（机械制造及其自动化专业论文）轨道式集装箱龙门起重机参数化设计研究.pdf

武汉理大学硕士学位论文 摘要 我国自加入w t o 以来，港口建设呈现大规模发展趋势，对港口机械的使 用性能要求也越来越高，因此港口装卸机械的设计方法需要不断的更新和完善， 使其更注重经济性、科学性、可靠性和安全性。对港口机械而言，因其专用性 强，价格较高，故多数情况下是针对用户要求进行单独设计和生产，且在设计 过程中往往需要多次反复修改，对尺寸和性能要进行综合协调和优化，尤其对 于结构形式变化不大或设计过程较为稳定的产品，更需要根据实际情况自动选 择设计方案或修改尺寸，这就需要进行参数化设计。同时，在起重机设计过程 中，涉及到的参数众多，计算公式繁琐，人工计算效率低且很容易出现差错， 显然这样的设计方法已不能适应现代港口机械发展的需要。利用计算机的强大 运算功能，结合各种设计手段和先进的设计理念是港口机械设计的趋势。本文 以轨道式集装箱龙门起重机为研究对象，对其开展参数化设计系统的研究与开 发。其主要内容包括： 1 ) 根据轨道式集装箱龙门起重机的特点，以国家标准为设计准则，借鉴国 内外的先进设计手段和方法，以v i s u a lb a s i c 软件为设计平台，研究开发了“轨 道式集装箱龙门起重机参数化设计系统”软件，计算结果直接以文本文件的形 式保存，供编写计算说明书使用和参考； 2 ) 用a n s y s 的内部命令和基于a n s y s 的a p d l 语言以及参数化技术建 立了龙门起重机的通用参数化有限元模型，通过调用“轨道式集装箱龙门起重 机参数化设计系统”的计算结果，对所建立的参数化模型进行修改，供柔性支 腿的设计和整机有限元计算使用； 3 ) 在通用有限元模型基础上用a n s y s 的内部命令对龙门起重机的柔性支 腿进行了设计，结合整机性能和工程实践给出了合理的截面参数，同时进行了 载荷步的设置，对整机进行了有限元分析，并得出了结论。 关键词：龙门起重机，参数化设计，有限元法，a p d l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c ec h i n ae n t e r e dw t o ，t h ed e v e l o p m e n to fp o r t sa n dt h er e q u i r e m e n to f p o r t m a c h i n e r yh a v eb e i n gh i g h e ra n dh i g h e r s od e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so f l o a d i n g a n d u n l o a d i n g m a c h i n e sn e e dt ob e r e n e w e d ，s u b s t a n t i a t e da n dc o n s u m m a t e d c o n s t a n t l yt om a k ep o r tm a c h i n e r ym o r ee c o n o m i c ，f e a s i b l e ，r e l i a b l ea n ds a f e t op o r t m a c h i n e ，b e c a u s eo f i t ss p e c i a l t i e s , a n di t sh i g hp r i o e , m o s t l yt h ep o r tm a c h i n ei sb et o c a r r yo nd e s i g n i n ga n dm a d d i n ga l o u n d e rt h ec u s t o m e rr e q u c s t a n dd u r i n gt h e p e r i o do fd e s i g n i n gu s u a l l yn e e dm a n yt i m e si t e r a t i v em o d i f i c a t i o nt ot h es h a p ea n d t h es i z et oo p 【i m i z ea n da s s o r tw i t ht h ew h o l e ，p a r t i c u l a r l yf o rt h et i n yc h a n g et o s t r u c t u r ea n dt h ep r o d u c tw i t hs t a b l ep r o c e s s w en e e d a c c o r d i n gt o t h ea c t u a l c i r c u m s t a n c et oc h o o s e sp r o j e c to rm o d i f i e ss i z ea u t o m a t i c a l l y ，t h a ti sp a r a m e t r i c d e s i g n , w h a tw en e e d m e a n t i m e ，d u r i n gt h ep r o c e s so fp o r tm a c h i n ed e s i g n , t h e p a r a m e t e ri n v o l v e d