畢業(yè)設(shè)計(jì)--傳動滾筒動有限元分析

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　挖泥設(shè)備尤其是挖泥船如今在中國得到了快速的發(fā)展，在港灣建設(shè)，清理河道等方面發(fā)揮著巨大的作用。其中，挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中的傳動滾筒發(fā)揮著重要的作用。起到了支撐和幫助工作轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的功能。其性能直接影響到了挖泥船的工作運(yùn)行。本論文采用了ADAMS測量出傳動滾筒所受應(yīng)力后運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行分析，對工作轉(zhuǎn)臺在一個(gè)工作周期內(nèi)分

2、別應(yīng)用靜態(tài)分析和動態(tài)分析對傳動滾筒所受的全部載荷做了全面的分析研究，通過后處理得到了傳動滾筒的應(yīng)力和位移云圖。最終確定了傳動滾筒所受應(yīng)力的狀況。解決了挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中滾筒的實(shí)際問題。具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和工程意義。</p><p>　　首先，對傳動滾筒的類型和失效形式做出簡單的分析，通過已知的傳動滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)建立傳動滾筒模型，然后在已建立的ADAMS船體模型的基礎(chǔ)上添加適當(dāng)?shù)募s束并運(yùn)用ADAMS自身功能測量和

3、繪制傳動滾筒的應(yīng)力曲線圖。其次，由于在ANSYS中建立滾筒模型較麻煩，所以通過Solidworks建立傳動滾筒模型并將其導(dǎo)入進(jìn)ANSYS。最后將ADAMS測量出的應(yīng)力曲線圖擬合成方程函數(shù)并通過ANSYS對傳動滾筒所受應(yīng)力進(jìn)行分析，分為瞬時(shí)動態(tài)分析和靜態(tài)分析，通過后處理分別得到靜態(tài)時(shí)傳動滾筒在最大應(yīng)力情況下的位移形變圖和應(yīng)力云圖以及在挖泥船一個(gè)工作周期內(nèi)滾筒體上某一節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力隨時(shí)間變化的圖和在某一時(shí)刻時(shí)該節(jié)點(diǎn)的位移形變趨勢。</p

4、><p>　　關(guān)鍵詞：有限元；傳動滾筒；ADAMS；</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Dredging equipment has got rapid development in China, especially in dredgers. The dredger plays a significant

5、role in the construction of harbor and the clearance of river course. The driving drum in the turntable of a dredger is especially important in working, for it supports the whole turntable as well as helps it to rotate.

6、Therefore, the performance of driving drums directly determines the working operation of dredgers. This essay analyzes the driving drum in ANSYS finite element analysis </p><p>　　First, making a simple analy

7、sis about types and failure forms of drums then build drums model by dimension parameters which were detected. And add appropriate constrains on the driving drums to detect and map the charts of stress and displacement.

8、Secondly, using Solidworks builds drum`s model because it is little complex in ANSYS. Finally, fitting those data and graphics to functions then send them to software of ANSYS. And it figures out its deformational displa

9、cement and stress graphics under</p><p>　　Key words: Finite element analysis; Transmission drums; ADAMS</p><p><b>　　緒 論</b></p><p><b>　　1.1研究背景</b></p>

10、<p>　　疏浚業(yè)在我國已經(jīng)有100多年的發(fā)展歷史，疏浚工程在我國的港口維護(hù)與建設(shè)，江河湖庫淤泥治理，水利設(shè)施，國防建設(shè)起到了越來越重要的作用。機(jī)械疏浚始于1600年，由荷蘭的鹿特丹制造出疏浚機(jī)械設(shè)備的雛形（抓斗式疏泥船）。1869 年荷蘭制成吸揚(yáng)式挖泥船，用于蘇伊士運(yùn)河工程，而我國運(yùn)用疏泥設(shè)備始于1889年在黃浦江施工。如今中國的疏浚業(yè)已經(jīng)具有了較大規(guī)模的發(fā)展，疏浚力量主要分布在交通，水利等部門。疏浚企業(yè)在我國近百家，各

11、種疏浚船舶有上千艘，形成了較大規(guī)模的疏浚能力。但是由于疏浚業(yè)在中國起步較晚，資金以及技術(shù)的投入不足使得疏浚技術(shù)無法得到快速的提高，導(dǎo)致了中國在世界上疏浚設(shè)備技術(shù)的競爭中優(yōu)勢較薄弱。</p><p>　　在疏浚工程中疏浚設(shè)備的典型代表就是挖泥船。挖泥船的種類很多，從挖泥方式上可以分為機(jī)械挖泥和吸揚(yáng)挖泥兩大類。機(jī)械挖泥方式是用型式不同的泥斗挖泥，有抓斗式、鏟斗式和斗輪式三種。</p><p>

12、　　抓斗式挖泥船船體呈箱型，寬度較大，以便抓斗側(cè)轉(zhuǎn)拋泥時(shí)船體不至于太大的傾斜。抓斗有多種型式可以適應(yīng)不同的土質(zhì)，其容積小的不足1立方米，大的可超過20立方米。抓斗式挖泥船是利用旋轉(zhuǎn)式挖泥機(jī)的吊桿及鋼索來懸掛泥斗；在抓斗本身重量的作用下，放入海底抓取泥土。然后開動斗索絞車，吊斗索即通過吊桿頂端的滑輪，將抓斗關(guān)閉，升起，再轉(zhuǎn)動挖泥機(jī)到預(yù)定點(diǎn)（或泥駁）將泥卸掉。挖泥機(jī)又轉(zhuǎn)回挖掘地點(diǎn)，進(jìn)行挖泥，如此循環(huán)作業(yè)。抓斗式挖泥船主要用于挖取粘土、淤泥、

13、孵石、宜抓取細(xì)砂、粉砂。如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1抓斗式挖泥船</p><p>　　作為疏泥船轉(zhuǎn)臺中主要傳動部件的滾筒，他的耐疲勞和耐磨損的程度直接影響了挖泥船的正常工作，如果該部件的剛度強(qiáng)度不足則會產(chǎn)生甚至是直接威脅人生命安全的危險(xiǎn)。針對于滾筒的常見問題，本論文對挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中的滾筒做了全面的分析，研究了滾筒的受力情況，同時(shí)運(yùn)用了Solidworks對其進(jìn)行建模，并

14、且運(yùn)用ANSYS瞬時(shí)動態(tài)分析對其在挖泥船不同工作狀態(tài)下滾筒的受力情況做了全面的分析，主要研究了變形和所受應(yīng)力的大小以及其改變的情況，最終確定傳動滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸及材料類型，解決了滾筒設(shè)計(jì)過程中的一些問題，具有很好的工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。</p><p>　　1.2國內(nèi)外疏浚設(shè)備的發(fā)展及概況</p><p>　　同造船業(yè)一樣，疏浚業(yè)源于歐美。1660年鏈斗式挖泥船的雛形“泥碾船“在荷蘭首創(chuàng)獲得成

15、功。1550年美國人制成莫爾茨將軍號吸揚(yáng)式挖泥船，用于開挖南卡羅來納州查爾斯頓港的攔門沙。1869年荷蘭制成吸揚(yáng)式挖泥船，用于蘇伊士運(yùn)河工程。隨著西方國家工業(yè)化和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油輸運(yùn)、集裝箱輸運(yùn)，河海聯(lián)運(yùn)等推動了世界港口和航道的建設(shè)，疏浚設(shè)備也因此得到快速發(fā)展。</p><p>　　如果把20世紀(jì)的疏浚劃分為3個(gè)時(shí)期，那么第1個(gè)時(shí)期應(yīng)是20世紀(jì)初巴拿馬運(yùn)河的通；第2個(gè)時(shí)期是20世紀(jì)70年代蘇伊士運(yùn)河的擴(kuò)建和中

