ANSYS软件在运载平台结构强度设计中的应用

1 前言
    在某运载平台的设计过程中，应用ANSYS 的有限元仿真功能，分析运载平台在一定载荷下的结构强度，确定改进方案，并且研究结构改进，从而缩短设计、试制周期，节省试验和生产费用。因此，ANSYS 软件对于提高运载平台的可靠性、经济性发挥了重要作用。
2 运载平台简介
    该运载平台为对接法兰、弧形筋、上下筋、连接筋、异形圈、母体法兰等焊接联接、螺栓联接的总成，它结构庞大，总长12.98m ，为前后段对称结构，前后段的对接法兰通过螺栓连接。运载平台两端母体法兰上的两个端点A、B 为起吊点（如图1 示），两端另有两米长的结构体与母体法兰通过螺栓连接，在该运载平台两端运载2T 货物的重量，对其进行静强度分析可以大大节约实验与生产成本，确保其结构强度达到设计要求。

图1 运载平台二维简图

图2 运载平台前段结构图

3 运载平台基本参数
    运载平台的结构如图1 和图2 所示，整个运载平台框架钢材选用不锈钢1Cr18Ni9Ti，其弹性模量E=200Gpa, 泊松比μ＝0.3 。型钢共选两型，分别为：自定义槽钢、自定义方钢。
4 有限元分析模型
    利用ANSYS 有限元软件对运载平台结构进行强度校核，由于运载平台具有结构对称性，所以建立有限元模型时，可以只建立右半部分（即后段）。如图3 所示：

图3 运载平台有限元模型

.1 单元定义
    分析该结构可知，该结构由型钢、钢板及远处的质量点组成，远处的质量点为运载平台运载重物的点，它与母体法兰之间是螺栓连接。在ANSYS 中，可以用188 号梁单元来模拟型钢特性，188 号梁单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，能很好的应用于线性、大角度转动和/或非线性大应变问题。该单元基于铁木辛哥理论，并考虑了剪切变形的影响。用SECTYPE 命令定义梁单元截面为槽钢、方钢，用SECDATA 命令输入截面数据，以下为五种定义梁截面简图：

4-1                 4-2

4-3         4-4         4-5

    3-1 为上筋的两根槽钢合并后的截面，3-2 为下筋槽钢的截面，3-3 为短筋槽钢的截面，3-4 为上连接筋方钢的截面，3-5 为下连接筋方钢的截面。其几何尺寸以设计工程师提供的图纸数据为准。
    由于母体法兰、异形圈、中间对接法兰、弧形筋的直径远大于其厚度，所以可以采用ANSYS 壳单元－SHELL181 进行分析。SHELL181 适用于分析从薄至中等厚度的壳结构，特别适合于分析具有线性、大角度转动和/或非线性大应变特性应用问题。根据它们的厚度不同，定义2 个实常数，运载平台板零件实常数如表1 示：

表1 运载平台板零件实常数表

    有一2 米长的结构体与母体法兰通过螺栓连接，没有画出该结构体，选用MASS21 质量单元对距离运载平台母体法兰两米远的施力点建模。
4.2 边界条件及其计算载荷

图5 起吊点示意图      图6 运载平台边界条件定义

    由于该运载平台具有结构对称性，所以只建立了右半部分，根据前面所述运载平台的工况，起吊点的位置如图5 所示，其边界条件定义如图6 所示，中间对接法兰施加面对称约束;起吊点在母体法兰的中间点(A 点)，使用19.6KN 的竖直向上的力模拟，并约束ROTZ 自由度（运载平台整个单元划分可能存在轻微的不对称，会引起模型有一定的转动）;在M0 点施加19.6KN 竖直向下的力，模拟运载平台运载的重物。 M0 点与母体法兰之间通过ANSYS 中的刚性区域模拟。根据以往的实验经验，母体法兰在运载平台受力的工况下基本上没有变形，所以采用刚性区域耦合约束，将一个节点的位移约束和一片区域联系在一起，母体法兰本身没有变形。刚性区是通过建立约束方程固结两个不同单元类型的区域。通常它是对刚度很大的结构的一种近似。这种处理方法对于大刚度结构的近似加载尤其适用，主要目的是利用刚性区实现传递力及力矩。刚性区域施加效果如图7 所示，图8 为刚性区域约束示意图：

   
图7 刚性区域施加效果     图8 刚性区域示意图

5 计算结果
5.1 位移变形
    根据有限元模型进行解算，位移变形解算结果如图9 和图10 所示（黑色线框为变形前形状），位移变形情况由扩大20 倍变形显示。结构变形图表明运载平台最大变形处在其中间部分，最大位移变形0.0174m，即17mm。

   
图9 运载平台位移变形图（含质量点）   图10 运载平台位移变形图（不含质量点）

5.2 等效应力分布
    根据有限元模型解算得模型的等效应力分布如图11 所示：

图11 运载平台等效应力分布（右侧为放大图）

    由图11 可以看出，运载平台最大应力在异形圈的顶部，最大值1670Mpa。
5.3 结构分析
    由计算结果可以看出，异形圈处应力最大。改变异形圈的结构参数，可以发现它的厚度对运载平台的结构变形影响较大，最大变形、最大应力位置均未变化。表2 是改变异形圈厚度对结构的影响 (最大变形不考虑质量单元)：

表2 异形圈厚度对运载平台结构的影响

6 结论
    本文利用ANSYS 有限元软件建立了运载平台的有限元模型，通过静强度分析，得出运载平台的结构变形与应力。通过分析计算结果，得出异形圈的厚度对运载平台的结构强度影响较大，给设计师提供了设计参考。通过本文的分析说明，应用ANSYS 软件分析运载平台的结构强度，不但简单方便，而且可以得到非常直观的图形结果。

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