1、本科毕业论文（20届）50吨起重单吊钩优化设计所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月II摘要摘要吊钩是起重机上重要的承力构件，人们对吊钩的设计仍然沿袭传统的静强度设计方法，设计出的吊钩往往会出现不安全或者者过分安全的问题。吊钩强度不足容易导致其严重变形或者断裂，发生重大的安全事故,造成巨大的经济损失。而安全系数过大，又造成制作材料的浪费和吊钩的粗笨。本文针对50吨起重单吊钩，对其结构和使用情况作了分析，结果表明该吊钩存在安全系数过大、吊钩自重大的情况。利用SOLIDWORKS2010软件，根据吊钩的使用要求，对吊钩的结构作优化设计。将优化后的吊钩模型与原始模
2、型作对比分析，并对优化后的吊钩作出结构的安全性评价，提出吊钩结构的改进意见。结构优化设计是近二十多年来发展起来的一门新技术，它的发展对传统结构设计产生了重大的影响，使人们从被动的分析、校核时期进入了主动的设计阶段。与传统的设计方法相比，优化设计提高了设计质量、加快设计进度以及降低设计成本，根据资料显示可使工程造价降低525，经济效益十分明显。结构优化设计将是今后结构设计的主流趋势。关键词吊钩；有限元分析；安全系数；优化设计。IIIOPTIMIZATIONDESIGNOFTHE50TLIFTINGSINGLEHOOKABSTRACTSHOOKISTHEIMPORTANTSTRESSEDCOMPO
3、NENTOFCRANE，NOWPEOPLESTILLUSETHETRADITIONALSTATICINTENSITYDESIGNPROCEDURESTODESIGNTHEHOOKTHERESULTISSOMETIMESINSUFFICIENTSAFEANDSOMETIMESEXCESSIVESAFEINHOOKSAFETYTHEINSUFFICIENTHOOKINTENSITYEASILYMAKESTHEHOOKHEAVYDEFORMATIONEVENFRACTURE,CAUSESSIGNIFICANTSAFEACCIDENT,ANDBRINGSABOUTGIGANTICECONOMICLOS
4、SYETIFTHEASSURANCECOEFFICIENTISTOOBIG,ITWILLHAPPENTHATMATERIALSUNECONOMICUSEANDHOOKSPONDEROSITYTHEAUTHORANALYZESITSSTRUCTUREANDUSAGETOTHE50TLIFTINGSINGLEHOOK,THERESULTINDICATESTHATTHEHOOKHASANOVERSIZEASSURANCECOEFFICIENTANDABIGSELFWEIGHTBYTHESOFTWARESOLIDWORKS2010,ACCORDINGTOTHEUSAGEDEMAND,THEHOOKST
5、RUCTURESOPTIMIZATIONDESIGNHASBEENDONECARRYINGOUTACOMPARATIVEANALYSISBETWEENTHEPREOPTIMIZATIONMODELANDTHEPOSTOPTIMIZATIONMODELOFTHEHOOK,ESTIMATINGTHESECURITYOFTHEHOOKSTRUCTUREAFTEROPTIMIZATION,FINALLYPROVIDINGIMPROVEMENTSUGGESTIONSABOUTTHEHOOKSSTRUCTURESTRUCTURALOPTIMIZATIONDESIGNISANEWTECHNIQUEDEVEL
6、OPEDINTWENTYRECENTYEARS,ITSDEVELOPMENTHASBEENSIGNIFICANTEFFECTONTHETRADITIONALSTRUCTURALDESIGN,ANDMAKESPEOPLEENTERFROMTHEPASSIVEANALYSISANDVERIFYINGINTENSITYPERIODTOTHEINITIATIVEDESIGNINGSTAGECOMPARINGWITHTHETRADITIONALDESIGNMETHODS,THEOPTIMIZATIONDESIGNCANIMPROVEDESIGNQUALITY，ACCELERATEITSPROGRESSA
