（机械电子工程专业论文）塔式起重机计算机辅助设计软件的开发与研究.pdf

摘要 塔式起重机设计是整机开发过程中的创造性阶段，对于提高整机性能、降低产品成 本和缩短产品开发周期，发挥着关键作用。目前，塔机图纸绘制已经普遍采用了二维或 三维c a d 技术，但是计算校核仍然离不开传统方法，通用的工程计算软件a n s y s 、 m s cn a s t r a n 等仅能实现部分工作的辅助计算。塔机设计过程中缺乏专业的计算机 辅助设计软件，在一定程度上已经影响了塔机产品的更新换代。 本文从实际科研项目应用出发，以模块化和参数化方法作为核心设计思想，运用数 据库技术、面向对象程序设计方法和o l e 自动化技术，以v i s u a lb a s i c 6 0 作为主要开发工 具，对塔机计算机辅助设计系统进行开发研究，从而实现塔机设计计算的程序化、规范 化。建立了常用标准型材数据库，实现了设计手册的电子化，方便了塔机设计计算过程 中的查询、调用；以塔机设计规范作为基础，开发了塔机结构设计、应力计算、整机稳 定性校核计算机辅助设计程序，初步实现了塔机设计计算的程序化，有效地提高了计算 速度和准确性；应用o l e 自动化技术，通过对w o r d 文档的操作控制，实现了塔机设计计 算书说明书和使用说明书的自动生成，并可以进行实时修改和编辑；通过实例对系统进 行了应用测试，验证了系统的可靠性、准确性。 塔机计算机辅助设计系统的开发，提高了设计计算结果的准确性，减轻了设计人员 的劳动强度，缩短了整机开发周期，大大提高了工作效率，具有重要的现实意义。 关键词：塔式起重机，计算机辅助设计，模块化，数据库，文档生成 a b s t r a c t d e s i g ni sac r e a t i v es t a g ei nt h et o w e rc r a n ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t oi m p r o v em a c h i n e p e r f o r m a n c ea n dr e d u c ep r o d u c tc o s ta n ds h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，p l a y sa c r u c i a lr o l e a tp r e s e n t ，t w o - d i m e n s i o n a lo rt h r e ed i m e n s i o n a lc a dt e c h n o l o g yi sg e n e r a l l y u s e di n d e s i g n o ft o w e rc r a n e ，t h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o di ss t i l l i m p o r t a n ti n e x a m i n a t i o np r o c e s s ，g e n e r a l e n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，s u c ha sa n s y s ，m s c n a s t r a nc a no n l yr e a l i z eap a r to fc a l c u l a t i o n t h el a c ko fs p e c i a l i z e dc o m p u t e ra i d e d d e s i g ns o f t w a r eh a sa f f e c t e dt h er e p l a c e m e n to ft o w e rc r a n ep r o d u c t s t h i sa r t i c l ef r o mt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o np o i n to fv i e w , b a s e do nm o d u l a ra n d p a r a m e t r i ca sa c o r ed e s i g nt h e o r y , t o w e rc r a n ec o m p u t e ra i d e d d e s i g ns y s t e mw a sr e s e a r c h e d i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，d a t a b a s et e c h n o l o g y , o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m ，o l ea u t o m a t i o n t e c h n o l o g ya n dv i s u a lb a s i cw e r eg e n e r a l l ya p p l i e d t h ed a t a b a s eo fs t a n d a r dm a t e r i a lh a s e s t a b l i s