汽车举升机结构的承载能力研究
作 者 姓 名
专 业
指导教师姓名
专业技术职务
机械设计制造及其自动化 XX XX
目 录
摘 要 ………………………………………………………………1 第一章 绪 论………………………………………………………2
1.1设计的依据及意义………………………………………………………2
1.2汽车举升机的分类………………………………………………………2
1.3研究思路及方法…………………………………………………………3
第二章 ABAQUS技术………………………………………………… 4
2.1 ABAQUS简介…………………………………………………………… 4
2.2 ABAQUS分析模型的组成………………………………………………4
2.3 ABAQUS/CAE简介…………………………………………………………6
2.4 ABAQUS/CAE功能模块………………………………………………… 6
第三章 举升机托臂在底部时受力及变形情况………………… 8
3.1启动 ABAQUS/CAE ………………………………………………………10
3.2定义模型的几何形状……………………………………………………10
3.3定义材料和截面属性……………………………………………………13
3.4生成装配件………………………………………………………………14
3.5定义分析步和指定输出要求 ………………………………………… 15
3.6指定边界条件和施加载荷………………………………………………16
3.7网格设计：分区、生成网格和定义几何形体集 …………………… 18
3.8生成、运行和监控作业…………………………………………………20
3.9结果输出…………………………………………………………………21
第四章 举升机托臂在上升到中间位置及最高位置时受力及变形
情况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23
4.1举升机托臂在上升到1m 时的受力及变形情况„„„„„„„„„23
4.2举升机托臂在上升到最大高度1.8m 时的受力及变形情况„„„„24
第五章 结果分析…………………………………………………26 5-1应力分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26 5-2变形分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26 5-3分析改进„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28
摘 要
双柱式汽车举升机是一种汽车修理和保养单位常用的举升设备，广泛适用于汽车等小型车的维修和保养。目前，全国生产汽车举升机的厂家较多，生产的举升机的形式也比较繁多，有双柱式举升机、四柱式举升机、剪式举升机、组合移动汽车式举升机等。本文比较全面地介绍了举升机的分类，在确定了所要设计的举升机方案之后，针对举升机的结构及特点要求进行了设计与说明，然后分析了普通式双柱汽车举升机主立柱的界面特性，运用ABAQUS 软件对举升机进行建模并对其承载能力进行详细的分析，详细介绍了有限元分析的步骤。
关键词：普通式 双柱举升机 有限元 ABAQUS
ABSTRACT
Dual-column vehicle lift is a commonly used automotive repair and maintenance of lifting equipment units, widely used in cars and other small car repair and maintenance. At present, more production of automotive lift manufacturers, production is also more variety in the form of lift, a double-column lifts, four post lifts, scissor lift, the combination of mobile vehicle weight lifting l machines. This article introduces a more comprehensive classification of lift, in determining the lift of the program to be designed after the structure and characteristics for the lift requirements for the design and description, and then analyzes the general style double-column vehicle lift machine interface characteristics of the main column, the use of ABAQUS software to lift the bearing capacity model and a detailed analysis, detailed finite element analysis procedure.
Key words: ordinary type; double column lift; finite element; ABAQUS
第一章 绪 论
1.1设计的依据及意义
进入21世纪，随着近几年我国的汽车行业发展，汽车举升机作为汽车保养产品的一种，在汽车维修行业有广泛的应用，也有了适用于室内和室外实现对轿车的维修，装配，检测，清洗和停车。举升机在汽车维修养护中发挥着至关重要的作用，无论整车大修，还是小修保养，都离不开它。在规模各异的维修养护企业中，无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店），几乎都配备有举升机。举升机的重要性和普及性，决定了它是一种备受专业人士和经营管理者重视的设备。而随着我国汽车数量的巨增，作为维修保养的须具备的一种工具，举升机有广泛的市场和应用前途。私人购买成为购车的主流，售后市场也将得到蓬勃发展，举升机在未来的需求量也将不断增加，据业内专家预测，在未来三年内，举升机市场将维持在8％～12％的增长率。因此，设计出一款简单实用的举升机有很大利润，也能增加汽车维修行业的工具，减少汽车维修工人体力劳动，增加维修效率。
1.2汽车举升机的分类
汽车举升机产品种类较多，提升动力一般有液压和机械两种形式，有的二次举升采用气动。结构类型有单柱式，双柱式，四柱式和剪式等结构（如图1.1-1.4），双柱式有的采用门式结构，有的四柱式举升机作为四轮定位设备配套使用，剪式举升机一般为移动式的。而选择单柱、双柱还是四柱的举升机，或是选择立式、剪式、平板式还是子母式，或是几种类型相结合的举升机，主要是根据车间结构布局和维修中的具体需要来确定，比如举升机在车间的占地面积和高度，举升机在维修和养护中的具体用途，以及是否要与四轮定位仪配套使用等。而汽车举升机的发展趋势也将朝着自动化，智能化发展。机械式举升机基本被液压式举升机取代。对汽车保养行业而言，举升机一定要安全可靠、维护简单，否则在一定程
度上会影响工作效率。而传统的机械式举升机安全性较差，所需的维护工作较多，被液压式举升机取代也是大势所趋。据有人调查，访谈举升机生产厂商，全部转向了当前主流产品即液压式举升机，它具有安全性能好、维护周期长以及工作效率高等优点。产品智能化将不断提高。随着技术的发展，举升机在设计方面越来越智能化和人性化，将会向遥控、电脑控制方向发展。同时随着技术的不断成熟，其标准也将逐步统一化。技术先进、质量稳定的产品将占领市场。
其总的来说分类表如下表1.1：
表1.1 举升机的分类
1.3研究思路及方法
本课题主要是通过ABAQUS 软件分析汽车举升机在举升过程中各个高度的受力变形情况，从而进一步了解举升机的性能。在本课题中，第一步利用Part 模块完成举升机的三维建模，并利用Property 模块定义材料参数和截面性质。第二步利用Assembly 模块组装模型，生成装配件。第三步利用Step 模块安排分析次序，提出输出要求。第四步利用Load 模块施加载荷和边界条件。第五步利用Mesh 模块对轴承座进行有限元网格划分。第六步利用Job 模块生成一个作业并提交分析。第七步利用Visualization 模块观察分析结果。
第二章 ABAQUS技术
2.1 ABAQUS简介
ABAQUS 是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到最富有挑战性的非线性模拟问题。ABAQUS 具备十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。并与之对应拥有各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩弹性的泡沫材料以及岩石和土这样的地质材料。作为通用的模拟分析工具，ABAQUS 不仅能解决结构分析中的问题（应力/位移），还能模拟和研究各种领域中的问题，如热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热一电耦合分析）、声学分析、土壤力学分析（渗流——应力耦合分析）和压电介质力学分析。
ABAQUS 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又十分简明。最复杂的问题也可以很容易地建立模型。例如复杂的多部件问题可以通过对每个部件定义材料模型和几何形状，然后再把它们组装起来而构成。在大部分模拟分析问题中，甚至在高度非线性问题中，用户也只需要提供结构的几何形状、材料性能、边界条件和荷载工况这样的工程数据就可以进行分析。在非线性分析中，ABAQUS 能自动选择合适的荷载增量和收敛精度。不仅能选择这些参数值，而且能在分析过程中不断地调整参数来保证有效地得到高精度的解，很少需用户去定义这些参数。
2.2 ABAQUS分析模型的组成
ABAQUS 模型通常由若干不同的部件组成，它们共同描述了所分析的物理问题和所得到的结果。一个分析模型至少要具有如下的信息：几何形状、单元特性、材料数据、荷载和边界条件、分析类型和输出要求。
几何形状
有限单元和节点定义了ABAQUS 要模拟的物理结构的基本几何形状。每一个单
元都代表了结构的离散部分，许多单元依次相连就组成了结构，单元之间通过公共节点彼此相互连结，模型的几何形状由节点坐标和节点所属单元的联结所确定。模型中所有的单元和节点的集成称为网格。通常，网格只是实际结构几何形状的近似表达。
网格中单元类型、形状、位置和单元的数量都会影响模拟计算的结果。网格的密度越高（在网格中单元数量越大），计算结果就越精确。
随着网格密度增加，分析结果会收敛到唯一解，但用于分析计算所需的时间也会增加。通常，数值解是所模拟的物理问题的近似解答，近似的程度取决于模型的几何形状、材料特性、边界条件和载荷对物理问题的仿真程度。
单元特性
ABAQUS 拥有广泛的单元选择范围，其中许多单元的几何形状不能完全由它们的节点坐标来定义。例如，复合材料壳的叠层或工字型截面梁的尺度划分就不能通过单元节点来定义。这些附加的几何数据由单元的物理特性定义，且对于定义模型整体的几何形状是非常必要的。
材料数据
对于所有单元必须确定其材料特性，然而高质量的材料数据是很难得到的，尤其是对于一些复杂的材料模型。ABAQUS 计算结果的有效性受材料数据的准确程度和范围的限制。
加载和边界条件
加载使结构变形和产生应力。大部分加载的形式包括：
·点载荷
·表面载荷
·体力，如重力
·热载荷
边界条件是约束模型的某一部分保持固定不变（零位移）或移动规定量的位称（非零位移）。在静态分析中需要足够的边界条件以防止模型在任意方向上的刚体移动；否则，在计算过程中求解器将会发生问题而使模拟过程过早结束。
在计算过程中一旦查出求解器发生了问题，ABAQUS 将发出错误信息，非常重要的一件事情是，用户要知道如何解释这些ABAQUS 发出的错误信息。如果在静态