7、NDREDUCEITSCOST,ITCANMAKEAPROJECTCOSTREDUCE525BYTHECORRELATIVEDATAINDICATING,THEECONOMICEFFECTISVERYOBVIOUSSTRUCTUREOPTIMIZATIONDESIGNWILLBECOMETHEMAINSTRUCTUREDESIGNMETHODINFUTUREKEYWORDSHOOKFINITEELEMENTANALYSISASSURANCECOEFFICIENTOPTIMIZATIONDESIGNIV目录摘要II目录IV1绪论111引言112机械结构优化设计研究的回顾及研究课题的提出2121国
8、内外机械结构优化设计研究回顾2122课题研究的提出413课题研究的目的和意义7131本课题研究的目的7132本课题研究的意义714本文研究的内容和方法8141本文研究的内容8142本文研究的方法及流程图82吊钩有限元分析1021引言1022SOLIDWORKS2010软件简介1023基于SOLIDWORKS2010的吊钩有限元分析1224小结153吊钩结构优化设计1631引言1632机械结构优化设计概述16321结构优化设计的概念1633吊钩结构优化设计17331问题描述17332分析方法及步骤17333优化后的结果分析17334优化前后参数对比分析1934结果与讨论2035小结20V4结论与
9、展望21参考文献22致谢错误未定义书签。附录2411绪论11引言提到设计，我们并不陌生。设计的本质，就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形态存在的资源，创造出满足预先陈述的功能要求的物质实体，以实现对某一设计对象潜在的要求过程，它是价值的具体体现。最早的设计是由经验丰富、技术熟练的工人进行，产品也很简单1。机械设计（MACHINEDESIGN），根据其使用要求对机械的工作原理、结构、各个零件的材料和形状尺寸、力和能量的传递方式、运动方式、润滑方法等进行构思、分析和计算并将它们转化为具体的描述用来作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程重要的组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性
10、能的最主要因素。对机械结构的设计，一直以来人们还普遍停留在传统的设计理论和方法上，其设计的类型一般有以下几种开发性设计（即一种完全的创新设计），适应性设计（即在功能结构、工作原理基本上保持不变的前提下，对产品作局部的变更或者者只设计少数零部件，以改变某些性能或者者克服某些明显的缺陷，也称为部分创新设计），变型设计（即仅对产品作尺寸大小或者者布置方式的改变）。在强度设计的时候，采用许用应力法和仿形法等的静强度设计法，这些方法是根据结构所承受最不利的工况下的外载荷，以及材料的许用应力来确定结构的截面尺寸或者者验算其强度，反映了最恶劣的情况下的静应力。机械设计努力的目标是在各种限定条件如材料、理论知
11、识、计算手段和加工能力等下设计出最好的机械，即是做出优化设计。优化设计应综合地考虑很多要求，一般有最好的工作性能、最低的制造成本、最小的尺寸和重量、使用中的最可靠性、最低消耗和最少的环境污染。这些要求常常是互相矛盾的，且它们之间的相对重要性因为机械的种类和用途的不同而不同。设计者的任务是按具体的情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械具有最优的综合技术经济效果。在过去，设计的优化主要是依靠设计者的知识、经验和远见。而随着机械工程的基础理论和系统分析、价值工程等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的应用推广,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学的计算。结构优化设计是近二十多年来发展
12、起来的一门新技术，它的发展对传统结构设计产生了重大的影响，使人们从被动的分析、校核时期进入了主动的设计阶段。2与传统的设计方法相比，优化设计提高了设计质量、加快设计进度以及降低设计成本，根据资料显示可使工程造价降低525，经济效益十分明显。结构优化设计将是今后结构设计的主流趋势。优化设计是20世纪60年代初时发展起来的一门新兴学科，它将数学中的最优化理论与程设计领域相结合，是在计算机技术广为应用的基础上发展起来的一项新技术。它根据最优化原理和方法综合等各方面的因素，以人机配合方式或者者“自动探索”方式在计算机上进行自动或者者半自动设计，以选出符合现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代的设计方法
