华西5000动力学建模与仿真(附件)
摘 要摘 要本文选择单钩额定起重量为4500吨的华西5000起重船起重机作为本次研究的对象；华西5000起重船起重机的单钩吊载能力达到4500吨，单钩吊载能力是亚洲第一，它主要用于海洋工程结构吊装，并且具有与海洋工程有关的其它工程作业的能力。如今，在许许多多产品的设计过程当中，有限元仿真技术是不可缺少的关键部分。通过对设计出来的产品利用ANSYS进行有限元分析，可以得到一系列的数据，再对数据进行处理和比较，可以得出产品的设计是否合理，是否能够进行生产。这大大缩短了设计周期，降低生产成本。 在这里，我们利用ANSYS，创建华西5000起重船起重机有限元模型，并开始对其进行静力、模态分析。我们得到结果表明，起重机在四组工况下的最大应力全部都小于许用应力，起重机的安全余度比较大。这也会为以后的优化设计工作打下一个良好的基础并给它提供一个技术上的支持。在对其进行静力分析的基础上，为了保证起重机能够正常安全的工作，我们还要对起重机的模态进行分析，得到它的固有频率及其振型。这是非常重要的。关键词：起重船起重机；ANSYS；静力分析；模态 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外船用起重机发展现状 1
1.2.1 国外船用起重机发展现状 1
1.2.2 国内船用起重机发展现状 2
1.3 本课题主要研究内容 3
第二章 有限元法与ANSYS软件简介 4
2.1 有限元法简介 4
2.2 有限元分析的基本步骤 4
2.3 ANSYS简介 4
2.3.1 ANSYS软件提供的分析类型 5
2.3.2 ANSYS软件的基本模块 5
2.3.3 ANSYS结构线性静力分析基本过程 6
第三章 华西5000起重机结构静力有限元分析 7
3.1 华西5000起重船起重机结构及简介 7
3.2 华西5000起重机结构模型的建立 10
3.3 华西5000起重船起重机静力分析 17
3.3.1 边界条件处理 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
5
2.3.3 ANSYS结构线性静力分析基本过程 6
第三章 华西5000起重机结构静力有限元分析 7
3.1 华西5000起重船起重机结构及简介 7
3.2 华西5000起重机结构模型的建立 10
3.3 华西5000起重船起重机静力分析 17
3.3.1 边界条件处理 17
3.3.2 对华西5000起重机进行载荷加载 19
3.4 本章小结 27
第四章 华西5000起重船起重机结构模态分析 28
4.1 概述 28
4.1.1 模态简介 28
4.1.2 起重机结构模态分析 28
4.2 模态分析理论基础 29
4.3 ANSYS模态分析过程 30
4.4 模态分析的结果 30
4.5 本章小结 36
结论 37
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
现在，国内的起重机研究设计人员在设计的过程当中，仍然比较多的采用传统的设计方式比如类比和静态性能的计算，它们仍然都占有重要的地位。传统方法都是先选择国内外设计好的起重机，然后模仿它们的结构参数和一些基本的尺寸，再来确定所要设计的起重机的结构参数和基本尺寸[12]。然后再参照设计标准开始对起重机进行强度、刚度等的校核。这种方法过程相对比较复杂，时间也特别长。并且对设计者的经验要求也比较高，设计出来的产品的误差也会比较大，导致设计出来的起重机的重量偏大，不满足轻量化的要求，同时还会降低起重机的工作效率，对能源也是一种浪费。同时传统的设计方法要对起重机的参数和尺寸进行反复的改正，反复的计算加大了计算的工作量。
而且，现有的起重机设计规范对于起重机的动态性能并没有能够提出一个具体的要求，这也造成了一种现象，那就是企业对于起重机的动态性能不是非常的看重，这是一种明显错误的认识。因为，由于起重机动态性能设计的不合理，很有可能使起重机发生共振现象，共振会严重影响起重机作业人员的作业舒适度和操作的准确性，甚至有可能因为共振而造成工程事故。因为起重机的动态性能会在起重机设计完成之处就完全确定下来，后期并不会改变，因此起重机的动态性能应得到充分的重视。
ANSYS是应用范围非常广泛的软件，它具备静力、模态等多种分析的功用。起重机的吊臂是一种常见的杆件结构。利用ANSYS软件对起重机吊臂进行各种分析，不光能够大大减少计算工作量，使计算精度得到提高，还能够更加直接了当的得到吊臂的受力分布情况。这为起重机的设计和改进提供了一种更加全面、更加可靠的依据。
1.2 国内外船用起重机发展现状
1.2.1 国外船用起重机发展现状
