（机械电子工程专业论文）卸船机前大梁结构的数字化设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：和相易导师( 签名) ：锄备 日期 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 工程机械类软件二次开发的目的就是拓宽原软件系统的应用范围，满足用 户的特定要求，增加软件系统的功能，并以此为工具来辅助具体的设计【l 】。本文 将应用目前普遍使用的工程软件p r o e n g i n e e r 和有限元分析软件a n s y s 与桥 式抓斗卸船机的结构设计、校核相结合，研究出一套以经验设计为起点，结合 有限元结构分析并校核，然后对设计进行优化的卸船机整机结构“设计、校核、 优化 数字化设计方案。 在桥式抓斗卸船机中，金属结构是支撑整个机械的重要部分。由于近年来 钢铁的原材料铁矿石的价格不断攀升，使得钢材的价格也不断上涨，这就要求 设计卸船机结构的工作人员在设计的过程中除了考虑结构本身，还需要特别考 虑材料的使用量以及结构的优化。传统的设计方式由于存在不少缺点，诸如需 要耗费较多的人力，耗时较多，设计单纯依靠经验等，已经越来越不能满足现 代企业的要求。本文提出的数字化设计则可以在一定程度上解决上述问题。 本文首先介绍了卸船机整机的结构特点。通过对整机结构进行分析发现卸 船机各主要结构件均由箱型截面梁组成，故在后续的工作中选择具有代表性同 样也是最复杂的前大梁结构进行数字化设计。 本文以p r o e n g i n e e r 软件以及a n s y s 软件作为平台，严格按照起重机设计 规范g b t3 8 1 1 - 2 0 0 8 t 2 】进行设计。首先介绍了p r o e n g i n e e r 二次开发方法以及 二次开发程序p r o t o o l k i t 的部分重要概念，并在此基础上运用m i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o2 0 0 8 ( v s 2 0 0 8 ) 编程工具，以p r o t o o l k i t 为主体，采用动态链接库d l l 方 式实现了p r o e n g i n e e r 软件、p r o t o o l k i t 工具和v s 2 0 0 8 工具三者间的通信。 在尺寸示意图的提示下，设计人员可以按照强度设计理论依据相关经验输入数 据，系统开始工作就无需设计人员参与。这样一来，设计人员可以非常方便、 快捷的将自己的设计理念变成模型，从而达到节省时间和精力的目的。 当模型生成后，可以通过事先设定好的接口程序将p r o e n g i n e e r 中的三维 模型导入a n s y s 软件中进行有限元分析处理。将分析得出的强度、刚度以及疲 劳强度等数据与起重机设计规范中的要求进行对比，可以得到设计是否符合规 范，以及是否需要进行优化等结论。接下来本文给出了一种基于m a t l a b 的优 化方法，经过该方法优化后的模型承受的应力分布更平均，前大梁总质量更轻， 武汉理工大学硕士学位论文 且该模型满足起重机设计规范的刚度要求和疲劳强度要求。 从目前基于p r o e n g i n e e r 软件的二次开发现状来看，绝大多数应用者将目 光集中在零件设计以及小构件或部件设计上，本人认为今后的发展可以向大型 机构例如卸船机或岸边集装箱起重机等的整机设计发展，以达到整机机构、结 构全面的数字化设计。 关键词：桥式抓斗卸船机，数字化设计，p r o t o o l k i t ，优化设计； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ss o f t w a r ei so r d e rt o b r o a d e ni t ss c o p eo fa p p l i c a t i o nt om e e tt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fb s e r sa n dt o i n c r e a s et h ef u n c t i o n a l i t yo fs o f t w 8 1 es y s t e m s ，t om a k ei ta sat o o lt oa s s i s tt h e s p e c i f i cd e s i g n t h ea r t i c l ew i l ln s et h ee n g i n e e r i n gs o f t w a r ep r o e n g i n e e ra n