起重機(jī)械虛擬仿真計(jì)算與分析

前言

隨著我國(guó)起重機(jī)械工業(yè)技術(shù)水平的快速提高，起重機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)成為各企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)能力的最主要手段和途徑。與此相關(guān)，傳統(tǒng)的起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)安全可靠性校核方法、整機(jī)工作運(yùn)行穩(wěn)定性等評(píng)價(jià)方法在實(shí)際運(yùn)用中的局限性日趨明顯。因此，有必要研究提出新的起重機(jī)械性能評(píng)價(jià)方法，為起重機(jī)械安全運(yùn)行制定新的標(biāo)準(zhǔn)，為起重機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供新的理論依據(jù)。隨著起重機(jī)械的使用范圍越來(lái)越廣，工況也越來(lái)越復(fù)雜，作為一種大型、復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，起重機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中，主要機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、零件間的相互作用對(duì)運(yùn)行狀態(tài)安全性產(chǎn)生很大影響，并且主要構(gòu)件承受著強(qiáng)烈的沖擊。長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)起重機(jī)械的評(píng)價(jià)、校核方法多采用靜態(tài)方法，將動(dòng)態(tài)問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜態(tài)問(wèn)題處理，利用動(dòng)態(tài)系數(shù)來(lái)考慮這種動(dòng)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)同類產(chǎn)品的相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。雖然這樣可以使問(wèn)題簡(jiǎn)化，提高計(jì)算效率，但是不能準(zhǔn)確反映起重機(jī)械的實(shí)際工況和動(dòng)態(tài)性能，尤其是運(yùn)行中突發(fā)工況對(duì)起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的影響。20世紀(jì)50年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展已經(jīng)為工程設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化技術(shù)帶來(lái)了全面的變革，虛擬仿真技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)興起而發(fā)展起來(lái)的一種針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試評(píng)估的新技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)可以從外觀、功能和行為上仿真真實(shí)產(chǎn)品，對(duì)全部系統(tǒng)進(jìn)行研究和評(píng)估，或?qū)υO(shè)計(jì)的某一方面特性進(jìn)行仿真測(cè)試。在起重機(jī)械分析評(píng)價(jià)中引入虛擬仿真技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)械各個(gè)機(jī)構(gòu)在各種工況下隨載荷變化的運(yùn)行狀態(tài)和隨時(shí)間變化過(guò)程的仿真模擬。采用虛擬仿真技術(shù)，與實(shí)際形式試驗(yàn)相比，虛擬仿真更快、更節(jié)約成本、更具有靈活性。起重機(jī)械虛擬仿真是以起重機(jī)械的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為核心，以其他相關(guān)模型為補(bǔ)充，利用多領(lǐng)域建模工具和仿真技術(shù)，在協(xié)同仿真環(huán)境支持下設(shè)計(jì)虛擬仿真原型系統(tǒng)，通過(guò)起重機(jī)械虛擬仿真動(dòng)力學(xué)仿真、分析、評(píng)估實(shí)際起重機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)。本書旨在將虛擬仿真技術(shù)引入到起重機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析、評(píng)價(jià)中，立足于實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用，在起重機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用數(shù)字化分析技術(shù)，通過(guò)對(duì)數(shù)字化模型的虛擬試驗(yàn)來(lái)模擬物理試驗(yàn)，通過(guò)全新的設(shè)計(jì)理念，縮短制造周期，減少制造成本，提高分析能力。本書上篇由第l章和第2章組成，簡(jiǎn)單介紹了虛擬仿真技術(shù)的形成、發(fā)展、應(yīng)用范圍以及虛擬仿真技術(shù)的動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)；中篇由第3～6章組成，系統(tǒng)介紹了用于起重機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的有限元基本理論、常用的有限元單元以及其在動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用和動(dòng)力學(xué)方程的求解方法；下篇由第7～10章組成，系統(tǒng)介紹了虛擬仿真技術(shù)在不同類型起重機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用實(shí)例，包括門式雙梁、L型門武雙梁橋式、門座式等4類起重機(jī)械虛擬仿真建模、虛擬仿真計(jì)算以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算等。本書由丁克勤、喬松、壽比南編寫。希望本書能為從事起重機(jī)械設(shè)計(jì)、分析、檢驗(yàn)等工作的工程技術(shù)人員提供有益參考，本書可用于起重機(jī)械設(shè)計(jì)、分析等相關(guān)課程的教材，也可作為相關(guān)軟件的培訓(xùn)和自學(xué)教材以及高等院校研究生、本科生的教材。