16、東地區(qū)深水港口的建設(shè)；第3個(gè)時(shí)期則是20世紀(jì)90年代直至今在東南亞出現(xiàn)的大型填海造地工程，如澳門國際機(jī)場（工島清淤拋填砂量0.6億立方米）、香港國際機(jī)場（疏浚土方量2.4億5立方米）、新加坡裕廊島吹填工程，分4期，總土方量約8億立方米等。 新加坡現(xiàn)已成為國際疏浚市場的大熱點(diǎn)。 正是這些具有世界影響力的大型基建項(xiàng)目，不斷地推動著世界疏浚業(yè)向前發(fā)展。</p><p>　　我國江河湖庫眾多，長江、黃河、淮河、海河、錢塘

17、江等水系發(fā)達(dá)，內(nèi)河航道總里程約120000,還擁有6000多個(gè)島嶼，18000大陸海岸線和14000島嶼岸線，這些資源既為水利和水建設(shè)提供了有利條件，也為疏浚業(yè)發(fā)展提供了巨大的市場需求。</p><p>　　1.3有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　有限元法（finite element）是將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知

18、場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá)。從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。</p><p>　　有限單元法最早可上溯到20世紀(jì)40年代。Courant第一次應(yīng)用定義在三角區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題?，F(xiàn)代有限單元法的第一個(gè)成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，將鋼架位移法推廣應(yīng)用于彈

19、性力學(xué)平面問題，給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問題的正確答案。1960年，Clough進(jìn)一步處理了平面彈性問題，并第一次提出了"有限單元法"，使人們認(rèn)識到它的功效。 　　50年代末60年代初，中國的計(jì)算數(shù)學(xué)剛起步不久，在對外隔絕的情況下，馮康帶領(lǐng)一個(gè)小組的科技人員走出了從實(shí)踐到理論，再從理論到實(shí)踐的發(fā)展中國計(jì)算數(shù)學(xué)的成功之路。當(dāng)時(shí)的研究解決了大量的有關(guān)工程設(shè)計(jì)應(yīng)力分析的大型橢圓方程計(jì)算問題，積累了豐富而有

20、效的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　1.4本課題研究內(nèi)容</p><p>　　主要由以下四個(gè)內(nèi)容：</p><p>　　1）對傳動滾筒載荷工況進(jìn)行全面的分析。</p><p>　　2）構(gòu)建傳動滾筒的幾何模型。</p><p>　　3）構(gòu)建傳動滾筒的有限元模型。</p><p>　　4）對傳動滾筒進(jìn)行

21、有限元分析。</p><p>　　滾筒的靜動態(tài)力學(xué)及其結(jié)構(gòu)分析。首先將挖泥船的工作狀態(tài)劃分為幾個(gè)階段，大的方向上為靜態(tài)和動態(tài)。</p><p>　　靜態(tài)中主要考慮挖泥船在水中靜止時(shí)，通過理論計(jì)算找出吊臂在工作范圍內(nèi)以及抓斗滿載荷的情況下滾筒所受到的最大應(yīng)力以及位移形變。在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行滾筒結(jié)構(gòu)尺寸以及材料的確定，通過得出的滾筒上線接觸所受最大應(yīng)力以及相關(guān)的公式推導(dǎo)。完成結(jié)構(gòu)尺寸的初步基本

22、確定后再對其進(jìn)行受力分析，從而得到更加優(yōu)化的尺寸結(jié)構(gòu)結(jié)果。</p><p>　　而在動態(tài)瞬時(shí)分析中，把挖泥船工作狀況主要分為一下幾大步驟，在水中完成抓泥提起的瞬間滾筒所受應(yīng)力，受到水流動影響滾筒所受應(yīng)力以及抓斗提出水面，挖泥船工作臺轉(zhuǎn)動時(shí)和最后完成放料再轉(zhuǎn)回其工作位置時(shí)，一個(gè)工作周期的滾筒所受的應(yīng)力變化的過程。通過研究其動態(tài)過程，更全面的了解不同工作狀態(tài)下滾筒的受力情況，可對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。</p&g

23、t;<p>　　對滾筒進(jìn)行建模。首先通過受力分析后得到的靜態(tài)時(shí)和動態(tài)時(shí)所受的載荷確定其結(jié)構(gòu)尺寸后，運(yùn)用Solidworks創(chuàng)建出滾筒的三維模型，并將其轉(zhuǎn)換為ANSYS可以識別的文件類型，最后導(dǎo)入ANSYS中作后處理并進(jìn)行有限元分析。就可以得到滾筒分別在靜，動態(tài)時(shí)以及不同工作狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力以及應(yīng)力變化曲線和其形變位移曲線，為以后滾筒的優(yōu)化和改進(jìn)以及對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定提供了一個(gè)比較系統(tǒng)完整的理論科學(xué)依據(jù)。</p>

24、<p>　　1.5滾筒有限元分析的目的和意義</p><p>　　隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的增長，疏浚業(yè)的發(fā)展，疏浚設(shè)備（主要是挖泥船）技術(shù)的提高，其中挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中的滾筒起著重要的作用，他的結(jié)構(gòu)尺寸是否合理，強(qiáng)度，剛度是否滿足不同條件下的工作需求，性能是否穩(wěn)定都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。并且傳動滾筒是抓斗機(jī)的主要部件，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響到抓斗機(jī)的運(yùn)行。它的失效和破壞將會直接影響到抓斗機(jī)的正常工作和生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)

25、會直接威脅人的生命安全。通過傳動滾筒各主要零件的應(yīng)力和變形分析，解決抓斗機(jī)傳動滾簡設(shè)計(jì)過程中的一些實(shí)際問題，具有良好的工程意義和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p><b>　　傳動滾筒的受力分析</b></p><p>　　本章將對挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中的傳動滾筒做全面的受力分析，主要分為兩種情況，分別為靜態(tài)時(shí)傳動滾筒Y方向上所受的最大的支撐力和工作轉(zhuǎn)臺在一個(gè)工作周期內(nèi)傳動滾

26、筒所受變化的應(yīng)力。從而根據(jù)傳動滾筒的受力分析確定出滿足結(jié)構(gòu)尺寸的傳動滾筒以及對初步確定的傳動滾筒進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在本章還要引入ADAMS軟件分別對靜態(tài)和動態(tài)傳動滾筒受力情況進(jìn)行分析，并且測量出應(yīng)力的變化并繪制應(yīng)力曲線圖。</p><p>　　2.1滾筒的結(jié)構(gòu)與種類</p><p>　　滾筒為圓柱形零件，一般分為主動滾筒和從動滾筒，滾筒主要由滾動體，中心軸，滾筒殼等組成。按照受力方式劃分為傳動