应力分析时看见警告信息“numerical singularity” (数值奇异) 或“zero pivot ”（主元素为零），必须检查模型是否全部或部分地缺少限制刚体平动或转动的约束。在动态分析中，由于结构模型中的所有分离部分都具有一定的质量，其惯性力可防止模型产生无限制的瞬时运动，因此，在动力分析时，求解过程中的警告通常提示其它的问题，如过度塑性问题。
分析类型
大多数模拟问题的类型是静态分析，即在外载作用下获得结构的长期响应。在有些情况下，可能令人感兴趣的是加载结构的动态响应：例如，在结构部件上突然加载的影响，像冲击载荷的发生，或在地震时建筑物的响应。
ABAQUS 可以实现许多不同类型的模拟，但是这本指南只涵盖两种最一般的分析类型：静态和动态的应力分析。
输出要求
ABAQUS 的模拟计算过程会产生大量的输出数据。为了避免占用大量的磁盘空间，用户可限制输出数据的数量，只要它能说明问题的结果即可。
通常用ABAQUS/CAE作为前处理工具来定义构成模型所必需的部件。
2.3 ABAQUS/CAE简介
ABAQUS/CAE是ABAQUS 进行操作的完整环境，在这个环境中，可提供简明，一致的界面来生成计算模型，可交互式地提交和监控ABAQUS 作业，并可评估计算结果。ABAQUS/CAE分为若干个功能模块，每一个功能模块定义了建模过程中的一个逻辑方面；例如，定义几何形状、定义材料性质、生成网格等等。通过功能模块到功能模块之间的切换，同时也就完成了建模。一旦建模完成，ABAQUS/CAE会生成一个输入文件，用户可把它提交给ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解器。求解器读入输入文件进行分析计算，同时发送信息给ABAQUS/CAE以便对作业的进程进行监控，并产生输出数据。最后，用户可使用可视化模块阅读输出数据，观察分析结果。用户与ABAQUS/CAE交互时，会产生一个命令执行文件，它用命令方式记录了操作的全过程。
2.4 ABAQUS/CAE功能模块
Part （部件）
用户在Part 模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具
生成部件的几何形状，也可以从其它的图形软件输入部件。
Property （特性）
截面（Section ）的定义包括了部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property 模块中，用户生成截面和材料定义，并把它们赋于(Assign)部件。
Assembly （装配件）
所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其它部件。用户可使用Assembly 模块生成部件的副本（instance ），并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。
一个ABAQUS 模型只包含一个装配件。
Step （分析步骤）
用户用Step 模块生成和配置分析步骤与相应的输出需求。分析步骤的序列提供了方便的途径来体现模型中的变化（如载荷和边界条件的变化）。在各个步骤之间，输出需求可以改变。
Interaction （相互作用）
在interaction 模块里，用户可规定模型的各区域之间或模型的一个区域与环境之间的力学和热学的相互作用，如两个表面之间的接触关系。其它的相互作用包括诸如绑定约束，方程约束和刚体约束等约束。若不在Interaction 模块里规定接触关系，ABAQUS/CAE不会自动识别部件副本之间或一个装配件的各区域之间的力学接触关系。只规定两个表面之间相互作用的类型，对于描述装配件中两个表面的边界物理接近度是不够的。相互作用还与分析步相关联，这意味着用户必须规定相互作用所在的分析步。
Load （载荷）
在Load 模块里指定载荷，边界条件和场。载荷与边界条件跟分析步相关，这意味着用户必须指定载荷和边界条件所在的分析步。有些场变量与分析步相关，而其它场变量仅仅作用于分析的开始。
Mesh （网格）
Mesh 模块包含了有限元网格的各种层次的自动生成和控制工具，从而用户可生成符合分析需要的网格。
Job （作业）
一旦完成了模型生成任务，用户便可用Job 模块来实现分析计算。用户可用Job 模块交互式地提交作业、进行分析并监控其分析过程，可同时提交多个模型进行分析并进行监控。
Visualization （可视化）
可视化模块提供了有限元模型的图形和分析结果的图形。它从输出数据中获得模型和结果信息，用户可通过Step 模块修改输出需求，从而控制输出文件的存贮信息。
Sketch （绘图）
在ABAQUS/CAE中，先绘出二维的轮廓线有助于生成部件的形状。用Skcteh 模块可直接生成平面部件，生成梁或一个子区域，也可以先生成二维轮廓线，然后用拉伸、扫掠、旋转的方式生成三维部件。
汽车举升机的承载能力分析会将按次序进入以下功能模块进行操作： Part
绘制三维维几何形状，并生成框架部件
Property
定义材料参数和框架的截面性质
Assembly
组装模型，生成装配件。
Step
安排分析次序，提出输出要求
Load
施加载荷和边界条件
Mesh
对框架进行有限元网格剖分
Job
生成一个作业并提交分析
Visualization
观察分析结果
附：双柱汽车举升机简化CAD 图
图2-1 举升机整体图
第三章 举升机托臂在底部时受力及变形情况
简化处理：
此设计重在分析其承载能力，所以很多细节都做了简化
（1） 省略了举升机的驱动装置——液压系统
（2） 非对称式托臂的结构进行较规则的对称简化处理
（3） 整个结构采用焊接，忽略了螺钉等连接的受力情况
（4） 受力均匀
3.1启动 ABAQUS/CAE
要启动ABAQUS/CAE则键入
abaqus cae
在操作系统中，abaqus 是一条命令，它在用户的系统中运行ABAQUS 。下一步是从出现的 Start Session 对话框中选择 Creat Model Database。
3.2定义模型的几何形状
建立模型的第一步总是定义它的几何形状，首先建立举升机立柱的三维变形实体。其步骤是先绘制出举升机立柱的二维轮廓图，然后进行拉伸。再通过Create solid :Extrude命令绘制其他部件的二维图，并进行拉伸。
在建模前需要确定使用哪种量纲，建议用米、秒和千克的SI 量纲，但如果愿意使用另一种量纲也可以，我们这里使用SI 量纲。
创建部件
1. 从工具栏的Module 表中选择Part 项进入部件（Part ）模块。
2. 从主菜单栏中选择PartCreate 来创建一个新部件。部件命名为jushengji ，并接收Create Part 对话框中三维、变形实体和拉伸基本特征的默认设置，在Approximate size文本栏中键入5.0，点击Continue 退出Create Part对话框。
3．用图3-1中给定的尺寸绘制连接环的轮廓图，可用下面的方法：
a．使用绘图工具栏右上角的Create Line:Connected工具，创建如图所示的轮廓，然后使用Add Dimension工具按照图中的尺寸进行尺寸标注，修改。
b.使用Cteate Isolated Point工具，在距离图最左端1.5m 处任一位置画一个点，并使用Create Construction:Vertical Line Thru Point工具过此点做一条辅助线。然后使用Mirror 工具将图3-1轮廓通过上面的辅助线进行镜像操作。
图3-1立柱轮廓
c.完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion 对话框弹出，
为了完成部件的定义，必须给出轮廓拉伸的长度。
d.在对话框中键入拉伸长度3.740m ，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示
部件。
4. 生成立柱底部的固定部分的拉伸
a.使用Create solid :Extrude工具在立柱底部添加底座，选择底面，然后选择底面的任一条边，进入二维绘图模块，绘制底座轮廓，在另一个立柱的底面绘制同样的图。
b.完成绘制轮廓图后，，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion 对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.01m ，点击Flip, 选择拉伸方向为向上，点击OK 退出
ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
4. 绘制立柱顶部覆盖面
a. 在立柱顶部添加覆盖面，使用Create solid :Extrude工具，选择顶面，然后选择顶面的任意一条边，进入编辑模块，完成立柱顶面的绘制，同样在另一个立柱绘制同样的图形。
b.完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion 对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.01m ，点击Flip, 选择拉伸方向为向下，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
5. 绘制工字梁
a.在立柱顶部添加工字梁，使用Create solid :Extrude工具，选择立柱顶面，选择任意一条边，进入编辑模块，绘制工字梁底面轮廓。完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.04m ，，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
b. 使用Create solid :Extrude工具选择顶部面，选择任意一条边，进入编辑模块，绘制工字梁中间部位轮廓。完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.04m ，，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
c.使用Create solid :Extrude工具选择顶部面，选择任意一条边，进入编辑模块，绘制工字梁顶面轮廓。完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.04m ，，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
6．绘制最低位置情况下的托臂
（1）绘制左托臂
a. 使用Create solid :Extrude工具，绘制托臂中间部分轮廓，完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.3m ，点击flip ，将拉伸方向改为向外，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
b.使用Create solid :Extrude工具，绘制托臂两侧部分轮廓，完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中
键入拉伸长度0.24m ，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。 c. 使用Create solid :Extrude工具，选择托臂的上表面及任一条边，进入绘图模块，绘制托臂端部轮廓绘制，完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion 对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.07m ，点击flip ，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
（2）绘制右托臂，与左托臂绘制方法完全相同。双柱举升机的简单三维模型就建成了如图3-2：
图3-2举升机三维图
3.3定义材料和截面属性
建立模型的下一步包括给部件定义材料和截面属性并赋于部件，变形体的每个区域必须给定一个含有材料定义的截面属性。在举升机模型中，选择材料为铸钢，其弹性模量E =200GPa，泊松比= 0.3。
定义材料属性
1．从工具栏的Module 列表中选择Property 进入属性模块.
