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[摘 要]有限元法是随着计算机的应用而发展起来的一种先进的CAE技术，并广泛应用于机械制造、材料加工等各个领域，成功解决了许多复杂的设计和加工问题，已成为工程设计中不可缺少的重要工具。本文着重介绍了有限元分析软件ANSYS的主要技术特点及其在起重机行业的应用。
[关键词]ANSYS； 有限元法； 起重机
中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0224-02
1、引言
随着计算机技术的日益普及，计算机工具在提高社会生产力方面发挥了越来越重要的作用，特别是CAE（计算机辅助分析）在工业界的日益成熟和普及，极大地提高了工业设计和生产效率，有限元分析技术已经发展成为CAE的核心。用CAE方法可以减少或避免物理测试过程，通过计算机模拟最恶劣载荷和工况下零件或结构的工作情况，准确地计算其应力应变，使产品在设计阶段就能够对其数学模型的各项性能进行评估，及早发现设计上存在的问题，从而大大缩短设计开发周期。另外，采用有限元分析技术及其优化技术，能够改进结构设计参数，使其在满足强度和刚度的情况下具有最合理的结构。有限元分析技术在应用于新产品开发和老产品改造方面，能够对其强度、应力分布状况进行分析，并对其形状和结构进行优化设计。
起重机作为现代工业生产与起重运输业中必不可少的特种设备之一，目前已广泛应用于铁路交通、钢铁化工、冶金等行业。然而起重机却是大型机械设备中隐藏危险因素最多，发生伤亡事故几率最大的特种设备，特别是冶金用桥式起重机工作频繁，经常满载甚至超负荷工作，且工作环境恶劣（高温、强电磁场、多粉尘），在运行过程中存在频繁启动和制动操作，因此，在设计及加工上对起重机都应有很高要求。随着有限元分析技术的发展，其在起重机设计中也得到了广泛的应用。目前，利用ANSYS有限元分析软件，对起重机各个结构进行有效的数值仿真，可以达到最佳经济和技术性能指标，其技术已经相当成熟。
2、ANSYS有限元分析软件
ANSYS软件的主要功能包括结构分析、结构非线性分析、热分析、电磁分析、流体力学分析、接触分析、压电分析以及多物理场的耦合分析。此外还提供目标设计优化、拓扑优化、概率有限元设计、二次开发技术等先进技术。功能覆盖了几乎所有的工程问题，ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成。
2.1 前处理
有限元模型是进行有限元分析的计算模型或数学模型，它为计算提供原始的数据。建模是整个有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短及计算过程能否完成，其中建模主要包括以下几步：
（1）确定工作名和分析标题；
（2）设置分析模块；
（3）定义单元类型和选项；
（4）定义实常数；
（5）定义材料性质；
（6）创建分析几何模型；
（7）建立有限元模型；
（8）对模型进行网格划分；
选择单元的要点包括：
（1）对线性结构（应力）分析，建议采用高阶单元；
（2）对非线性应力分析，用低阶单元采用较密网格，而不用较粗网格高阶单元；
（3）对壳应力分析，四边形比三角形结果要好。
2.2 加载及求解
加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。载荷的含义有：自由度约束位移、节点力（力，力矩）、表面载荷压力、惯性载荷（重力加速度，角加速度）。
可以在实体模型或FEA（有限元分析）模型（节点和单元）上加载。直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局部网格修改不影响载荷；同时加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。但要注意：无论采取何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。
2.3 后处理
后处理是将计算所得的结果可视化。ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。
