加工车间二层运动平台框架有限元分析
基于SAMCEF平台的机床整机动态特性分析
基于SAMCEF平台的机床整机动态特性分析机床的动态性能决定了机床的加工能力。
为分析优化机床的动态特性，研发人员在SAMCEF平台下，建立了机床的动力学模型，对该模型进行模态分析，同时采用LMS设备对该机床进行模态测试。
对比发现有限元计算振型与实验基本一致，计算得到的固有频率与实验得到的频率误差在16%之内，验证了该模型的可靠性。
利用该有限元模型，把所有部件作为柔性体建立动力学模型，进行多体动力学分析，研究载荷作用下导向部件及结构部件的动态应力变化情况，分析结果为机床优化设计提供方向。
机床作为生产的重要工具和设备，也被称为工作母机，其动态性能与其加工性能紧密相关，并直接影响所加工零件的精度。
随着现代设计方法的广泛运用，对机床进行动态特性分析，用动态设计取代静态设计已成为机床设计发展的必然趋势。
在设计中，仅对机床部件进行动态分析无法全面反映机床的整体性能。
因此，要对机床性能进行准确的预测，必须对机床整机进行动力学分析。
伴随着计算机计算速度的飞速提升，有限元分析成为分析计算复杂结构的一种极为有效的数值计算方法，为机床整机的振动模态理论分析提供了有力的工具。
本文利用SAMCEF动力学仿真平台和模态实验相结合的方式，对机床进行有限元计算和模态实验分析，为新产品研发设计提供了参考。
一、模态分析的基本理论振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一。
由于振动会造成结构的共振或疲劳，从而破坏结构，所以必须通过模态分析了解模型的各阶固有频率和振型，避免在实际工况中因共振因素造成结构的损坏。
模态分析可以用来确定模型或结构的振动特性，对复杂结构进行精确的模态分析，将为评价现有结构的动态特性，诊断及预报结构系统的故障，新产品动态性能的预估及优化设计提供科学的依据。
三、机床模态实验本次试验是与LMS公司中国区技术支持工程师共同合作完成，针对VMC0540d立式加工中心进行模态实验，确定该机床的结构动力学参数，如图4所示。
同时，此次试验采用了LMS提供的测试设备及相应的分析软件：LMS SC310前端、PCB 333B30单向加速度计、激振器及功率放大器（3台）以及LMS Test Lab 9B模态测试分析软件等。
实例3 平面框架结构的有限元分析
三梁平面框架结构的有限元分析如图框架结构，顶端受均布力作用，各个截面的参数都为：E =3.0 ×1011 Pa ，I =6.5 ×10−7 m 4 ，A =6.8 ×10−4 m 21 基于图形界面(GUI)的交互式操作(1) 进入A NSYS(设定工作目录和工作文件)程序→ANSYS →ANSYS Interactive →Working directory (设置工作目录) →Initial jobname(设置工作文件名): beam3→Run →OK(2) 设置计算类型ANSYS Main Menu: Preferences… →Structural →OK(3) 选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delet e… →Add… →beam：2D elastic 3OK (返回到E lement Types 窗口) →Close(4) 定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models→Structural →Linear →Elastic→Isotropic: EX:3e11 (弹性模量) →OK →鼠标点击该窗口右上角的“U”来关闭该窗口(5) 定义实常数以确定平面问题的厚度ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants… →Add/Edit/Delete →Add →Type 1 Beam3→OK→Real Constant Set No: 1 (第1号实常数), Cross-sectional area:6.8e-4 (梁的横截面积) →OK →Close(6) 生成几何模型生成节点ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Creat→Nodes→In Active CS→Nodenumber 1 →X:0,Y:0.96,Z:0 →Apply→Node number 2 →X:1.44,Y:0.96,Z:0 →Apply→Node number 3 →X:0,Y:0,Z:0→Apply→Node number 4 →X:1.44,Y:0,Z:0→OK生成单元ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Element →Auto Numbered →Thru Nodes →选择节点1、2(生成单元1)→apply →选择节点1、3(生成单元2)→apply →选择节点2、4(生成单元3)→OK(7) 模型施加约束和外载左边加X方向的受力ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Force/Moment →On Nodes→选择节点1→apply →Direction of force: FX →V ALUE：3000 →OK→上方施加Y方向的均布载荷ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Pressure →On Beams →选取单元1(节点1和节点2之间)→apply →V ALI：4167→V ALJ：4167→OK左、右下角节点加约束ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement →On Nodes →选取节点3和节点4→Apply →Lab:ALL DOF →OK(8) 分析计算ANSYS Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK →Should The Solve Command beExecuted? Y→Close (Solution is done! ) →关闭文字窗口(9) 结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Deformed Shape … →Def + Undeformed →OK (返回到P lot Results)(10) 退出系统ANSYS Utility Menu: File→Exit …→Save Everything→OK(11) 计算结果的验证与M A TLAB 支反力计算结果一致。
基于有限元分析的高空作业平台机架结构设计
作者简介 ： 周元枝 （ １ ９ ６ ８一 ） ， 男， 江西庐江人 ， 机械工程师 ， 讲师 ， 合肥工业大学硕士在读硕士研究生 ， 研究方 向为数控加工 技 技学 院学报 （ 自然科学版）
２ ０ １ ３ 年８ 月
基 于有 限元 分 析 的 高 空作 业 平 台机 架 结 构 设 计
周 元 枝 ’
（ １ ． 安徽 机 电职 业技 术 学院 ，安徽 芜 湖 ２ ４ １ ０ ０ ０ ； ２ ． 合肥 工业 大学 ，合肥 ２ ３ ０ ０ ０ ９ ）
载 荷 重 新 识 别 加 载
１ 机 架 设 计 方 案
在机 架结 构 分 析设 计 过 程 中 ， 采 用 三 维 造 型 软 件（ 如Ｕ Ｇ Ｎ Ｘ ５ ． ０等 ） 进行 三维模型建立与 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ
软件进行有限元分析相结合 的方式 。在初始设计阶
段， 首 先从 机架 结 构形 式 、 材料 、 刚性 、 重 量 和成 本 等 方 面综 合 比较 ， 确定 初 步设 计结 构 ， 经工 程实 践 经 验 初 步确 定 机架设 计 选择 铝合 金 薄板 折 弯铆接 结 构 形 式 。Ｕ Ｇ Ｎ Ｘ ５ ． ０软 件所 建 立 的 三维 模 型 可 以 导 出很 多 可读 文件 类 型 ｊ ， 从而可被 Ｃ Ａ Ｅ软 件 读 取 ， 进 而 在有 限元模 型 中对 机架 动 、 静态 特征 分析 ， 并 通 过在
［ ３ ］张剑寒 ， 曾攀 ， 颜永年 ， 等． ４ ０ ０ ＭＮ航 空模锻 液压机机 架 有限元 分析 ［ Ｊ ］ ．锻压技术 ， ２ ０ ０ ９ （ ４ ） ： ９ ３ － ９ ６ ．
二轴转台外框的结构设计及有限元分析
二轴转台外框的结构设计及有限元分析张兰兰;王彤宇;林琳;黄郁馨;邢冲【摘要】将在SolidWorks环境下建立的二轴跟踪转台框架的三维模型导入ANSYS有限元分析软件中,建立了二轴转台框架的有限元模型,通过对转台进行静力学计算得到转台外框的变形情况；再进行动态分析计算,得到了相应的振动频率、振幅和振型云图.分析结果验证了二轴跟踪转台机械结构设计能够满足精度的要求.【期刊名称】《机械制造》【年(卷),期】2013(051)003【总页数】3页(P12-14)【关键词】二轴转台;外框架;静态分析;模态分析【作者】张兰兰;王彤宇;林琳;黄郁馨;邢冲【作者单位】长春理工大学机电工程学院长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TH123;O241.82近年来，各国对通信技术尤为重视，对通信系统中涉及的各项关键技术进行了全面深入的研究，并已取得突破性的进展。
二轴转动跟踪装置是通信系统中最主要的设备之一，其跟踪的精度在一定程度上决定了通信质量的高低。
而转台作为跟踪系统中的核心结构［1］，在保证跟踪精度前提下，使转台跟踪系统能够安全可靠地工作，这就要求转台的框架必须具有良好的静态和动态特性。
1 转台框架的结构设计本文主要研究的二轴跟踪转台是光、机、电高度综合的复杂系统［1］，图1为二轴转台的外形轮廓图。