i sn u n l e l f o u s , t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ai s t e d i o u s , a n dt h e c a l c u l a t i o n se f f i c i e n c yi sl o wa n de a s i l ym a k e sm i s t a k e sf o rt h ed e s i g n e r o b v i o u s l y t h i sm e t h o dh a v ea l r e a d yc a n ta d a p t e dc u r r e n t l yd e m a n do ft h ep o r tm a c h i n e s d e v e l o p s i t sat r e n dt om a k eu s eo ft h es t r o n gf u n c t i o no fc a l c u l a t o ra n dc o m b i n i n g v a r i o u sd e s i g n i n gm e a n sa n da d v a n c e dt h e o r i e si np o r tm a c h i n e sd e s i g n i nt h i s p a p e r sw eu s er a i lc o n t a i n e ro a n t r yc r a n ea sar e s e a r c ho b j e c ta n d d os o m e d e v e l o p i n gw o r ka n dr e s e a r c ho nr a i lc o n t a i n e rg a n t r yc r a n e sp a r a m e t r i cd e s i g n t 1 l em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h ed i s s e r t a t i o na r ea sf e l l o w s ： 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a i lc o n t a i n e rg a n t r yc r a n e ，t a k i n g n a t i o n a ls t a n d a r da st h ed e s i g ns t a n d a r d ，a n du s ef o rr e f e r e n c eo fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a la d v a n c e dc o n c e p t ，t a k i n gt h es o f t w a r eo fv i s u a lb a s i ca st od e s i g n t e r r a c e ，t od e v e l o pas o f t w a r eo f “p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mf o rr a i lc o n t a i n e r g a n t r yc r a n e ，t h er e s u l tc a nb es a v e da st e x tf i l e , u s i n gf o rc a l c u l a t i o nm a n u a la n d r e f e r e n c ef o rf u t u r ed e s i g n ； 2 ) t ob u i l dap o r t a ls t r u c t u r e sp a r a m e t e r i z e df e mm o d e lu s i n ga n s y s i n t e r n a lc o m m a n d - - - a p d la n dp a r a m e t e r i z e dm e t h o d s u s i n gt h es a v e dr e s u l to f i i 武汉理工大学硕士学位论文 s o f t w a r e p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mf o rr a i lc o n t a i n e rg a n t r yc r a n e t om o d i f yt h e g e n e r a l m o d e l f o r t h e d e s i g n o f f l e x i b l e l e g a n d f e ma n a l y z i n g o f t h e t o t a lc f a i l e ； 3 ) b a s i n go i lt h eg e n e r a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lt om a k et h ed e s i g no fg l a n e s f l e x i b l el e gw i t ht l l ea n s y si n