3、ANSYS有限元分析在起重机行业的应用
起重机在运行过程中，要承受各种载荷（如静载荷、动载荷、交变载荷、冲击载荷、振动载荷等），各承载零件和结构件会产生相应的应力和变形，如果超过一定的限度，就会丧失功能甚至破坏，从而发生安全隐患。起重机在作业过程中，承受载荷的复杂性不仅仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着起重机作业的工作状况的不同而表现出多变的特征。载荷是起重机及其组成零部件正常工作受力分析的原始数据，也是零部件报废或事故原因判断分析的依据。
3.1 结构静力学分析
起重机工作时直接承受巨大的工作载荷，要求有较高的强度，同时由于大车跨距比较大，工作时要求有较好的稳定性，即较好的刚度。因此，对起重机的结构进行静力学分析很有必要。静力学分析主要计算固定不变载荷作用下结构的响应，包括对起重机各承载结构承载后的应力、应变和变形的分析，它们是起重机结构机械性能的一项重要指标，是评判其性能的主要依据之一。对于起重机静力学分析，通常采取极端情况，即满载小车位于桥架跨中位置时，观察各承载结构件的静态变形及应力分布规律。
3.2 模态分析
起重机在使用过程中载荷变化较大，其工作环境广泛受不同频率和不同振型的振动源等因素的干扰，当自振频率过低，振幅过大，会增大结构动应力，特别是会引起司机身体感觉不适，并产生不安全感，进而影响操作的安全性。因此，有必要对其结构进行模态分析，为合理设计结构和安全使用提供科学的指导。模态分析计算结构固有频率和相应振型，与外载荷无关。按《起重机设计规范》（GB3811-1983）对起重机动态特性要求是当小车位于跨中起吊额定载荷，钢丝绳绕组的悬吊长度相当于额定起升高度时，垂直方向的自振频率为动刚度，其值应不低于2Hz[1]。 3.3 疲劳分析
根据大量统计资料显示，在起重机事故中，最常见、最严重的是以疲劳裂纹为特征的起重机焊接箱型梁结构的疲劳破坏，起重机的箱型主梁结构是其主要的承载构件，而主梁的断裂就意味着整个起重机寿命的终结。因此，对起重机箱型主梁结构的疲劳裂纹扩展规律的研究和箱型主梁剩余疲劳寿命的预测，可以预防疲劳断裂事故的发生，对起重机的设计、制造、、使用及维修具有重要的指导意义。
3.4 热应力分析
对于一般起重机，按照强度准则足以满足使用要求，但对于冶金行业用的起重机，由于其工作在高温环境下，内外表面存在温度差，虽然常温下，静力强度富裕系数较大，但常常会因为热应力而导致起重机零部件的破坏。因此，往往需要对其进行温度场分析和热应力计算，即按照静力载荷和温度载荷联合作用下的强度准则来设计结构。
3.5 接触分析
接触广泛存在于工程实际中，是力学研究的热点，接触界面在实际加载过程中可能出现脱开、滑移或保持粘接的现象，这就使得这些可能的接触界面的接触范围和界面上的边界条件在加载过程中出现了不断变化的现象，从而整个结构系统的响应将不能与外载保持线性关系[2]。有限元方法不但可以解决复杂的弹性接触问题，同时还可以解决弹塑性接触问题。起重机的大型化和高速化使得整机重量增大，工作时动载荷变大，整机晃动加剧，这就对起重机轨道和车轮的强度、承载能力和使用寿命提出了更高的要求。起重机在运行过程中，车轮与轨道面之间处于接触状态，由于滑动摩擦力的影响，接触状态在不断改变，从而使车轮系统产生非线性响应，这是典型的接触问题。此外，轴承作为起重机传动部分中很重要的一环，它依靠内部各构件间的滚动接触来支撑转动零件实现运动和力的传递，其工况的好坏直接影响起重机整机的运行，利用ANSYS对轴承进行接触问题的分析，可以解决所有的接触问题，方法简单，结果可视性强，对轴承的分析有一定的指导作用。
4、结束语
ANSYS有限元法是一种先进的数值计算方法，在起重机设计制作行业开展有限元分析工作，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，使产品减重、性能优化成为可能；同时，采用有限元分析技术能在短时间内尝试和比较更多的设计方案，因而有可能获得较佳甚至最优的设计而提高开发质量。
参考文献
[1] GB/3811-1983起重机设计规范
[2] 张汝清.非线性有限元分析[M].重庆：重庆大学出版社，1988.
