（机械设计及理论专业论文）门式起重机结构参数公有限元分析系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 门式起重机是应用广泛的物料搬运设备，其金属结构呈现出多样性与复杂性，在设 计计算门架结构时，要涉及到空间结构的超静定问题。同时，由于门式起重机的计算工 况较多，如果采用传统的手工计算方法，势必会大大增加设计计算工作量，延长设计周 期。有限元方法是目前广泛应用于结构设计领域的一种现代设计计算分析方法，应用 a n s y s 软件对结构进行有限元分析是门式起重机设计的发展趋势。因此，研究门式起 重机有限元分析过程中涉及到的模型处理技巧与关键问题，并据此开发一套门式起重机 参数化有限元分析系统是十分有意义的。本论文针对以上问题进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 在研究门式起重机结构特点和工作特点基础上，结合以往对门机进行有限元 分析的实际经验，讨论了建立门机有限元模型时单元类型选择、载荷计算、计算工况选 择以及模型简化等模型处理技术。 ( 2 ) 在分析主梁惯性矩对主梁承载性能影响的基础上，通过实例研究了采用压板 式固定的小车轨道和采用焊接式固定的小车轨道对门架结构强度和刚度计算结果的影 响；也讨论了采用不同约束方式对门架计算结果的影响；通过实例得出了主梁与支腿连 接处筋板对计算结果的影响不可忽略的结论以及主梁翼缘外伸端对计算结果的影响不大 的结论。 ( 3 ) 讨论了利用a n s y s 参数化设计语言建立门机参数化有限元模型过程中的关键 技术；最后以高级程序设计语言v i s u a lb a s i c 为平台，通过编写建立u 型门机参数化模 型的a p d l 命令流，开发了u 型门式起重机参数化有限元分析系统。 本文的研究内容和成果，一方面对提高同类型的门式起重机的设计效率有较大的实 用价值，同时也能为其它类似的参数化分析系统的开发提供一种有效的参考。 关键词：门式起重机；有限元；参数化；二次开发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t g a n t r y c r a n ei saw i d e l ya p p l i e dm a t e r i a l h a n d l i n gd e v i c e ，i t sm e t a l s t r u c t u r es h o w sd i v e r s i t ya n d c o m p l e x i t y w h e nd e s i g n i n gp o r t a l f r a m e s t r u c t u r e ，d e s i g n e r sh a v et oe n c o u n t e rs o m es t a t i c a l l yi n d e t e r m i n a t ep r o b l e m s o fs p a t i a ls t r u c t u r e m e a n w h i le ，s i n c eg a n t r yc r a n em u s tb ec a l c u l a t e di n a n u m b e ro fc o n d i t i o n s ，i tw i l lc e r t a i n l yi n c r e a s ed e s i g nc a l c u l a t i o nw o r k l o a d a n de x t e n dd e s i g nc y c l ei ft r a d i t i o n a lm a n u a lm e t h o di sa p p l i e d f i n i t ee l e m e n t m e t h o di saw i d e l yu s e dm o d e r nd e s i g n a n a l y s i sm e t h o di nt h e f i e l do f s t r u c t u r ed e s i g n ，a n dg a n t r yc r a n es t r u c t u r et e n d st ob ea n a l y s e dw i t ha n s y s s o f t w a r e t h e r e f o r e ，i t ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c hm o d e lp r o c e s s i n gs k i l la n dk e y i s s u e se n c o u n t e r e di nt h ep r o c e s so fg a n t r yc r a n ea n a l y s i s ，a n dh e r e b yd e v e l o p as o f t w a r es y s t e mc a l l e d g a n t r yc r a n es t r u c t u r ep a r a m e t r i c f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) s y s t e m t h i sp a p e r r e s e a r c