2．从主菜单中选择Material Create 创建一个新材料的定义，并命名为 Material-1，点击Continue 。
3．在弹出的Edit Material 对话框中选择Mechanical-- Elasticity --Elastic ，在Young's Modulus域输入200E9，在Poisson's Ratio域输入0.3，点击OK 。
定义截面属性
1. 从主菜单中选择Section Create来创建一个新的截面定义。然后接收默
认的实体、均匀截面类型；并把截面命名为section-1，点击Continue 。
2. 在弹出的Edit Section 对话框中接收material-1材料，Plane
stress/strain thickness 为1.0，点击OK 。
指定截面属性
1. 从主菜单中选择 Assign Section来赋值截面性质。
2. 选择整个部件为赋值的区域。当部件被加亮时，点击Done 。
3. 在弹出的Assign Section 对话框中，接收section-1为截面定义，点击
OK 。
3.4生成装配件
装配件包含了有限单元模型中的所有几何形体，每个ABAQUS/CAE 模型只有唯一的装配件。尽管已经创建了部件，但开始时装配件是空的，必须在Assembly 模块的操作中创建一个部件的副本。
创建部件的副本:
1．从工具栏的Module 列表中选择Assembly 项进入Assembly 模块。
2．从主菜单条中选择Instance Create来创建部件中的一个副本，在弹出
的Create Instance 对话框的Parts 列表中选择jushengji ，并点击OK 。 模型的坐标方向为默认方向，整体坐标1轴沿轴承座的长度方向，整体坐标2轴是垂直方向，整体坐标3轴位于厚度方向。
3.5定义分析步和指定输出要求
下面将定义分析步，由于部件间的相互作用、荷载和边界条件都与分析步相关联，所以必须先定义分析步，在此将定义一个常规静力分析步。另外，要为分析指定输出要求。这些要求包括将结果输出到输出数据库文件(.odb)和数据文件(.dat)。
定义分析步:
1．从工具栏的Module 表中选择Step 项进入分析步(Step)模块。
2．从主菜单中选择Step Create 创建一个分析步。在出现的Create Step
对话框中命名此分析步为step-1，并接收General 过程类型。从提供的过程选项列表中接收Static ，General ，点击Continue 。
3．在弹出的Edit Step对话框中键入下叙分析步描述：Apply uniform pressure to the bracket arm，在接收缺省设置后点击OK 。
由于要使用可视化模块进行结果的后处理，所以必须指定欲输出的结果
数据到结果数据库文件中。对于每个过程类型，默认的历史输出和场输出请求被ABAQUS/CAE自动选择。编辑这些要求，使得仅有位移、应力和反力作为场数据被写入输出数据库文件。
指定输出结果到.odb 文件:
1．从主菜单中选择Output →Field Output Requests→Manager 。在Field
Output Requests Manager 中在标有Step-1的列中选择标有Created 的单
元（若它没有被选）。在对话框底部显示出已为这个分析步骤预先设置
的默认场输出结果请求的信息。
2．在对话框的右边，点击Edit 可改变场输出的要求，此时会弹出Edit Field
Output Request对话框：
a. 点击靠近Stresses 的箭头来显示有效的应力输出表，接收默认的
应力分量和不变量选择。
b. 在Forces/Reactions中，只要求输出反力结果(缺省) ，要分别关
闭集中力和力矩的输出项。
c. 关闭Strains 和Contact 项。
d. 接收默认的Displacement/Velocity/Acceleration 输出。
e. 点击OK ，然后点击Dismiss 来关闭Field Output Requests Manager
对话框。
3．通过选择OutputHistory Output RequestsManager关闭历史输出结果。
在History Output Requests Manager中在标有Step-1的列中选择标有
Created 的单元。在对话框的底部点击Delete ，接着在出现的警告对话
框中点击Yes ，最后点击Dismiss 关闭History Output Requests Manager 。
3.6指定边界条件和施加载荷
在模型中，举升机的底座需要在三个方向加以约束，实际中该区域是用螺栓与地面相连结，在ABAQUS/CAE中边界条件是施加在部件上，而不是施加于有限单元网格上，边界条件与部件之间的这种关系使得变化网格时不需要重新指定边界条件。荷载的定义与此方法相同。
指定边界条件
1．从工具栏的Module 列表中选择Load 项进入荷载模块。
2．从主菜单中选择BC Create来指定模型的边界条件，在弹出的Create
Boundary Condition对话框中，命名边界条件为BC-1，并选择Step-1作为它所施加的分析步。选择分析类别为Mechanical ，边界约束类型为Symmetry/Antisymmetry/Encastre，并点击Continue 。
3．在以下步骤中，可能需要改变视角使得选择更加容易。从工具栏中选择
Rotate View工具，并在视窗中的虚拟轨迹球上拖动光标，改变视图位置。
4．用光标选择举升机底座下表面，当视窗中所选区域加亮时，在提示区点击Done ，并在弹出的Edit Boundary Condition对话框中激活ENCASTRE ，点击OK 边界条件施加完成，如图3-3。
出现在表面上的箭头标明了所约束的自由度，固支边界条件包含了给定区域所有可动结构自由度；在完成部件网格剖分和生成作业后，这些约束将施加在箭
头所在区域的所有节点上。
图3-3举升机的固定端
举升机在托臂的前半部分的上表面承受了3.92E5Pa 的均布压力，为了正确施加荷载，部件必须被分区，使得托臂分为左部和右部。
使用分区工具箱，可把部件和组合件分割成若干区域，采用分区有多种原因；它通常是用来了指定材料边界、标明荷载和约束的位置（如此例）和细化网格的。
施加压力荷载:
我们在这里先对托臂进行简单的切割，为了不切割到工字梁，我们先将工字梁切割。
1. 使用Partition Cell: Define Cutting Plane工具把部件一分为二。这里应用3 points法定义分割平面。当提示选择点时，ABAQUS/CAE会加亮能选择的点：顶点、基准点、边中点和圆弧的圆心。选完点后，在提示区点击Create Partition ，工字梁就切割完成了。
2.使用Partition Cell：Define Cutting Plane工具，选择左立柱，选择三点切割，选择切割点，选完点后，在提示区点击Create Partition，左托臂就切割完成了，同样的方法切割右托臂。
3. 从主菜单中选择Load Create定义压力荷载，在弹出的Create Load对话框中，命名荷载为Load-1，并选择Step-1作为它所施加的分析步。接收分析类别为Mechanical 和荷载类型为Pressure ，并点击Continue 。
4. 用光标选择两个托臂前半部分的上表面，当面被选择停当之后会被加亮，在提示区点击Done 。
5.在对话框中输入值为3.92E5Pa 的均布压力，点击OK 施加荷载。
箭头出现在面的各节点上，标明了已施加荷载，如图
3-4.