[关键词]ANSYS； 有限元法； 起重机
中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0224-02
1、引言
随着计算机技术的日益普及，计算机工具在提高社会生产力方面发挥了越来越重要的作用，特别是CAE（计算机辅助分析）在工业界的日益成熟和普及，极大地提高了工业设计和生产效率，有限元分析技术已经发展成为CAE的核心。用CAE方法可以减少或避免物理测试过程，通过计算机模拟最恶劣载荷和工况下零件或结构的工作情况，准确地计算其应力应变，使产品在设计阶段就能够对其数学模型的各项性能进行评估，及早发现设计上存在的问题，从而大大缩短设计开发周期。另外，采用有限元分析技术及其优化技术，能够改进结构设计参数，使其在满足强度和刚度的情况下具有最合理的结构。有限元分析技术在应用于新产品开发和老产品改造方面，能够对其强度、应力分布状况进行分析，并对其形状和结构进行优化设计。
起重机作为现代工业生产与起重运输业中必不可少的特种设备之一，目前已广泛应用于铁路交通、钢铁化工、冶金等行业。然而起重机却是大型机械设备中隐藏危险因素最多，发生伤亡事故几率最大的特种设备，特别是冶金用桥式起重机工作频繁，经常满载甚至超负荷工作，且工作环境恶劣（高温、强电磁场、多粉尘），在运行过程中存在频繁启动和制动操作，因此，在设计及加工上对起重机都应有很高要求。随着有限元分析技术的发展，其在起重机设计中也得到了广泛的应用。目前，利用ANSYS有限元分析软件，对起重机各个结构进行有效的数值仿真，可以达到最佳经济和技术性能指标，其技术已经相当成熟。
2、ANSYS有限元分析软件
ANSYS软件的主要功能包括结构分析、结构非线性分析、热分析、电磁分析、流体力学分析、接触分析、压电分析以及多物理场的耦合分析。此外还提供目标设计优化、拓扑优化、概率有限元设计、二次开发技术等先进技术。功能覆盖了几乎所有的工程问题，ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成。
2.1 前处理
有限元模型是进行有限元分析的计算模型或数学模型，它为计算提供原始的数据。建模是整个有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短及计算过程能否完成，其中建模主要包括以下几步：
（1）确定工作名和分析标题；
（2）设置分析模块；
（3）定义单元类型和选项；
（4）定义实常数；
（5）定义材料性质；
（6）创建分析几何模型；
（7）建立有限元模型；
（8）对模型进行网格划分；
选择单元的要点包括：
（1）对线性结构（应力）分析，建议采用高阶单元；
（2）对非线性应力分析，用低阶单元采用较密网格，而不用较粗网格高阶单元；
（3）对壳应力分析，四边形比三角形结果要好。
2.2 加载及求解
加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。载荷的含义有：自由度约束位移、节点力（力，力矩）、表面载荷压力、惯性载荷（重力加速度，角加速度）。
可以在实体模型或FEA（有限元分析）模型（节点和单元）上加载。直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局部网格修改不影响载荷；同时加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。但要注意：无论采取何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。
2.3 后处理
后处理是将计算所得的结果可视化。ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。
3、ANSYS有限元分析在起重机行业的应用