h e d ，f a c i l i t a t e dt h ea p p l i c a t i o no fd a t ai nt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o np r o c e s so ft o w e r c r a n e ，b e c a u s eo ft h ee l e c t r o n i cf o r mo fd e s i g nm a n u f l s t r u c t u r ed e s i g n ，s t r e s sc h e c ka n d s t a b i l i t yc a l c u l a t ec o m p u t e ra i d e dp r o g r a mw e r er e a l i z e d ，r a i s e dt h ec o m p u t a t i o ns p e e da n dt h e 的e u r a c ye f f e c t i v e l y u s e i n gt h eo l ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , t h r o u g ht ot h em a n a g e m e n to fw o r d d o c u m e n t s ，h a sr e a l i z e dt h eb o o k l e ta u t o m a t i cp r o d u c to ft o w e rc r a n e h a sc a r r i e do nt h ea p p l i c a t i o nt e s tt o t h es y s t e mt h r o u g hae x a m p l e ，c o n f i r m e dt h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h es y s t e m t h ed e v e l o p m e n to ft o w e rc r a n ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns y s t e m ，e n h a n c e dt h ed e s i g n c a l c u l a t i o nr e s u l ta c c u r a c y , r e d u c e dd e s i g n e r s l a b o ri n t e n s i t ya n dt h ec y c l eo fd e s i g n ，r a i s e d t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yg r e a t l y , s oi tp l a y sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a lr o l e k e yw o r d s ：t o w e rc r a n e ；c a d ；m o d u l a r ；d a t a b a s e ；d o c u m e n t sg e n e r a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加 明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：埘嘶 抄。7 年钿2 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 渝眵卸7 年”呷日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着我国国民经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，建筑业已经成为国民经 济的支柱产业。而塔式起重机( 简称塔机) 伴随着建筑业的发展，已经成为现代工业与 民用建筑施工过程中不可缺少的重要设备之一，在完成建设施工中的运输、吊装等任务， 实现建筑施工机械化、自动化，降低施工人员的劳动强度，提高劳动生产率以及降低生 产成本等方面发挥着重要作用。塔机已经成为建筑业必要的技术装备，成为衡量建筑业 生产力水平的一个重要标志，是加快工程建设速度、确保工程质量、降低工程造价、提 高经济效益与社会效益的重要保证。 1 1 引言 上世纪9 0 年代以来，随着我国现代化进程不断加快，城市房地产业得到高速发展， 水利、电力、桥梁等大型工程不断上马，我国已成为世界塔机主要需求市场之一，其性 能要求也越来越高，使得国内塔机行业得到了高速发展。目前我国已成为世界塔机生产 大国，特别是近几年来我国塔机已经批量出口国际市场，标志着我国塔机生产的全面进 步。然而，塔机的理论设计工作近年来鲜有较大革新，一定程度上制约了我国塔机行业 的进一步发展。 设计计算是塔机产生过程中的创造性阶段，对于提高整机性能、降低产品成本和缩 短开发周期，发挥着关键作用。