【正文】 2]。 20 世紀 60 年以后，計算機科學技術的快速發(fā)展和極其廣泛的應用，有限元法得到突飛猛進的發(fā)展 [4]。在航空航天領域、汽車制造領域、以及核工程領域等，你都能發(fā)現 ANSYS 已經被深入的應用于這些行業(yè)之中。 在很多操作 系統(tǒng)和計算機中都能運行 ANSYS 軟件，包含個人電腦和大型計算機，ANSYS 軟件的兼容性極好，可以在同類產品和工作平臺運行其文件。并且， ANSYS 可以和大多數 CAD軟件相結合起來應用，做到圖形及其他相關文件的共享，這是現代軟件設計的一個重要要求。 升降機的發(fā)展 升降機是屬于一個歷史范 疇的概念，在十九世紀九十年代前，那時人類還沒有發(fā)明電梯，在那個時候載人或者載物的升降裝置，就叫做升降機。 自從電梯被發(fā)明以后，在這期間一百多年內，兩大類升降設備：電梯和起重機，一直處于不斷地發(fā)展與改進之中。 現在的升降機都朝向起重機類方向發(fā)展，主要包括曲線施工升降機、鋼索式液壓提升裝置、施工升降機、簡易升降機、升降作業(yè)平臺和高空作業(yè)車等 [6]。 第一部分：升 降機狹義所包含的范圍，主要是施工升降機和簡易升降機 [6]。 第三部分：其他的升降設備，包括礦井電梯（也可以叫做礦井提升機）、短程穿梭系統(tǒng)和單軌交通 [6]。 升降機在國內外發(fā)展現狀 據研究表明，中國已經成為了全球升降機最大的市場，具體來說就是中國已經成為世界上最大的升降機生產基地，并且擁有者最多的升降機 [6]。巨大的生產力和良好的質量，不僅能夠滿足國內對各種升降機構的需求，同時可以外銷到國際市場。近年來，中國出臺了一系列的調控政策，就是為了使得升降機市場更加 規(guī)范，更加具有競爭力 。 然而由于中國地區(qū)經濟發(fā)展的不平衡性，升降機行業(yè)的發(fā)展就體現出了明顯的不均勻性。 而在 近 20 年，在世界范圍類，升降機行業(yè)發(fā)生了巨大的變化。 升降機的主要生產國是美國、日本、德國、法國、意大利等。 當今世界，由于各種工程的需要，升降機的需求量越來越大，因此其前景與市場是不可估量的， 但是由于各國對其市場的愈加重視，未來在升降機行業(yè)必然會更加具有競爭力。 套缸式通常使用在載荷比較小 和計算結果精度要求不是太高的情況下的場所。 然而 ，要保證套缸式升降機構的剛性就必須增大套缸的直徑 ，這時，液壓油的用量和升降機構的本身的自重就會太大，這不利于 公路 機動運輸。然而主要的缺點是升降機構舉升到較大地高度時，如果想要保證擺動的結構復雜精度，特別是導向部分難度是非常大的，花費的成本也會很高。 桁架式升降機構如圖 所示： 圖 桁架式升降機 第 1 章 緒論 5 剪叉式結構在升降機構中可以說是應用的最廣泛的一種升降機構，在固定的和機動方面應用的都是非常普遍的。而且，國內目前所采用的普遍是十六米以下的升降機構，如果超過了這個高度，那么在對升降機構進行加工的精度和工藝水平就有非常高的要求。 導軌式升降機構如圖 所示： 哈爾濱工程大學學士學位論文 6 圖 導軌式升降機構 傾斜電梯如圖 所示 圖 傾斜電梯 本篇論文的主要工作 本篇論文主要是對雷達天線 升降機構進行有限元分析，這其中涉及平均風速的定義，風載荷的計算 、 加載 的 模擬和對幾何實體結構 ——升降機構有限 元建模，并應用ANSYS 軟件來對雷達天線升降機構進行靜力學分析 。 雷達天線升降機構有限元分析過程大致如下 [8]： 概括本篇論文的主要工作可歸納如下： 第 一 步：介紹一下風的基本特性，以及平均風的概念，不考慮脈動風，把風作為一種靜載荷看待施加于結構之上。通過公式 對風載荷進行可操作性的實現。 第 二 步：在對機構進行建模之前，要深入學習 ANSYS 軟件的操作，特別是對如何網格劃分問題進行探討，還有自定義截面梁單元的選取，以及結點的約束問題即是梁與梁之間的連接問題，都至關重要。 