起重机在运行过程中，要承受各种载荷（如静载荷、动载荷、交变载荷、冲击载荷、振动载荷等），各承载零件和结构件会产生相应的应力和变形，如果超过一定的限度，就会丧失功能甚至破坏，从而发生安全隐患。起重机在作业过程中，承受载荷的复杂性不仅仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着起重机作业的工作状况的不同而表现出多变的特征。载荷是起重机及其组成零部件正常工作受力分析的原始数据，也是零部件报废或事故原因判断分析的依据。
3.1 结构静力学分析
起重机工作时直接承受巨大的工作载荷，要求有较高的强度，同时由于大车跨距比较大，工作时要求有较好的稳定性，即较好的刚度。因此，对起重机的结构进行静力学分析很有必要。静力学分析主要计算固定不变载荷作用下结构的响应，包括对起重机各承载结构承载后的应力、应变和变形的分析，它们是起重机结构机械性能的一项重要指标，是评判其性能的主要依据之一。对于起重机静力学分析，通常采取极端情况，即满载小车位于桥架跨中位置时，观察各承载结构件的静态变形及应力分布规律。
3.2 模态分析
起重机在使用过程中载荷变化较大，其工作环境广泛受不同频率和不同振型的振动源等因素的干扰，当自振频率过低，振幅过大，会增大结构动应力，特别是会引起司机身体感觉不适，并产生不安全感，进而影响操作的安全性。因此，有必要对其结构进行模态分析，为合理设计结构和安全使用提供科学的指导。模态分析计算结构固有频率和相应振型，与外载荷无关。按《起重机设计规范》（GB3811-1983）对起重机动态特性要求是当小车位于跨中起吊额定载荷，钢丝绳绕组的悬吊长度相当于额定起升高度时，垂直方向的自振频率为动刚度，其值应不低于2Hz[1]。 3.3 疲劳分析
根据大量统计资料显示，在起重机事故中，最常见、最严重的是以疲劳裂纹为特征的起重机焊接箱型梁结构的疲劳破坏，起重机的箱型主梁结构是其主要的承载构件，而主梁的断裂就意味着整个起重机寿命的终结。因此，对起重机箱型主梁结构的疲劳裂纹扩展规律的研究和箱型主梁剩余疲劳寿命的预测，可以预防疲劳断裂事故的发生，对起重机的设计、制造、、使用及维修具有重要的指导意义。
3.4 热应力分析
对于一般起重机，按照强度准则足以满足使用要求，但对于冶金行业用的起重机，由于其工作在高温环境下，内外表面存在温度差，虽然常温下，静力强度富裕系数较大，但常常会因为热应力而导致起重机零部件的破坏。因此，往往需要对其进行温度场分析和热应力计算，即按照静力载荷和温度载荷联合作用下的强度准则来设计结构。
3.5 接触分析
接触广泛存在于工程实际中，是力学研究的热点，接触界面在实际加载过程中可能出现脱开、滑移或保持粘接的现象，这就使得这些可能的接触界面的接触范围和界面上的边界条件在加载过程中出现了不断变化的现象，从而整个结构系统的响应将不能与外载保持线性关系[2]。有限元方法不但可以解决复杂的弹性接触问题，同时还可以解决弹塑性接触问题。起重机的大型化和高速化使得整机重量增大，工作时动载荷变大，整机晃动加剧，这就对起重机轨道和车轮的强度、承载能力和使用寿命提出了更高的要求。起重机在运行过程中，车轮与轨道面之间处于接触状态，由于滑动摩擦力的影响，接触状态在不断改变，从而使车轮系统产生非线性响应，这是典型的接触问题。此外，轴承作为起重机传动部分中很重要的一环，它依靠内部各构件间的滚动接触来支撑转动零件实现运动和力的传递，其工况的好坏直接影响起重机整机的运行，利用ANSYS对轴承进行接触问题的分析，可以解决所有的接触问题，方法简单，结果可视性强，对轴承的分析有一定的指导作用。
4、结束语
ANSYS有限元法是一种先进的数值计算方法，在起重机设计制作行业开展有限元分析工作，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，使产品减重、性能优化成为可能；同时，采用有限元分析技术能在短时间内尝试和比较更多的设计方案，因而有可能获得较佳甚至最优的设计而提高开发质量。
参考文献
[1] GB/3811-1983起重机设计规范
[2] 张汝清.非线性有限元分析[M].重庆：重庆大学出版社，1988.