t e r n a lc o m m a n d ，g i v e nar e a s o n a b l ed i m e n s i o no f t h e f l e x i b l e l e gc o m b i n et h e c , v d i i e sp e r f o r m a n c ea n dt h ep r a c t i c eo fe n g i n e e r i n g ； s i m u l t a n e o u s l ys e t t i n gt h el o a ds t e pf o ff e ma n a l y z i n ga n dg i v eac o n c l u s i o na f t e r t h ea n a l y s i s k e yw o r d s ：g a n t r yc r a n e ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，f e m ，a p d l i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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它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洌意。 签名：丝盘兰芏日期：塑) ：苎：2 关于论文使用授权的说明 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：燃导师签名：j 主兰三一日期：丝蝉 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 轨道式集装箱龙门起重机发展现状m 吖5 1 在我国集装箱港口的装卸作业中，通常采用岸边集装箱起重机加轮胎式集 装箱龙门起重机的装卸方案，以轮胎式集装箱龙门起重机作为后方堆场的主要 装卸机械。近几年，随着港口的发展，轨道式集装箱龙门起重机在港口的使用 越来越多。其电控系统、管理系统等方面已达到现有的港口机械水平，完全能 满足现代港口集装箱装卸的需要。 目前，国外制造大型轨道式集装箱龙门起重机的厂商主要有美国的p a c e c o ， 德国的n o e l l 、英国的m o r n s 、芬兰的v a l m e t 、韩国的三星和现代，以及日本的 三菱、三井、住友等。随着国际集装箱运输事业的飞速发展，对轨道式集装箱 龙门起重机的要求越来越高，使得各大厂商新研制的起重机在堆码高度、跨度 以及速度等主要参数上都有了较大的提高。目前世界上比较先进的机型其堆高 已达7 8 层、吊具下的起重量达4 5t 、满载起升速度达3 0 m m i n 、小车速度超 过1 2 0m m i n 、大车运行速度超过5 0m m i n 。 长期以来，轨道式集装箱龙门起重机仅小车运行机构采用交流驱动，近年 来，起升机构和大车运行也相继采用了交流驱动技术，这样减少了维护和修理 费，降低了营运成本。日本三井公司最早成功地采用了交流变频调速装置，解 决了起升机构位势负载和车轮支承压力变化导致车轮转速变化的关键技术，达 到了集装箱堆6 层作业的使用要求。德国派纳公司将其在自动控制领域所拥有 的丰富经验成功地应用在大型轨道式集装箱龙门起重机上，满足了现代化集装 箱堆场对自动化控制的需要。欧洲联合码头公司应用光缆传输技术，可靠地将 轨道式集装箱龙门起重机与港站管理计算机联网，实现了无人装卸作业和堆物 全盘自动化。 据统计，欧洲作为传统上的轮胎式集装箱龙门起重机的大订户，1 9 9 5 年订 购的轨道式集装箱龙门起重机多达5 8 台，从一个侧面反映出轨道式集装箱龙门 起重机的市场潜力和应用前景另一方面，从世界上一些著名的港口的发展趋势 武汉理工大学硕士学位论文 看，轨道式集装箱龙门起重机将向大型化、高效化、自动化方向发展。 目前我国已能批量生产具有上个世纪9 0 年代国际先进水平的岸边集装箱起 重机和轮胎式集装箱龙门起重机，轨道式集装箱龙门起重机的研究与开发能力 也越来越强。 目前，一些先进设计思想逐渐被采用，一些先进设计手段也被引入轨道式 集装箱龙门起重机领域。如有限元分析、结构优化设计、机电液一体化技术、 c a d 设计模块化技术、可靠性设计方法、机械结构动态设计等。这些方法在轨 道式集装箱龙门起重机设计中已有所应用，取得了较好的效果。但现代轨道式 集装箱龙门起重机设计面临的主要难题是：如何综合现有的设计手段、方法 对轨道式集装箱龙门起重机进行设计和分析；如何结合轨道式集装箱龙门起 重机具体状况，挖掘在其他领域已得到较好应用的尚未在轨道式集装箱龙门起 重机领域应用的先进的设计思想、手段和方法。 1 2 起重机现代设计方法概述哺h 引 早期，起重机设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验 设计的方法，设计过程反复多，周期长，设计的精度也差。计算机技术的广泛 应用和各种现代设计理论如系统工程、优化工程、可靠性工程、反求工程、人 机工程等的不断发展，促进了许多跨学科的现代设计方法出现。这些新方法与 起重机的结合，使起重机的设计进入新的高质量、高效率的阶段。 1 2 1 计算机辅助设计一c a d 随着市场竞争的加剧，不仅要求缩短产品更新换代周期，而且还要求产品 由原来的单一、大批量生产模式，转向多品种、高质量、小批量生产模式。