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1、湖北理工学院 毕业设计（论文）摘要挖泥设备尤其是挖泥船如今在中国得到了快速的发展，在港湾建设，清理河道等方面发挥着巨大的作用。其中，挖泥船工作转台中的传动滚筒发挥着重要的作用。起到了支撑和帮助工作转台转动的功能。其性能直接影响到了挖泥船的工作运行。本论文采用了ADAMS测量出传动滚筒所受应力后运用ANSYS有限元分析软件对其进行分析，对工作转台在一个工作周期内分别应用静态分析和动态分析对传动滚筒所受的全部载荷做了全面的分析研究，通过后处理得到了传动滚筒的应力和位移云图。最终确定了传动滚筒所受应力的状况。解决了挖泥船工作转台中滚筒的实际问题。具有良好的经济效益和工程意义。首先，对传动滚筒的类型和
2、失效形式做出简单的分析，通过已知的传动滚筒的结构尺寸参数建立传动滚筒模型，然后在已建立的ADAMS船体模型的基础上添加适当的约束并运用ADAMS自身功能测量和绘制传动滚筒的应力曲线图。其次，由于在ANSYS中建立滚筒模型较麻烦，所以通过Solidworks建立传动滚筒模型并将其导入进ANSYS。最后将ADAMS测量出的应力曲线图拟合成方程函数并通过ANSYS对传动滚筒所受应力进行分析，分为瞬时动态分析和静态分析，通过后处理分别得到静态时传动滚筒在最大应力情况下的位移形变图和应力云图以及在挖泥船一个工作周期内滚筒体上某一节点所受应力随时间变化的图和在某一时刻时该节点的位移形变趋势。关键词：有限元
3、；传动滚筒；ADAMS；ABSTRACTDredging equipment has got rapid development in China, especially in dredgers. The dredger plays a significant role in the construction of harbor and the clearance of river course. The driving drum in the turntable of a dredger is especially important in working, for it supports
4、the whole turntable as well as helps it to rotate. Therefore, the performance of driving drums directly determines the working operation of dredgers. This essay analyzes the driving drum in ANSYS finite element analysis after measuring its exerted stress with ADAMS, makes a complete research on all
5、loads of it during a work cycle of the turntable in static analysis and dynamic analysis respectively, and figures out its stress and displacement contour according to Solve and Plot Result of ANSYS, which determines its stress status and benefits in resolving the practical issues of driving drums i
6、n turntables. This research is helpful to improve the economic efficiency and engineering significance of constructing dredgers as well.First, making a simple analysis about types and failure forms of drums then build drums model by dimension parameters which were detected. And add appropriate const