27、滾筒和改向滾筒；按照承載能力大小劃分為輕型滾筒，中型滾筒和重型滾筒。</p><p>　　挖泥船抓斗機(jī)與港口吊機(jī)不同，港口吊機(jī)動力源一般用電動絞車或電液絞車驅(qū)動同，吊機(jī)一般不工作在大載荷，起升和回轉(zhuǎn)速度相對較慢，工作平穩(wěn)。而由于挖泥船抓斗機(jī)工況復(fù)雜,載荷大，經(jīng)常工作在大載荷，同時(shí)受轉(zhuǎn)盤空間及中心集電環(huán)限制，傳統(tǒng)方法無法滿足設(shè)計(jì)要求，為此需研究新的功率大、效率高、尺寸小、機(jī)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)自動控制的動力系統(tǒng)和傳動系

28、統(tǒng)，以滿足挖泥機(jī)的需要。該機(jī)抓斗容量大、作業(yè)范圍廣，挖掘深度大,能在一些特殊性的場合(例如港口、巖石較多海域等其它挖泥船無法作業(yè)的區(qū)域)進(jìn)行作業(yè)。</p><p>　　而用于挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中的為從動滾筒，為工作轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時(shí)提供給足夠的支撐力以及使主軸受到較小的彎矩，使其進(jìn)行正常的工作。傳動滾筒如2.1圖所示。</p><p>　　圖2.1工作臺中的傳動滾筒</p><p&

29、gt;　　2.2傳動滾筒失效分析</p><p>　　2.2.1傳動滾筒失效形式</p><p>　?。?）裂紋 輻板與輪轂和滾筒體之間的焊接處容易發(fā)生裂紋。</p><p>　　（2）局部變形過大 此情況多表現(xiàn)為滾筒體中部向下塌陷。</p><p>　?。?）壓裂 有長期的很大的壓力作用在滾筒體上，容易將滾筒體壓裂破壞。</p>

30、<p>　?。?）擠壓變形 滾筒體彎曲變形過大。</p><p>　　2.2.2傳動滾筒失效的原因</p><p>　　滾筒失效原因有很多種，具體包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理其理論計(jì)算不滿足實(shí)際的要求；原材料有缺陷，內(nèi)部有裂紋等；焊接工藝不當(dāng)，如焊接觸清洗不干凈，有雜物進(jìn)入或者焊接時(shí)沒有完整的焊接；使用不當(dāng)，過載以及加速度過大；焊接后熱處理工藝不對或者沒有及時(shí)的進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致焊接

31、位置殘余應(yīng)力過大。</p><p><b>　　裂紋產(chǎn)生的原因</b></p><p>　　圓周焊縫隨溫度降低，焊縫收縮，產(chǎn)生徑向殘余應(yīng)力。</p><p>　　焊接時(shí)，輪轂滾筒等材料不一致，焊接工藝不到位。</p><p>　　焊接時(shí)產(chǎn)生融透或破口使焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中。</p><p><

32、b>　　消除措施</b></p><p>　　優(yōu)化傳動滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)或焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p>　　優(yōu)化或改進(jìn)焊接工藝。</p><p>　　采用更加先進(jìn)的焊接方式并加強(qiáng)對有缺陷焊縫的檢查。</p><p>　　2.2.3傳動滾筒結(jié)構(gòu)尺寸及材料</p><p>　　由于在實(shí)際生產(chǎn)的過程中，傳

33、動滾筒因不同需求和應(yīng)用在不同的場合，有著不同的設(shè)計(jì)要求。因而有些傳動滾筒不是標(biāo)準(zhǔn)件，因此本論文中的傳動滾筒的設(shè)計(jì)要滿足于挖泥船實(shí)際工作中的條件，也要滿足轉(zhuǎn)臺基座的大小結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)以往對挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中滾筒尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步的尺寸結(jié)構(gòu)確定，最后運(yùn)用ANSYS對滾筒體進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)的受力分析，經(jīng)過后處理后，觀察傳動滾筒的形變情況并繪制應(yīng)力變化曲線圖，根據(jù)在主要方向上的位移變形情況再對傳動滾筒的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，如果經(jīng)過ANSY

34、S后處理后，傳動滾筒不能滿足工作要求，那么就重新對傳動滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸做出設(shè)計(jì)，因?yàn)楸菊撐闹饕鲮o態(tài)和動態(tài)的分析，不對傳動滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)。已知傳動滾筒的一些尺寸參數(shù)如圖2.2所示，還已知壁厚為40cm，以及實(shí)際生產(chǎn)中傳動滾筒的滾筒體多用Q235和A3鋼作為材料。</p><p>　　圖2.2滾筒初步尺寸確定</p><p>　　2.3抓斗機(jī)虛擬樣機(jī)模型</p><p>

35、　　抓斗挖泥船在水中漂移、擺蕩，其受力特點(diǎn)與固定式建筑物有著顯著區(qū)別。由于風(fēng)、浪、流等環(huán)境的多變性及錨泊系統(tǒng)與船體其他部分的耦合作用使得從理論上精確計(jì)算錨鏈張力是不可行的。錨泊系統(tǒng)是抓斗挖泥船的重要組成部分，錨泊系統(tǒng)的動態(tài)特性是影響抓斗挖泥船動態(tài)特性的重要因素，錨泊系統(tǒng)處理得合理與否直接影響虛擬樣機(jī)模型及其仿真分析結(jié)果的正確性。本文建立ADAMS下錨泊系統(tǒng)的約束模型，從而使抓斗機(jī)滾筒仿真模型更大程度的與實(shí)際情況相符。</p>

36、<p>　　對于挖泥船船體的四個(gè)角利用彈簧模仿錨泊裝置對挖泥船進(jìn)行固定，然后利用另外四個(gè)彈簧仿真挖泥船在水中時(shí)的漂移和擺蕩。將傳動滾筒對于本身施加繞其軸線的旋轉(zhuǎn)副，如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3船體及滾筒體約束圖</p><p>　　利用ADAMS機(jī)械仿真系統(tǒng)分析它們對傳動滾筒所產(chǎn)生的綜合影響，則仿真流程如2.4圖所示。</p><p>

37、;　　圖2.4仿真分析流程圖</p><p>　　2.4傳動滾筒靜態(tài)受力分析</p><p>　　當(dāng)挖泥船在水域中工作時(shí)，根據(jù)吊臂的長度，工作半徑以及吊臂在豎直方向上的角度范圍，在其工作中會產(chǎn)生一工作位置，即工作轉(zhuǎn)臺中傳動滾筒受到最大應(yīng)力。通過理論分析，載荷不均勻的分布在所有的傳動滾筒上，利用ADAMS對此時(shí)工作位置做靜態(tài)分析找出受載荷最大的傳動滾筒，對其受力分析并繪制出應(yīng)力曲線圖。<

38、;/p><p>　　2.4.1導(dǎo)入實(shí)體及引入約束條件</p><p>　　當(dāng)挖泥船處于使其工作轉(zhuǎn)臺中傳動滾筒受應(yīng)力最大工作位置時(shí)，也就是當(dāng)?shù)醣酆妥ザ窛M載時(shí)且位于某個(gè)傳動滾筒的正上方，并且挖泥船的吊臂在該位置上吊臂能夠?qū)υ搨鲃訚L筒產(chǎn)生最大的彎矩，也就是當(dāng)?shù)醣厶幱谠谪Q直方向上工作范圍的下限。</p><p>　　首先，在船體與工作轉(zhuǎn)臺之間接觸的主軸位置上添加圓柱副。如圖2.

