（机械设计及理论专业论文）龙门起重机门架结构的参数化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国交通运输行业的发展，起重运输机械的需求量越来越大，其使用 性能的要求也越来越高。因此起重运输机械的设计方法需要不断地更新和完善， 使其更注重经济性、科学性、可靠性和安全性。对起重运输机械而言，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起重运输机械发展的需要。随着计算 机技术的发展，利用计算机强大的运算功能，结合各种设计手段和先进的设计 理念进行设计是起重运输机械设计的发展趋势。 为此，本文以j m q 3 5 4 5 龙门起重机为例，对门架结构进行参数化设计的研 究。 在深入学习面向对象技术、参数化技术和有限元分析技术的基础上，以面 向对象的程序设计语言v b 6 0 为平台，利用a p d l 参数化设计语言开发一套龙 门起重机门架结构的参数化设计系统，该系统可以简单、直观地建立门架结构 的参数化模型。 分析龙门起重机的各种工作状况，在a n s y s 环境中计算门架结构在各种工 况下的强度和刚度，对计算结果进行分析。为避免龙门起重机运行时因桥架纵 向的温度变形而产生卡轨现象，对门架结构的柔性支腿进行设计。 以优化设计理论为基础，建立了门架结构的优化模型：以门架结构主梁、 支腿的截面参数为优化设计的变量，以门架结构的重量最轻为优化设计的目标， 在满足强度、刚度及其它性能要求的基础上，对门架结构进行优化设计，并对 优化结果进行了检验，证明了优化设计的可行性。 关键词：龙门起重机；门架结构；参数化设计；有限元法；a p d l a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y st r a n s p o r ts e c t o r , h o i s t i n ga n d c o n v e y i n gm a c h i n e r yd e m a n dh a v eb e c o m eg r o w i n g , a n dt h e u s eo fp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t sh a v eb e c o m e m o r es o p h i s t i c a t e d 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 ga n du n l o a d i n gm a c h i n e sn e e dt ob er 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 vt om a k et h eh o i s t i n ga n dc o n v e y i n gm 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 oh o i s t i n ga n dc o n v e y i n gm a c h i n e r y , b e c a u s eo fi t ss p e c i a l t i e s ， a n di t sh i g hp r i c e ，m o s t l yt h eh o i s t i n ga n dc o n v e y i n gm a c h i n e r yi s t oc a r r yo n d e s i g n i n ga n dm a d d i n ga l o n eu n d e rt h ec u s t o m e rr e q u e s t a n dd u r i n gt h ep e r i o do f d 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 o o p t 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 os t r u c t u r ea n d t 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 da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c u m s t a n c et o c h o o s e sp r o j e c t0 1 m 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 cd e s i g n ，w h a tw e n 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 ep a r a m e t e ri n v o l v e di s n u n l e r o u s ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ai st e d i o u s ，a n dt h ec a l c u l a t i o n se f f i c i e n c yi sl o w a 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 yt h i sm e t h o dh a v ea l r e a d yc a n t a d a p t e dc u r r e n t l yd e m a n do f t h ep o r tm a c h i n e sd e v e l o p s i t sat r e n dt om a k e u s eo f t 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 gv a r i o u sd e s i g n i n gm e a n sa n d a d v a n c e dt h e o r i e si nh o i s t i n ga n dc o n v e y i n gm a c h i n e r y sd e s i g n s ot h i sp a p e ru s i n gj m q 35 4 5g a n t r yc r a n ea sa l le x a m p l e t om a k ed e s i n gs t u d y o ft h ep o r t a l f r a m e ds t r u c t r u e o nt h eb a s i so ff u r t h e rs t u d yo fo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y , p a r a m e t r i c t e c h n o l o g ya n df e mt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rd e v e l o pap a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo f g a n t r yc r a n e sp o r t a l f r a m e ds t r u c t u r e ，w h i c hu s et h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g l a n g u a g ev b 6 0a sap l a t f o r m ，a n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g ea p d l t h i s s y s t e mc a nb ee a s ya n di n t u i t i v et os e tu pap a r a m e t r i cm o d e lo f t h ep o r t a l - f l a m e d s t r u c t r u e a n a l y s i sv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n so fg a n t r yc r a n e s ，a n dc a l c u l a t e t h es t r e n g t h ， s t i f f n e s s ，a n ds t a b i l i t yo ft h ep o r t a l f l a m e ds t r u c t r u ei nt h ea n s y s e n v i r o n m e n t a n d 武汉理工大学硕士学位论文 a n a l y s i st h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s t oa v i o dt h ec a r dr a i lp h e n o m e n o nd u i n gt ov e r t i c a l t e m p e r a t u r e d e f o r m a t i o nw h e ng a n t r yc t a n er u n n i n g ，t h i sp a p e rd o e s f l e x i b l e o u t r i g g e rd e s i g no ft h ep o r t a l f r a m e ds t r u c t r u e t h eo p t i m a lm o d e lo ft h ep o r t a l f r a m e ds t r u c t r u ei sb a s e do no p t i m a lt h e o r y t h em a i nb e a m sa n dc r o s s s e c t i o n a lo u t r i g g e ri st h ev a r i a b l eo fo p t i m a ld e s i g n t h e m i n i m u m w e i g h to ft h ep o r t a l f r a m e ds t r u c t r u ei st h et a r g e tf u n c t i o n o nt h eb a s i so f s a t i s f i e da tt h es t r e n g t h , r i g i d i t ya n do t h e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rd o e s o p t i m a ld e s i g nt ot h ep o r t a l f r a m e ds t r u c t r u e a n dt e s t st h er e s u l to ft h eo p t i m a l d e s i g nt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo f t h eo p t i m a ld e s i g n k e yw o r d s ：g a n t r yc r a n e ；p o r t a l f r a m e ds t r u c t r u e ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；f e m ；a p d l 1 1 1 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谢意。 研究生c 签名，：烨日期：2 叫 关于论文使用授权的说明 本文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 内容，可以采用影印、缩印和其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 洲：缸嗍半7 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 随着世界集装箱运输的快速发展，供应短周期，高质量的r m g ( 轨道式集 装箱龙门起重机) 已成为用户日益强烈的要求。因此，本文的第一个研究目的 就是以j m q 3 5 4 5 轨道式集装箱龙门起重机为研究对象，用v i s u a lb a s i c 软件编 写相关程序，调用a n s y s 有限元分析软件进行龙门起重机门架结构的参数化设 计，以减少设计过程中的工作量，缩短设计周期，提高设计效率，具有一定的 意义。 目前，我国起重机的设计能力薄弱、设计方法落后，导致我国起重机与国 外先进发达国家相比“粗、大、笨”，消耗了过多的材料和能源，严重影响了我 国起重机产品的竞争力。同时，由于目前我国大多数起重机设计人员对一些先 进的设计软件，比如a n s y s 等不熟悉，不能熟练运用这些软件进行设计，导致 起重机设计过程缓慢，设计出来的产品没有竞争力。为此本文的第二个研究目 的就是开发一套龙门起重机门架结构的参数化设计系统。该系统以v b 为开发平 台，利用a p d l 参数化设计语言建立龙门起重机门架结构的参数化模型，实现 快速建模、方便修改、简化设计的目的，使不熟悉a n s y s 软件的起重机设计人 员也能进行结构设计，具有一定的实用性。 1 2 轨道式集装箱龙门起重机发展现状 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l l j 。 