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1、起重臂局部稳定性有限元分析的二次开发 河海大学 纪爱敏 徐州徐工随车起重机有限公司 刘永传摘要摘要：在大吨位起重机的起重臂设计中，定量地、精确地计算起重臂的局部稳定性 非常重要。但由于起重臂截面形状复杂以及作用应力分布不均匀，因而其计算难度较大。 目前已有的研究成果表明，运用有限元法可以较精确地分析复杂截面形状的起重臂的局部 稳定性，并获得其临界屈曲应力值。为此，以随车起重机六边形起重臂为例，在有限元分 析软件 ANSYS 环境下，利用其参数化建模语言 APDL 对其局部稳定性有限元分析的全过 程作了二次开发，包括建模中的模型参数提取及参数输入方法、载荷处理及载荷数值输入、 约束施加、预应力及
2、特征值解算以及采用优化方法寻求失稳半波长及临界应力等，并介绍 了相应宏文件的形成以及定制分析流程方法。最后给出了一个实例的运行过程。 关键词关键词：起重机稳定性有限元分析 APDL 二次开发随着起重机向大吨位起重量和高起升高度发展，设计中，如何尽可能地减轻起重臂的重 量，是一个非常值得思考的问题，通常的做法都是增大起重臂截面的高厚比，同时将腹板 压形，以减小腹板的高厚比，避免腹板的屈曲破坏。因而定量地、较精确地分析起重臂的 局部稳定性，显得非常重要。目前，这方面的研究已取得了一些成果。文献13利用有限 元方法，并借助于 ANSYS 软件，求得了起重臂的临界屈曲应力值。并通过试验验证了计 算结果
3、值，表明其分析方法较为可靠。但是，在起重臂局部稳定性计算中，分析过程较为 复杂，这对一般的工程设计人员来讲，应用此方法来解决实际问题可能较为困难，因此， 有必要将此分析过程进行二次开发，以方便一般的设计人员使用，从而获得其分析结果。 1 二次开发方案二次开发方案 考虑到 ANSYS 为国际知名的分析软件，且在国内企事业单位的普及率高，因而， 其二次开发仍基于 ANSYS 环境。ANSYS 软件本身提供了参数化设计语言，即 APDL（ANSYSParametric Design Language） ，利用此语言就可以对 ANSYS 分析过程作二 次开发。 APDL 是一种可用来自动完成参数化有限
4、元分析全过程的脚本语言。它提供一般程序语言 的功能，如：参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问 ANSYS 数 据库等，另外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行 应用程序等。起重臂局部稳定性有限元分析过程为：参数化建模、加载、约束施加、预应 力的静应力分析、特征值屈曲分析以及优化求解等。现将这些分析过程利用 APDL 编写成 一个个的宏文件，其中，在参数化建模时，由于需要给模型参数进行赋值，则可利用 APDL 的界面语句定制参数赋值界面并建立适当的消息机制。当所有宏文件都编好后，便 可利用缩写功能在 ANSYS 工具条（Toolbar）上建立按钮
5、，以实现起重臂局部稳定性分析 流程的驱动和调用。 2 二次开发过程二次开发过程 以随车起重机上的六边形起重臂为例，介绍其局部稳定性分析的二次开发过程。起重臂截 面示意图如图 1 所示。 图 1 六边形起重臂的截面 2.1 实体建模及网格划分实体建模及网格划分 由图 1 可见，可以通过图中的!、b、h 及 t 参数来表示六边形起重臂截面形状。起重臂局 定性分析时，起重臂按板壳模型处理，取其中面建模，故截面参数为上述的前 3 个参数。 另外，输入板厚参数。这样，建模时，仅需输入 4 个参数运用 APDL 的 MULTIPRO 命令 构造 1 个四参示对话框来实现。其命令流如下： MULTIPRO,
6、start,4!交互输入中面尺寸及板厚 *cset,1,3,Height,Height ofweb:,0 *cset,4,6,Width,Width ofbottomplate:,0 *cset,7,9,Alpha,Angle between bottomplate: *cset,10,12,Thickness,Thickness ofplate:,0 *cset,81,82,Enter the parameters of,mid- face and thickness！此对话框中的提示 MULTIPRO,end *IF,_BUTTON,EQ,1,THEN！如果选择 Cancel 按 /EOF
7、！终止运行宏 *ENDIF L=Height！定义失稳半波长的初始值 建模及网格划分命令流为： /PREP7！参数化实体造型 K,1,0,0！创建关键点 1 WPROTA,90-Alpha/2！旋转工作平面 CSYS,4！激活工作平面 K,2,Width,0！在工作平面内创建关键点 2 WPROTA,-(90-Alpha/2) KWPAVE,2！工作平面移至关键点 2 K,3,0,Height！在工作平面内创建关键点 3 KWPAVE,3 WPROTA,(Alpha/2+90) K,4,Width,0 KWPAVE,4WPROTA,(180-Alpha) K,5,Width,0 KWPAVE,
8、5 WPROTA,-(270-Alpha/2) K,6,0,-Height KWPAVE,1 CSYS,0！激活整体迪卡尔坐标系 *DO,I,1,5！创建中面的线 LSTR,I,I+1*ENDDO LSTR,6,1 K,7,0,0,-L LSTR,1,7 ADRAG,ALL,7!通过沿线 7 拖拉，形成中面 LDELE,7 ET,1,SHELL63！选择单元 R,1,Thickness,！定义板厚 MP,EX,1,2.1e5！定义材料特性 MP,NUXY,1,0.3 LESIZE,ALL,10,0！规定线被划分的份数 AMESH,ALL！模型网格划分 FINISH 将以上命令流保存为 Mode