由于对转台的跟踪精度要求较高，所以转台的机械机构采用地平式结构来实现空间通信的跟踪瞄准功能。
该二轴跟踪转台采用的是双轴伺服控制系统，对于转台而言其结构形式是多种多样的，依据所提供的设计指标要求，本文研究的二轴转台外框架结构采用U形，内框架结构采用O形［2］。
框架是整个转台的主要结构部件，主要起到支撑的作用。
因此除了要有足够的结构刚性和转动惯量尽可能小以外，还必须要有足够的负载能力。
▲图1 转台模型图2 转台外框的静力分析2.1 静力学方程［5］二轴转台线性结构静态分析总的等效方程为：式中：［K］为总刚度矩阵为单元刚度矩阵，N 为单元数；｛Fa｝为反载荷矢量；｛Fr｝为所受总外载荷；｛u｝为节点位移矢量。
建筑升降施工平台结构有限元分析
建筑升降施工平台结构有限元分析LIU Xiaoming;YANG Xiaoxiang;WEI Tieping【摘要】根据某公司提供的升降施工平台结构尺寸,利用ANSA和ANSYS软件接口,采用精度较高的三维实体单元准确建立施工升降平台结构的有限元模型,并对其进行4种工况下结构的安全校核模拟计算.计算结果表明,工况1、3和工况2、4下作用载荷成线性,仅需考虑最危险载荷工况3和工况4;任意工况下升降施工平台最危险位置发生在风载作用的项部网框横杆与竖杆焊接处,计算结果符合强度要求.分析结果可为施工平台的结构设计与改进提供参考依据.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2018(047)006【总页数】4页(P92-95)【关键词】建筑施工;升降平台;有限元法;结构分析【作者】LIU Xiaoming;YANG Xiaoxiang;WEI Tieping【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TP391.90 引言升降施工平台为高层建筑外墙施工用的安全防护、工人操作和解决楼层水平运输的操作平台，平台配合升降系统使用可进行提升和下降操作[1-2]。
在使用状态时，施工平台依靠附墙导座与建筑外墙固定连接；在升降状态时，施工平台脚手架的导轨与附墙导座进行滑道配合升降。
升降施工平台本质上属于机械件，用于建筑施工现场，但是施工平台在搭设与使用过程中存在较多的作业危险因素，因此极易发生倒塌事故 [3-5]。
因此具有较好的承载性能是升降施工平台安全的必要因素，必须对其进行安全性校核计算 [6-8]。
通过有限元软件ANSYS对施工平台的4种工况进行安全校核计算，为其结构的设计和改进提供理论依据。
1 有限元模型建立1.1 力学模型的简化与假设升降施工平台主要由立杆、网框、水平桁架、水平吊点小桁架、上层平台焊接组件、固定机位支撑件、活动机位支撑件、导轨、附墙导座及各部件连接件组成，如图1所示。
为了研究4种不同工况下施工平台各部件的应力分布规律，根据平台运行的工况条件做如下简化：图1 施工平台二维图1) 升降施工平台各部件之间采用螺栓连接，且数量众多，将螺栓连接简化为固定连接，并不影响分析结果[9]。
有限元分析方法
有限元法的基本概念
• 物体离散化(核心思想)
将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算 模型，离散后单元与单元之间利用单元的节点相 互连接起来，用有限元分析计算的结果只是近似 的，划分单元的数目越多而又合理，则所得结果
与实际情况越接近。 ANSYS中的单元举例
有限元法的基本概念
• 单元特性分析
1.选择位移模式 在有限元中，选择节点位移作为基本未知量时
中的关键一步。利用弹性力学中的几何方程和物 理方程建立力和位移的方程式，从而导出单元刚 度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。
有限元法的基本概念
• 单元特性分析
3.计算等效节点力 对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传
递到另一单元中去；物体离散化后，假定力是通 过单元节点从一个单元传递到另一个单元，因而 这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中 力都需要等效的移到节点上去。
有限元法的软件简介
3. ANSYS
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一 体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分 析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件 接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计 中的高级CAE工具之一。ANSYS有限元软件包是一个多用 途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体 、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业 领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、 电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
