基于ANSYS的桁架式多節(jié)伸縮臂的全工況建模技術(shù)

韓林山，於 進，鐘藝謀

（1．華北水利水電學(xué)院機械學(xué)院，河南鄭州 450045;2．中國水利水電第四工程局有限公司，甘肅臨夏 731600）

隨著國家對基礎(chǔ)建設(shè)工程發(fā)展的重視及工程上對特種機械設(shè)備的工作環(huán)境的嚴格要求，加上工作跨度、運輸量等工作參數(shù)的日益增大，在設(shè)計此類機械時需反復(fù)進行“設(shè)計—建?！治觥薷脑O(shè)計—再建?！俜治觥?，如何快速準確全面地進行有限元分析是整個設(shè)計的關(guān)鍵．伸縮臂架作為特種機械設(shè)備中的重要承載件，其有限元分析就顯得重要．

目前伸縮臂架主要分3類：箱形伸縮吊臂、桁架式單臂節(jié)伸縮吊臂和桁架式多節(jié)伸縮臂．根據(jù)相關(guān)資料［1－4］，目前對箱形梁伸縮吊臂（主要用于汽車起重機）和桁架單臂節(jié)伸縮吊臂（主要用于履帶起重機）的研究較為深入，對于桁架式多節(jié)伸縮臂的研究還不夠全面［5－6］．對桁架式多節(jié)伸縮臂的全工況（伸縮、變幅整個過程）分析一般先采用有限元方式，在臂架的有限元分析中，有限元模型的建立與處理占整個有限元分析工作量的70% ～80%［7］，因此有必要對其全工況建模技術(shù)進行研究．這里以50 m布料臂架作為桁架式多節(jié)伸縮臂的實例進行說明．

1 單工況參數(shù)化建模技術(shù)

參數(shù)化建模是以APDL（ANSYS Parametric Design Language）命令流形式建立模型文本文件，通過簡單地改變模型中的參數(shù)值就能建立和分析新的模型的建模方法．其中APDL是一種類似于FORTRAN的解釋性語言，提供了一般程序語言的功能［8］．

目前對于布料臂架的有限元分析，主要考慮布料臂架在水平完全伸出狀態(tài)［5－6］，并未對其在不同作業(yè)長度和高度時的情況進行分析．

布料臂架主要是由前臂、中間臂、基礎(chǔ)臂和驅(qū)動滾筒支架等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示，其參數(shù)化建模流程如下：前臂建?！虚g臂建?！A(chǔ)臂建?！?qū)動滾筒支架建?！W(wǎng)格劃分—前臂與中間臂滑道節(jié)點耦合—中間臂與基礎(chǔ)臂滑道耦合—驅(qū)動滾筒支架與基礎(chǔ)臂耦合．

圖1 布料臂架的有限元模型

布料臂架單工況參數(shù)化建模命令流（部分）：

上述布料臂架的參數(shù)化建模過程中，只需修改相關(guān)幾何參數(shù)（如布料臂架采用的管材以及臂架截面尺寸參數(shù)等），便可實現(xiàn)反復(fù)分析各種布料臂架的設(shè)計方案，以提高分析效率，降低分析成本．該建模技術(shù)具有如下特點：①布料臂架零部件建模命令流統(tǒng)一在一個命令流文件里（從定義關(guān)鍵點到有限元模型）;②通過指定節(jié)點編號，耦合節(jié)點自由度的方法確定裝配關(guān)系．

這種建模技術(shù)方法繼承了參數(shù)化建模的眾多優(yōu)點;如果模型變化較大和工況較多時，該模型存在以下2點不足：

1）由于建模和裝配只能由1人完成，所以，工作量大，效率低，極易出錯，修改麻煩;

2）布料臂架在不同作業(yè)工況時，由于臂架模型發(fā)生變化，需重新建立模型和重新指定節(jié)點編號確定裝配關(guān)系，較難實現(xiàn)不同工況時模型的快速裝配．

2 全工況建模技術(shù)

全工況建模技術(shù)是為實現(xiàn)布料臂架在不同作業(yè)長度和高度時的快速有限元分析．具體實現(xiàn)過程是：先基于APDL參數(shù)化建立前臂、中間臂、基礎(chǔ)臂和驅(qū)動滾筒支架等零部件的有限元模型;然后以有限元模型裝配技術(shù)裝配布料臂架有限元模型;最后通過節(jié)點耦合自動化程序快速確定裝配關(guān)系．

2．1 快速建立零部件模型技術(shù)

快速建立模型主要采用有限元模型裝配技術(shù)和基于APDL參數(shù)化方法．有限元模型裝配技術(shù)的提出，是考慮當(dāng)多個人一起創(chuàng)建有限元模型時，不同人創(chuàng)建的有限元模型最后必須裝配起來形成部件或者裝配體或者總體裝配模型［9］．因此布料臂架的快速建模過程分為2個步驟．

1）各個節(jié)臂（零部件）模型數(shù)據(jù)文件的寫出．即先參數(shù)化建立各個零部件的有限元模型（與單工況一樣），然后形成各自單獨的命令流文件，最后以CDWRITE命令，形成CDB文件傳遞．

2）按以下流程操作模型數(shù)據(jù)文件：先裝入基礎(chǔ)臂（以其為基準）的CDB模型數(shù)據(jù)文件—劃分其網(wǎng)格—裝入中間臂（下一個零部件）—劃分其網(wǎng)格—移動中間臂模型到指定工況位置……依次進行．

其實現(xiàn)的部分命令流如下：

通過上述操作，便可實現(xiàn)布料臂架模型的快速建立，并可通過改變相關(guān)參數(shù)（例如命令流中的i），實現(xiàn)模型在不同工況下的快速轉(zhuǎn)換．

