（机械设计及理论专业论文）龙门起重机结构的数字化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国工业生产的迅猛发展，市场对龙门起重机的需求也越来大。现在 很多龙门起重机的制造企业采用传统的设计方法，使得产品设计修改工作繁琐， 周期长，已经不能适应市场的发展要求。于是针对这一具体情况本文提出龙门 起重机结构数字化设计的理念。 目前，在龙门起重机设计过程中常采用p r o e n g i n e e r 软件系统进行三维造 型，仿真模拟，干涉检验以及生成工程图等，而且能够将模型信息保存并传递 到生产制造环节。在结构分析方面采用a n s y s 有限元分析软件，对其进行结构 分析校核。为了更好地发挥p r o e n g i n e e r 和a n s y s 软件的优势，本文在v i s u a l c + + 2 0 0 8 编程环境下，利用p r o t o o l k i t ，a p d l 二次开发语言，将两种软件集 成，开发出界面友好的参数化设计系统，用户只须输入具体设计参数，就可以 同时建立起龙门起重机金属结构的几何参数化模型以及有限元参数化模型，避 免二次建模。在此基础上，本文依据起重机设计规范g b t 3 8 1 1 - 2 0 0 8 ，结合实际 工程中龙门起重机的具体工作情况，建立载荷组合，进行强度，刚度校核，为 龙门起重机的设计提供有效的计算数据支持。同时本文采用优化算法对龙门起 重机主梁结构进行优化，使龙门起重机的设计变得更加合理。 经过上述对龙门起重机金属结构的参数化建模，有限元分析，优化等一系 列过程，实现龙门起重机金属结构的数字化设计方案。使用户在交互界面中输 入修改参数，系统就能快速更新数据，重新生成到新的几何模型与有限元模型， 快速完成龙门起重机的结构计算，同时进行结构优化使应力分布变得更加均匀， 材料得到充分利用，提高了产品设计效率，节约了生产制造成本，增强了龙门 起重机生产制造企业的市场竞争力。该方法对龙门起重机今后设计工作有着重 要的意义，对诸如门座起重机，岸边集装箱起重机等相似机型也同样具有一定 的参考借鉴作用。 关键词：龙门起重机，数字化设计，p r o t o o l k i t ，a p d l ，优化设计； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a si n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h ei n c r e a s i n g l y l a r g e m a r k e td e m a n d sf o rg a n t r yc r a n e s b e c a u s es of a rm a n yg a n t r yc r a n e s m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa r ed e s i g n i n gp r o d u c t si nt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d s ， t h ew o r ko fd e s i g n i n ga n dm o d i f i n gt h ep r o d u c t si st e d i o u sa n dal o n gp e r i o d t h i s m e t h o dh a sb e e nu n a b l et om e e tt h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t so ft h em a r k e t s of o r t h es p e c i f i cc a s et h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fg a n t r yc r a n es t r u c t u r eo fd i g i t a l d e s i g n s o 陆i nt h ed e s i g np r o c e s so fg a n t r yc r a n e s ，p r o e n g e e rs o f t w a r es y s t e mi s u s e df o rt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ，s i m u l a t i o n , i n t e r f e r e n c et e s t i n ga n dg e n e r a t i n g e n g i n e e rd r a w i n g s i na d d i t i o nt h em o d e li n f o r m a t i o ni ss t o r e da n dd e l i v e r e dt ot h e p r o d u c t i o no ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i ng a n t r yc r a n ea n a