基于ansys的橋梁檢測車有限元分析及優(yōu)化1(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 9所示。 圖22 橋檢車全縮狀態(tài) 圖23 轉(zhuǎn)臺升到最高狀態(tài) 圖24 轉(zhuǎn)臺基本臂揚起，基本臂全伸狀態(tài) 圖25 一回轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)90176。狀態(tài) 圖26 垂直臂垂直狀態(tài) 圖27 水平伸縮臂翻轉(zhuǎn)至與橋面平行狀態(tài) 圖28 垂直臂下降至最低狀態(tài) 圖29 二回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)90186。，一伸臂全伸狀態(tài)整個工作裝置的展開時間有一定的要求，在檢測參數(shù)正常的情況下自動完成所有的展開動作。工作裝置回收時，按照展開相反的動作順序進行。 本章小結(jié)本章首先介紹了QJS18C桁架式橋梁檢測車的結(jié)構(gòu)布局，對各主要機構(gòu)部件的組成和功能進行了闡述，然后詳細介紹了橋檢車的作業(yè)條件和工作流程。第3章 整車結(jié)構(gòu)有限元分析 ANSYS軟件介紹ANSYS軟件是一款具有強大功能的大型通用有限元軟件，廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、汽車、造船、流體分析等工業(yè)領(lǐng)域，可在微機或工作站上運行，并且具有強大的前后處理功能。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊[10]。前處理功能ANSYS具有強大的實體建模技術(shù)。與現(xiàn)在流行的大多數(shù)CAD軟件類似。通過自頂向下或自底向上兩種方式，以及布爾運算、坐標變換、曲線構(gòu)造、蒙皮技術(shù)、拖拉、旋轉(zhuǎn)、拷貝、鏡射、倒角等多種手段，可以建立起真實地反映工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何模型。ANSYS提供兩種基本網(wǎng)格劃分技術(shù)：智能網(wǎng)格和映射網(wǎng)格，分別適合于ANSYS初學者和高級使用者。智能網(wǎng)格、自適應(yīng)、局部細分、層網(wǎng)格、網(wǎng)格隨移、金字塔單元(六面體與四面體單元的過渡單元)等多種網(wǎng)格劃分工具，幫助用戶完成精確的有限元模型。另外，ANSYS還提供了與CAD軟件專用的數(shù)據(jù)接口，能實現(xiàn)與CAD軟件的無縫幾何模型傳遞。這些CAD軟件有Pro／E、UG、CATIA、lDEAS，Solidwork、Solid edge、lnventor、MDT等。ANSYS還可以讀取SAT、STEP、ParaSolid、lGES 格式的圖形標準文件。此外，ANSYS還具有近200種單元類型，這些豐富的單元特性能使用戶方便而準確地構(gòu)建出反映實際結(jié)構(gòu)的仿真計算模型。強大的求解功能ANSYS提供了對各種物理場的分析，是目前唯一能融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流場、聲學等為一體的有限元軟件。除了常規(guī)的線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力、動力分析之外，還可以解決高度非線性結(jié)構(gòu)的動力分析、結(jié)構(gòu)非線性及非線性屈曲分析。提供的多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置。目前，ANSYS軟件已經(jīng)形成完善、成熟的三大核心體系：以結(jié)構(gòu)、熱力學為核心的MCAE體系，以計算流體動力學為核心的CFD體系，以計算電磁學為核心的CEM體系。這三大體系不僅提供MCAE/CFD /CEM領(lǐng)域的單場分析技術(shù)，各單場分析技術(shù)之間還可以形成多物理場耦合分析機制。此外，ANSYS還具有靈敏度分析及優(yōu)化分析功能。后處理功能ANSYS的后處理用來觀察ANSYS的分析結(jié)果。ANSYS的后處理分為通用后處理模塊和時間后處理模塊兩部分。后處理結(jié)果可包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度以及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示、矢量顯示、曲線形式和數(shù)據(jù)列表等多種方式。ANSYS還提供自動或手動時程計算結(jié)果處理的工具。 整機有限元模型建立 建模方法如今建立有限元模型的方法多種多樣，主要包括：（1）借助專業(yè)的三維實體造型軟件（如Pro/E、solid works、UG等）先建立機械結(jié)構(gòu)的幾何模型，然后將幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件（如ansys、abaqus等）中進行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。