（机械设计及理论专业论文）四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文来源于大连重工- 起重集团有限公司h c z j s w ( 2 0 0 9 ) 第0 0 8 号招标文件：四 连杆式门座起重机钢结构计算专家系统。 本文对门座起重机四连杆臂架及平衡重系统进行了研究，以变幅阻力矩、重量、杆 件自重力矩、势能、平衡重重量5 个为目标函数，各杆件长度和平衡重重量等共计l o 个参数作为设计变量，1 9 个约束条件建立了臂架及平衡重系统的数学模型。该数学模型 采用m a t l a b r 2 0 0 8 a 求解。同时本文应用m a t l a b r 2 0 0 8 a 开发了四连杆式门座起重 机臂架及平衡重系统的优化设计软件，在为设计人员提供了简洁友好的用户界面的同 时，通过具体实例介绍了软件的使用方法，验证了软件的实用价值，其结果较用传统方 法得出的结果有显著进步。由于考虑了多种因素和目标，所以输出结果即可直接采用， 而不必再作其它图形外观和计算分析等的比较工作。 此外，本文还对四连杆式门座起重机整机钢结构进行了研究，结合有限元参数化技 术、a n s y s 二次开发技术和e x c e lv b a 编程技术，提出了四连杆式门座起重机有限 元参数化分析和e x c e lv b a 后处理二次开发的解决方案。根据这种思路，本文开发了 四连杆式门座起重机专用的有限元分析软件。该软件封装了所有a n s y s 的操作，用户 只需关注设计变量的输入。生成有限元参数化分析流程文件，调用a n s y s 计算和针对 a n s y s 计算结果进行的后处理( 再计算) 都由软件自动完成。最后以大连重工起重 集团有限公司4 5 吨四连杆式门座起重机有限元分析为例，验证了专用软件系统的科学 性、可行性和实用性。 关键词：门座起重机；优化设计；有限元参数化分析；a p d l ；e x c e lv b a 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 r e s e a r c h i n gf o rs t e e ls t r u c t u r ec a l c u l a t i o ns y s t e m o ff o u r - b a r - t y p eg a n t r yc r a n e a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h en o 8b i d d i n gd o c u m e n th c - z 。j s w ( 2 0 0 9 ) o fd h i d c wc o ， l t d ：e x p e r ts y s t e mf o rs t e e ls t r u c t u r ec a l c u l a t i o no ff o u r b a r - t y p eg a n t r yc r a n e i nt h i sp a p e r , t h eb o o ma n db a l a n c i n gw e i g h ts y s t e mo ff o u r - b a r - t y p eg a n t r yc r a n ea r e s t u d i e d ，a n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e db ye m p l o y i n g5o b j e c t i v e f u n c t i o n so fl u f f i n gr e s i s t a n c em o m e n t ，d e a d w e i g h t ，b a rd e a d w e i g h tm o m e n t ，p o t e n t i a le n e r g y a sw e l la sb a l a n c i n gw e i g h t ，10p a r a m e t e r so fb a rl e n g t h e n ，b a l a n c i n gw e i g h te t c a n d19 c o n s t r a i n t s t h es o l u t i o no f m a t h e m a t i c a lm o d e li sd o n eb ym a t l a b r 2 0 0 8 a ，w i t hh e l po f w h i c ht h e o p t i m a ld e s i g ns o f t w a r eo fb o o ma n db a l a n c i n gw e i g h ts y s t e mo ff o u r - b a r t y p eg a n t r yc r a n ei s d e v e l o p e d t h es o f t w a r ep r o v i d e su s e r