40T吊管机工作装置结构强度分析资料.docx
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40T吊管机工作装置结构强度分析资料
河北工业大学
毕业设计说明书（论文）
作者：
刘杨学号：
学院：
机械工程学院
系（专业）：
车辆工程
题目：
40吨吊管机工作装置的强度分析
指导者：
周志革教授
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2015年5月23日
毕业设计（论文）中文摘要
40吨吊管机工作装置的强度分析
摘要：
吊管机是石油天然气管道施工中重要的施工设备，因此其工作装置的结构强度直接影响工作的安全性与可靠性。
为了使工作装置更安全可靠，就需要设计人员在进行设计时必须使用一种准确的方法来进行分析计算以来保证吊管机的安全、可靠。
对于以往计算量庞大、繁琐且不准确的传统算法来讲，有限元分析法为设计人员提供了一种最佳的选择，使以后对吊管机工作装置强度的验证变得更便捷。
本论文首先利用UG建立吊管机的三维模型，导出吊管机三维模型利用hypermesh对吊管机工作装置进行网格划分，再用ABAQUES对其进行有限元分析，最后根据计算结果进行结果分析
关键词：
有限元结构强度吊管机
毕业设计（论文）外文摘要
TitleThestrengthanalysisof40tonssideboomworkingdevice
Abstract
Pipelayerisanimportantconstructionequipmentinoilandgaspipelineconstruction,thereforethestructuralstrengthoftheworkingdevicedirectlyaffectthesafetyandreliabilityofwork.Inordertomakemoresecureandreliableworkingdevice,youneedtodesignpersonnelinthedesignmustbeconductedbyusingamethodofaccuratecalculationsincesideboomsafeandreliable.Largeamountofcalculationforever,complicatedandinaccuratetraditionalalgorithm,thefiniteelementanalysismethodprovidesabestchoicefordesignpersonnel,thestrengthoftheworkingequipmentoflateronsideboomverificationbecomesmoreconvenient.
Thispaperfirstsideboomthree-dimensionalmodelisestablishedusingUG,exportsideboom3dmodelusinghypermeshonsideboomworkgearmeshing,reoccupyABAQUEScarriesonthefiniteelementanalysis,accordingtothecalculationresultstoanalyzetheresults.
Keywords：
finiteelementstructuralstrengthsideboom
目录
1绪论-1-
1.1引言-1-
1.2吊管机简介-1-
1.3有限元的优势-1-
1.4有限元发展趋势-3-
1.5有限元在国内外的应用-5-
2工作装置三维模型的建立-6-
2.1建模工具UG简介-6-
2.2模型的建立-7-
2.3本章小结-10-
3有限元模型的建立-10-
3.1Hypermesh概述-10-
3.2几何清理及网格划分-11-
3.3、材料信息-14-
3.4本章小结-18-
4ABAQUES概述-18-
4.1模块-19-
4.2功能-19-
4.3塑性-19-
4.4对比分析-21-
4.5本章小结-23-
5吊管机吊臂强度分析-23-
5.1本章小结-27-
结论-28-
参考文献-28-
致谢-29-
1绪论
1.1引言
吊管机是一个伟大的工程机械，工作量是很大的，通常是几十个甚至几百吨的工程机械。
在这样大的载荷下，其工作装置的强度是否满足要求成为重要的安全因素。
为了吊管机工作的安全性、工作装置的优化设计和主要受力部件的安全，在设计校核时，设计人员必须摒弃传统的算法，采用有限元分析来进行快捷准确的计算。