對于小型、簡單的構(gòu)件這種有限元建模方法效率非常高，最終也能完成計算，求得結(jié)果。但是，對于大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件要想通過這種方法生成有限元模型，必須要對幾何模型做大量的簡化工作，簡化之后的幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中之后也很難實現(xiàn)映射網(wǎng)格劃分，只能通過自由網(wǎng)格劃分生成四面體單元，而且單元規(guī)模會非常龐大，最后很難完成計算，并且這種操作方式不易實現(xiàn)參數(shù)化。（2）通過三維實體造型軟件如Pro/E、Solid works、UG等先建立機械結(jié)構(gòu)的幾何模型，然后將幾何模型導(dǎo)入到功能強大的網(wǎng)格劃分軟件如hypermesh中進行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。這種方法能夠生成規(guī)則的六面體單元，但是對于大型結(jié)構(gòu)件生成的單元規(guī)模還是很大，不利于整機有限元分析。（3）通過有限元分析軟件自帶的建模功能建立有限元模型，如ANSYS軟件提供的APDL參數(shù)化建模語言能夠完成各種復(fù)雜構(gòu)件的有限元模型建立。這種方法建模時間長，但是能夠建立規(guī)則的六面體單元而且能夠人工控制網(wǎng)格的疏密，大大減少單元規(guī)模，非常有利于整機結(jié)構(gòu)計算。而且通過命令流建立的有限元模型能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化，非常容易控制和修改。鑒于上述對有限元建模方法的分析，本文最終選取了ANSYS提供的APDL參數(shù)化建模語言建立QJS18C橋梁檢測車整機有限元模型。建模時，首先選定整機的總體坐標系，根據(jù)各個部件在裝配體上的相對位置定義局部坐標系。其次在局部坐標系中，根據(jù)映射網(wǎng)格劃分所需要的拓撲關(guān)系，預(yù)先將零件劃分成多個局部區(qū)域，計算出各關(guān)鍵點的坐標，將各關(guān)鍵點連成線，并對每條線的網(wǎng)格劃分段數(shù)設(shè)定參數(shù)，通過控制網(wǎng)格參數(shù)達到控制網(wǎng)格疏密程度的目的。同時將零件的基本尺寸設(shè)置參數(shù)，以便實現(xiàn)參數(shù)化。最后通過移動局部坐標系將整機組裝在一起。對結(jié)構(gòu)上的一些附加件在不影響整機受力的情況下進行省略，以便簡化有限元模型[11]。對于復(fù)雜模型，人們往往采用自由網(wǎng)格劃分。但這種劃分方式所得的單元數(shù)量多，計算時間長，甚至出現(xiàn)奇異單元，奇異單元的出現(xiàn)將嚴重影響計算結(jié)果的準確性。映射網(wǎng)格劃分正好彌補了這些不足，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為了提高計算精度，節(jié)省計算機資源，大都采用映射網(wǎng)格劃分。本文通過映射網(wǎng)格劃分方式，選用二次單元Solid186，獲得了很好的網(wǎng)格質(zhì)量，較少的單元數(shù)量。 整機初始狀態(tài)參數(shù)因為要對整機多個工況進行靜力結(jié)構(gòu)分析，所以需要設(shè)定參數(shù)來調(diào)節(jié)模型的初始狀態(tài)。表31為模型主要初始狀態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)。表31 模型初始狀態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)模型初始狀態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)最小值最大值一回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角度0176。90176。轉(zhuǎn)臺升降高度0mm1300mm轉(zhuǎn)臺基本臂仰起角度0176。20176。轉(zhuǎn)臺伸縮臂伸縮量0mm950mm轉(zhuǎn)臺配重翻轉(zhuǎn)角度0176。90176。連接架翻轉(zhuǎn)角度0176。90176。垂直臂伸縮量0mm8200mm水平伸縮臂翻轉(zhuǎn)角度0176。90176。二回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角度0176。180176。水平伸縮臂伸縮量0mm6780mm 模型簡化由于各個部件結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，包括的結(jié)構(gòu)件多，各自功能不一，首先要進行模型簡化。模型簡化首先要求對模型要有充分的理解，充分掌握上車部件各組成零件的功能。在模型簡化過程中應(yīng)該遵循幾何近似和物理近似這兩條基本原則。