海上起重船起重机对海洋工程的建造时间有着很大的影响。大型起重船起重机的快速发展给海洋工程提供了很大方便，可以有效缩短建造周期，并能够减少建造成本，而且还能够极大提高建造的安全性。国外起重船起重机的研究起步早，一些技术领先于国内，国内起重机的发展前进还需要努力，争取早日赶超其他国家。现在世界上起重船起重机拥有较多的国家都是一些有海岸线，临海的国家，如中国、日本、韩国、挪威等[3]。因为对起重船起重机的需求比较大，所以在起重船的发展上面有很大的动力,因此这些国家对于起重船起重机的发展有比较大的领先。
在大型船用起重机的发展行业里面，国外比较具有代表性的是荷兰HMC生产制造的大型起重机和意大利蒂亚夫公司Saipem生产和制造的saipem700吊船。
“Thialf”号起重船拥有着两台起重机可以进行工作，并且每一台起重机的吊载都能够达到7100吨，这是一个惊人的数字，而且两台起重机可以一起使用，使这艘起重船起重机的吊载能力突破至14200吨。
现在，国外起重船起重机已经开始向着轻量化，智能化，专用化的目标前进。这必将是船用起重机发展的必然方向也是科学的方向。
1.2.2 国内船用起重机发展现状
自从国家开始和世界接轨，国家的经济发展水平和科学技术的发展都有一个长足的进步。最近几年，海洋丰富资源的开发利用已经得到了国家大力重视[4]。起重船起重机技术与性能也开始飞速的发展起来用以满足科学研究的需求。船用起重机的作业区域已经不仅仅满足于近海，已经开始向着深海发展，并且起吊能力也开始向着大型化，智能化的方向发展。
早在2005年初，为了修建国内第一座跨海大桥，武桥重工的科技研发团队打造了“小天鹅”号起重机，这是我国在起重机发展历史上拥有巨大意义的一步。
2011年，我国在海上起重机的发展上又迈出了一大步，完全由国内自主研发的“海洋石油201”起重船开始运行，这是全世界上第一艘3000m级铺管起重船，这是我国在这一领域的一次有重大意义的突破。该船的整体设计和打造全部是由国内自主完成的。“海洋石油201”起重船的开发，为我国开始向更加广阔的海洋进行研究开发提供了强而有力的支持[5]。
现在我们的社会已经进入了低碳节能经济新时代[6,7]，节能已经是各行各业主要目标，起重机在节能方面将会做出很大的贡献。轻量化设计可以在很大程度上减少所用的材料，使起重机的资源充分全面的利用起来，使材料的利用率达到最大化，还能够减少动力资源的使用，这是一个两性循环。
目前来说，起重机已经开始向着下面的目标前进[8,9]：
（1）起重机的吊臂采用桁架结构，并使用强度比较高的钢材来减少吊臂的自身重量。
桁架式结构相比较于其它的形状重量更加的轻[10]。臂架的自身重量对于起重机的整体的设计都会有很大影响[11],如果设计的臂架很轻，那么其它部位受到的力就会少很多，这样可以在设
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外船用起重机发展现状 1
1.2.1 国外船用起重机发展现状 1
1.2.2 国内船用起重机发展现状 2
1.3 本课题主要研究内容 3
第二章 有限元法与ANSYS软件简介 4
2.1 有限元法简介 4
2.2 有限元分析的基本步骤 4
2.3 ANSYS简介 4
2.3.1 ANSYS软件提供的分析类型 5
2.3.2 ANSYS软件的基本模块 5
2.3.3 ANSYS结构线性静力分析基本过程 6
第三章 华西5000起重机结构静力有限元分析 7
3.1 华西5000起重船起重机结构及简介 7
3.2 华西5000起重机结构模型的建立 10
3.3 华西5000起重船起重机静力分析 17
3.3.1 边界条件处理 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
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2.3.3 ANSYS结构线性静力分析基本过程 6
第三章 华西5000起重机结构静力有限元分析 7
3.1 华西5000起重船起重机结构及简介 7
3.2 华西5000起重机结构模型的建立 10
3.3 华西5000起重船起重机静力分析 17
3.3.1 边界条件处理 17
3.3.2 对华西5000起重机进行载荷加载 19
3.4 本章小结 27
第四章 华西5000起重船起重机结构模态分析 28
4.1 概述 28
4.1.1 模态简介 28
4.1.2 起重机结构模态分析 28
4.2 模态分析理论基础 29
4.3 ANSYS模态分析过程 30
4.4 模态分析的结果 30
4.5 本章小结 36
结论 37