內(nèi)容概要

虛擬仿真技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)的興起而發(fā)展起來(lái)的一種針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試評(píng)估的新技術(shù)。起重機(jī)械虛擬仿真是以起重機(jī)械的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為核心，以其他相關(guān)模型為補(bǔ)充，利用多領(lǐng)域建模工具和仿真技術(shù)，對(duì)起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算與分析，以了解起重機(jī)械運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)特性。本書上篇簡(jiǎn)單介紹了虛擬仿真技術(shù)的形成、發(fā)展、應(yīng)用范圍以及虛擬仿真技術(shù)的動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)；中篇系統(tǒng)介紹了用于起重機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的有限元基本理論、常用的有限元單元以及其在動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用和動(dòng)力學(xué)方程的求解方法；下篇系統(tǒng)介紹了虛擬仿真技術(shù)在不同類型起重機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用實(shí)例，包括門式雙梁、L型門式、雙梁橋式、門座式等4類起重機(jī)械虛擬仿真建模、虛擬仿真計(jì)算以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算等。    本書可供從事起重機(jī)械設(shè)計(jì)、分析、檢測(cè)等工作的科技人員閱讀，也可供機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化、工程機(jī)械、固體力學(xué)、土木工程、物流機(jī)械等專業(yè)的高年級(jí)學(xué)生、研究生、教學(xué)、科研人員和有關(guān)工程技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

丁克勤
　　男，1968年出生于安徽省樅陽(yáng)縣。中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院研發(fā)部主任，研究員，博士，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)理事暨應(yīng)力測(cè)試專業(yè)委員會(huì)主任委員、中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)非常規(guī)檢測(cè)專業(yè)委員會(huì)副主任委員、北京機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì)副秘書長(zhǎng)、中國(guó)儀器儀表