saf r i e n d l yi n t e r f a c e ，a n dt h er e s u l t so fs o f t w a r er u n n i n g a f t e rv e r i f i c a t i o ns h o w sag r e a tp r o g r e s so ff i n a lm e c h a n i s mc o m p a r e d 、析t l lc o n v e n t i o n a l m e t h o d b e s i d e s ，b e c a u s ev a r i o u sf a c t o r sa n do b j e c t i v e sa r ea l r e a d yc o n s i d e r e d ，t h eo u t p u to f s o f t w a r ec a nb ee m p l o y e dd i r e c t l yw i t h o ma n yc o m p a r i s o no fg r a p h i ca p p e a r a n c ea n d c o m p u t a t i o na n a l y s i s w i t hr e s p e c tt oo v e r a l ls t e e ls t r u c t u r eo ff o u r - b a r - t y p eg a n t r yc r a n e ，w ec a r r yo u tf u r t h e r r e s e a r c h e s ，w h i c hi n c l u d ef i n i t ee l e m e n tp a r a m e t r i ca n a l y s i so ff o u r b a r - t y p eg a n t r yc r a n ea n d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fe x c e lv b ab yc o m b i n i n gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo f a n s y sa n dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yo f e x c e lv b a b a s e do na b o v ew o r k ，s p e c i a ls o f t w a r e f o rf o u r - b a r - t y p eg a n t r yc r a n e ，w h i c he n c a p s u l a t e sa l la n s y s o p e r a t i o n ，i sd e v e l o p e dt of r e e u s e rf r o mt e d i o u sw o r k ，s ot h a tt h er u n n i n go fa n s y s ，t h eg e n e r a t i o no fa n s y s p r o c e s s i n g f i l e sa n de v e nt h e p o s t - t r e a t m e n to fa n s y sc o m p u t a t i o nr e s u l t a l ea l la c c o m p l i s h e d a u t o m a t i c a l l y a tl a s t ，t h es c i e n t i f i c i t y ，r e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo fd e v e l o p e ds o f t w a r ea r e v e r i f i e db ya p p l y i n gs o f t w a r eo l lf e aa n a l y s i so f4 5 tf o u r - b a r - t y p eg a n t r yc r a n eo fd h i - d c w c o l t d k e yw o r d s ：g a n t r yc r a n e ；o p t i m a td e s i g n ；p a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； a p d l ；e x c e lv b a i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 圣苎竺 日期：圭竺! ! 年j 兰_ 月二日 导师签名：可j 垂2 寻悼日期：群年l 月j 立日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 门座起重机概述 门座起重机是一种重要而又具有代表性的旋转类型的有轨运行式起重机，它因具有 能让运输车辆顺利通过的门架结构而得名。