dt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st od e s i g na n dv e r i f i c a t et h es t r u c t u r a lo f b r i d g es h i p - u n l o a d e r , d e v e l o p e das e to fd e s i g na su s e f u le x p e r i e n c e ，c o m b i n e d w i t hf i n i t ee l e m e n ts t r u c t u r a la n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o n , a n do p t i m i z a t i o no f t h ed e s i g n s t r u c t u r eo fs h i p - u n l o a d e rt od e s i g nas e t o f ”d e s i g n , v e r i f i c a t i o n , o p t i m i z a t i o n d i g i t a ld e s i g ns y s t e m i nt h eb r i d g es h i p u n l o a d e r , t h em e t a ls t r u c t u r es u p p o r t st h ew h o l em a c h i n e w i t h t h er i s i n go fi r o no r e sp r i c e ，t h ep r i c eo fs t e e li sa l s or i s i n gi nr e c e n ty e a r s ，w h i c h r e q u i r e sd e s i g n e r si na d d i t i o nt oc o n s i d e rt h es t r u c t u r a lf a c t o r s ，a l s on e e dp a y a t t e n t i o nt ot h eu s eo fm a t e r i a l sa n dt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n b e c a u s eo ft h e t r a d i t i o n a ld e s i g na p p r o a c ht a k e sm o r em a n p o w e r , m o r et i m e - c o n s u m i n g , r e l ym a i n l y o ne x p e r i e n c ea n do t h e rs h o r t c o m i n g s ，i tc a nn ol o n g e rm e e tt h er e q u i r e m e n t s o f m o d e mc o m p a n i e s t h em e t h o do fd i g i t a ld e s i g ni nt h i sa r t i c l em a ys o l v e t h e s e p r o b l e m st os o m ee x t e n t t h i sa r t i c l ed e s e r i b e ss t r u c t u r a lf e a t u r e so fs h i p u n l o a d e r t h r o u g ha n a l y s i s o ft h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es h i p u n l o i a d e rf i n do u ts t r u c t u r e sa r eb o x s e c t i o n b e a m ，s ot h a tc h o o s et h eb o o ma sar e p r e s e n t a t i v ew o r ka n dt h em o s tc o m p l e x s t r u c t u r et od i g i t a ld e s i g n t h ed ig i t a ld e s i g ns y s t e mb a s eo np r o e n g i n e e ra n da n s y s ，w