ANSYS在工程机械CAE中的应用

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为什么要选用分析仿真软件

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在工程机械领域CAE技术已得到广泛而成功的应用，作为最全面、最有效也是全球用户数目最多的ANSYS软件在卡特皮勒（Caterpillar）、JCB、VOLVO、小松（Komatsu）、BOBCAT、勒图尔勒（Letourneau）、上海港机、振华港机和华南船机等国内外知名的工程机械厂的设计和制造中已得到广泛应用。卡特皮勒公司作为ANSYS的全面合作伙伴，其最新研究成果单铸钢臂前端装载992G型装载机，在设计阶段就应用ANSYS软件作为其最重要的分析评估手段，它比传统的双臂结构轻30％而强度不变。

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ANSYS与机械工程工业

ANSYS与国内外著名工程机械厂商的合作

ANSYS的研究和开发一直是面向企业的，在工程机械领域拥有众多的用户，他们通过与ANSYS的合作，在新产品开发、老产品改造、加工工艺设计和优化方面得到了益处，通过ANSYS的虚拟样机仿真分析，企业缩短了新产品的开发周期、提高了产品的质量水平、降低了产品的原材消耗、完善了制造工艺技术等。ANSYS在装载机设计制造行业也有成熟的应用。下面选择几个有代表性的例子来简单介绍一下ANSYS在一些著名的工程机械厂家的应用。

卡特皮勒(Caterpillar)是一家著名的工程机械设备供应商也是世界上最著名的装载机供应商，该公司自1996年7月购买了ANSYS后，利用ANSYS做了大量的分析，并连续几年来追加购买ANSYS软件，与ANSYS公司在其产品设计上大力合作。新一代的Caterpillar992G型、994系列装载机设计中都大量应用了ANSYS进行分析仿真，使这些产品在结构形式的合理性和先进性、节约实物模型试验费用、材料替代、整机重量减轻、安全性加强及缩短产品开发周期方面都取得成绩，目前正在开发的更大的996型装载机也利用了ANSYS。

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卡特皮勒的工程师安东.巴德威(Arden
Baldwin)在回忆几年来使用ANSYS的感受时说：“这是一种美梦成真。当把它交给能干的工程师，它是一个令人惊奇的可怕的设计工具。”（"This is sort of a dream come true. When put in the hands of a capable engineer， this is a terrific design tool."）。
JCB是一家英国公司，它是世界上著名的推土机和物料搬运机械供应商，ANSYS在JCB的结构设计中一直发挥重要作用。设计人员把概念设计阶段对各种结构形式的想法建立到ANSYS中，然后对它门进行快速的求解分析，通过ANSYS直接明了的后处理功能就能很轻易对各种不同的设计想法所计算的结果进行比较和选择，进而得到在经济性、安全性、舒适性和工艺性方面最合适的一种设计。这种设计过程普遍应用在JCB产品的底盘、车架、臂架（动臂）、旋转系统和联接轴等结构和部件的设计中。JCB负责新产品设计的高级应用工程师Rod
Latham在谈到ANSYS时说道：“使用了ANSYS后，我们能够作出快速和有效的分析，使JCB对那些能使我们的机器不断完善的新设计理念作出快速反应。”（"Thanks to the use of ANSYS， we are able to perform analysis quickly and cost-effectively. JCB， as always， can respond quickly to any new design philosophy which assures that the functionality of our machines is continuously enhanced."）。
上海港机股份有限公司（SPMC，www.chinaspmc.com）是中国是最大的港口机械供应商，其生产的各种类型的大型港口散货和集装箱装卸机械遍及世界各大港口，自80年代以来CAE仿真分析一直在该公司的生产设计中发挥重要作用，通过CAE分析保证其结构设计的可靠性、经济性。进入90年代后期，随着港口机械朝着超大型和结构功能高复杂性方向发展以及公司定位面向世界的发展战略，面对复杂产品技术设计要求和欧、美购买商对设计分析保证的严格要求，该公司原有的CAE软件已经无法满足要求，SPMC于1998年购买了ANSYS软件。ANSYS软件在SPMC产品的四连杆臂架系统、门架、人字架、集装箱起重机大梁、门框、驾驶室、机器房等结构设计中广泛应用。该公司设计的产品多次荣获国家级科学技术奖，其为三峡大坝浇筑特别设计的世界上第一台MQ2000型高架门机和青岛港1600斗轮矿石卸船机更是世界首创，值得一提的是，据该公司的CAE部主任商伟军介绍MQ2000型高架门机的专利技术--门架顶升快速接头因通过ANSYS分析而省去实模实验一项当时就为该公司省掉130万人民币并节约了两周的开发时间。

SPMC在其网站的专有技术方面对ANSYS软件在该公司的应用中作了如下四个方面的总结：
ANSYS目前在我厂的以下四个领域得到广泛应用。
a. 产品设计和研制，如外高桥桥吊、2000型轻型桥吊、BIW系列门机、烟台桥吊，等等产品的设计和开发都是利用ANSYS来对其进行分析的。
b. 制造工艺，如桥吊前大梁预拱度的确定，总装过程中，几台门机的协作工艺等。
c. 发运加固，如BIW门机的发运加固方案、缅甸门机和越南桥吊的发运加固方案分析等。
d. 维修改造，如老门机和桥吊的维修及改造方案，承载能力评估等。