工程技术常用的是有限元分析技术，可以简化复杂的问题，与传统方法相比有很大的优势。
有限元技术是常用的一种工程分析技术，可以将复杂的问题简化，相比传统算法有很大优势。
本课题需要首先应用三维造型软件（如UG/CATIA/PROE）建立主要受力结构（上支臂、下支臂和吊臂）的三维几何模型，然后再使用UG或者ANSYS进行有限元分析并得出正确结果，以便于指导工程设计。
1.2吊管机简介
在石油和天然气管道建设，不论对口，下沟工作方面，还是在大口径管道，最重要就是要施工设备吊管机。
其中，小松，博侃德莱赛公司，卡特彼勒，山推工程机械有限公司，泰安泰山工程机械股份有限公司和中国机械设备有限公司管道是主要生产商。
在管道建设中，管道施工的吊管机是主要的工程机械产品。
从这几年国内吊管机的市场反馈情况看：
一方面：
石油，天然气，水利管道的建设项目越来越多，规模越来越大，质量要求越来越高，对吊管机产品的需求增大；除此之外，因为现在国内的吊管机生产企业少，并且还存在生产规模小，技术不成熟的一些现象。
吊管机产品主要还是依靠进口，但是进口产品存在价格昂贵，采购困难等因素，这就使得吊管机产品出现了市场紧缺的局面，同时也为新型吊管机企业在该行业的发展创造了机会[1]。
1.3有限元的优势
要了解有限元方法，可以根据不同的理论水平，这个概念容易理解;不仅可以通过非常直观的物理解释明白，它可以基于严格的数学理论分析。
有关场和地面上连续介质的所有问题，已经开始了纳米级分子动力学的渗透。
对于分析，结构力学，有限元分析是现代计算方法的快速发展起来。
它被认为是一种有效的方法并进行数值分析。
1950年，飞机结构的连续介质力学应用的静态和动态分析的首次应用。
在这之后，它被广泛用于解决散热快，流体力学，电磁连续性。
使用矩阵表达，有利于软件的有限元法编制。
这不仅方便，提供高速计算机中受益，这个问题可以很快得到解决，并且可以使解决问题更标准化，商业软件的推广和应用为有限元的发展奠定了基础。
有限元分析软件在当今世界比较突出的是：
ANSYS，ADINA，ABAQUS，MSC。
他们是世界上认可的四家大公司，ADINA，ABAQUS在非线性分析领域拥有比较强的分析能力，这是现在已知的两个有限元分析商业软件。
ANSYS，MSC出现较早而且拥有非常高的声誉，在中国应用非常广泛。
目前，对结构，流体，热的耦合分析有几家比较不错的公司都可以做到；但与ADINA比起来，其他三个软件必须与其他软件混合使用才可以可以进行迭代分析，真的独立完成流固耦合的软件只有ADINA。
作为一个比较早的商业化软件，ANSYS目前获得了很多其他程序。
ABAQUS没有开发流体模块分析.MS流体模块是一个相对于其他软件要老一点的，更新速度比较慢的软件。
在同一个开发系统，ADINA是结构性的，流体和热的软件，它功能强大，但在中国相对较晚，市场没有全面铺开。
随着现代科学技术的飞速发展，人们不断努力去创造一个有一个非常大规模的建筑物，交通工具会越来越快，发电机的功率越来越高，会建造更多大跨度桥梁和机械精良的设备。
所有这些都要求工程师在设计阶段准确预测产品和项目的技术性能。
例如，计算及影响预测将要发生毁灭性的大地震事故，大跨度桥梁高层建筑的分析;温度场和核反应堆计算分析，以确定传热和冷却系统是否合理。
近年来，有限元（FEA，有限元分析）分析随着计算机技术和正在开发的数值分析方法在这方面的支持体，提供了有效的解决方案来解决复杂的问题，应对这些工程分析和计算。
在实践中，该项目，有限元分析和CAD软件使得集成系统级设计产生了质的飞跃，特别是在以下的某些具体方面：
越来越多的降低设计成本;
缩短设计周期和分析;
适用的优化设计，降低消耗或材料的费用;
制造或施工前的潜在的问题以及发现;
模拟各种试验方案，同时减少测试时间和金钱;
1.4有限元发展趋势
1、与CAD软件的无缝集成
现在有一个明确的有限元分析软件集成和灵活使用CAD软件，即在完成零件和部件的设计后使用的，可以直接转移到CAE软件来模拟有限元网格分析计算，如果结果没有达到设计要求进行了重新设计和分析，直到您满意，较大幅度地增加了设计的水平和效率。
为了满足工程师迅速地解决复杂工程问题的要求，越来越多的商业化有限元分析软件都开发了和著CADPro/ENGINEERUnigraphicsSolidEdgeSolidWorksIDEASBentleyAutoCAD有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换[5]。
2.更加强大的网格处理能力
离散化，有限元解算器和处理结果三部分的分析，目的是解决有限元的基本过程。