ha b o v ep r o b l e m si n f o l l o w i n g a s p e c t s ： ( 1 ) o nt h eb a s i s o fr e s e a r c ha b o u ts t r u c t u r ec h a r a c t e ra n d w o r k i n g c h a r a c t e r o fg a n t r yc r a n e ，c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a le x p e r i e n c ef r o mp r e v i o u s f e ao fg a n t r yc r a n es t r u c t u r e ，s o m em o d e lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yi n t h e p r o c e s so fm o d e l i n gf e am o d e lo fg a n t r yc r a n e ，s u c ha su n i tt y p es e l e c t i n g ， l o a dc a l c u l a t i o n ，w o r k i n gc o n d i t i o ns e l e c t i o n ，i sd i s c u s s e d ( 2 ) o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa b o u tt h ei n f l u e n c eo fi n e r t i am o m e n to ft h e m a i nb e a mo nb e a r i n gb e h a v i o r ，t h ei n f l u e n c eo ft r o l l e yt r a c kf i x e db yc l a m p p l a t ea n db yw e l d i n go ns t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fp o r t a l f r a m es t r u c t u r ei s d i s c u s s e db ye x a m p l e ；t h ei n f l u e n c eo fr e s t r i c t i o nc o n d i t i o no nc a l c u l a t i o ni s a l s o r e s e a r c h e d ；b e s i d e s ，ac o n c l u s i o nw a sd r a w nt h a tt h ei n f l u e n c e o f r e i n f o r c i n gp l a t e ，a tt h ej u n c t i o no fm a i nb e a ma n do u t r i g g e r ，o nc a l c u l a t i o n c a n tb e i g n o r e d a n dm a i nb e a m f l a n g eo v e r h a n g h a sl i t t l ee f f e c to n c a l c u l a t i o n ( 3 ) t h ek e yt e c h n o l o g yi nm o d e l i n gg a n t r yc r a n ef e am o d e lu s i n ga p d l i sd i s c u s s e d ；f i n a l l y , as o f t w a r es y s t e mc a l l e d “u t y p eg a n t r yc r a n es t r u c t u r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 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 ss y s t e m ”i sd e v e l o p e db a s eo nv b ，u s i n g a p d l o nt h eo n eh a n dt h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i st h e s i sh a v eg r e a t p r a c t i c a lv a l u e sf o ri n c r e a s i n gs i m i l a rg a n t r yc r a n ed e s i g ne f f i c i e n c y ，a n do n t h eo t h e rh a n d ，i tp r o v i d e sav a l i dr e f e r e n c ef o ro t h e rs i m i l a rp a r a m e t r i cf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss y s t e md e v e l o p m e n t 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 c ；f i n i t ee l e m e n t ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 现代工业企业要提高生产效率，实现生产自动化、机械化，降低人工劳动强度，起 重机是其中最重要的设备之一。