13、。其设计手段是计算机和计算程序，设计方法是应用最优化数学方法。最优化设计反映出人们深化了对设计规律这个客观世界的认识，设计上的“最优值”是指在一定条件下得到的最佳设计值，是一种相对的概念。在解决工程设计问题的时候，可从无数地设计方案中找到最优或者者尽可能完善的方案，大大地提高了工程的设计效率和质量。1979年以后结构的优化设计日益受到各行业的重视，特别是航空、国防、造船工业应用的较早。到1981年，结构的优化设计在普及和实际应用方面得到了进一步的发展，到了今天，优化设计已经成为一个热门的研究问题，已经广泛应用于各个工程领域机械、航空航天、船舶、交通、建筑、电子、通讯、冶金、石油、纺织、管理等，
14、并且产生了巨大的社会和经济效益。特别是因为现代国家、地区和企业间的激烈竞争，各种原材料、能源的短缺，使优化设计越来越受到人们广泛的重视，并且成为21世纪工程设计人员必须掌握的一种设计方法。本文结合了传统静强度设计和校核的方法，应用现代优化设计理论及方法，充分利用现有的三维机械设计软件SOLIDWORKS2010，结合机械工程学、力学、材料学等学科知识，建立与实际工况相符的结构模型和动力学模型，对起重单吊钩进行结构的优化设计。12机械结构优化设计研究的回顾及研究课题的提出121国内外机械结构优化设计研究回顾1国外机械结构优化设计研究回顾自从人们使用机械产品以来，对其设计的探寻就没有停止过。从最初
15、的“直觉设计”、“经验设计”到传统的“静强度设计”，再到今天热门的“现代优化设计”，各国的科学家和工程设计师们为之付出了巨大的努力，作为国家经济建设3必不可少的机械设备，起重机同样经历了这一设计的历程。起重机的设计和使用需求在很大程度上反映了国民经济和机械工业的发达程度。20世纪30年代末，由于工业生产和军事发展的需要，提出了一些无法用古典的微分法和变分法解决的问题，在许多学者和广大科技工作者的共同努力下，逐渐产生、发展和形成了一种新的数学方法最优化法，它大致可以分为两类，间接最优化法解析最优化法和直接最优化法实验最优化法。40年代后期原苏联首先将概率论和数理统计方法引入到结构设计中，形成了安
16、全度理论，以超载系数、材料匀质系数和工作条件系数来考虑载荷、材料及环境的一些随机性因素，并以此为基础发展为结构的可靠性理论3。1960年，LASCHMIT首先提出了结构优化设计的数学规划方法，将布局给定条件下的结构尺寸的优化设计问题转化为取得目标函数的极值的数学问题，并且给出了用该方法求解多种载荷情况下弹性结构设计的数学表达式3。在这个表达式中，结构优化设计成为在诸如应力、频率、位移等性态函数约束下的“N”维设计变量空间中目标函数的数学极值问题，而由线性和非线性规划方法来实现极值的搜索。例如，使用梯度投影法、可行方向法以及惩罚函数法等方法，来实现这种搜索。这样的结构优化的数学规划方法，在它出现
17、以后不久的时间里很快便普及，并且应用到大量结构设计的问题上。1966年，DKANLIE和JMOE等将数学规划方法应用于船舶结构设计，开创了船舶结构设计的新时代。数学规划方法应用于实际结构优化问题时往往会因为设计变量太多，约束条件太多和所需结构分析的次数太多而效率很低。1968年以后VENKAYYA8和GELLATLY12等开始重新大力研究，发展了结构优化的最佳性准则法，在几年内获得了很大的进展。导出了应力、频率、位移、屈曲、颤振等约束条件下结构的最佳准则，编制出了基于有限元结构分析和这些准则的大型优化程序。这些程序可处理的约束条件包括静应力、位移、稳定性以及动刚度、气动弹性约束，可以处理各向同
18、性、各向异性和分层的复合材料结构，问题可以包含上千个设计变量。在最佳准则法获得迅速发展的同时，数学规划方法的研究工作也取得了很大进展。SCHIMT111516等针对数学规划法效率低的缺点，提出了结构综合的近似概念，使得这类方法的效率得到很大的提高。特别是所需要的结构分析次数已和准则法处于同一数量级，即通常只需要进行510次的结构分析便可达到收敛。70年代末，KNOT，BERKE和VENKAYYA对最佳准则法的研究表明，各种迭代公式之间有着密切的联系，而且可以用非线性规划的投影方法导得某些关系式。4同时，FLEURY在原有最佳性准则方法的基础上，提出了广义最佳性准则以及用对偶公式求解结构优化问题
19、的算法。接着SCHMIT和FLEURY提出了将对偶方法和近似概念相结合的算法，进一步完善了基于有限元和结构综合近似概念的ACCESS程序系统，提高了规划法的效率。作为一个有效的数值分析工具，有限元法发源于固体力学，在今天许多的科学领域当中已经有了成功的应用。1960年9由CLOUGH在他的论文“THEFINITEELEMENTINPLANESTRESSANALYSIS”中提出了有限元FINITEELEMENT这一术语。有限元法能迅速而准确地分析结构强度和刚度等问题，它不仅可以对已有的结构进行校核计算，而且能够对设计构件中的模型进行多种方案的分析比较并且选出最佳方案19。它的特点是把一个连续的弹