塔机设计主要包括总体设计、结构和机构设计、计算与 校核和编写设计技术文档等内容，设计过程中需要应用力学、钢结构、电力电子、起重 机械等多学科的专业知识，涉及面广，设计方法不易掌握，设计步骤复杂且繁琐，使得 产品设计计算精度低，研发周期长，设计效率低。 随着科学技术的飞速发展，计算机技术得到广泛应用。在机械工业中，传统技术与 计算机的结合也越来越紧密，计算机辅助技术得到普遍使用，机械c a d 正经历从二维 到三维设计的转变。而塔机的设计与开发仍以传统设计方法为主，虽然塔机图纸绘制等 局部环节已采用c a d 方法，但其结构强度、刚度计算、整机稳定性计算和性能优化、 设计技术文档编制等关键环节，计算机辅助技术的总体应用受到了很大限制。 因此研究塔机设计计算理论及其程序化技术，实现塔机设计计算与c a d 技术的集 成，对于提高设计效率，改进设计结果，完善设计程序，减轻设计者的劳动强度具有十 分重要的现实意义。 第一章绪论 1 2 塔机的研究现状及发展趋势 1 2 1 塔机生产的现状及发展趋势 我国的塔机行业起步于2 0 世纪5 0 年代，至今已经历了半个多世纪的发展。2 0 世 纪8 0 年代以来，随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，工业与民用建筑的发展 十分迅速，作为工业与民用建筑的主要施工机械之一的塔机经历了从无到有，从单机生 产到系列化生产的过程。到目前为止我国取得生产许可证的塔机企业达3 0 0 余家，年销 量超过了2 万台。由于我国人多地少，城市发展速度快，人口密度大，为了解决人民的 住房问题，发展高层商业与民用住宅成为主流，而塔机作为现代工业与民用建筑的主要 施工机械，在其中发挥了重要作用。 经过几十年的发展，我国的塔机设计、生产水平得到了较大提高，生产企业无论从 数量还是规模上来说都取得了较大发展，塔机品种也逐步实现了系列化，这些成果的取 得为我国的现代化建设和经济发展做出了不少贡献。但也存在一些显著的问题，有不少 企业规模较小，产品品种不够丰富，新技术含量低，以中、小型塔机为主，不能完全满 足市场需求，企业消化新技术、研发与创新能力较差，缺乏市场竞争力。随着经济全球 化的进一步发展，我国塔机企业面临的困难将越来越多1 2 j 。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术、计算方法的不断进步，全球市场的逐步开放， 各国塔机生产企业的竞争力不断增强，塔机的生产技术得到了明显进步，各种新产品不 断涌现，塔机性能得到普遍提高，结构进一步优化。目前，德国和法国的塔机在国际上 处于先进水平。截至目前为止，法国的p o t a i n 公司在法国本土、意大利、葡萄牙、德 国以及中国的工厂生产6 0 多个品种型号的塔机，在全球的销售总量超过了1 0 万台，其中 被我国塔机设计、生产、使用单位所熟悉的f0 2 3 b 、h3 3 6 b 是在1 9 8 4 年从p o 删引 进生产的。2 0 0 3 年，p o t a i n 为南京长江第三大桥施工过程中提供的最大起重力矩为 3 6 0 0 t mm d 3 6 0 0 塔机，成功地将重达1 6 0 t 的重物吊装到2 0 0 多米高空，解决了当时施 工过程中的世界性技术难题。在技术应用方面，发达国家塔机生产企业不断将新技术应 用于新产品当中，塔机调速性能愈来愈好，整机工作和结构可靠性也不断得到提高。大 多数国外企业生产的塔机的回转机构采用了变频无级调速技术或调压无级调速技术，减 少了因回转机构工作对整机结构造成的振动和冲击，塔机工作状态显得更加平稳可靠。 其次，塔机的电控技术得到长足进步，系统控制性能和精度越来越好。国外有些先进的 塔机采用了综合安全控制系统，保证了塔机整机的安全平稳运行，p o t a i n 在t o p k i p m d 2 长安大学硕士学位论文 系列塔机上安装有运行监控系统、故障监控诊断系统和计算机辅助保养系统等高科技电 控系统，监控系统的传感器每分钟进行若干次采样监测，可以实时显示塔机的起升力矩、 起吊重量、工作幅度、起吊高度以及塔机运行时的冲击载荷，将各种载荷进行组合计算 后，如果载荷接近最大允许值时，系统将采取适当的安全保护措施1 3 1 。 塔机的发展不仅与机械化施工的需求密切相关，而且与其他领域的科学技术发展相 关。目前塔机的发展呈现出如下一些特点或趋势： 1 两极化发展 相对建筑施工而言，工程越大，施工机械越大，经济性就越好。因此在满足工程需 要的过程中，为了提高工效和经济性，应该尽量选用大型机械。在工业迅速发展，建筑 规模越来越大的今天，为大型塔机的使用提供了先决条件，使塔机的大型化得到了较快 的发展。另一方面，为了提高工效，缩短工期，提高质量，过去那些采用辅助工人完成 的各种零星分散、工作面窄小的小量工程也都设法采用小型塔机。上述两个原因构成了 现今塔机向两极发展的新动向，即大型设备一旦投入施工生产，就能获得巨大的经济效 益。相反，小型设备也有其自身的空间，同样有发展前景。 2 机一电一液一体化技术的应用 一t 机一电一液一体化技术在塔机中的应用，大大提高了可靠性和实用性。特别是自动 调节性能，使操作轻便，易于实现大幅度无极调速，并且容量增大，结构简单，操作方 便，已成塔机的主流。 3 满足多样化作业环境及一机多用机型 随着施工作业条件的多样化，塔机的适应能力也要相应提高，以便大幅度地提高机 械的利用率，节约投资，降低成本。