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1、机械设计计中的整整体结构构分析技技术摘要：本本文综述述了以北北京航空空制造工工程研究究所为技技术依托托单位的的BQCCIMSS工程的的整体结结构分析析技术，包包括：工工程背景景与需求求，基于于ANSSYS/APDDL平台台的结构构模型参参数化技技术，整整体结构构的子结结构分析析与自动动化分析析流程。最最后，整整体结构构分析在在汽车起起重机与与矿用重重型汽车车设计中中的成功功应用，证证明了这这种技术术的实用用性。 1 工工程背景景与需求求 以北京京航空制制造工程程研究所所为技术术依托单单位的北北京起重重机器厂厂CIMMS 工工程(简简称BQQCIMMS工程程)，是是国家8863CCIMSS工程资
2、资助的北北京市信信息技术术推广示示范项目目之一。其其中，汽汽车起重重机与矿矿用重型型汽车设设计中的的工程分分析是该该项目的的核心创创新技术术与提高高企业市市场快速速反映能能力的重重要手段段。北京京航空制制造工程程研究所所推广应应用航空空结构设设计中的的先进分分析技术术与方法法1，以国国际上先先进的工工程分析析平台ANSSYS系系统22为基基础，与与北京起起重机器器厂的工工程师们们紧密合合作，利利用ANNSYSS/APPDL语语言进行行二次开开发，建建立了适适应汽车车起重机机3与矿用用重型汽汽车44设计计的整体体结构工工程分析析方法。 汽车起起重机与与矿用重重型汽车车，作为为一类“大大力神”产产
3、品，具具有其特特殊的作作业环境境，要求求良好的的力学性性能，包包括刚度度、应力力水平、变变形、抗抗干扰性性能等。对对于工程程设计人人员来说说，零件件、结构构件及整整机的力力学性能能如何？会不会会因强度度不够造造成破坏坏事故？这些都都是他们们必须关关心和回回答的问问题。 对于结结构件设设计来说说，一般般地说，它它是零部部件的组组合设计计。汽车车起重机机的主要要承力结结构件是是吊臂、转转台、车车架。矿矿用重型型汽车的的主要承承力骨架架是整体体车架，它它又是许许多结构构件的组组合，包包括支撑撑架、前前车架、中中车架、尾尾架及若若干子构构件。结结构件有有限元分分析是产产品设计计的基础础性分析析。最基基
4、本的分分析是进进行线性性应力分分析；对对于有些些结构件件，例如如吊臂与与车架，还还要进行行稳定性性分析，研研究结构构件失稳稳(屈曲曲)的条条件。 对于整整体结构构设计来来说，整整体分析析是工程程师面临临的最直直接、最最重要的的问题。汽汽车起重重机整机机分析的的对象包包括若干干个受力力结构件件和机构构( 回回转、变变幅、伸伸缩、起起升等)；最危危险的工工况是起起重作业业工况，力力的传递递路线是是：重物物吊臂臂变幅幅油缸支支撑高高架转台台回转转支撑底架支腿垂直油油缸地地面；矿矿用重型型汽车的的传力路路线实际际上包括括了整车车的各严严重工况况(静满满载、举举升、刹刹车、转转弯)。因因此，整整体分析析
5、往往非非常复杂杂。设计计人员在在设计过过程中要要求较快快地预测测整体结结构在不不同工况况(特别别是严重重工况)下结构构应力水水平与变变形，以以便完善善与优化化总体设设计，变变为最急急迫而又又难以实实现的事事情。 针对整整体分析析这一难难点问题题，本文文论述的的基于 ANSSYS/APDDL平台台二次开开发的整整体结构构分析技技术，利利用APPDL语语言的特特点实现现结构模模型的参参数化，采采用子结结构分析析的技术术策略，实实现整体体结构的的剖分与与结构件件分析，实实现结构构件的变变换与组组装，最最终完成成整体结结构分析析。这种种技术策策略在汽汽车起重重机与矿矿用重型型汽车的的成功应应用说明明了
6、它的的优越性性。 22 基于于APDDL的结结构模型型参数化化技术 2.11 参数数化设计计语言 对于结结构的CCAD模模型(通通常由点点、线、面面及实体体组合而而成)进进行参数数化特征征设计，是是现代CCAD系系统的基基本功能能。但是是，对于于有限元元结构分分析系统统来说，对对复杂组组合结构构的有限限元模型型要实现现参数化化设计，却却并非易易事。 先进的的ANSSYS系系统为用用户提供供了一种种建立参参数化模模型的基基本工具具_AAPDLL语言。但但是，使使用APPDL语语言开发发参数化化的模型型程序，却却是用户户自己的的事情。AAPDLL是一种种面向工工程的、结结构化的的解释性性语言。它它
