支撑条件。
1.3.1整体刚度拒阵
    将各单元的单元刚度矩阵扩阶到整个结构的所有节点下的
关系:
    户--f0-矛
式中P .S.,矛分别为单元。的节点力、单元刚度和节点位移
贡献矩阵。
    由节点处的变形协调条件可知，节点在任一单元内的变形
相等，均等于该节点在结构内的实际变形。即&= s;，亦off‘二so
    另外，由节点处的静力平衡条件可知，节点处的合内力等于
作用在节点处的外载荷。即
*来稿日期:2006-os-24
    E R``-P
    由以上各式整理可得
    (If0)s=P KS=P
式中，K为整体刚度矩阵，它等于各单元贡献矩阵之和。
1.3.2整体刚度拒阵的组集原刘
    整体刚度矩阵按以下原则组集:
    凡-E叮(节点i,j相关，即共同组成单元)
    K,=O(节点‘J不相关)
式中，K,'!为节点1j共同组成的单元‘的对应子块。
1.4趁荷及约束处理
    约束处理就是用横车的实际支撑条件对结构刚度方程组进
行处理，在数学意义上来讲是消除整体刚度矩阵K的奇异性，
在力学意义上来讲是消除结构的悬空性，使结构刚度方程组有
惟一解的处理过程。
2横车的有限元计算
2.1模型的建立
    有限元技术彻是现代机械产品设计中的一种重要方法，
Anays是大型通用的有限元(FEA)分析代表软件。由于Ana扣不
是专业的三维实体建模软件，对于像横车这类比较复杂的机械
零部件，有时直接利用软件提供的工具进行几何建模较为困难，
本文采用用户植长的CAD系统建模来代替在Ana”中建模，并
把它抬人Anays中进行分析。本文采用实体建模软件Piol
Engineer进行建模，通过数据转换接口，将模型抬人到Anays中
进行分析。图1为建模分析流程图。