由于网格质量直接影响到时间分辨率和解决方案的结果的准确性是结构离散引起的，所有软件开发商都加大了对网络处理的投资，使网络生成的质量和效率大大提高大，但在某些方面，但它一直没有好转，如果三维模型可以自动固体六面体网格划分并且求解器根据模型自适应网格划分的结果，除个别企业计划做出了最好的功能设计，大多数分析软件还没有这个功能。
自动六面体网格是指三个实体建模程序可以自动共享六面体网格单元，大多数的软件可以使用地图，拖，扫等功能产生的六面体细胞，但这些功能只适用于一个简单的模型，而复杂的3D模型，只能使用自动四面体网格生成技术四面体单元。
自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程[6]。
不要使用中间节点，在很多情况下，四面体单元会产生不正确的结果，但如果你使用一个中间节点将导致一系列的问题需要解决的时候，速度和求解时间等方面，因此人们都渴望拿出自动六面体网格的功能。
在许多工程问题，整个过程的解决方案，该模型的特定区域会发生大的变化，导致失真单元，导致在附近不能很好地剃去错误的结果或解决方案，因此应自动重新划分网络。
自适应网格是一个必要条件，许多工程问题，如裂缝，床单和旅游等大的压力。
3、线性问题与非线性问题
科学技术在不断向前推进，为了满足人们对于设计的需求，线性理论已不再适用
，仅靠线性理论根本不能解决很多工程问题比如材料的破坏和失效，裂纹扩展等，必须进行非线性分析求解，结构的大位移、大应变和塑性在薄板成型时是需要被考虑；而对陶瓷、塑料、橡胶、岩土及混凝土等材料进行分析的时候或需要考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须要考虑材料非线性。
当然我们都知道非线性问题的求解是很复杂的，除了涉及到很多专业的数学知识，还必须要掌握精通一定的理论知识和求解技巧，学习起来也有一定的难度。
为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等[7]。
该软件有一些共同的特点，是一种高效的非线性求解器，非常丰富而实用的非线性材料库，只有ADINA有两个隐性和显性型两种时间计分法。
4、单一结构场与耦合场
在空间领域有限元法第一次应用，它主要是用来求解线性结构问题，通过这种分析的方法被证明是一种非常有效的方法进行数值分析。
从理论上讲，离散也试图解决，只要该对象是足够小，得到解决的精确值是足够近似。
用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解[8]。
热力耦合的问题，例如当热金属盒形成和塑料工作由于因产生摩擦接触问题所产生的热量，就需要结构场和温度场的有限元分析结果的反复求解。
流体–固体的耦合“的问题，流体管道与流体压力之间的相互作用的流体运动发生变形，变形在管回流体运动反作用于管道。
由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向[9]。
5、开放性
随着经济的发展，一些软件开发商为了扩大自己的市场份额，以满足用户的需求，大量投资于软件的功能，易用性等方面，但不同的用户有不同的需求，无论他们怎样的努力都不能满足用户的所有要求。
所以，给用户提供一个开放的环境，允许用户根据他们目前的软件扩展，如用户可以自定义的组成材料，自定义单元格状态特此结构能够自定义标准和裂纹扩展规律，自定义流场边界条件等等。
CAE软件帮助的目的是用最先进的算法技术，性能增强软件，提高软件的性能，以满足用户的越来越多需求;这个目标是继续他们的产品市场份额，寻求道路的生存和发展之根本。
1.5有限元在国内外的应用
NASTRAN、ADINA、ABAQUS、MARC、ANSYS、COSMOS是目前比较流行的CAE。
在汽车产品开发、物流运输、激光超声研究、机电工程、等许多领域都有广泛应用。
纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势，其中最为重要的是与CAD软件的无缝集成。
COSMOS（SolidWorksSimulation）无疑走在了各CAE软件的前头，与SolidWorks真正意义上的无缝集成，极大的提高了产品的优越性与实用性。
同时它的简单易学实用性适用于企业工程师处理各类工程问题。
随着我国经济的不断发展，有限元分析法在工程分析各个领域有所应用，例如从大型的三峡工程到微米级器件都采用FEM进行分析。
外国结构分析采用有限元法汽车技术相对成熟。