现代门座起重机广泛应用于港口、码头货物 的机械化装卸，造船厂船舶的施工、安装以及大型水电站工地的建坝工程中，对于减轻 繁重的体力劳动改善工人的操作条件，提高劳动生产率都具有很大的意义，是实现生 产过程机械化不可缺少的重要设备i l 】。 门座起重机的构造大体上可以分为两大部分，即上部旋转部分和下部运动部分( 图 11 ) 。上部旋转部分相对下部运行部分可以实现整周旋转，它包括臂架系统、人字架、 旋转平台、司机室等，同时还安装有起升机构、变幅机构和旋转机构。通过起升、变幅、 旋转三种运动的组合可以在一个环形圆柱体空问实现物品的升降。下部运行部分主要由 门架和运行机构组成。根据所用门座起重机工作条件的不同，门架一般可以跨越l 3 条 铁路，其净空尺_ 、j 应满足车辆顺利通过要求。门架底部装有行走车轮或运行台车运行 机构使整台起重机可以沿着地面或建筑物上的轨道运行。为了防止起重机在风力作用下 滑行，在运行部分装有防风抗滑装置( 夹轨器) 1 2 】。 图1 i 门座起重机简图 f i g 1id j a g r a mo f p o n 出c 咖 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 门座起重机一般通过电缆卷筒或地沟滑触线供电，采用电力直接驱动，只有当电力 供应无法解决时才考虑采用蒸汽发电或柴油发电等复合驱动装置【3 】。 根据卜述门座起重机的一般构造，可以看出，门座起重机具备起重机的起升、变幅、 旋转、运行四大机构，是一种具有代表性的典型的起重机构造型式。通过起升、变幅、 旋转、运行四个机构的协调动作( 通常是 3 个机构同时工作) 来实现物品的升降、转 载，并可根据需要，沿运行轨道从一个地点运行到另一个工作地点。对于大起重量的门 座起重机，考虑到满载工作未必频繁，为了扩大其应用范围，实现经济运转，在装有起 吊额定起重量的主起升机构之外，一般还装有1 2 个较小起重能力的副起升机构 4 。 门座起重机有各种分类方法，根据结构型式的不同，可分为不同的类型。 以门架的结构型式为主要标志，门座起重机可以分为全门座起重机( 图1 2 ) 和半 门座起重机婀种1 5 1 。 图12 全门座起重机 f i g 12c o m p l e t e g 锄yc f a l l e 丈连理工大学硕士学位论文 以起重臂架的结构型式为主要标志，门座起重机可以分为四连杆组合臂架式门座超 重机( 图12 ) 和单臂架式门座起重机( 图l3 ) 两种。前者的最人优点是臂架下面的净 空高度较大，因而在一定的起升高度要求下，起重机的总高度可以较低，但结构较复杂， 重量较大，而后者恰恰相反。目前筐内使用前种型式居多h 。 以上部旋转部分相对下部运行部分旋转的支承装置的结构型式为主要标志，门座起 重机可以分为转柱式门座起重机( 图l2 ) ，定柱式门座起重机( 图14 ) ，转盘式门座 起重机( 图1 5 ) 和大轴承式门座起重机( 图1 3 ) 四种。转盘式零件多，结构复杂，目 前采用较少；转柱式和定柱式整体稳定性好，足日前常用的型式，其中转柱式的应用最 多；大轴承式结构新颖，构件少，重量轻，具有广阔的发展前景“。 根据用途和使用场合的不同，门座起重机可以分为港口用门座起重机( 图1 2 ) ， 造船用门座起重机( 图15 ) 和建筑用门座起重机( 图1 3 ) 三种，它们的工作特点和具 体要求分述如下吼 图l3 单臂架式门座起重机 f i g l3 s i n g l eb e a mg a n t r yc l a l l e 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 港口用门座起重机用于港口，码头船舶和车辆的机械化装卸，转载。提高装卸生产 率，加快车，船的周转是这种起重机的工作特点。对他们相应的要求有： ( 1 ) 充分使用港口，码头场地，适应船舶的空载，满载作业以及她面车辆的通行 要求。为此，起重机的设计应力求外形尺寸小，司机室有足够的高度并且视野开阔，门 架的净空尺寸应能允许车辆顺利通过。此外，还要考虑到多台起重机在同一舱口同时进 行装卸作业的可能性”l 。 圈14 定柱式门座起重机 f i g 14f i x e d - c o l u m n - t y p eg 锄t 叫c 血1 e ( 2 ) 高速灵活，安全可靠的装卸要求。为此，起重机的设计应当选用适当的起重 量，较高的工作速度，并且配备可靠的安全装最。起重量的范围一般为1 5 - 2 0 t ，起重 量在整个工作幅度范围内保持不变，同时针对散装货物和成件货物的装卸需要，应当考 虑既能使用抓斗又能使用吊钩进行作业。 ( 3 ) 其它要求。如为了满足跨船作业的要求，幅度要求能达4 0 m 以上，为了减少 码头堤岸的建筑费用，轮压要求控制在3 0 t f 咀内等【l ”。 大连理工大学硕士学位论文 图15 转盘式门座起重机 f i g 15 r o t a t i n g - d i s c - t y p eg a n t r yc r a n e 造船用门座起重机用丁船厂，船坞在修，造船时大型结构分段的施工拼装和机电设 备的安装中。