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
现在，国内的起重机研究设计人员在设计的过程当中，仍然比较多的采用传统的设计方式比如类比和静态性能的计算，它们仍然都占有重要的地位。传统方法都是先选择国内外设计好的起重机，然后模仿它们的结构参数和一些基本的尺寸，再来确定所要设计的起重机的结构参数和基本尺寸[12]。然后再参照设计标准开始对起重机进行强度、刚度等的校核。这种方法过程相对比较复杂，时间也特别长。并且对设计者的经验要求也比较高，设计出来的产品的误差也会比较大，导致设计出来的起重机的重量偏大，不满足轻量化的要求，同时还会降低起重机的工作效率，对能源也是一种浪费。同时传统的设计方法要对起重机的参数和尺寸进行反复的改正，反复的计算加大了计算的工作量。
而且，现有的起重机设计规范对于起重机的动态性能并没有能够提出一个具体的要求，这也造成了一种现象，那就是企业对于起重机的动态性能不是非常的看重，这是一种明显错误的认识。因为，由于起重机动态性能设计的不合理，很有可能使起重机发生共振现象，共振会严重影响起重机作业人员的作业舒适度和操作的准确性，甚至有可能因为共振而造成工程事故。因为起重机的动态性能会在起重机设计完成之处就完全确定下来，后期并不会改变，因此起重机的动态性能应得到充分的重视。
ANSYS是应用范围非常广泛的软件，它具备静力、模态等多种分析的功用。起重机的吊臂是一种常见的杆件结构。利用ANSYS软件对起重机吊臂进行各种分析，不光能够大大减少计算工作量，使计算精度得到提高，还能够更加直接了当的得到吊臂的受力分布情况。这为起重机的设计和改进提供了一种更加全面、更加可靠的依据。
1.2 国内外船用起重机发展现状
1.2.1 国外船用起重机发展现状
海上起重船起重机对海洋工程的建造时间有着很大的影响。大型起重船起重机的快速发展给海洋工程提供了很大方便，可以有效缩短建造周期，并能够减少建造成本，而且还能够极大提高建造的安全性。国外起重船起重机的研究起步早，一些技术领先于国内，国内起重机的发展前进还需要努力，争取早日赶超其他国家。现在世界上起重船起重机拥有较多的国家都是一些有海岸线，临海的国家，如中国、日本、韩国、挪威等[3]。因为对起重船起重机的需求比较大，所以在起重船的发展上面有很大的动力,因此这些国家对于起重船起重机的发展有比较大的领先。
在大型船用起重机的发展行业里面，国外比较具有代表性的是荷兰HMC生产制造的大型起重机和意大利蒂亚夫公司Saipem生产和制造的saipem700吊船。
“Thialf”号起重船拥有着两台起重机可以进行工作，并且每一台起重机的吊载都能够达到7100吨，这是一个惊人的数字，而且两台起重机可以一起使用，使这艘起重船起重机的吊载能力突破至14200吨。
现在，国外起重船起重机已经开始向着轻量化，智能化，专用化的目标前进。这必将是船用起重机发展的必然方向也是科学的方向。
1.2.2 国内船用起重机发展现状
自从国家开始和世界接轨，国家的经济发展水平和科学技术的发展都有一个长足的进步。最近几年，海洋丰富资源的开发利用已经得到了国家大力重视[4]。起重船起重机技术与性能也开始飞速的发展起来用以满足科学研究的需求。船用起重机的作业区域已经不仅仅满足于近海，已经开始向着深海发展，并且起吊能力也开始向着大型化，智能化的方向发展。
早在2005年初，为了修建国内第一座跨海大桥，武桥重工的科技研发团队打造了“小天鹅”号起重机，这是我国在起重机发展历史上拥有巨大意义的一步。
2011年，我国在海上起重机的发展上又迈出了一大步，完全由国内自主研发的“海洋石油201”起重船开始运行，这是全世界上第一艘3000m级铺管起重船，这是我国在这一领域的一次有重大意义的突破。该船的整体设计和打造全部是由国内自主完成的。“海洋石油201”起重船的开发，为我国开始向更加广阔的海洋进行研究开发提供了强而有力的支持[5]。
现在我们的社会已经进入了低碳节能经济新时代[6,7]，节能已经是各行各业主要目标，起重机在节能方面将会做出很大的贡献。轻量化设计可以在很大程度上减少所用的材料，使起重机的资源充分全面的利用起来，使材料的利用率达到最大化，还能够减少动力资源的使用，这是一个两性循环。
目前来说，起重机已经开始向着下面的目标前进[8,9]：
（1）起重机的吊臂采用桁架结构，并使用强度比较高的钢材来减少吊臂的自身重量。
桁架式结构相比较于其它的形状重量更加的轻[10]。臂架的自身重量对于起重机的整体的设计都会有很大影响[11],如果设计的臂架很轻，那么其它部位受到的力就会少很多，这样可以在设
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