车架结构有限元分析在美国和欧洲1970年得到实现。
并能够模拟，分析该车架的动态特性。
比尔曼，HJ建议使用梁、板混合单元对货车车架横梁、纵梁的连接处进行模拟的方法。
Kim，H.S等人对车架在极限静态载荷下的失效表现形式进行了详细的讨论。
Ao.Kazuo，新山等人使用静力有限元分析来指导设计流程框架进行了详细说明。
目前，国外一些公司开发的流行的有限元分析软件，如MSC，ANSYS，I-DEARS等这么多的室内设计已被广泛使用。
MsC公司的限元软件包括诸多功能例如
1.有限元建模
2.结构的静动分析（静态、瞬态动力学）
3.热、电磁场
4.流体学的相关问题等及其耦合所遇到问题
5.接触
6.强非线性
7.碰撞
在这些处理方法中的前后处理软件MSC／PATRAN和结构分析软件MSC／NASTRAN在机车转向架构架强度计算与分析中的应用很有独到之处。
80年代，中国才开始研究有限元，但是起步较晚，虽然经过多年的研究发展，也积累了大量的科研经验，由于软硬件水平的限制和车架动力学的复杂性，车架结构设计的有限元分析已成为当前急需解决的问题。
随着有限元发展的不断进步，国内的验证分析越来越成熟，但是国外的发展更加的完善，涉及和应用的方面也更加的全面。
2吊管机工作装置三维模型的建立
2.1建模工具UG简介
UG全称UnigraphicsNX，是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，数字化在产品的设计过程和加工过程中的应用大大缩减了工程师的工作量节省了大量的实验时间。
UnigraphicsNX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。
它的功能很强大，可以完成设计人员和机器的双向交流，可以轻松实现各种复杂的造型。
在一开始的时候，UG主要是专业人员使用，但是随着计算机的迅速普及，更多的设计者可以在个人的PC机上设计。
所以，UG逐渐被设计人员所应用选择。
UG的功能主要包括：
1、工业设计
随着设计的复杂性，工作人员模拟复杂模型的强劲需求，以及UG具有复杂形状方面有不错的表现，并且在建模工作UG大大减轻了工作人员的上网时间。
2、产品设计
随着工业化设计的不断发展，辅助软件在专业领域设计方面的帮助被工程师们越来越重视，于是UG站在产品设计方面的应用则应运而生。
比如：
专业的管路和线路设计系统、钣金模块、焊接模块所需的专业应用程序。
随着工业设计的不断发展，在专业领域支持与帮助下，辅助设计被工程师越来越多的关注，那么产品设计UG站立应用诞生。
例如，管道和布线所需的专业设计系统，钣金模块，专用焊接应用。
3、仿真、确认和优化
UG集成了多种模拟程序，如NASTRAN有限元分析。
而且在各种造型的应用也非常强大，仿照完成模型本身可能有限元分析UG后，避免浪费时间来转换多种方案。
相比其他专业课程，UG操作仿真分析是不是很简单，功能不是很丰富。
4、模具设计
由于其强大的功能UG，它已经成为非常流行的模具设计软件。
MoldWizard（注塑向导）是基于NX的发展，这是一个专业的注塑模具的设计解决方案。
该模块配备了常用的模具设计能力，用户可以轻松地设计，根据其设计的用户界面本身的操作手法，而且还可以开发新的模具。
这将减少模具设计时间。
此外，MoldWizard（注塑向导）模块为设计者提供了包括最终成型的物理设计的各个阶段直接的业务流程。
视觉形象是这个模具设计，它可以帮助最大限度地提高设计人员节省时间，可以完成更复杂的模具设计见效快的优势。
[11]
2.2模型的建立
在老师老师给的xt文件中已经有了整体模型，这是一项非常简单的工作对于三维建模来说
1打开NX8.0，新建模型
2点击“文件”，选择导入parasolid，导入x_t文件
3分别选中上支臂、下肢臂、吊臂，右击复制
4再新建模型，右击粘贴，即可导出工作装置的三维模型。
如图：
整体三维模型
上支臂三维模型
下支臂三维模型
吊臂三维模型
2.3本章小结
由于当时时间不多，在建模这一块没有自己真正的从零开始，选择了这样一个取巧的做法，这样在最后总结的模型有很多设置了障碍啮合，而这可能会导致重新编辑模型后。
负载超过其对造型步骤的一部分步骤。
到现在为止，建模全部结束，下面将介绍模型的有限元分析。
3有限元模型的建立
3.1Hypermesh概述
随着有限元分析不断的发展，它已经成为CAE技术的核心，贯穿于整个产品设计和制造的全过程，运用CAE仿真分析技术对发展产品问题，提升产品质量水平起着至关重要的作用。
前处理技术作为有限元仿真分析的基础，网络划分技术和建模技术，已经受到分析研究人员越来越高的重视。