39、5。其次，由于現(xiàn)在使用的ADAMS挖泥船模型曾主要用于對繩子及鉸點(diǎn)力的模擬仿真，因此在本論文中需要在工作轉(zhuǎn)臺中建立傳動滾筒，并且在每個(gè)傳動滾筒與工作轉(zhuǎn)臺之間施加Contact添加如圖2.6。這樣ADAMS內(nèi)部可將船體的基座對于整個(gè)工作轉(zhuǎn)臺的支撐力按實(shí)際工作狀態(tài)分布在每一個(gè)傳動滾筒上。在Contact的設(shè)置中，SS400的剛度為2.0e11，剛度貢獻(xiàn)值的指數(shù)金屬一般取1.5，定義材料的阻尼屬性通常取剛度的0.1-1%，則這里取2.0e9。

40、指定摩擦模型為dynamic friction，且剛對剛在無潤滑油的情況下的靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)分別為0.7和0.5。</p><p>　　圖2.5船體與工作轉(zhuǎn)臺之間添加圓柱副</p><p>　　圖2.6船體基座與工作轉(zhuǎn)臺之間添加Contact</p><p>　　在對傳動滾筒進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，轉(zhuǎn)臺和船體之間只需要添加圓柱副，但因?yàn)橹皇庆o態(tài)分析所以不需要添加任何的

41、運(yùn)動方程。</p><p>　　2.4.2靜態(tài)受力仿真分析結(jié)果及應(yīng)力曲線圖</p><p>　　在進(jìn)行interactive simulation control之前,對船體及工作轉(zhuǎn)臺完成約束后，通過Build>Measure>Function>New建立出Contact的測量點(diǎn)，用于對傳動滾筒在靜態(tài)時(shí)一個(gè)工作周期內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力測量，此時(shí)傳動滾筒主要起支撐作用，因此此靜態(tài)分析

42、主要測量傳動滾筒在Y軸方向上的應(yīng)力，并繪制出應(yīng)力曲線圖。再輸入挖泥船工作轉(zhuǎn)臺的工作周期及其仿真步數(shù)分別為80s和200步，最后點(diǎn)擊start進(jìn)行測量，測量后得到的應(yīng)力曲線圖如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.7傳動滾筒Y方向受力</p><p>　　從傳動滾筒Y方向上的應(yīng)力曲線圖便可得到轉(zhuǎn)臺自重和挖泥船抓斗滿載時(shí)所產(chǎn)生的總載荷施加在轉(zhuǎn)臺上所有傳動滾筒后，吊臂正下方傳動滾筒所受的最大

43、應(yīng)力，水的波動性以及鋼繩自身的彈性都會影響作用在傳動滾筒上的應(yīng)力大小，所以其應(yīng)力是有微小變化的。</p><p>　　2.5傳動滾筒動態(tài)受力分析</p><p>　　在動態(tài)分析中吧挖泥船在水中工作主要分為一下幾個(gè)工作狀態(tài)。一個(gè)完整的工作循環(huán)挖泥船在一個(gè)完整的工作周期中包括抓斗起升，工作轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至卸料位置，抓斗機(jī)卸料，工作轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動至淤泥或雜物的上方，抓斗下降。當(dāng)挖泥船工作轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)動中，受離心

44、力的影響以及水的波動性，還有抓斗的擺動，對傳動滾筒會產(chǎn)生附加的力，對于傳動滾筒受力動態(tài)特性有著很重要的影響。工作轉(zhuǎn)臺工作周期如圖2.8所示。</p><p>　　而抓斗機(jī)的起升大概分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段為卷筒瞬間啟動時(shí)，鋼繩還未達(dá)到繃緊的狀態(tài)，隨著鋼繩不斷的縮短其慢慢變的收緊，其鋼繩開始時(shí)受力應(yīng)大于抓斗中的重物。第二階段為挖泥船工作轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時(shí)，鋼繩處于緊繃的狀態(tài)，但是受到水的波動以及離心力的作用和抓斗的擺動使鋼

45、繩的拉力不斷的變化。第三階段為當(dāng)工作轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至卸料位置時(shí)，抓斗卸料后，鋼繩的緊繃狀態(tài)稍微得到緩解。</p><p>　　然后利用ADAMS繪制出在一個(gè)工作周期內(nèi)傳動滾筒所受的應(yīng)力曲線圖，對其進(jìn)行分析。通過對挖泥船工作時(shí)對傳動滾筒受力分析，更加接近受力的真實(shí)情況，能夠更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)傳動滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸，或?qū)υO(shè)計(jì)好的傳動滾筒進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)。</p><p>　　圖2.8工作轉(zhuǎn)臺工作周期&l

46、t;/p><p>　　2.5.1導(dǎo)入實(shí)體及引入約束條件</p><p>　　在此挖泥船工作的一個(gè)周期內(nèi)，主要引入船體與工作轉(zhuǎn)臺之間的平面副和圓柱副的約束，這個(gè)步驟和傳動滾筒靜態(tài)受力分析中的情況是一樣的，不做過多說明。抓斗挖泥船作業(yè)時(shí)吊臂俯仰角度在30~70度之間，可以通過改變吊臂的俯仰角度來改變作業(yè)范圍。吊臂屬于大尺寸構(gòu)件，吊臂俯仰時(shí)會對抓斗挖泥船產(chǎn)生傾覆力矩，對抓斗挖泥船動態(tài)特性的影響不容忽

47、視。</p><p>　　仿真時(shí)抓斗機(jī)轉(zhuǎn)臺角速度采用函數(shù)形式輸入，具體表達(dá)式為：-if(time-18.4:0,0,if(time-23.4:-0.1257/5*(time-18.4),-0.1257,if(time-30.9:-0.1257,-0.1257,if(time-35.9:0.1257/5*(time-35.9),0,if(time-44.8:0,0,if(time-49.8:0.1257/5*(ti

48、me-44.8),0.1257,if(time-57.3:0.1257,0.1257,if(time-62.3:-0.1257/5*(time-62.3),0,0))))))))此外，在這一工作過程中轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動需要在船體與轉(zhuǎn)臺之間添加運(yùn)動條件（rotation motion）。</p><p>　　在傳動滾筒的靜態(tài)受力分析中已經(jīng)定義了船體與工作轉(zhuǎn)臺之間連接主軸為圓柱副，可以直接在主軸上（joint3）上施加旋轉(zhuǎn)運(yùn)，

49、將上一段落中的抓斗機(jī)轉(zhuǎn)臺角速度函數(shù)具體表達(dá)式輸入function中，如圖2.10所示。</p><p>　　圖2.9施加轉(zhuǎn)臺角速度函數(shù)</p><p>　　在這一工作周期中還涉及到吊臂角度的改變以及抓斗的提升，要分別定義吊臂與工作轉(zhuǎn)臺連接處約束關(guān)系和運(yùn)動方程還有吊臂頂端的約束以及其運(yùn)動方程。所以首先定義吊臂與工作轉(zhuǎn)臺之間接觸（joint4）為旋轉(zhuǎn)副以及其旋轉(zhuǎn)方程如圖2.9所示。然后定義吊臂

50、頂端（joint4）為移動副以及其運(yùn)動方程方程。其仿真時(shí)抓斗速度采用函數(shù)形式輸入，具體表達(dá)式為：</p><p>　　-if(time-2:917/2*time,917,if(time-22.9:917,917,if(time-24.9:-917/2*(time-24.9),0,if(time-56.8:0,0,if(time-58.8:-1333/2*(time-56.8),-1333,if(time-72.1