传 统的人工设计方式已经不能适应这种变化的要求。随着科技的迅速发展，已有 各种性能良好的计算机硬件及外围设备陆续问世，计算机软件也有很大的提高， 发展了数据库技术，开发了大量的图形软件。这些都促进了c a d 技术的发展和 应用。目前美国、德国、日本等一些制造起重机的大公司都广泛应用c a d 方法 进行起重机的设计。例如德国的d e m a n g 公司针对系列桥式起重机所做的集计 算机辅助设计和报价于一身的c a d 系统，用户只要在计算机显示的桥式起重机 图形菜单上作直观的基本参数选择，基本结构形式选择，计算机立即进行设计 2 武汉理工大学硕士学位论文 计算和标准部件的选择，显示并打印所需的起重机总图及各主要技术参数。最 后汇集每个零部件的数量、成本、以及制造工时、运输和安装费用，进行详细 报价。国内的大学、科研机构也开发了多种起重机c a d 系统，如浙江大学开 发的基于i - d e a s ( m a s t e rs e r i e s1 3 ) 开发的门座式起重机的c a d 软件，其 主要应用在门座式起重机的总体设计计算及参数化出图方面。各大中型企业 也都相继采用c a d 方法进行起重机设计与绘图。今后c a d 技术的应用在广 度与深度方面会有更大的发展。 1 2 2 模块化设计 模块化设计是起重机设计发展的方向之一。它根据模块化原则，设计一些 基本模块单元，通过不同的组合形成不同的产品，以满足用户的多种需求。起 重杌模块化设计以功能分析为基础，将起重机上同一功能的基本部件、元件、 零件设计成具有不同用途、不同性能的模块，这些模块具有相同的连接要素， 可以互换。选用不同模块进行组合可形成各种不同类型和规格的通用或专用起 重机。起重机采用模块化设计，不仅是一种设计方法的改革，同时会影响到整 个起重机行业的技术、生产和管理。 目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都采用模块化设 计技术，并取得了显著的经济效益。据资料介绍，德国的d e m a n g 公司单梁起 重机系列改用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降1 2 ，生产成本下降 4 5 ，经济效益十分客观。模块化设计在我国起重机系列设计中也有了应用。 武汉理工大学港口机械工程研究所在这方面作了大量的研究工作，龙门起重机 的小车架已经设计成标准件，丽起升机构，运行机构，电器控制系统等按照不 同的功能要求直接进行组合，取得了较为可观的效益。 1 2 3 有限元设计 上个世纪5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展，由于当时 理论尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限 元程序无法在工程上普及。到6 0 年代末7 0 年代初出现了大型通用有限元程序， 它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商 品，成为结构工程强有力的分析工具。目前，有限元法在现代结构力学、热力 武汉理工大学硕士学位论文 学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。当前，被广泛使用的大 型有限元分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、a d i n a 和a l g o r 等。 有限元法是建立在固体流动变分原理基础之上的，有限元分析( f i n i t e e l e m e n ta n a l y s e ) 的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间 仅靠节点连接，单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值 求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程 式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程，计入边界条件 后即可对方程组求解，单元划分得越细，计算结果就越精确。通过使用有限元 分析软件，用计算机仿真分析，指导和防止故障的发生，既简便又耗资少，也 是目前故障诊断技术发展的方向之一。目前在起重机行业已广泛运用a n s y s 有限元分析软件对各系列起重机进行结构分析。 1 2 4 优化设计 随着生产的迫切要求和科学技术的飞速发展，特别是计算机技术的发展和 广泛应用，出现了基于数学规划的近代优化方法，并得到了发展。起重机设计 采用优化方法，能根据产品要求，合理的确定和计算各项参数，以期达到最佳 的设计目的，例如重量、成本、性能等。自上世纪6 0 年代末7 0 年代初，德国、 俄罗斯、美国、日本等国和我国都开展了桥式起重机主梁优化设计，大多以重 量轻为目标函数，以后又逐步扩展到桥架、零部件和机构的优化。但由于起重 机是成系列、成批量的产品，单目标优化已不能满足设计者的需求，如何寻求 目标函数，并能兼顾多种因素的整体优化设计方法引起了世界各国的起重机设 计者的关注。我国曾采用多级模糊综合评判方法，综合考虑起重机的性能、成 本、工艺生产管理、制造批量和使用维护等多种因素，解决了起重机系列整体 优化问题，取得了一定的效果。 