据统计，在CAE分析流程中有限元处理占80%，网络质量决定计算分析结果的准确性。
Hypermesh是一款针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软件，分析研究人员能够在一个交互式的可视窗口内进行各种设计或参数的仿真和分析。
Hypermesh的操作界面非常便于学习和使用，它还可以直接调用CAD的几何数据，以及提前保存好的有限元模型，从而省略了大量的附加冗余数据。
Hypermesh先进的后处理工具能够清晰直观显示复杂的分析结构。
Hypermesh的速度，人性化和用户化功能是其他分析软件无可比拟的。
Hypermesh几何接口
Hypermesh所具有较强的输入输出功能，可以读取相关各类主要的CAD软件所存储的各种格式的数据来生成有限元模型。
在Hypermesh中具有一系列非常方便，实用的工具，专门用来对读入的几何实体模型进行处理。
如果所读入的几何实体模型中含有面信息，缝隙，重叠，不对齐或者小孔等，就会影响网格自动划分器的工作，难以生成高质量的网格，在模型更大，更广阔的区域进行网格划分时，为更有效的提高整体网格划分速度和网格划分的质量，通常采用专用的工具来消除各种不对齐，小孔等，以及对相邻面见的边界进行抑制。
Altair公司在全球范围内与各家主流的CAD/CAM软件供应商建立了密切的合作关系，保证用户能够在相同的环境下从一个或多个CAD系统中获取数据。
Hypermesh具备强大的几何导入功能，能够支持多种格式的复杂装配几何模型的导入，比如UG,CATIA,PROE,STEP,IGES,VDAFS,PDGS,STL等格式，它还能支持UG的动态装配，而且可以设定几何容差，修复几何模型，同时能够支持IGES格式的输出。
几何清理功能可以支持各种人工化或者自动化的几何清理工作，如各种复杂曲面修补，缝隙缝合，薄壳实体中面抽取功能，以及去除相贯倒角，孔洞等功能，灵活方便。
Hypermesh的求解器接口
HYPERMAT支持多种输入和输出格式求解器，可以是与所有主要的解算器的无缝集成。
目前可应用的主流求解器大多包括：
LS-DYNA,ABAQUS,OPTISTRUCT,RADIOSSANSYS,BLOCK,PAMCRASH,NASTRAN,MADYMO,MOLDFLOW,MARC,CMOLD等。
另外，接口的灵活性非常强大，想要开发一款新的输入数据转换器，只需要通过一整套输出模板或者C语言库就可以实现，能够支持更多类型的求解器。
Hypermesh分别为各种求解器定制专用的交互式界面，如ABAQUS,LS-DYNA3D,ANSYS接触向导定义可针对汽车碰撞的安全带和气囊等专业模块。
3.2几何清理及网格划分
由于实体模型有许多工艺部件，这些东西对有限元的分析结果没有太大影响，但是有限元前处理和有限元的时间会因此受到严重的影响，因此对模型的一些局部地方进行必要的几何处理和修改是前处理时所必须的，建模前进行的这些处理有效的提高了有限元模型的质量;之后再选用与该车实际情况相应的材料属性和单元类型。
对于导入后的模型格式由之前的stp变为hm格式，其仍不能进行网格划分，必须在hypermesh软件中进行删除实体处理，只保留面。
删除实体保留面的方法有很多，典型的有两种：
一是直接抽取实体中面删除实体法；
第二，取出合适的材料，以保证表面，第二比较顺利，但相似程度高，精度高。
吊臂由以下四大部分组成如下图
网格划分
提取完外表面后，就可以进行以后的网格划分，根据线管的资料统计，网格划分在整个有限元处理过程中占有大约一半左右的时间，由此可见网格划分在有限元中占有重要的地位，因为单元网格尺寸的大小，数量的多少和质量的优劣直接关系到最终计算所需时间的长短和结果的精度的大小。
网格的划分不仅是一个费时费力的事，而且对于一些复杂部件进行网格的划分是很需要个人经验与技巧的过程。
随着计算机技术和软件技术的不断发展与完善，仿真软件的优劣对计算结果的影响已经不大，最后的计算结果的优劣很大程度上依赖技术人员前期对模型的处理以及所画网格的质量
在hypermesh软件中，网格划分的方法基本上可以分为三种，即自动划分方法（automesh）、网格优化（QIoptimized）和交互式网格划分法（Interactive）。
其中自动网格划分方法基本上用于曲面数量不是很多且结构相对简单的几何模型，在进行网格自动划分之前需要设定好网格尺寸大小、形状等参数，
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