图3-4施加载荷面
3.7网格设计：分区、生成网格和定义几何形体集
ABAQUS/CAE提供了多种网格生成技术去生成不同拓扑结构模型的网格。不同的网格生成技术提供了不同水平的自动化和用户控制水准，以下三种类型的网格生成技术是有效的：
①结构化网格生成技术
结构化网格生成适用于预先设置网格生成形式的特殊拓扑结构模型，然而，用这种技术生成复杂的模型的网格时，一般须把它分割成简单的区域。 ②扫掠网格生成技术
扫掠网格生成是沿扫掠路径拉伸生成网格或绕旋转轴旋转生成网格，和结构化网格生成一样，扫掠网格生成只限于具有特殊拓扑和几何形体的模型。 ③自由网格生成技术
自由网格生成是最为灵活的网格生成技术，它没有预先设置的网格生成形式，几乎适用于任意形状的模型。
在进入Mesh 模块时，ABAQUS/CAE根据将采用的网格生成方法，用颜色代码标定模型的区域：
·绿色区域表示用结构化网格生成技术生成网格。
·黄色区域表示用扫掠网格生成技术生成网格。
·粉红色区域表示用自由网格生成技术生成网格。
·桔红色区域表示不能使用默认单元类型生成网格，它必须被分区。 在这里我们采用结构化网格生成，使用这种网格生成技术时，第一步必须是对模型分区，分区完成后，一个全局网格剖分尺度将被指定，网格将被生成，最后，生成输出结果请求的几何形体组。
对举升机进行分区
1．从工具栏的Module 列表中选择Mesh 项进入网格生成模块。
部件为黄色和绿色，绿色表示用结构化网格生成技术生成网格。若要使用结构化网格生成技术，则必须进行二次分区。第一次分区的作用允许使用结构化网格生成技术，第二次分区则是为了提高网格生成的整体品质。
2．使用Partition Cell: Define Cutting Plane工具将举升机切割成规则的形状，这里应用3 Point法定义分割平面，（方法与施加载荷时的切割方法相同，由于切割的部分比较多，不一一说明了）分区完成后举升机大部分变成绿色，只有顶部少部分为黄色，对结果影响不大，就不再进一步分区了。此时基于当前的网格控制要求，已经可以在部件的所有区域使用机构化网格生成技术。
部件的整体单元剖分尺度的赋值和生成网格:
1．从快捷菜单中选择Seed Part，指定整体的单元剖分尺寸的目标为0.05，点击Apply 于是在所有的边上显示剖分符号，这些剖分符号在ABAQUS 中称为预设剖分点（seed ）。
2．从快捷菜单中选择Mesh Element Type为部件选择单元类型，由于已经进行分区，部件由几个区域组成，操作中需要考虑这个现状。
a. 用光标在整个部件周围画一个方框，因此选择了部件的所有区域，然后在提示区点击Done 。
b. 在弹出的Element Type对话框中，选择单元库为Standard ，单元族为3D Stress ，几何阶次为Linear 和单元为Hex, Reduced integration，点击OK 接受单元类型为C3D8R 的选择。
3. 从快捷菜单中选择Mesh Part，在提示区点击Yes 执行对轴承座副本的网格剖分，如图3-5。
图3-5举升机分网结构
3.8生成、运行和监控作业
生成作业：
1．从工具栏的Module 列表中选择Job 项进入作业模块。
2．选择主菜单中的Job Manager来打开Job Manager，这个管理器的应用将
会使得几个作业的相关操作更为方便。
3．在Job Manager中点击Create 创建一个名为job-1的作业，然后点击
Continue 。
4．在E dit Job对话框中键入以下描述：workshop1。
5．接收缺省的作业设置，并点击OK 。
运行作业:
1. 选择Job Manager,中的job-1作业。
2. 在Job Manager右边的按钮里点击Submit 。
出现一个对话框警告用户：对于step-1分析步没有历史输出结果的要求，可不予理睬，点击Yes 继续提交作业
3. 点击Monitor 打开Block Monitor对话框。
在对话框的顶部有一个求解过程的概要。这个概要随着分析进程会不
断地更新，分析过程中遇到的任何错误或警告都会在适当的表页中标注出来，一旦遇到错误，就要修改模型并再一次运行。一定要研究引起任一警告信息的原因，并采取适当的措施，前面已提及过，有些警告信息可安全地忽略，而另一些需要采取措施。
4. 当所有的作业执行完成后，点击Dismiss 关闭Lug Monitor对话框。
3.9结果输出
生成Mises 应力轮廓图:
从主菜单中选择Result →Field Output。弹出Field Output 对话框，在Output Variable对话框中选择S ，在Invariant 对话框中选择Miss ，点击OK 退出Field Output对话框，生成Mises 应力，如图4-6。
生成位移轮廓图:
从主菜单中选择Result →Field Output。弹出Field Output 对话框，在Output Variable对话框中选择U ，在Invariant 对话框中接受默认值，点击OK 退出Field Output对话框，生成位移轮廓图，如图3-7。
图4-6托臂在低端时的应力分布
图3-7托臂在低端时的位移分布图
第四章 举升机托臂在上升到中间位置及最高位置时受力及变
形情况
此部分步骤与第三章的基本相同，只是将两个托臂的位置进行了变动，中间位置与底面的距离为1m ，最大高度与底面的距离为1.8m 。由于分析过程与第三章基本相同，所以这里只给出了输出结果。
4.1举升机托臂在上升到1m 时的受力及变形情况
（1）生成Mises 应力轮廓图：图
4-1
图4-1托臂在中间位置应力分布图
（2）生成位移轮廓图:图4-2
图4-2托臂在中间位置位移分布图
4.2举升机托臂在上升到最大高度1.8m 时的受力及变形情况
（1）生成Mises 应力轮廓图：图
4-3
图4-3托臂在最高位置应力分布图
（2）生成位移轮廓图:图
4-4
图4-4托臂在最高位置位移分布图
第五章 结果分析
举升机托臂在举升3吨的汽车时，在三种位置的最大应力、最大位移，如表5-1：
表5-1最大应力、位移 5.1 应力分析
从第三章第四章中举升机在举升3吨的汽车时的应力分布图可看出，颜色由蓝到红表示应力越来越大，应力最大处为托臂与立柱的连接处，最大应力出现在托臂最低位置时：87.17MPa 。沿着托臂根部直至托臂端部，应力逐渐减小，根部应力最大。
5.2变形分析
从变形图中可以看出最大变形处为举升机托臂的端部，从表格数据上来看，最大变形出现在托臂上升到中间位置时的位移：1.427mm ，变形量较小，安全系数较高，满足设计要求。
5.3分析改进
从变形情况可见本次设计的产品的安全性比较高，但是在实际生产中这样的产品质量得到了保证，但是成本比较高，而且使产品显得笨重，不太实用。为了使成本降低，我们可以在设计时将托臂设计成空心的，这样不但节省了材料，而且减轻了产品的自重，对于变形的影响也很小。此外还可以通过减小托臂的厚度来改善。也可以加长托臂，可以举升更小的车辆，使举升机的应用更广泛。
参考文献
[1]. 朱以文，蔡元奇等译ABAQUS/Standard有限元软件入门指南.