在铁路场站和港口码头，装卸过程的顺利进行离不开起 重机械；在现代建筑工程中，没有建筑起重机的参与，施工效率将大大降低；在核电站， 对人体健康有严重危害的操作过程由特种起重机完成，实现了对人体的极大保护；在冶 金生产过程中，金属生产的全过程也离不开起重机械；在农业和林场，起重机代替人完 成最费力、最困难的工作【l 】。随着社会经济的发展，企业生产规模越来越大，自动化程 度越来越高，起重机在生产过程中的地位就越来越重要，其应用也日益广泛；另一个方 面，由于起重机工作过程的复杂性及工况的多样性，对起重机的要求越来越高，起重机 市场的竞争也越来越激烈【2 】【3 】【4 】。 从目前我国的起重机制造行业来看，由于各种原因，仍然存在许多缺陷与不足。由 于自身国情的原因，我国存在许多生产制造起重机的中小型企业。这些企业由于资金投 入没有保障，设计人员未经过专业的培训，对起重机的设计研究不够系统，导致企业缺 乏更新老产品或开发新产品的能力，不能从设计的角度对对国外引进的先进产品和技术 进行创新性的消化吸收，只能照抄照搬原有产品，严重降低了起重机更新换代的速度， 降低了产品竞争力。另一方面，起重机生产过程中的专业协作水平较低。目前我国专业 协作水平只能达到2 0 左右，大部分仍靠企业自主设计、制造。一台典型的起重机只有 电气元件、制动器、减速器、电动机等部件可外购，其他主要金属结构件主要靠企业自 主生产，这大大增加了起重机的设计生产成本，延长了起重机的生产周期 1 】。 门式起重机是起重运输机械中的一类，是应用十分广泛的大型起重设备。门式起重 机又称龙门起重机，主要由金属结构、机械部分和电气设备三大部分组成，其的金属结 构外形像龙门架，由主梁、左右两条支腿以及上下部横梁构成。门式起重机具有过腿空 间大，机构稳定等特点，多用于成件和笨重货物的装卸搬运，起重范围从几吨到几百吨 甚至上千吨。作为物料搬运最主要的机械设备之一，在各行各业中应用广泛，尤其是机 械制造、冶金、港口、码头集装箱装卸等行业【5 】。应用的广泛性导致了门式起重机的金 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 属结构的多样性与复杂性。在这种情况下，对门架结构进行设计的过程中不可避免要涉 空间结构的的超静定问题，其结构功能函数往往较复杂，不能用一般的方法得到。另外 由于门式起重机的计算工况较多，如果采用传统的手工计算方法，繁重的计算工作量和 繁杂的分析势必会大大延长设计周期，增加设计成本【6 】【_ 7 1 。因此，改变传统设计思想， 采用现代设计方法是解决这一问题的根本途径。有限元法是上个世纪出现并迅猛发展起 来的一种现代设计方法，目前该方法在包括结构设计等许多领域都得到了广泛应用【8 】。 起重机行业现在广泛利用a n s y s 有限元分析软件对金属结构进行有限分析。但是，对 同种形式不用型号的门机建立有限元分析模型需要花费大量的时间和精力，大大降低了 起重机设计的效率。要促进起重机的更新换代，提高有限元分析的效率是很有必要的【9 1 。 在实际设计过程中，一方面，由于门机结构的复杂性及工况的多样性，建立门机有限元 模型时通常都要对实际结构进行简化，随之就产生了简化的合理性及简化对最终分析结 果的影响程度的问题；另一方面，应用a n s y s 进行有限元分析时其g u i 操作较复杂且 建模过程繁琐。因此有必要开发一套模型简化准确、界面友好、操作简单的门机参数化 有限元分析系统，从而提高门机的设计生产效率。 1 2 起重机设计的发展现状 1 2 1 国外起重机设计的发展现状 随着基础建设的加强，大型核电技术的推广以及大型石化项目的的建设，市场对大 型起重机械的需求量日益增加 1 们。为了提高市场竞争力，起重机生产厂家在设计生产中 越来越多的应用现代设计方法代替传统设计方法，其中计算机辅助设计( c a d ) 是目前 为止在起重机设计过程中运用较为成熟的方法之一。国外许多先进的起重机生产厂家已 经完全脱离了传统的图板，将c a d 技术广泛应用到生产过程中。其中一些厂家还将c a d 技术与计算机辅助制造( c a m ) 技术及计算机辅助工艺规划( c a p p ) 技术相结合，完 全做到了无纸化自动生产。 目前，国外也有许多起重机生产商在起重机生产过程中采用模块化设计，这是一种 在计算机辅助设计基础上发展起来的一种现代设计方法。起重机模块化设计的思想就 是，在对一定范围内的不同功能或相同功能，不同性能，不同规格的结构、机构或 零件进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 合构成不同的顾客定制的产品，以满足市场的不同需求。采用模块化设计，一方面 可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另 一方面，可以减少或消除环境对产品的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后 的拆卸、回收利用和处理。 