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ANSYS能为工程机械产品开发和研制提供强有力的帮助

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ANSYS是一个综合的分析系统，致力于全方位地解决企业产品设计、研制和改进中遇到的问题，在工程机械领域拥有广泛的拥护群，也积累了很多的成功应用经验，下面就具体介绍一下ANSYS软件在玉柴工程机械的产品设计和制造过程中所能发挥的作用。

合适的CAE软件或CAE解决方案应该满足下列的要求：

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● 分析结果准确，结算的结果应该真正对设计研发起到真正的作用；
● 具有优化功能；
● 方便易用，CAE软件必须工程化；
● 与现有CAD软件之间的无缝连接。

目前，工程机械生产商使用了多种三维CAD设计软件，ANSYS有与所有流行CAD软件的双向接口，这样CAE软件和CAD软件之间实现完全无缝的连接。而且可以将CAE分析的结果传递给CAD软件，这样使优化结果直接产生为CAD模型，对企业研发来讲非常方便。
工程机械结构及其零部件的结构静力学分析

工程机械在整个作业循环过程中受到的载荷包括结构本身的自重，物料的重量，运行的牵引、制动和回转惯性力。通过ANSYS的静力分析可以让设计人员对所设计的结构在每种工况所确定的载荷的作用下其结构的强度、刚度及屈曲稳定性情况有一个全面而准确的了解。根据计算所得到的结构上各处位移和应力的分布结果结合相应的设计标准或规范，判断所设计的结构可靠性和经济性，在此基础上进行改进或优化设计，从而避免某些结构或零部件由于过大的应力或压曲失稳而损坏、并控制机械结构整体及其零部件的刚性性能。另外，对于那些所受应力较小、结构材料利用不充分的区域可以结合加工和制造工艺的实际情况进行材料板厚减薄、截面尺寸减小等，从而达到设计阶段的成本降低控制。

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整个机械是由多个部件通过螺栓、铰、齿轮等装配而成，局部区域的准确分析就不能忽略各部件间的接触关系，ANSYS由于有强大而容易实现的自动面面接触和点面接触这种复杂的非线性分析功能，以及螺栓、连杆、绳索等专用单元，因而可对由螺栓、紧固、捆绑或销钉等方式连接起来的整体结构进行准确的分析，从而得到可靠结论，这是ANSYS软件的一个独特的功能。

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工程机械结构及其零部件的动力学分析

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工程机械结构在工作过程中承受一定的动态激励载荷。可以采用ANSYS的瞬态(时程)分析来定量地确定机械结构能否承受这些载荷、承载寿命是多少等。同时，ANSYS的谐波响应分析、单点和多点响应谱分析、随机振动分析等动态分析功能可以以非常简便的方式来计算出机械系统各部件在上述激励载荷作用下的响应问题。对挖掘和装载机械设备而言，司机室在工作过程中的振动频率和幅值都应控制在一定的范围内，以免影响司机的工作效率，通过ANSYS的动力学分析就能够求得司机室在工作过程中的频率和幅值响应，进而来判断司机室结构动态设计的合理性。

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工程机械总体结构及其零部件的疲劳分析和优化设计

挖掘设备在掘料、变幅、回转、运行、卸料的典型工作循环过程中，象动臂、连杆及支架等主要构件受到交替变化的应力的作用容易产生疲劳，另外工程机械在制造过程中结构构件大量的使用焊缝，而焊缝往往是扩张裂纹的起源，ANSYS的高级疲劳分析程序能够很好地解决母材和焊缝的疲劳寿命预测。疲劳计算的应力数据是基于静力计算的数据，把静力计算的数据按比例迭加到应力-时程中，进而用来进行疲劳计算。另外，对于焊缝疲劳分析，ANSYS/FE-SAFE内固化有BS7608英国结构疲劳设计规范，可以有效地对焊缝的疲劳进行计算。

ANSYS的结构优化包括参数优化、形状优化和灵敏度优化，当设计师指定一个设计的目标，那么通过ANSYS的优化分析设计师就能知道通过什么方法对结构进行变动才能达到预定的目标，而且给出各种修改方法的灵敏性。在激烈的市场竞争中，质量和成本是生命力的关键，而ANSYS在这两个方面可以助您一臂之力。ANSYS的DesignXplorer

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VT可以同时考虑多个参数的影响，并且通过一次求解得到整个参数优化空间内的所有结果。

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工程机械的机构运动分析

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耐久性、平顺性和操纵稳定性、振动舒适性是关系到整个机械系统的重要性能，应用ANSYS/Virtual.Lab

MOTION软件可以充分模拟系统的运动学和动力学规律，得到系统受外力、陀螺力和非线性摩擦力作用下的运动规律和速度、加速度、飞脱、弹跳等结果。Virtual.Lab
MOTION的强大的求解器可以毫不费力地处理各种高级任务，如关键系统的高精度建模、处理柔性部件及其振动、大加速度高频系统、为其他分析提供载荷……。需要时，有限元求解器可以直接在后台运行，例如可以把柔体分析引入刚性系统，从而更逼真地观察发生的运动。当下游分析需要载荷输入时，如疲劳寿命预测，动态反作用力可以立即无缝地加载到模型上。