[2]. 刘朝儒主编. 机械制图. 第四版. 高等教育出版社，2001.8（2005重印）
[3]. 璞良贵，纪名刚. 机械设计[M]. 8版. 北京：高等教育出版社，2005
[4] 宋一霞, 付远德. AUTOCAD精彩范例[M]. 1版. 北京：机械工业出版社，2006.2
[5] 吴宗泽，罗胜过. 机械设计课程设计手册[M]. 3版. 北京：高等教育出版社，2009.8
[6] 刘红文. 材料力学[M]. 4版. 北京; 高等教育出版社，2005.4
[7] 李柱主. 互换性与技术测量. 北京：中国计量出版社，2005,2
[8] 曾正明. 机械工程材料手册：金属材料[M]. 北京：机械工业出版社，2003
[9] 胡荣华，干泽新. 公差配合与测量[M]. 北京：清华大学出版社，2007,9
[10] 王运炎. 机械工程材料[M].3版. 北京：机械工业出版社，2008.12
山东轻工业学院2011届本科毕业设计（论文）
致谢
本论文是在XXX 的悉心指导下完成的，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。这些教导在我今后的学习和工作中将不断影响我和激励我。
感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。但愿远去的你们平平安安，留守济南的同学快快乐乐，南下工作的顺顺利利，也愿离开我们寝室的室友们开开心心。我们在一起的日子，我会记一辈子的。感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我最诚挚的谢意！
感谢各位专家的批评指导
28
汽车举升机结构的承载能力研究
作 者 姓 名
专 业
指导教师姓名
专业技术职务
机械设计制造及其自动化 XX XX
目 录
摘 要 ………………………………………………………………1 第一章 绪 论………………………………………………………2
1.1设计的依据及意义………………………………………………………2
1.2汽车举升机的分类………………………………………………………2
1.3研究思路及方法…………………………………………………………3
第二章 ABAQUS技术………………………………………………… 4
2.1 ABAQUS简介…………………………………………………………… 4
2.2 ABAQUS分析模型的组成………………………………………………4
2.3 ABAQUS/CAE简介…………………………………………………………6
2.4 ABAQUS/CAE功能模块………………………………………………… 6
第三章 举升机托臂在底部时受力及变形情况………………… 8
3.1启动 ABAQUS/CAE ………………………………………………………10
3.2定义模型的几何形状……………………………………………………10
3.3定义材料和截面属性……………………………………………………13
3.4生成装配件………………………………………………………………14
3.5定义分析步和指定输出要求 ………………………………………… 15
3.6指定边界条件和施加载荷………………………………………………16
3.7网格设计：分区、生成网格和定义几何形体集 …………………… 18
3.8生成、运行和监控作业…………………………………………………20
3.9结果输出…………………………………………………………………21
第四章 举升机托臂在上升到中间位置及最高位置时受力及变形
情况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23
4.1举升机托臂在上升到1m 时的受力及变形情况„„„„„„„„„23
4.2举升机托臂在上升到最大高度1.8m 时的受力及变形情况„„„„24
第五章 结果分析…………………………………………………26 5-1应力分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26 5-2变形分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26 5-3分析改进„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28
摘 要
双柱式汽车举升机是一种汽车修理和保养单位常用的举升设备，广泛适用于汽车等小型车的维修和保养。目前，全国生产汽车举升机的厂家较多，生产的举升机的形式也比较繁多，有双柱式举升机、四柱式举升机、剪式举升机、组合移动汽车式举升机等。本文比较全面地介绍了举升机的分类，在确定了所要设计的举升机方案之后，针对举升机的结构及特点要求进行了设计与说明，然后分析了普通式双柱汽车举升机主立柱的界面特性，运用ABAQUS 软件对举升机进行建模并对其承载能力进行详细的分析，详细介绍了有限元分析的步骤。
关键词：普通式 双柱举升机 有限元 ABAQUS
ABSTRACT
Dual-column vehicle lift is a commonly used automotive repair and maintenance of lifting equipment units, widely used in cars and other small car repair and maintenance. At present, more production of automotive lift manufacturers, production is also more variety in the form of lift, a double-column lifts, four post lifts, scissor lift, the combination of mobile vehicle weight lifting l machines. This article introduces a more comprehensive classification of lift, in determining the lift of the program to be designed after the structure and characteristics for the lift requirements for the design and description, and then analyzes the general style double-column vehicle lift machine interface characteristics of the main column, the use of ABAQUS software to lift the bearing capacity model and a detailed analysis, detailed finite element analysis procedure.
Key words: ordinary type; double column lift; finite element; ABAQUS
第一章 绪 论
1.1设计的依据及意义
进入21世纪，随着近几年我国的汽车行业发展，汽车举升机作为汽车保养产品的一种，在汽车维修行业有广泛的应用，也有了适用于室内和室外实现对轿车的维修，装配，检测，清洗和停车。举升机在汽车维修养护中发挥着至关重要的作用，无论整车大修，还是小修保养，都离不开它。在规模各异的维修养护企业中，无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店），几乎都配备有举升机。举升机的重要性和普及性，决定了它是一种备受专业人士和经营管理者重视的设备。而随着我国汽车数量的巨增，作为维修保养的须具备的一种工具，举升机有广泛的市场和应用前途。私人购买成为购车的主流，售后市场也将得到蓬勃发展，举升机在未来的需求量也将不断增加，据业内专家预测，在未来三年内，举升机市场将维持在8％～12％的增长率。因此，设计出一款简单实用的举升机有很大利润，也能增加汽车维修行业的工具，减少汽车维修工人体力劳动，增加维修效率。
1.2汽车举升机的分类
汽车举升机产品种类较多，提升动力一般有液压和机械两种形式，有的二次举升采用气动。结构类型有单柱式，双柱式，四柱式和剪式等结构（如图1.1-1.4），双柱式有的采用门式结构，有的四柱式举升机作为四轮定位设备配套使用，剪式举升机一般为移动式的。而选择单柱、双柱还是四柱的举升机，或是选择立式、剪式、平板式还是子母式，或是几种类型相结合的举升机，主要是根据车间结构布局和维修中的具体需要来确定，比如举升机在车间的占地面积和高度，举升机在维修和养护中的具体用途，以及是否要与四轮定位仪配套使用等。而汽车举升机的发展趋势也将朝着自动化，智能化发展。机械式举升机基本被液压式举升机取代。对汽车保养行业而言，举升机一定要安全可靠、维护简单，否则在一定程
度上会影响工作效率。而传统的机械式举升机安全性较差，所需的维护工作较多，被液压式举升机取代也是大势所趋。据有人调查，访谈举升机生产厂商，全部转向了当前主流产品即液压式举升机，它具有安全性能好、维护周期长以及工作效率高等优点。产品智能化将不断提高。随着技术的发展，举升机在设计方面越来越智能化和人性化，将会向遥控、电脑控制方向发展。同时随着技术的不断成熟，其标准也将逐步统一化。技术先进、质量稳定的产品将占领市场。
其总的来说分类表如下表1.1：
表1.1 举升机的分类
1.3研究思路及方法
本课题主要是通过ABAQUS 软件分析汽车举升机在举升过程中各个高度的受力变形情况，从而进一步了解举升机的性能。在本课题中，第一步利用Part 模块完成举升机的三维建模，并利用Property 模块定义材料参数和截面性质。第二步利用Assembly 模块组装模型，生成装配件。第三步利用Step 模块安排分析次序，提出输出要求。第四步利用Load 模块施加载荷和边界条件。第五步利用Mesh 模块对轴承座进行有限元网格划分。第六步利用Job 模块生成一个作业并提交分析。第七步利用Visualization 模块观察分析结果。
第二章 ABAQUS技术
2.1 ABAQUS简介
ABAQUS 是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到最富有挑战性的非线性模拟问题。ABAQUS 具备十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。并与之对应拥有各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩弹性的泡沫材料以及岩石和土这样的地质材料。作为通用的模拟分析工具，ABAQUS 不仅能解决结构分析中的问题（应力/位移），还能模拟和研究各种领域中的问题，如热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热一电耦合分析）、声学分析、土壤力学分析（渗流——应力耦合分析）和压电介质力学分析。
ABAQUS 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又十分简明。最复杂的问题也可以很容易地建立模型。例如复杂的多部件问题可以通过对每个部件定义材料模型和几何形状，然后再把它们组装起来而构成。在大部分模拟分析问题中，甚至在高度非线性问题中，用户也只需要提供结构的几何形状、材料性能、边界条件和荷载工况这样的工程数据就可以进行分析。在非线性分析中，ABAQUS 能自动选择合适的荷载增量和收敛精度。不仅能选择这些参数值，而且能在分析过程中不断地调整参数来保证有效地得到高精度的解，很少需用户去定义这些参数。
2.2 ABAQUS分析模型的组成
ABAQUS 模型通常由若干不同的部件组成，它们共同描述了所分析的物理问题和所得到的结果。一个分析模型至少要具有如下的信息：几何形状、单元特性、材料数据、荷载和边界条件、分析类型和输出要求。
几何形状
有限单元和节点定义了ABAQUS 要模拟的物理结构的基本几何形状。每一个单
元都代表了结构的离散部分，许多单元依次相连就组成了结构，单元之间通过公共节点彼此相互连结，模型的几何形状由节点坐标和节点所属单元的联结所确定。模型中所有的单元和节点的集成称为网格。通常，网格只是实际结构几何形状的近似表达。
网格中单元类型、形状、位置和单元的数量都会影响模拟计算的结果。网格的密度越高（在网格中单元数量越大），计算结果就越精确。
随着网格密度增加，分析结果会收敛到唯一解，但用于分析计算所需的时间也会增加。通常，数值解是所模拟的物理问题的近似解答，近似的程度取决于模型的几何形状、材料特性、边界条件和载荷对物理问题的仿真程度。
单元特性
ABAQUS 拥有广泛的单元选择范围，其中许多单元的几何形状不能完全由它们的节点坐标来定义。例如，复合材料壳的叠层或工字型截面梁的尺度划分就不能通过单元节点来定义。这些附加的几何数据由单元的物理特性定义，且对于定义模型整体的几何形状是非常必要的。
材料数据