書籍目錄

前言上篇  虛擬仿真技術(shù)基本理論　第1章  緒論  　1.1  虛擬仿真技術(shù)的形成和發(fā)展  　1.2  虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍    　1.2.1  虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代高端機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用    　1.2.2  虛擬仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用及前景  　1.3  虛擬仿真軟件簡(jiǎn)介　第2章  動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí) 　 2.1  坐標(biāo)系   　 2.1.1  坐標(biāo)系概述   　 2.1.2  確定不同坐標(biāo)系位置和方向的方法  　2.2  質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)   　 2.2.1  質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述   　 2.2.2  點(diǎn)合成運(yùn)動(dòng)概念   　 2.2.3  點(diǎn)的速度合成定理    　2.2.4  點(diǎn)的加速度合成定理  　2.3  剛體運(yùn)動(dòng)    　2.3.1  剛體的平面運(yùn)動(dòng)與分解   　 2.3.2  平面圖形內(nèi)各點(diǎn)的速度和加速度   　 2.3.3  剛體的合成運(yùn)動(dòng)  　2.4  廣義坐標(biāo)和自由度    　2.4.1  約束及其分類    　2.4.2  廣義坐標(biāo)   　 2.4.3  廣義坐標(biāo)變分   　 2.4.4  自由度  　2.5  多體動(dòng)力學(xué)理論  　  2.5.1  多體動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象及基本概念  　  2.5.2  多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)   　 2.5.3  多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)  　  2.5.4  多體動(dòng)力學(xué)求解 　 2.6  虛擬仿真軟件中機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析   　 2.6.1  機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析基礎(chǔ)   　 2.6.2  機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及求解   　 2.6.3  機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及求解   　 2.6.4  機(jī)械系統(tǒng)靜力學(xué)及線性化分析求解 　 2.7  ADAMs求解器算法  　  2.7.1  微分代數(shù)方程的求解算法  　  2.7.2  坐標(biāo)減縮的微分方程算法  　2.8  ADAMs/View介紹及基本功能    　2.8.1  界面介紹    　2.8.2  基本操作   　 2.8.3  視圖窗口設(shè)置   　 2.8.4  顯示方式設(shè)置   　 2.8.5  操作環(huán)境與信息管理中篇  有限元理論及方法　第3章  有限元法的力學(xué)基礎(chǔ)  　3.1  彈性力學(xué)的基本方程和邊界條件  　3.2  彈性力學(xué)的變分原理    　3.2.1  應(yīng)變能和應(yīng)變余能    　3.2.2  虛位移原理和最小勢(shì)能原理    　3.2.3  虛應(yīng)力原理和最小余能原理    　3.2.4  Hellinger-Reissner變分原理    　3.2.5  胡海昌一鷲津久一郎變分原理    　3.2.6  參數(shù)變分原理  　3.3  變分原理的應(yīng)用實(shí)例  　3.4  里茨法和伽遼金法　第4章  有限元法　　4.1  協(xié)調(diào)模型——位移元 　 4.2  平衡模型Ⅰ  　4.3  平衡模型Ⅱ  　4.4  雜交應(yīng)力模型  　4.5  雜交位移模型　　4.6  混合模型　第5章  常用的有限元單元  　5.1  三角形單元族  　5.2  等參數(shù)單元  　5.3  奇異性單元 　 5.4  板殼單元  　  5.4.1  三角形薄板單元和薄殼單元  　  5.4.2  厚板單元和厚殼單元　第6章  彈性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的有限元方法 　 6.1  彈性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程  　  6.1.1  達(dá)朗貝爾原理和動(dòng)力學(xué)方程  　  6.1.2  哈密爾頓原理和動(dòng)力學(xué)方程  　  6.1.3  質(zhì)量矩陣  　  6.1.4  阻尼矩陣  　6.2  彈性結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)特性   　 6.2.1  特征值問(wèn)題的一些特性   　 6.2.2  矩陣特征值問(wèn)題的求解方法  　6.3  彈性系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)    　6.3.1  中心差分法    　6.3.2  威爾遜(Wilson-θ)法    　6.3.3  紐馬克(Newmark)法   　 6.3.4  模態(tài)疊加法下篇  應(yīng)用實(shí)例　第7章  300t門式雙梁起重機(jī)虛擬仿真與分析 　 7.1  300t門式雙梁起重機(jī)基本情況介紹  　7.2  300t門式雙梁起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)虛擬仿真分析   　 7.2.1  300t門式雙梁起重機(jī)虛擬樣機(jī)建模過(guò)程    　7.2.2  300t門式雙梁起重機(jī)所受載荷情況和工況   　 7.2.3  300t門式雙梁起重機(jī)虛擬仿真試驗(yàn)分析結(jié)果  　7.3  300t門式雙梁起重機(jī)典型金屬結(jié)構(gòu)的有限元分析    　7.3.1  起重機(jī)有限元模型建模過(guò)程    　7.3.2  