h i c h s t r i c ta c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g nr u l e sf o rc r a n e sg b t3 811 - 2 0 0 8 i n t r o d u c e d s o m e i m p o r t a n tc o n c e p t s o fp r o e n g i n e e r s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o g r a mp r o t o o l k i t i nt h i s a r t i c l e ，u s i n g p r o g r a m m i n gs o f t w a r et o o lv s 2 0 0 8w i t ht h em a i nt o o lp r o t o o l k i ta n d d y n a m i cl i n kl i b r a r yd l la c h i e v ec o m m u n i c a t i o n sa m o n gt h et h r e e w i t ht h es i z e d i a g r a mp r o m p t ，d e s i g n e r s c a ne n t e rt h ed a t aw i t hs t r e n g t hd e s i g n t h e o r y 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 a n de x p e r i e n c ed on o tn e e dt op a r t i c i p a t ew h e nt h es y s t e mb e g a nt ow o r k a sar e s u l t , d e s i g n e r sc a nb ev e r yc o n v e n i e n ta n df a s tt om a k et h e i ri d e a st om o d e l st oa c h i e v e t h ep u r p o s eo fs a v i n gt i m ea n de f f o r t s w h e nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li sg e n e r a t e d ，t h es y s t e mc a nu s eap r e i n t e r f a c ep r o g r a mt ot u r nt h em o d e li np r o e n g i n e e ri n t oa n s y sf o rf i n i t e d e m e n t a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g c o m p a r et h em o d e l ss t r e s s ，d e f l e c t i o na n df a t i g u e s t r e s sw i t l lt h es t a n d a r do fd e s i g nr u l e s f o rc r a n e ，w ec a no b t a i nt h er e s u l t st h a t m o d e lm e e t st h es t a n d a r d0 1 n e e d sf o ro p t i m i z a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，t h e r ei sa n o p t i m i z a t i o nm e t h o db a s eo nm a t l a b ，w i t ht h i sm e t h o dw ec o u l dg e tam o r e u n i f o r ms t r e s sd i s t r i b u t i o n , s m a l l e rt o t a lm a s so ft h eb o o m ，w h i c hm e e t st h es t a n d a r d w i t ht h ep r e s e n tp r o e n g i n e e r ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t , m