因此，世界各国都在积极研制开发一机多用以及能 够适应各种特殊作业环境的机型，例如塔带机。 4 提高作业质量和加工精度 随着建设事业的发展，对工程质量的要求越来越高。例如在长江三峡大坝的施工中， 作业范围大，吊装精度要求限制在特定范围内，当人工操作难以满足要求时，必须采用 自动控制装置。 5 改善操作性能，减轻司机劳动强度 塔机的操作手柄和踏板多，有时需要手脚并用，不仅劳动强度大，而且操作复杂， 要求操作技能高。例如在循环作业中，在单位时间内的换挡极为频繁，劳动强度大。如 果采用电控方式，可大大降低换挡操作人员的劳动强度。 3 第一章绪论 6 提高安全性，防止事故发生 目前，塔机均装有力矩限制器，限制超载现象。在狭窄地区工作时，有了起重机回 转机构限位装置就可以设定转角范围，以免碰撞事故的发生。此外，有些塔机还装有接 近高压电线时自动报警的装置，能防止触电事故的发生。 7 机械运行状态监控和自动报警 塔机采用电子监控装置，对传动系统、制动系统和液压系统的运行状态进行实时监 控，一旦出现异常情况，能够根据故障状况进行判断，并发出警报或及时采取相应措施。 有了这些电子监控装置，司机在驾驶室就能够一目了然地观察到机械的各种运行状态。 8 机械故障的自动诊断 电子故障诊断装置用于诊断现场工作的塔机是否有故障，性能是否降低，零部件是 否过度磨损，可以及早发现隐患，防止事故扩大，从而提高机械出勤率，降低修理费用。 这些诊断装置包括：对电动机、液压传动系统的油液自动进行金属微粒含量分析，探求 故障和金属磨耗产生原因的原子吸光分析仪；用于检测油质，从而确定油液更换期的红 外线分光分析仪；按规定的时间间隔或在异常状态时自动采油的装置；预先在计算机中 贮存液压泵或变速箱的振动波形，然后测定使用过程中液压泵或变速箱的振动波形，对 两者加以比较并自动判断是否异常的振动分析仪；还有结构件超声波探伤仪和装有电子 检测装置与微型计算机的综合诊断车等。这些自动诊断装置使日常保养工作大为简化。 9 向机器人功能方向发展 为了满足危险作业现场、人无法接近的场地( 受原子能辐射影响的工作场所) 、作 业环境十分恶劣的场所( 垃圾处理场) 、海洋开发海底作业等不同的要求，需要远距离 操作和无人驾驶塔机等。通过监视摄像机、三维立体摄像机、自动跟踪光波测距仪和卫 星测位系统等装置来测定机械的位置，取得现场的施工情况信息和图像，再通过双向多 通道通信系统，可在屏幕上显示现场图像，使操作者具有现场感觉，无线或有线控制机 械进行工作1 1 1 。 1 2 2 塔机设计的现状及发展趋势 设计计算是贯穿于塔机整个设计过程的核心部分，对于保证塔机质量，提高塔机整 机性能，降低成本，缩短上市时间发挥着关键的作用。塔机设计理论的研究，经过上世 纪八十年代的快速发展，到了九十年代其发展速度显得有些缓慢，对于这一现象可以从 以下几个方面进行解释。第一，通过国内外起重机方面专家学者历年来的努力，塔机设 4 长安大学硕士学位论文 计理论逐步发展成熟；其次，上世纪8 0 年代中期以来，建筑机械行业以引进为主、设计 为辅的发展策略，使相关科研设计部门对塔机设计理论的研究逐步减少，许多企业将图 纸的引进消化作为工作重点，一定程度上制约了塔机设计理论的进一步发展；第三， 许多研发工作者对于现有的设计理论与方法感觉已相对比较完善，没有将现代设计方法 和手段应用于塔机设计，无法取得进一步突破。但是，对于那些从事塔机设计的技术人 员来说，现有的设计方法、程序效率很低，设计结果可靠性不高，计算精度低。 国外的塔机设计、生产广泛采用c a d 、a 墟、c a m 技术，提高了塔机可靠性，缩 短了开发周期，实现了塔机的现代化设计制造。l i e b h e e r 、d e m a g 、p o t a i n 以及日 立等国外塔机先进生产企业，将计算机辅助设计广泛应用于塔机设计、生产的各个环节， 实现了现代设计方法与c a d 技术的有机结合，设计出了适合各自实际的专业塔机设计系 统，并且具备良好的实用性，有效提高了设计效率，缩短了设计开发周期，使企业增强 了市场竞争力，加快了其产品升级换代的步伐1 2 1 。 从塔机的技术发展方面来看，虽然新的产品层出不穷，使用性能、操作简便、7 保养 容易和运行可靠方面均有提高，但是塔机的技术并无根本性的改变。塔机的设计、生产 正向着组合式发展。所谓的组合式，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔 身分解成若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理再将各部分划分成若 干模块。根据参数要求，选用适当模块分别组成具有不同技术性能特征的塔机，以满足 施工的具体需求。推行组合式的塔机有助于加快塔机产品开发进度，节省产品开发费用， 并能更好的为客户服务。 随着计算机技术的进一步普及，计算机辅助技术得到较广泛的应用。而在塔机设计 领域，由于其设计方法不易掌握，设计过程复杂且繁琐，通用的计算机辅助设计系统不 能满足要求，缺乏实用、高效、专业的计算机辅助设计软件，使得计算机辅助设计在塔 机开发中的应用程度并不高。目前塔机设计单位普遍采用q 二维或三维技术进行图纸 绘制，面对复杂而繁杂的计算只能采用手工或简单的计算方法查f l e x c e l 技术，对于塔机开 发的周期和效率影响很大。 