7、rains on the driving drums to detect and map the charts of stress and displacement. Secondly, using Solidworks builds drums model because it is little complex in ANSYS. Finally, fitting those data and graphics to functions then send them to software of ANSYS. And it figures out its deformational dis
8、placement and stress graphics under maximum stress in static time as well as that of a certain node changing with time and its trend at a certain time during a work cycle of the dredger according to Solve and Plot Result of ANSYS.Key words: Finite element analysis; Transmission drums; ADAMS目录摘要IABST
9、RACTII第一章绪 论11.1研究背景11.2国内外疏浚设备的发展及概况21.3有限元的发展与现状21.4本课题研究内容31.5滚筒有限元分析的目的和意义4第二章传动滚筒的受力分析52.1滚筒的结构与种类52.2传动滚筒失效分析62.2.1传动滚筒失效形式62.2.2传动滚筒失效的原因62.2.3传动滚筒结构尺寸及材料62.3抓斗机虚拟样机模型72.4传动滚筒静态受力分析82.4.1导入实体及引入约束条件82.4.2静态受力仿真分析结果及应力曲线图92.5传动滚筒动态受力分析102.5.1导入实体及引入约束条件112.5.2动态受力仿真分析结果及应力曲线图132.6本章小结14第三章传动滚筒
10、模型的建立153.1Solidworks建模153.1.1Solidworks的现状与发展153.1.2传动滚筒的建模过程153.2有限元模型173.2.2有限元法的分析思路及过程173.2.3ANSYS软件简介183.3传动滚筒有限元模型的建立193.3.1分析过程坐标系的选择203.3.2有限元模型建立213.3.3单元定义属性223.3.4网格划分243.4本章小结26第四章传动滚筒有限元分析274.1静态传动滚筒受力分析274.1.1约束模型274.1.2施加载荷284.1.3后处理304.2动态传动滚筒有限元分析314.2.1动态分析概述314.2.2约束模型324.2.3施加载荷及
11、后处理324.3本章小结37第五章 总结38参考文献40致谢4243第一章 绪 论1.1研究背景疏浚业在我国已经有100多年的发展历史，疏浚工程在我国的港口维护与建设，江河湖库淤泥治理，水利设施，国防建设起到了越来越重要的作用。机械疏浚始于1600年，由荷兰的鹿特丹制造出疏浚机械设备的雏形（抓斗式疏泥船）。1869 年荷兰制成吸扬式挖泥船，用于苏伊士运河工程，而我国运用疏泥设备始于1889年在黄浦江施工。如今中国的疏浚业已经具有了较大规模的发展，疏浚力量主要分布在交通，水利等部门。疏浚企业在我国近百家，各种疏浚船舶有上千艘，形成了较大规模的疏浚能力。但是由于疏浚业在中国起步较晚，资金以及技术的
