（机械设计及理论专业论文）起重机伸缩臂可视化设计软件研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 伸缩臂式起重机是流动式起重机械最主要的形式，应用范围涉及国民经济各工程领 域。伸缩臂一般占总机重量的2 0 ，因此减轻臂架重量，提高臂架的强度、刚度和稳定 性是改善伸缩臂性能的主要途径。传统的伸缩臂设计大多由手工计算完成，其重复计算 工作量大、效率低、设计周期长，致使一些具体细节考虑不周。随着计算机应用技术的 发展，这些设计过程逐渐被计算机所代替，设计效率与设计结果可靠性都有了提高，但 是这些软件大都是在d o s 下编写的，操作性较差，几乎没有可视效果，数据通讯和数 据输入输出的处理很不方便，影响了设计效率和质量的提高。 随着计算机可视化技术的发展，尤其是w i n d o w s 的出现使得软件操作更加友好， 为了适应产品设计发展的需要，使软件操作更加方便，程序的交互性能更高，需要在原 有方法的基础上设计出交互式可视化强的设计软件。 本文介绍了基于v i s u a lc + + 语言的伸缩臂可视化设计软件。该软件针对市场流行的 六边形大圆角截面和传统的箱型截面进行设计，实现了参数驱动的臂架外形图和截面图 形显示、人机交互的设计过程、动态显示臂架各危险截面的复合应力云图、制作强度特 性曲线等功能j 可视化程度高，为提高臂架设计的效率和质量提供了保证。并且通过一 个具体工程实例介绍了该软件的操作方法并检验了软件设计的可用性。 关键词：伸缩臂；可视化；复合应力云图 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 t h er e s e a r c ho fv i s u a ld e s i g np r o g r a mf o rc r a n et e l e s c o p i cb o o m a b s t r a c t c r a n e sw i t ht e l e s c o p i cb o o ma l et h em a i nf o r m so fm o b i l ec r a n e s t h e yh a v eb e e n a p p l i e dt ol o t so f e n g i n e e r i n gf i e l d si nn a t i o n a le c o n o m y 耶1 ew e i g h to f t h et e l e s c o p i cb o o m a l m o s tt a k e s2 0 o f t h et o t a lw e i g h to f c r a n e s o ，l i g h t e n i n gt h eb o o mw e i g h ta n di m p r o v i n g t h es t r e n g t h , r i g i d i t ya n ds t a b i l i t ya 砖1 h em a i nw a y st 0i m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft e l e s c o p i c b o o m d e s i g n i n gt h eb o o mi sc o m p l e t e dm o s t l yb yh a n di np a s t i t sc h a r a c t e r i s t i c sa r e r e p e a t e dc a l c u l a t i n g ，l o w e re f f i c i e n c ya n dl o n g e rp e r i o d s w i t ht h ep r o 伊c s so f t h ec o m p u t e r s a p p l i c a t i o nt e c h n i q u e s , g r a d u a l l yc o m p u t e ri s u s e dt od e s i g nt h ec l _ a n eb o o m , b u tt h e p r o g r a m s a t ep r o g r a m m e di nd o se n v i r o n m e n ta n di n s u f f i c i e n ti n m a n e u v e r a b i l i t y t h e r e f o r e ，d e s i g n i n gas o 行w 勰，w h o s ee x t e n to fv i s u a l i z a t i o ni sh i g h e r , b e c o m em o l ea n d m o r en e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g ns o r w a r eb a s e dv i s u a lc 针f o rt h et e l e s c o p i cb o o mi sp r e s e n t e d a i m i n ga tt h ep o p u l a rh e x a g o n a ls e e t i o ni nt h em a r k e ta n du a d i t i o n a lb o x - s e c t i o n , t h e s o i t w a l ee n a b l e sp a r a m e t e r - v a r y i n gd r a w i n g , i n t e m c 丘v cd c ! t e 如血她o ft h eb o o mv a r i a b l e s a n dd r a w i n gt h ec o n t o u rg n r v eo f t i my o ns t r e s so f t h et e l e s c o p i cb o o m sd a n g 豇。