20、性体看成是由有限个简单的单元组成的集合体，通过对各单元的特性分析，考虑每个单元在整体结构中相互联系的特征，将离散化模型的数学表达式变成代数方程式，用数值法求解这些代数方程，就能成功地计算出物体上各处的应力和位移。1943年在数学界已有发现有限元法的构思，由于当时没有计算机，所以未得到发展。有限元法应用在工程上，有1956年由特纳TURNER等人应用于飞机的结构分析。当时主要是应用于计算简单的零部件上，大的、复杂的问题还无法解决。60年代美国国家宇航局提出应该搞大型有限元程序，编制出了NASTRAN程序，以及今天广泛使用的大型分析软件ANSYS等，为机械结构的优化设计提供了强有力的工具，计算的由
21、现行问题发展为非现行问题，德国、美国等相继编制出了大程序，使有限元的程序向结构化，模块化层次化的方面发展。122课题研究的提出1国外起重机及吊装技术概况起重机作为现代工业生产中必不可少的起重设备，被广泛用于各种物流的起重、装卸、运输、安装和人员的输送等作业中，它在减轻人类的劳动强度，实现工程施工机械自动化等方面起着十分重要的作用。随着现代工业的发展，起重机械与吊装作业技术在国民经济中显得更为重要，起吊的重量也从原来的几吨上升到现在的成百上千吨，对起重机及其主要的承重部件如吊钩等的使用性能及安全性能也提出了越来越高的要求。英国是搬运设备生产历史最长，品种较全的国家7，而美国自70年代以来，在国民
22、经济的大多数部门就已出现自动化较高的搬运系统，西德的产量仅次于美5国，居世界第二位。战后的日本由于经济发展的需要，矿业、钢铁工业、电力都急需搬运设备，在引进先进技术的基础上，集中解决电力、矿业及钢铁工业所需要的高效起重运输设备，到80年代，起重机产量已超过10万台。随着国民经济的发展，起重机向大型化发展，现在国外有些国家己能生产起吊重量1000吨左右的桅杆式起重机，另外还有德国的800吨履带式起重机，法国的1300吨大平板车等。2国内起重机及吊装技术概况2在起重机的发明和使用方面我国有着悠久的历史，早在新石器时代公元前50004000年的时候，我国古代的劳动人民就能用木棒的滚动来搬运巨石，在商
23、朝公元前17651760时就发明了利用杠杆原理的桔槔。以后又发明了辘轳，即汉朝公园前200年时四川井盐开采用的绞车和滑车组成的起重装置，就是今天龙门桅杆或者升降机的始祖。新中国成立以后，我国的起重运输机械得到了极大的发展，从无到有，从小到大，今天已能设计制造能起吊重量近千吨的起重机，吊装工艺和制造水平也飞速提高。我国太原重机公司制造的三峡1200吨水电站桥式起重机，其主副钩的起升质量分别为1200吨和125吨。我国烟台的莱佛士船厂的固定回转起重机的主吊钩已能将1900吨的物体吊至150米高，副钩也能将200吨的物体吊起135米。3吊钩设计现状吊钩根据制造方法的不同，可以分为锻造钩和板钩片钩，由
24、于形状的不同又可以分为单钩和双钩，单钩和锻造钩一般用于起重量小于50吨的起重机上。鉴于吊钩工作的特殊性，要求其制作材料具有较高的强度和良好的韧性，目前广泛采用16MN，20SIMN，36MN2SI，Q235等，锻钩则常采用20优质低碳钢。吊钩作为起重机上的重要承载零件，其强度安全与否随着起重机起吊重量的需要，其设计也面临着相应的考验。根据所了解的各种资料、相关信息和相关文献的报道，目前各种起重机上所使用的吊钩，不管是锻钩还是板钩，其设计的主要方法还是局限在传统的静强度设计方法上。长期以来，我国在起重机吊钩的设计上，仍然采用许用应力法，仿形法等静强度设计方法，这些方法就是根据结构承受最恶劣工况条
25、件下的外载荷，以及材料的许用应力来确定结构截面尺寸或者验算其强度。虽然随着近年来计算机技术的不断提高，大型三维建模软件诸如PORE，UG，SOLIDWORKS，大型分析软件如ANSYS的应用，为工程机械的设计分析提供了现代化的设计环境和条件，有限元法、边界元法已经广泛应用到静强度6分析中，能精确反映结构的应力及应变的分布情况，但应用这些先进的设计分析软件对吊钩进行设计改造的还是不多。4吊钩传统设计方法及设计理论到目前为止，起重机上所使用的吊钩的设计原理和设计方法仍沿袭使用传统的方法，例如利用静强度理论进行强度的校核，根据提供的参数设计吊钩结构和确定尺寸的大小等。传统设计中最主要的和最常用的方法