7、具有高高级算法法语言的的基本特特征与功功能。它它的表达达方式是是一系列列基本的的用户命命令串。符符合ANNSYSS_APPDL语语法规则则的FEEA参数数模型程程序，一一般来说说，它包包括： 几何(点、线线、面、实实体 )定义与与操作命命令，有有限元单单元划分分命令，逻逻辑控制制命令，条条件与循循环命令令，分析析流程命命令等。用用户要对对结构件件的有限限元模型型进行参参数化设设计，必必须熟练练地掌握握这种语语言。所所有复杂杂组合结结构及整整机的FFEA模模型都要要用APPDL语语言进行行二次开开发。 2.22 结构构件的参参数化 结构件件参数的的提取是是参数化化设计的的基础。这这里的关关键是选
8、选取能表表述结构构件几何何特征的的主要参参数。一一般地说说，结构构件的主主要参数数包括长长、宽、高高、关键键点、连连接条件件、板厚厚、型材材截面积积、材料料与物理理特性等等。我们们将对这这些参数数规范化化地命名名，设置置有关的的参数名名(或数数组名)。例如如，我们们命名长长度参数数为a1，.aan，宽度度参数为为w11，.wwm，高度度参数为为h11，.hhi，厚度度参数为为t11，.ttj，对于于每一个个结构件件，它都都具有这这样一组组参数。定定义结构构件名为为相应参参数组名名，并以以/EOOF作为为结束符符，这就就构成了了一个AAPDLL能够调调用的结结构件的的参数模模块。集集成所有有结构
9、件件的参数数模块，便便构成了了产品结结构的FFEA参参数库文文件。 2.33 产品品的FEEA参数数库与模模型库 产品结结构往往往是由几几个主要要承力结结构件组组成的。产产品参数数文件包包含了它它们相应应的参数数模块。这这些参数数模块的的任何参参数值的的改变，都都会引起起有关结结构件的的有限元元模型的的改变，也也就引起起整个结结构的改改变。系系列化的的产品便便是这些些参数的的系列变变化。产产品结构构性能的的优化设设计便是是这些参参数的优优化。产产品结构构件与整整体结构构的FEEA模型型程序，正正是利用用ANSSYS/APDDL语言言，引用用参数库库中相应应参数模模块，进进行二次次开发得得到的。
10、我我们以型型号名来来命名产产品的FFEA模模型库，它它不仅包包括产品品的参数数库文件件，也包包括结构构件模型型程序、载载荷文件件、工况况控制文文件等。这这里，以以六边形形臂QYY25DD模型库库为例，说说明它的的构成。 图1 QQY255D型号号模型程程序库的的逻辑树树图1 表表明了FFEA模模型库的的逻辑树树，主要要包括： BQCCDB.LIBB 产品品方案设设计参数数文件 BBQDDDB.LLIB 产品详详细设计计参数文文件 CRRANEE.LIIB 宏宏子程序序文件 BBQC1100.A 吊吊臂方案案设计模模型程序序 BQCC2000.A 双墙高高架转台台方案设设计模型型程序 BBQC3
11、300.A 车车架方案案设计模模型程序序 从产产品模型型库表明明，参数数的修改改可直接接得到修修改的结结构模型型。这可可对同一一结构形形式的产产品进行行方案的的比较及及参数优优化，而而且使系系列化设设计成为为可能。 3 整整体结构构的子结结构分析析技术 3.11 整体体结构的的剖分与与子结构构分析 整体结结构的基基本特点点是结构构规模大大、组合合形式复复杂。目目前，国国际上解解决大型型复杂结结构的分分析问题题通常选选择子结结构方法法，或者者结构超超单元方方法。由由于超单单元实际际上是子子结构的的一种表表达形式式，因此此这里仅仅简介子子结构分分析技术术。 对对于任何何一个大大型复杂杂结构，我我们