对于所有单元必须确定其材料特性，然而高质量的材料数据是很难得到的，尤其是对于一些复杂的材料模型。ABAQUS 计算结果的有效性受材料数据的准确程度和范围的限制。
加载和边界条件
加载使结构变形和产生应力。大部分加载的形式包括：
·点载荷
·表面载荷
·体力，如重力
·热载荷
边界条件是约束模型的某一部分保持固定不变（零位移）或移动规定量的位称（非零位移）。在静态分析中需要足够的边界条件以防止模型在任意方向上的刚体移动；否则，在计算过程中求解器将会发生问题而使模拟过程过早结束。
在计算过程中一旦查出求解器发生了问题，ABAQUS 将发出错误信息，非常重要的一件事情是，用户要知道如何解释这些ABAQUS 发出的错误信息。如果在静态
应力分析时看见警告信息“numerical singularity” (数值奇异) 或“zero pivot ”（主元素为零），必须检查模型是否全部或部分地缺少限制刚体平动或转动的约束。在动态分析中，由于结构模型中的所有分离部分都具有一定的质量，其惯性力可防止模型产生无限制的瞬时运动，因此，在动力分析时，求解过程中的警告通常提示其它的问题，如过度塑性问题。
分析类型
大多数模拟问题的类型是静态分析，即在外载作用下获得结构的长期响应。在有些情况下，可能令人感兴趣的是加载结构的动态响应：例如，在结构部件上突然加载的影响，像冲击载荷的发生，或在地震时建筑物的响应。
ABAQUS 可以实现许多不同类型的模拟，但是这本指南只涵盖两种最一般的分析类型：静态和动态的应力分析。
输出要求
ABAQUS 的模拟计算过程会产生大量的输出数据。为了避免占用大量的磁盘空间，用户可限制输出数据的数量，只要它能说明问题的结果即可。
通常用ABAQUS/CAE作为前处理工具来定义构成模型所必需的部件。
2.3 ABAQUS/CAE简介
ABAQUS/CAE是ABAQUS 进行操作的完整环境，在这个环境中，可提供简明，一致的界面来生成计算模型，可交互式地提交和监控ABAQUS 作业，并可评估计算结果。ABAQUS/CAE分为若干个功能模块，每一个功能模块定义了建模过程中的一个逻辑方面；例如，定义几何形状、定义材料性质、生成网格等等。通过功能模块到功能模块之间的切换，同时也就完成了建模。一旦建模完成，ABAQUS/CAE会生成一个输入文件，用户可把它提交给ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解器。求解器读入输入文件进行分析计算，同时发送信息给ABAQUS/CAE以便对作业的进程进行监控，并产生输出数据。最后，用户可使用可视化模块阅读输出数据，观察分析结果。用户与ABAQUS/CAE交互时，会产生一个命令执行文件，它用命令方式记录了操作的全过程。
2.4 ABAQUS/CAE功能模块
Part （部件）
用户在Part 模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具
生成部件的几何形状，也可以从其它的图形软件输入部件。
Property （特性）
截面（Section ）的定义包括了部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property 模块中，用户生成截面和材料定义，并把它们赋于(Assign)部件。
Assembly （装配件）
所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其它部件。用户可使用Assembly 模块生成部件的副本（instance ），并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。
一个ABAQUS 模型只包含一个装配件。
Step （分析步骤）
用户用Step 模块生成和配置分析步骤与相应的输出需求。分析步骤的序列提供了方便的途径来体现模型中的变化（如载荷和边界条件的变化）。在各个步骤之间，输出需求可以改变。
Interaction （相互作用）
在interaction 模块里，用户可规定模型的各区域之间或模型的一个区域与环境之间的力学和热学的相互作用，如两个表面之间的接触关系。其它的相互作用包括诸如绑定约束，方程约束和刚体约束等约束。若不在Interaction 模块里规定接触关系，ABAQUS/CAE不会自动识别部件副本之间或一个装配件的各区域之间的力学接触关系。只规定两个表面之间相互作用的类型，对于描述装配件中两个表面的边界物理接近度是不够的。相互作用还与分析步相关联，这意味着用户必须规定相互作用所在的分析步。
Load （载荷）
在Load 模块里指定载荷，边界条件和场。载荷与边界条件跟分析步相关，这意味着用户必须指定载荷和边界条件所在的分析步。有些场变量与分析步相关，而其它场变量仅仅作用于分析的开始。
Mesh （网格）
Mesh 模块包含了有限元网格的各种层次的自动生成和控制工具，从而用户可生成符合分析需要的网格。
Job （作业）
一旦完成了模型生成任务，用户便可用Job 模块来实现分析计算。用户可用Job 模块交互式地提交作业、进行分析并监控其分析过程，可同时提交多个模型进行分析并进行监控。
Visualization （可视化）
可视化模块提供了有限元模型的图形和分析结果的图形。它从输出数据中获得模型和结果信息，用户可通过Step 模块修改输出需求，从而控制输出文件的存贮信息。
Sketch （绘图）
在ABAQUS/CAE中，先绘出二维的轮廓线有助于生成部件的形状。用Skcteh 模块可直接生成平面部件，生成梁或一个子区域，也可以先生成二维轮廓线，然后用拉伸、扫掠、旋转的方式生成三维部件。
汽车举升机的承载能力分析会将按次序进入以下功能模块进行操作： Part
绘制三维维几何形状，并生成框架部件
Property
定义材料参数和框架的截面性质
Assembly
组装模型，生成装配件。
Step
安排分析次序，提出输出要求
Load
施加载荷和边界条件
Mesh
对框架进行有限元网格剖分
Job
生成一个作业并提交分析
Visualization
观察分析结果
附：双柱汽车举升机简化CAD 图
图2-1 举升机整体图
第三章 举升机托臂在底部时受力及变形情况
简化处理：
此设计重在分析其承载能力，所以很多细节都做了简化
（1） 省略了举升机的驱动装置——液压系统
（2） 非对称式托臂的结构进行较规则的对称简化处理
（3） 整个结构采用焊接，忽略了螺钉等连接的受力情况
（4） 受力均匀
3.1启动 ABAQUS/CAE
要启动ABAQUS/CAE则键入
abaqus cae
在操作系统中，abaqus 是一条命令，它在用户的系统中运行ABAQUS 。下一步是从出现的 Start Session 对话框中选择 Creat Model Database。
3.2定义模型的几何形状
建立模型的第一步总是定义它的几何形状，首先建立举升机立柱的三维变形实体。其步骤是先绘制出举升机立柱的二维轮廓图，然后进行拉伸。再通过Create solid :Extrude命令绘制其他部件的二维图，并进行拉伸。
在建模前需要确定使用哪种量纲，建议用米、秒和千克的SI 量纲，但如果愿意使用另一种量纲也可以，我们这里使用SI 量纲。
创建部件
1. 从工具栏的Module 表中选择Part 项进入部件（Part ）模块。
2. 从主菜单栏中选择PartCreate 来创建一个新部件。部件命名为jushengji ，并接收Create Part 对话框中三维、变形实体和拉伸基本特征的默认设置，在Approximate size文本栏中键入5.0，点击Continue 退出Create Part对话框。
3．用图3-1中给定的尺寸绘制连接环的轮廓图，可用下面的方法：
a．使用绘图工具栏右上角的Create Line:Connected工具，创建如图所示的轮廓，然后使用Add Dimension工具按照图中的尺寸进行尺寸标注，修改。
b.使用Cteate Isolated Point工具，在距离图最左端1.5m 处任一位置画一个点，并使用Create Construction:Vertical Line Thru Point工具过此点做一条辅助线。然后使用Mirror 工具将图3-1轮廓通过上面的辅助线进行镜像操作。
图3-1立柱轮廓
c.完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion 对话框弹出，
为了完成部件的定义，必须给出轮廓拉伸的长度。
d.在对话框中键入拉伸长度3.740m ，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示
部件。
4. 生成立柱底部的固定部分的拉伸
a.使用Create solid :Extrude工具在立柱底部添加底座，选择底面，然后选择底面的任一条边，进入二维绘图模块，绘制底座轮廓，在另一个立柱的底面绘制同样的图。
b.完成绘制轮廓图后，，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion 对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.01m ，点击Flip, 选择拉伸方向为向上，点击OK 退出
ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
4. 绘制立柱顶部覆盖面
a. 在立柱顶部添加覆盖面，使用Create solid :Extrude工具，选择顶面，然后选择顶面的任意一条边，进入编辑模块，完成立柱顶面的绘制，同样在另一个立柱绘制同样的图形。
b.完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion 对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.01m ，点击Flip, 选择拉伸方向为向下，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
5. 绘制工字梁
a.在立柱顶部添加工字梁，使用Create solid :Extrude工具，选择立柱顶面，选择任意一条边，进入编辑模块，绘制工字梁底面轮廓。完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.04m ，，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
b. 使用Create solid :Extrude工具选择顶部面，选择任意一条边，进入编辑模块，绘制工字梁中间部位轮廓。完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.04m ，，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
c.使用Create solid :Extrude工具选择顶部面，选择任意一条边，进入编辑模块，绘制工字梁顶面轮廓。完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.04m ，，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
6．绘制最低位置情况下的托臂
（1）绘制左托臂
a. 使用Create solid :Extrude工具，绘制托臂中间部分轮廓，完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.3m ，点击flip ，将拉伸方向改为向外，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
b.使用Create solid :Extrude工具，绘制托臂两侧部分轮廓，完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion对话框弹出，在对话框中
键入拉伸长度0.24m ，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。 c. 使用Create solid :Extrude工具，选择托臂的上表面及任一条边，进入绘图模块，绘制托臂端部轮廓绘制，完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done ，Edit Base Extrusion 对话框弹出，在对话框中键入拉伸长度0.07m ，点击flip ，点击OK 退出ABAQUS/CAE绘图环境，并显示部件。
（2）绘制右托臂，与左托臂绘制方法完全相同。双柱举升机的简单三维模型就建成了如图3-2：
图3-2举升机三维图
3.3定义材料和截面属性
建立模型的下一步包括给部件定义材料和截面属性并赋于部件，变形体的每个区域必须给定一个含有材料定义的截面属性。在举升机模型中，选择材料为铸钢，其弹性模量E =200GPa，泊松比= 0.3。
定义材料属性
1．从工具栏的Module 列表中选择Property 进入属性模块.