美国、日本及欧洲一些先进的起重机制造商都对起重机设计手段进行了改进，逐渐 将最新发展的现代先进设计方法融入到设计过程中。为了提高产品的市场竞争力和应对 市场的变化，一些发达国家已经将模块化设计技术、参数化设计技术成熟地运用到了起 重机的生产过程中，从而较大地提高了起重机的设计制造效率，为企业带来了巨大的经 济效益【l l 】。 1 2 2 国内起重机设计的发展现状 近年来，由于社会经济的发展，加上国家为了应对经济危机，实施拉动内需的经济 政策，国内对起重机的需求量也越来越大，这也促进了起重机行业的发展。虽然国外一 些先进的起重机已经占据国内部分市场，但总体上我国使用的起重机大部分还是靠国内 起重机制造商供应。我国起重机的发展呈现以下趋势：( 1 ) 系列产品模块化、组合化、 标准化；( 2 ) 起重机的大型化、高速化和专用化；( 3 ) 起重机性能自动化、智能化和数 字化【1 1 。 国内的许多高等院校、科研院所以及一些企业也从不同角度对起重机的设计、生产、 制造以及装配等各方面进行了深入的研究。比如武汉理工大学、中北大学、华东理工大 学等高等院校以及一些科研单位开展了起重机参数化、模块化、标注化、智能化的设计 研究，开发了一些起重机计算机辅助设计系统。其中，武汉理工大学的张春茂利用基于 a n s y s 的a p d l 语言以及参数化建模技术，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 ，在此基础上，实现了对门式起重机 柔性支腿的设计【1 2 1 。中北大学的王振军以门式起重机门架为研究对象，以模块化、参数 化设计及有限元分析为具体方法，研究了门式起重机门架的模块化、参数化设计及有限 元分析的理论方法和关键技术，建立了门式起重机门架的参数化设计、有限元分析的体 系架构，并开发了其参数化c a d c a e 设计系统【1 1 1 。华东理工大学的史进等以门式起重 机主梁结构为研究对象，通过分析主梁结构尺寸的相关性，研究运用参数化编程与宏技 术命令流相结合的方法，建立起重机主梁的参数化结构模型，解决模型中板块交接处的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 连续问题，实现了对不同型号的l 型门式起重机的参数化快速建模和仿真 13 1 。 1 3 本文研究内容与意义 本文的目标是以v i s u a lb a s i c 为开发平台，利用a n s y s 参数化设计语言即a p d l ， 开发出u 型门式起重机参数化有限元分析系统，在交互式界面输入门式起重机的相关参 数，就能得到门架结构有限元计算结果，并且可自动生成门架结构有限元计算说明书。 主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对门式u 型起重机结构及工作过程的分析，确定出对结构进行有限元分 析时需要的边界条件以及建立有限元模型时的处理技巧。 ( 2 ) 研究建立有限元模型时一些典型简化结构对计算结果的影响，重点研究轨道 及约束方式对计算结果的影响。 ( 3 ) 基于a p d l 建立门式起重机的参数化有限元模型，在此基础上，开发出“u 型门式起重机参数化有限元分析系统。 对门式起重机有限元分析过程中的相关技术进行研究对类似的有限元分析具有指 导意义，可为起重机的有限元分析提供参考。u 型门式起重机参数化有限元分析系统操 作简单，功能实用，可以将设计人员从繁琐的有限元建模过程中解脱出来，快速的实现 对结构的分析计算。从而提高了起重机的设计效率，缩短了产品开发周期，对门式起重 机的开发设计具有重要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章参数化技术及相关软件 2 1 参数化技术 2 1 1 参数化设计定义 参数化设计是指对形状上比较定型的零件( 或部件) 用一组参数约束该几何图形的一 组结构尺寸序列。参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值时， 就可驱动达到新的目标几何图形。一般来说，参数化设计的实现，需要具备几个必要条 件：首先，在设计产品的模型中，包含有拓扑关系和约束关系；其次，几何图形应能由 尺寸驱动；再次，参数序列与几何图形尺寸序列数据结果具有对应关系1 4 】。 2 1 2 参数化实现方法 实现图形参数化，通常有以下四种方法【1 5 】： ( 1 ) 变量驱动图形 约束和驱动图形通过变量来实现，该变量既可以是一个表达式，也可以使一个具体 的数值，并且具有不同的属性。通过这种方法，设计者可以使用自己命名的变量名称来 存放具体数据，使得即使不是设计者本人也能很容易看懂设计过程。此时，一旦变量的 值发生变化，设计就会相应的改变，通过这种方式，建立起变量与设计模型之间的联系。 ( 2 ) 表格驱动图形 利用表格驱动几何图形特别适合于机械零件的标准件和常用件的系列设计。这种方 法事先把与设计有关的所有数据储存在具有不同名称的表格中，而这些表格存放在相应 的数据库中。通过一定方法将表格中的数据与设计模型数据联系起来后，如果需要改变 几何图形，只要访问相应表格中的数据即可。 ( 3 ) 尺寸驱动图形 通过修改几何元素的尺寸来修改几何图形，这为草图设计的实现提供了可能性，这 种方法是面向设计的。在模型上标注了尺寸之后，就建立了几何元素尺寸与几何图形大 小之间的双向联系，只要改变了两者中的任何一个，都会引起对方的相应变化。 ( 4 ) 用户元素驱动图形 可以将具有确定几何形状特征的零件或部件设计成具有单一图素的特征，在需要时 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 直接引入，就像点、直线和面的操作一样。而它的几何尺寸既可以取自表或者变量，也 可以取自特定尺寸。 控制生成设计模型的过程中，可以根据设计情况利用上面的一种方法，也可以利用 几种方法的组合。参数化设计就是建立变量、表、尺寸以及用户元素与设计模型中的几 何量的约束关系。在设计模型中建立其这种关系后，只要改变与几何图形相关联的参数 图素值，就可以改变图形中的几何量，而不需要对图形进行任何操作。 2 2 有限元法 有限元法随着电子计算机技术的日益成熟得到了极大的发展，是目前应用于结构分 析中最为广泛的一种数值模拟计算方法，广泛应用于求解各种实际工程结构问题。 2 2 1 有限元的基本思想 有限元法的基本思想可总结如下【8 】： ( 1 ) 把表示结构的连续体离散成有限个单元，通过每个单元上的有限个节点，单 元与单元之间进行连接。 ( 2 ) 将表示全求解域内的待求的未知场变量用每个单元内所假设的的近似函数分 片的表示。用未知场变量函数在各个节点上的数值以及与其的对应的插值函数表示每个 单元内的近似函数。由于场变量函数在连接相邻单元的节点上具有相同的数值，因而将 他们用作数值求解的基本未知量，从而把将求解原函数的无穷多自由度问题转换为求解 场变量函数节点值的有限自由度问题。 ( 3 ) 通过与原问题数学模型( 模型方程、边界条件) 等效的加权余量法或变分原 理，建立求解基本未知量( 场变量函数的节点值) 的常微分方程组或代数方程组，利用 数值方法求解，最终得到问题的答案。 利用有限元法解决实际问题的主要步骤可简单概括为：建立模型、推导有限元方程 列式、求解有限元方程组、数值结果表述。 2 2 2 有限元方法的特点 有限元法从2 0 世纪4 0 年代提出开始，经过几十年的发展，在工程实际中的应用越 来越广泛，现代工业与工程技术的发展也离不开有限元方法。总而言之，有限元方法具 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 有如下几个特点 8 】： ( 1 ) 物理概念清晰 由于不但能够从简单直观的物理解释层面来理解有限元法，而且能够通过严密的数 学推理来论证有限元法的正确性，这就使得初学者可以从不同层次对有限元方法进行理 解，有助于有限元方法的快速学习。 ( 2 ) 复杂结构的适应性 在固体力学及其他一些连续体力学中，只有一些特殊类型的位移场和应力场才能求 得微分方程的解。对于多数复杂的实际结构得不到解，但是对于这种复杂的结构的分析， 有限元法却是一种非常有效的方法。有限元法将无限自由度的连续体力学问题通过离散 化变为有限单元节点参数的计算，虽然采用有限元法得到的解不是精确解，但是只要选 择合适的单元类型，划分合适的单元大小，就可以得到在工程上可以接受的近似解。 ( 3 ) 各种物理问题的实用性 有限元法不仅能处理线弹性力学、非均质材料、各向异性材料、非线性应力应变关 系、大变形、动力学和屈曲问题等，还能解决热传导、流体力学、电磁场等问题以及不 同物理现象的耦合问题，应用范围极为广泛。 ( 4 ) 适合计算机实现的高效性 有限元法引入边界条件的办法简单，边界条件不需要引进单个有限元方程，而是求 得整个集合体的代数方程后再引进，所以对内部和边界上的单元都能采用相同的场变量 函数，而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，对编制通用程序带来了极大的 简化。其次，有限元法通常采用矩阵表达式，便于编程计算。计算机不仅可以快速求解 问题，而且使求解问题的方法规范化、软件商业化，为有限元的发展、应用奠定了坚实 的基础。 2 3a p d l 参数化设计语言 j a p d l 是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 的缩写，即a n s y s 参数化设计语言， 它是一种类似f o r t r a n 的解释性语言，提供一般程序语言的功能，如参数、宏、标量、 向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问a n s y s 有限元数据库等，另外还提供简 单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行运用程序等【1 6 1 。 利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命令，就可以实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有 限元分析的过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高技术。在参数化的分析过程中 可以简单地修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或者 序列性产品，极大地提高分析效率，减少分析成本。同时，以a p d l 为基础用户可以开 发专用有限元分析程序，或者编写经常重复使用的功能小程序，如特殊载荷施加宏、按 规范进行强度或刚度校核宏等【l 6 1 。 