26、有以下几种61利用直梁偏弯曲的方法进行计算和校核，然而此方法导致的误差较大，现在一般不用。2采用弹性曲梁理论45610，以曲梁弯曲最大应力不超过屈服极限来计算。曲梁弯曲时，变形的原始长度L在各处是不相同的，故应变AL/L的分布呈非线性，应力EE的分布也呈非线性。曲梁受纯弯曲载荷时，中性层不通过断面的形心，而是向内偏移了一段距离E。此方法对那些不允许永久变形的机械零件例如轴、齿轮等是合理的，但对吊钩却不太适用，因为吊钩的几何尺寸略微变化并不妨碍它的继续使用。3极限承载能力计算法在过去国内外都按照弹性曲梁理论来计算吊钩的强度，对吊钩的设计显得不太合理，因而后来出现了“极限承载能力法”，充分利用了材
27、料在超过屈服极限后塑性变形阶段的承载能力，此方法对减轻吊钩的自重有很大意义。极限承载能力是包括屈服变形阶段在内的最大承载能力，可以通过实验测定其值的大小。设QJ为吊钩的极限承载能力，QE为额定起升重量，则安全系数NQJ/QE，当运送熔融金属时，安全系数应考虑增大一倍。对矩形断面如板钩断面则可以用计算法求解。4文献18除了应用以上方法校核吊钩的强度以外，还采用了另一种方法，即提高起重吊钩的等级，如将额定起重量由原来的50吨提高到60吨来进行强度设计。7传统设计方法对危险断面的确定及强度校核理论245610121319吊钩的断面一般有矩形断面、圆形断面、梯形断面、T形断面，锻造钩的断面一般是前三种
28、形状（如图11所示），板钩由于制造工艺的限制，一般只能做成矩形截面。吊钩的危险断面因其形状不同而有所差异，就单钩而言，危险断面一般有三处，即沿重物的垂直方向，水平方向，若柄部有螺纹，则该处的螺纹退刀槽部位也是危险断面。13课题研究的目的和意义131本课题研究的目的目前的吊钩的问题主要是大吨位的吊钩自重比较大，这是一个不易解决的难题。由于传统的设计理论和设计方法的缺陷，不能精确的反映出所设计的吊钩的内部应力大小和应力分布情况，不能充分地利用吊钩材料的性能，再加上凭经验和现场使用情况大致来作一些形状上的改进，考虑安全第一的因素，于是尽量加大吊钩的安全系数，造成所设计的吊钩过分安全，结构尺寸不合理，
29、钩体庞大，笨重，使用不灵活，吊钩结构布局设计不太合理，特别是一些根据实际使用需要而自行设计的吊钩，这些问题更加突出。吊钩设计的不合理，造成材料的浪费，无法充分的发挥材料的承载能力，耗材耗能，耗工耗时，使用时挂钩不灵活，就不能很好的缩短挂钩的时间，提高生产效率。因此，利用现代的优化设计理论和设计方法及现有的计算机辅助设计手段，对吊钩进行设计和改进，是很有必要的，也是现代的设计者们必须考虑的问题。随着现代冶金行业冶炼技术的飞速发展，需要起吊的重量越来越大，吊钩也面临着严峻的考验，利用现代化的设计理论和设计手段进行吊钩的优化设计，是我们必须思考的问题，也是今后吊钩设计的必然趋势。本文研究对象是50吨
30、的起重单吊钩。对该吊钩系统地探讨了其强度的设计和校核方法，本课题研究的目的在于充分利用现代先进的计算机技术和软件技术，对该吊钩进行结构的优化设计，在满足其使用要求和强度要求的前提下，达到减轻该吊钩自重的目的，使吊钩在工作过程中使用灵活，缩短挂钩作业时间。132本课题研究的意义探索起重吊钩结构的优化设计方法，并将其应用于今后的吊钩设计工程实践中，为今后采用现代优化方法进行吊钩的设计起到了引导和推广的作用。利用三维机械设计软件SOLIDWORKS建立吊钩模型，采用分析模块，模拟吊钩图11吊钩危险断面图8的实际工作受力情况，成功地分析出吊钩内部的应力和应变大小以及分布情况，就可以看出用传统方法设计出
31、的吊钩存在的不足之处，并利用该软件的设计功能，在满足应力不超过许用应力的情况下，对吊钩进行结构的优化分析，提高危险断面部位的安全系数，减少安全系数过大部位的材料使用，达到减重的目的。14本文研究的内容和方法141本文研究的内容1本吊钩的主要失效形式及存在的问题不论是锻钩还是板钩，单钩还是双钩，其主要的失效形式一般有钩孔表面的磨损，危险断面出现裂纹（外裂纹和内裂纹）。本吊钩的原设计尺寸过大，使吊钩的强度远远超过了它在实际工作时所需要的强度，钩体庞大，笨重，挂钩不灵活，为此造成材料和能源的很大浪费。2根据吊钩实际载荷值，利用SOLIDWORKS2010软件的功能，对原吊钩进行应力、应变、位移以及安
32、全系数的分析。3吊钩的结构静态优化设计优化设计是在计算机技术广为应用的基础上发展起来的一门新技术。是根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合方式或者“自动探索”方式在计算机上进行半自动或者自动设计，以选出符合现有工程条件下的最佳的设计方案的一种现代设计方法。本文对该50T起重单吊钩进行基于大型机械设计软件SOLIDWORKS2010的有限元分析，进行吊钩结构的优化设计。对优化前后的吊钩作对比分析，并对整个钩体作出可靠性评价。142本文研究的方法及流程图本文研究采用了现代机械结构的优化设计的方法，充分利用了现有的大型机械设计软件SOLIDWORKS2010，以整个钩身的结构优化为核心，对