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 武汉理工大学硕士学位论文 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 - 一8 层、吊具下的起重量达4 5 t 、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 l 2 j 。 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【3 】【4 1 。 轨道式集装箱龙门起重机一般是无人驾驶全自动方式作业，半自动方式一 人同时可控制4 台轨道式龙门起重机作业。随着轨道式龙门起重机的不断发展， 除了常规的布置方式以外，还延伸出了其他形式。例如：新加坡港无人驾驶的 桥式轨道集装箱起重机，它是将起重机的门腿做成固定的混凝土门腿，上面铺 设轨道，起重机在轨道上运行，这种布置方式降低了轨道式龙门起重机的成本， 且增加了稳定性和安全性；奥地利的k u n z 港的轨道式龙门起重机的布置也很有 特色，它是在集装箱堆场上布置4 条轨道，配置的2 2 台轨道式龙门起重机的跨 距也选大小两种不同型号，然后将这两种不同跨距的轨道式龙门起重机分布在4 条轨道上，小跨距的轨道式龙门起重机可从大跨距的轨道式龙门起重机下穿过， 分别同时进行装、卸作业，提高效率，是新型的布置方式【5 】。 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、自动化方向发剧6 。 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起重机 设计领域。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 2 武汉理工大学硕士学位论文 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 3 起重机现代设计方法 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7 1 。 1 3 1 现代设计理论及设计方法 现代设计理论是对产品设计原理和机理的科学总结，现代设计方法是基于 设计理论形成的，是把设计对象看出一个系统，同时考虑系统与外部的联系， 用系统工程的概念进行分析和综合，力求系统整体最优。现代设计开发强调综 合考虑与分析市场需求，设计、生产、管理、使用和销售等各方面因素；强调 综合运用优化设计、系统工程、可靠性理论、价值工程、计算机技术等科学技 术知识，探索多种解决设计问题的科学途径。它把经验的、类比的设计观点变 成逻辑的、推理的、系统的设计观点，采用动态的、多变量的、多方案的、扩 散性的设计思维方式，具有系统性、创造性、综合性和程式性的特点。 现代设计方法分为适合于不同类型产品设计的一般方法和面向特殊产品的 具体方法。常见的一般方法包括：创新设计方法、可靠性设计方法、最优化设 计方法、有限元设计方法、绿色设计方法、虚拟设计方法、并行设计方法、反 求设计方法、抗疲劳设计方法、计算机辅助设计法、动态设计法、价值工程法、 计算机仿真和动态模拟法、网络分析设计法、参数化设计法等。其中计算机辅 助设计法、有限元分析法、可靠性设计法、虚拟设计法、最优化设计法、参数 化设计法已陆续丌始在我国使用瞵1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 1 计算机辅助设计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 3 1 2 参数化设计法 参数化( 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。参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许 设计者首先进行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输入精确尺寸值来完成最终 的设计。与无约束造型系统相比，参数化设计更符合设计工程设计习惯，因为 在实际设计的初期阶段，设计人员关心的往往是零部件的大致形状和性能，对 精确的尺寸并不十分关心，特别是在系列化设计中，参数化造型技术的优点就 更加突出【1 0 1 。 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 4 武汉理工大学硕士学位论文 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。 1 3 1 3 有限元设计法 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 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 o 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 3 1 4 最优化设计法 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 5 武汉理工大学硕士学位论文 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跃。其应用范围几乎涉及到所有用传统 优化设计方法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 设计将是起重机设计的发展方向。 1 3 1 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，功能也逐渐增大，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。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 6 虚拟设计法 虚拟设计是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一个新的研究领域，是计算机图形 学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产 物。在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟设计对传统设计方法的革命性影响 已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实 际产品，而是产品的设计、开发和加工过程和制造相比较，它具有高度集成、 快速成型、分布合作等特征。虚拟设计技术不仅在科技界，而且在企业界引起 了广泛关注，成为研究的焦点。 