大型升降系统悬臂箱体受力特性分析与结构优化

蒋伟++刘晓贵++陈民

摘 要：升降系统是整个平台的重要动力输出机构，升降系统能否正常正确的运行直接关系到整个平台的工作可靠性。该文针对升降系统中悬臂箱体在设计过程中存在的问题，建立该悬臂箱体的实体模型，采用有限元法分析壁厚为12mm的箱体在实际工况下的受力特性，并以此为依据完成箱体的结构优化，获得壁厚是8mm的箱体应力、应变分布图。本分析为该项目的设计提供了技术支持，并已经被生产实践所采纳。

关键词：悬臂箱体 有限元法 受力特性 结构优化

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

随着世界各国对能源的需求日益增加，海洋工程装备，特别是钻井平台的市场需求前景非常广阔，升降系统是海洋工程关键配套件之一，是整个平台工作的重要动力输出机构，升降系统能否正常正确的运行直接关系到整个平台的工作可靠性。

ABAQUS是一款优秀的大型通用有限元分析软件，能与多款CAD造型软件实现数据的共享和交换，在一般工业和科学研究中，得到广泛应用[1-4]。ABAQUS的建模能力不强，在建立复杂的三维实体模型时，需要耗费大量的时间和精力。SolidWorks作为当今的主流CAD/CAM软件，在三维造型领域占有重要地位。该文利用SolidWorks强大的三维建模功能建立升降系统悬臂箱体的实体模型，通过SolidWorks和ABAQUS软件的数据接口把SolidWorks中的三维实体模型导入到ABAQUS中，再进行划分网格、创建边界条件和施加载荷并完成有限元分析，此方法可以大大缩减建模所需的时间，提高分析和计算效率。

1 箱体有限元模型的建立

1.1 数学模型的建立

用有限元法求解弹性力学空间问题，先将所研究的弹性体分割为一系列的单元体，这些单元体可以是四面体、长方体、立方体、任意形状的六面体等，然后进行单元分析，并据此列出单元的势能泛函[5]：

取线性位移模式，即把单元中的位移分量取为坐标x，y，z的线性函数：

参数常应变三角形单元分析，可见式（2）中的常数，，代表刚性位移；，，代表常量正应变；其余6个系数则反映了刚体转动，即：

和常量剪应变，即：

也就是说，12个系数充分反映了单元的刚体位移和常量应变。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析软件ABAQUS的实体建模能力不够强大，对于不规则结构的物体更是很难建模，但是ABAQUS支持多种软件的数据传递和共享，这在一定程度上弥补了建模能力不强的弱点。

该文利用SolidWorks和ABAQUS相结合的方法研究某大型升降系统的悬臂箱体受力特性分析，运用SolidWorks建立升降系统悬臂箱体的实体模型，通过SolidWorks和ABAQUS软件的数据接口把三维实体模型导入到ABAQUS中，再进行划分网格、创建边界条件和施加载荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根据该平台升降系统悬臂箱体的实际工况条件，设置正确合理的边界条件和载荷施加后，即可进行有限元分析求解，获得该平台升降系统悬臂箱体的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有强大的后处理功能，能够很好的完成升降系统悬臂箱体的分析求解。提交分析JOB后的数据计算结果可在后处理模块Visualization中得到直观的变化云图。图1和图2分别是悬臂箱体壁厚为12 mm的应力和应变分布云图。

由图1可知，壁厚为12 mm的悬臂箱体应力最大值出现在靠近升降系统的箱体上表面，位于电机输入端的箱体侧板与轴承法兰板的结合处。由于悬臂箱体的外侧还要悬挂一个动力输入电机，在升降系统工作过程中，电机的转动带动悬臂减速箱中的齿轮啮合传递转矩，通过悬臂减速箱的输出轴把动力传递给升降系统，实现机构的上升和下降。在转矩的传递过程中，悬臂箱体不仅承受轴承的压力，同时受到电机输入转矩和自身重量的叠加作用。通过以上分析可以，壁厚为12 mm的悬臂箱体应力分布图与理论分析相一致，应力最大值为51.69 MPa。