33、吊钩进行结构的优化设计。形成的设计流程如图12所示。9建立模型分析模型结构优化优化前后模型对比分析优化后模型分析图12设计流程图102吊钩有限元分析21引言有限元法或者称有限单元法是当今解决工程问题和数学物理问题中应用最广泛的数值计算方法14。有限元法的形成可以追溯到二十世纪50年代，它发源于固体力学，以后迅速扩展到流体力学，传热学，电磁学，声学等物理领域9。近年来，有限元法以其解题范围广、适应性强、自动化程度高等优点在许多工程领域得到了广泛应用，成为结构分析和优化设计的重要手段。随着计算机技术的迅猛发展和普及，有限元法已经成为计算机辅助设计以及辅助制造的重要组成部分，利用它建立的模型可以模拟
34、复杂形状的结构，可以分析出结构详细的应力应变分布及其大小情况，与传统静强度计算的应力应变值相比较，既可以对结构作静强度评价，又可以考察所建模型的应力分析精度，为下一步的结构优化设计提供可靠的基础数据。有限元法能对结构作整体、动态、线性和非线性分析，特别是对复杂结构和多自由度系统的分析效果很好，还能提供丰富的动态图形显示17。利用SOLIDWORKS2010软件，模拟吊钩的实际工作受力情况，进行非线性动力分析，能精确的反映吊钩的应力和应变大小及分布情况，并得出相应的结论。22SOLIDWORKS2010软件简介1SOLIDWORKS的发展和荣誉SOLIDWORKS软件是世界上第一个基于WINDO
35、WS开发的三维CAD系统，由于其技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SOLIDWORKS公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SOLIDWORKS每年都有数十甚至数百项的技术创新，公司也由此获得了很多荣誉。该系统在19951999年获得了全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得了十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE授予SOLIDWORKS连续4年的最佳编辑奖，以表彰SOLIDWORKS的创新、活力和简明。至此，SOLIDWORKS所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，
36、使用它，设计师大大缩短了设计的时间，产品快速、高效地投向了市场。因为SOLIDWORKS出色的技术和市场表现，不仅使其成为CAD行业一颗耀眼的明星，也使其成为华尔街青睐的对象。终于在1997年以三亿一千万美元11的高额市值由法国达索公司将SOLIDWORKS全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SOLIDWORKS以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SOLIDWORKS三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。由于使用了WINDOWSOLE技术、直观式设计技
37、术、先进的PARASOLID内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SOLIDWORKS成为了全球装机量最大、最好用的软件。据资料显示，目前发放的SOLIDWORKS软件使用许可全球约有28万，涉及机械、航空航天、交通、机车、食品、国防、模具、电子通讯、医疗器械、日用品/消费品、娱乐工业、离散制造等分布于全球一百多个国家的共约三万一千家企业。在教育市场上，来自全球4300所教育机构每年有近145000名学生通过SOLIDWORKS的培训课程。根据世界上著名的人才网站的检索显示，与其它3DCAD系统相比，和SOLIDWORKS相关的招聘信息比其它软件的总合还要多，这在客观上说明了使用