吊重吨位大，吊装准确可靠是这种起重机的工作特点，对它们相应的要求 分述如下i 。“。 ( 1 ) 类似港口用门鹰起蕈机，设计时应力求外形尺寸小，同时根据修造大型船舶 的需求，充分利用起重机的幅度以及司机视野丌阔的要求，门架应有更大的高度i i ”。 ( 2 ) 针对吊重对象为单个的工件，设备，并且蕈量大小不的使用特点，起重机 的合理设计应是在考虑具有最大起重能力的主钩的同时，还要装设具有较小起重能力的 副钩。此外，在保持载重力矩( 起重量工作幅度) 不变的条件下，主钩的起重量应能 随工作幅度的变化而变化。 ( 3 ) 准确可靠的安装要求。为此，起重机的工作速度一般比港口用的门座起重机 要低，并且还要考虑安装时的微速升降要求。按照起晕机起霞能力的大小，正常起升速 度般取为2 45 m m i n ，安装速度取为01 5 m m i n 。 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 ( 4 ) 其它要求。如为了满足工件的翻身作业要求，设计时要考虑到主，副钩协同 工作的可能性，跨船作业的大幅度要求，浮船坞起重机的小轨距要求以及抗风浪颠簸的 稳定性要求等i ”j 。 建筑用门座起重机一般用于水电站工地进行大坝的混凝土浇筑，钢筋的安装，模板 的装拆以及闸门，机电设备的吊装等。装卸，安装并重是这种起重机的工作特点，对其 相应的要求分述如下【1 6 】。 ( 1 ) 类似港口用起重机，力求外形尺寸小，重量轻，司机视野好。 ( 2 ) 考虑到装卸生产率的要求，这种起重机的起重量，工作速度的取用范围一般 类似于港口用的门座起重机，但变幅，旋转速度较后者为低，以减小大长度钢丝绳悬吊 物品时的摆动。 ( 3 ) 大起升高度和大幅度的要求。根据大坝建筑高度，宽度的要求，起升高度在 轨面上一般可达3 0 7 0 m 以上，工作幅度可达5 0 m 以上。 ( 4 ) 其它要求。如为了满足临时性的工作要求，在构造上应注意装拆，搬运方便， 多台起重机协同工作起吊大吨位物品时的可能性等。 门座起重机的基本参数有起重量，起升高度，幅度，工作速度，工作类型，轨距， 轮压，外形尺寸等。这些参数是表征门座起重机性能的主要指标，也是进行起重机设计 工作的技术依据【1 。7 1 。 ( 1 ) 起重量( q ) ：门座起重机的起重量( 额定起重量) 是指起重机容许起吊的最 大货物重量和取物装置( 吊钩装置除外) 的重量之和。起重量的单位是吨( t ) 。 ( 2 ) 起升高度( h ) ：门座起重机的起升高度一般是指从运行轨道面向上到取物装 置的上极限位置之间的垂直距离。起升高度的单位是米( m ) 。对于吊钩装置，取吊钩 钩环中心计算，对于抓斗装置或其它取物装置，取装置的最低点计算。从运行轨道面向 下到取物装置的下极限位置之间的垂直距离称为下降深度。门座起重机的总起升高度应 包括起升高度和下降深度两部分【1 8 】。 ( 3 ) 幅度( r ) ：门座起重机的幅度是指从起重机旋转中心线到取物装置悬吊点之 间的距离。单位是米( m ) 。当起重臂架外伸于最远极限位置时，从起重机旋转中心到 取物装置悬吊点之间的距离称为最大幅度( r m a x ) ，当起重臂内收于最近极限位置时， 从起重机旋转中心到取物装置悬吊点之间的距离称为最小幅度( r m i n ) 。 ( 4 ) 工作速度( v ) ：门座起重机的工作速度包括起升速度，变幅速度，旋转速度 和运行速度。起升速度是指取物装置的上升速度。单位是米分( m m i n ) 。应当指出， 上述四种工作速度的选择应与其相应的工作行程相协调，以使各个机构在正常工作时能 大连理工大学硕士学位论文 够达到稳定运动。此外，同时工作的机构，其工作速度也应相互协调，以免因某一机构 太快或太慢而影响整个工作循环时间。对于主要机构的工作速度( 如起升速度) 一般采 用电气或机械方法调速，以满足不同的工作要求1 1 9 1 。 ( 5 ) 工作类型：工作类型是用来表征门座起重机的载荷特征和工作繁忙程度的参 数。在设计门座起重机时，要对机构，零部件和金属结构进行强度，刚度，稳定性，疲 劳，磨损和发热等方面的计算。为使产品安全可靠，经济耐用，设计时必须考虑工作类 型。对于一台门座起重机而言，各个机构可以具有不同的工作类型，但是整台门座起重 机及其金属结构的工作类型应由主起升机构的工作类型来决定1 2 。 ( 6 ) 轨距( l ) ：门座起重机的轨距是指起重机两条运行轨道轴线之间的距离。单 位是米( m ) 。 ( 7 ) 轮压( p ) ：门座起重机的轮压是指起重机的一个行走轮对运行轨道的压力。 单位是吨力( t f ) 。门座起重机在工作状态最大风压和起重臂处于最不利的工作位置的 条件下，满载起动或制动时所具有的轮压称为工作状态的最大轮压。 ( 8 ) 外形尺寸：门座起重机的外形尺寸是指起重机外部的轮廓尺寸，主要包括最 小幅度时起重臂最高点距轨道顶面的尺寸，最大幅度时起重臂最远点距旋转中心线的尺 寸，尾部旋转半径尺寸，门架净空尺寸，司机室高度以及在一条运行轨道上运行机构台 车的边缘长度等。