9、l-Mesh-Hex.mac 宏 文件。 2.2 加载、约束施加及求解加载、约束施加及求解 在板的局部稳定性分析问题中，外力仅是板的中面力。由于是薄板，故其大小近似等于中 面应力与板厚的乘积。因此，可直接按应力在起重臂截面上的分布情况在模型上加载。选 取起重臂上危险截面（应力值大） ，且为了方便后面求特征值（临界压力） ，将截面上最大 压应力值令为 1，其它应力值均以此为基准，计算其相对值。然后，在中面的两端线上施 加压力。对于上述六边形起重臂，加载时，必须输入 6 个点的相对应力值，故需构造 6 参 数对话框（见下面） 。对于边界条件，按简支处理。应该说明的是，对于六边形的斜边约束， 考虑到
10、与简支情况相差不大，故为了简便起见，仍采取与直边同样的总体坐标 x 或 y 方向 的约束1。命令流如下： MULTIPRO,start,6!输入 6 点的相对应力值 *cset,1,3,R_Sigma1,Stress of KP1 Relative to KP2:,0！假定以 2 点的应力值为基准 *cset,4,6,R_Sigma2,Stress of KP2 Relative to KP2:,1 *cset,7,9,R_Sigma3,Stress of KP3 Relative to KP2:,0 *cset,10,12,R_Sigma4,Stress of KP4 Relative to
11、 KP2:,0 *cset,13,15,R_Sigma5,Stress of KP5 Relative to KP2:,0*cset,16,18,R_Sigma6,Stress of KP6 Relative to KP2:,0 *cset,81,82,Enter the pressure of,the mid-sur- face MULTIPRO,end ！ *IF,_BUTTON,EQ,1,THEN /EOF *ENDIF SFL,1,PRES,R_Sigma1,R_Sigma2！模型的一端加载 SFL,2,PRES,R_Sigma2,R_Sigma3 SFL,3,PRES,R_Sigma
12、3,R_Sigma4 SFL,4,PRES,R_Sigma4,R_Sigma5 SFL,5,PRES,R_Sigma5,R_Sigma6 SFL,6,PRES,R_Sigma6,R_Sigma1 ！ SFL,8,PRES,R_Sigma1,R_Sigma2！模型的另一端加 载 SFL,11,PRES,R_Sigma2,R_Sigma3 SFL,13,PRES,R_Sigma3,R_Sigma4 SFL,15,PRES,R_Sigma4,R_Sigma5 SFL,17,PRES,R_Sigma5,R_Sigma6 SFL,19,PRES,R_Sigma6,R_Sigma1 DL,1,UY,0！加
13、约束 DL,1,UZ,0 DL,2,UX,0 DL,2,UZ,0 DL,3,UZ,0 DL,4,UZ,0 DL,5,UX,0 DL,5,UZ,0 DL,6,UY,0 DL,6,UZ,0 DL,8,UY,0 DL,11,UX,0 DL,17,UX,0 DL,19,UY,0 /SOLU！求解 ANTYPE,0!静力计算 PSTRES,ON！激活预应力，计算应力刚度矩阵 SOLVE FINISH /SOLUANTYPE,1！特征值屈曲分析 BUCOPT,LANB,4,0,0 兰索斯方法求解，提取 4 阶模 态 MXPAND,4,0,0, SOLVE FINISH *SET,FREQ1 *GET,FR
14、EQ1,MODE,1,FREQ！提取一阶特征值 LGWRITE,stability_hexboom,lgw,COMMENT！生成后面的优化分析文件 FINISH 将以上命令流保存为 Load-Solution-Hex.mac 宏文件。 2.3 优化寻求失稳半波长及临界应力优化寻求失稳半波长及临界应力 采用参数优化的方法来搜索真实半波长以及对应的临界应力。即将半波长 L 定义为设计变 量，目标函数为一阶特征值，并使其最小。命令流如下： /OPT OPANL,stability_hexboom,lgw，！指定优化分析文件 OPVAR,L,DV,0.2*Height,Height！定义设计变量取 值
15、区间 OPVAR,FREQ1,OBJ,0.01,！定义目标函数 OPDATA, OPLOOP,PREP,PROC,ALL OPKEEP,ON OPTYPE,FIRST！指定优化方法为一阶方法 OPFRST,45 OPEXE FINISH /CLEAR RESUME,stability_hexboom,bdb！调入最优解数据库 *SET,Critical_Sigma,FREQ1/Thickness！计算临界应 力值 /POST1 PLNSOL,U,SUM,0,1！绘一阶屈曲模态图 /VIEW,1,1,1 JPEG,！将此图存为（输出）*.jpg 图片文件 FINISH 将以上命令流保存为 Opt
16、-Local-Stability-Hex. mac 宏文件。 2.4 定制分析工具条按钮定制分析工具条按钮 利用文本编辑器打开 start90.ans（即 ANSYS 安装路径中的启动文件） ，在该文件的最后添 加一系列命令，其中，利用/PSEARCH 命令指明上述宏文件的存放路径；另外，利用 *ABBR 定义运行上述宏文件的缩写按钮，然后存盘。所添加的命令如下： /PSEARCH,e:FEA!指明宏文件的存放路径 *ABBR,Model-Mesh,Model-Mesh-Hex！定制 Toolbar 按钮*ABBR,Load-Solution,Load-Solution-Hex *ABBR,Opt-Local-Stability,Opt-Local-Stability-Hex 3 实例运行实例运行 以交互方式启动 ANSYS 程序，进入 ANSYS 交 互界面，可以看到除缺省的按钮外，工具条 T