12、投入不足使得疏浚技术无法得到快速的提高，导致了中国在世界上疏浚设备技术的竞争中优势较薄弱。在疏浚工程中疏浚设备的典型代表就是挖泥船。挖泥船的种类很多，从挖泥方式上可以分为机械挖泥和吸扬挖泥两大类。机械挖泥方式是用型式不同的泥斗挖泥，有抓斗式、铲斗式和斗轮式三种。抓斗式挖泥船船体呈箱型，宽度较大，以便抓斗侧转抛泥时船体不至于太大的倾斜。抓斗有多种型式可以适应不同的土质，其容积小的不足1立方米，大的可超过20立方米。抓斗式挖泥船是利用旋转式挖泥机的吊杆及钢索来悬挂泥斗；在抓斗本身重量的作用下，放入海底抓取泥土。然后开动斗索绞车，吊斗索即通过吊杆顶端的滑轮，将抓斗关闭，升起，再转动挖泥机到预定点（或
13、泥驳）将泥卸掉。挖泥机又转回挖掘地点，进行挖泥，如此循环作业。抓斗式挖泥船主要用于挖取粘土、淤泥、孵石、宜抓取细砂、粉砂。如图1.1所示。图1.1抓斗式挖泥船作为疏泥船转台中主要传动部件的滚筒，他的耐疲劳和耐磨损的程度直接影响了挖泥船的正常工作，如果该部件的刚度强度不足则会产生甚至是直接威胁人生命安全的危险。针对于滚筒的常见问题，本论文对挖泥船工作转台中的滚筒做了全面的分析，研究了滚筒的受力情况，同时运用了Solidworks对其进行建模，并且运用ANSYS瞬时动态分析对其在挖泥船不同工作状态下滚筒的受力情况做了全面的分析，主要研究了变形和所受应力的大小以及其改变的情况，最终确定传动滚筒的结构
14、尺寸及材料类型，解决了滚筒设计过程中的一些问题，具有很好的工程意义和经济价值。1.2国内外疏浚设备的发展及概况同造船业一样，疏浚业源于欧美。1660年链斗式挖泥船的雏形“泥碾船“在荷兰首创获得成功。1550年美国人制成莫尔茨将军号吸扬式挖泥船，用于开挖南卡罗来纳州查尔斯顿港的拦门沙。1869年荷兰制成吸扬式挖泥船，用于苏伊士运河工程。随着西方国家工业化和世界经济的发展，石油输运、集装箱输运，河海联运等推动了世界港口和航道的建设，疏浚设备也因此得到快速发展。如果把20世纪的疏浚划分为3个时期，那么第1个时期应是20世纪初巴拿马运河的通；第2个时期是20世纪70年代苏伊士运河的扩建和中东地区深水港
15、口的建设；第3个时期则是20世纪90年代直至今在东南亚出现的大型填海造地工程，如澳门国际机场（工岛清淤抛填砂量0.6亿立方米）、香港国际机场（疏浚土方量2.4亿5立方米）、新加坡裕廊岛吹填工程，分4期，总土方量约8亿立方米等。 新加坡现已成为国际疏浚市场的大热点。 正是这些具有世界影响力的大型基建项目，不断地推动着世界疏浚业向前发展。我国江河湖库众多，长江、黄河、淮河、海河、钱塘江等水系发达，内河航道总里程约120000,还拥有6000多个岛屿，18000大陆海岸线和14000岛屿岸线，这些资源既为水利和水建设提供了有利条件，也为疏浚业发展提供了巨大的市场需求。1.3有限元的发展与现状有限元法
16、（finite element）是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。有限单元法最早可上溯到20世纪40年代。Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St.Venant扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1960年，C
17、lough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了有限单元法，使人们认识到它的功效。50年代末60年代初，中国的计算数学刚起步不久，在对外隔绝的情况下，冯康带领一个小组的科技人员走出了从实践到理论，再从理论到实践的发展中国计算数学的成功之路。当时的研究解决了大量的有关工程设计应力分析的大型椭圆方程计算问题，积累了丰富而有效的经验。1.4本课题研究内容主要由以下四个内容：1）对传动滚筒载荷工况进行全面的分析。 2）构建传动滚筒的几何模型。 3）构建传动滚筒的有限元模型。 4）对传动滚筒进行有限元分析。滚筒的静动态力学及其结构分析。首先将挖泥船的工作状态划分为几个阶段，大的方向上为静态和动态。静态