单位是米( m ) 。 近年来，造船用门座起重机较之港口用门座起重机和建筑用门座起重机有了更加迅 速的发展，因此以下着重综述具有代表性的造船用门座起重机的发展趋势。 ( 1 ) 大型化以及对机电设备的要求方面：船舶建造的大型化，吨位的迅速增大， 要求大型的门座起重机与之相适应，即要求能够设计制造出大起重量，大幅度，大起升 高度的门座起重机。 ( 2 ) 材料及结构型式方面：起重量的大型化无疑使起重机的自重大为增加，如西 德的3 0 0 t 门座起重机总重量高达2 7 0 0 t ，因此采用高强度的结构材料和合理的结构型式 对于减轻起重机的自重有着重大的影响。 ( 3 ) 标准化、系列化方面：随着国民经济的发展，对门座起重机的需要量也与日 剧增，因此，对其主要参数，主要机构及零部件实现系列化，标准化，对于提高生产率， 减低成本，便于维修保养等有着重要意义，目前国外的许多工厂都制订有自己的门座起 重机产品系列。 ( 4 ) 计算理论和设计方法方面：在门座起重机设计中，长期沿用的方法是许用应 力计算法。这种方法使用简便，但缺点是对安全系数的考虑较粗糙，对不同用途，不同 受力情况的结构在安全系数中没有体现，因此在设计时为保证安全起见，往往安全系数 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 取用过大，这样势必造成金属材料耗费量增多，结构件重量加重。近年来出现了一些新 的计算理论和方法，如极限承载能力计算法，这种方法的特点是考虑了载荷的作用性质， 材料的性能以及工作特点，针对不同的工况采用不同的安全系数，这样就使得计算较为 精确，从而使材料得到合理使用，又如起重机的吊钩材料，过去一直限于采用强度较低 的低碳钢，而不敢使用高强度钢。原因是高强度钢对于材料缺陷敏感，易于发生脆性断 裂。随着对材料脆性断裂的了解和断裂力学理论的发展，现在也有提出用断裂力学方法 来计算吊钩，以求使用高强度钢，减轻吊钩重量。此外，国内外也有研讨以概率统计规 律为基础的可靠性设计方法。 1 2 门座起重机变幅机构设计 在门座起重机中，从取物装置中心线到起重机旋转中心线之间的距离，称为起重机 的幅度。用来改变幅度的机构，称为起重机的变幅机构。 门座起重机的变幅工序都可以在带载条件下进行，而且变幅过程是每一工作周期中 的主要工序之一，因此它的变幅机构是工作性变幅机构。工作性变幅机构可使物品绕起 重机的旋转轴线作径向水平移动，以扩大起重机的服务面和提高工作机动性。其主要特 征是变幅频繁，变幅速度对装卸生产率有直接影响，变幅阻力较大( 带载变幅) 。在装 卸类型起重机中，一般应采用较高的变幅速度以提高装卸生产率。 现代的门座起重机都采用摆动臂架式变幅( 图1 6 ) 。在摆动臂架式变幅机构中， 幅度的改变是靠动臂在垂直平面内绕其铰轴摆动来达到的。 图1 6 摆动臂架式变幅装置简图 f i g 1 6d i a g r a mf o rl u f f i n gm e c h a n i s mw i t hs w i n g - b e a m 大连理工大学硕士学位论文 在现代生产中大多要求实现工作性带载变幅。为了尽可能降低变幅机构的驱动功率 和提高机构的操作性能，目前普遍采用下述两项措施： 载重水平位移：为使物品在变幅过程中沿着水平线或接近水平线的轨迹运动，采用 物品升降补偿装置。 臂架自重平衡：为使臂架装置的总中心的高度在变幅过程中不变或变化较小，采用 臂架平衡系统。 1 2 1 载重水平位移 ( 1 ) 型式 为使载重在变幅过程中沿水平线或接近水平线移动，大多采用绳索补偿法或组合臂 架补偿法。 绳索补偿法：绳索补偿法的特点是，物品在变幅过程中引起的升降现象依靠起升绳 绕绳系系统及时放出或收进一定长度的起升绳的办法来补偿，从而使物品在变幅过程中 沿接近水平线的轨迹移动。 组合臂架补偿法：组合臂架补偿法的特点是，物品在变幅过程中的水平移动是依靠 臂架端点在变幅过程中沿接近水平线的轨迹运动来保证。 ( 2 ) 设计方法 滑轮组补偿装置的设计：包括图解法和解析法。 组合臂架装置的设计：也是包括图解法和解析法。 1 2 2 臂架自重平衡 为了使摆动臂架式变幅机构在变幅过程中臂架系统的重心尽可能不发生升降现象， 以免由于重心升降时需要作功或吸收能量而引起变幅机构驱动功率的增大，臂架系统的 自重要用对重加以平衡。对重或是直接装于臂架，或是通过杠杆系统或挠性件与臂架相 连接【2 。 臂架对重对于旋转部分的整体平衡有着重要影响，由于这个原因，应该使对重离开 旋转轴线远些为好，并且随着臂架升起而使对重逐渐靠拢旋转轴线。在很多情况下，对 旋转部分的尾部半径要求要求，即对重的布置位置受到限制，因此要求对平衡系统的尺 寸进行选择。 臂架平衡型式包括尾重，杠杆式活动对重，特殊的臂架运动轨迹和挠性连接的活动 对重四种方式。 ( 1 ) 尾重 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 将对重直接布置在臂架尾部的延长端上( 图1 7 ) ，并使对重重量g c 和臂架重量g b 的合成重心正好位于臂架铰轴o 上，即 g c = g 6 罢 图1 7 尾重式臂架平衡装置 f i g 1 7t r i a l w e i g h t - t y p cb e a mb a l a n c i n gm e c h a n i s m 对重在臂架侧面分左右两翼夹着机房，限制了它的宽度。整个臂架系统的重心在臂 架铰轴o 上固定不变，达到完全平衡，但对整个旋转部分的平衡是不利的。 ( 2 ) 杠杆式活动对重 在对重与臂架之间通过杠杆系统联系，可将对重向旋转部分尾部后移( 图1 8 ) 。 如果杠杆系统成平行四边形，则同样还保持上述臂架尾部对重的关系而达到完全平衡。 大连理工大学硕士学位论文 图1 8 杠杆式活动对重装置 f i g 1 8l e v e r - t y p em o v m gc o u n t e r p o i s em e c h a n i s m 一般都采用非平行四边形的杠杆系统，这样可改变杠杆系统的传动比，使对重的摆 动角度得以增大。由于增大了对重的升降行程，使得对重减小成为可能，并可充分发挥 对重对起重机稳定性所起的作用【2 2 l 。 ( 3 ) 特殊的臂架运动轨迹 依靠臂架系统的运动特性，保证臂架重心在变幅过程中严格地水平移动( 图1 9 ) 。 这类方案构造较复杂，一般很少采用。 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 图1 9 重心沿水平线移动的臂架系统 f i g 1 9 b e a ms y s t e mw i t hc e n t e ro fg r a v i t ym o v m g a l o n gh o r i z o n t a ll i n e ( 4 ) 挠性连接的活动对重 图1 1 0 所示是挠性件一活动对重式平衡系统。他也不可能在任意位置上都达到完全 平衡，其优点是构造简单，容易达到较小的尾部半径，缺点是其挠性件容易磨损。当对 重用钢丝绳悬挂时，不准许钢丝绳在滑轮上弯绕。 图1 1 0 挠性件连接的臂架活动对重 f i g 1 10 b e a mm o v m g c o u n t e r p o i s eb yt e n s i o n - e l e m e n tj o i n t 大连理工大学硕士学位论文 1 3 课题的主要研究内容和意义 1 3 1 立题背景及研究意义 随着市场竞争的日趋激烈，对门座起重机的设计质量和效率提出了越来越高的要 求，其中变幅系统的优化设计是该产品开发过程中最常遇到的问题，对整机的性能有着 重大影响，对其设计方法的研究长期受到一些研究部门和众多学者的关注和重视。但由 于其设计变量较多，受力较复杂，约束条件多通常而言，约束条件越多，就存在更 多的不连续位置和设计空间中的孤岛式区域因而在优化应用和研究上具有相当的 难度【2 3 1 。 实际上，变幅机构的设计是一个拓扑布局优化问题，其变量涉及各构件的长度和铰 点的位置。而拓扑布局优化问题是一个n p 难问题，变量的可能组合数目庞大，利用传 统的优化方法往往难以奏效。 这是因为传统的优化进程比较生硬，由于算法的多样性和实际问题的复杂性，使优 化计算在迭代过程中经常出现死机、死循环、不迭代和假收敛等。因此研究门座起重机 变幅机构的优化设计既具有现实意义又具有理论意义。 另外，四连杆式门座起重机( 图1 1 1 ) 整机钢结构作为主要的承载部件，其强度、 刚度直接关系到起重机的安全及性能。由于钢结构是空间超静定桁架结构，传统的设计 计算方法简化大、计算精度差，目前多采用有限元法进行设计计算。有限元法在四连杆 式门座起重机设计中的应用主要是以通用有限元软件为平台，如a n s y s 、a b a q u s 、 m s c n a s t r a n 、a d i n a 、a l g o r 等。它们大都提供强大的计算分析功能，但由于其 通用性必然无法兼顾具体产品的特点，因此以通用有限元软件为平台的门座起重机有限 元分析存在不少问题。 ( 1 ) 有限元建模工作量大，模型参数化程度不高，重复性劳动多。有限元分析过 程中，首要的任务是根据结构的物理模型( 包括几何、材料、载荷、边界条件等) 建立 离散化的有限元模型，即有限元建模或前处理。由于门座起重机臂架结构较为复杂，模 型参数多，而且具有多种作业工况，为了较为全面的了解起重机的受力状况，提高设计 的可靠性，需选取多种工况分析，因而建立门座起重机有限元模型的工作量十分巨大。 经验表明：有限元建模在整个有限元分析工作量中占7 0 8 0 左右，建立有限元模型耗 费的时间直接关系到整个分析周期。 ( 2 ) 通用有限元分析软件对用户的有限元理论知识和软件知识有较高的要求。尽 管有限元软件开发商一直在改进软件的用户界面使其简便实用，但仍然很难做到针对某 专业的工程技术人员可以方便的使用。 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 图1 1 1 四连杆式门座起重机 f i g 1i l f o u r - b a r - t y p e g a n t r y c r a l l ! 