o s td e s i g n e r s f o c u so np a r t sd e s i g na n ds m a l lc o m p o n e n t sd e s i g n i nm yo p i n i o n ，w ec a nu s e d i 沓t a ld e s i g nt od e s i g nt h el a r g em a c h i n e s s t r u c t r u ea n dm e c h a n i s mi nf u t u r e k e yw o r d s ：b r i d g es h i p u n l o a d e r ，d i g i t a ld e s i g n ，p r o t o o l k i t ，o p t i m a ld e s i g n ； i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 1 1 桥式抓斗卸船机发展概况1 1 1 2 课题研究的目的和意义3 1 1 3 数字化设计的意义5 1 2 课题的研究内容6 1 3 课题的研究思路6 1 4 与课题相关的国内外研究现状7 第2 章卸船机前大梁的结构特点一9 2 1 卸船机的结构与主要参数9 2 1 1 卸船机的金属结构9 2 1 2 卸船机的主要参数1 2 2 2 前大梁的形式与结构特点1 3 2 2 1 前大梁形式的确定1 3 2 2 2 前大梁的结构特点1 4 2 3 前大梁建模的准备工作1 6 2 3 1 建模过程中需要考虑的因素1 6 2 3 2 前大梁模型的特点1 6 2 4 本章小结18 第3 章前大梁结构的参数化建模2 0 3 1p r o e n g i n e e r 二次开发介绍2 0 3 1 1p r 0 e n g i n e e r 软件介绍2 0 3 1 2p f 0 e 二次开发特点。2 0 3 1 3p r o e 二次开发的方法2 1 3 2p r o t o o l k i t 的重要概念介绍2 2 3 2 1p r 0 厂r o o l ，k i t 的工作模式2 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2p r o t o o l k i t 的对象句柄2 3 3 2 3p r o e 的轨迹文件2 3 3 2 4p r o t o o l k i t 的函数形式2 4 3 2 5p r o t o o l k i t 的核心函数。2 4 3 3 注册文件2 5 3 4 资源信息文件2 6 3 5 模型的头文件。2 7 3 6 主界面的创建。2 7 3 6 1 创建界面2 7 3 6 2 部分核心程序2 8 3 7 模型的建立。2 9 3 7 1 建模思路2 9 - 3 7 2 部分核心程序2 9 3 7 3 模型的截图3l 3 8 本章小结3 2 第4 章前大梁模型的有限元分析3 3 4 1p r 0 e 与a n s y s 的比较。：3 3 4 1 1a n s y s 简介3 3 4 1 2p r o e 与a n s y s 的比较3 3 4 2p r o e 与a n s y s 的集成方法3 4 4 2 1 在p r o e 中导出a n s y s 的分析文件3 4 4 2 2 将a n s y s 直接集成在p r o e 中3 5 4 2 3 在a n s y s 环境中直接导人p r o e 的模型文件3 5 4 2 4 本文选择的方法3 6 4 3 模型分析前处理3 6 4 3 1 施加约束3 6 4 3 2 调整模型密度3 7 4 4 结果的分析。3 8 4 5 本章小结3 9 第5 章前大梁的结构优化4 0 v 1 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 结构优化设计的定义4 0 5 2 结构优化设计的方法4 0 5 3 结构优化设计的过程4 1 5 4 优化设计各参数的确定。4 2 5 4 1 设计变量的确定4 3 5 4 2 设计变量目标函数的确定4 4 5 4 3 约束条件的确定4 4 5 5 前大梁的结构优化4 8 5 5 1 遗传算法4 8 5 5 2 遗传算法参数选择4 8 5 5 3 基于遗传算法的结构优化4 9 5 6 前大梁优化结果分析5 l 一 5 6 1 优化前后的比较5 1 5 6 2 优化后模型结构校核5 2 5 7 本章小结5 3 第6 章结论与展望5 4 6 1 主要工作总结5 4 6 2 存在的不足。5 4 6 3 课题的展望。