18、中主要考虑挖泥船在水中静止时，通过理论计算找出吊臂在工作范围内以及抓斗满载荷的情况下滚筒所受到的最大应力以及位移形变。在此基础上对其进行滚筒结构尺寸以及材料的确定，通过得出的滚筒上线接触所受最大应力以及相关的公式推导。完成结构尺寸的初步基本确定后再对其进行受力分析，从而得到更加优化的尺寸结构结果。而在动态瞬时分析中，把挖泥船工作状况主要分为一下几大步骤，在水中完成抓泥提起的瞬间滚筒所受应力，受到水流动影响滚筒所受应力以及抓斗提出水面，挖泥船工作台转动时和最后完成放料再转回其工作位置时，一个工作周期的滚筒所受的应力变化的过程。通过研究其动态过程，更全面的了解不同工作状态下滚筒的受力情况，可对结构
19、尺寸进行优化改进。对滚筒进行建模。首先通过受力分析后得到的静态时和动态时所受的载荷确定其结构尺寸后，运用Solidworks创建出滚筒的三维模型，并将其转换为ANSYS可以识别的文件类型，最后导入ANSYS中作后处理并进行有限元分析。就可以得到滚筒分别在静，动态时以及不同工作状态时的应力以及应力变化曲线和其形变位移曲线，为以后滚筒的优化和改进以及对结构尺寸参数确定提供了一个比较系统完整的理论科学依据。1.5滚筒有限元分析的目的和意义随着我国国民经济的增长，疏浚业的发展，疏浚设备（主要是挖泥船）技术的提高，其中挖泥船工作转台中的滚筒起着重要的作用，他的结构尺寸是否合理，强度，刚度是否满足不同条件
20、下的工作需求，性能是否稳定都发挥着至关重要的作用。并且传动滚筒是抓斗机的主要部件，其结构和性能直接影响到抓斗机的运行。它的失效和破坏将会直接影响到抓斗机的正常工作和生产，严重时会直接威胁人的生命安全。通过传动滚筒各主要零件的应力和变形分析，解决抓斗机传动滚简设计过程中的一些实际问题，具有良好的工程意义和潜在的经济效益。第二章 传动滚筒的受力分析本章将对挖泥船工作转台中的传动滚筒做全面的受力分析，主要分为两种情况，分别为静态时传动滚筒Y方向上所受的最大的支撑力和工作转台在一个工作周期内传动滚筒所受变化的应力。从而根据传动滚筒的受力分析确定出满足结构尺寸的传动滚筒以及对初步确定的传动滚筒进行优化改
21、进。在本章还要引入ADAMS软件分别对静态和动态传动滚筒受力情况进行分析，并且测量出应力的变化并绘制应力曲线图。2.1滚筒的结构与种类滚筒为圆柱形零件，一般分为主动滚筒和从动滚筒，滚筒主要由滚动体，中心轴，滚筒壳等组成。按照受力方式划分为传动滚筒和改向滚筒；按照承载能力大小划分为轻型滚筒，中型滚筒和重型滚筒。挖泥船抓斗机与港口吊机不同，港口吊机动力源一般用电动绞车或电液绞车驱动同，吊机一般不工作在大载荷，起升和回转速度相对较慢，工作平稳。而由于挖泥船抓斗机工况复杂,载荷大，经常工作在大载荷，同时受转盘空间及中心集电环限制，传统方法无法满足设计要求，为此需研究新的功率大、效率高、尺寸小、机构简单
22、、易于实现自动控制的动力系统和传动系统，以满足挖泥机的需要。该机抓斗容量大、作业范围广，挖掘深度大,能在一些特殊性的场合(例如港口、岩石较多海域等其它挖泥船无法作业的区域)进行作业。而用于挖泥船工作转台中的为从动滚筒，为工作转台旋转时提供给足够的支撑力以及使主轴受到较小的弯矩，使其进行正常的工作。传动滚筒如2.1图所示。图2.1工作台中的传动滚筒2.2传动滚筒失效分析2.2.1传动滚筒失效形式（1）裂纹 辐板与轮毂和滚筒体之间的焊接处容易发生裂纹。（2）局部变形过大 此情况多表现为滚筒体中部向下塌陷。（3）压裂 有长期的很大的压力作用在滚筒体上，容易将滚筒体压裂破坏。（4）挤压变形 滚筒体弯曲
23、变形过大。2.2.2传动滚筒失效的原因滚筒失效原因有很多种，具体包括：结构设计的不合理其理论计算不满足实际的要求；原材料有缺陷，内部有裂纹等；焊接工艺不当，如焊接触清洗不干净，有杂物进入或者焊接时没有完整的焊接；使用不当，过载以及加速度过大；焊接后热处理工艺不对或者没有及时的进行热处理，导致焊接位置残余应力过大。（1） 裂纹产生的原因1) 圆周焊缝随温度降低，焊缝收缩，产生径向残余应力。2) 焊接时，轮毂滚筒等材料不一致，焊接工艺不到位。3) 焊接时产生融透或破口使焊缝处产生应力集中。（2） 消除措施1) 优化传动滚筒的结构尺寸设计或焊接结构设计。2) 优化或改进焊接工艺。3) 采用更加先进的