图2是壁厚为12 mm的悬臂箱体应变分布图，从图中可以看出悬臂箱体在电机及自身重量的作用下，最大应变位置发生在电机输入端处，和实际结果相符，应变最大值是0.0782 mm。

3 优化设计

由于该项目的悬臂箱体材料为Q235，壁厚为12 mm的最大应力值为51.69 MPa、最大应变值为0.0782 mm，最大应力值小于箱体材料的屈服强度，最大变形量小于设计允许的最大变形量。根据以上分析结果，为了优化设计，将悬臂箱体的壁厚由原来的12 mm减少到8 mm，重新创建模型，添加边界条件和载荷，分析得到箱体壁厚为8 mm的应力、应变分布云图如图3和图4所示。

从图3和图4可以看出，悬臂箱体的壁厚由12 mm减少为8 mm后，箱体的最大应力和应变位置没有发生变化，但最大应力值从51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大应变值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，这是由于箱体的壁厚减少引起的应力、应变增大的结果。从以上的分析结果可以看出，悬臂箱体的壁厚减少了4 mm导致箱体的最大应力值和最大应变值都增大，但增大后的应力、应变值仍然在机构的允许变化范围内，该分析结果已被项目采纳。

4 结语

运用三维实体建模软件SolidWorks建立某平台升降系统悬臂箱体的实体模型，并通过转换接口导入到有限元分析软件ABAQUS中，通过设置合理的边界条件和载荷类型，完成该升降系统悬臂箱体的有限元仿真分析，得到箱体的应力、应变分布云图。由悬臂箱体分析可知，壁厚是12 mm的悬臂箱体最大应力和最大应变值都远远小于许用值，通过优化设计把壁厚改为8 mm。从有限元分析结果可知，壁厚为8 mm的升降系统悬臂箱体是可以满足项目需要的，该优化方案已经被生产实践所采纳。

运用SolidWorks和ABAQUS软件相结合的方法来进行计算机辅助设计和分析，可以省去制造物理样机，避免传统设计方法的局限性，大大缩短了新产品的设计周期，提高了工作效率，节约了大量的人力和物力。该文可以为类似产品的设计提供一种崭新的设计方法，并具有一定的指导作用。

参考文献

[1] Hidaka，Yoshioetal. Analysis of Dynamic Tooth Load on Planetary Gear [J]. Bulletin of the JSME，1980，23 （176）：315-323.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 柳忠良，陈刚.低速重载行星齿轮传动啮合特性分析[J].装备制造技术，2012（8）：27-30.

[4] 钟明，柳忠良.基于有限元的平台升降系统接触特性研究[J].中国水运，2012（12）：77-79.

[5] 毕继红，王辉.工程弹塑性力学[M].天津：天津大学出版社，2003.endprint

摘 要：升降系统是整个平台的重要动力输出机构，升降系统能否正常正确的运行直接关系到整个平台的工作可靠性。该文针对升降系统中悬臂箱体在设计过程中存在的问题，建立该悬臂箱体的实体模型，采用有限元法分析壁厚为12mm的箱体在实际工况下的受力特性，并以此为依据完成箱体的结构优化，获得壁厚是8mm的箱体应力、应变分布图。本分析为该项目的设计提供了技术支持，并已经被生产实践所采纳。

关键词：悬臂箱体 有限元法 受力特性 结构优化

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

随着世界各国对能源的需求日益增加，海洋工程装备，特别是钻井平台的市场需求前景非常广阔，升降系统是海洋工程关键配套件之一，是整个平台工作的重要动力输出机构，升降系统能否正常正确的运行直接关系到整个平台的工作可靠性。

ABAQUS是一款优秀的大型通用有限元分析软件，能与多款CAD造型软件实现数据的共享和交换，在一般工业和科学研究中，得到广泛应用[1-4]。ABAQUS的建模能力不强，在建立复杂的三维实体模型时，需要耗费大量的时间和精力。SolidWorks作为当今的主流CAD/CAM软件，在三维造型领域占有重要地位。该文利用SolidWorks强大的三维建模功能建立升降系统悬臂箱体的实体模型，通过SolidWorks和ABAQUS软件的数据接口把SolidWorks中的三维实体模型导入到ABAQUS中，再进行划分网格、创建边界条件和施加载荷并完成有限元分析，此方法可以大大缩减建模所需的时间，提高分析和计算效率。