l y s i sp r o c e s s ，a n s y s s o f t w a r es y s t e m ，a st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a r eu s e df o rc h e c k i n g s t r u c t u r e i no r d e rt og i v eb e t t e rp l a yt ot h ea d v a n t a g eo fp r o e n g e e ra n da n s y s s o f t w a r e ，t h et w ok i n d so fs o f t w a r ea l ei n t e g r a t e di nu s eo fp r o t o o l k i ta n da p d l a s t h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fl a n g u a g e i nt h ev i s u a lc + + 2 0 0 8p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t t h eu s e r - f r i e n d l yp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mi sd e s i g n e d o n l yi ft h eu s e r e n t e r st h es p e c i f i cd e s i g np a r a m e t e r s ，t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h em o d e lo ft h e m e t a ls t r u c t u r eo fg a n t r yc r a n e sa n dt h ef i n i t ee l e m e n tp a r a m e t r i cm o d e lc o u l db e e s t a b l i s h e d t h i sm e t h o da v o i d st h es e c o n d a r ym o d e l i n g a c c o r d i n gt ot h ec r a n e d e s i g ns p e c i f i c a t i o ng b t 3 811 2 0 0 8 ，t h el o a dc o m b i n a t i o n sc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a l w o r ko ft h eg a n t r yc r a n ei se s t a b l i s h e dt oc a l c u l a t ea n dc h e c kt h es t r e n g t ha n d s t i f f n e s s t h ed a t as u p p o r ti sp r o m p t e df o rd e s i g no ft h eg a n t r yc r a n e s i nt h i sp a p e r , t h em a i nb e a ms t r u c t u r eo ft h eg a n t r yc r a n ei so p t i m i z e di nu s eo ft h eo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m g a n t r yc r a n ed e s i g nh a sb e c o m em o r er e a s o n a b l e b yt h ep a r a m e t r i cm o d e l i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o np r o c e s so f t h em e t a ls t r u c t u r eo ft h eg a n t r yc r a n e s ，t h ed i g i t a ld e s i g no ft h em e t a ls t r u c t u r eo ft h e g a n t r yc r a n e si sa c c o m p l i s h e d t h eu s e ri n p u t si n t e r f a c et om o d i f yt h ep a r a m e t e r s ， t h e nt h es y s t e mc a nq u i c k l yu p d a t et h ed a t at or e g e n e r a t ei n t oan e wg e o m e t r i cm o d e l i i 武汉理工大学硕士学位论文 a n df i n i t ed e m e n tm o d e l ，t h er a p i dc o m p