目前，计算机辅助设计技术在国内建筑机械设计、生产领域正逐步得到应用，而塔 机的设计开发仍然以传统的设计方法为主，通用的计算机辅助设计系统不能得到充分的 应用，计算机辅助设计技术的应用受到限制。塔机设计过程复杂而又反复，实际设计过 程中常常需要对塔身标准节、起重臂臂节等结构做大量相似设计。设计过程中不可避免 地要进行形状和尺寸的多次反复修改，经过不断的计算与选型、优化、综合协调，最后 5 第一章绪论 确定出最佳方案【4 j 。国内的塔机设计计算方面存在的主要问题有以下几个方面。首先， 塔机本身结构庞大、受力复杂，设计计算方法不易掌握，设计步骤复杂且繁琐，设计过 程要应用起重机械、结构力学、材料力学、钢结构等学科的专业知识，通用结构计算软 件a n s y s 、m s cn a s t r a n 等仅能进行部分环节的计算机辅助设计计算，而且需要输 入大量的前置处理和后置处理参数和命令，且塔机设计建模、计算、分析所需的专业知 识主要集中于前置和后置处理阶段，这种特点不利于提高设计效率。第二，塔机设计计 算准确性较差，精度低，设计方法落后，研发周期较长。目前，塔机设计人员一般采用 通用计算机辅助分析软件进行几何或实体建模，然后通过手工计算出模型特定截面的力 学特性、特定工况下作用的载荷并进行组合，从而完成设计计算的前置处理，计算完成 后，利用通过软件人机交互接口输入相关命令，获得计算模型各单元的应力、位移，并 判断其是否满足要求，对于塔机设计计算过程中的某些特殊性内容，比如机构电动机的 发热和过载校核、主要金属结构的稳定性应力校核、拉杆吊点位置优化、平衡重计算与 校核、整机抗倾覆稳定性计算等工作通用的计算机辅助设计系统无能为力，必须由设计 者手工计算完成，并书写计算报告。如此一来，塔机设计计算过程中出现参数计算与输 入出现错误的可能性大大增加，致使设计计算精度较低，可靠性降低，设计人员劳动强 度较大嘲。 1 3 本课题研究的目的和意义 本课题是受陕西兴平东城建设机械公司委托，从q t z 4 0 、q t z 6 3 、t c 5 5 1 0 、q t z 8 0 等多个型号塔机改造设计的实际应用需要出发，在掌握塔机结构组成、设计计算程序和 方法等专业知识的基础上，运用面向对象程序设计方法、o l e 自动化技术、数据库技术， 开发的塔机设计计算专业c a d 系统。对于提高塔机改造设计计算效率、缩短周期、减轻 设计人员的劳动强度具有重要的现实意义。 目前，c a d 、c a e 、c a m 、c a p p 等技术在机械设计、生产领域得到了较普遍的应 用，并且取得了不错的经济效益。但是这些技术是从产品产生过程中的不同环节作为研 究内容逐渐发展形成的，彼此之间在模型定义、过程实现手段与方法方面有较大差异， 缺乏联系，信息共享。塔机设计包括结构、机械和电气三个主要部分，其中涉及的知识 面广、难度大且与产品的安全性与人民群众的生命财产息息相关，安全性、可靠性要求 高。设计过程中的产品质量与经济效益之间的矛盾尤为突出，迫切需要集成的、可靠和 高效的塔机计算机辅助设计系纠们。 6 长安大学硕士学位论文 研究塔机设计计算理论及其程序化技术，实现塔机参数化设计与计算结果的自动生 成，对于获得最佳设计效果和提高设计效率，缩短我国塔机设计水平与国外的差距具有 十分重要的现实意义。为此，本文探讨塔机参数化设计的程序化实现及计算结果的自动 生成。 塔机产品因其制造工艺的特点，具有模块化的性质，即在一个或几个系列范围内， 大部分结构元件都是相同或相近的，特别是标准节、起重臂架的结构形状基本上是不变 的，因此，产品设计过程在很大程度上表现为结构校核与选型、修改，在这种情况下， 借助于计算机进行塔机设计计算，对于规范塔机设计程序，减轻设计人员的工作量，缩 短塔机开发周期，提高设计计算的准确性方面有重要意义。另一方面，塔机总体设计、 各金属结构设计、材料选用过程中涉及到的基本参数、结构尺寸参数、截面特性等参数 数量巨大，手工计算过程中出错的可能性很大，应用计算机数据库技术可以将这些信息 保存在适当的数据库当中，可供设计人员随时进行查阅和选用，并且可以保证数据的有 效传递，从而将设计人员从繁重的数据计算工作中解放出来，提高设计效率。 通过对塔机计算机辅助设计系统的研究可以获得以下几个方面的成果。 ( 1 ) 建立塔机设计计算基础数据库，解决设计人员需要查找设计手册的困难，实。 现数据的准确使用与有效传递。 ( 2 ) 应用许用应力法，根据塔机设计规范建立合理的计算模型，设计适当的计算 步骤和程序，实现塔机设计计算的程序化。 ( 3 ) 在设计完成时，可以自动生成塔机使用说明书、设计计算书，并可以进行实 时修改和编辑。 1 4 本课题研究的主要内容 本文拟运用数据库技术、面向对象程序设计方法和o l e 自动化技术，结合已参与科 研项目的实际情况，研究塔机设计计算的程序化实现软件，并通过实例对该系统进行应 用测试。 本文主要围绕塔机的金属结构设计进行研究，将塔机计算机辅助设计系统主要划分 为基础数据库模块、起重臂设计模块、平衡臂设计模块、塔帽设计模块、塔身设计模块 以及计算结果生成模块。根据塔机计算机辅助设计系统各个模块的相互联系，应用参数 化设计方法，在统一的数据交换技术的基础上实现数据的合理流动，得到准确可靠的计 算结果。 7 第一章绪论 1 数据库的建立 在塔机计算机辅助设计系统中，需要用到的数据比较多。