12、总可可以划分分为若干干部分或或结构件件(简称称为子结结构)，它它们靠边边界节点点与整体体结构相相关连。如如果我们们将所有有的子结结构的边边界节点点组成一一个集合合，那么么这个集集合便表表征了这这个大型型复杂结结构的连连接骨架架，我们们称之为为边界结结构。只只要我们们把各子子结构对对有关边边界节点点的刚度度效应(或影响响计算算出来，并并施加在在这些边边界节点点上，则则解决大大型复杂杂结构的的分析问问题，便便转变为为求解规规模小得得多的若若干子结结构及边边界结构构问题。 当然，如如果边界界结构与与子结构构的规模模也很大大，还可可以再剖剖分为若若干二级级或三级级的子结结构。但但是，这这种多重重子结构
13、构的使用用，将带带来分析析流程的的复杂化化。因此此，如何何有效地地剖分整整体结构构便成了了问题的的关键所所在。 我们用用K表示示子结构构的总刚刚度矩阵阵，U表表示子结结构的总总位移矩矩阵，PP表示子子结构的的总载荷荷矩阵；Ki表表示仅与与子结构构内部节节点相关关的刚度度矩阵，KKb表示示仅与子子结构边边界节点点相关的的刚度矩矩阵,KKib表表示子结结构内部部节点与与边界节节点相关关联的刚刚度矩阵阵;Pii表示仅仅与子结结构内部部节点相相关的外外载荷矩矩阵，PPb表示示仅与子子结构边边界节点点相关的的载荷矩矩阵；UUi 表表示子结结构的内内部节点点位移矩矩阵，UUb表示示子结构构的外部部节点位位
14、移矩阵阵。我们们将有平平衡方程程： KKU = P(1) 其中，这里，就就是子结结构的仅仅与边界界节点相相关联的的等效边边界刚度度矩阵与与等效边边界载荷荷矩阵。它它们对整整体结构构的贡献献与子结结构的贡贡献相当当，因而而被称之之为超单单元。一一旦边界界节点的的位移已已知，结结构的内内节点的的位移便便由公式式 Uii = Ki-1(PPi-KKibUUb) (4) 对子子结构的的分析，其其主要计计算工作作量是消消除该子子结构的的内部节节点自由由度，得得到它的的等效矩矩阵。 从(22)、(3)式式可以看看出，如如果各子子结构的的边界节节点越少少，则这这些等效效矩阵的的规模也也越小，最最终的边边界子
15、结结构的规规模也越越小，其其运算速速度也越越快。因因此，划划分复杂杂结构为为多个子子结构的的一个基基本方法法，就是是要尽量量控制子子结构的的内部节节点规模模适当，并并且具有有边界节节点的数数目较少少。例如如，充分分利用结结构的链链式、外外伸等特特点，合合理划分分子结构构，可收收到较好好的效果果。 33.2 子结构构的变换换与组装装 在一一般整体体结构分分析中，使使用了四四种坐标标系。其其中，节节点坐标标系确定定了节点点自由度度的方向向;元素素坐标系系规定了了元素刚刚度(载载荷)矩矩阵与子子结构之之间的变变换矩阵阵;子结结构坐标标系将确确定子结结构等效效边界刚刚度(载载荷)矩矩阵向整整体结构构的
16、组装装的变换换矩阵;整体坐坐标系通通常取世世界系。 对于子子结构分分析来说说，子结结构的几几何建模模与应力力分析是是在子结结构的局局部坐标标系下进进行的。但但是，子子结构的的等效刚刚度(载载荷)矩矩阵却必必须按总总体坐标标系进行行组装。因因此，每每一个子子结构在在组装之之前，需需要对等等效边界界刚度(载荷)矩阵进进行坐标标变换。我我们设BB为子结结构对总总体系的的变换矩矩阵(通通常它由由整体系系的三个个节点确确定：节节点1定定义原点点，节点点1-22方向定定义X向向，节点点1-22连线与与节点11-3定定义连线线构成的的平面法法线确定定Z向，由由Z与XX向构成成的平面面法线定定义Y向向)，则则
17、整个结结构的边边界子结结构的刚刚度(载载荷)矩矩阵为 值得说明明，这里里.是按总总体结构构的边界界节点编编号位置置，对号号叠加的的。因此此，整体体结构的的边界平平衡方程程为： KzUUz = Pzz (77) 给给定整体体结构六六个刚体体自由度度的约束束，求解解(7)，我们们将得到到整体边边界结构构的位移移。再经经过整体体边界位位移向子子结构的的坐标变变换，执执行(44)式，将将求得子子结构的的内部节节点自由由度。 3.33 整体体结构模模型的简简化准则则 对于于整体结结构的分分析，不不仅需要要将所有有的结构构件及机机构加以以考虑，而而且需要要将作业业过程中中的不同同载荷工工况加以以考虑。为为