l e t i o no ft h ec a l c u l a t i o no ft h es t r u c t u r eo f t h eg a n t r yc r a n e sa n do p t i m i z i n gt h es t r u c t u r e t om a k et h em a t e r i a lc a ng e tf u l l y u t i l i z e d a tt h es a m et i m et h es t r e s sd i s t r i b u t i o nb e c o m e sm o r er e a s o n a b l ea n dt h e s t i f f n e s sm e e tt ot h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n a n dt h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c td e s i g ni s i m p r o v e d ，t h ec o s to fp r o d u c t i o ni sd e c r e a s e da n dt h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so ft h e g a n t r yc r a n em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s i se n h a n c e d t h i sm e t h o di so fg r e a t s i g n i f i c a n c et ot h eg a n t r yc r a n e si nt h ef u t u r ed e s i g nw o r ka n do t h e rs i m i l a rc r a n e s ， s u c ha sp o r t a lc r a n e s ，q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e s ，a l s oh a v es o m er e f e r e n c et o r e f e r e n c e k e yw o r d s ：g a n t r yc r a n e s ，d i g i t a ld e s i g n ，p r o t o o l k i t , a p d l ，o p t i m i z e d d e s i g n ； i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 龙门起重机概述 1 1 1 龙门起重机简介 第1 章绪论 龙门起重机是一种桥架类型的起重机，它由主梁，刚性支腿，柔性支腿， 大车运行机构以及小车运行机构等组成，由于这种类型的起重设备具有很强的 装卸作业能力，因此它被广泛运用于各种作业场所。龙门起重机的大车运行在 地面轨道上，位于主梁上的小车在垂直于大车方向的轨道上运行，货物可以通 过起升机构的带动完成垂直于地面方向的上下运动。货物可以通过完成这三个 方向的运动改变它的空间位置，实现起吊和装卸作业任务。它常被应用于工厂 料场、发电站、造船船坞、港口码头，铁路货场等各种装卸作业场所【m 1 11 。图1 1 所示为某船厂用龙门起重机。 图1 1 某船厂用龙门起重机 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 现代龙门起重机的发展特点 随着我们国民经济迅猛发展，工业规模的不断扩大，龙门起重机得到了前 所未有的飞速发展，在产品的各个方面取得了较大的创新进步，主要表现在如 下几个方面： ( 1 ) 大型化 随着港口码头货物的大型化，造船吨位不断创新高，大型水电站的建设， 工业装备制造大规模，龙门起重机的额定起重量越来越大，起重机的结构也愈 来愈朝着大型化的方向发展。 ( 2 ) 轻型化 吊装作业生产要求的不断提高，超大型龙门起重机不断出现，但由于基础 的承载能力的局限性，使得龙门起重机逐渐朝着轻型化的方向发展，随着材料学 科的不断取得突破，不断涌现出大量的力学性能较好的新型材料，以及现代有限 元理论，优化理论的不断完善，使的龙门起重机的结构设计变得越来越合理， 有效减轻了龙门起重机结构的自身重量。 ( 3 ) 向智能化与信息化方向发展 随着科技的迅猛发展，各种传感，监测技术，以及电子电力技术，广泛的 运用到龙门起重机上，实现了龙门起重机的数字化控制和驱动，实时监控，故 障诊断，以及对其各种信息进行数据管理，使龙门起重机进入自动化和智能化 时代。 ( 4 ) 采用先进设计理论提高产品设计质量 随着龙门起重机的发展，一些先进的设计理论和方法，不断的进入其领域， 如可靠性设计，优化设计，极限状态设计法，有限元理论，概率设计，绿色设 计等，同时对龙门起重机的载荷变化规律、龙门起重机的动力学方面进行了深 入研究，在疲劳研究方面取得了很大成果，利用c a d 技术进行设计，极大地提 高设计效率与质量，通过机电液一体化的应用，实现了龙门起重机的智能化。 ( 5 ) 采用新型材料、新部件优化整机产品性能 在结构方面，在龙门起重机的制造中大量采用薄壁型材作为制造材料，尽 量减少拼接焊缝的出现，为了提高结构的承载能力，采用力学性能良好的新材 料，并且改善结构的受力状况，减轻结构自重。在机构方面，开发使用新型传 动件，提高机构的稳定性。 ( 6 ) 模块化 2 武汉理工大学硕士学位论文 为了适应厂家生产模式的转变，由单件生产变为批量生产，采用模块化设 计的理念。它是指将龙门起重机功能相同的部件制成可互换的标准模块，对新 的龙门起重机进行设计时，根据设计要求，将不同的功能模块进行组合，便可 初步完成不同型号规格的龙门起重机的设计，实现了龙门起重机的快速设计， 增强了企业的市场竞争力。 1 2 数字化设计技术及其发展应用 1 2 1 数字化设计概述 现如今，越来越多的重型机械正朝着高速，精密，智能的方向发展，传统 的设计方法已逐渐开始不能满足现代设计的发展要求。同时随着计算机技术的 迅猛发展，人们的设计思想和方法有了新的飞跃，正是这些信息技术极大的促 进了数字化技术的发展与应用。 数字化设计是指在先进设计理论的基础上，结合c a d ，c a e ，c a t 以及c a m 等技术，对产品进行设计，分析，优化，制造，管理等，并针对行业开发出专 用软件系统。数字化设计包括多种先进设计理论与技术，如参数化建模，有限 元分析，虚拟仿真装配，最优化理论，安全性评估，可靠性分析，剩余寿命分 析等等，是一种跨学科的复合技术。此外广义的数字化设计与制造贯穿企业的 设计，生产，销售，维护等整个过程，其中还包括如生产规划、成本利润评估、 物流管理以及配送等许多领域。企业采用数字化设计技术可以极大提高产品研 发能力，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，加强设计团队的交流 合作，这样可以及时推出新产品，获得强大的竞争优势【3 j 。 1 2 2 数字化设计的国内外研究现状 随着市场竞争的日趋激烈，对产品的设计要求越来越高，同时产品更新换 代的周期要求也越来越短，因此传统的设计方法不能适应市场的要求，数字化 设计技术在产品中的应用越来越发挥着重要作用。国内外一些研究人员，科研 机构以及企业开始对其进行不断的探索和研究，并取得一些重要研究成果。 长春汽车研究所与一汽轿车有限公司合作开发的c a 7 2 0 2 e 3 型红旗轿车， 采用数字化设计技术，对所有零部进行数字化建模，并在此基础上实现c a d ， c a m 一体化，同时对车体进行c a e 分析，保证其满足强度，刚度要求【4 】。 3 武汉理工大学硕士学位论文 沈阳工业大学的岳清萍在数字化平台上进行的潜油行星减速器数字化设计 研究，通过数字化平台，建立实体模型，对各部件进行虚拟装配，并进行运动 仿真分析1 5 】。 北京机械工业学院的颜景润开发基于p r o e n g i n e e r 的游乐设备数字化设 计平台，对游乐设施原子滑车建立数字化设计平台，模拟产品的加工装配性能， 发现其中的隐患不足，改善产品结构设计，去掉产品样机的生产流程，降低设 计生产成本并有效缩短设计生产周期1 6 j 。 沈阳农业大学的杨升明对精密播种机进行数字化设计，生成该播种机的模 型库以及相应的零件库，实现其标准化系列化，并进行静力分析，模态，瞬态 分析，缩短生产周期，降低成本 7 1 。 华东交通大学的缪燕平采用数字化技术对鼓纸机的零部件进行设计研究。 利用p r o e n g i n e e r 软件自带的二次开发工具包，扩展软件的使用功能，建立 鼓纸机的数字化模型，同时开发出企业常规产品的零件库，实现产品生产的系 列化，标准化【引。 此外，国外在数字化设计技术方面的研究起步较早，研究取得了较大的突 破。 美国亚利桑那大学在c a d 模型的智能检索方面进行了较为深入的研究，提 出了基于内容的搜索技术。对以往的模型建立检索数据库，对模型中的典型特 征进行签名，当进行新的设计时，可采用该项智能搜索技术进入检索，得到具 有相似特征的零件作为参考，在此基础上进行产品快速设计【9 1 。韩国首尔国立大 学的学者们对快速高效地在零件库中找到具有相似特征的零部件这个课题也进 行了深入研究，他们提出了采用两步相似的b r e p 的文件进行对比分析的办法， 先从整体上进行相似对比，进而再对其进行详细功能信息的比较，从而能够快 速高效地从零件库中找到具有相似特征的零部件，以便设计者用来借签参考【l o 】。 1 3 课题研究的目的和意义 近几年，由于我国工业的迅猛发展，使得龙门起重机在各个领域得到了广 泛应用，市场需求量极大，龙门起重机设计制造企业迎来了良好的发展机遇。 同时龙门起重机设计制造企业之间的竞争也日趋激烈。面对如此日益激烈的市 场竞争需求，为了快速获取市场份额，企业纷纷引进先进的设计理念及方法， 进行创新设计，更新产品类型，提升产品性能，增加产品的竞争优势，缩短新 4 武汉理工大学硕士学位论文 产品的上市时间，降低设计成本，优化设计质量，只有这样才能适应市场竞争 要求，获得市场份额和利润。 在激烈的竞争中，龙门起重机设计制造商要想立于不败之地，首要的是提 高产品的设计质量和效率。然而目前龙门起重机各生产企业仍采用传统的设计 计算方法，工作繁琐，容易出错，而且难以发现错误，效率低下，而且设计信 息不易保存，传递，共享。