5 5 参考文献5 6 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表的论文及科研项目6 0 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 桥式抓斗卸船机发展概况 抓斗式起重机的工作原理是通过抓斗抓起货物并通过抓斗在竖直和水平方 向移动来达到移动货物的目的。利用抓斗式起重机将货物从船上运送到陆地的 过程中，抓斗的升降是依靠起重机的起升机构实现，而抓斗的水平移动通常分 为两种形式：一种是依靠臂架系统的变幅动作来实现抓斗的水平移动；另一种 则是依靠载重小车沿水平桥架运行来实现抓斗的水平移动。港口卸船机属于起 重机的一个分支，同样按照结构与抓斗水平移动形式的不同被分成两种：其中 基本结构与通用门座起重机相同的卸船机被称为门座抓斗卸船机；自带载重小 车且通过载重小车的行驶完成抓斗的水平移动的卸船机被称为桥式抓斗卸船机 【3 1 ，如图1 1 所示。本文的研究对象为桥式抓斗卸船机。 图1 1 桥式抓斗卸船机 桥式抓斗卸船机( 以下简称卸船机) 在对物料和船舶的适应性、营运成本 以及避免波浪引起的船舶颠簸对卸船机的损伤等方面具有一定优势，在生产效 率、自动化程度等方面相比其他形式的卸船机更是有明显优势。卸船机在使用 过程中不断发展，特别是在最近二十五年中借助着计算机功能的不断完善，其 在减少整机质量、减少运行过程消耗以及环境保护等方面取得了不少新的成果。 因此，卸船机在近年来发展很快的港口装卸市场中占有相当大的比重。 武汉理工大学硕士学位论文 在上世纪五十年代初期，美国密西西比河上开始出现了卸驳船的链斗机， 这种链斗机可以算得上是目前卸船机的鼻祖。我国对卸船机的尝试从五十年代 后期开始，首先尝试的是小型双带式卸船机( 同样也被称为夹皮带卸船机) ，本 学院前身武汉水运工程学院于1 9 5 9 年时开始研究并完成了该卸船机的设计，更 于1 9 6 0 年造出了样机。作为国内最早的卸船机，其覆盖带是靠压轮压住的，与 当今的卸船机在结构上存在着一定的差异。我国邻邦日本虽然较晚开始研制卸 船机，但进入八十年代后，其各大主要厂家都在积极进行研究并引进其它国家 的先进专利，在卸船机的研s j l _ l = 取得了不错的成就【4 】。近三十年来，随着发展中 国家之间以及发展中国家与发达国家之间的贸易特别是港口贸易的迅速发展， 港口装卸的重要设备卸船机也随之有了突飞猛进的发展。具体表现在以下几个 方面： 1 ) 额定最大起重量的区间不断扩大。 卸船机的额定最大起重量由最初的2 0 吨逐步增大到4 0 吨，目前设计的最 大起重量甚至已达8 5 吨。为了满足不同港口的需要，同样设计了最大起重量仅 为5 吨的小型卸船机。额定起重量的设计区间已经越来越大。 2 ) 前伸距越来越大。 随着国际间远洋运输业的不断发展，为了节省每次运输的成本，用作远洋 运输的运输船体积也在不断的大型化，同时不断增加的船宽导致卸船机前伸距 必须随之相应增大。卸船机前伸距也由初始的2 0 米逐步增大到了现在的4 0 米 乃至5 0 米。 3 ) 轨道上方的起升高度的增加。 衡量卸船机有一个重要的参数，那就是轨道上方的起升高度。卸船机整体 的大型化导致抓斗在竖直方向上的运动幅度也在不断增加，当运动时间一定时， 就要求抓斗的起升速度必须不断增大。卸船机抓斗起升高度以及起升速度的大 幅增大，将导致卸船机金属结构在强度、刚度以及疲劳强度等方面出现了一系 列新问题，例如在抓起和放下货物的瞬间产生的冲击载荷越来越大等等。同样 另一项不能忽视的问题摆在面前，那就是位于操作室中的司机会因为离地面越 来越远而产生诸如不能很好的看清楚抓斗的位置等新问题。 4 ) 整机自重越来越大。 卸船机已由最初诞生时的小型卸船机( 自重约为6 0 0 8 0 0 吨) 渐渐变为目前 的大型甚至是超大型卸船机( 自重约为1 5 0 0 2 0 0 0 吨甚至更重) 。自重的不断增 2 武汉理工大学硕士学位论文 加导致了需要不断增加放置卸船机码头的承重量，亦对运输卸船机的船只有了 更高的要求。 5 ) 工作效率的提升。 为了提高工作效率，抓斗的起升速度从最初的9 0 1 2 0 r e r a i n 逐步增加到现在 的1 4 0 1 6 0m m i n ，这直接导致部分卸船机牵引系统的电动机的功率已经增大到 6 9 0k w x 2 。此时只能选用交流电机进行抓斗的牵引，甚至可能会出现目前最大 规格的起重用变频电动机不能满足需要的情况。为了提供更大功能的交流电动 机，其供货商必须不断的进行新产品的研发。于此同时，载重小车的运行速度 已从最初的8 0 1 0 0 m m i n 增加到现在的1 6 0 2 0 0 m m i n ，并正在向着3 0 0 - 3 5 0 m m i n 的超高速度发展。