24、焊接方式并加强对有缺陷焊缝的检查。2.2.3传动滚筒结构尺寸及材料由于在实际生产的过程中，传动滚筒因不同需求和应用在不同的场合，有着不同的设计要求。因而有些传动滚筒不是标准件，因此本论文中的传动滚筒的设计要满足于挖泥船实际工作中的条件，也要满足转台基座的大小结构尺寸。根据以往对挖泥船工作转台中滚筒尺寸结构设计经验进行初步的尺寸结构确定，最后运用ANSYS对滚筒体进行静态和动态的受力分析，经过后处理后，观察传动滚筒的形变情况并绘制应力变化曲线图，根据在主要方向上的位移变形情况再对传动滚筒的尺寸结构进行优化和改进，如果经过ANSYS后处理后，传动滚筒不能满足工作要求，那么就重新对传动滚筒的结构尺寸
25、做出设计，因为本论文主要做静态和动态的分析，不对传动滚筒进行设计。已知传动滚筒的一些尺寸参数如图2.2所示，还已知壁厚为40cm，以及实际生产中传动滚筒的滚筒体多用Q235和A3钢作为材料。图2.2滚筒初步尺寸确定2.3抓斗机虚拟样机模型抓斗挖泥船在水中漂移、摆荡，其受力特点与固定式建筑物有着显著区别。由于风、浪、流等环境的多变性及锚泊系统与船体其他部分的耦合作用使得从理论上精确计算锚链张力是不可行的。锚泊系统是抓斗挖泥船的重要组成部分，锚泊系统的动态特性是影响抓斗挖泥船动态特性的重要因素，锚泊系统处理得合理与否直接影响虚拟样机模型及其仿真分析结果的正确性。本文建立ADAMS下锚泊系统的约束模
26、型，从而使抓斗机滚筒仿真模型更大程度的与实际情况相符。对于挖泥船船体的四个角利用弹簧模仿锚泊装置对挖泥船进行固定，然后利用另外四个弹簧仿真挖泥船在水中时的漂移和摆荡。将传动滚筒对于本身施加绕其轴线的旋转副，如图2.3所示。图2.3船体及滚筒体约束图利用ADAMS机械仿真系统分析它们对传动滚筒所产生的综合影响，则仿真流程如2.4图所示。图2.4仿真分析流程图2.4传动滚筒静态受力分析当挖泥船在水域中工作时，根据吊臂的长度，工作半径以及吊臂在竖直方向上的角度范围，在其工作中会产生一工作位置，即工作转台中传动滚筒受到最大应力。通过理论分析，载荷不均匀的分布在所有的传动滚筒上，利用ADAMS对此时工作
27、位置做静态分析找出受载荷最大的传动滚筒，对其受力分析并绘制出应力曲线图。2.4.1导入实体及引入约束条件当挖泥船处于使其工作转台中传动滚筒受应力最大工作位置时，也就是当吊臂和抓斗满载时且位于某个传动滚筒的正上方，并且挖泥船的吊臂在该位置上吊臂能够对该传动滚筒产生最大的弯矩，也就是当吊臂处于在竖直方向上工作范围的下限。首先，在船体与工作转台之间接触的主轴位置上添加圆柱副。如图2.5。其次，由于现在使用的ADAMS挖泥船模型曾主要用于对绳子及铰点力的模拟仿真，因此在本论文中需要在工作转台中建立传动滚筒，并且在每个传动滚筒与工作转台之间施加Contact添加如图2.6。这样ADAMS内部可将船体的基
28、座对于整个工作转台的支撑力按实际工作状态分布在每一个传动滚筒上。在Contact的设置中，SS400的刚度为2.0e11，刚度贡献值的指数金属一般取1.5，定义材料的阻尼属性通常取刚度的0.1-1%，则这里取2.0e9。指定摩擦模型为dynamic friction，且刚对刚在无润滑油的情况下的静摩擦系数和动摩擦系数分别为0.7和0.5。图2.5船体与工作转台之间添加圆柱副图2.6船体基座与工作转台之间添加Contact在对传动滚筒进行静态分析时，转台和船体之间只需要添加圆柱副，但因为只是静态分析所以不需要添加任何的运动方程。2.4.2静态受力仿真分析结果及应力曲线图在进行interactiv
29、e simulation control之前,对船体及工作转台完成约束后，通过BuildMeasureFunctionNew建立出Contact的测量点，用于对传动滚筒在静态时一个工作周期内进行应力测量，此时传动滚筒主要起支撑作用，因此此静态分析主要测量传动滚筒在Y轴方向上的应力，并绘制出应力曲线图。再输入挖泥船工作转台的工作周期及其仿真步数分别为80s和200步，最后点击start进行测量，测量后得到的应力曲线图如图2.7所示。图2.7传动滚筒Y方向受力从传动滚筒Y方向上的应力曲线图便可得到转台自重和挖泥船抓斗满载时所产生的总载荷施加在转台上所有传动滚筒后，吊臂正下方传动滚筒所受的最大应力，