1 箱体有限元模型的建立

1.1 数学模型的建立

用有限元法求解弹性力学空间问题，先将所研究的弹性体分割为一系列的单元体，这些单元体可以是四面体、长方体、立方体、任意形状的六面体等，然后进行单元分析，并据此列出单元的势能泛函[5]：

取线性位移模式，即把单元中的位移分量取为坐标x，y，z的线性函数：

参数常应变三角形单元分析，可见式（2）中的常数，，代表刚性位移；，，代表常量正应变；其余6个系数则反映了刚体转动，即：

和常量剪应变，即：

也就是说，12个系数充分反映了单元的刚体位移和常量应变。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析软件ABAQUS的实体建模能力不够强大，对于不规则结构的物体更是很难建模，但是ABAQUS支持多种软件的数据传递和共享，这在一定程度上弥补了建模能力不强的弱点。

该文利用SolidWorks和ABAQUS相结合的方法研究某大型升降系统的悬臂箱体受力特性分析，运用SolidWorks建立升降系统悬臂箱体的实体模型，通过SolidWorks和ABAQUS软件的数据接口把三维实体模型导入到ABAQUS中，再进行划分网格、创建边界条件和施加载荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根据该平台升降系统悬臂箱体的实际工况条件，设置正确合理的边界条件和载荷施加后，即可进行有限元分析求解，获得该平台升降系统悬臂箱体的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有强大的后处理功能，能够很好的完成升降系统悬臂箱体的分析求解。提交分析JOB后的数据计算结果可在后处理模块Visualization中得到直观的变化云图。图1和图2分别是悬臂箱体壁厚为12 mm的应力和应变分布云图。

由图1可知，壁厚为12 mm的悬臂箱体应力最大值出现在靠近升降系统的箱体上表面，位于电机输入端的箱体侧板与轴承法兰板的结合处。由于悬臂箱体的外侧还要悬挂一个动力输入电机，在升降系统工作过程中，电机的转动带动悬臂减速箱中的齿轮啮合传递转矩，通过悬臂减速箱的输出轴把动力传递给升降系统，实现机构的上升和下降。在转矩的传递过程中，悬臂箱体不仅承受轴承的压力，同时受到电机输入转矩和自身重量的叠加作用。通过以上分析可以，壁厚为12 mm的悬臂箱体应力分布图与理论分析相一致，应力最大值为51.69 MPa。

图2是壁厚为12 mm的悬臂箱体应变分布图，从图中可以看出悬臂箱体在电机及自身重量的作用下，最大应变位置发生在电机输入端处，和实际结果相符，应变最大值是0.0782 mm。

3 优化设计

由于该项目的悬臂箱体材料为Q235，壁厚为12 mm的最大应力值为51.69 MPa、最大应变值为0.0782 mm，最大应力值小于箱体材料的屈服强度，最大变形量小于设计允许的最大变形量。根据以上分析结果，为了优化设计，将悬臂箱体的壁厚由原来的12 mm减少到8 mm，重新创建模型，添加边界条件和载荷，分析得到箱体壁厚为8 mm的应力、应变分布云图如图3和图4所示。

从图3和图4可以看出，悬臂箱体的壁厚由12 mm减少为8 mm后，箱体的最大应力和应变位置没有发生变化，但最大应力值从51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大应变值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，这是由于箱体的壁厚减少引起的应力、应变增大的结果。从以上的分析结果可以看出，悬臂箱体的壁厚减少了4 mm导致箱体的最大应力值和最大应变值都增大，但增大后的应力、应变值仍然在机构的允许变化范围内，该分析结果已被项目采纳。