51、:-1333,-1333,if(time-75.1:1333/3*(time-75.1),0,0)))))))。如圖2.11所示。</p><p>　　圖2.10吊臂與轉(zhuǎn)臺接觸位置約束與運(yùn)動方程</p><p>　　圖2.11吊臂頂端位置約束與運(yùn)動方程</p><p>　　2.5.2動態(tài)受力仿真分析結(jié)果及應(yīng)力曲線圖</p><p>　　同樣的

52、和傳動滾筒靜態(tài)受力分析時(shí)，在完成各種約束條件和施加完運(yùn)動方程函數(shù)后，吊臂正下方的傳動滾筒上建立一個(gè)marker用于測量在動態(tài)過程中傳動滾筒的受力情況。此時(shí)，傳動滾筒不僅僅只受Y方向上的應(yīng)力，還要承受一部分抓斗中的重物與工作艙自身的重量對傳動滾筒的剪切力，因此測量時(shí)應(yīng)該選擇mac，測量出其合力對傳動滾筒的影響。最后繪制出應(yīng)力曲線圖。最后在點(diǎn)擊start之前設(shè)定好工作周期及步數(shù)。然后點(diǎn)擊仿真開始并得到應(yīng)力曲線圖如2.12示。</p&g

53、t;<p>　　圖2.12傳動滾筒動態(tài)受力分析合力</p><p>　　從轉(zhuǎn)動滾筒動態(tài)受力分析圖中，在一個(gè)工作周期內(nèi)，從抓斗提升到工作轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至抓斗卸料，由此圖可得出受力變化的情況與三個(gè)主要的工況以及鋼繩的張力相符合，綜合的考慮了水的波動性，抓斗的擺動對傳動滾筒受力的影響。而且通過傳動滾筒動態(tài)分析圖與靜態(tài)分析圖相對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)挖泥船在工作時(shí)，受到各個(gè)方面因素的影響后，對工作轉(zhuǎn)臺中的滾筒有較大的影響，因

54、此轉(zhuǎn)動滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)需要去滿足挖泥船在實(shí)際工作中的要求。</p><p><b>　　2.6本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要主要研究了兩種方法對挖泥船的工作轉(zhuǎn)臺中的滾筒做了全面的受力分析，分別為靜態(tài)和較接近實(shí)際的動態(tài)過程的方法。考慮到挖泥船實(shí)際工作中的諸多因素會給傳動滾筒受力帶來影響，運(yùn)用了ADAMS仿真機(jī)械系統(tǒng)軟件分析傳動滾筒在不同工作狀態(tài)下所受

55、應(yīng)力及合力并繪制出了傳動滾筒受力曲線圖。最后，分析了滾筒體失效的原因以及簡單介紹了防止失效的措施，最終初步確定了滾筒體的結(jié)構(gòu)尺寸和所用的材料。</p><p>　　第三章傳動滾筒模型的建立</p><p>　　3.1Solidworks建模</p><p>　　3.1.1Solidworks的現(xiàn)狀與發(fā)展</p><p>　　SolidWork

56、s公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今，至2010年已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個(gè)國家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，Solidworks被法國達(dá)索（Dass

57、ault Systemes）公司收購，作為達(dá)索中端主流市場的主打品牌。</p><p>　　SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢。由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorks成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球

58、發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個(gè)國家的約3萬1千家企業(yè)。Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、

59、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。</p><p>　　Solidworks提供了強(qiáng)大的基于實(shí)體建模功能，用戶可以通過拉伸特征，旋轉(zhuǎn)特征，抽殼，放樣，打孔等操作實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，方便添加特征，修改特征。Solidworks還提供了其他相關(guān)的模塊設(shè)計(jì)，如鈑金設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)，以及方便強(qiáng)大的二次開發(fā)工具。</p&

60、gt;<p>　　3.1.2傳動滾筒的建模過程</p><p>　　首先將三個(gè)基準(zhǔn)面顯示出來，在右視基準(zhǔn)面上進(jìn)行草繪畫出一個(gè)半徑為180mm的圓，隨后進(jìn)行拉伸，高度為30mm，如圖3.1。在拉伸好的圓面上再次進(jìn)行草繪，畫出半徑為170mm的圓，隨后進(jìn)行拉伸，拉伸高度為220mm。再次在新拉伸好的圓面上進(jìn)行草繪，畫出一個(gè)半徑為125mm的圓，確定退出草繪。點(diǎn)擊右視基準(zhǔn)面，再點(diǎn)擊參考幾何體選擇基準(zhǔn)面建立

61、一個(gè)新的基準(zhǔn)面如圖3.2所示。在新的基準(zhǔn)面上草繪出一個(gè)半徑為103mm的圓。下面點(diǎn)擊遣使基準(zhǔn)面通過三點(diǎn)畫圓弧的命令在剛在草繪好的兩個(gè)圓之間畫一個(gè)半徑為25mm的圓弧作為接下來放樣凸臺的引導(dǎo)線。最后分別點(diǎn)擊最后創(chuàng)建草繪的圓和放樣凸臺的命令，再點(diǎn)擊倒數(shù)第二個(gè)繪制好好的半徑為125mm的圓，而剛才繪制的半徑為25mm的圓弧作為引導(dǎo)線，最后得到圖3.3所示。最后一步是拉伸切除初中間的軸孔，在右視基準(zhǔn)面上進(jìn)行草繪，繪制出一個(gè)半徑為25mm的圓，退

62、出草繪對其進(jìn)行拉伸切除，然后可以得到圖3.4最終根據(jù)上一章節(jié)中確定出的滾筒體壁厚對現(xiàn)在建立的模型進(jìn)行抽殼，最終得到傳動滾筒的完整模型，如圖3.5所示。</p><p><b>　　3.1圓臺的建立</b></p><p><b>　　3.2基準(zhǔn)面的建立</b></p><p>　　3.3放樣凸臺的建立</p>

63、<p>　　3.4軸孔拉伸切除的建立</p><p>　　3.5抽殼后完整模型</p><p><b>　　3.2有限元模型</b></p><p>　　3.2.2有限元法的分析思路及過程</p><p><b>　　步驟1：結(jié)構(gòu)離散化</b></p><p>　

64、　結(jié)構(gòu)離散化包括了單元劃分和單元類型的選擇，是將單元分為有限個(gè)小單元體，以有限個(gè)單元集合代替以前的連續(xù)體，并且結(jié)構(gòu)的離散化是有限元分析的第一步，其結(jié)構(gòu)離散化關(guān)系到后處理中的計(jì)算精度和計(jì)算效率。單元之間通過單元節(jié)點(diǎn)相連接，由單元，單元節(jié)點(diǎn)，單元節(jié)點(diǎn)之間的連線所構(gòu)成的稱為網(wǎng)格。通常把二維問題劃分為三角形和四邊形的單元，而三維問題通常劃分為六面體或四面體。</p><p><b>　　步驟2：單元分析<

65、/b></p><p>　　首先單元分析中包括了選擇位移函數(shù)，單元特性分析，單元應(yīng)力矩陣和單元剛度矩陣。利用分片插值，即將分割單元中任意點(diǎn)的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散，網(wǎng)格點(diǎn)上的函數(shù)值展開，即建立一個(gè)線性插值函數(shù)。利用應(yīng)變和位移的幾何關(guān)系推算出單元節(jié)點(diǎn)位移矩陣。同樣利用平衡條件推導(dǎo)出剛度矩陣。</p><p><b>　　步驟3：整體分析</b><