针对通用有限元软件应用时存在的上述问题，近几年来国内外的学者相继提出了一 些解决方案。这些解决方案的主体思路是把c a d 领域的参数化思想与有限元分析相结 合。作为通用有限元软件的用户，将参数化思想与有限元分析相结合就是利用通用有限 元分析软件提供的编程参数化功能，针对某一产品，如船舶结构、管系结构、塔式起重 机臂架等，根据该类产品的特性提出相应的编写有限元参数化分析流程文件的方法。有 的还结合高级编程语言，如v b 、v c 和e x c e lv b a 等开发出专用程序方便用户更改 分析文件中的模型变量值。 鉴于以上情况，本文提出了门座起重机有限元参数化分析的解决方案。主要原理是 将c a d 领域装配参数化思想与a n s y s 提供的参数化编程语言a p d l 相结合，实现整 个门座起重机的有限元参数化建模和分析。然后用可视化编程语言e x c e l v b a 开发一 个基于a n s y s 的门座起重机专用的有限元分析系统，封装所有的有限元参数化分析流 程文件。通过界面交互技术和文件操作技术保证程序内部数据高效准确传递和文件的正 确调用。用户只需要关注有限元分析参数的输入，生成参数化有限元分析流程文件，调 用a n s y s 运行该文件计算都由系统自动完成。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内外发展现状 此前，上海交通大学机械系的陆国贤和丁怡1 2 4 】在四联杆变幅装置优化设计 s u m t 优化方法应用实例中对变幅装置进行了优化，他们建立了包括6 个设计变 量，2 个目标函数和1 6 个约束条件的数学模型，并通过s u m t 优化方法进行优化。其 中6 个设计变量分别是臂架长度，拉杆长度，象鼻梁前后端长度，人字架顶点的纵横坐 标等。此后有很多人根据不同的优化方法进行优化，但是数学模型基本一致，主要是在 设计变量的选取上有所差异。陈强努和宋厚却在四连杆变幅机构平衡重系统的优化设 计中对平衡重系统进行了优化，其优化的设计变量包括平衡重杠杆前段长度，小拉杆 长度，平衡重杠杆前后段的夹角，平衡重重量和臂架上小拉杆铰点距臂架下铰点距离。 通常的做法是先优化臂架系统再优化平衡重系统，但是由于平衡重系统的优化是和臂架 系统紧密相关的，所以此时臂架系统是否最优已无法确定，无法达到最优的目的。本文 旨在将臂架及平衡重系统一同进行优化，并考虑变幅拉杆的优化【2 5 1 。 另外，人们曾对履带式起重机，龙门起重机等进行参数化建模，并且取得了成功。 本文采取类似的方式对门座起重机进行参数化建模，并在此基础上使用e x c e lv b a 对 后处理进行二次开发【z 6 。 1 3 3 课题的主要研究内容 四连杆式组合臂架门座起重机是港口装卸的主要机型之一，也是我国港口使用最广 泛的设备。目前国内# b l - j 座起重机变幅机构大都采用组合臂架式，如西德的克虏伯公司 以前大多制造四连杆式的起重机【2 1 7 1 。 本文的主要内容是：利用最优化方法和m a t l a b 技术对四连杆式组合臂架变幅机 构、平衡重和变幅拉杆系统的主要尺寸进行优化设计，保证物品在变幅过程中尽可能沿 接近于水平线的轨迹移动和平衡重重量较轻等；并开发出优化设计的可视化软件。另外， 利用参数化技术、a n s y s 的二次开发技术、可视化编成语言v b 和v c ，结合门座起重 机的有限元模型，研究门座起重机参数化分析以及针对于a n s y s 计算结果的后处理二 次开发方法，并围绕该方法开发门座起重机钢结构计算系统。具体分为以下几个方面： ( 1 ) 调研了将门座起重机臂架和平衡重系统简化为数学模型的方法，根据流行的 四连杆式门座起重机结构特点，建立了用于优化的数学模型。 ( 2 ) 使用m a t l a b 软件开发了四连杆式门座起重机专用的优化设计软件，并使用 m a t l a b 编制了可视化界面。 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 ( 3 ) 在a n s y s 中实现了门座起重机参数化有限元分析。根据有限元模型参数化技 术中甄选参数的方法，确定了设计变量，并用a n s y s 提供的二次开发工具a p d l 语言， 进行了门座起重机的有限元参数化编程。 ( 4 ) 根据经a n s y s 计算所得的节点解，使用e x c e lv b a 编制了后处理二次开 发程序对其进行再计算，并将起重机设计规范中的相关公式封装于内。 ( 5 ) 开发了门座起重机专用的钢结构计算分析软件。该软件封装了所有a n s y s 操作，用户只需关注设计变量的输入。生成有限元参数化分析流程文件，调用a n s y s 计算和针对a n s y s 计算结果进行的后处理( 再计算) 都由软件自动完成。 大连理工大学硕士学位论文 2 有限元参数化分析方法 2 1 参数化技术 参数化技术( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ) 最早是c a d 在实际应用工作中提出的课题， 它是产品模型修改和变型设计的需要，是设计自动化所采用的关键技术之一。