随着数字化设计技术不断发展成熟，为了克服龙门 起重机传统设计中的不足，在龙门起重机设计过程中引入数字化设计的理念， 压j p r o e n g i n e e r z 次开发技术建立龙门起重机的几何参数化模型，进行数字模 拟仿真，干涉检验，针对模型，运用有限元参数化设计语言a p d l 建立有限元参 数化模型，进行结构分析计算，并采用最优化技术进行优化，在v c 2 0 0 8 程序开 发环境下，综合应用以上技术，实现龙门起重机金属结构的数字化设计，使工 程设计人员只需输入龙门起重机的关键参数，系统就能建立龙门起重机结构的 几何模型与有限元模型，并进行有限元结构分析计算，并在此基础上进行优化 设计，对产品设计方案进行改进和完善，进而为实际施工提供理论及数据支持， 提高产品质量，缩短开发设计时间，避免设计人员从事大量重复繁琐的劳动， 从而投入更多的人力，物力从事新产品研发工作。龙门起重机的数字化设计是 一个庞大系统，本文仅对其作做一些研究与开发。 1 4 课题研究的主要内容 本文以产品数字化设计理念为主线，利用p r o e 的二次开发技术，有限元 参数化设计a p d l 语言，在v c 2 0 0 8 开发环境下，建立友好的人机交互界面， 通过定制或修改主要设计参数就可以同时建立龙门起重机金属结构的几何参数 化模型与有限元参数化模型，并根据起重机设计规范g b t3 8 11 - 2 0 0 8 ，对其强 度，刚度进行计算校核，在此基础上，利用最优化技术对龙门起重机结构进行 优化，确定出最佳设计方案，从而节约制造成本。 本文主要完成下面几个方面的工作： ( 1 ) 根据龙门起重机金属结构主要形式和主要设计参数，利用p r o e 二次 开发技术p r o t o o l k i t 程序设计，建立龙门起重机结构的几何参数化模型。 ( 2 ) 根据龙门起重机金属结构主要形式和主要设计参数，利用a n s y s 有 限元软件参数化设计语言a p d l ，建立龙门起重机结构的有限元参数化模型。 ( 3 ) 在龙门起重机有限元参数化模型的基础上，针对具体的机型，根据起 5 武汉理工大学硕士学位论文 重机设计规范以及龙门起重机不同的工况，建立载荷组合，对其进行有限元结 构分析计算，从而评估该龙门起重机结构是不否满足设计要求。 ( 4 ) 分析龙门起重机结构计算结果，采用结构优化技术，建立龙门起重机 结构的数学模型，以结构自重为主要优化目标函数，结合龙门起重机设计，工 艺等约束条件，对龙门起重机的主要设计参数如梁高，梁宽，腹板厚度，翼缘 板厚度等进行优化，定制出最佳设计方案。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数字化设计相关技术 本章主要介绍龙门起重机金属结构进行数字化设计时用到的关键技术以及 相关核心知识。主要包括：p r o e 二次开发技术，有限元理论，a n s y s 应用软件的 参数化设计语言a p d l 以及v c 2 0 0 8 面向对象程序开发平台。 2 1p r o e _ n g i n e e r 二次开发技术 2 1 1p r o e n g i n e e r 概述 美国p t c 公司提出了参数化建模方法，并在其发行的p r o e n g i n e e r 软件中率 先推出参数化建模技术。p r o e n g i n e e r 是p t c 公司发行的一款c a d c a e c a m 集成软件，它拥有强大的基于特征设计的三维实体造型功能，全尺寸约束以及 全数据相关等这些优良特性，通过尺寸驱动来实现参数化造型，被业界用户给 予一致好评，广泛应用于航空航天，模具，汽车以及工程机械等各个领域。虽 然p r o e n g i n e e r 软件系统拥有较好的通用性，但对于针对企业的定型的系列化 化产品，为了提高设计效率，p m f e 为用户提供了专业的二次发工具，进一步的 扩展了p r o e 系统的功能，使用户可以针对具体产品开发出基于p r o e 软件平台的 专业应用程序模块，满足企业的特殊需求。 针对定型的系列化产品设计时，用户为了提高设计效率，往往要利用 p r o e n g i n e e r 软件自带的二次开发工具进行参数化设计。其p r o e n g i n e e r 软件常 用的二次开发工具有如下几种：族表、用户定义特征、p r o t o o l k i t 、 p r o p r o g r a m 以及j 1 i n k 等【l l 】。本文综合比较分析上述几种p r o e - - 次开发方法， 选用p r o t o o l k i t 作为二次开发工具，借助v c 2 0 0 8 程序开发环境，定制龙门起 重机参数化模型。 2 1 2p r o t o o l k i t 基本知识介绍 1 ) p r o 厂r o o l t 开发工具介绍 p r o t o o l k i t 是p r o e n g i n e e r 软件系统自带的二次开发工具包，用户可 以通过c 程序代码来p r o e _ n g i n e e r 软件系统进行功能扩充，使用p r o 厂r o o l t 7 武汉理工大学硕士学位论文 提供的特征建模技术，对话框技术，利用v c 2 0 0 8 程序开发环境，设计出友好的 人机交互界面，开发出p r o t o o l k i t 应用程序模块，满足用户的专业化需求。 