2．2 快速確定裝配關(guān)系

模型轉(zhuǎn)換到位后，便是確定各零部件之間的裝配關(guān)系，如圖2所示．由于布料臂架主體主要采用BEAM188梁單元建模，即臂架與滑道均為線框模型，所以只能采用耦合滑道和臂架節(jié)點自由度的方式模擬零部件的裝配關(guān)系．

但是若以單工況耦合節(jié)點自由度的方式創(chuàng)建裝配關(guān)系，單就一個工況，就需要在建立好的裝配模型中，人工查找滑道與對應(yīng)臂架節(jié)點的編號（這里共計132個節(jié)點編號）;如果再分析計算其他工況（模型相對位置發(fā)生變化），還得人工修改耦合從節(jié)點編號，這樣太過繁瑣和耗費時間．因此，針對布料臂架實際建模特點，編寫了布料臂架在不同工況時實現(xiàn)節(jié)點自由度自動耦合的程序．

圖2 確定裝配關(guān)系的臂架有限元模型

2．3 節(jié)點耦合自動化程序的編制

布料臂架在不同工況下，快速自動創(chuàng)建節(jié)點耦合命令是實現(xiàn)布料臂架全工況建模的關(guān)鍵．

經(jīng)過分析知滑道與臂架節(jié)點耦合的特點：滑道節(jié)點編號不隨模型的變化而變化;與滑道接觸的臂架節(jié)點編號（耦合從節(jié)點）變化且無明顯規(guī)律．但是耦合從節(jié)點的某一坐標值（這里為x坐標值）是遵從升序變化的．

因此，節(jié)點耦合自動化程序只需將從節(jié)點集編號，以某一坐標值（x軸）升序的方式排列后，調(diào)用耦合從節(jié)點，便可以實現(xiàn)快速裝配．但是ANSYS內(nèi)部函數(shù)不支持節(jié)點集編號的坐標值排序，僅支持節(jié)點集編號按其編號的大小升序（降序）的方式排列．為解決上述問題，提出如下思路：

1）根據(jù)滑道頭尾節(jié)點位置，確定出耦合從節(jié)點的初始位置與終了位置，并選中該節(jié)點集．

2）將從節(jié)點集的x坐標值存入中間數(shù)組（NODELOCX），該中間數(shù)組元素按x坐標值升序排序．

3）調(diào)用排好序的節(jié)點集編號依次存入數(shù)組（FUIP）．

4）最后在耦合命令中，依次調(diào)用該數(shù)組元素．

根據(jù)上述思路編寫的程序如下：

對比布料臂架的2種建模技術(shù)，則全工況建模具有以下特點：

1）裝配體與零部件的命令流具有重用性，提高了裝配體命令流編寫的效率;

以文中提到的模型操作順序裝配模型．由于剛裝入的模型，其關(guān)鍵點、線的編號與原來CDB文件里的編號一致，因此在有限元后續(xù)分析（網(wǎng)格劃分等）過程中，可以重用單獨零件分析時的命令流．

2）降低了個人出錯的可能性，提高了零件與裝配體設(shè)計、分析的效率．

單獨建立各個臂架零部件的人員，可以先對其建立的零部件（前臂、中間臂、基礎(chǔ)臂和驅(qū)動滾筒支架等）進行有限元分析，然后與整體臂架分析的結(jié)果相互對比分析．

3）相比于布料臂架單工況建模時的節(jié)點耦合命令流，快速確定裝配關(guān)系的命令流具有較高的可移植性，且是實現(xiàn)快速裝配的關(guān)鍵．

3 結(jié)語

在論述了基于APDL參數(shù)化建立布料臂架裝配體模型后，指出該方法的適用范圍以及其局限性;提出以基于APDL參數(shù)化建立零件模型，引入有限元模型裝配技術(shù)共同實現(xiàn)快速建模，最后以節(jié)點耦合自動化程序?qū)崿F(xiàn)快速確定裝配關(guān)系的全工況建模技術(shù)．結(jié)合50 m布料臂架，說明全工況建模技術(shù)具有命令流編寫速度快、可移植性高、出錯率低的特點，同時是后續(xù)全工況分析的基礎(chǔ)，為同類臂架的有限元建模提供參考．

［1］李志敏．伸縮吊臂滑塊局部應(yīng)力分析及變化規(guī)律研究［D］．四川：西南交通大學(xué)，2009．

［2］柏立國．履帶式起重機臂架結(jié)構(gòu)靜動態(tài)分析研究［D］．吉林：吉林大學(xué)，2008．

［3］劉家輝．履帶起重機臂架系統(tǒng)動力學(xué)仿真［D］．大連：大連理工大學(xué)，2007．

［4］徐一．履帶起重機設(shè)計程序研究及實現(xiàn)［D］．大連：大連理工大學(xué)，2009．

［5］周長江，官鳳嬌，韓陽．布料機布料臂架有限元建模與仿真研究［J］．工程機械，2007，38（11）：20 －25．

［6］王磊，孫振軍，盧彥群．基于ANSYS的混凝土膠帶布料車伸縮臂的有限元分析［J］．裝備制造，2009（8）：177－178．

［7］高原．基于APDL的起重機伸縮臂參數(shù)化設(shè)計與分析［D］．大連：大連理工大學(xué)，2010．

［8］袁昕，姜彤．實用ANSYS在橋梁建設(shè)裝配結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用［M］．鄭州：黃河水利出版社，2009：9－10．

［9］博弈創(chuàng)作室．ANSYS9．0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實例詳解［M］．北京：中國水利水電出版社，2006：420－422．