30、水的波动性以及钢绳自身的弹性都会影响作用在传动滚筒上的应力大小，所以其应力是有微小变化的。2.5传动滚筒动态受力分析在动态分析中吧挖泥船在水中工作主要分为一下几个工作状态。一个完整的工作循环挖泥船在一个完整的工作周期中包括抓斗起升，工作转台旋转至卸料位置，抓斗机卸料，工作转台转动至淤泥或杂物的上方，抓斗下降。当挖泥船工作转台在转动中，受离心力的影响以及水的波动性，还有抓斗的摆动，对传动滚筒会产生附加的力，对于传动滚筒受力动态特性有着很重要的影响。工作转台工作周期如图2.8所示。而抓斗机的起升大概分为三个阶段，第一个阶段为卷筒瞬间启动时，钢绳还未达到绷紧的状态，随着钢绳不断的缩短其慢慢变的收紧，
31、其钢绳开始时受力应大于抓斗中的重物。第二阶段为挖泥船工作转台转动时，钢绳处于紧绷的状态，但是受到水的波动以及离心力的作用和抓斗的摆动使钢绳的拉力不断的变化。第三阶段为当工作转台旋转至卸料位置时，抓斗卸料后，钢绳的紧绷状态稍微得到缓解。然后利用ADAMS绘制出在一个工作周期内传动滚筒所受的应力曲线图，对其进行分析。通过对挖泥船工作时对传动滚筒受力分析，更加接近受力的真实情况，能够更准确的设计传动滚筒的结构尺寸，或对设计好的传动滚筒进行进一步的优化与改进。图2.8工作转台工作周期2.5.1导入实体及引入约束条件在此挖泥船工作的一个周期内，主要引入船体与工作转台之间的平面副和圆柱副的约束，这个步骤和
32、传动滚筒静态受力分析中的情况是一样的，不做过多说明。抓斗挖泥船作业时吊臂俯仰角度在3070度之间，可以通过改变吊臂的俯仰角度来改变作业范围。吊臂属于大尺寸构件，吊臂俯仰时会对抓斗挖泥船产生倾覆力矩，对抓斗挖泥船动态特性的影响不容忽视。仿真时抓斗机转台角速度采用函数形式输入，具体表达式为：-if(time-18.4:0,0,if(time-23.4:-0.1257/5*(time-18.4),-0.1257,if(time-30.9:-0.1257,-0.1257,if(time-35.9:0.1257/5*(time-35.9),0,if(time-44.8:0,0,if(time-49.8:
33、0.1257/5*(time-44.8),0.1257,if(time-57.3:0.1257,0.1257,if(time-62.3:-0.1257/5*(time-62.3),0,0)此外，在这一工作过程中转台转动需要在船体与转台之间添加运动条件（rotation motion）。在传动滚筒的静态受力分析中已经定义了船体与工作转台之间连接主轴为圆柱副，可以直接在主轴上（joint3）上施加旋转运，将上一段落中的抓斗机转台角速度函数具体表达式输入function中，如图2.10所示。图2.9施加转台角速度函数在这一工作周期中还涉及到吊臂角度的改变以及抓斗的提升，要分别定义吊臂与工作转台连接处
34、约束关系和运动方程还有吊臂顶端的约束以及其运动方程。所以首先定义吊臂与工作转台之间接触（joint4）为旋转副以及其旋转方程如图2.9所示。然后定义吊臂顶端（joint4）为移动副以及其运动方程方程。其仿真时抓斗速度采用函数形式输入，具体表达式为：-if(time-2:917/2*time,917,if(time-22.9:917,917,if(time-24.9:-917/2*(time-24.9),0,if(time-56.8:0,0,if(time-58.8:-1333/2*(time-56.8),-1333,if(time-72.1:-1333,-1333,if(time-75.1:1
