工程机械设计中的有限元分析技术革新

摘要：

本文综述了以北京航空制造工程研究所为技术依托单位的BQCIMS工程的整体结构分析技术，包括：工程背景与需求，基于ANSYS/APDL平台的结构模型参数化技术，整体结构的子结构分析与自动化分析流程。最后，整体结构分析在汽车起重机与矿用重型汽车设计中的成功应用，证明了这种技术的实用性。

1 工程背景与需求

以北京航空制造工程研究所为技术依托单位的北京起重机器厂CIMS 工程(简称BQCIMS工程)，是国家863CIMS工程资助的北京市信息技术推广示范项目之一。其中，汽车起重机与矿用重型汽车设计中的工程分析是该项目的核心创新技术与提高企业市场快速反映能力的重要手段。北京航空制造工程研究所推广应用航空结构设计中的先进分析技术与方法[1]，以国际上先进的工程分析平台—ANSYS系统[2]为基础，与北京起重机器厂的工程师们紧密合作，利用ANSYS/APDL语言进行二次开发，建立了适应汽车起重机[3]与矿用重型汽车[4]设计的整体结构工程分析方法。

汽车起重机与矿用重型汽车，作为一类“大力神”产品，具有其特殊的作业环境，要求良好的力学性能，包括刚度、应力水平、变形、抗干扰性能等。对于工程设计人员来说，零件、结构件及整机的力学性能如何？会不会因强度不够造成破坏事故？这些都是他们必须关心和回答的问题。

对于结构件设计来说，一般地说，它是零部件的组合设计。汽车起重机的主要承力结构件是吊臂、转台、车架。矿用重型汽车的主要承力骨架是整体车架，它又是许多结构件的组合，包括支撑架、前车架、中车架、尾架及若干子构件。结构件有限元分析是产品设计的基础性分析。最基本的分析是进行线性应力分析；对于有些结构件，例如吊臂与车架，还要进行稳定性分析，研究结构件失稳(屈曲)的条件。

对于整体结构设计来说，整体分析是工程师面临的最直接、最重要的问题。汽车起重机整机分析的对象包括若干个受力结构件和机构( 回转、变幅、伸缩、起升等)；最危险的工况是起重作业工况，力的传递路线是：重物®吊臂®变幅油缸支撑®高架转台®回转支撑®底架®支腿®垂直油缸®地面；矿用重型汽车的传力路线实际上包括了整车的各严重工况(静满载、举升、刹车、转弯)。因此，整体分析往往非常复杂。设计人员在设计过程中要求较快地预测整体结构在不同工况(特别是严重工况)下结构应力水平与变形，以便完善与优化总体设计，变为最急迫而又难以实现的事情。

针对整体分析这一难点问题，本文论述的基于 ANSYS/APDL平台二次开发的整体结构分析技术，利用APDL语言的特点实现结构模型的参数化，采用子结构分析的技术策略，实现整体结构的剖分与结构件分析，实现结构件的变换与组装，最终完成整体结构分析。这种技术策略在汽车起重机与矿用重型汽车的成功应用说明了它的优越性。