2．从主菜单中选择Material Create 创建一个新材料的定义，并命名为 Material-1，点击Continue 。
3．在弹出的Edit Material 对话框中选择Mechanical-- Elasticity --Elastic ，在Young's Modulus域输入200E9，在Poisson's Ratio域输入0.3，点击OK 。
定义截面属性
1. 从主菜单中选择Section Create来创建一个新的截面定义。然后接收默
认的实体、均匀截面类型；并把截面命名为section-1，点击Continue 。
2. 在弹出的Edit Section 对话框中接收material-1材料，Plane
stress/strain thickness 为1.0，点击OK 。
指定截面属性
1. 从主菜单中选择 Assign Section来赋值截面性质。
2. 选择整个部件为赋值的区域。当部件被加亮时，点击Done 。
3. 在弹出的Assign Section 对话框中，接收section-1为截面定义，点击
OK 。
3.4生成装配件
装配件包含了有限单元模型中的所有几何形体，每个ABAQUS/CAE 模型只有唯一的装配件。尽管已经创建了部件，但开始时装配件是空的，必须在Assembly 模块的操作中创建一个部件的副本。
创建部件的副本:
1．从工具栏的Module 列表中选择Assembly 项进入Assembly 模块。
2．从主菜单条中选择Instance Create来创建部件中的一个副本，在弹出
的Create Instance 对话框的Parts 列表中选择jushengji ，并点击OK 。 模型的坐标方向为默认方向，整体坐标1轴沿轴承座的长度方向，整体坐标2轴是垂直方向，整体坐标3轴位于厚度方向。
3.5定义分析步和指定输出要求
下面将定义分析步，由于部件间的相互作用、荷载和边界条件都与分析步相关联，所以必须先定义分析步，在此将定义一个常规静力分析步。另外，要为分析指定输出要求。这些要求包括将结果输出到输出数据库文件(.odb)和数据文件(.dat)。
定义分析步:
1．从工具栏的Module 表中选择Step 项进入分析步(Step)模块。
2．从主菜单中选择Step Create 创建一个分析步。在出现的Create Step
对话框中命名此分析步为step-1，并接收General 过程类型。从提供的过程选项列表中接收Static ，General ，点击Continue 。
3．在弹出的Edit Step对话框中键入下叙分析步描述：Apply uniform pressure to the bracket arm，在接收缺省设置后点击OK 。
由于要使用可视化模块进行结果的后处理，所以必须指定欲输出的结果
数据到结果数据库文件中。对于每个过程类型，默认的历史输出和场输出请求被ABAQUS/CAE自动选择。编辑这些要求，使得仅有位移、应力和反力作为场数据被写入输出数据库文件。
指定输出结果到.odb 文件:
1．从主菜单中选择Output →Field Output Requests→Manager 。在Field
Output Requests Manager 中在标有Step-1的列中选择标有Created 的单
元（若它没有被选）。在对话框底部显示出已为这个分析步骤预先设置
的默认场输出结果请求的信息。
2．在对话框的右边，点击Edit 可改变场输出的要求，此时会弹出Edit Field
Output Request对话框：
a. 点击靠近Stresses 的箭头来显示有效的应力输出表，接收默认的
应力分量和不变量选择。
b. 在Forces/Reactions中，只要求输出反力结果(缺省) ，要分别关
闭集中力和力矩的输出项。
c. 关闭Strains 和Contact 项。
d. 接收默认的Displacement/Velocity/Acceleration 输出。
e. 点击OK ，然后点击Dismiss 来关闭Field Output Requests Manager
对话框。
3．通过选择OutputHistory Output RequestsManager关闭历史输出结果。
在History Output Requests Manager中在标有Step-1的列中选择标有
Created 的单元。在对话框的底部点击Delete ，接着在出现的警告对话
框中点击Yes ，最后点击Dismiss 关闭History Output Requests Manager 。
3.6指定边界条件和施加载荷
在模型中，举升机的底座需要在三个方向加以约束，实际中该区域是用螺栓与地面相连结，在ABAQUS/CAE中边界条件是施加在部件上，而不是施加于有限单元网格上，边界条件与部件之间的这种关系使得变化网格时不需要重新指定边界条件。荷载的定义与此方法相同。
指定边界条件
1．从工具栏的Module 列表中选择Load 项进入荷载模块。
2．从主菜单中选择BC Create来指定模型的边界条件，在弹出的Create
Boundary Condition对话框中，命名边界条件为BC-1，并选择Step-1作为它所施加的分析步。选择分析类别为Mechanical ，边界约束类型为Symmetry/Antisymmetry/Encastre，并点击Continue 。
3．在以下步骤中，可能需要改变视角使得选择更加容易。从工具栏中选择
Rotate View工具，并在视窗中的虚拟轨迹球上拖动光标，改变视图位置。
4．用光标选择举升机底座下表面，当视窗中所选区域加亮时，在提示区点击Done ，并在弹出的Edit Boundary Condition对话框中激活ENCASTRE ，点击OK 边界条件施加完成，如图3-3。
出现在表面上的箭头标明了所约束的自由度，固支边界条件包含了给定区域所有可动结构自由度；在完成部件网格剖分和生成作业后，这些约束将施加在箭
头所在区域的所有节点上。
图3-3举升机的固定端
举升机在托臂的前半部分的上表面承受了3.92E5Pa 的均布压力，为了正确施加荷载，部件必须被分区，使得托臂分为左部和右部。
使用分区工具箱，可把部件和组合件分割成若干区域，采用分区有多种原因；它通常是用来了指定材料边界、标明荷载和约束的位置（如此例）和细化网格的。
施加压力荷载:
我们在这里先对托臂进行简单的切割，为了不切割到工字梁，我们先将工字梁切割。
1. 使用Partition Cell: Define Cutting Plane工具把部件一分为二。这里应用3 points法定义分割平面。当提示选择点时，ABAQUS/CAE会加亮能选择的点：顶点、基准点、边中点和圆弧的圆心。选完点后，在提示区点击Create Partition ，工字梁就切割完成了。
2.使用Partition Cell：Define Cutting Plane工具，选择左立柱，选择三点切割，选择切割点，选完点后，在提示区点击Create Partition，左托臂就切割完成了，同样的方法切割右托臂。
3. 从主菜单中选择Load Create定义压力荷载，在弹出的Create Load对话框中，命名荷载为Load-1，并选择Step-1作为它所施加的分析步。接收分析类别为Mechanical 和荷载类型为Pressure ，并点击Continue 。
4. 用光标选择两个托臂前半部分的上表面，当面被选择停当之后会被加亮，在提示区点击Done 。
5.在对话框中输入值为3.92E5Pa 的均布压力，点击OK 施加荷载。
箭头出现在面的各节点上，标明了已施加荷载，如图
3-4.
