主梁结构的参数化建模与有限元分析
机械设计的有限元分析及结构优化
机械设计的有限元分析及结构优化摘要：有限元分析是机械设计中重要的工具，能够模拟材料和结构，通过将复杂的实际结构，离散成有限数量的元素，并利用数值计算方法，评估结构的各方面性能。
但是，进行有限元分析，并不能保证最优的设计，因此需要进行结构优化。
通过调整设计参数，寻找最佳的几何形状或材料分布，以满足给定的性能指标和约束条件。
基于此，探讨有限元分析和结构优化的相关内容，提出了以下观点，仅供参考。
关键词：机械设计；有限元分析；结构优化引言：有限元分析是一种重要的数值仿真方法，通过将复杂结构，离散为有限数量的小单元，可以对其进行力学行为和性能的模拟与评估。
结构优化则旨在通过调整材料、形状和布局等参数，以最大限度地提高结构的性能和效率。
有限元分析技术，在机械设计中的应用，涵盖材料力学、热力学、流体力学等方面的问题，因此需要进行深入的研究，以促进机械设计的发展和创新。
一、项目概况某公司是一家制造工程设备的企业，正在开发一种新型的机械设计。
为了确保该机械设计在使用过程中的安全性、可靠性和效率，最后决定利用有限元分析和结构优化，来进行设计验证和改进。
通过有限元分析软件对新型的机械设计，进行模拟和分析，以评估其在不同情况下的变化数据。
这可以帮助确定机械设计构中的薄弱点和缺陷，并指导后续的优化工作。
二、机械结构静力学分析（一）有限元方法运用有限元方法通过将结构离散化为许多小的单元，对每个单元进行分析，并将其连接起来形成整体结构，来研究机械结构的力学行为。
有限元方法的关键步骤包括以下几个方面：第一，将机械结构离散化为许多小的单元，以便更好地进行分析。
这些单元可以是三角形、四边形或其他形状的网格单元。
第二，在进行离散化后，需要选择适当的位移插值函数，来描述每个单元内部的位移变化。
常见的插值函数有线性插值函数和二次插值函数等。
第三，利用所选的位移插值函数，可以通过解决每个单元内部的应力方程，来计算单元的力学特性，如应力、应变和变形等。
起重机箱形主梁的结构的改进设计研究
在整 个主梁 中， 当小车满 载于主梁 跨 中时是 非常危险 的， 因此 ， 我 寸数值也会 随着比例的变化而改 变， 但是 划分的单元数 量并不会改变 ， 们首先来分析 １ 载 荷问题 。 这对于以后 的分析 和加载特 别有利。 １ ． 箱形主梁的基本参数 当优化中的 目 标 函数 能够 满足主梁 各项条件 时， 它的重 量最轻 ， 但 起重机 主粱结构 和圣兽的主要载荷 如下图Ｉ 所示 。 是主梁 采用的相 同材质只有一种 密度， 因此 ， 主梁 的质量与体 积有很 大
中， 无论 是设计 制造还是 使用条件和 安全问题都 存在许多的不足， 起 重 因此 ， 我们要采 用这些参 数 ， 而 不能使用具 体的数 字。 对 于设定 的壳单 机 所需 的原材料 比较多， 在 结构 设计上也十分不合理 ， 使用的效率 比较 元实常 数， 应 采用不 同的方 式表示 出来 ， 并且在建 模的过 程 中， 应 采用 低， 这 就导致 在基建中增加了许 多的成本。 由于桥 式起 重机在现代 的其 Ａ、 Ｂ 表示上下 盖板 间距和左右 腹板的间距 。 当模型划分 网格之后 ， 应考 中设计 中占有重要 的地位 ， 下面我们就 针对桥式起 重机箱形主梁结 构的 虑 模 型优化时所 采用的 自动划分 网格 ， 尽可能 固定 单元号。 因此 ， 要将 改进设计 进行研究 。 主梁 截面中的任意 线段和跨度的方 向分为不 同的段数 ， 不能确定为具体 的长 度数值 。 在 这种 情况下， 如果参 数的数 值发 生改变 ， 那么网格 的尺 起 重机 箱 形圭 梁 的设 计计 算
】 － ｌ … ｌ ０■ 』 － － ■ － ■ ０ ＿ Ｉ ¨ Ｉ ２ ／
１
的关系。 采用一 阶方法优化 ， 并设定各个 设计变 量和各 状态 变量值 ， 如 小表ｌ 和 表２ 所示 小 值 １ ． ４
1有限元分析概述
• 项目挑战
– 初始设计的扭转变形钢片几乎 没有信号输出，无法实现扭矩
传感
电子助力转向系统
• 解决方案
– 通过结构分析发现原始设计的 缺陷 – 第一次改进设计，效果很好， 但由于结构尺寸过大，基本不 实用 – 经过30多次方案改进，最后获 得了一个非常满意的设计（传 感器电路仿真也在ANSYS里一 起完成）