38、SOLIDWORKS的工程师越来越多，雇佣SOLIDWORKS的人才的企业越来越多。据统计，全世界的用户每年使用SOLIDWORKS软件的时间已达到5500万小时。在美国，各著名大学，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内，已经把SOLIDWORKS列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SOLIDWORKS进行教学。2SOLIDWORKS软件特点SOLIDWORKS软件的功能强大，组件繁多。SOLIDWORKS的功能强大、技术创新和易学易用是SOLIDWORKS的三大特点，这使得SOLIDWORKS成为领先的、主流
39、的三维CAD解决方案。SOLIDWORKS能提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误及提高产品质量。SOLIDWORKS提供如此强大的功能的同时，对每个工程师和设计者来说，其操作简单方便、易学易用。对熟悉微软的WINDOWS系统的用户来说，基本上就可以用SOLIDWORKS来做设计了。其独有的拖拽功能使用户在较短的时间内能使用SOLIDWORKS完成大型的装配设计。SOLIDWORKS资源管理器是和WINDOWS资源管理器一样的CAD文件管理器，可以方便地管理CAD文件。使用SOLIDWORKS，用户能在较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放到市场。12在目前市场上所能见到的
40、三维CAD解决方案中，SOLIDWORKS是设计过程比较简便且方便的软件之一。美国著名咨询公司DARATECH评论“在基于WINDOWS平台的三维CAD软件中，SOLIDWORKS是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括WINDOWS风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SOLIDWORKS，整个产品设计是百分之百可编辑的，零件设计和装配设计以及工程图之间是全相关的。23基于SOLIDWORKS2010的吊钩有限元分析1选择模型材料吊钩模型所选材料为20NICRMOS22，其弹性模量为210GPA，泊松比028，密度78103KG/M3，抗剪模量
41、为79GPA，张力强度为880MPA，屈服强度为590MPA。2建模在SOLIDWORKS中，可以建立两种模型，一种是几何模型，也称实体模型，模型包括点、线、面和体；另一种是有限元模型，有限元模型包括节点和单元，求解和后处理是基于有限远模型的。本吊钩采用先建立几何模型，再利用SOLIDWORKS提供的网格划分工具生成有限元模型的方式建模。根据所给的CAD图（见附录）建立如图21所示几何模型。3网格划分在几何模型上进行网格划分（如图22所示），建立有限元模型，即是将弹性体的求解区域分割成有限个单元，通过它们边界上的结点互相连接各个单元，使其成为一个由有限个单元体组成的组合体。平面问题常用的单元形
42、状有平面三角形单元，平面四节点任意四边形单元等，空间问题常用的单元形状有四面体单元，任意六面体单元等。划分单元时可以在应力集中的部位或者应力变化剧烈处，将单元划得密一些，单元的大小要逐渐过渡，这样处理是为了能精确反映吊钩危险截面处的应力以及应变情况。对本吊钩划分的结果生成节点数83232，单元数56268，自由度数246609。13图2150T起重单吊钩模型图22模型的网格划分4定义约束及载荷由图21可见，吊钩上部为圆柱形，与吊钩螺母及吊钩横梁装配在一起；吊钩下部则用于起吊重物。约束施加于最上端曲面处，假设吊钩在工作中只能沿Y轴旋转，定义约束时将该曲面除Y轴旋转自由度外，其余的5个自由度完全固
43、定。在起重机工作过程中，载荷施加于吊钩的中心孔上，本文研究的吊钩起重50T的重物，起吊重物的钢丝绳直径为20CM，所以选择的加载受力面宽度为20CM，用有限单元法分析时，根据吊钩的结构特点，选取490000N图23模型施加载荷图14的工作载荷作用于吊钩中心孔上的载荷工况。施加载荷情况如图23所示。4模型静态结构应力、应变、位移及安全系数分析具备了约束和受力工况后，即可对模型进行静力分析。软件可以模拟真实环境为模型施加约束和载荷，测算模型的应力、应变、位移、重量等参数，实现静态分析。以下所示图24、图25、图26、图27分别为模型的应力、位移、应变和安全系数图。图24模型应力图图25模型位移图图