第 三 步：利用 ANSYS 軟件，對雷達升降機構進 行有限元分析 。 第 四 步：對優(yōu)化的理論和方 法進行適當的討論，并以升降機構為對象，探討其舉升能力和剛度，判斷所得結果的合理性。由于經常工作在野外，雷達天線升降機構除了受到天線重力載荷和自重以外，風載荷也是一種不可忽視的外載荷。而且風載荷會引起整個雷達升降機構的結構變形和沉降，如果變形位移過大會直接影響整個雷達的正常工作，由風導致的事故是風載荷造成整體 的翻轉或者局部失穩(wěn)變形，因此在整個計算模擬過程中，風載荷是必須考慮的載荷，其影響是不可避免的另一重要因素。 風的基本特性 風的概述 風是由平均風和脈動風兩部分組成，時間長周期部分，通常持續(xù)在十分鐘以上，時間短周期部分，一般持續(xù)只有幾秒左右，換種說 法就是分為平均風和脈動風二個不同的部分分析 [10]。 平均風是一種相對穩(wěn)定地風，可以看作是一種靜態(tài)力作用，而脈動風是一種瞬時陣風，變化周期不規(guī)則，會對結構產生沖擊力作用，強大地脈動風也會對整個結構產生較大地影響，有時計算除了考慮風的靜力作用還要考慮沖擊力的作用。 風載荷的形成 不考慮地球表面空 氣 團自身的重力，也不考慮空氣團與地面的摩擦力，大氣層可以近似看 作 很多密度不同的層流層，由于這些分層的相對流動產生了風，物體表面所受到的風力是由壓差阻力和摩擦阻力組成的 [11]。對于整體流線型的結構，壓差阻力相對較小，主要考慮摩擦阻力，而對于非流線型結構，摩擦阻力比壓差阻力相對小的多，所以主要考慮壓差阻力。 風載荷的作用 風向 空氣質量流速方向稱為風。風向能由風向標（一種圍繞立軸旋轉的金屬片）表示儀器指示，而且，從葉片和主軸承的固定棒位置之間可觀察到的風。 風速的測量 測量風速的儀表可以大致分為三類：旋轉式測量，壓力式測量和其他方式 [12]。這種風速表的內部組成是三個風杯與轉子，轉子是由短軸連接組成，風杯和轉子繞著球軸承旋轉，轉軸下部驅動一個被包圍在定子中的多極永磁體 [12]。當風速達 1~2 m/s 時，風懷式風速表就可以啟動。 壓力式風速表中，在現代最常用是皮托管。皮托管是由兩部分組成：總壓探頭和靜止探頭，利用流動空氣的總壓（滯止壓力）與靜壓之差，即動壓來測量風速。 風的作用 雷達天線升降機構在承受到風的作用之后，不但在迎 風方向產生風力的作用，而和其相互垂直的橫向上，也產生風力的作用，還會產生風力矩，這是風作為一種載荷有區(qū)別于其他載荷的特征。 風載荷的計算 因垂直剪叉構件長度方向的表面受風面積比平行剪叉構件的受風面積大，所以風載荷大，此方向為雷達天線升降機構抗翻轉能力最薄弱的面。因此，升降機構所收到的風載荷可以由以下公式求得： kF=ω S （ 21） κ Z S Z 0ω =β μ μ ω （ 22） 式中， F 是風載荷； kω 是風載荷標準值； S 是受風面積； Zβ 是瞬時風壓的陣風系數；S? 是局部風壓體型系數； Z? 是風壓高度變化系數。該壓力是垂直于由風壓空氣流動方向的平面。 第 2 章 隨機風載荷 11 由于空氣密度 (ρ)重度 (r)的關系為 r=ρ在 (1)中使用這一關系，得到 20 0 .5 /r v g? ? ? ? （ 24） 此式為標準風壓公式。重力加速度一般取 g=[m/s2], 我們得到基本風壓公式： 20 /1600v? ? （ kN/m2） （ 25） 此公式為用風速計算基本風壓的一般公式。一般來說，空氣的密度在較高的海拔上要比在海拔較低的地區(qū)小，即在一樣的風速情況下，在相同的溫度下，整個機構所產生的風壓在海拔高 的地區(qū)上比在海拔低的地區(qū)小。 在此升降機構計算中： Zβ =1， S? 在迎風側面取值為 +， 在背風側面取值 ，S? =(+), Z? =。 因此，在計算風載荷時，直接計算受風面尺寸的面積即可。并介紹了風載荷形成的基本原理，以及風載荷的作用 .