本节基于ANSYS有限元分析软件，按照悬吊平台的结构特点，在最大化地反映作业平台真实结构的主要力学特性基础上，对结构模型进行合理的简化，并定义结构单元类型及材料属性，分别在四种典型工况下施加载荷及约束进行分析计算，最后得出分析结果。

ANSYS软件可以通过使用其前处理（建模）程序来进行实体建模，但由于其建模功能比较薄弱，对于实体结构较为复杂的模型，相对来说建模难度比较大。对复杂的机械结构进行精确的仿真研究，比较实用的解决方法是用CAD软件和专业的分析软件进行联合建模。ANSYS软件可与其他大多数CAD软件进行数据传输共享和交换使用，利用该数据接口，可精确地将在其他CAD软件中生成的数据传输到ANSYS软件中。将U型悬吊平台在AutoCAD中建立实体模型，实体模型为U型平台各杆件的中心线组成，保存为∗.dxf文件，利用Algor软件将∗.dxf文件读入，并保存为∗.igex文件，最后在ANSYS软件中依次读入∗.igex文件并分别进行各层的模型处理，如图3-39所示。

图3-39 U型悬吊平台有限元线条模型

1.平台结构简化

为了避免结构过于复杂，按照平台的结构承载特点，在最大化地反映平台真实结构的主要力学特性基础上，对结构模型进行合理的简化。

1）将平台结构简化为空间梁框架结构，模型能比较全面、准确地反映平台在工作状态下的变形和应力特点。

2）把平台各个杆件焊接连接处用梁单元的同一个节点代替。

3）由于平台的梁杆单元较多，因此对底板的板壳单元需单独进行分析，这样就避免了具有不同结点自由度的梁单元和板壳单元的连接问题。

2.定义单元类型及材料属性

U型作业平台结构简化为空间梁框架结构，其结构各组成部件的材料类型均为Q235钢薄壁方管，因此在定义单元类型时选用BEAM188梁单元建立结构的有限元模型。

BEAM188梁单元是建立在Timoshenko梁分析理论基础上的，计入了剪切效应和大变形效应。BEAM188梁单元为线性单元，该单元仅有一个沿轴线方向的积分点，位于梁的中点。BEAM188梁单元在每个节点上有6个或7个自由度，其数目的变化是由KEYOPT（1）来控制的。当KEYOPT（1）=0时，每节点有6个自由度，分别是沿x、y、z的位移及绕其的转动。当KEYOPT（1）=1时，会添加第7个自由度，即翘曲量。与其他的简单梁单元相比，BEAM188梁单元尽管还是保持了“梁”的主要特征，即近似描述三维实体结构的一维构件的特点，但是ANSYS赋予BEAM188梁单元强大的横截面定义功能，改进了梁构件另外两维（横截面形状）的可视化特征。因此在定义梁单元之前要先定义梁的横截面，也可以自定义任意形状的横截面。通过使用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSET、SECWRITE和SECREAD命令可以实现建模以及后处理，空间梁单元BEAM188横截面及其上各种参数分布情况的图形显示，为U型平台中不同截面直接在ANSYS中建模提供了方便。如图3-40所示为25mm×25mm×2mm标准截面，此类截面在软件中可直接读取，而其余截面皆为写入截面。如图3-41所示为通过螺栓联接的标准节连接处截面，同理其余几个截面均为两结构件所形成的截面。

BEAM188梁单元的界面信息可以形成单元刚度矩阵，因此无需定义实参数。此外，BEAM188梁单元与其他横梁单元相比，还具有更为强大和全面的非线性分析能力。BEAM188梁单元能较为真实地反映梁结构的实际承载状况。U型平台材质主要为Q235钢，分析中定义模型的材料特性为：弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比为0.3，材料密度为7.85×103kg/m³，许用应力为117.5MPa，安全系数为2。(www.daowen.com)

3.网格划分

网格划分是进行有限元分析的基础，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，是整个建模分析中最复杂、耗时最长，却最为重要的步骤之一，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。生成节点与单元网格前，需要对单元类型、材料性质、实常数、单元坐标等进行适当的定义。网格划分的控制是用于管理实体模型结构因素的网格划分，如单元形状、中间节点位置、单元大小等。网格数量将对计算结果精度和计算规模有着直接影响。若网格粗糙，结果也许会存在比较大的误差；若网格过于精细，虽然计算精度会得到提高，但计算时间也会随之有所增长，从而增加了计算总工时，甚至可能存在由于计算机硬件条件不满足而无法完成计算的情况，所以应综合考虑这两个因素来确定网格的数量。

图3-40 底部横杆标准截面

图3-41 通过螺栓联接的标准节连接处截面

ANSYS主要提供两种网格划分的方法：自由网格和映射网格。所谓自由网格，体现在没有特定的准则，对于单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适合用于所有的模型。映射网格则要求满足一定的规则，且映射面网格只包含四边形或者三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。若想控制内部节点位置，应考虑使用映射网格。

ANSYS确定单元划分方式的命令为：MSHKEY，KEY！MSHKEY为Meshing（网格）Key之意。ANSYS默认设置KEY值取0，表示采用自由网格划分；若为1，则采用映射网格划分方式，若为2，则首先采用映射网格划分，其次采用自由网格划分。

由于U型平台结构较为简单，且计算精度要求不是很高，分析中采用自由网格划分得到的网格质量即可满足要求。U型平台划分网格后的模型如图3-42所示。

图3-42 U型平台划分网格后的模型