4 结语

运用三维实体建模软件SolidWorks建立某平台升降系统悬臂箱体的实体模型，并通过转换接口导入到有限元分析软件ABAQUS中，通过设置合理的边界条件和载荷类型，完成该升降系统悬臂箱体的有限元仿真分析，得到箱体的应力、应变分布云图。由悬臂箱体分析可知，壁厚是12 mm的悬臂箱体最大应力和最大应变值都远远小于许用值，通过优化设计把壁厚改为8 mm。从有限元分析结果可知，壁厚为8 mm的升降系统悬臂箱体是可以满足项目需要的，该优化方案已经被生产实践所采纳。

运用SolidWorks和ABAQUS软件相结合的方法来进行计算机辅助设计和分析，可以省去制造物理样机，避免传统设计方法的局限性，大大缩短了新产品的设计周期，提高了工作效率，节约了大量的人力和物力。该文可以为类似产品的设计提供一种崭新的设计方法，并具有一定的指导作用。

参考文献

[1] Hidaka，Yoshioetal. Analysis of Dynamic Tooth Load on Planetary Gear [J]. Bulletin of the JSME，1980，23 （176）：315-323.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 柳忠良，陈刚.低速重载行星齿轮传动啮合特性分析[J].装备制造技术，2012（8）：27-30.

[4] 钟明，柳忠良.基于有限元的平台升降系统接触特性研究[J].中国水运，2012（12）：77-79.

[5] 毕继红，王辉.工程弹塑性力学[M].天津：天津大学出版社，2003.endprint

摘 要：升降系统是整个平台的重要动力输出机构，升降系统能否正常正确的运行直接关系到整个平台的工作可靠性。该文针对升降系统中悬臂箱体在设计过程中存在的问题，建立该悬臂箱体的实体模型，采用有限元法分析壁厚为12mm的箱体在实际工况下的受力特性，并以此为依据完成箱体的结构优化，获得壁厚是8mm的箱体应力、应变分布图。本分析为该项目的设计提供了技术支持，并已经被生产实践所采纳。

关键词：悬臂箱体 有限元法 受力特性 结构优化

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

随着世界各国对能源的需求日益增加，海洋工程装备，特别是钻井平台的市场需求前景非常广阔，升降系统是海洋工程关键配套件之一，是整个平台工作的重要动力输出机构，升降系统能否正常正确的运行直接关系到整个平台的工作可靠性。

ABAQUS是一款优秀的大型通用有限元分析软件，能与多款CAD造型软件实现数据的共享和交换，在一般工业和科学研究中，得到广泛应用[1-4]。ABAQUS的建模能力不强，在建立复杂的三维实体模型时，需要耗费大量的时间和精力。SolidWorks作为当今的主流CAD/CAM软件，在三维造型领域占有重要地位。该文利用SolidWorks强大的三维建模功能建立升降系统悬臂箱体的实体模型，通过SolidWorks和ABAQUS软件的数据接口把SolidWorks中的三维实体模型导入到ABAQUS中，再进行划分网格、创建边界条件和施加载荷并完成有限元分析，此方法可以大大缩减建模所需的时间，提高分析和计算效率。

1 箱体有限元模型的建立

1.1 数学模型的建立

用有限元法求解弹性力学空间问题，先将所研究的弹性体分割为一系列的单元体，这些单元体可以是四面体、长方体、立方体、任意形状的六面体等，然后进行单元分析，并据此列出单元的势能泛函[5]：

取线性位移模式，即把单元中的位移分量取为坐标x，y，z的线性函数：

参数常应变三角形单元分析，可见式（2）中的常数，，代表刚性位移；，，代表常量正应变；其余6个系数则反映了刚体转动，即：

和常量剪应变，即：

也就是说，12个系数充分反映了单元的刚体位移和常量应变。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析软件ABAQUS的实体建模能力不够强大，对于不规则结构的物体更是很难建模，但是ABAQUS支持多种软件的数据传递和共享，这在一定程度上弥补了建模能力不强的弱点。