幾何近似是指模型簡化后要從幾何形狀方面與原始結(jié)構(gòu)近似；物理近似是指簡化后的模型物理性質(zhì)與原始結(jié)構(gòu)在這個區(qū)域的物理性質(zhì)近似。在此基礎(chǔ)上，模型簡化主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：（1）各部件包括的小尺寸結(jié)構(gòu)，如小孔洞、翻邊、開口、尺寸較小的筋和凹臺等，它們的設(shè)計功能主要是為了某些局部安裝，或者是為了電氣線束、液壓管線的通過，有的是從制造工藝和工業(yè)設(shè)計角度考慮，但都不會改善結(jié)構(gòu)的力學性能，將這些結(jié)構(gòu)簡化掉。（2）各部件中包括的裝飾件一般都質(zhì)量很小，將它們直接刪除。對于質(zhì)量較大的裝飾件視具體情況，或者處理成單元，或者刪除后將其質(zhì)量作為載荷施加到原位置。（3）對于螺釘、螺栓、螺母等連接件和其他小零件（如布線釘、管卡等），由于它們對結(jié)構(gòu)力學性能沒有影響，將其刪除。（4）模型簡化首先要確保模型的完整性，同時不得改變大結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵零件的位置和尺寸。要在不改變設(shè)計者初衷并保證建模準確性的前提下，進行必要和合理的模型簡化。 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分主要包括三類：一維單元網(wǎng)格劃分、二維單元網(wǎng)格劃分和三維單元網(wǎng)格劃分。當結(jié)構(gòu)件某個方向的尺寸遠大于另外兩個方向的尺寸時，將其當做一維單元處理，模型中的油缸等均使用一維單元模擬；當結(jié)構(gòu)件某兩個方向的尺寸遠大于剩余一個方向的尺寸時，將其作為二維單元（殼單元）來模擬，車架平臺結(jié)構(gòu)和水平伸縮臂下面蓋板均模擬為二維殼單元；當結(jié)構(gòu)件所有方向的尺寸級別大體處于一個數(shù)量級時，將其作為三維實體單元來模擬，模型中大多數(shù)結(jié)構(gòu)件均模擬為三維實體單元。綜上，橋檢車各組成部件的有限元分析模型中主要由三維實體單元組成，還有少量的一維單元和二維單元。由于網(wǎng)格劃分工作量大，所考慮的問題較多，網(wǎng)格形式和網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響計算的準確性和計算效率，為建立精確合理的有限元分析模型，網(wǎng)格劃分應(yīng)遵循以下幾個基本原則：（1）控制網(wǎng)格數(shù)量網(wǎng)格數(shù)量（即單元數(shù)量）直接影響計算結(jié)果的精度和計算效率。一般情況下，網(wǎng)格劃分越細，節(jié)點布置的越多，越接近于真實結(jié)構(gòu)，計算精度就會得到相應(yīng)提高，但整個計算規(guī)模、計算時間和計算費用也大幅增加，使計算效率降低。因此在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)綜合權(quán)衡這兩方面因素，找到一個合適的數(shù)值，在保證總體網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，確保一定的計算效率。本文中在模型不同部位，我們通過控制網(wǎng)格的疏密即采用不同類型和大小的網(wǎng)格來控制網(wǎng)格數(shù)量，在計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如應(yīng)力集中位置），為了較好的放映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，可以采用多種方式進行適當?shù)木W(wǎng)格細分來獲得較密集的網(wǎng)格，以提高計算精度。（2）確保網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格質(zhì)量主要是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。網(wǎng)格質(zhì)量好壞直接影響計算精度，質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至會終止計算。直觀來看，網(wǎng)格各邊或各個內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格面不過分扭曲、邊節(jié)點位于邊界等分點附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好，三角形單元不應(yīng)出現(xiàn)過大的鈍角和過小的銳角，矩形單元的長度和寬度不應(yīng)相差太大。 單元選擇ANSYS為用戶提供了多種單元類型，對于每一種單元類型，每個節(jié)點有多少個自由度，它包含哪些特性，能夠在哪些條件下使用，在ANSYS的幫助文檔中都有非常詳細的描述。單元類型的選擇，跟要解決的問題本身密切相關(guān)。