近年来，基于生命科学与工程科学相互交叉渗透的优化算法遗传算法 与人工神经网络，在优化领域中异常活动。其应用范围几乎涉及到所有用传统 优化设计方面难以解决的优化问题，尤其适用于复杂和非线性问题，如组合优 化，工程优化设计，拓扑结构优化、系统辨识和控制、机器学习、图像处理、 决策规划和人工生命的研究等。可以预见，应用遗传算法和神经网络进行优化 4 武汉理工大学硕士学位论文 设计将是起重机设计的发展方向。 1 2 5 可靠性设计 随着现代工业设计的发展，起重机的作用越来越大，功能逐渐增大，对其 要求也越来越高，可靠性问题因此而日渐尖锐。可靠性设计包括确定可靠性指 标及其量值、失效分析、可靠性分析、可靠性分配、可靠性验证等。 自上世纪7 0 年代以来，美国、德国、日本和俄罗斯等国直接将可靠性设计 理论和方法应用于起重机的设计，许多大公司指定了可靠性的内控指标。例如 俄罗斯早在上世纪6 0 年代就开始对起重机进行故障调查，确定可靠性指标。7 0 年代将可靠性考核指标列入行业指导性文件。1 9 8 5 年正式列入起重机产品标准。 我国对起重机可靠性的研究始于上世纪8 0 年代，目前主要用于对产品的可靠性 试验，可靠性评估和失效分析，而将可靠性设计列入起重机产品设计中尚需大 量的研究工作。 1 2 6 反求工程设计 目前世界各国都充分利用国际先进科技成果并加以消化吸收，发展自己的 新技术和新产品。反求工程设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和 应用技术的组合，它通过对已有的先进产品进行分析、研究、解剖和试验，从 而了解其参数，性能、构造和功能，掌握其关键技术、工作机理和工艺原理， 以进行仿制、改进或发展新产品。 日本非常重视引进国外先进技术，并充分运用反求工程设计方法对先进技 术进行消化、吸收和国产化，同时采用移植、组合、改造方法开发出许多创新 产品。我国在引进和消化国外起重机先进技术中也采用了反求工程设计方法， 并取得了良好的效果。 1 2 7 极限状态设计 国外在上个世纪8 0 年代初把概率论、数理统计、可靠性理论等学科引进到 起重机设计中，出现了以概率统计方法为基础的起重机极限状态设计方法。该 方法把载荷、材料性质、构件实际尺寸等均看作基于某种概率分别的统计计算， 通过大量实测与调查得到各基本变量的分布概率及参数，然后应用概率可靠性 武汉理工大学硕士学位论文 知识。计算失效的概率( 风险大小) ，从而估计起重机钢结构的安全度。起重机 的设计从定值许用应力法发展到概率极限状态设计法是设计理论的重大发展。 1 2 8 动态仿真设计 起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能受多种因素的影 响，运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述。以往由于设计者缺乏有 效的理论与工具，所以起重机的设计往往以静态设计为主，这种设计方法显然 有局限性。要准确分析起重机的动态性能，试验是一个有效的方法，它可以实 际测量起重机所承受的载荷和结构响应。但起重机的实测只有在起重机制成以 后方有可能，这样做风险大，成本高，费工费时。近年来，国内外在起重机设 计中采用了一种新方法动态仿真设计，即用计算机对机构与结构在各种工 况下承受载荷进行状态及随时间变化过程仿真模拟，得到仿真输出参数和结果， 以此来估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进行动态分析计算时采 用。 除了这种对起重机承受载荷和结构响应进行动态仿真外，还有动画仿真法。 起重机在工作过程中会受到工作场地中许多障碍物的限制，如堆场建筑物，货 船结构物、运输车，堆场集装箱等，如果没有事先设计好吊装路线，可能会造 成重大的损失，为了解决这一类问题，国内外一些起重机企业和科研院所研制 了一些模拟仿真软件，可以模拟整个施工过程。 1 2 9 数字化设计 总体而言，数字化设计技术是指将计算机技术应用于产品设计领域。计算 机辅助设计( c a d ) 便是数字化设计最初的应用，随着研究的深入，数字化设计 的内容扩展了很多，己经不仅仅局限在c a d 方面。数字化设计技术比较完备的 定义是：数字化设计技术是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数 字化产品模型，并在产品开发全程采用，达到减少或避免使用实物模型的一种 产品开发技术。数字化设计技术具有统一的产品定义模型。同时，数字化设计 技术实现并行设计。一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设 计、共同装配，形成一个可完成强度、可制造性、成本和功能测试的完整的数 字化模型。更重要的是数字化设计过程中可以减少或避免实物模型的制造。 6 武汉理工大学硕七学位论文 数字化设计技术当前的研究热点主要包括：计算机辅助概念设计( c o m p u t e r a i d e d c o n c e p t u a ld e s i g n ，简称c a c d ) 、知识工程( k n o w l e d g e - b a s e d e n g i n e e r i n g ，简称k b e ) 和虚拟原型技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，简称v p ) 。 