p r o t o o l k i t 开发工具为用户提供了许多p r o 心g i n e e r 软件系统的头 文件与库文件。用户可以使用过c 程序代码来编制的应用程序，使其可以利用 p r o t o o l k i t 函数实现与p r o e n g i n e e r 软件之间的信息传递，进而访问与控 制p m e n g i n e e r ，实现它们之间的无缝连接。 2 ) p r o t o o l k i t 工作模式 在使用p r o t o o l k i t 工具包创建的应用程序有两种不同的工作模式，即同 步模式与异步模式【1 2 】。 在同步模式下，p r o t o o l k i t 应用程序必须在p r o e 软件同时开启的状态 下才能工作运行，但这种同步模式并不属于并行运行。只有当p r o e 系统事先被 启动时，p r o t o o l k i t 应用程序才能运行工作。而当p r o t o o l k i t 应用程序工 作运行时，p r o e 系统则停止工作。它们两者之间并不是同时工作，总有一方处 于等待状态。同步模式具有两种派生模式：即动态连接库模式与多进程模式。 动态连接库模式是用户通编写c 程序代码，编译后生成d l l 文件，使 p r o t o o l k i t 应用程序与p r o e 系统在同一进程中运行，通过调用函数来实现 两者之间的通信。而在多进程模式则是指用户通编写c 程序代码，直接编译后 生成可执行文件，p r o t o o l k i t 应用程序与p r o e 系统分别在各自不同的进程 中运行，通过消息系统来完成两者之间的信息传递。由于动态连接库模式可以 直接调用函数就能实现双方的通信，因此该模式具有运行速度较快的优点。 相对同步模式而言，在异步模式下p r o t o o l k i t 应用程序不必启动p r o e 软件就可以独立运行，只有在需用调用p r o e 软件系统完成某些功能时才去调有 启动，能够实现p r o 厂r o o l k i t 应用程序与p r o e 软件系统之间的远程通信。异 步模式也有两种不同的派生模式：即简单异步模式和完全异步模式。在简单异 步模式下，虽然应用程序可以通过函数调用启动p r o e 进程，但p r o e 系统不能 实现对p r o t o o l k i t 中的函数的调用，不能对消息进行反馈处理，不能实现在 p r o e 软件中进行新的菜单项的添加。采用完全异步模式p r o e 可以调用 p r o t o o l k i t 的函数，实现两者之间的双向通信。所以完全异步模式直正实现了对 p r o e 软件系统的远程调用【1 3 】【1 4 1 。 3 ) p r o 厂r o o l t 基本概念 ( 1 ) 对象及对象名 在p r o t o o l k i t 中对象属于最基本的概念之一，它是一种结构体的数据类 8 武汉理工大学硕士学位论文 型，这种结构体数据类型中的成员用于描述这个对象的属性【”】。p r o t o o l k i t 对象的具体命名方式：p r o + 。对象名要求使用英文单词来进行表示并 且单词第一个字母要求大写。例如对于层对象，尺寸对象我们可以定义为 p r o l a y e r ，p r o d i m e n s i o n 。关于p r o t o o l k i t 中的对象我们可以划分为两大类： 一类是p r o e n g i n e e r 软件自身数据库中的项，诸如特征对象p r o f e a t u r e ；另一类则 为抽象对象或者临时对象，当用户调用函数执行相关选择操作时，它用来对选 择结果进行保存。 例如下面是一个特征对象的定义方式： t y p e d e f s t r u c tp r o _ m o d e l _ i t e m p r o t y p et y p e ； i n ti d ； p r o m d lo w n e r ； p r o f e a t u r e ( 2 ) 动作和函数 用户通过调用p r 0 厂r o o l k i t 提供的函数进行某种具体的操作，这种操作就称 为动作。调用的函数在p r o t o o l k i t 中按照p r o + + 形式进行命 名，其中 以及 都要求使用英文单词表示且第一个字母均要求 大写。用户如果要调用这些p r o t o o l k i t 提供的函数完成某种动作，则必须在程 序中提前添加相应的库文件以及头文件。 ( 3 ) 对象句柄 在p r o t o o l k i t 中对象属于一种结构体数据类型，而定义像这种结构体数据 类型的结构体变量则称为对象句柄。对象句柄就其本质而也可以称为对象指针。 例如对于下面这样的声明： p r o p a r tn e w p a r t ； 其中，p r o p a r t 表示对象，而n e w p a r t ；为对象句柄。 在p r o t o o l k i t 中，对象句柄可划分为模糊句柄与数据库句柄两大类。 使用模糊旬柄时，由于p r o t o o l k i t 程序仅仅对模糊句柄进行了声明，没有 给出其具体结构体定义。因此p r o t o o l k i t 应用程序不能对该对象结构体中的 具体函数进行访问，只能获取该对象的地址。