参数化技 术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。当前的参数化建模技 术主要采用变量几何法、几何推理法或基于构造过程的方法等策略： ( 1 ) 变量几何法 这是一种面向非线性方程组整体求解的代数方法，它把几何形状定义成一系列的特 征点，约束则表示成以特征点坐标为变元的非线性方程组，通过数值方法( 一般是 n e w t o n r a p h s o n 方法) 解非线性方程组确定出几何细节。事实上，任何约束只要能表示 成关于特征点坐标的方程，就可以加入系统，投入运算。因而该方法比较通用，对2 d 或3 d 问题同样有效，能适应很大范围的约束类型，而且循环约束可以通过约束方程组 的联立求解得到处理。但它难以避免数值方法求解稳定性差的问题，方程组整体求解的 规模和速度较难得到控制1 2 引。 ( 2 ) 几何推理法 该方法的原理是从己知元素和几何元素，通过推理逐步确定出未知元素。它和变量 几何法相比，仅属于一种局部求解的方法。几何推理法又可分为两种。一种方法是建立 在专家系统的基础上，通过推理机导出几何细节，这种方法可检查约束模型的有效性， 并具有局部修改功能，但存在着速度慢、系统庞大、对循环约束情况无法求解等问题。 另一种方法是扩展现有的图形数据结构，使其包含几何约束信息，并通过程序实现从几 何约束到几何细节的推导。这一方法有希望克服以上方法的不足，是更为实用的方法， 但该方面的工作还有待深入。应使系统不仅能处理简单的尺寸约束，而且能处理整体尺 寸约束【2 9 1 。 ( 3 ) 基于构造过程的方法 这种方法记录了用户在交互造型过程中的每一步操作，基本思想是造型操作与几何 约束有着对应的关系。按照系统记录用户操作的方式，可以分为两类：交互过程产生 造型操作的程序化描述；设计步骤用来管理反映几何元素约束关系的数据结构。该方 四连杆式门座起重机钢结构计算系统研究 法对于结构相同尺寸不同的零件设计是十分有效的。但是由于必须严格遵循构造过程， 灵活性和柔性不足，对于那些设计要求不断变化的设计环境则不太适用。 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 ) 表格驱动图形尺寸驱动设计修改 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1 3 。 ( 3 ) 尺寸驱动图形 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、圆一样，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【3 。 采用参数化设计技术，可以大大提高产品的设计速度。在大多数工程设计中，一个 产品往往是多个零件的组合。将零件参数化的思想扩展到部件产品的参数化设计中，实 现部件产品的整体参数化设计，无疑会更大程度地提高设计效率，为企业创造经济效益。 所以进一步研究如何实现部件产品的参数化设计，具有重要的理论和实际意义。部件是 由完成同一使命的零件组合在一起构成的一套协同工作的整体。部件和产品归根结蒂都 是由若干个零件组成，在参数化c a d 中都可以视为装配体。描述一个完整的装配体， 除了各个零件的信息外，还需要零件间相互关联的性质和结构【3 引。 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 零件信息 除了零件特征模型信息外，还有装配属性的信息。它包括零件问的层次关系、配合 关系及特征之间的相互引用关系【3 3 】。 ( 2 ) 层次关系 产品是由具有层次关系的零部件组成的系统。表现在装配次序上，就是先由零件组 成部件，再参与整机的装配。产品零部件之间的层次关系可以表示为装配树。树的根节 点是装配体，叶节点是组成装配体的各个零件，中间节点则是子装配体。装配树的层次 关系体现了实际形成装配体的装配顺序，同时也表达了装配体、子装配体及零件之间的 父子从属关系【3 钔。 ( 3 ) 装配关系 产品中零、部件的装配设计往往是通过相互之间的装配关系表现出来，因此，描述 产品零、部件之间装配关系是建立装配模型的关键。我们把零部件之间的装配关系归为 定位关系、联结关系和运动关系三类。如图2 1 所示。 定 相切：平面与平面、平面与柱面、柱面与柱面 位 关 贴合：平面贴合、柱面贴合 系 对齐：平面对齐、直线对齐 装联 配结 一联结关系：螺纹连接、键连接、销连接 关关 系系 廷 动l 传动：齿轮传动、涡轮传动、带传动 关 i 相对运动：旋转运动、平面运动、直线运动 系 图2 1 装配关系的分类 f i g 2 1 c l a s s i f i c a t i o no fa s s e m b l yr e l a t i o n 装配体的参数化设计应建立在零件参数化设计的基础之上，根据装配关系对设计参 数和几何模型加以规划和管理，实现当其中一个零件的形状和尺寸