在選擇單元類型前，首先要對問題本身有明確的認識，然后，結(jié)合問題本身，對照幫助文檔里面的單元描述來選擇恰當?shù)膯卧愋汀驒z車有限元建模過程中使用的單元類型[12,13]有LinkBeam18Shell28Solid18Mesh200、Targe170、Conta174七種，下面對這七種單元屬性做詳細介紹。1）Link8單元描述Link8單元是有著廣泛的工程應(yīng)用桿單元，比如可以用來模擬：桁架、纜索、連桿、彈簧等。這種三維桿單元是桿軸向的拉壓單元，每個節(jié)點具有三個自由度：沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動。就像在鉸接結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)一樣，本單元不承受彎矩，具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等功能。Link8單元描述如圖31所示。圖31 Link8單元示意圖由于液壓缸在實際工作中相當于二力桿，所以有限元模型中液壓缸部分用桿單元Link8模擬。2）Beam188單元描述Beam188為三維線性有限應(yīng)變梁單元。Beam188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)。該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。Beam188是三維線性2節(jié)點梁單元，每個節(jié)點有六或七個自由度，自由度個數(shù)取決于KEYOPT（1）的值。本單元非常適合于線性、大角度轉(zhuǎn)動和/或非線性大應(yīng)變問題。當NLGEOM打開（on）時，Beam188缺省考慮應(yīng)力鋼化效應(yīng)。應(yīng)力鋼化選項使本單元能分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性問題。圖32是Beam188單元示意圖圖32 Beam188單元示意圖3）shell281單元描述Shell281適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)。該單元有8個節(jié)點，單元每個節(jié)點有6個自由度，分別為沿節(jié)點X、Y、Z方向的平動及繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動（當應(yīng)用薄膜選項時，該單元只有移動自由度）。適合線性、大轉(zhuǎn)動和/或大應(yīng)變非線性分析。Shell281單元描述如圖33所示。圖33 shell281單元示意圖由于車架平臺結(jié)構(gòu)為鋼板焊接而成，鋼板較薄，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以有限元模型中采用了shell281殼單元模擬。4）Mesh200單元描述在建模過程中，為了方便網(wǎng)格劃分，采用Mesh200網(wǎng)格劃分單元，先將平面劃分成8節(jié)點四邊形網(wǎng)格，然后將平面單元通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作生成20節(jié)點三維實體Solid186單元。Mesh200僅用來劃分網(wǎng)格，對計算結(jié)果毫無影響，當不再需要它時，可以將其刪除（清除）或保留，它的存在不會影響計算結(jié)果。Mesh200單元描述如圖34所示。圖34 Mesh200單元示意圖5）Solid186單元描述Solid186是一個二階3維20節(jié)點實體單元，它具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則的模型。單元通過20個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著X、Y、Z方向平移的自由度。它具有任意的空間各向異型，支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變能力。還可以采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。Solid186單元描述如圖35所示。圖35 solid186單元示意圖由于QJS18C的實際結(jié)構(gòu)主要由鋼板焊接而成，且?guī)缀文Ｐ捅容^復(fù)雜故建立有限元模型的單元類型選擇二次實體單元Solid186。選擇二次單元可以在不影響計算精度的情況下，將模型劃分較稀疏的網(wǎng)格，降低模型自由度，提高計算效率。6）targe170單元描述TARGE170與各種相關(guān)接觸單元（CONTA173和CONTA174）聯(lián)用，表示三維“目標”表面。接觸單元覆蓋于變形體邊界的實體單元上，并可能與TARGE170定義的目標面接觸。目標表面離散為一系列目標單元（TARGE170），并通過共享實常數(shù)號與相關(guān)接觸表面配對。在目標單元上可以施加平動或旋轉(zhuǎn)位移，也可施加力和力矩。對于剛性目標，這些單元可方便地模擬復(fù)雜的目標性狀；對于柔性目標，這些單元覆蓋于變形體邊界的實體單元上。TARGE170單元描述如圖36圖36 TARGE170單元示意圖7）conta174單元描述CONTA174