18、了控制制整体结结构分析析的规模模，整体体模型的的建立既既要尽量量理想化化、简单单化、典典型化，又又要较客客观地反反映出整整体(特特别是结结构件连连接部位位)的应应力分布布、变形形(刚度度)及失失效等问问题。整整体结构构的作业业运动表表明，有有必要选选择多种种典型的的作业工工况加以以计算；同时还还要根据据工程规规范，考考虑风载载、惯性性载、作作业场地地的不平平等多因因素对整整体结构构受力的的影响。由由于整体体结构的的复杂性性与控制制结构分分析规模模的需要要，整体体结构模模型的简简化基于于下述原原则： 确确保整体体结构的的传力路路线完整整 确保整整体结构构典型作作业工况况的实用用性 关键键结构件件
19、的参数数化 将结结构件参参数化与与整体结结构参数数化统一一 对结构构的细节节结构作作重要简简化 整体体结构有有限元建建模及分分析流程程自动化化。 33.4整整体结构构模型的的集成 集成结结构件模模型以实实现整体体结构建建模，实实际上变变成了结结构件模模型的组组装与连连接。 结构件件的组装装必须在在总体系系下进行行。第一一步要设设置子结结构坐标标系，定定义原点点与坐标标系方向向，第二二步要调调用相关关结构件件的模型型程序自自动产生生几何模模型，最最后还要要恢复总总体系。 结构件件的连接接，也是是在总体体系下进进行的。不不同的连连接方式式需要建建立不同同的连接接结构，以以便模拟拟结构件件在总体体结
20、构中中的传力力关系。例例如，汽汽车起重重机，吊吊臂与转转台之间间就有变变幅油缸缸；吊臂臂转动轴轴，卷扬扬机的钢钢丝纯等等连接件件都必须须给予简简化；回回转支撑撑结构的的上下垫垫圈可作作为曲梁梁元；滚滚珠与螺螺栓柱的的模拟支支撑结构构要参与与转台与与车架平平台的抗抗弯，都都是值得得关注的的技术要要点。又又例如，矿矿用汽车车的发动动机的机机架、减减速器的的支撑架架、转向向机构等等，均参参与了车车架的总总体受力力，在大大胆简化化时也必必需建立立相应模模拟结构构的有限限元模型型。 44 整体体结构分分析的自自动化流流程 4.11整体结结构模型型的参数数化 整整体结构构模型的的参数化化是以子子结构参参数
21、化为为基础的的。由于于整体结结构的子子结构划划分是以以关键结结构件为为实体。因因此，结结构件的的参数化化与整体体结构的的参数化化可以有有机地结结合起来来，建立立统一的的结构参参数库文文件。 4.22结构件件的FEEA模型型程序 结构件件的模型型自动产产生程序序是以AAPDLL语言为为平台开开发的，它它将调用用结构参参数库文文件的相相关模块块。只要要一旦实实现结构构件的参参数化，它它的几何何模型自自动产生生程序便便以宏子子程序方方式建立立与调用用。这就就构成了了结构件件几何模模型的宏宏程序库库。结构构件与整整体结构构的几何何模型均均调用这这个宏程程序库产产生，这这十分有有利于整整体结构构分析与与
22、结构件件分析的的协调。同同时，整整体结构构分析的的某些结结果也可可以作为为结构件件的边界界条件以以自动方方式引入入。 44.3整整体结构构分析的的基本步步骤 现现在，我我们可以以对整体体结构分分析的基基本步骤骤作出一一定的规规范： 建建立以结结构件为为基本模模块的参参数库文文件 以AAPDLL为平台台，开发发结构件件FEAA模型的的宏程序序库 调用用宏程序序库，开开发整体体结构模模型的集集成程序序 建立整整体结构构的自动动化分析析流程 建建立后置置处理流流程 44.4 流程设设计 基基于上述述技术路路线，我我们很容容易按功功能设计计需求，建建立若干干结构自自动分析析流程。图图2便是是基于AAN
23、SYYS/AAPDLL二次开开发的一一般分析析流程框框图。其其中，FFEA模模型程序序是利用用ANSSYS的的 APPDL语语言开发发的，与与新产品品的结构构设计紧紧密相关关；它引引用结构构的模型型参数及及载荷数数据文件件；解算算器及后后处理器器是ANNSYSS的基本本功能模模块。这这里，我我们建立立的基本本分析流流程有： 结构件件分析流流程；实实现各结结构件FFEA模模型自动动产生与与应力分分析； 整整体结构构分析流流程：实实现整体体结构的的各结构构件FEEA模型型生成、组组装及应应力分析析。 结构构件稳定定性分析析流程实现相相关结构构件FEEA模型型生成及及稳定性性分析。 图2. 基于AA