这里以起重臂结构设计为 例进行说明，塔机起重臂一般是由标准型钢焊接而成，其设计过程中可能用到的型材有： 圆钢、无缝钢管、角钢、角钢拼方以及工字钢等，不同型材及其组成的截面几何和力学 特性很不相同，需要用大量的数据进行表示。建立塔机材料数据库可以为减轻设计人员 的劳动强度，避免重复性工作，提高工作效率和计算的准确性。 2 总体设计 根据设计要求确定塔机工作级别、额定起重力矩、起重量等总体性能参数；设计总 体结构形式，如起重臂吊点形式、塔帽形式、平衡臂结构形式和标准节结构形式；确定 主要结构参数，如标准节、起重臂和平衡臂总体尺寸等；确定各工作机构的主要性能参 数和安装位置等参数。 3 金属结构设计 主要包括确定具体的结构尺寸，例如，格桁结构的腹杆布置，腹杆的材料、截面尺 寸，结构之间的连接形式和尺寸等。 。4 计算校核 主要包括确定作用在塔机主要金属结构及整机上的载荷并进行组合；计算起重臂、 平衡臂、塔帽以及塔身等主要金属结构在典型工况下特定截面的内力，并验算强度、刚 度、稳定性应力；进行平衡重的设计与计算；整机抗倾覆稳定性及塔机基础的强度计算； 塔机主要连接零部件的计算校核。计算校核部分严格塔机设计规范g b t 1 7 3 5 2 1 9 9 2 和技 术条件g b t 9 4 6 2 1 9 9 9 的相关规定进行设计，实现方法采用许用应力法。 5 计算报告生成部分 包括设计计算书和产品使用说明书的自动生成等，生成的技术文档可进行实时修改 和编辑。 1 5 本章小结 本章概述了塔机生产及设计的研究现状及发展趋势，简要介绍了本课题研究的主要 内容，阐述了本课题研究的重要性及意义。 8 长安大学硕士学位论文 第二章塔机计算机辅助设计系统的开发方法及关键技术 工程软件开发技术是工程技术人员面向自己所从事的工程领域，针对重复性的工作 和事务进行程序设计或软件开发，从而实现“一劳永逸 的技术。包括面向对象程序设 计方法与步骤( 高级程序设计语言的计算原理和基本特征、界面设计、属性设置、代码 编写、程序调试与错误处理、图形技术、文件) 、算法与数据结构、( 工程) 数据库技术、 软件工程和人工智能程序设计等内容和技术【j 丌。塔机计算机辅助设计系统是在充分吸收 传统的设计方法和经验的基础上，结合新的设计方法，应用现代先进的工具和手段开发 的工程实用软件。 2 1 塔机的设计程序和设计方法 2 1 1 塔机设计程序 机械设计过程是创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经 验、方法和工具的改造过程。只有将继承与创新结合起来，才能设计出高质量的机械产 品。要提高设计质量，必须要有一个科学的设计程序。塔机的设计过程也必须遵循这样 的程序。根据人们长期的设计经验，一部机器的设计程序可用图2 1 表示【8 】。 1 计划阶段 根据生产或生活的需求提出新的设计任务后，计划阶段只是设计工作正式开始前的 准备阶段。在这一阶段中，对于新提出的设计任务必须进行充分的调查研究，真实掌握 产品的市场需求情况。通过分析论证，进一步明确产品的功能和市场目标定位，为方案 设计及最终确定阶段提供由加工制造、生产时限、经济效益以及环境影响等方面所决定 的限制因素。根据调查研究及分析的结果，进一步明确设计任务的总体要求，制定产品 设计任务书，作为后续设计阶段的工作依据。 2 方案设计阶段 这一阶段关乎着设计的成功与否，能够满足设计任务需求，实现产品功能的可能方 案可以有多个。制定设计方案之前，首先要进行产品的功能分析，根据设计任务书提出 的产品功能进行进一步的综合分析与分解，认清产品基本功能、附加功能和特殊功能， 明确多种功能的实现可行性，相互之间是否有所制约，一定程度上能否替代。根据这些 具体的功能需求确定出主要功能参数，作为产品技术设计和综合评价的依据。确定出功 能参数后，就可以根据相关的专业知识，提出可能的实现方案。在众多的方案中，技术 9 第二章塔机计算机辅助设计系统的开发方法及关键技术 上可行的仅有几个。对可行的方案，要从技术、经济及环保等方面进行综合对比评价。 通过方案评价，最后进行决策，确定一个据以进行下步技术设计的原理图或机构运动简 图。 3 技术设计阶段 提出任务 上 分析对机器的需求 j 确定任务要求 l 机器功能分析 一 扩 提出可能的解决办法 山 组合几种可能的方案 令二 决策选定方案 占 明确构形要求 f 结构化 山 选择材料，决定尺寸 一 + 决策确定结构形状及尺寸 零件设计 占 部件设计 0 总体设计 山 编制技术文件 图2 1 设计机器的一般步骤 l o 长安大学硕士学位论文 技术设计阶段的主要任务是根据产品的设计任务和拟采用的实现方案，确定详细的 产品功能实现方法和步骤，主要内容有产品的运动学设计、机构或结构的动力学计算、 零件的工作性能设计与计算校核、零部件装配图及总装配图的绘制等工作。在绘制草图 时，应初步确定各零部件的外形及主要装配尺寸。经过详细的计算推敲进一步确定各零 部件结构细节，设计零件的工作图。在此过程中，应充分考虑加工方法、加工工艺、装 配工艺性、检验要求和方法的影响等，如果某些细节对产品的工作性能有较大影响时， 必须重新进行设计计算并校核其工作能力。根据计算结果绘制全部零件图，按照零件图 的结构及尺寸，最终确定各部件及产品总装配图。 4 技术文件编制阶段 常见的技术文档有产品的设计计算书、产品使用说明书、标准件及外购件明细表等。 