66、;/p><p>　　整體分析包括了集成整體節(jié)點(diǎn)載荷向量，集成體剛度方程以及解方程組和輸出計(jì)算。用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問題的一種數(shù)值方法。有限元法把連續(xù)體離散成有限個(gè)單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個(gè)桿件；連續(xù)體的單元是各種形狀（如三角形、四邊形、六面體等）的單元體。所有集中在單元上的集中力都會等效到節(jié)點(diǎn)上形成載荷，按整體節(jié)點(diǎn)順序形成節(jié)點(diǎn)在和向量。最后集合剛度方程，引進(jìn)邊界約

67、束條件，再根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移，求出單元應(yīng)變和應(yīng)力。</p><p>　　3.2.3ANSYS軟件簡介</p><p>　　ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動器械等。</p><p>　　軟件

68、主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。</p><p>　　前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；</p><p>　　分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；</

69、p><p>　　后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。</p><p>　　軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，I

70、BM，CRAY等。而且大多數(shù)的ANSYS分析過程都采用了一個(gè)主要的流程，如圖3.6所示。</p><p>　　3.6 ANSYS分析流程圖</p><p>　　3.3傳動滾筒有限元模型的建立</p><p>　　ANSYS建模是由先建立點(diǎn)，然后再通過點(diǎn)構(gòu)成線，然后由先生成面，最后面拉伸成體的過程來建立3D模型的。有限元建立的模型與機(jī)械系統(tǒng)的幾何外形是基本保持一致的。

71、當(dāng)然ANSYS有限元法建立模型分為直接建立模型和間接建立模型，直接建立模型就是應(yīng)用ANSYS自身帶的軟件工具在其界面里直接建立模型，這類方法試用于一些結(jié)構(gòu)簡單的模型建立。而簡介建立法是通過第三方機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行模型的建立，如Pro/engineer，或者Solidworks等機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，這類軟件適用于一些結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜的模型建立，但是在這些第三方軟件導(dǎo)入的過程中容易丟失一些元素，這應(yīng)當(dāng)注意。</p><p

72、>　　應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件建模時(shí)，還分為自上向下建模（Top-down）和自下向上建模(Bottom-up)。Bottom up 是從零件設(shè)計(jì)開始的，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者能考慮零件中各個(gè)間的關(guān)聯(lián)，但不能充分考慮零件與零件或部件間的關(guān)系，這種關(guān)系是在零件建模完成后通過部件表達(dá)式關(guān)聯(lián)、部件間幾何關(guān)系建立。</p><p>　　Bottom up也就是自下而上的建模方式，設(shè)計(jì)方法便于思考，可以從有到無的思維，可

73、將目標(biāo)產(chǎn)品分割成為基本的單元，再對單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大簡化了設(shè)計(jì)強(qiáng)度，適用于復(fù)雜零件曲面建模。但是存在多零件由不同部門，不同的人員，分工進(jìn)行，對產(chǎn)品的建模缺乏系統(tǒng)的分析，產(chǎn)品中零件間，部件間關(guān)聯(lián)的建立就顯得很困難，無法進(jìn)行統(tǒng)一有序的管理，也使得設(shè)計(jì)的模型要求無法實(shí)施。這源于其思路為先設(shè)計(jì)好各個(gè)零件，然后對這些零件進(jìn)行裝配，如果在裝配過程中發(fā)現(xiàn)某些零件不符合要求，諸如零件與零件之間產(chǎn)生干涉、某一零件無法進(jìn)行裝配才對零件進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)和重新的

74、裝配。</p><p>　　Top Down 也就是自上而下的建模思路，這種方法是在產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)的最初階段就從產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)成的最高層面來考慮總體設(shè)計(jì)和功能性設(shè)計(jì)，這種方法是從產(chǎn)品的最頂層開始把組成整機(jī)的部件作為系統(tǒng)的一個(gè)零件來考慮，并根據(jù)其產(chǎn)品位置關(guān)系中所起的作用和實(shí)現(xiàn)的功能等來建立產(chǎn)品的模型。通過給定的設(shè)計(jì)約束條件、關(guān)鍵參數(shù)等設(shè)計(jì)信息，集中的捕捉產(chǎn)品整機(jī)的設(shè)計(jì)意圖，自上而下的傳遞所給的信息，展開產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。&

75、lt;/p><p>　　ANSYS建模的基本原則：</p><p>　　1.結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，在建模前要有整體規(guī)劃，能夠充分的利用結(jié)構(gòu)的對稱性。</p><p>　　2.刪除一些對整體后處理計(jì)算時(shí)影響比較小的細(xì)節(jié)，可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間，但是刪除這些細(xì)節(jié)后模型要切合實(shí)際。</p><p>　　3.盡量選擇合適的單元類型，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，這些對計(jì)算時(shí)用時(shí)以及

76、最后的精確性都有著重要的影響，如果單元節(jié)點(diǎn)數(shù)量選擇不合適有可能不能進(jìn)行網(wǎng)格劃分等后處理前的步驟。</p><p>　　4.在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分的時(shí)候，注意網(wǎng)格大小，單元的類型或形狀。</p><p>　　5.合理的處理邊界條件。</p><p>　　6.注意最后載荷的施加與約束條件是否符合實(shí)際情況。</p><p>　　3.3.1分析過程坐標(biāo)

77、系的選擇</p><p>　　ANSYS有限元分析軟件為用戶提供了很多種坐標(biāo)系，有總體坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系以及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，然而總體坐標(biāo)系又分為總體笛卡爾坐標(biāo)系，總體柱坐標(biāo)系，總體圓柱坐標(biāo)系。每當(dāng)開始一個(gè)新的ANSYS有限元分析時(shí)這三個(gè)坐標(biāo)系就已經(jīng)被定義了，而局部坐標(biāo)系是為了用戶的需求，用戶可以自己進(jìn)行局部坐標(biāo)系的定義，可以通過這個(gè)路徑進(jìn)行創(chuàng)建Workplane>Local CS>Create LC來創(chuàng)建

78、。但是要通過Workplane>Change active CS to>來激活局部坐標(biāo)系，才能在上面進(jìn)行創(chuàng)建點(diǎn)，線等操作命令。靈活的運(yùn)用這些坐標(biāo)系，可以幫助用戶使得建模的過程更加的簡單，根據(jù)自己的需求建立不同的坐標(biāo)系。此外，還會涉及到單元坐標(biāo)系，結(jié)果坐標(biāo)系，顯示坐標(biāo)系等，它們在傳動滾筒的后處理當(dāng)中可能會用到。</p><p><b>　　(1)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系：</b></p&g

79、t;<p>　　每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會依附于一個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系缺省總是笛卡爾坐標(biāo)系并與總體笛卡爾坐標(biāo)系平行。節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)邊界條件（約束）指的是節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的方向。</p><p><b>　　(2)單元坐標(biāo)系：</b></p><p>　　單元坐標(biāo)系確定材料屬性的方向（例如，復(fù)合材料的鋪層方向）。/Post1通用后處理器中 (位移, 應(yīng)力，支座反力）在結(jié)果