24、NSYYS_AAPDLL的二次次开发流流程5 整体体结构分分析在重重型机械械设计中中的应用用 5.11 汽车车起重机机QY225D的的整体结结构分析析 我们们对北京京起重机机器厂六六面体四四节臂的的汽车起起重机QQY255D进行行了整机机结构有有限元分分析。这这是该行行业对整整机分析析的第一一次赏试试。全结结构划分分为三个个子结构构及若干干连接结结构，建建立了两两个用于于整机分分析的程程序流程程： AA. 全全机方案案设计的的有限元元参数化化模型产产生程序序，其主主要功能能是对全全机方案案设计模模型进行行有限元元分析。在在分析过过程中，整整机模型型具有330677个节点点；shhelll63元
25、元素31149个个，beeam44元素1133，llinkk8元素素1个；有效自自由度为为175597。 B. 具有详详细设计计车架模模型的全全机有限限元参数数化模型型产生程程序，其其主要功功能是对对具有车车架局部部加强的的整机模模型进行行有限元元分析。在在分析过过程中，整整机模型型具有443677个节点点，shhelll63元元素44471个个，beeam44元素2217，llinkk8元素素1个；有效自自由度为为251166。 方案AA与方案案B比较较表明，模模型网格格局部细细化，会会使模型型分析规规模增大大。图33、4表表明整机机分析的的应力分分布云图图。整机机应力水水平与分分布的合合理
26、性证证明了本本文介绍绍的方法法的正确确性。但但是，场场外应用用表明，结结构件的的局部稳稳定性还还是值得得重视的的。 图3 QQY255D整机机分析的的Vonn Miisess应力分分析云图图图4 整整机分析析的Y向向局部变变形与应应力分析析云图5.2 矿用重重型汽车车BJZZ34880车架架的的整整体分析析 我们们对北京京重型汽汽车制造造厂的BBJZ334800型车架架进行了了整体有有限元分分析。整整体结构构划分为为五个子子结构，若若干个连连接结构构。最终终的整体体模型具具有67769节节点，771055有限元元元素，其其中，壳壳单元( shhelll63 )有770277个，梁梁单元( be
27、eam44 )有有78个个；结构构总自由由度数4406114。整整体结构构分析得得到了车车架在举举升、刹刹车、转转弯及静静满栽等等四种不不同工况况下的变变形与应应力水平平(见图图5、66、7、88)。这这是该厂厂第一次次对如此此复杂的的组合结结构进行行有限元元分析，结结果令人人满薏。 图5 BBJZ334800车架举举升工况况的拉压压应力云云图图66 BJJZ34480举举升工况况的关键键部位综综合应力力云图图7 BBJZ334800支撑架架在刹车车工况时时的拉压压应力云云图图8 BBJZ334800车架静静满载工工况的局局部应力力云图5.3 QY225D吊吊臂的屈屈曲分析析 我们们采用整整体
28、结构构参数化化建模中中的吊臂臂结构件件模型，进进行带几几何大变变形的非非线性屈屈曲分析析4，使用用的ANNSYSS基本算算法是：自动载载荷增量量方法、NNewtton_Rapphsoon迭代代法、及及带修正正的Neewtoon_RRaphhsonn自动迭迭代法。通通过多工工况的非非线性屈屈曲分析析证明，QQY255D的吊吊臂在工工程规范范内使用用是稳定定的。但但是，在在结构全全伸状态态时，干干扰主要要是侧载载，超过过最大总总吊重110%的的情况下下，结构构将失稳稳，其临临界载荷荷因子是是0.88，失稳稳前的最最大Voon MMisees应力力25kkg/mmm*2。图图9、110是在在严重工工况下失失稳前的的变形与与应力云云图。 图9 第第3节吊吊臂工况况3的详详细设计计模型失失稳前的的变形与与应力云云图图10 第3节节吊臂工工况4的的详细设设计模型型失稳前前的变形形与应力力云图稳定性分分析表明明，即是是结构的的线性静静应力水水平在许许用应力力范围内内，结构构的稳定定性分析析还是非非常必要要的。