虽然它的访问效率较高，速度较 快，但由于访问内容的局限性，限制了其二次开发能力。例如使用模糊句柄时， 对于尺寸对象不能进行访问修改。而数据库句柄则既能访问对该对象结构体的 9 武汉理工大学硕士学位论文 具体函数进行访问，也能对该对象结构体的具体成员进行访问，使其具有较强 的二次开发能力，但不足之处是访问的效率与模糊句柄相比较低。 4 ) p r 0 厂r 0 0 l k i t 程序结构 由p r o 厂r o o l t 创建的应用程序包括头文件、初始化函数u s e fi n i t i a l i z e ( ) 以及结束函数u s e r p r o t o o l k i t 应用程序中两个最为重要的核心函数。 p r o t o o l k i t 程序中头文件主要用来提供被调用函数的地址信息，并使编译 系统找到相应的程序代码。p r o t o o l k i t 提供了许多头文件，诸女i p r o t o o l k i t h 、 p r o e x t r u d e h 等。在这些头文件中包括了p r o e 的系统函数以及一些数据类型的定 义等。 初始化函数与c 语言当中定义的m a i n o i 函数以及c + + 类中定义的构造函数相 似，可以利用它在p r o e 系统添加菜单，或者完成一些其它方面的初始值设置。 在同步模式中，必须添加初始函数，对p r o t o o l k i t 应用程序初始化。此外，除 具体的动作函数要在初始函数外定义，基本执行函数都要在初始函数内添加。 终止函数与c + + 类中定义的析构函数相似，当程序结束时后，它完成一些处 理性的工作，例如可以利用终止函数来完成程序中动态内存的释放，不去执行 其它的任何动作。 p r o 厂r o o l t 应用程序一般的形式为： # i n c l u d e ”p r o t o o l k i t h ” 程序头文件 i n tu s e r i n i t i a l i z e r ( ) c r e a t e m a c r o 操作，通过种方式创建的宏，它可以作为一个多行编辑器来使用，并 且仅将参数名写入文件，参数值不进行求解。 ( 6 ) 用户子程序 a n s y s 软件具有自编程功能，用户利用这一功能可以针对自己的需求编制 相关程序，内容可以是自定义的单元，自定义的材料属性，自定义的设计准则 以及一些优化算法等，a n s y s 软件以子程序的方式来调用它们，可以扩展增强 a n s y s 软件的功能。 其中常用的子程序功能如下所示： 用户可以自定义失效准则； 用户可以自定义单元类型； 用户可以自定义实常数，厚度，应力等； 用户可以自定义蠕变方程； 用户可以自定义膨胀法则； 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 用户可以自定义载荷及载荷向量； 用户可以材料的塑性法则； 用户可以自定义求解过程； 2 3 大型程序开发工具v i s u a lc + + 2 0 0 8 v i s u a lc + + 2 0 0 8 是微软公司发行的一款基于w i n d o w s 操作平台的可视化编 程软件，它凭借良好的程序开发环境，成为目前应用最为广泛的可视化编程工 具之一。v i s u a lc + + 2 0 0 8 不但集成了程序代码编写，程序编译以及连接调试等多 种功能，而且还为编程人员提供许多辅助开发工具，极大地提高了程序的开发 效率。 v i s u a lc + + 2 0 0 8 开发环境为程序设计人员提供了基于m f c 的c + + 语言程序 设计的方式，m f c 将大量w i n d o w s a p i 以c + + 类的方式封装处理作为一个类库， 程序设计人员可以直接调用m f c 完成所需要的操作，简化编程工作，有效提高 了应用程序的开发速度。 在v i s u a lc 抖2 0 0 8 编译环境中，程序设计人员除了使用m f c 进行程序开发， 也可以通过使用w i n d o w sa p i 函数进行更深层次的开发。此外v i s u a lc + + 2 0 0 8 还为设计人员提供了应用程序向导a p p w i z a r d 和类向导c l a s s w i z a r d 两个编程工 具。程序设计人员可以通过a p p w i z a r d 较快构建出应用程序的整体框架。在此 基础上利用c l a s s w i z a r d 完成类，成员变量以及成员函数的快速添加。 v i s u a lc + + 2 0 0 8 还具备如下几个特点： ( 1 ) 强制内联关键字。v i s u a lc + + 2 0 0 8 提供了内联函数的方法，可以把函 数嵌入到程序内部，进行直接调用，加快程序运行。但较多使用内联函数会加 长程序代码，使程序变的冗长。 ( 2 ) a d o 数据绑定。通用采用将数据源绑定至a d o 控件上的方式，可以 实现对数据源的方便操作。 ( 3 ) 创建新的调试环境。v i s u a lc + + 2 0 0 8 可以针对程序设计者的需求创建 出个性化的开发编译环境，以方便其使用。 