由于载重小车是由与之相连的电缆提供电力，当自身速度越 来越快时，会带来供电电缆如何适应载重小车的速度等一系列新问题。【5 】 6 ) 环境污染问题。 卸船效率随着起重量的增加，工作效率可达4 2 0 0 t h ( 煤) 5 1 0 0 t h ( 矿) 。工作 过程中会溅出大量灰尘等杂物从而引起的不小的污染，这将引起新的环境污染 问题。例 1 1 2 课题研究的目的和意义 随着二十一世纪世界经济和科学技术的迅猛发展，市场竞争已由区域竞 争扩大到全球竞争，且竞争日益激烈。与此同时，产品的消费结构正向着多 元化、个性化的方向不断发展。面对日益变化的市场需求，企业为了提高自 身的竞争力，就必须不断的进行革新。这些革新包括不断优化原有产品设计， 在降低生产成本的同时提高产品的质量，设计出性能更优秀的新产品，同时 缩短新产品的研发周期以及降低新产品的研发成本，只有这样才能对快速多 变的市场需求做出敏锐的反映，从而在激烈的市场竞争中拥有相当的市场份 额和最大化的利润【6 j 。 经过数十年的发展，我国已经从一个港口运输机械的进口国，一跃成为 世界上最大的港口运输机械的生产国和出口国。对于大型桥式抓斗卸船机的 设计及制造企业来说，设计的质量和设计的效率都是至关重要的。然而据本 人了解，在现阶段卸船机结构设计及分析中仍有不少企业大量沿用较为老式 的手工建模以及手工提取计算结果的做法，这种做法有着非常明显的局限性。 例如因为建模的工作量较大，极易发生由于建模人员因疲劳或疏忽导致的弄 3 武汉理工大学硕士学位论文 错某个部件的尺寸，通常这种错误较难发现，而通过仔细查找发现该错误后， 对其进行修改矫正的工作量又会非常繁重等等，可以说现阶段的手工建模已 趋向于“体力型 的脑力劳动。从而导致在不少情况下，设计工作成为机械 制造整个工作环节中耗时最长的部分，这种高耗时低效率的设计方法已经明 显不能与现代企业的发展需要相适应。在传统的设计中，数据均以孤立的形 式存在，并且只能靠人工来操作进行传递而无法实现数据共享，这导致在一 台大型机械的设计过程中设计小组各成员间不能保持较紧密的数据联系。 鉴于上面所述，改变建模思路的时候到了。通过研究c a d 软件数据管理 的特点，从参数化建模入手，用程序来辅助设计出一套结合p r o e n g i n e e r 、 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 ( 以下简称为v s 2 0 0 8 ) 以及a n s y s 等工具软件 各方面优点的数字化设计系统。 在这样一个系统的帮助下，完全受到控制的数据成为了整个设计过程的 核心。在该系统的帮助下，设计人员的设计过程将变成这样： 1 ) 建模工作简单。 通过该系统的帮助，对c a d 软件p r o e n g i n e e r 不甚了解的设计人员都 可以轻松地运用该软件进行建模( 当然该人员对卸船机整体结构方面必须有 足够的了解) 。在建模的过程中，设计人员只需依据系统的提示输入必要的参 数，当输入完所有的参数后，模型将会自动生成。整个模型的生成过程无需 设计人员的参与。 2 ) 返工修改参数计算特别方便。 当设计人员修改某个参数后，程序会相应修改该处的尺寸并自动生成修 改后的模型。当需要修改模型某些尺寸时，设计人员只需找出这些尺寸并进 行修改而无需对模型进行操作，从而大大减轻了对模型进行修改的工作量。 3 ) 后续处理方便。 设计人员在系统的帮助下能便捷的从c a d 软件p r o e n g i n e e r 中将建成 的模型导入有限元分析软件a n s y s 中进行划分网格、施加约束以及添加载荷 等操作后，对模型进行结构有限元分析。通过提取模型各部位的强度、刚度 以及疲劳强度等数据，设计人员可以发现先前的设计是否满足相关规范要求， 同样可以判断出是否有必要对模型进行优化处理。 卸船机的大型化使得在整个设计过程中设计人员必须减少对经验的依赖 性，而以相关数据作为评判标准。目前卸船机的结构设计主要还是参照已有 机型，依经验来选取各个结构件的梁高、梁宽以及板厚等参数。这样直接导 4 武汉理工大学硕士学位论文 致在不少情况下为了照搬原来的数据而使卸船机“大材小用，造成许多经济 上的浪费。为解决上述问题，结合现代化设计方法，将卸船机结构中的各项 参数提取出来并使之相互关联，使相关的数据形成反馈，并根据工程实际情 况以及相关标准给定各项数据的取值范围，从而实现卸船机结构的参数化建 模。通过这个方法，解决由于卸船机大型化带来的设计问题，降低了对经验 的依赖性，同时降低了设计人员的劳动强度，并能有效的缩短设计周期，为 后续卸船机结构的优化做好准备。 