摩天轮结构有限元模型的建模方法
【专利摘要】本发明公开一种摩天轮结构有限元模型的建模方法，其包括如下步骤：首先要确定单元类型，单元需在保证计算精度前提下，达到提高计算效率、缩短计算时间的目的，所述单元类型包括实体单元、壳单元、杆单元、管单元、梁单元以及质量单元；参数化模型建立后，需对摩天轮模型进行网格划分得到有限元模型。本发明通过摩天轮结构有限元模型的建模方法，进而准确、高效进行摩天轮结构分析。
【专利说明】摩天轮结构有限元模型的建模方法
[0001]【技术领域】:
本发明涉及一种摩天轮结构有限元模型的建模方法，其属于数值计算方法领域。
[0002]【背景技术】:
有限单元法FEM(Finite Element Method)简称有限元法,属于一种数值计算方法,该方法是建立在加权余量法和变分原理基础上的。通过将计算区域离散为互不重叠的有限个单元，并且选择一定数量的节点作为插值点求解函数，将微分方程中的变量转换成插值函数的线性表达式，利用加权余量法或变分原理，将微分方程进行离散求解。
[0003]
【发明内容】
:
本发明的目的在于:提供一种摩天轮结构有限元模型的建模方法，其是准确、高效进行摩天轮结构分析的关键手段。
[0004]本发明采用如下技术方案:一种摩天轮结构有限元模型的建模方法，其包括如下步骤
步骤一:首先要确定单元类型，单元需在保证计算精度前提下，达到提高计算效率、缩短计算时间的目的，所述单元类型包括实体单元、壳单元、杆单元、管单元、梁单元以及质量单元；
步骤二:参数化模型建立后，需对摩天轮模型进行网格划分得到有限元模型。
[0005]进一步地，在对摩天轮的模型进行网格划分时，首先需要确定网格划分的方式和网格的尺寸，进而确保有限元模型分析的效率和结果准确性。
[0006]本发明具有如下有益效果:本发明通过摩天轮结构有限元模型的建模方法，进而准确、高效进行摩天轮结构分析。
[0007]【专利附图】
【附图说明】:
图1为本发明为摩天轮有限元模型。
[0008]【具体实施方式】:
本发明在摩天轮有限元模型建立之前，首先要确定单元类型。在有限元分析中单元的选取是一个十分重要的操作步骤，在确定单元类型之前要进行全面的考虑分析问题的一般性和特殊性(如耦合分析、非线性分析和瞬态分析等)的要求，单元需在保证计算精度前提下，达到提高计算效率、缩短计算时间的目的。选择合适的单元类型是准确、高效进行结构分析的关键手段之一。在ANSYS软件中所提供的单元类型有190多种，但在机械方面常用的单元类型只有最基本的几种，例如实体单元、壳单元、杆单元、管单元、梁单元以及质量单元等。
[0009]以下将对本文中所涉及的几种特殊单元类型的单元特性、功能、自由度、应用场合等进行简要的说明:
1、集中质量单元
集中质量单元在ANSYS中只有MASS21单元一种单元类型,该单元为点单元,并且具有六个自由度，分别可以绕X，y，z三个坐标轴进行转动，也可以沿坐标轴X，y, z的三个方向进行平动，并且在每个自由度方向上的质量和转动惯量值均可以自由设置，通过结构质量单元MASS21能够更加真实的模拟部件质量的大小和分布状况。
[0010]2、壳单元
壳单元有多种单元类型，主要包括SHELL43、SHELL63、SHELL91和SHELL93等，本文选用SHELL63单元作为薄壁结构建模单元，该单元具有弯曲和薄膜两种功能，面内和法向两种载荷均可以加载，SHELL63单元的每个节点均有六个自由度，分别可以绕x，y，z三个坐标轴进行转动，也可以沿坐标轴X，1，z的三个方向进行平动。该单元每年包括大变形和应力钢化功能，并且在大变形分析中，可以用相同的切向刚度矩阵。
[0011]3、杆单元
ANSYS 中提供的杆单元有 LINK1，LINK8, LINK10, LINK32, LINK33, LINK180，六种其中LINKl为二维杆单元，LINK8和LINKlO为三维杆单元，此三种单元为机械分析中常用单元，本文选用了 LINKlO单元作为杆件和绳索的建模，LINKlO单元具有双线性刚度特性，可以通过单元设置成为轴向仅受拉或仅受压在每个节点上有3个自由度:只能沿节点坐标系X、y >z三个方向进行平动。本单元都不包括弯曲刚度，只有拉压刚度。LINK8单元不承受弯矩，但具有大变形、应力钢化、塑性、膨胀及大应变等功能本单元具有大变形和应力刚化功能，每个节点上也具有3个自由度即:沿节点坐标系x、y、z三个方向进行平动。
[0012]4、梁单元