数字化设计目前在机械行业上还处于初期阶段，可以相信，作为机械分支 之一的港口起重机械，数字化设计时代将会在不久的将来全面到来。 1 2 1 0 参数化设计 参数化设计( p a r a m e t r i c ) 设计( 也叫尺寸驱动d i m e n s i o n - d r i v e n ) 是c a d 技术在实际应用中提出的课题，它是c a d 技术应用领域内的一个重要的、且待 进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计 人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减 少信息的存储量。参数化产品设计是用程序将某一种结构的设备参数化，使用 时给出一定的参数就可以自动生成具体的设备。它主要用来解决那些标准化系 列化的设备图形的生成问题，应用比较广泛。 参数化程序设计突出的优点是快速、准确，传递数据可靠，特别是对那些 结构形式与结合方式确定的设计。如结构形状不变，只改变大小，可通过改变 几何参数加以控制；组合方式不变，则可设一关系类参数控制其变化。 港口起重机各类型产品虽有较大区别，但它们也有很多相同的地方，特别 是同类型产品，其相似性更强。多数情况下港口机械为单件或小批量生产。在 设计过程中重复性强，任务量大，比较适合采用参数化技术进行设计。为此本 文以轨道式集装箱龙门起重机为研究对象，对其开展参数化设计研究。参数化 设计的具体内容以及实现方法将在下一章中进行详细的介绍。 1 3 论文选题背景及工程实际意义 龙门起重机种类繁多，通常情况下有下列分类方法：按照运行方式分可以 分为轨道式和轮胎式；按照主梁根数可以分为单粱和双梁；按照主梁的截面形 式可以分为箱形梁，三角形梁和工字梁，按照主梁悬臂的形式可以分为双悬臂， 单悬臂以及无悬臂，按照支腿的形式可以分为c 型支腿，u 型支腿，l 型支腿 以及0 型支腿。可以说虽然都称为龙门起重机，但各种机型之间也存在一定区 别，同时这些机型之间也存在一定的相同之处。不同的机型在进行设计的时候 武汉理工大学硕士学位论文 往往需要做大量的重复性工作，不利于提高设计效率。为此，本文的第一个研 究目的是对这些相同之处进行总结，同时充分利用我院资源优势，以其中比较 有代表性，而且使用最为广泛的轨道式集装箱龙门起重机为研究对象，用v i s u a l b a s i c 软件编写相关程序，减少设计过程中的计算量，提高设计效率，具有一定 的意义。 轨道式集装箱龙门起重机的主梁是承受载荷的重要结构件，本文首先介绍 了工程上主梁梁高的选用方法。同时考虑到支腿设计也是结构件设计过程中的 一个重要环节，而且实践也证明只有主梁和支腿之间的刚度比在一定的范围内 时，龙门起重机运行时整机才能够有较好的协调性。而以往的设计过程往往是 先设计好了图纸，再根据设计好的图纸建立相应的分析模型，然后再根据分析 的结果对已经做好的设计进行修改。如果性能参数不够，则在原设计的基础上 进行必要的修补，这时往往会造成一些非常规尺寸零部件的出现；反之当性能 参数有富余，且富余量不是很大时则懒于修改而造成一定程度的浪费。为此本 文的第二个研究目的就是调用第一步研究中获得的结构的基本参数，应用 a p d l 参数化语言建立龙门起重机的参数化模型，充分运用a n s y s 有限元分 析软件的功能，利用所建立的有限元模型迸行柔性支腿的计算和整机强度，刚 度等基本性能的分析，为后续的设计提供参考依据。 1 4 论文研究内容 本课题在充分研究轨道式集装箱龙门起重机各机构以及结构设计原理的基 础上，运用v i s u a lb a s i c 软件编写了“轨道式集装箱龙门起重机设计系统”程序、 用a p d l 参数化设计语言建立了轨道式集装箱龙门起重机的有限元参数化模 型、利用a n s y s 有限元分析软件对建立的模型进行了计算和优化，计算和分 析结果为后续设计提供参考依据。本文的具体研究内容如下： 1 ) 分析龙门起重机起升机构、大车运行机构、小车运行机构的工作原理以 及抗倾覆稳定性和支承反力的计算过程，在此基础上用v i s u a lb a s i c 软件编写各 部分的计算程序： 2 ) 分析龙门起重机金属结构的设计准则，确定合理主粱截面参数和支腿截 面参数，确定主梁和支腿之间刚度比的范围，编写程序对龙门起重机金属结构 件的截面参数以及各工况下的载荷进行计算； 8 武汉理工人学硕士学位论文 3 ) 用a n s y s 的内部命令和a p d l 参数化设计语言以及参数化技术建立龙 门起重机的有限元参数化模型。通过a n s y s 建立的起重机结构的有限元模型 对结构、边界条件及载荷等实现参数化。这是整个设计过程中最为基础也是最 为重要的一个环节。 4 ) 调用a n s y s 程序对用a p d l 所建立的有限元参数化模型进行柔性支腿 截面参数的设计和整机基本性能的有限元分析计算，计算的结果供后续设计参 考。 9 武汉理工大学硕七学位论文 第2 章参数化设计原理及实现方法 上一章介绍了本文的研究内容以及研究方法，在后面的章节中将陆续介绍 研究过程和所采用研究方法的开展情况。在本章中将首先介绍参数化设计原理， 主要包括：设计技术、参数化实现方法以及参数化设计的步骤等。然后介绍研 究中实现参数化所运用的手段和所采用的软件。 