44、26模型应变图图27模型安全系数图15从以上各图中可以看出，起重机起吊50T重物时，吊钩最大的VONMISES等效应力MAX3151MPA，发生在吊钩内侧折弯处，即BB区域（见图11），最大垂直位移Y3157MM，发生在吊钩钩身的最外侧部分，最小安全系数1392所在位置亦是BB区域。VONMISES等效应力低于材料的屈服极限，由于模拟过程中对施加的载荷做了理想化的处理（即忽略了重物在起吊过程中的摆动），由图可知吊钩顶端的应力较小，安全系数较大，但吊钩的钩尖处存在过分安全的问题，因此，合理地改变吊钩的结构设计参数，将极大的减轻吊钩模型的重量，提高材料的利用率，延长吊钩的使用寿命。24小结利用有限
45、元分析法对吊钩进行应力应变分析，是今后对吊钩进行设计和强度校核的趋势所在。通过本章在SOLIDWORKS软件下的有限元分析，掌握了本吊钩在工况载荷下的应力、应变大小及分布情况。从钩身应力分布情况来看，本吊钩最大应力分布集中部位与传统理论校核部位较为吻合，吊钩的钩颈部位应力也较为集中，沿吊钩直边分布的应力值较小，此外钩尖外沿部位应力值几乎为零，这一块区域是引起吊钩自重过大的主要因素，因此是后面优化的重点部位。就分析的应变结果而言，本吊钩的应变分布情况与应力分布相对应，应力最大的部位也是吊钩发生应变最大的部位。综上可知，利用传统“弹性曲梁理论”设计出的吊钩存在较多不足，吊钩的应力分布极为不均，吊钩
46、某些部位的安全系数过大、过分安全，因此造成吊钩的体积庞大、粗笨。材料性能未能得到充分利用的问题，是引起本吊钩自重大的主要原因，在实际生产中既不经济也不能很好地提高生产效率。通过本章的有限元分析，对吊钩存在的问题有了一个较为明确的结果，为后面的有限元分析结果对比及优化设计提供了有力的依据。163吊钩结构优化设计31引言对于机械结构设计，目前所采用的设计方法仍然以传统设计方法居多，主要以直觉设计，经验设计，静态设计等为主。对本文所研究的50T起重单吊钩，也同样是在传统的静强度理论下设计的，根据长期以来总结出来的经验及利用“曲梁理论”和“极限承载能力”算法设计吊钩，所设计出来的结果虽然使其强度和安全
47、性能都能满足使用要求，但因为实际情况的复杂多变，以及设计时的盲目性和经验性，设计出的吊钩要么存在应力分布集中，安全系数过大，吊钩傻、大、粗，造成自重大，使用不灵活等问题，要么存在由于不能精确知道应力分布情况造成的吊钩使用不安全的问题。前面一系列的有限元分析计算也证实了这些问题的存在。此外，传统的强度校核还存在对危险截面的位置确定不准确的问题，因此对吊钩利用现代设计方法中的优化设计方法对其进行设计是很有必要的，这也是今后吊钩设计的必然趋势。本章利用结构优化设计中广泛采用的有限元法对50T起重单吊钩进行结构优化设计，以克服传统设计方法所存在的问题，在满足吊钩使用要求的同时，得到吊钩的最优结构，使吊
48、钩的重量最轻，使用灵活，节省制作材料和能源。32机械结构优化设计概述321结构优化设计的概念结构优化设计是利用现代优化方法和计算机对承力结构进行自动设计的一种方法。它建立在现代数学的最优理论和有限元分析以及计算机程序设计的基础上，从众多的设计序列中选出最佳的设计序列设计序列是指确定一个特定模型的所有参数的集合。优化设计分为两类一类是给出设计变量、目标函数的传统优化设计方法，称为参数优化；另一类是不需要给出优化参数的显示定义，直接将某些性质在物体上的分布作为优化目标，称为形状优化。理论上来说，设计方案任何的方面都可以进行优化，如形状、尺寸、材料特性、制造费用、支撑位置等。本设计选用第二种方法。1
49、733吊钩结构优化设计对于50吨起重单吊钩，该吊钩工作时所受到的应力远远小于其许用应力，存在吊钩过分安全的情况，本节对吊钩尺寸进行修改，形成模型后对其做有限元分析，多次修改后比较得出最优的结果，以达到减轻吊钩自重的目的。331问题描述优化设计的目的是在保证吊钩在工作应力不超过许用应力，最大变形小于或者等于许用变形的条件下，以达到重量最轻的目的。332分析方法及步骤本文采用SOLIDWORKS2010的三维图形绘制功能，对吊钩的尺寸进行修改，将图31中的三处尺寸定义为设计变量进行改动，对每一次改动后的模型进行有限元分析，最终从中选出在满足条件的情况下的变量最优组合。参照23中的步骤对优化后的模型进行有限元分析1网格划分；2定义约束和施加载荷；3模型静态结构应力、应变、位移及安全系数分析。A改进前B改进后图31改进前后的50T吊钩二维模型视图333优化后的结果分析1优化后的模型及其施加载荷图优化后的模型及其施加载荷图如图32，图33所示。18图32优化后吊钩模型图图33优化后模型施加载荷图2优化后模型静态结构应力、应变、位移及安全系数分析优化后模型静态结构应力、应变、位移及安全系数图如图34、35、36、37所示。图34优化后模型应力图图35优化后模型位移图19通过对改进后50吨吊钩进行有限元分析，得到上图所示的应力应变分布图、位移分布图以及安全系数分布图，最大应力