ANSYS 中有七八种梁单元，主要有 BEAM3，BEAM23, BEAM24, BEAM44, BEAM188, BEAM189,梁是一种在几何形式上为一维但是空间上为二维或者三维的结构单元。梁单元主要用于模拟杆件的横截面尺寸小于长度尺寸的细长的结构。梁单元本身不支配梁理论的适用性，但可以进行任意的网格划分。本文选用的梁单元为BEAM188单元，该单元适合于分析从中等短粗梁结构到细长梁结构。
[0013]BEAM188为三维线性两节点梁单元，每一个节点有六到七个自由度，节点坐标系的x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。对关键选项进行设置，这时BEAM188的节点就产生了第七个自由度，这个自由度为横截面的翘曲但通常情况下不适用这种自由度选项。
[0014]BEAM188单元适合于单元的角度转动以及线性或非线性的大应变问题。BEAM188单元除了可以使用ANSYS自带梁单元截面形状外，还可以自定义任意梁截面形状，便于更加真实的分析模拟计算。
[0015]5、实体单元
ANSYS 中有六种实体单元，主要有 S0LID45, S0LID46, S0LID64, S0LID65, S0LID72,S0LID90，S0LID92单元，本文选用做实体建模的实体单元为S0LID45单元，该单元为八个节点六面的单元结构，该单元的每一个节点具有3个自由度:节点坐标系的x、y、z方向的平动。本单元具有应力刚化、大应变、大变形、膨胀、塑性和蠕变等等功能。
[0016]6、接触副单元
本专利在进行摩天轮建模时轮轴轴承部分的接触位置使用了接触副单元，接触对单元是由一对目标面和接触变形面组成的，一般是由TARGE170与其他各种相关的接触单元共同使用，例如C0NTA173和C0NTA174等单元。本专利所选用接触副单元是TARGE170和CONTA174组合，TARGE170是表示三维目标表面,在该目标单元上可以施加旋转或平动位移，也可以施加力和力矩；C0NTA174是用来表示目标面TARGE170和本单元所定义的变形面之间的接触和滑移的状态，该单元具有三个自由度:沿节点坐标系x、y、z方向的平动。
[0017]由于接触单元在有限元的模型下容易出现穿透情况，在导师的指导下本项目中的接触单元采用特殊的方法处理后可完全消除穿透情况。
[0018]单元的选取是否合适合理将直接影响有限元模型的分析计算的结果，由于摩天轮结构的模型较复杂，因此在建模时，摩天轮的部分结构做了简化调整，对于厚度较小的实体和部件的外壳等部分选用了壳单元；轮辐、轮缘与人字架结构采用梁单元进行建模；中轴部分采用了实体单元建模；轮辐索结构采用了杆单元建模，由于座舱部分不属于本次结构的主要分析内容所以将座舱部分简化为质量单元，仅作为加载载体作为考虑。
[0019]根据摩天轮的结构特点和载荷特性，本专利采用的单元有实体单元S0LID45、三维壳单元SHELL63、空间梁单元BEAM188、杆单元LINK8。本专利中内外轮缘、轿箱支架轮辐结构等等均采用空间梁单元BEAM188进行模拟；轿箱自重采用集中质量单元MASS21进行模拟，平均施加在轿箱支架横梁之上；内外轮缘间支撑杆采用空间杆单元LINK8进行模拟；轮辐索采用空间单向受力杆单LINKlO进行模拟，主轴等其他部件均采用实体单元S0LID45进行模拟。
[0020]摩天轮结构部件采用不同的金属材料制成，为了模拟相关构件的载荷的真实性，分析计算之前要对摩天轮各个构件赋予相应的材料属性，分析时各个结构件在模型里等效为密度均匀的材料，摩天轮的各部位材料型号和材料特性如表1-1所示。
[0021]表1-1摩天轮结构部件和附件材料特性
【权利要求】
1.一种摩天轮结构有限元模型的建模方法，其特征在于:包括如下步骤 步骤一:首先要确定单元类型，单元需在保证计算精度前提下，达到提高计算效率、缩短计算时间的目的，所述单元类型包括实体单元、壳单元、杆单元、管单元、梁单元以及质量单元； 步骤二:参数化模型建立后，需对摩天轮模型进行网格划分得到有限元模型。
2.如权利要求1所述的摩天轮结构有限元模型的建模方法，其特征在于:在对摩天轮的模型进行网格划分时，首先需要确定网格划分的方式和网格的尺寸，进而确保有限元模型分析的效率和结果准确性。
【文档编号】G06F17/50GK103745038SQ201310720692
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】王虎奇, 张琦 申请人:广西科技大学