2 1 参数化技术阍 2 1 1 参数化设计技术 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 是c a d 技术在实际设计应用中被提出、并得 到迅速发展的有着强大使用价值的技术。用一组参数来定义几何图形( 体素) 尺 寸数值并约定尺寸关系，提供给设计者进行几何造型使用。参数的求解较简单， 参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动 ( d i m e n s i o nd r i v e n ) 。生产中常用于设计对象的结构形状比较定型的产品，系列 化标准件就是属于这一类型。计算方程组中的方程是根据设计对象的工程原理 而建立的求解参数的方程式。 参数化设计技术( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ) 的关键是几何约束关系的提取和表 达、约束求解以及参数化几何模型的构造。它的主要特点是：基于特征、全尺 寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。约束( c o n s t r a i n t ) 是指利用一些规则 或限制条件来规定构成实体的元素之间的关系。 参数化设计方法可使存储设计的整个过程一次能设计一簇( 而不是单一的) 产品模型。参数化设计技术过程使工程设计人员无需要考虑细节而尽快建立产 品模型，经过对模型的反复修改来得到所需的设计，并可变动某一些约束参数 来更新设计，从而在设计系列化产品时不必一次次都重新运行设计全过程。因 此，这种设计技术己成为进行产品初始设计、模型编辑修改及对多种方案进行 比较的有效手段。目前新推出的造型系统都具有一定的参数化设计功能。 工程设计需要多次反复的修改，对形状和尺寸要进行综合协调和优化，尤 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 其对于结构形式变化不大或设计过程较为稳定的产品，更需要根据实际情况自 动选择设计方案或修改尺寸，这就需要参数化设计。在起重机传统的设计过程 中，不同设计人员构思的设计方案也可能不同，再加上其结构形式多样，设计 时涉及到的参数众多，计算公式繁琐，人工计算效率低且很容易出现差错。显 然这种传统的手工设计方法已经不能够适应目前工程机械发展的需要，而应用 计算机则可以快速准确地得到计算结果，并可以进行多个方案的比较，从而得 到优化的设计结果。因此，研制与开发新的参数化设计计算系统来快速设计出 安全、经济、合理、美观的起重机的要求已迫在眉睫。 参数化设计的基本特点是针对实际的生产设计中同一类型但不同规格的产 品，其实际设计时的差别仅在于特定的若干关键技术的选择。针对这种特点， 我们编制一定的程序，让计算机按照给定的要求自动完成产品的设计，修改设 计时只需修改给定的相关参数，其它部分由计算机来完成。 参数化的技术是设计的参数除描述几何拓扑信息外，还能表达与处理几何 元素闯的各种设计关系和约束关系。这样，工程设计人员不需要考虑具体细节， 精确计算结果由计算机自动生成，同时可以通过变动某些参数和约束关系来更 新设计。 2 1 2 参数化实现方法 图形参数化的实现一般有四种方法，即： 1 ) 变量驱动图形 用具有不同属性的变量来约束和驱动图形，变量可为一个具体数值或者一 个表达式。在这种方式中，可用容易理解、容易记忆的变量名称来存储设计数 据，在变量与设计模型之间建立起联系，每当改变“变量”的数值，就会引起 设计的相应调整。 2 ) 表格驱动图形 应用表格驱动几何图形，事先将与设计有关的各种数据以表的形式存放在 相应的数据库中，各个表都具有独立的名称，并建立表中记录与设计模型的联 系，通过访问不同表中的记录达到改变几何图形的目的。这种方法特别适合于 机械零件的标准件和常用件的系列设计。 3 ) 尺寸驱动图形 武汉理1 = 大学硕士学位论文 利用修改尺寸数值达到修改图形的目的，这是面向设计的，使得草图设计 成为可能。在模型上一旦标注了尺寸，同时也就建立了几何元素与尺寸之间的 双向联系，不论是改变几何图形的大小，还是修改尺寸标注的数值，都能引起 对方的相应变化。 4 ) 用户元素驱动图形 对于具有确定几何形状特征的零件或部件可将其设计成具有单一图素的特 征，如同操作基本点、直线、面一样在需要时直接引入，其特征几何尺寸可取 自于表、变量或特定尺寸。根据需要可以生成应用上述任何一项或几项的组合， 来控制设计模型的生成。 参数化设计就是建立上述四种图素( 指变量、表、尺寸、用户元素) 对设计模 型中的几何量的约束关系。一旦在图形中建立起此种关系，当我们再对图形中 的某个几何量修改时，只需修改与该几何量相关联的参数图素值，而无须针对 图形进行操作。 在本次研究中，分别采用尺寸驱动图形和用户元素驱动图形方法来实现参 数化设计研究。主要表现为在建立参数化模型的过程中有些参数的改变会引起 整机结构甚至其他性能的改变，而有些参数的改变不会引起结构的改变，这些 参数的设计完全是出于工艺等方面的考虑，需要进行适当的简化。以上这些参 数需要根据重要程度采用不同的方法来实现。 2 1 3 参数化设计步骤 参数化设计的步骤为： 1 ) 分析工程图形，提取事物特性： 2 ) 设计事物特性表，将提取的几何特性制成表； 3 ) 算法设计； 4 ) 程序编制； 5 ) 程序调试及运行。 在参数化设计系统中，数据存储与传递是一个十分关键的问题。当正常的 数据修改结束时，退出数据修改即可完成数据存储。