35、333/3*(time-75.1),0,0)。如图2.11所示。图2.10吊臂与转台接触位置约束与运动方程图2.11吊臂顶端位置约束与运动方程2.5.2动态受力仿真分析结果及应力曲线图同样的和传动滚筒静态受力分析时，在完成各种约束条件和施加完运动方程函数后，吊臂正下方的传动滚筒上建立一个marker用于测量在动态过程中传动滚筒的受力情况。此时，传动滚筒不仅仅只受Y方向上的应力，还要承受一部分抓斗中的重物与工作舱自身的重量对传动滚筒的剪切力，因此测量时应该选择mac，测量出其合力对传动滚筒的影响。最后绘制出应力曲线图。最后在点击start之前设定好工作周期及步数。然后点击仿真开始并得到应力曲线图
36、如2.12示。图2.12传动滚筒动态受力分析合力从转动滚筒动态受力分析图中，在一个工作周期内，从抓斗提升到工作转台旋转至抓斗卸料，由此图可得出受力变化的情况与三个主要的工况以及钢绳的张力相符合，综合的考虑了水的波动性，抓斗的摆动对传动滚筒受力的影响。而且通过传动滚筒动态分析图与静态分析图相对比，发现当挖泥船在工作时，受到各个方面因素的影响后，对工作转台中的滚筒有较大的影响，因此转动滚筒的结构尺寸的设计需要去满足挖泥船在实际工作中的要求。2.6本章小结本章主要主要研究了两种方法对挖泥船的工作转台中的滚筒做了全面的受力分析，分别为静态和较接近实际的动态过程的方法。考虑到挖泥船实际工作中的诸多因素会
37、给传动滚筒受力带来影响，运用了ADAMS仿真机械系统软件分析传动滚筒在不同工作状态下所受应力及合力并绘制出了传动滚筒受力曲线图。最后，分析了滚筒体失效的原因以及简单介绍了防止失效的措施，最终初步确定了滚筒体的结构尺寸和所用的材料。第三章传动滚筒模型的建立3.1Solidworks建模3.1.1Solidworks的现状与发展SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套Soli
38、dWorks三维机械设计软件至今，至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、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成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWor
39、ks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。Solidworks提供了强大的基于实体建模
40、功能，用户可以通过拉伸特征，旋转特征，抽壳，放样，打孔等操作实现产品的设计，方便添加特征，修改特征。Solidworks还提供了其他相关的模块设计，如钣金设计与模具设计，以及方便强大的二次开发工具。3.1.2传动滚筒的建模过程首先将三个基准面显示出来，在右视基准面上进行草绘画出一个半径为180mm的圆，随后进行拉伸，高度为30mm，如图3.1。在拉伸好的圆面上再次进行草绘，画出半径为170mm的圆，随后进行拉伸，拉伸高度为220mm。再次在新拉伸好的圆面上进行草绘，画出一个半径为125mm的圆，确定退出草绘。点击右视基准面，再点击参考几何体选择基准面建立一个新的基准面如图3.2所示。在新的基准
41、面上草绘出一个半径为103mm的圆。下面点击遣使基准面通过三点画圆弧的命令在刚在草绘好的两个圆之间画一个半径为25mm的圆弧作为接下来放样凸台的引导线。最后分别点击最后创建草绘的圆和放样凸台的命令，再点击倒数第二个绘制好好的半径为125mm的圆，而刚才绘制的半径为25mm的圆弧作为引导线，最后得到图3.3所示。最后一步是拉伸切除初中间的轴孔，在右视基准面上进行草绘，绘制出一个半径为25mm的圆，退出草绘对其进行拉伸切除，然后可以得到图3.4最终根据上一章节中确定出的滚筒体壁厚对现在建立的模型进行抽壳，最终得到传动滚筒的完整模型，如图3.5所示。3.1圆台的建立3.2基准面的建立3.3放样凸台的