1 3 2 现代设计方法在起重机设计中的运用 目前我国起重机设计主要采用许用应力法，所设计的起重机虽能保证安全 但结构笨重很不经济。现在国外已开始采用极限状态法进行起重机设计，大大 地降低了其自重。当然现代设计方法较多，可以在进行起重机整机、结构、机 构、电气和液压设计时采用适宜的现代设计方法。如：对起重机金属结构的设 计可考虑有限元设计方法及最优化设计方法，以最大限度减轻起重机自重和降 低能耗；对起重机电器部件及电气系统设计时可考虑采用可靠性设计方法，提 高系统的可靠度；对起重机零部件( 包括液压元件) 和机构设计可考虑采用可 靠性设计法和创新设计方法，不断提高可靠度及零部件和机构的创新能力，使 零部件和机构越来越精巧；为了快速推出新产品，在对起重机进行设计时，可 考虑广泛运用并行设计方法；对超大型设备还可考虑计算机仿真与动态模拟方 法；考虑现代社会的环保要求，绿色设计方法也需推广【9 l 。 有限元法能针对起重机实际使用的结构边界条件进行定量的分析计算，为 设计提供丰富的、反映实际工况的计算结果，并可配有丰富的动态图形显示功 能。我国在8 0 年代，对桥式起重机进行了动态仿真研究，通过计算机数字仿真， 对桥式起重机在突然起动与制动、加载运行、碰撞，甚至遭受地震状态下主要 构件的振动与受力特性进行动态仿真，并对其位移、速度、加速度以及载荷响 应作幅域、时域及频域的统计分析，其结果供实际设计使用。 长期以来，起重机设计一直沿用着经验类比设计方法，不仅需要花费较多 的设计时间，设计周期也长，般很难拿得到近乎最优的设计方案。随着电子 计算机技术的发展与应用，可以建立设计过程能自动择取最优方案的一种迅速 7 武汉理t 大学硕士学位论文 有效的方法，即优化设计。起重机设计采用优化方法，能根据产品要求，合理 确定和计算各项参数，以期达到最佳设计目标，例如重量、成本、性能和承载 能力等。今后在起重机的方案选择、主参数匹配、主要结构件及传动件的设计 及布置等方面，将会等多地采用优化设计方法。 目前，我国起重机设计总体还处于传统的设计阶段，如何使我国起重机设 计尽快进入现代设计阶段，使我国起重机的竞争能力能有本质提高，真正具有 核心竞争力是摆在广大起重机设计人员面前亟需解决的课题。本论文采用参数 化设计方法，综合有限元设计方法和最优化设计方法对龙门起重机门架结构进 行设计，以期为改进我国起重机设计方法提供一些尝试。 1 4 论文研究内容 本论文以j m q 3 5 4 5 轨道式集装箱龙门起重机为原型，用v i s u a lb a s i c 软件 编写相关程序，调用a n s y s 有限元分析软件进行门架结构的参数化设计。具体 的研究内容有： ( 1 ) 在深入学习面向对象技术、参数化技术和有限元分析技术的基础上， 以面向对象的程序设计语言v b 6 0 为平台，利用a p d l 参数化设计语言编写建 立龙门起重机门架结构参数化模型的命令流； ( 2 ) 分析龙门起重机的各种工作状况，在a n s y s 环境中计算门架结构在 各种工况下的强度和刚度，对计算结果进行分析，同时对门架结构的柔性支腿 进行设计，以防止卡轨现象的发生； ( 3 ) 以优化设计理论为基础，在满足强度、刚度及其它性能要求的基础上， 对门架结构进行优化设计，并对优化结果进行了检验； ( 4 ) 开发一套龙门起重机门架结构参数化设计系统，该系统可以简单、直 观地进行门架结构设计，并将分析、计算结果显示出来。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章参数化设计及相关技术 参数化设计是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。本论文充分应用已有的成熟技术， 对参数化设计系统进行了开发。在介绍具体的设计过程之前，先介绍一下相关 的技术知识。 主要技术分为三个部分：面向对象的v b 编程技术、参数化技术及有限元分 析软件技术。这三个部分构成了我们整个体系的骨架。参数化技术用于参数的 分析、抽象、建模，其信息供后台程序使用；v b 用于开发后台管理应用程序； 有限元分析软件a n s y s 用于模型的建立、分析和后处理，是系统程序的载体。 2 1 参数化技术 参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改己定义 好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。 参数驱动的方式便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时无需准确地定位和定 形，只需勾画出大致轮廓，然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状，或 者只需将零件的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改实现对产品的设 计和优化。参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在 概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设 计等领域发挥着越来越大的作用，体现出很高的应用价值【1 0 1 。 2 1 1 参数化设计技术 参数化设计技术( p a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n o l o g y ) 以约束造型为核心，以尺 寸驱动为特征，允许设计者首先进行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输入精 确尺寸值来完成最终的设计。与无约束造型系统相比，参数化设计更符合实际 工程设计习惯，因为在实际设计的初期阶段，设计人员关心的往往是零部件的 大致形状和性能，对精确的尺寸并不十分关心，特别是在系列化设计中，参数 化造型技术的优点就更加突出。 参数化设计的基本思想是针对实际的生产设计中，对于同一类型但不同规 9 武汉理工人学硕士学位论文 格的产品。它们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， 修改设计时指需要修改给定的相关参数，其它部分由计算机来完成。 参数化设计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j 。 参数化设计方法是存储设计的整个过程，一次能设计一族( 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画出零 件草图，经过对草图的反复修改来得到所需的设计，并可变动某些约束参数来 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， 这种设计技术已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。