另外，a p d l 也是a n s y s 优化设计的基础，只有创建了参数化的分析流程才能对 其中的设计参数执行优化改进，达到最优化设计目榭1 6 】。 总之，a p d l 扩展了传统有限元分析范围之外的能力，提供了建立标准化零件库、 序列化分析、设计修改、设计优化以及更高级的数据分析处理功能，包括灵敏度研究等。 2 4 程序设计语言vis h a ib a sic s u a lb a u s i c 是美国m i c r o s o f l 公司推出的w m d o w s 环境下应用程序开发工具。从数 学计算、数据库管理、客户机n 务器软件、通信软件、多媒体软件到1 1 1 t e m 州，i n h 独e t 软 件，都可以用s u a lb a s i c 开发完成。由于s l l a lb a s i c 易学好用、编程效率高，目前被 广泛采用。v i s u a lb a s i c 采用b a s i c 语言作为程序代码，并在原有b a s i c 语言基础上进 行了进一步发展。在s u a lb a s i c 中引用了面向对象的概念，把各种图形用户界面元素 抽象为不同的控件，如各种各样的按钮、文本框和图片框等。s u a lb 撕c 把这些控件模 式化，为每个控件赋予若干属性和方法来控制其外观及行为。这样，在开发s u a lb a s i c 应用程序过程中，无须编写大量代码区描述界面元素的外观和位置，只要从s u a lb a s i c 工具箱中把预先建立好的控件直观地加到屏幕上，这就像使用“画图”之类的绘图程序， 通过选择画图工具来画图一样，从而极大地提高了编程效率【1 7 1 。总之，s u a lb a s i c 主要 具有以下特点 1 刀： 1 、面向对象的可视化设计平台 利用传统的程序设计语言进行程序设计时，需要花费大量的精力去设计用户界面， 且在设计过程中看不到程序的实际显示效果，必须在程序运行时才能观察如发现界面 不满意，还要回到程序中去修改，这一过程常常需要反复多次。v i s u a lb a s i c 提供的可 视化设计平台，为程序员创造了所见即所得的开发环境，程序员不必再为界面设计而编 写大量程序代码，只需按设计要求，用系统提供的工具在屏幕上“画出”各种对象，无 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 须知道对象的生成过程，v i s u a lb a s i c 将自动生成界面设计代码。程序员所要编写的只 是实现程序功能的那部分代码。 2 、事件驱动式编程机制 传统的编程方式是面向过程的，程序员必须考虑程序每一步执行的顺序，即程序的 执行完全按事先设计的流程来运行，无疑增加了程序员的思想负担。v i s u a lb a s i c 引入了 面向对象的概念，采用事件驱动式编程机制在v i s u a lb a s i c 图形用户界面应用程序中， 用户的动作( 即事件) 掌握着程序的运行流向，每个事件都驱动一段程序的运行程序 员在设计应用程序时，只要编写若干个具有特定功能的子程序( 即事件过程和通用过程) ， 这些过程分别面向不同的对象，但无须考虑它们之间的先后次序，各过程的运行由用户 操作对象时引发的某个事件来驱动。 3 、结构化的设计语言 结构化的程序设计语言，是指它能够方便地实现“自顶向下、分而治之、模块化” 的程序设计方法。v i s u a lb a s i c 是在结构化的b a s i c 基础上发展起来的，具有高级程序 设计语言的结构化语句、丰富的数据类型、众多的内部函数，便于程序的模块化、结构 化设计。其结构清晰，简单易学。在输入代码的同时，编辑器自动进行语法检查。在设 计过程中，可随时运行程序，随时调试改正错误，而且在整个应用程序设计好后，编译 生成的可执行文件( e x e ) ，可脱离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 、充分利用w i n d o w s 资源 v i s u a lb a s i c 提供的动态数据交换( d d e ) 编程技术，可以在应用程序中实现与其 他w i n d o w s 应用程序建立动态数据交换，以及在不同的应用程序之间进行通信。v i s u a l b a s i c 提供的对象链接与嵌入( o l e ) 技术，可以将不同的应用程序链接起来，从而开 发出集声音、图像、动画、字处理、电子表格等对象于一体应用程序。v i s u a lb a s i c 还 将w i n d o w s 常用功能程序封装在对象中，如各种通用对话框以及文件菜单的设计等，均 共享w m d o w s 资源。 5 、开放的数据库功能与网络支持 v i s u a lb a s i c 系统具有很强的数据库管理功能，不仅可以管理m sa c c e s s 格式的数 据库，还能访问其他外部数据库，如f o x p r o 、d b a s e 、p a r a d o x 等格式的数据库。另外， v i s u a lb a s i c 还提供了开放式数据连接( o d b c ) 功能，可以通过直接访问或建立连接 的方式使用并操作后台大型网络数据库，如s q ls e r v e r 、o r a c l e 等。