42、建立3.4轴孔拉伸切除的建立3.5抽壳后完整模型3.2有限元模型3.2.2有限元法的分析思路及过程步骤1：结构离散化结构离散化包括了单元划分和单元类型的选择，是将单元分为有限个小单元体，以有限个单元集合代替以前的连续体，并且结构的离散化是有限元分析的第一步，其结构离散化关系到后处理中的计算精度和计算效率。单元之间通过单元节点相连接，由单元，单元节点，单元节点之间的连线所构成的称为网格。通常把二维问题划分为三角形和四边形的单元，而三维问题通常划分为六面体或四面体。步骤2：单元分析首先单元分析中包括了选择位移函数，单元特性分析，单元应力矩阵和单元刚度矩阵。利用分片插值，即将分割单元中任意点的未知函
43、数用该分割单元中形状函数及离散，网格点上的函数值展开，即建立一个线性插值函数。利用应变和位移的几何关系推算出单元节点位移矩阵。同样利用平衡条件推导出刚度矩阵。步骤3：整体分析整体分析包括了集成整体节点载荷向量，集成体刚度方程以及解方程组和输出计算。用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限个单元：杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状（如三角形、四边形、六面体等）的单元体。所有集中在单元上的集中力都会等效到节点上形成载荷，按整体节点顺序形成节点在和向量。最后集合刚度方程，引进边界约束条件，再根据节点位移，求
44、出单元应变和应力。3.2.3ANSYS软件简介ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及
45、优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。而且大多数的ANSYS分析过程都采用了一个主要的流程，如图3.6所示。3.6 ANSYS分析流程图3.3传动滚筒有限元模型的建立ANSYS建模是由先建立点，然后再通过点构成线，然后由先生成面，最后面拉伸成体的过
46、程来建立3D模型的。有限元建立的模型与机械系统的几何外形是基本保持一致的。当然ANSYS有限元法建立模型分为直接建立模型和间接建立模型，直接建立模型就是应用ANSYS自身带的软件工具在其界面里直接建立模型，这类方法试用于一些结构简单的模型建立。而简介建立法是通过第三方机械系统仿真软件进行模型的建立，如Pro/engineer，或者Solidworks等机械系统仿真软件，这类软件适用于一些结构形状比较复杂的模型建立，但是在这些第三方软件导入的过程中容易丢失一些元素，这应当注意。应用ANSYS有限元分析软件建模时，还分为自上向下建模（Top-down）和自下向上建模(Bottom-up)。Bott
47、om up 是从零件设计开始的，有经验的设计者能考虑零件中各个间的关联，但不能充分考虑零件与零件或部件间的关系，这种关系是在零件建模完成后通过部件表达式关联、部件间几何关系建立。Bottom up也就是自下而上的建模方式，设计方法便于思考，可以从有到无的思维，可将目标产品分割成为基本的单元，再对单元进行设计，大大简化了设计强度，适用于复杂零件曲面建模。但是存在多零件由不同部门，不同的人员，分工进行，对产品的建模缺乏系统的分析，产品中零件间，部件间关联的建立就显得很困难，无法进行统一有序的管理，也使得设计的模型要求无法实施。这源于其思路为先设计好各个零件，然后对这些零件进行装配，如果在装配过程中
48、发现某些零件不符合要求，诸如零件与零件之间产生干涉、某一零件无法进行装配才对零件进行重新的设计和重新的装配。Top Down 也就是自上而下的建模思路，这种方法是在产品整机设计的最初阶段就从产品系统构成的最高层面来考虑总体设计和功能性设计，这种方法是从产品的最顶层开始把组成整机的部件作为系统的一个零件来考虑，并根据其产品位置关系中所起的作用和实现的功能等来建立产品的模型。通过给定的设计约束条件、关键参数等设计信息，集中的捕捉产品整机的设计意图，自上而下的传递所给的信息，展开产品的设计过程。ANSYS建模的基本原则：1.结构准确，在建模前要有整体规划，能够充分的利用结构的对称性。2.删除一些对整体后处理计算时影响比较小的细节，可以节省大量的计算时间，但是删除这些细节后模型要切合实际。3.尽量选择合适的单