80、坐標(biāo)系中報(bào)告，缺省平行于總體笛卡爾坐標(biāo)系。</p><p><b>　　(3)顯示坐標(biāo)系：</b></p><p>　　顯示坐標(biāo)系對列表圓柱和球節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)非常有用(例如, 徑向，周向坐標(biāo))。</p><p>　　3.3.2有限元模型建立</p><p>　　由于ANSYS軟件中的建模方法比較局限，所以本論文中的傳動滾筒是用

81、其他機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件建立的。在上一章節(jié)中已經(jīng)運(yùn)用第三方軟件Solidworks建立好了挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中的傳動滾筒模型，直接導(dǎo)入ANSYS中即可。需要注意的是在Solidworks中另存為后綴名.x_t的文件名，在ANSYS中按FIle>Import>PARA這個(gè)步驟就可以打開傳動滾筒的模型了。然后按以下步驟操作PlotCtrls>STYLE>solid ModelFacets設(shè)置為Normal Faceting就

82、可在ANSYS有限元分分析軟件中看到傳動滾筒的實(shí)體模型了如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7導(dǎo)入實(shí)體模型</p><p>　　在導(dǎo)入之前，根據(jù)本論文對挖泥船傳動滾筒分析的目的以及要求對滾筒體做出適當(dāng)?shù)暮喕?，在不影響滾筒體整體受力分析的前提下，盡量使后處理過程變得簡單并有效的簡短計(jì)算時(shí)間。比如在導(dǎo)入ANSYS的模型中，將一些不影響整體結(jié)構(gòu)性能的部件如螺栓，密封圈，螺母，軸承簡化掉，

83、取而代之的是添加一些相關(guān)的約束；將一些細(xì)小的突起，溝槽等進(jìn)行壓縮；假設(shè)整個(gè)滾筒體的焊接工藝是合理質(zhì)量比較高的。將滾筒體的軸也簡化掉，因?yàn)橹饕紤]的是滾筒體上的受應(yīng)力情況，在軸孔處做相應(yīng)的約束便可以代替?zhèn)鲃訚L筒主軸的作用，所以不用考慮整個(gè)傳動滾筒的裝配效果。便可以直接把靜態(tài)和動態(tài)情況下的應(yīng)力施加在滾筒體上，進(jìn)行線接觸的滾筒體受應(yīng)力的分析，看應(yīng)力曲線圖以及整個(gè)傳動滾筒的形變，做出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)。</p><p>　　

84、3.3.3單元定義屬性</p><p>　　ANSYS在網(wǎng)格劃分和后處理之前必須要指定模型的特性，包括三部分，單元類型，是常數(shù)，材料屬性。單元類型中主要包含殼單元，線單元，桿單元，梁單元，二維實(shí)體，三維實(shí)體等，一旦選擇了但愿的類型就選擇了單元類型相對應(yīng)的形函數(shù)，而一個(gè)單元的形函數(shù)直接決定了單元真是特性的程度，也直接影響到最后的后處理結(jié)果和精度。而實(shí)常數(shù)主要包括厚度，截面積，慣性轉(zhuǎn)矩等的定義。材料屬性則是材料的楊氏

85、模量和相對應(yīng)的泊松比。</p><p>　?。?）單元類型的定義</p><p>　　ANSYS為用戶提供了200多種不同分析類型和不同材料屬性或者是不同幾何模型的單元類型，二單元類型的定義是至關(guān)重要的，因?yàn)樗梢灾苯佑绊懙骄W(wǎng)格劃分以及后處理的結(jié)果精度和計(jì)算結(jié)果，甚至導(dǎo)致網(wǎng)格不能夠劃分從而不能夠進(jìn)行后處理。所以要在能夠盡量滿足傳動滾筒力學(xué)特性的情況下盡可能的選擇簡單而又準(zhǔn)確的單元類型，使傳

86、動滾筒模型反映出真實(shí)情況中的材料與結(jié)構(gòu)的特性，從而保證高效的計(jì)算與準(zhǔn)確的后處理結(jié)果。在本論文中，經(jīng)過一系列的分析最終確定傳動滾筒的單元類型為Solid45。Solid45單元有8各節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，分別為x,y,z三個(gè)方向如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 Solid45單元示意圖</p><p>　　Solid45能夠完全地反映出傳動滾筒幾何單元的幾何參數(shù)所以在這里

87、不用定義實(shí)常數(shù)。</p><p>　　（3）材料屬性的定義</p><p>　　本論文主要定義傳動滾筒的滾筒體的材料屬性，主要包括滾筒體的楊氏模量（EX），泊松比（PRXY）以及密度（DENS）。從上一章已知傳動滾筒的滾筒體材料為A3鋼，A3鋼的彈性模量2.0e11pa，泊松比為0.3，密度為7.85e-6，具體定義過程如圖3.9所示。在網(wǎng)格劃分和進(jìn)行后處理之前，必須把以上特性賦予特定的實(shí)

88、體對象，以保證網(wǎng)格劃分的順利進(jìn)行，也能夠使得最后后處理的結(jié)果更加的接近真實(shí)情況，保證了計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確性和精度。</p><p>　　圖3.9材料屬性的定義</p><p><b>　　3.3.4網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　在對滾筒體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，對于確定采用自由網(wǎng)格還是映射網(wǎng)格進(jìn)行分析更為準(zhǔn)確合理是非常重要的。自由網(wǎng)格劃分對于

89、單元沒有限制，而且也沒有特定的準(zhǔn)則。與自由網(wǎng)格劃分相比，映射網(wǎng)格劃分包含對單元形狀的限制，因?yàn)橛成涿婢W(wǎng)格只包括四邊形單元和三角形單元，映射體網(wǎng)格只包含六面體單元。除此之外，映射網(wǎng)格單元形狀較規(guī)則，如果想用這種單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分就必須要要求實(shí)體模型是是一些列相當(dāng)規(guī)則的面或體的構(gòu)成。自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格的形狀如3.10所示。</p><p>　　圖3.10自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分</p><p&g

90、t;<b>　　網(wǎng)格劃分工具功能：</b></p><p>　　（1）控制smart size</p><p>　?。?）設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸</p><p>　?。?）指定單元的形狀</p><p><b>　?。?）指定網(wǎng)格類型</b></p><p><b>　　

91、（5）清除網(wǎng)格</b></p><p><b>　?。?）細(xì)化網(wǎng)格</b></p><p>　　單元網(wǎng)格劃分的類型可以采用不止一種形狀，比如在一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以劃分成三角形和四邊形。還要注意單元形狀退化。如果網(wǎng)格劃分時(shí)指定單元時(shí)要注意，單元的形狀與劃分網(wǎng)格模型的維數(shù)。一般為了提高效率，網(wǎng)格劃分推薦指定單元形狀的方法。而在本論文中采用的網(wǎng)格劃分方式為自由網(wǎng)格劃分

92、，并且為smart size，因?yàn)檗D(zhuǎn)動滾筒體結(jié)構(gòu)對稱，相對與其他復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡單。網(wǎng)格劃分后的圖形如3.11所示。Smart size劃分方法的優(yōu)點(diǎn)是首先對待劃分網(wǎng)格的面或體的所有線估算單元邊長。然后對幾何體中的彎曲和接近區(qū)域的線進(jìn)行細(xì)化。由于所有的線和面在網(wǎng)格劃分開始時(shí)已指定大小，生成網(wǎng)格的質(zhì)量將與待劃分網(wǎng)格的面或體的順序無關(guān)。拖動智能尺寸劃分的精度條，可以調(diào)節(jié)劃分的精度，非常的方便。</p><p>　　