该文利用SolidWorks和ABAQUS相结合的方法研究某大型升降系统的悬臂箱体受力特性分析，运用SolidWorks建立升降系统悬臂箱体的实体模型，通过SolidWorks和ABAQUS软件的数据接口把三维实体模型导入到ABAQUS中，再进行划分网格、创建边界条件和施加载荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根据该平台升降系统悬臂箱体的实际工况条件，设置正确合理的边界条件和载荷施加后，即可进行有限元分析求解，获得该平台升降系统悬臂箱体的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有强大的后处理功能，能够很好的完成升降系统悬臂箱体的分析求解。提交分析JOB后的数据计算结果可在后处理模块Visualization中得到直观的变化云图。图1和图2分别是悬臂箱体壁厚为12 mm的应力和应变分布云图。

由图1可知，壁厚为12 mm的悬臂箱体应力最大值出现在靠近升降系统的箱体上表面，位于电机输入端的箱体侧板与轴承法兰板的结合处。由于悬臂箱体的外侧还要悬挂一个动力输入电机，在升降系统工作过程中，电机的转动带动悬臂减速箱中的齿轮啮合传递转矩，通过悬臂减速箱的输出轴把动力传递给升降系统，实现机构的上升和下降。在转矩的传递过程中，悬臂箱体不仅承受轴承的压力，同时受到电机输入转矩和自身重量的叠加作用。通过以上分析可以，壁厚为12 mm的悬臂箱体应力分布图与理论分析相一致，应力最大值为51.69 MPa。

图2是壁厚为12 mm的悬臂箱体应变分布图，从图中可以看出悬臂箱体在电机及自身重量的作用下，最大应变位置发生在电机输入端处，和实际结果相符，应变最大值是0.0782 mm。

3 优化设计

由于该项目的悬臂箱体材料为Q235，壁厚为12 mm的最大应力值为51.69 MPa、最大应变值为0.0782 mm，最大应力值小于箱体材料的屈服强度，最大变形量小于设计允许的最大变形量。根据以上分析结果，为了优化设计，将悬臂箱体的壁厚由原来的12 mm减少到8 mm，重新创建模型，添加边界条件和载荷，分析得到箱体壁厚为8 mm的应力、应变分布云图如图3和图4所示。

从图3和图4可以看出，悬臂箱体的壁厚由12 mm减少为8 mm后，箱体的最大应力和应变位置没有发生变化，但最大应力值从51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大应变值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，这是由于箱体的壁厚减少引起的应力、应变增大的结果。从以上的分析结果可以看出，悬臂箱体的壁厚减少了4 mm导致箱体的最大应力值和最大应变值都增大，但增大后的应力、应变值仍然在机构的允许变化范围内，该分析结果已被项目采纳。

4 结语

运用三维实体建模软件SolidWorks建立某平台升降系统悬臂箱体的实体模型，并通过转换接口导入到有限元分析软件ABAQUS中，通过设置合理的边界条件和载荷类型，完成该升降系统悬臂箱体的有限元仿真分析，得到箱体的应力、应变分布云图。由悬臂箱体分析可知，壁厚是12 mm的悬臂箱体最大应力和最大应变值都远远小于许用值，通过优化设计把壁厚改为8 mm。从有限元分析结果可知，壁厚为8 mm的升降系统悬臂箱体是可以满足项目需要的，该优化方案已经被生产实践所采纳。

运用SolidWorks和ABAQUS软件相结合的方法来进行计算机辅助设计和分析，可以省去制造物理样机，避免传统设计方法的局限性，大大缩短了新产品的设计周期，提高了工作效率，节约了大量的人力和物力。该文可以为类似产品的设计提供一种崭新的设计方法，并具有一定的指导作用。

参考文献

[1] Hidaka，Yoshioetal. Analysis of Dynamic Tooth Load on Planetary Gear [J]. Bulletin of the JSME，1980，23 （176）：315-323.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 柳忠良，陈刚.低速重载行星齿轮传动啮合特性分析[J].装备制造技术，2012（8）：27-30.

[4] 钟明，柳忠良.基于有限元的平台升降系统接触特性研究[J].中国水运，2012（12）：77-79.

[5] 毕继红，王辉.工程弹塑性力学[M].天津：天津大学出版社，2003.endprint