编写设计计算书时，应该将方案选择及技术设计阶段的全部结论性的内容和主要设计计 算步骤包括在内。而产品的使用说明书应该向用户详细说明产品的主要性能参数、使用 操作方法及注意事项、日常保养与维修方法等。其他技术文件根据需要与否进行编制。 在产品设计过程中充分运用计算机技术，将有助于提高设计的效率和质量。利用计 算机的快速运算能力、交互图形显示、数据库及模拟仿真等项技术，可以实现在设计阶 段进行多方案的比较、提高计算的速度和精度、形成标准化工程图。同时还可以在计算 机上对设计的结果进行虚拟制造、对虚拟样机进行验证，从而在设计阶段就充分评价设 计的可制造性和可行性。 2 1 2 塔机的设计方法 现代塔机一般具备下列特点【9 】： ( 1 ) 起重力矩大，起升高度和工作幅度较大，能够实现大型、重载构件的调运、 安装； ( 2 ) 工作速度得到较大提高，具有安装微动及良好的调速性能； ( 3 ) 能够适应频繁转移工地的需要，安装拆卸、运输方便迅速。 为了最大程度地满足机械化施工的需要，尽可能满足建筑施工对塔机提出的高性能 要求，保证施工的安全可靠，塔机设计时应尽可能遵循以下原则【1 0 l ： ( 1 ) 新设计的塔机应具有一定的技术先进性，参考国内外塔机设计的先进经验， 采用新的设计方法和手段，广泛吸收现有塔机的优点； ( 2 ) 根据自身的技术水平设计，综合考虑塔机的设计、生产、安装、使用与维护 第二章塔机计算机辅助设计系统的开发方法及关键技术 等方面的综合因素，尽可能多地降低成本，节约资源； ( 3 ) 面向使用对象，最大限度地适应的施工现场的条件，全面满足施工要求； ( 4 ) 在塔机的设计、生产过程中，认真贯彻执行相关的技术标准规范，消除塔机 设计阶段的安全隐患，严格保证产品的安全可靠。 塔机设计目前仍以传统设计方法为主，一般是根据使用要求确定塔机工作级别、起 重量等总体性能参数；设计总体结构形式，如起重臂吊点形式、塔帽形式、平衡臂结构 形式和标准节结构形式；确定主要结构参数，如标准节、起重臂和平衡臂总体尺寸等； 确定各工作机构的主要性能参数和安装位置等参数；计算作用在塔机各结构部分的载 荷，并进行合理的组合；根据塔机相关设计规范，应用力学、钢结构等知识校核各结构 及联接部位的强度、刚度以及稳定性；进行塔机各工况下的整体稳定性校验。近年来有 一些新的现代设计方法逐步应用到塔机的设计过程中，但由于种种原因，这些方法的应 用还不够广泛。主要有可靠性设计、优化设计、计算机辅助设计等1 2 1 。 1 可靠性设计 可靠性设计是保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。在 进行机械结构设计时要进行强度、刚度及结构寿命的计算与校核，在这些设计准则里包 含有大量的变量，包括施加的载荷、截面面积、截面惯性矩、材料弹性模量、材料许用 应力等，对于同类机器的一批特定的零部件来说，这些变量是呈现一定分布规律的随机 变量。利用概率与数理统计的知识对产品零部件进行建模、分析、求解，得出强度、刚 度以及寿命等方面的结论，即可靠性设计的主要内容。 2 优化设计 优化设计是以数学规划作理论基础，计算机为工具，寻求设计方案的最优参数为目 标的的一种先进设计方法。产品或零件设计过程中，总是期望能在众多可能的方案中选 择一个可行且最好的方案，使得设计出的产品结构最近凑、用料最省、成本最低、工作 性能最好，即获得最佳的经济技术指标，这就是工程优化问题。机械优化设计是将机械 工程设计问题转化为优化问题，选择适当的优化方法，利用计算机技术从满足要求的可 行设计方案中寻找实现预期目标的最优设计设计方案。目前优化设计已经成为解决工程 实际问题的重要方法和手段。 进行产品优化设计时，首先需要明确设计的目标，建立一个能正确反映设计需要的 数学描述模型，也就是用一组设计变量描述优化设计对象的设计内容、优化意图和有关 限制条件的数学表达式，数学模型包括设计变量、目标函数和约束条件三要素。建模工 1 2 长安大学硕士学位论文 作完成之后，应该选择适当的迭代方法和收敛准则，按照适当的算法进行求解计算。机 械优化设计问题大多数是多变量非线性规划问题，设计的一般步骤是： ( 1 ) 分析机械设计问题，建立优化数学模型： ( 2 ) 选择优化方法； ( 3 ) 编写计算程序或应用合适的软件进行求解计算； ( 4 ) 方案的评价与决策。 3 计算机辅助设计( q ) 随着计算机技术、有限元计算方法以及优化设计理论的快速发展，计算机辅助设计 得到了广泛的应用。产品设计过程中，计算机辅助设计可以完成方案对比分析、图纸设 计、计算结果等重要工作。一个完备的c a d 系统一般应包括：结构设计程序、特性计算 程序、图形绘制与显示程序。 2 2 塔机计算机辅助设计系统的开发方法 计算机辅助设计是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和 产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中t 通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计 信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速， 地检索；利用计算机可以实现设计图纸的绘制、显示，设计结果的分析计算等。