有限元法的软件求解步骤
• ANSYS有限元软件模块及功能
• 2分存进分。.求析盘入析解前点结，分选模处击果退析项块理快。出求、AS阶捷解载PONreL段工模荷SUp12345678YrT完 具块数........oS结结结动热电流声IOc成区。据软eN构构构力分磁体场s建的在和件s静动非学析场动分o模S该载提r，力力线分分力析A以阶荷V供点分学性析析学E后段步的_击析分分分D，，选分B实析析析将用用项析用前户户，类菜处可可然型单理以以后如项模在定 开下中块求义始：的生解分有S成o阶析限lu的段类元ti模o获型求n型，得、解 9.压电分析
剪叉式升降工作平台整机结构有限元分析和试验验证
设计计算DESIGN & CALCULATION剪叉式升降工作平台整机结构有限元分析和试验验证靳翠军1，霍晓春2，姜文光2，刘树林1（1. 徐工消防安全装备有限公司，江苏徐州221004；2. 燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004）［摘要］利用APDL参数化设计语言，建立了某剪叉式升降工作平台的参数化有限元模型，进行静载应力试验并与模拟值进行对比，最大误差为13%，在工程应用许可范围内，验证了整机模拟的正确性。
对两种危险工况下的整机结构进行了静力强度、刚度有限元分析，得出剪叉臂体的薄弱部位，为下一步改进设计提供了依据。
［关键词］剪叉式升降工作平台；有限元分析；应力对比；变幅油缸推力分配［中图分类号］TH211 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2016）06-0051-04Whole structural finite element analysis and experimental verificationof scissor lift work platformJIN Cui-jun，HUO Xiao-chun，JIANG Wen-guang，LIU Shu-lin剪叉式升降工作平台结构简单紧凑、承载能力强，通过性和操控性好，但作业范围小、作业高度低。
本文基于ANSYS提供的APDL语言，建立了剪叉式升降工作平台的参数化有限元模型并进行了整机有限元分析，对模拟结果进行了试验验证，保证了模拟计算精度。
1 剪叉式升降工作平台结构某剪叉式升降工作平台主要由底盘、支腿、滑块、限位连杆、剪叉内臂、剪叉外臂、变幅油缸以及工作平台等部件组成，为中心对称结构。
其工作平台最低高度为2m、最大高度为18m，工作平台尺寸为4300mm×1800mm，可延伸长度1350mm，额定承载重量为700kg，其结构如图1 所示。
各剪叉臂通过销轴铰接，最底层和最高层的剪叉臂通过滑块与底盘和工作平台连接，相对滑动，并通过限位连杆限制其位置。
基于ANSYS Workbench的剪式升降平台有限元分析
基于ANSYS Workbench的剪式升降平台有限元分析杨明钊;黄文婷;孙东明【摘要】Through establishing the 3D mode of scissor lift platform,and carrying out the finite-element analysis based on ANSYS Workbench,the Von-Mises stress of lift platform was obtained.At last,the strength of the total structure was checked according to the theoretic knowledge.The results showed that the strength of scissor lift platform in the work process can meet the requirements.%通过建立剪式升降平台的三维模型,利用ANSYS Workbench对其进行有限元分析,得到升降平台起动时刻的Von-Mises应力；并根据理论知识对结构进行强度校核.结果显示,剪式升降平台在工作过程中的强度满足要求.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】3页(P11-13)【关键词】剪式升降平台;有限元;分析;ANSYS Workbench【作者】杨明钊;黄文婷;孙东明【作者单位】昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093;昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093;昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TH211.6升降平台是社会各领域中广泛运用的运输机械，无论在生产物流、建筑施工、土木工程，还是在日常生活的方方面面，升降机械无处不在。