93、圖3.11滾筒體網(wǎng)格劃分</p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了傳動滾筒的建模過程，以及簡單的介紹了Solidworks和ANSYS的現(xiàn)狀與發(fā)展。重點(diǎn)講解了利用Solidworks建模和有限元建模的過程。簡單介紹了Solidworks與ANSYS建模的基本思路和建模的基本原則。還介紹了在分別用兩個(gè)軟件建模過程中注意的事項(xiàng)

94、，著重講解了在ANSYS中對于坐標(biāo)系的選擇，單元類型如何定義能夠更符合實(shí)際傳動滾筒的工作情況。網(wǎng)格劃分時(shí)，對于選擇哪種劃分方式更為合理有效，最終完成了傳動滾筒體的建模和網(wǎng)格單元劃分。</p><p>　　第四章傳動滾筒有限元分析</p><p>　　4.1靜態(tài)傳動滾筒受力分析</p><p>　　在本章節(jié)只考慮在第二章中傳動滾筒的靜態(tài)受力分析，取出挖泥船在某一工作位

95、置時(shí)，恰巧是傳動滾筒受力最大的位置，對傳動滾筒的滾筒體進(jìn)行受力分析，觀察它的形變情況以及受應(yīng)力大小，從而判斷其是否能夠滿足工作要求，結(jié)構(gòu)尺寸是否設(shè)計(jì)的合理，是否需要進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)。</p><p><b>　　4.1.1約束模型</b></p><p>　　ANSYS在網(wǎng)格劃分之后后處理之前添加約束是非常關(guān)鍵的一步，約束同時(shí)也被視為載荷的一種，約束添加正確與否都會

96、影響最終結(jié)果的計(jì)算，而傳動滾筒的約束應(yīng)該遵循以下的基本原則。在本論文中傳動滾筒只有周向運(yùn)動，并沒有在x，y，z中的某一方向上有位移，所以要添加足夠的約束保證傳動滾筒是按照實(shí)際挖泥船工作狀況而添加約束的。但是不得添加多余的約束，比如將傳動滾筒的周向運(yùn)動約束了，這樣就使得滾筒體不能正常工作。</p><p>　　本論文中將用約束代替?zhèn)鲃訚L筒軸的作用，也就是說挖泥船工作轉(zhuǎn)臺中傳動滾筒在x，y，z方向上沒有平面位移，而由

97、于第一種情況是靜態(tài)分析，是挖泥船在使得傳動滾筒受應(yīng)力最大的工作位置，所以上一段中提到的傳動滾筒在周向方向上的旋轉(zhuǎn)在這里也不用定義。因此，只需要在滾筒體兩個(gè)軸孔上分別施加約束，如圖4.1所示，在三個(gè)方向上都沒有位移。</p><p>　　圖4.1傳動滾筒施加約束</p><p><b>　　4.1.2施加載荷</b></p><p>　　在傳動滾

98、筒的實(shí)際工作中無疑將受到外載荷的作用，而傳動滾筒有限元模型得到目的就是檢測結(jié)構(gòu)對一定外載荷的承受能力，從而驗(yàn)證傳動滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足挖泥船特定的工作要求。因此，對傳動滾筒的添加外載荷是非常重要的，施加載荷的大小方向等或者其他因素直接影響到最后后處理的結(jié)果和計(jì)算的精度，決定了整個(gè)分析過程是否接近于實(shí)際。</p><p>　　載荷分為六類：DOF約束，力（集中載荷），表面載荷，體積載荷、慣性力及耦合場載荷。 &l

99、t;/p><p>　?。?）DOF constraint（DOF約束）將用一已知值給定某個(gè)自由度。例如，在結(jié)構(gòu)分析中約束被指定為位移和對稱邊界條件。</p><p>　?。?）Force（力）為施加于模型節(jié)點(diǎn)的集中載荷。例如，在結(jié)構(gòu)分析中被指定為力和力矩。 </p><p>　?。?）Surface load（表面載荷）為施加于某個(gè)表面上的分布載荷。例如，在結(jié)構(gòu)分析中為

100、壓力。 </p><p>　?。?）Body load（體積載荷）為體積的或場載荷。 </p><p>　?。?）Inertia loads（慣性載荷）由物體慣性引起的載荷，如重力加速度，角速度和角加速度。主要在結(jié)構(gòu)分析中使用。 </p><p>　?。?）Coupled-field loads（耦合場載荷）為以上載荷的一種特殊情況，從一種分析得到的結(jié)果用作為另一分

101、析的載荷。例如，可施加磁場分析中計(jì)算出的磁力作為結(jié)構(gòu)分析中的力載荷。</p><p>　?。?）實(shí)體載荷的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　1)改變單元網(wǎng)格的形狀從而不影響載荷的施加，這方便于用戶更改網(wǎng)格劃分的形狀，每次更改完成后不用重新施加載荷。</p><p>　　2)在實(shí)體上添

102、加載荷比在有限元模型上添加載荷要容易，因?yàn)閷?shí)體通常包含比有限元模型少的實(shí)體。</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　1)網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)是在笛卡爾坐標(biāo)系中生成的，而網(wǎng)格單元劃分命令是在當(dāng)前激活的坐標(biāo)系下進(jìn)行的，這就有可能造成實(shí)體模型和有限元模型加載載荷的方向不一致。</p><p>　　2)在簡化過程中，實(shí)體模型沒有有限

103、元模型方便。</p><p>　　3)不能顯示實(shí)體載荷。</p><p>　?。?）有限元載荷優(yōu)缺點(diǎn)</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　在簡化過程中一般不會出現(xiàn)問題，因?yàn)檩d荷主要施加在主節(jié)點(diǎn)上。約束擴(kuò)展沒有較大的影響。</p><p><b>　　缺點(diǎn):&l

104、t;/b></p><p>　　如果修改了網(wǎng)格則需要重新施加載荷，因?yàn)樾薷牡木W(wǎng)格會使先前加載的載荷無效。不便于載荷的拾取。</p><p>　　在本論文中，通過理論分析，挖泥船的工作轉(zhuǎn)臺與傳動滾筒的接觸為線接觸，而本章節(jié)是對傳動滾筒的靜態(tài)分析，則需要在傳動滾筒上施加壓力為線接觸。但是在挖泥船實(shí)際工作過程中，傳動滾筒會發(fā)生微小的形變，從而不是完全的線-線接觸，而且在ANSYS有限元軟件

105、中分析時(shí)，將其線等效為微小的面，則為面-面接觸，然后在面上施加載荷。同時(shí)，還要注意的是傳動滾筒分別與工作轉(zhuǎn)臺和滾筒上方的工作艙相接處，所以，在施加載荷約束時(shí)，需要在以XZ工作做出對稱的施加面載荷。如圖4.2所示。</p><p><b>　　圖4.2施加載荷</b></p><p><b>　　4.1.3后處理</b></p>&l

106、t;p>　　ANSYS有限元的后處理就是通過ANSYS軟件中的方程組對當(dāng)前的實(shí)體模型進(jìn)行求解，從而繪制出位移云圖方便用戶對其進(jìn)行觀察，如圖4.3所示。</p><p><b>　　4.3位移形變圖</b></p><p>　　在后處理（General postproc）中可以很清楚的觀察到求解的結(jié)果，通過繪制的應(yīng)力圖或是位移形變圖，通過不同顏色以及不同顏色下對應(yīng)