– 用于F-15飞机的弹射座椅改进设计 – 需要计算在弹射和前向碰撞两种最 大载荷状态下的座椅可靠性
• 项目挑战
– 100多个零部件，模型极其复杂 – 载荷施加非常困难
• 解决方案
– 在Workbench环境下使用 Mechanical软件，利用其双向参数 链接功能输入CAD模型，并自动创 建零部件的装配接触 – 利用Workbench高级网格处理能力 – 利用Workbench先进的加载功能 （如空间质量点、远程等效力等） – 与CAD协同进行结构改进和优化设 计
（3）
式中，F e 和 F e 分别为作用于单元e的结点i和结点j的结点力。 j i 式（3）写成矩阵形式为
xj x i x e L x xi j x e L
(2)
3.单元方程（单元结点位移与结点力的关系） 由等截面杆变形与拉力的关系（虎克定律）得到：
A e E e e e e i j Fi Le e e A E e e e j i Fj Le
最终设计
第一次 改进设计
第一次改进设计的应变分布状态非常良好（基 本上只有第一主应变，其它主应变很小），扭 转引起的电阻变化很大，传感效果好。但结构 宽度太大，无法集成在转向系统中，实用性差
箱形主梁的三维参数化设计及有限元分析
Ｋ ｙ ｏｄ ：ｂｘｇ ｅ；ｐ ｍ ｅ ｒｅ ｅｉ ；ｆ ｔ ｅ ｍ ｎ ａａ ｓ ｅｗ ｒｓ ｏ ｒ ｒ ｍ ｎｔ ｉ ｄｄ ｇ ｉ ｅ ｌ ｅｔ ｎｌ ｉ ｉ ｄ ｅｚ ｓ ｎ ｉ ｎ ｅ ｙｓ
便 ，将腹板中部做成矩形而端部做成梯形，同时使 下 盖板 两端 向上倾斜 。
箱 形主梁 的外部结 构形 式基本 上是 一样 的 ，但
始设 计用 户界 面 。用 户界面 应该使 用方便 、界 面熟 悉 、有灵 活 的提示 帮助信息 、良好 的交互 方式 、 良
好 的 出错 处理 等。 以广 州某起 重机 厂现有 标准 型号 的箱 形主梁 的
维普资讯 ຫໍສະໝຸດ 单神 经元 自适 应 ＰＤ控 制器 的运用取 得 了 良好 的效 Ｉ
果 ，有效地抑制 了负载扰动，大大提高 了控制品
质；
（）研制出成本低，控制精度和自动化水平高 ３
的惯性 式制动 器试验 台是完 全可 能的 。
参 考 文 献
图 ３ 无转矩扰 动前馈补偿控制仿真结果
度 和起重 量 ，系统会 自动从 数据库 中查 找到相关 的 数 据 ，设 计者 默认这 些数据 而不 用修改 ；如果要 进 行 非标设 计 时 ，输 入跨度 和起重量 ，系统 就会查 找 数 据库 ，进行 比较 ，选 择 与标准 箱形 主梁相 近的数 据 作为参 考数 据 ，供 设计 者 修 改 尺寸 参数 时参 考 。 当设计 者修 改 了某 一些尺寸 后 ，系统会 自动对 与这 些 尺寸 相关 的尺寸 进行修 改 ；如果 设计 者修 改的尺 寸不合 理 ，系统会 进行判 断 比较 之后 以弹 出式 信息 框 的形式 提 醒设计 者进行正 确 的设 置 和修改 ，直到 数据设 置正确 以后 才 能 进 入到 下 一步 的操 作 之 中。
有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用
有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用1. 本文概述本文旨在深入探讨有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）在现代工程机械钢结构设计与结构优化过程中的关键作用及其实际应用价值。
随着计算机技术和数值模拟方法的发展，有限元分析已经成为工程领域不可或缺的重要工具，尤其在解决复杂钢结构的力学行为、承载能力评估、疲劳寿命预测以及结构优化设计等问题上具有显著优势。
在工程机械钢结构的设计阶段，有限元分析能够精确模拟构件在各种载荷条件下的应力分布、变形状态和稳定性特征，从而帮助设计者在产品开发初期就对结构性能进行预估和改进。
同时，通过开展细致的有限元仿真研究，可以对潜在的局部薄弱区域进行识别，并据此进行针对性的结构强化设计。
本文将系统介绍有限元分析的基本原理及其在工程机械钢结构领域的具体应用步骤，结合实例阐述如何利用有限元法实现结构静力分析、动力学分析、热力学分析以及多物理场耦合问题的研究。