而在指定文件中存储的数 据可以传递到后序的设计中，并在下一次进入系统时被作为初始数据使用，这 正是参数化程序设计的优点。 武汉理1 = 大学硕士学位论文 2 2 大型开发工具v i s u a lb a s i c 眦h 5 5 1 2 2 1v i s u a lb a s i c 简介 “v i s u a l ”是指开发图形用户界面( g u i ) 的方法。用户无需编写大量代码 去描述界面元素的外观和位置，而只要把预先建立的对象放置到屏幕上即可。 b a s i c 语言是在2 0 世纪6 0 年代诞生于美国。因b a s i c 语言具有简单易学、效率 高的特点，在国际上广泛流行，并得到了不断的发展。2 0 世纪8 0 年代，以 w i n d o w s 操作系统为代表的图形用户界面逐渐被广大用户接受。为简化 w i n d o w s 应用程序的开发，微软公司于1 9 9 1 年推出了v i s u a lb a s i c s 它是在b a s i c 语言的基础上研制而成的很有发展前途的高级程序设计语言，继承了b a s i c 语 言的特点，并且功能强大，可用于开发w i n d o w s 环境下的各类应用程序，是一 种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的，利用w i n d o w s 环境下丰富的图 形界面的程序设计语言。 2 2 2v i s u a lb a s i c 语言的特点 v i s u a lb a s i c 作为目前最简单、最容易使用的w i n d o w s 应用程序开发语言， 有以下主要特点： 1 ) 可视化编程设计工具。v i s u a l b a s i c 提供了可视化设计工具，把w i n d o w s 界面设计的复杂性，“封装”起来，开发人员不必为开发界面设计而编写大量程 序代码，只需要按设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各 种“部件”，即图形对象，并设置这些图形对象的属性。v i s u a lb a s i c 自动产生 界面设计代码，程序设计人员只须编写实现程序功能的那部分代码，从而可以 大大提高程序设计的效率。 2 ) 面向对象的程序设计。v i s u a lb a s i c 是应用面向对象的程序实际方法 ( o o p ) ，把程序和数据封装起来作为一个对象，并为每个对象赋予应有的属性， 使对象成为实在的东西。在设计对象时，不必编写建立和描述每个对象的程序 代码，而是用v i s u a lb a s i c 工具，在界面上自动生成对象的程序代码，并封装起 来。 3 ) 结构化程序设计语言。v i s u a lb a s i c 是在b a s i c 和q u i c kb a s i c 语言的基础 上发展起来的，具有高级程序设计语言的语言结构，接近于自然语言和人类的 武汉理工大学硕士学位论文 逻辑思维方式，其语句简单易懂；其编译器支持彩色代码，可以自动进行语法 检查，同时具有功能强，且使用灵活的调式器和编译器。 v i s u a lb a s i c 是解释型语言，在输入代码的同时，解释系统将高级语言分解 翻译成计算机可以识别的机器指令，并判断每个语法的语法错误。在设计v i s u a l b a s i c 程序的过程中，随时可以运行程序，而在整个应用程序设计好后，v i s u a l b a s i c 又呈现其编译型语言的特点，可以编译生成可执行文件( e x e ) ，脱离 v i s u a lb a s i c 环境，直接在w i n d o w s 环境下运行。 4 ) 事件驱动编程机制。v i s u a lb a s i c 通过事件来执行对象的操作。一个对象 可能会产生多个事件，每个事件都可以通过一段程序来响应，例如，命令按钮 是一个对象，将会产生一个“单击( c l i c k ) ”事件，而在产生该事件时将执行一 段程序，用来实现指定的操作。 在用v i s u a lb a s i c 设计大型应用软件时，不必建立具有明显开始和结束的程 序，而是编写若干个微小的子程序，即过程。这些过程分别面向不同的对象， 由用户操作引发某个事件来驱动执行某种特定的功能，或者由事件驱动程序调 用通用过程来执行指定的操作。这样可以方便编程人员，提高效率。 5 ) 访问数据库。v i s u a lb a s i c 系统具有很强的数据库管理功能。利用数据控 件和数据库管理窗口，可以直接建立或处理m i c r o s o f ta c c e s s 格式的数据库，并 提供了强大的数据库存储和检索功能。同时，v i s u a lb a s i c 能直接编辑和访问其 它外部数据库，如：d b a s e 、f o x p r o 、p a r a d o x 等。这些数据库格式都可以用 v i s u a lb a s i c 编辑和处理。 2 2 3v i s u a lb a s i c 基本组成 v i s u a lb a s i c 典型的操作界面如图2 一l 所示。 v i s u a lb a s i c 集成开发系统主要包含以下元素： 1 ) 菜单 菜单显示所使用的v i s u a lb a s i c 命令。它除了提供标准w i n d o w s 应用程序的 “文件”、“编辑”、“视图”、“窗口”和“帮助”菜单之外还提供了编程专用的 功能菜单“工程”、“格式”、“调试”、“运行”