其次是介紹各種風速的測量，和風載荷的計算，并給出了風載荷基本 通用的計算公式，同時給出了風壓的計算和三個風載荷系數的具體取值，為以后章節(jié)施加風載時做準備。這種方式相對更加智能化，而且充滿了使用者更加自我的判斷。因此，如何把一個幾何實體結構進行最合理的有限元建模，顯得是如此的困難和重要。 在對復雜的結構進行有限元建模（例如發(fā)動機，飛機機翼，內燃機等）分析時，通常會花費大量的人的精力和時間，這也是操作人員非常煩惱的問題。所以，有限元建模的合理與否是對結構分析計算結果正確的重中之重。 幾何實體建模的圖元操作 ANSYS 提供了幾何 實體建模的功能，雖然關于此功能沒有設計出非常好操作的GUI 操作界面，但是這些功能可以滿足操作者進行有限元分析的要求。 在通過 ANSYS 最終建立的有限元模型中，所有的圖元都可以按層次關系進行分層。并且根據創(chuàng)建幾何模型圖元的順序不同，可以將 ANSYS 中的幾何建模 方式分為兩種基本方式，一個是自上而下建模，另一個是自下而上建模。合理地使用兩種建模方法，可以發(fā)揮在 ANSYS 中建模的效率。 關鍵點是 ANSYS 有限元模型里最低級的圖元，可以直接創(chuàng)建，也可以通過建立更第 3 章 結構有限元建模的基本操作 13 高級的 單元自動生成，在自上而下建模的過程中，首先創(chuàng)建的應該是關鍵點 [5]。主要有以下方法來創(chuàng)建關鍵點：通過空間的位置定義關鍵點；通過線上給定位置定義關鍵點；通過三點確定圓弧中心定義關鍵點 [5]；通過兩關鍵點生成關鍵點；通過節(jié)點定義關鍵點；計算并移動關鍵點到交點生成關鍵點等。主要由以下操作：由兩關鍵點創(chuàng)建直線；由三個關鍵點生成弧線；由圓心和半徑創(chuàng)建圓弧等。基本體的操作包括：由頂點、邊界定義，由偏移、拉伸生成體。當然，介于一些實際結構的復雜，這種做法幾乎是不可能實現的，也不是必要的。例如本篇論文所要分析的車載雷達天線升降機構，其升降機構采用的是七級剪叉式結構組合，各個支架之間的連接點是十分復雜的，基本上都是鉸接，對于此種情況的超靜定結構基本節(jié)點在簡化都按照鉸接處理進行耦合，整個結構就簡化為梁單元組成。因此，在實際建模中只有憑借工程技 術人員進行切實的實際判斷，然后對模型進行合理的簡化，才能建立有效地力學模型。 因為實物機構往往是復雜的，建立有限元模型的時候有些細節(jié)性的問題一定要忽略，例如一些焊縫、墊片、圓弧角等。如果細節(jié)和載荷的施加有關，或者跟約束哈爾濱工程大學學士學位論文 14 相關，是不可以不考慮的。 當其他兩個尺寸遠遠小于另外一個尺寸時，那么這個結構就可以看作成桿件結構，這種三維實體簡化方式叫做減維，這也是進行有限元 建模的一種比較實用的手段。 在實際的工程應用機構中，通常采用梁單元去分析剛架機構，而采用桿單元去分析桁架機構，若要計算剪應力及彎矩等，可以采用梁單元進行模擬。這些簡化的處理會在我們建立有限元分析模型的時候給予我們莫大的幫助，是處理復雜機構的計算模型的行之有效的原則。 在 ANSYS 建模中，可以利用對稱性直接進行復制等，大大減少了工作量 ， 對稱包含了對稱約束，對稱邊界條件和對稱載荷等 [5]。 對稱或反對稱邊界條件的設置方式包括如下三種：節(jié)點對稱設置；線對稱設置；面對稱設置。 有限元網格的劃分 劃分網格是實體模型轉化為有限元模型的關鍵性的一步，并且有限元建模主要指的是劃分網格 [5]。 第 3 章 結構有限元建模的基本操作 15 ANSYS 對幾何模型進行網格劃分，生成節(jié)點和網格單元的操作，從整體上看包括三個步驟：定義單元屬性；設置網格劃分選項；劃分網格。 網格劃分方式 ANSYS 提供了兩種基本的網格劃分方式，分別為映射網格劃分和自由網格劃分。和自由網格相比較，映射網格對實體結構的形狀有 規(guī)定，并且一定要