还将探讨借助高级优化算法与有限元软件平台相结合的方法，实现工程机械钢结构的轻量化、功能化与成本效益最优化设计策略，以期推动该领域的技术进步和产业升级。
2. 有限元分析的理论基础有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种数值计算方法，它通过将一个复杂的结构分解成许多小的、简单的、形状规则的单元（有限元），并对这些单元进行局部的分析，来近似求解整个结构的响应和行为。
有限元分析的基本原理是将连续体划分为有限数量的离散单元，每个单元内部的物理行为可以通过局部的近似函数（形函数）来描述。
通过组装这些局部近似函数，可以得到整个结构的全局近似解。
形函数是有限元分析中的核心概念，它定义了单元内部的位移或温度等物理量的分布情况。
插值是通过有限个已知点（节点）的函数值来构造一个连续函数的过程。
在有限元分析中，形函数通常采用多项式函数，如线性、二次或三次插值。
刚度矩阵（Stiffness Matrix）是描述结构在受力后变形能力的矩阵。
某单梁桥式起重机主梁有限元分析
太原科技大学大学生创新训练 （Ｕ Ｉ Ｔ ） 计划项目 （ｘｊ２０１２０６９ ） 收稿日期 ： ２０１２‐１１‐０２ ； 修回日期 ： ２０１２‐１１‐１０ 作者简介 ： 王文浩 （１９７６‐） ， 男 ， 山西洪洞人 ， 讲师 ， 在读博士生 ， 主要从事机械金属结构 、 工程力学 、 机械优化设计等领域的教学和研究 。
。
材料许用剪应力值为 ：
［τ］ ＝
［σ］ ３
＝
８２
．３２ ～ ７９ １ ．７３２
．１５４
＝
（４７
．５２９
～
４５
．７０１ ）
ＭＰａ 。
图 ３ 跨中荷载作用下的主梁结构变形及应力云图 图 ４ １ ／４ 跨荷载作用下主梁结构变形及应力云图
图 ６ 主梁的应力集中
３ ．２ 主梁跨中截面的正应力校核 由图 ３ 可知主梁跨中下翼缘存在最大正应力 （如
Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｔ ａｋｉｎｇ ａｎ ｏｖｅｒｈｅａｄ ｃｒａｎｅ ｗｉｔｈ １６ ．５ ｍ ｓｐａｎ ａｎｄ ３ ｔ ｌｉｆ ｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅ ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｔｏｐ‐ｄｏｗ ｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｏｗ ｎ‐ｔｏｐ ｍｅｔｈｏｄ ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｅｔ ｕｐ ｔｈｅ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｅ ｇｉｒｄｅｒ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆ ｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ ．Ｔ ｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｂｅａｍ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃｈｅｃｋｅｄ ．Ｓｏｍｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ ｗ ａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｖｅｒｈｅａｄ ｃｒａｎｅｓ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ：ＡＮＳＹＳ ；ｏｖｅｒｈｅａｄ ｃｒａｎｅ ｇｉｒｄｅｒ ；ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ；ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｃｈｅｃｋ
桥梁的ansys有限元分析