在应用程序中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 可以使用结构化查询语言( s q l ) 直接访问服务器上的数据库并提供简单的面向对象 的库操作命令、多用户数据库的加锁机制和网络数据库编程技术，为单机上运行的数据 库提供s q l 网络接口，以便在分布式环境中快速而有效地实现客户j j 艮务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章门式起重机有限元分析的基础研究 由于门式起重机的金属结构固有的多样性与复杂性，对金属结构进行设计的过程中 不可避免要涉空间结构的超静定问题，其结构功能函数往往较复杂，不能用一般的方法 得到。另外由于门式起重机的计算工况较多，如果采用传统的手工计算方法，繁重的计 算工作量和繁杂的分析势必会大大增加设计工作量，延长设计周期。在这种情况下，作 出各种各样的假设和简化成了应用传统的设计计算方法解决这个问题一个最重要的途 径，导致的结果是使手工计算结果与实际情况有较大的差别。由于不确定性，设计人员 不得不加大安全裕度来保证结构的安全性。 随着电子计算机的发展，传统设计计算方法遇到的由于计算过于复杂而不能解决的 问题迎刃而解。由于在计算机程序设计中采用了矩阵理论，电子计算机在复杂计算方法 的应用中越来越广泛。有限元法是结构分析中应用较广泛的一种方法，是工程界分析复 杂结构最重要的方法。a n s y s 是工程领域中应用最成熟的有限元分析软件之一，结构 分析是其应用较广泛、功能最齐全的功能之一。应用a n s y s 对门式起重机金属结构进 行有限元分析时，涉及许多重要的关键问题及模型处理技巧，有必要进行深入研究。 3 1 门式起重机结构有限元分析单元选择 工程实际中应用a n s y s 对门式起重机金属结构进行有限元分析时，通常有两种单 元可供选择，即空间梁单元和板单元。采用空间梁单元建立有限元模型时，门架结构采 用b e a m l 8 8 单元，由于门式起重机主梁悬臂端存在变截面梁，一般支腿也设计成变截 面形式，故还需应用梁单元变截面功能。采用空间梁单元建模时，由于对结构简化程度 高，故建模过程相对简单，划分网格后计算单元数量少，计算速度快，但其不能完全反 映门架结构的实际形式，提取结果时仅能查看门架结构整体受力性能。采用板单元建立 有限元模型时，通常选用s h e l l 6 3 单元，此时有限元模型能很好的反映门架结构的实 际形式，模型与实际结构接近，故计算结果准确，能全面反映门架结构的受力情况，也 能查看结构细部的受力情况，但由于模型较复杂，故建模过程繁琐，需要花费较多的时 间和精力。另一方面，结构模型经划分网格后，单元较多，计算效率低下，延长了设计 周期。现以某集装箱门式起重机为例，探讨采用两种单元建立u 型门架结构的有限元模 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 型进行结构分析的差异，为对门式起重机进行有限元分析选择合理的单元提供参考。 门机参数：跨度3 0 m ，悬臂长度1 3 5 m ，有效悬臂7 5 m ，起重量4 7 t ，主梁高度2 3 5 m ， 工作级别a 7 。图3 1 为采用s h e l l 6 3 建立的门架有限元模型，图3 2 和图3 3 为采用 b e a m l 8 8 单元建立的门架有限元模型。 图3 1 门式起重机s h e l l 6 3 单元有限元模型 图3 2 门式起重机b e a m 单元有限元模型( 未显示单元形状) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图3 3 门式起重机b e a m 单元有限元模型( 显示单元形状) 此处，仅仅是为了对采用两种不同单元建模的门架结构有限元计算结果进行对比， 故仅计算门架结构在一种简单的工况下的力学性能。此时，小车位于门架跨中，此时不 考虑门架自重影响，无风载荷，无门架惯性力，无门架偏斜侧向力。采用两种单元建立 有限元模型进行计算得到的结果对比如表3 1 所示。 表3 1 采用不同单元进行有限元计算结果对比 装 梁单元板壳单元 计算结果 跨中挠度( n 1 i n ) 9 5 4 67 7 8 6 跨中应力( m p a ) 2 3 7 8 2 0 o 支腿应力( m p a ) 2 4 5 52 0 9 最大应力( m p a ) 2 3 7 82 0 9 在该种典型工况下，从表3 1 可以看出：( 1 ) 对于跨中挠度，两种模型得到的计算 结果相差较大，梁单元模型计算结果比板壳单元模型计算结果数值大约2 2 6 0 ；( 2 ) 对 于跨中应力，两种模型得到的计算结果相差也比较大，梁单元模型( 不考虑受力加载点 的局部应力) 计算结果比板壳单元模型计算结果大约1 8 9 ：( 3 ) 对于支腿应力，两种 模型计算结果相差很大，这是由于梁单元不能查看局部应力造成的；( 4 ) 对于结构最大 应力，两种模型计算结果相差较大，梁单元模型计算结果比板壳单元模型计算结果数值 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 大约1 3 7 8 。 从以上结果可以看出，采用空间梁单元建立的有限元模型得到的有限元计算结果不 能全面的反映结构的受力性能，不能查看结构细部的受力情况，容易得到错误的计算结 果；而采用板壳单元建立的有限元模型得到的计算结果能全面反映结构的受力状况。综 合以上结论，门式起重机采用板壳单元建立模型进行有限元计算更符合客观实际，更具 有工程现实意义。 3 2 门式起重机有限元计算中的载荷与工况选择 载荷的施加与工况的选择对门架结构有限元计算结果影响较大，因此在建立门架有 限元模型前，熟悉门式起重机金属结构的计算特点是有必要的。