图3-4施加载荷面
3.7网格设计：分区、生成网格和定义几何形体集
ABAQUS/CAE提供了多种网格生成技术去生成不同拓扑结构模型的网格。不同的网格生成技术提供了不同水平的自动化和用户控制水准，以下三种类型的网格生成技术是有效的：
①结构化网格生成技术
结构化网格生成适用于预先设置网格生成形式的特殊拓扑结构模型，然而，用这种技术生成复杂的模型的网格时，一般须把它分割成简单的区域。 ②扫掠网格生成技术
扫掠网格生成是沿扫掠路径拉伸生成网格或绕旋转轴旋转生成网格，和结构化网格生成一样，扫掠网格生成只限于具有特殊拓扑和几何形体的模型。 ③自由网格生成技术
自由网格生成是最为灵活的网格生成技术，它没有预先设置的网格生成形式，几乎适用于任意形状的模型。
在进入Mesh 模块时，ABAQUS/CAE根据将采用的网格生成方法，用颜色代码标定模型的区域：
·绿色区域表示用结构化网格生成技术生成网格。
·黄色区域表示用扫掠网格生成技术生成网格。
·粉红色区域表示用自由网格生成技术生成网格。
·桔红色区域表示不能使用默认单元类型生成网格，它必须被分区。 在这里我们采用结构化网格生成，使用这种网格生成技术时，第一步必须是对模型分区，分区完成后，一个全局网格剖分尺度将被指定，网格将被生成，最后，生成输出结果请求的几何形体组。
对举升机进行分区
1．从工具栏的Module 列表中选择Mesh 项进入网格生成模块。
部件为黄色和绿色，绿色表示用结构化网格生成技术生成网格。若要使用结构化网格生成技术，则必须进行二次分区。第一次分区的作用允许使用结构化网格生成技术，第二次分区则是为了提高网格生成的整体品质。
2．使用Partition Cell: Define Cutting Plane工具将举升机切割成规则的形状，这里应用3 Point法定义分割平面，（方法与施加载荷时的切割方法相同，由于切割的部分比较多，不一一说明了）分区完成后举升机大部分变成绿色，只有顶部少部分为黄色，对结果影响不大，就不再进一步分区了。此时基于当前的网格控制要求，已经可以在部件的所有区域使用机构化网格生成技术。
部件的整体单元剖分尺度的赋值和生成网格:
1．从快捷菜单中选择Seed Part，指定整体的单元剖分尺寸的目标为0.05，点击Apply 于是在所有的边上显示剖分符号，这些剖分符号在ABAQUS 中称为预设剖分点（seed ）。
2．从快捷菜单中选择Mesh Element Type为部件选择单元类型，由于已经进行分区，部件由几个区域组成，操作中需要考虑这个现状。
a. 用光标在整个部件周围画一个方框，因此选择了部件的所有区域，然后在提示区点击Done 。
b. 在弹出的Element Type对话框中，选择单元库为Standard ，单元族为3D Stress ，几何阶次为Linear 和单元为Hex, Reduced integration，点击OK 接受单元类型为C3D8R 的选择。
3. 从快捷菜单中选择Mesh Part，在提示区点击Yes 执行对轴承座副本的网格剖分，如图3-5。
图3-5举升机分网结构
3.8生成、运行和监控作业
生成作业：
1．从工具栏的Module 列表中选择Job 项进入作业模块。
2．选择主菜单中的Job Manager来打开Job Manager，这个管理器的应用将
会使得几个作业的相关操作更为方便。
3．在Job Manager中点击Create 创建一个名为job-1的作业，然后点击
Continue 。
4．在E dit Job对话框中键入以下描述：workshop1。
5．接收缺省的作业设置，并点击OK 。
运行作业:
1. 选择Job Manager,中的job-1作业。
2. 在Job Manager右边的按钮里点击Submit 。
出现一个对话框警告用户：对于step-1分析步没有历史输出结果的要求，可不予理睬，点击Yes 继续提交作业
3. 点击Monitor 打开Block Monitor对话框。
在对话框的顶部有一个求解过程的概要。这个概要随着分析进程会不
断地更新，分析过程中遇到的任何错误或警告都会在适当的表页中标注出来，一旦遇到错误，就要修改模型并再一次运行。一定要研究引起任一警告信息的原因，并采取适当的措施，前面已提及过，有些警告信息可安全地忽略，而另一些需要采取措施。
4. 当所有的作业执行完成后，点击Dismiss 关闭Lug Monitor对话框。
3.9结果输出
生成Mises 应力轮廓图:
从主菜单中选择Result →Field Output。弹出Field Output 对话框，在Output Variable对话框中选择S ，在Invariant 对话框中选择Miss ，点击OK 退出Field Output对话框，生成Mises 应力，如图4-6。
生成位移轮廓图:
从主菜单中选择Result →Field Output。弹出Field Output 对话框，在Output Variable对话框中选择U ，在Invariant 对话框中接受默认值，点击OK 退出Field Output对话框，生成位移轮廓图，如图3-7。
图4-6托臂在低端时的应力分布
图3-7托臂在低端时的位移分布图
第四章 举升机托臂在上升到中间位置及最高位置时受力及变
形情况
此部分步骤与第三章的基本相同，只是将两个托臂的位置进行了变动，中间位置与底面的距离为1m ，最大高度与底面的距离为1.8m 。由于分析过程与第三章基本相同，所以这里只给出了输出结果。
4.1举升机托臂在上升到1m 时的受力及变形情况
（1）生成Mises 应力轮廓图：图
4-1
图4-1托臂在中间位置应力分布图
（2）生成位移轮廓图:图4-2
图4-2托臂在中间位置位移分布图
4.2举升机托臂在上升到最大高度1.8m 时的受力及变形情况
（1）生成Mises 应力轮廓图：图
4-3
图4-3托臂在最高位置应力分布图
（2）生成位移轮廓图:图
4-4
图4-4托臂在最高位置位移分布图
第五章 结果分析
举升机托臂在举升3吨的汽车时，在三种位置的最大应力、最大位移，如表5-1：
表5-1最大应力、位移 5.1 应力分析
从第三章第四章中举升机在举升3吨的汽车时的应力分布图可看出，颜色由蓝到红表示应力越来越大，应力最大处为托臂与立柱的连接处，最大应力出现在托臂最低位置时：87.17MPa 。沿着托臂根部直至托臂端部，应力逐渐减小，根部应力最大。
5.2变形分析
从变形图中可以看出最大变形处为举升机托臂的端部，从表格数据上来看，最大变形出现在托臂上升到中间位置时的位移：1.427mm ，变形量较小，安全系数较高，满足设计要求。
5.3分析改进
从变形情况可见本次设计的产品的安全性比较高，但是在实际生产中这样的产品质量得到了保证，但是成本比较高，而且使产品显得笨重，不太实用。为了使成本降低，我们可以在设计时将托臂设计成空心的，这样不但节省了材料，而且减轻了产品的自重，对于变形的影响也很小。此外还可以通过减小托臂的厚度来改善。也可以加长托臂，可以举升更小的车辆，使举升机的应用更广泛。
参考文献
[1]. 朱以文，蔡元奇等译ABAQUS/Standard有限元软件入门指南.
[2]. 刘朝儒主编. 机械制图. 第四版. 高等教育出版社，2001.8（2005重印）
[3]. 璞良贵，纪名刚. 机械设计[M]. 8版. 北京：高等教育出版社，2005
[4] 宋一霞, 付远德. AUTOCAD精彩范例[M]. 1版. 北京：机械工业出版社，2006.2
[5] 吴宗泽，罗胜过. 机械设计课程设计手册[M]. 3版. 北京：高等教育出版社，2009.8
[6] 刘红文. 材料力学[M]. 4版. 北京; 高等教育出版社，2005.4
[7] 李柱主. 互换性与技术测量. 北京：中国计量出版社，2005,2
[8] 曾正明. 机械工程材料手册：金属材料[M]. 北京：机械工业出版社，2003
[9] 胡荣华，干泽新. 公差配合与测量[M]. 北京：清华大学出版社，2007,9
[10] 王运炎. 机械工程材料[M].3版. 北京：机械工业出版社，2008.12
山东轻工业学院2011届本科毕业设计（论文）
致谢
本论文是在XXX 的悉心指导下完成的，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。这些教导在我今后的学习和工作中将不断影响我和激励我。
感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。但愿远去的你们平平安安，留守济南的同学快快乐乐，南下工作的顺顺利利，也愿离开我们寝室的室友们开开心心。我们在一起的日子，我会记一辈子的。感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我最诚挚的谢意！
感谢各位专家的批评指导
28