2 4 本章小结 本章主要介绍数字化设计过程中主要用到的相关技术，p r o t o o l k i t 二次开 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 发技术，有限元理论，a p d l 参数化设计语言，以及v c 2 0 0 8 的相关知识。为后 面几章的实际应运提供理论技术支撑。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章龙门起重机结构的参数化建模 3 1 龙门起重机金属结构组成 对于典型龙门起重机的结构组成如图3 1 所示，它主要由主梁，柔性支腿， 刚性支腿，支腿联接横梁，主梁联接横梁以及门框组成。 l ， hh 一一_ j 1 k f l l l 一支腿联接横梁2 一刚性支腿3 一柔性支腿 4 一主梁联接横梁5 一主梁6 一门框 图3 1 典型龙门起重机结构 龙门起重机的金属结构是主要的受力构件，对整机起支承作用，它主要包 括主梁，支腿，主梁的连接横梁，支腿的连接横梁和门框等主要构件，其中主 梁是主要的承载构件，重量也占据了龙门起重机金属结构重量的绝大部分，主 梁设计的好坏直接决定着龙门起重机金属结构的优劣。同时在设计支腿和横梁 时也要参考主梁结构来设计。 下面对介绍一下各组成部分的具体结构【2 8 】。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 主梁 龙门起重机主梁的作用主要是支撑吊重小车，小车沿轨道在主梁上行驶运 行。按数量分，龙门起重机的主梁具有双主梁与单主梁两种类型的结构形式， 一般情况下，小型龙门起重机较多选用单主梁结构形式，大型龙门起重机则较 多采用双主梁结构形式。按结构分，龙门起重机主梁可分为有箱形主梁与桁架 主梁两种，箱形主梁构造简单、易于加工制造，缺点是耗材多不利于节约成本， 自重大。而且迎风面积较大，使得风载荷较大。桁架主梁虽然节省钢材，自重 较轻，迎风面积小，风载荷小，但加工繁杂，加工质量难以控制证保证。设计 主梁时要根据实际使用要求及现场加工条件选择主梁的结构形式。 ( 2 ) 支腿 龙门起重机的支腿按性质分可以分两种结构形式：即空间刚性支腿与平面 柔性支腿。对于跨度l 3 5 m 的龙门起重机，可以选用两刚性支腿的门架结构。 对于跨度l 3 5 m 的龙门起重机，考虑补偿结构的变形影响，可以设计成一对刚 性支腿和柔性支腿。空间刚性支腿由于其很好的空间刚性，使得其不但可以承 受支腿平面内的横向水平载荷，同时还可以承受门架平面内的纵向水平载荷。 由于在龙门架平面内也就是在垂直于支腿平面方向柔性支腿的刚性比较差，所 以它仅仅可以承载在支腿平面内的水平载荷。 按照支腿的型式，龙门起重机可分为：c 形支腿，u 形支腿，o 形支腿，l 形支腿等。支腿的结构形式在设计选取时应与根据主梁的结构形式进行匹配。 通常，单梁龙门起重机多选用l 形支腿或c 形支腿。而双梁龙门起重机常选用 o 形支腿或u 形支腿。考虑到龙门起重机的受力特点，其刚性支腿在门架平面 内通常具有上部截面较宽而下部截面较窄的特点。而它在支腿平面内的构造则 恰好相反。对于具有箱形截面的支腿其上部截面尺寸应与主梁梁高相匹配，下 部截面尺寸主要考虑该支腿刚度设计要求同时还兼顾外观协调。 主梁与支腿的连接形式有两种：铰接连接和刚性连接。刚性连接主要是选 用螺栓连接或焊接连接。在箱形结构和桁架结构中一般采用焊接连接。但考虑 到施工安装的方便性，一般在桥架和支腿的连接部位常常设有安装螺栓的接头。 对于刚性支腿的铰接形式一般较多选用垂直柱铰进行连接。因为这样的连接允 许桥架相对刚性支腿绕着铅垂轴方向进行转动，但仍保持三个方向相对移动的 约束和绕其它两根( 水平) 轴相对转动的约束和。柔性支腿的铰接一般选用球 铰加带腰圆孔的垂直销轴和水平销轴连接。这样的连接可以允许桥架相对于支 腿绕铅垂轴和横向水平轴转动，但仍然能够保持三个方向相对移动的约束和绕 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 着纵向水平轴相对转动的约束。柔性支腿采用铰接连接形式使它可以绕着横向 水平轴进行摆动，因此能够较好地反映柔性支腿不承受纵向水平载荷这一特点， 可以用于较大跨度的龙门起重机，能够避免温度变形引发的卡轨现象发生。 ( 3 ) 主梁连接横梁 龙门起重机上用于连接两根主梁的横梁称为主梁连接横梁也叫上横梁，在 龙门架的整个结构中上横梁起着连接两个主梁的作用。由于在龙门架平面内和 在支腿平面内上横梁承受的外力一般都较小，所以在设计龙门起重机结构时， 上横梁的计算不作为设计的主要部分来考虑。此外，在设计龙门起重机主梁连 接横梁时，要从整体美观的角度出发注意外观的协调。设计截面参数时应根据 主梁悬臂两端的截面特性来选取恰当的参数，无须进行强度和刚度的独立校核。 ( 4 ) 支腿连接横梁 支腿连接横梁也叫下横梁，它在支腿平面内用于连接支腿左右两侧，是支 腿的重要组成部分，下横梁在选取结构形式时应注意与支腿所的结构形式相匹 配。下横梁截面特性参数的确定主要由支腿下端截面尺寸以及大车运行机构支 承装置结构决定。下横梁承受的载荷主要来自如下两个方面：由在支腿平面 内支腿上部所承受的水平力而产生的对称弯矩；支腿在垂直方向所产生的压 力。 ( 5 ) 门框 门框结构主要用于有外悬臂结构的龙门起重机上，一般情况下，它主要设 置在龙门起重机支腿的上部，采用这样的门框结构能够有效地避免在水平面