起重機(jī)有限元分析計(jì)算過(guò)程　第8章  L型門式起重機(jī)虛擬仿真與分析  　8.1  L型門式起重機(jī)基本參數(shù)與三維建模  　8.2  L型門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)虛擬仿真分析   　 8.2.1  L型門式起重機(jī)虛擬樣機(jī)建模   　 8.2.2  L型門式起重機(jī)受載情況與虛擬仿真分析   　 8.2.3  L型門式起重機(jī)虛擬仿真分析結(jié)果  　8.3  L型門式雙梁起重機(jī)典型金屬結(jié)構(gòu)的有限元分析　第9章  雙梁橋式起重機(jī)虛擬仿真與分析  　9.1  雙梁橋式起重機(jī)虛擬樣機(jī)建模  　9.2  雙梁橋式起重機(jī)虛擬仿真計(jì)算結(jié)果　第10章  40t門座式起重機(jī)典型金屬結(jié)構(gòu)分析  　10.1  40t門座式起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析和有限元建模  　10.2  40t門座式起重機(jī)結(jié)構(gòu)件載荷和工況的確定  　10.3  40t門座式起重機(jī)有限元計(jì)算結(jié)果附錄  ADAMS軟件基本操作  附錄A  ADAMS/View實(shí)體建模與虛擬仿真計(jì)算    A.1  建模工具與基本形狀建模    A.2  復(fù)雜形體幾何建模    A.3  修改幾何形體與構(gòu)件特征    A.4  約束機(jī)構(gòu)與施加載荷    A.5  虛擬仿真分析過(guò)程與調(diào)試  附錄B  ADAMS/Solver求解器基本理論    B.1  ADAMS/Solver的建模語(yǔ)句    B.2  ADAMS/Solver的函數(shù)表達(dá)式    B.3  ADAMS/Solver的命令語(yǔ)句與仿真控制  附錄C  虛擬仿真計(jì)算后處理的使用方法    C.1  后處理程序及基本后處理操作    C.2  仿真結(jié)果曲線繪制    C.3  輸出仿真結(jié)果動(dòng)畫    C.4  仿真結(jié)果曲線的編輯和運(yùn)算    C.5  設(shè)置和編輯曲線圖的圖面內(nèi)容參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：2.5.1 多體動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象及基本概念多體系統(tǒng)是對(duì)某類客觀事物的高度抽象和概括，這類系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們都是通過(guò)特定的關(guān)節(jié)（鉸鏈）將諸多零（部）件——即所謂的“體”連接起來(lái)的；因此我們把多體系統(tǒng)定義為以一定的連接方式互相關(guān)聯(lián)起來(lái)的多個(gè)物體構(gòu)成的系統(tǒng)，這些物體可以是剛體也可以是柔體。如果多體系統(tǒng)中所有的體均為剛體，則稱該系統(tǒng)為多剛體系統(tǒng)；如果多體系統(tǒng)含有一個(gè)以上的柔體，則稱為柔性多體系統(tǒng)。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是基于經(jīng)典力學(xué)理論的，經(jīng)典力學(xué)的研究?jī)?nèi)容就是多體系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的情況——質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析和單個(gè)剛體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)情況——少數(shù)多個(gè)剛體。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)就是為多個(gè)剛體組成的復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析建立適宜于計(jì)算機(jī)程序求解的數(shù)學(xué)模型，并尋求高效、穩(wěn)定的數(shù)值求解方法。在具體的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)，多體系統(tǒng)是指由多個(gè)物體通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的根本目的是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與仿真，它是在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的新學(xué)科分支，在經(jīng)典剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)上的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了由多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)到計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展階段。柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在20世紀(jì)70年代逐漸引起了人們的注意，一些系統(tǒng)如高速車輛、機(jī)器人、航天器、高速機(jī)構(gòu)、精密機(jī)械等，其中柔性體的變形對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為產(chǎn)生很大影響。20世紀(jì)80年代，Haug等人確立了“計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)”這門新的學(xué)科，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究重點(diǎn)由多剛體系統(tǒng)走向側(cè)重多柔體系統(tǒng)，柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)成為計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的重要內(nèi)容。

編輯推薦

《起重機(jī)械虛擬仿真計(jì)算與分析》：“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題資助。

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