1 1 3 数字化设计的意义 数字化设计是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发过程的一种 技术，即在互联网与计算机的辅助下通过产品的数据模型，全面模拟产品的设 计、分析、装配、制造等过程t r l 。数字化设计技术包含了现代设计过程中的多项 先进技术，如参数化建模，优化设计，安全性评价，剩余寿命分析，虚拟装配 等等，是一项多学科的综合技术。本文将主要运用到参数化建模与优化设计这 两种技术进行卸船机前大梁的设计。 数字化设计与制造不仅贯穿企业的设计与生产全过程，而且涉及企业的诸 如生产计划、成本分析、物流管理、机械设备的分配等众多方面。数字化设计 技术的应用可以带来极大的提高企业的产品开发能力，缩短产品设计周期，降 低设计成本，提高设计质量以及增强设计小组间成员的合作等好处。企业运用 好数字化设计将带来的直接好处是新产品进入市场的时间将会大大提前，从而 极大的提升了企业的市场竞争力。 通过大量阅读相关文献，本人将数字化设计技术在机械设计过程中的定位 理解为：面向机械设计的整个过程，让设计各部分信息以数据的形式快速、准 确地传递。数字化设计在本文中的主要体现为在p r o e n g i n e e r 软件中进行参数 化建模以及后续的优化设计。 在p r o e n g i n e e r 中，参数化建模的目的是使得用户通过修改模型的几何尺 寸参数来使模型作出相应改变。由于本文的对象是卸船机这样的实际问题，其 中各项参数均存在一个符合相关规范的取值范围，且某些参数间存在相互关联。 用户修改后的参数只有在取值范围内，模型才会重新生成，否则模型会生成失 败。优化设计可以转变为寻求某一目标函数最值问题的数学模型，同样优化后 模型的各参数也必须在各自的取值范围内选取。 5 武汉理工大学硕士学位论文 数字化设计的关键是参数与约束关系式，这些可修改的参数的具体数值由 使用者确定，但其必须符合在建模过程中设定的几何限制范围和约束关系式。嘲 1 2 课题的研究内容 虽然p r o e n g i n e e r 拥有着强大的三维造型以及曲面造型等功能，但是 由于它为一款通用性设计软件，并未对特定产品设计提供专用的开发模块， 因此新的设计过程无法很好将旧的设计经验和资源利用起来。在此需要对 p r o e n g i n e e r 进行二次开发，建立三维参数化卸船机前大梁结构模型，以 充分发挥p r o e n g i n e e r 的潜力，提高设计效率。 以p r o e n g i n e e r 软件，v s 2 0 0 8 工具和a n s y s 软件为开发工具，研究 卸船机前大梁结构数字化设计方法。该方法可以实现如下功能：用户输入所 有所需参数即可自动在p r o e n g i n e e r 软件中完成三维模型的建立，通过软 件间的接口程序将建成的模型从p r o e n g i n e e r 软件导入a n s y s 软件并进 行相关处理完成卸船机前大梁的结构分析，用分析结果来检验设计是否符合 相关设计规范以及判断是否需要进行优化设计，最后给出一种可靠的基于 m a t l a b 的优化方法。研究出一套可靠、实用性强且操作方便的卸船机前大 梁结构数字化设计系统的方法。 课题主要研究内容为： 1 ) 研究卸船机前大梁结构的数字化设计方法； 2 ) 基于p r o e n g i n e e r 软件的参数化建模方法的研究； 3 ) p r o e n g i n e e r 软件与a n s y s 软件间接口技术的实现，以及将模型导 入a n s y s 软件后的结构分析； 4 ) 基于m a t l a b 软件和遗传算法的卸船机前大梁结构的优化设计方法的 研究。 1 3 课题的研究思路 课题的研究对象为卸船机前大梁结构，课题的工作是运用参数化建模和 优化设计技术对其进行数字化设计。 首先分析并确定卸船机前大梁的主要结构参数，接下来的工作是以 p r o e n g i n e e r 软件为平台，运用v s 2 0 0 8 开发工具以及p r 0 t o o l k i t 工具包 6 武汉理工大学硕士学位论文 进行卸船机前大梁结构的参数化建模。以p r o t o o l k i t 为二次开发工具进行 参数化建模的原理是基于特征数据库的编程，通过编程实现绘制草绘出截面 并将其逐步拉伸直至完成单根前大梁模型，接下来通过镜像等操作完成卸船 机前大梁结构参数化模型的建立唧。后续工作是将p r o e n g i n e e r 软件中建立 的参数化模型利用接口程序导入a n s y s 软件进行有限元计算，并对计算结果 进行分析以确定设计是否满足相关规范。从模型的设计到数据入手，在满足 相关规范的前提下运用m a t l a b 软件对数据进行优化，从而得到一组符合规 范且使得前大梁整体最轻的数据，完成前大梁结构的数字化设计。 