从而能 够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。目前常用的计算机辅助设计方 法主要有模块化设计和参数化设计。 2 2 1 模块化设计方法 模块化设计是将机械产品中同一功能的单元，设计成具有不同用途或性能的、可以 互换选用的模块，用以更好地满足用户需要的一种设计方法。模块化设计的核心就是要 设计一系列的模块。所谓模块是“一组具有同一功能和结合要素( 指联接部位的形状、 尺寸和联接件之间的配合或啮合参数等) ，而有不同用途( 或性能) 和不同结构且能互 换的各个单元( 零件、组件、部件或系统) ，或是能增加机械产品功能的单元。 进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行 设计。因此，模块划分的合理性对模块化产品的性能、外观以及模块的通用化程度和成 本都有很大影响。通常按功能分析方法，把产品分为若干单元，这些单元称为功能模块， 1 3 第二章塔机计算机辅助设计系统的开发方法及关键技术 由功能模块系统实现产品的功能。模块的划分可遵循以下五个基本原则，即：功能单元 分解化，功能单元独立化，部件模块化，组件模块化和基础件模块化。 模块化设计的主要步骤为：模块化设计的产品品种规划；模块化设计的产品总体布 局；模块化设计的功能单元划分；模块综合可行性评定和模块结构设计【1 1 1 。具体到某个 产品的设计流程，可用图2 2 表示【2 1 。 图2 2 模块化设计流程 模块化设计在技术和经济上都具有明显的优点，理论分析和实践证明，其意义主要 体现在下述几个方面： ( 1 ) 缩短产品的设计和制造周期，提高设计效率； ( 2 ) 有利于产品的更新换代和新产品的开发； ( 3 ) 提高了设计可靠性，有利于提高质量和降低成本； ( 4 ) 便于产品的使用和维护。 上世纪8 0 年代以来，工业发达国家采用模块化设计思想进行机械产品的设计开发， 1 4 长安大学硕士学位论文 取得了良好的效果。在实际应用时将产品功能组成分解为若干个具体的功能模块，通过 设计这些不同的功能模块以及参数的适当修改，经过一定的组合可以得到不同规格和型 号的产品。采用模块化技术设计的机械产品，具有精度高、性能稳定、结构简单、成本 低廉的特点。明显地，为了保证模块的可互换性，提高产品设计效率以及更新换代的周 期，应尽可能提高模块的标准化、通用化和规范化的程度。 上世纪7 0 年代，p o t a i n 、l i n d e n 以及l i e b h e r r 等塔机知名企业就将模块化设计 方法应用到各自的产品设计开发过程中，用有限的金属结构模块经过组合可以得到不同 型号的塔机，从而满足不同的施工需要。我国的专家学者和工程技术人员近些年来也将 机械系统的模块化设计思想应用于各种机械产品设计开发之中，取得了较好的效果【1 2 1 。 2 2 2 参数化设计方法 参数化设计是指通过在相应的对话框中输入合适的参数，通过执行后台程序改变相 关模型的参数得到新的模型的产品设计方法。对于那些结构相似但参数值可以在一定范 围内变化的产品设计问题，通过建立恰当的产品模型和参数数据库，根据相关参数从数 据库中调用合适的数据就能自动完成机械产品的自动化设计【1 3 l 。利用参数化方法开发设 计的专用产品设计系统，能够减少冗余信息的存储量，可以使设计人员从大量复杂而繁 琐的设计计算与绘图工作中解放出来，降低劳动强度，从而大大提高设计速度，缩短开 发周期。近些年来，以p r o e n g i n e e r 、u g 、s o l i d w o r k s 等参数化建模系统为代表的参数 化设计技术得到了迅猛的发展，参数化技术正日益完善并得到了广泛应用。 参数化设计的依据是根据零件或产品的几何组成特征及其相互间的位置关系，通过 一系列的参数定义一类结构以及形状都大致相近的几何实体，这种几何实体的具体实例 根据特定的尺寸约束变量确定，输入不同的参数变量值可以产生形状及结构相似但是尺 寸不同的零件或产品。由此可见，参数化实体模型可以看做由几何模型和几何约束模型 两部分组成。在零件或者产品的几何形状发生改变和重新生成时，可以通过建立尺寸与 几何定义变量之间的几何约束方程组，经过求解计算即可实现参数变化到几何模型改变 的转化。 塔机设计可以按照主要结构组成部分划分为起重臂设计模块、平衡臂设计模块、塔 帽设计模块、塔身设计模块等，而不同型号的塔机同一模块的基本结构形式大致相同， 只是尺寸方面有一定差别。因此，塔机设计过程中特别适合采用模块化和参数化的设计 方法，本文将应用这两种设计思想，对塔机计算机辅助设计系统进行开发研究。 1 5 第二章塔机计算机辅助设计系统的开发方法及关键技术 2 3 塔机计算机辅助设计系统关键技术 随着计算机技术的进一步发展，特别是具有图形用户界面软件的广泛使用，使得面 向对象程序设计成为工程软件开发的主流技术。面向对象程序设计是一种程序设计范 型，同时也是一种程序开发的方法论。这一技术的使用为程序重用提供了有力的支持， 大幅减少了冗余的代码，降低了软件开发及维护的难度，从而降低了成本，提高了软件 开发的效率及使用的可靠性。 2 3 1 面向对象程序设计 面向对象程序设计( o b j e c t - o d e n t e dp r o g r a m m i n g ，简记为o o p