载荷的施加与工况选择 属于有限元计算的边界条件，必须合理确定。 3 2 1 门式起重机金属结构载荷计算 1 、自重载荷 自重载荷是指门架结构及小车结构及其附属结构与设备( 如小车供电装置、起升机 构、小车罩等) 的质量引起的重力，其直接作用于门式起重机的金属结构上。门架结构 的自重通过施加竖直方向上的重力加速度予以考虑。由于建立门架结构的有限元模型时 对实际结构进行了不同程度的简化，如不考虑梯子、栏杆、小车供电装置等结构，使得 有限元模型的质量必然小于门架结构实际的质量，计算时可以通过两种方法进行修正： ( 1 ) 将材料密度乘以一个补偿系数妒g 予以考虑；( 2 ) 将竖直方向上的重力加速度乘以 补偿系数妒g 予以考虑。 矽，：堕 ( 3 i 。)矽，：= - 旦l 3 一) 聊 其中，m 。是指门架结构的实际质量，m 。是指门架有限元模型的质量。由于重力加 速度属于边界条件，不同的数值可以在编制命令流文件时在载荷步设置，因此优先选用 第二种方法。小车及其附属设备的自重通过在小车轮压处施加相应的载荷予以考虑。起 升冲击系数仍也可以通过该方式施加到有限元计算模型中。 2 、起升载荷 起升载荷是指所能吊起物品的最大重力，俗称额定起升重量。可更换的取物装置如 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 集装箱吊具、抓斗等包括在起升载荷内，但吊环、吊梁等取物装置的重量不包括在起升 载荷内。在进行有限元计算时门式起重机的起升载荷以小车轮压的形式作用在门架结构 主梁上，计算时必须考虑起升载荷动载系数仍的影响。在进行小车轮压计算时，小车架 视为刚性支架。 3 、水平惯性载荷 水平惯性载荷是指门式起重机的大车运行机构和小车运行机构起动和制动时引起 的水平惯性载荷。门式起重机大( 小) 车制动时引起的小车水平惯性力以集中力的形式 作用在小车轮压处，而通过对门架结构有限元模型施加全局水平加速度的方式考虑大车 水平惯性力的影响，计算时必须考虑惯性载荷系数9 。的影响。 4 、偏斜运行侧向力 起重机偏斜运行产生的侧向力对局部及支腿的应力影响不可忽略。实际结构中，偏 斜运行侧向力作用于大车车轮上，但是由于一般建立门机有限元模型时不考虑大车运行 机构的影响，故有限元模型仅仅建到下横梁为止。在这种情况下，施加偏斜运行侧向力 就存在力平移的问题，平移后在合理位置施加水平侧向力和相应的平移弯矩。一般的处 理方法是在与大车台车连接的下横梁底座的连接板所有节点上施加同方向的水平侧向力 以及由于力平移产生的弯矩。 5 、风载荷 计算起重机金属结构的刚度和强度时采用的风载荷为工作状态下的最大风压。对门 机进行有限元分析施加风载荷时，一种方法是通过在相应受载面上直接施加面压力，但 是由于施加面压力时载荷方向默认为受载面的法线方向，且受载面的法线方向不好判断， 故采用这种方法施加风载荷比较麻烦。另一种方法是，首先通过手册推荐的公式算出门 架结构需要承受的风载荷的大小，然后提取出风载荷受载面的节点数目，通过在受载面 的节点上施加与风载荷同方向的水平力考虑风载荷对结构计算的影响。小车及吊重的风 载荷可以在小车轮压处以水平力的方式予以施加。 3 2 2 工况选择 1 、静刚度校核工况 受弯结构的静态刚度是指在结构的指定位置施加规定的载荷时，结构在某一特定位 置的静态变形值。由于起重机属于特种设备，在出厂投入使用之前必须保证使用的安全 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 性，常用的手段就是进行各种载荷试验，静刚度试验就是其中之一。静刚度的检测是以 主梁加载前后的相对变形为检测对象的。相应的，在对门架结构进行有限元分析计算结 构静刚度的时候，必须排除门架自重对计算结果的影响，而仅考虑在主梁跨中或有效悬 臂处施加小车静轮压时指定位置的变形情况。 2 、强度校核工况 按照相关规定，校核起重机强度时，应按照结构的重要性和各种载荷出现的频繁程 度，考虑最不利的情况进行载荷组合。根据文献 7 的说明，强度校核工况考虑基本载 荷和附加载荷同时作用于门架结构的强度。此时需考虑的基本载荷包括自重载荷、起升 载荷以及大车起制动和小车起制动产生的水平惯性载荷；附加载荷包括工作状态下的风 载荷和起重机偏斜运行时产生的侧向力。相关载荷在计算时需考虑动载系数的影响。 3 、校核工况的确定 根据起重机设计手册的指导思想，结合工程实践的实际经验，为了校核门式起 重机的静刚度和强度，本论文建立的有限元模型拟考虑六种典型计算工况，各工况的门 机的状态和验算项目如表3 2 所示。 表3 2 门式起重机校核工况 工况门机状态验算项目 小车位于门架跨中，不考虑门架自重影响，无 跨中挠度 风载荷，无门架惯性力，无门架偏斜侧向力 小车位于有效悬臂处，不考虑门架自重影响， 有效悬臂处挠度 无风载荷，无门架惯性力，无门架偏斜侧向力 小车位于门架跨中，大车静止，小车满载制动 ( 考虑动载作用) ，考虑门架自重，风载荷( 垂强度 直大车轨道) 小车位于门架有效悬臂处满载制动( 考虑动载 四作用) ，大车静止，考虑门架自重，风载荷( 垂强度 直于大车轨道) 小车位于门架跨中满载起吊( 考虑动载作用) ， 五大车制动，考虑门架自重，风载荷( 平行于大强度 车轨道) ，水平惯性力，门架偏斜侧向力 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 小车位于