按照上述思路可以找出一个相对完整的数字化设计方法，运用该方法较 好的实现卸船机前大梁的数字化设计。 1 4 与课题相关的国内外研究现状 目前，国内有不少科研单位和生产企业已经或正在进行产品的数字化设计 工作。总体来说，进行机械零部件数字化设计工作的单位或企业较多，而以大 型机械整机为研究对象的工作较少。 华东交通大学机电工程学院的缪燕平和何柏林基于p r o e n g i n e e r 软件对 鼓纸机的零件和制造模具进行参数化设计研究，通过使用p r o e n g i n e e r 二次 开发工具及其提供的应用程序用户接口和设计变量来控制零部件三维模型的生 成，使之具有用户扩充零件库数据功能，能方便地建立标准件和企业常用零件 数据库，大大提高设计效率和零部件的通用性，并能满足同一零部件设计的系 列化要求。【l o j 华北电力大学的康文利和周学辉在p r o e n g i n e e r 开发平台上，利用 v c + + 6 0 和p r o t o o l k i t - i - 具包进行二次开发。开发了一个液压推杆的参数化设 计平台，成功实现了减少设计更改量，缩短开发周期，降低研发成本，可完全 取消使用实物模型试验，降低了重复性工作，实现了产品数据继承最大化，极 大地提高了产品的研发效率，实现了较大的经济效益【l 。在该论文中，详细地 提到人机交互界面设计，包括p 删g i n e e r 软件中菜单的设计和u i 对话框设 计。 深圳信息职业技术学院的赵振宇等和湘潭大学的周后明基于d o t o o l k i t 进行二次开发，创建减速箱传动轴参数化c a d 系统的方法及参数化设计的实现 过程，并通过参数控制，方便快捷地建造不同参数的轴三维实体模型1 2 】。在该 7 武汉理工大学硕士学位论文 论文中，较为详细的介绍了建立p r o e n g i n e e r 三维实体模型的方法。 国内运用遗传算法及相关理论进行结构的优化设计正处于发展阶段。许素 强等用演化算法解析架结构的拓扑优化问题【1 3 】；王石刚、刘莉等提出了一种用 于结构优化的具有动态种源空间的遗传算法，这种遗传算法可以与其它结构优 化方法相结合来处理结构优化问题【1 4 1 。 目前，国外基于c a d 软件进行的数字化设计工作已颇有成效，由于国外 相关研究起步较早，研究成果相较国内的要更加丰富。 美国亚利桑那大学研究了c a d 实体模型的重新使用和智能检索系统，提出 了一个基于内容的搜索技术，首先检索旧数据库中类似零件部分，使软件具有 一定的智能【1 5 】。大多数新设计都是参照以前的设计版本并作出相应的修改，这 需要产生一个有效率的用于检索和重用c a d 模型的系统。他们将特征及特征之 间的空间关系形成一个签名，用于单独定义每个部分。使用此签名能建立一个 检索数据库，以加快搜索，并对搜索运行时间进行分析和对算法进行检索。 基于上述研究，使得新零件的设计有了新的方法：即通过修改具有相似特 征现有零件而快速造型。那么如何在零件库中高效的找到具有相似特征的零件 就成为了一个新的研究课题。韩国首尔国立大学的几位学者提出了一种两步相 似的b p e p 的文件比较的方法【1 6 】。该方法先通过整体外观进行了比较，然后再 对详细的功能进行了比较。这样，现有零件除了那些确定的设置，先从零件库 里寻找具有类似功能的零件。一旦发现有类似的零件，且现有的部分模型是基 于特征的建模设计出来的，那么它原有的建模方法也可以借鉴。 国外运用遗传算法进行结构方面的优化工作较多，有f u r u t a 和o k a n a n 等将 遗传算法应用于模糊结构控制结构，提出一种自动调整方法【1 7 1 ；s u g i m o t 和 y a m a k a w a 应用并行遗传算法解决多体优化问题等等【1 8 】。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章卸船机前大梁的结构特点 2 1 卸船机的结构与主要参数 2 1 1 卸船机的金属结构 桥式抓斗卸船机主要由金属结构， 机室，电缆拖令系统，大梁俯仰系统， 组成。 托绳小车牵引系统，起升运行系统，主司 落料回收装置以及电气与控制系统设备等 从卸船机金属结构中门框的主视图看，海侧支腿与陆侧支腿相互平行且均与 地面垂直，将门框结构设计成这样的好处是结构受大车轨矩变化的影响不大，而 且制造出的门框中部相对净空较大，同样卸船机不必随着船舶和自身的大型化而 要求码头拥有更大的前沿距离，因此将海侧支腿与陆侧支腿均垂直地面的设计方 法广泛的应用于工程设计之中。 卸船机金属结构中大梁结构一般采用双箱型结构主梁，相比较其他不同类型 起重机的