（一）研究背景桥梁在一个国家的交通运输和经济发展中占有十分重要的位置 ,而桥梁桁架结构是保证桥梁安全运营的重要手段。
随着技术的发展，桥梁桁架结构己经发展成为桥梁领域中必不可少的专用结构，桥梁桁架结构更是代表了桥梁的主流发展方向，具有广阔的市场前景。
木文的研究对象为桥梁桁架结构，采用有限元法对该车结构进行了有限元分析。
（二）研究目的本文认真研究了桥梁的结构组成和工作原理，对桥梁各组成部件进行了合理的模型处理和简化，利用有限元分析软件ANSYS的APDL语言，建立了各部件的有限元参数化模型。
按照真实情况采用合理的方式模拟各部件间的连接关系，将各部件组成一个整体。
通过以上工作建立了桥梁的有限元分析模型，对桥梁桁架结构进行静力学分析，分析桥梁桁架结构在静态情况下的位移变形，应力应变分布，为桥梁桁架结构的设计与制造提供理论依据。
（三）有限元分析过程1.定义材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比。
点击主菜单中的"Preprocessor'Material Props >Mat erialModels” ,弹出窗口,逐级双击右框中“Structural、Linear\ Elastic\ Isotropic n前图标，弹出下一级对话框，在"弹性模量” （EX）文本框中输入:2. Oell ,在“泊松比” （PRXY）文本框中输入：0. 3,如图所示，点击“0K”按钮，同理点击Density输入7850即为密度。
A define Material Model BehaviorMaterial Edit Favorite HelpA Linear I&otropic Properties for P/aterhl Number 1Linear Isotropic Ifaterial Propertiesfor Kat erial NuiTber 1T1Terrperatures |0 EX PRX7|o.3Add Temper attire | Delete TeiuperatureGraphOKdree] |HebA Define Material Model Behavior Matenal Edit Favorite Help2. 定义单元属性，包括单元类型、单元编号、实常数。
桥式起重机主梁结构分析和优化设计
桥式起重机主梁结构分析和优化设计【摘要】随着工业的迅速发展，越来越多的工作需要机器代替人工来完成，比如货物的搬运就必须借助起重机，人力是很难完成的。
起重机械不仅是现代化生产中的工具，也是不可缺少的生产设备，对提高生产效率、减轻工人工作量、节约生产成本、提高生产安全系数等，有着至关重要的作用。
目前应用最广泛的起重机就是桥式起重机，但这种起重机结构尺寸比国外同样吨位的起重机大很多，造成了材料和资源的浪费。
本论文在桥式起重机起重量和跨度一定的情况下，对主梁结构进行分析有优化设计。
【关键词】桥式起重机；主梁；结构分析；优化设计1.主梁结构分析和优化概述由于计算机的发展和广泛应用以及优化理论知识的发展，起重机的设计从传统设计发展到可以建立一种设计过程中自动选择最有方案的迅速而有效的方法，这种方法也是目前在机械设计中应用最广泛的一种设计方法，即优化设计法。
主梁结构优化设计即是在满足行业规范及特定要求的前提下使结构的重量、造价、刚度、灵敏度、稳定性和可靠性达到最佳的方法。
起重机是提高生产效率、节约生产成本、减轻工人劳动负担、实现安全生产的起重运输设备，在一定的范围内水平移动和垂直起升的设备，具有作业循环性和动作间歇性的特点，所以在主梁的结构分析和设计中一定要兼顾到安全性能和稳定性能。
2.桥式起重机主梁结构的分析2.1主梁结构设计的要求目前桥式起重机的种类比较多，根据主梁的数目可大致分为单梁桥架和双梁桥架，根据结构可大致分为型钢梁式桥架、箱型结构桥架、精架式桥架。
钢梁式结构的主梁一般采用工字钢，结构简单，起重量小，一般应用于小车；箱型结构应用比较广泛、工艺简单，但其主梁易下饶。
综上桥式起重机的特点，在对主梁的结构进行设计时，必须满足以下几个基本要求：（1）主梁的刚度和强度要满足要求。
（2）尽可能降低主梁的重量，这样不但可以减轻起重机的自重，也减轻了桥架和厂房建筑结构的负载，同时也能节约资源、减少生产成本、提高安全性能和运行的稳定性。