现在新推出的造型系统都具有一定的参数化设计功能。 i 定义儿何尺寸参量 i i 确定几何约束关系 i i 表示几何约束关系 i i 修改尺寸或输入尺寸 i i 几何约束尺寸驱动 图2 一l 参数化设计的结构框图 参数化的优点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 元素间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产。同时可以通过变动某些参数和约束关系来更 新设计。 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。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。 面向对象参数管理方法反应了参数间的传递、关联、约束等关系。同时， l o 武汉理工大学硕士学位论文 能使程序变得简单，结构性好，易读性高。 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。对于创 新设计，单纯通过修改参数，显得不够灵活。此时，采用人工输入的方法补充 某些系统不能完成的功能，结构参数可以向下一级设计传递。 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 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。同时，在起重机的设计过 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不再适应目前工程机械发展的需要，利用计算 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，研制与开发新的设计计算系统来优化设计出安全、经济、 合理、美观的起重机的要求己迫在眉睫。 2 1 2 参数化技术的基本方法 从基于约束的参数化技术的实施机理来看，目前主要有两大类型：编程参 数化和人工交互参数化。 2 1 2 1 编程参数化 这种方法通过分析模型的特点，确定样板各尺寸之间的数字关系，给定输 入参数，然后确定其它参数的值，并用高级语言在c a d 系统中加以实现。这种 方法主要适用于结构比较稳定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场 合，常见于在通用商品c a d 软件上进行二次开发，如进行标准件和常用件的建 库工作等，故局限性很大。 2 1 2 2 人工交互参数化 ( 1 ) 基于几何约束的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。它将集合形状看作为一系列特征点，将约束关系转换成以特征点为 武汉理工大学硕士学位论文 变化的非线性方程组，通过迭代求解，从而确定出集合细节。这种方法适用于 很大范围约束类型，且循环约束可通过约束方程组的联立求解得到处理，但它 难以避免数值求解稳定性差的缺点，方程组整体求解的规模和速度难以控制， 且迭代初值的选取在很大程度上也影响算法的成功。 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能方法这种方法是用基于规则的推理方法来 确定用一组约束描述的几何模型。在推理过程中，利用专家系统将几何形体的 约束关系用一阶逻辑谓词描述，存入事实库中。推理机把从规则库中提取出的 规则用于当前的事实集中，然后推理出几何形体的细节。推理过程输出是由一 系列推理出的规则组成的一个几何形体的构造计划。参数化模型由在构造计划 中顺序算出的规则所决定。这种方法通过谓词可以表达很复杂的约束，例如相 切，这一点是其它方法所无法比拟的。但由于在推理过程中要查询匹配规则， 所有用这种方法建立的系统过于庞大，而且速度较慢。 ( 3 ) 基于构造过程的参数化方法此方法采用一种参数化履历的机制，通 过记录构图过程中体素的生成过程的先后顺序及连接关系，捕捉设计者的意图。 这种方法适用于结构相同而尺寸不同的零件设计，但由于需严格遵守某种顺序， 柔性和灵活性不足。 ( 4 ) 基于辅助线的参数化方法主要特点是所有轮廓均建立在辅助线的基 础上，而辅助线的求解条件在作图过程中已明确规定，不必再作遍历搜索和检 索求解条件是否充分。当图形比较简单和有规则时，这种方法求解速度快，不 足之处是当图形比较复杂时，辅助线影响作图操作，而且要保证用辅助线定义 图形约束集的完整性比较困难。 ( 5 ) 基于图形的参数化方法此方法直接操纵图形数据库，把图形数据库 的数据交换结构略作修改，用图形来描述实体的相应约束。这种方法不要求用 户在系统特定模块的步骤构造原型图，算法效率高，实现简单，程序量不太大， 可移植性强。 在本次研究中，选用程序参数化法作为参数化设计建模方法，是因为1 ) 它 是一种最普遍实用的唯一能达到被驱动元素要求的参数化设计方法；2 ) 参数化 设计模型中的设计部分离不开编程。采用程序参数化法作为建模方法可以实现 广泛的“尺寸驱动 ，这使得设计计算、绘图、加工仿真等可以实现高度的界面 一致，均可以实现尺寸驱动。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 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。在这种方法中，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格的形式存放 在相应的数据库中，各个表格都具有独立的名称，并建立表中记录与设计模型 的联系，通过访问不同表格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 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。 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。 2 1 4 参数化设计步骤 参数化设计的步骤为： 武汉理工人学硕七学位论文 ( 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。 2 2 面向对象程序设计语言v is u aib a sic 2 2 1 面向对象技术概述 面向对象的基本思想是通过对问题领域进行自然的分割，用更接近人类通 常思维的方式建立问题领域的模型，并进行结构模拟和行为模拟，从而使设计 出的软件能尽可能地直接表现出问题的求解过程。 面向对象方法( o o p 方法) 被誉为“研究高技术的好方法 ，8 0 年代以来， o o p 方法在许多领域得到应用，极大地影响、推动、促进了一系列高新技术的 发展和多学科的综合。在软件开发中，由于引入了对象的