特别是在高空作业台、现代企业生产物流、大型设备的制造与维护以及航空装卸中应用最为广泛[1]。
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加工车间二层运动平台框架有限元分析
摘要：为了校核加工车间二层运动平台框架在静止及加载启动时的结构强度与
刚度，对整个运动平台建立有限元模型并进行加载分析，模拟真实状况下的运动
平台结构响应。
文章详细分析了运动平台的有限元模型建立方法、建模注意事项、加载步骤及有限元结果分析说明。
经过实际应用证明，该结构强度可靠，运行平稳，极大的提高了产品的设计研发流程。
关键词：运动平台；ANSYS梁单元；建模；有限元分析；加载分析
0引言
加工车间二层运动平台框架主要用于车间内大型机械产品的焊接或装配等工作，平台的强度与刚度性能直接影响到作业人员的安全以及作业的精度，对整个
结构进行强度与刚度分析是非常必要的，传统的解析法费时费力且不能模拟复杂
真实的工作状况，参考价值较低。
而采用先加工试验样机，再实验的方法，耗时
耗力，成本较高。
在此实际需求背景下，有限元分析方法应运而生，随着计算机
技术的迅猛发展，该方法表现出极大的生命力。
研发人员在建立有限元模型的基
础上，施加实际载荷就能对复杂的现实问题进行有效模拟，所得的结果具有极大
的参考价值。
因此该方法越来越多的应用到机械研发设计领域，提高了设计研发
的效率，降低了成本。
1．建立有限元模型
建立有限元分析模型是所有有限元计算的基础也是整个分析过程至关重要的
步骤，在这其中如何对实际模型进行相应简化是其中的难点，模型简化的效果轻
则影响局部分析的结果，重则对最终整体结果产生影响，最严重的情况可能导致
分析结果的不收敛，另外，有限元网格质量的好坏会直接影响到分析的结果，通
常来说，八节点六面体单元具有更高的分析精度，如何将怎样划分网格提前考虑
到建模过程中，也是设计人员工作的难点。
有限元分析中常用的分析模型有二维平面模型与三维实体模型，其中当整体
模型具有对称特征时，通常使用平面模型进行求解，可简化求解模型，提高求解
速度，对于复杂的模型通常需对模型细节进行简化后，建立三维实体模型进行分析。
本文涉及到的问题可以建立三维实体模型，也可以使用梁单元进行模型的建立，使用梁单元可提高建模效率，增加求解的速度及精度，另外本文分析过程使
用APDL语言进行建模、加载及求解，便于进行分析文件的存储及交流。
为了便于计算，提高计算的效率，对加工车间二层运动平台框架整体框架模
型进行了相应简化处理，简化处理之后的有限元模型如图1所示（本文采用梁单元）：
图1简化后的有限元模型
使用梁单元建模时，仅需要在结构的两端点之间建立直线即可，进一步简化
了建模难度，需要注意的是，使用梁单元时注意截面方向，对于矩形梁来说，截
面不同对应的力学系数（如抗弯截面系数）是不同的，所以要建立正确的截面方
向确定节点。
2．加载及求解
工况一，在顶部四个支撑点施加完全约束，对整个模型施加重力加速度（此
处注意ANSYS中重力载荷施加方向），并在移动平台底部受力面施加500kg的均
布载荷作用，以此来模拟运动平台在满载静止情况，得到的有限元分析结果如图
2、3所示：
图3平台内部作用500kg及重力作用下实际位移云图
通过以上分析可知，模型最大位移为0.49mm，表明运动平台强度及刚度再次工况下满足使用要求，可以平稳运行。
工况二，在工况一的基础上水平方向上施加一加速度（0.5米每二次方秒），模拟运动平台带负载启动加速时，整个框架结构的变形情况。
在加速度、重力及初始载荷的共同作用下，模型的最大位移为0.534mm, 表明运动平台强度及刚度再次工况下满足使用要求，可以平稳运行。
工况三，在顶部四个支撑点施加约束，对整个模型施加重力加速度，并在伸出平台上表面施加500kg的均布载荷作用，模拟工作人员全部站在伸出平台前端的极限状态，在加速度与重力及初始载荷的共同作用下，模型的最大位移为
0.977mm，表明运动平台强度及刚度再次工况下满足使用要求，可以平稳运行。
3．结论
本文使用ANSYS-APDL语言，利用三维梁单元建立运动平台的有限元模型，并进行加载分析，分析了运动平台的强度与刚度，并详细说明了建模过程中可能遇到的问题及解决方法，为加工制造提供了理论依据，缩短了研发设计周期，提高了设计效率。
参考文献：
[1]龚曙光.ANSYS参数化编程与命令手册[M].机械工业出版社,2018,7.
[2]张君.矿用锚杆钻机机械臂结构设计与有限元分析[J],煤矿机械，2020.1.
[3]谢珍艳.基于ANSYS的塔机整体金属结构有限元分析计算[J].中国新技术新产品,2018.9.
[4]郭长城.轿车车架模态分析与结构优化[D]. 吉林大学.2011.。