岫$ e e f i o l x s ， a n di tg a l li m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq 1 】a l i 锣o ft h eb o o m mp a p e rp r e s e n t st h e o p e r a t i n gm e t h o do ft h es o r w a l ea n dt e s t st h ea p p l i c a t i o no ft h ep r o g r a mb yac o n c r e t e i n s t a n o o k e yw o r d s ：t e l e s c o p i cb o o m | v i s u a l i z a t i o n ) v o ns t r e mc o n t o u rg , l a l v e i i 独创性说明 作者郑重声明；本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名： 乏垦名b 期：2 翌五：2 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权啦 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印传和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据摩进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签氢生皇塾 导师签名： 0 隧 型2 年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 轮式起重机的发展概况 臂架式起重机通常都有一个悬伸、可旋转的臂架作为主要的受力构件，除了起升机 构外，通常还有旋转机构和变幅机构，通过起升机构、变幅机构、旋转机构和运行机构 等四大机构的组合运动，可以实现在圆形或长圆形空间的装卸作业【”。臂架式起重枫装 设在车辆或其他运输工具上，构成了常见的各种运行臂架式起重机，如，门坐式起重机、 塔式起重机、流动式起重机。其中流动式起重机包括履带式起重机及使用伸缩臂架的汽 车起重机、轮胎起重机和全路面起重机。臂架式起重机分类如下： f 塔式起重机 i 臂架式起重机 门座式起重机厂汽车起重机1 ii 轮胎起重机卜轮式起重机 。流动式起重机弋全路面起重机j i 履带起重机 越野轮胎起重机伞路面起荤机 图1 1 伸缩臂架式起重机 f i g i it e l e s c o p i cb o o mc r a n e s 1 1 1 国外轮式起重机的发展 目前，轮式起重机的主要生产国为日本、美国、德国、意大利、加拿大和法国等， 但著名韵世界级大公司仅有十几家，如德国利勃海尔公司、德马泰克公司；美国格鲁夫 国际公司、特雷克起重机公司、林克贝尔特公司；日本的多田野公司、加藤公司等。 轮式起重机市场主要划分为以日本为主的亚洲市场，以美国为主的北美市场和以德国为 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 主的欧洲市场，其中亚洲约占年销售台数的4 0 。国外轮式起重机产品发展的主要特点 可以归纳为：多品种生产、标准化程度高和一机多用。 ( 1 ) 以德国为主的欧洲市场，其产品主要特点为： 全地面起重机占主导地位，约占市场份额的8 0 ； 大吨位产品为主，利勃海尔公司占年销售额的7 0 8 0 是1 0 0 吨以上的产品； 技术先进，及时采用世界最新技术成果； 专用配套件多，这已成为欧洲轮式起重机的得天独厚的条件。 ( 2 ) 以日本为主的亚洲市场和以美国为主的北美市场，其产品主要有以下特点： 越野轮胎起重机占主导地位，约占市场份额的7 0 一8 0 ，其次是汽车起重机， 全路面起重机占比例很小； 多系列生产，中吨位居多； 注重适应性和经济性。在保证产品性能和功能的前提下，大量采用通用配套件， 而不强调追赶新技术，故产品可靠性较好。 1 1 2 国内轮式起重机的发展 我国轮式起重机行业经过4 0 多年的发展已经建立了一个比较完整的生产体系， 中、小型起重机的批量生产也已经有了3 0 多年的历史。特别是从8 0 年代开始一些骨 干生产企业先后引进了日本多田野、加藤，美国格鲁夫和德国利勃海尔公司的先进技术， 经过多年的消化吸收和国产化工作，已经大大促进了我国轮式起重机行业的技术进步和 产品水平的提高。目前我国生产轮式起重机的企业约有3 5 家，其中骨干企业有徐州重 型机械厂、北京起重机厂、浦沅集团公司、四川长江起重机有限责任公司、锦州重型机 械厂、泰安起重机械厂等。几十年来国内轮式起重机产品已经在华东、中南、华北、西 南、西北等地区以及军品供应中占有了比较稳定的市场份额，这些都为我国轮式起重机 行业的进一步发展奠定了基础。 下面以徐工的q a y l 2 5 全路面轮式起重机为例介绍我国轮式起重机技术及产品的最 新进展。 ( 1 ) 电比例操作系统该系统由计算机集成控制，运用了先进的c a n b u s 数据总 线技术，所有起重机的重要电子元( 器) 件，如长度传感器、角度传感器、接近开关及手 柄等的电子信号均通过c a n - b u s 总线传输给计算机加以集中处理，通过显示屏提供起重 作业的全部信息参数，显示起重机的工作状态和工作过程，实现起重机的自动控制，所 有操作变得更加简单方便，大大提高起重机的作业安全性、可靠性和效率，降低了劳动 强度，充分体现了以人为本的设计理念。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 液压系统采用电比例伺服控制技术的泵控变量系统，带分功率调节和极限负 载调节，与电比例操作系统紧密结合，大大提高起重机的控制性能，微动性能好、动作 平稳、安全可靠。 ( 3 ) 上车独立的动力系统发动机功率输出是通过计算机集成控制系统和c a n b u s 数据总线系统，根据吊臂载荷变化自动优化功率输出，使发动机功率损耗降到最低，节 省能源。 ( 4 ) 起重臂采用u 形截面形式，充分利用材料的力学性能，极大地提高了起重臂 的抗扭曲能力；采用超高强度结构钢制造，可以显著降低起重臂的重量，提高其大幅度 工况下的起重性能：电子控制的起重臂全液压双销内部互锁系统可以确保起重机作业安 全、可靠、万无一失；采用单缸插销式全自动快速伸缩系统，通过显示屏信息提示及手 动键盘操作进行人机对话，实现起重臂按设定的工作模式和逻辑程序全自动伸缩以及起 重臂伸缩状态的实时监控。 ( 5 ) 底盘该型车底盘为路况自适应智能全地面越野型，采用先进的油气悬挂技术 和全桥转向智能控制技术，可以调节底盘离地高度，提高车辆的通过性；减震效果好， 可实现全轮转向，转弯半径小；同时带有地面路况感知器、行驶速度感知器和变速轴转 速感知器，行驶时具有自动调平和行驶速度智能换挡功能。 ( 6 ) 黑匣子功能计算机能有效地实时监测和记录有关作业状态参数，以便对故障 的分析和处理。配备起重作业性能表电脑查询系统以及力矩限制器、高度限位器和钢丝 绳过放保护等安全装置；全视野整体式驾驶室、可翻转全封闭操纵室，并安装冷暖空调。 总体说来，由于我国轮式起重机起步相对较晚，和国外相比，还有一定的差距。具 体表现在： ( 1 ) 产品品种单一我国轮式起重机现处于初级发展阶段，品种较少。中小吨位重 复较多，至今尚未形成大、中、小完整的系列，当前全路面起重机产品和汽车轮胎起重 机产品已分别在世界三大市场占据了主导地位，而国内轮式起重机生产仍然以8 5 0 t 汽 车起重机为主，8 t 以下和6 0 t 以上产品几乎是空白，而造成了一方面生产能力过剩，另 一方面许多重点工程急需的大型起重机尚需进口的局面。 ( 2 ) 同等自重起重力矩小，技术水平低受汽车底盘和材料性能的限制，起重力 矩小，其它性能指标也低于国外先进产品。目前国内企业对轮式起重机的研究开发投入 偏少，液压系统、控制系统的技术水平较国外还有定差距。 ( 3 ) 安全装置不齐全，操作不方便我国轮式起重机仅装有起升高度限位及平衡阀、 溢流阀等一般安全装置。而国外早已将电子技术广泛运用到轮式起重机上，如带有微电 脑的力矩限制器及防倾翻保护器等，并且已实现了有线与无线遥控。 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 ( 4 ) 功能单一我国轮式起重机以起重作业及运输功能为主，而国外轮式起重机 均有多种附具，主要加装在吊臂头部，如工作斗、抓斗、高空作业平台、各种抓具、夹 具、吊篮、螺旋钻、板叉、装轮胎机械手、拔桩器等，使轮式起重机具备了一机多用的 功能。另外，国外一些厂家进一步开发了铁路专用汽车起重机等专用产品。 ( 5 ) 产品造型单调我国轮式起重机产品忽视了和汽车外形的协调，而国外对轮 式起重机的着色非常严格，不仅在外形和着色上实现和卡车的一体化，还要求和城市的 景观相协调【z j 。 1 1 3 轮式起重机的发展动向 ( 1 ) 大型化、高效率化、无保养化、节能化、智能化、集成化和信息化将机械 技术和电子技术相结合，将先进的微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术和 模糊控制技术等应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化、高效率化和智能化，以适 应多批次少批量的柔性生产模式。 ( 2 ) 成套化、综合化和规模化将各种起重机械的单机组合为成套系统，加强生 产设备与物料搬运机械的有机结合，提高自动化程度，改善人机系统，通过计算机模拟 和仿真寻求参数与机种的最佳匹配与组合，发挥最佳效用。 ( 3 ) 模块化、组合化、系列化和通用化为了降低制造成本、提高通用化程度， 可采用模块组合的方式，用较少规格的零部件和各种模块组成多品种、多规格和多用途 的系列产品，充分满足各类用户的需要；也可使单件小批量生产的方式改换成具有相当 批量和规模的模块生产，实现高效率的专业化生产。 ( 4 ) 新理论、新方法、新技术和新手段进一步应用计算机技术，不断提高产品 的设计水平与精度；开展对轮式起重机载荷变化规律、动态特性和疲劳特性等的研究， 全面采用极限状态设计法、概率设计法、优化设计和可靠性设计等，利用c a d 提高设 计效率与质量：与计算机辅助制造系统衔接，实现产品设计与制造一体化。 ( 5 ) 小型化、轻型化、简易化和多样化采用新结构、新部件、新材料和新工艺 提高产品性能，如结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝；采用各种高 强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重并增加外形美观；在机 构方面开发新型传动零部件，简化机构，以焊代铸，采用机电液一体化技术，提高使用 性能和可靠性；在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统吲。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 机械c a d 系统及其发展 1 2 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 单一产品、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。随着计算机技术的迅速发展，已有各种性能良好的 计算机硬件及外围设备陆续问世。计算机技术也有很大的提高，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 技术的应用和发展。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。例如德国德马克 公司针对系列桥式起重机制作了集计算机辅助设计和报价于一身的c a d 系统。在进行 技术参数设计的同时，还可以对成本、制造工时、运输以及按章费用等，进行详细报价。 我国也已开发多种起重机c a d 系统，各大中型企业也都相继采用c a d 方法进行起重机 设计计算与绘图。今后c a d 技术的应用在广度和深度方面都将会有更大的发展。 1 2 2c a d 系统设计原理 对c a d 而言，按系统运行时设计人员介入的程度，以及系统的工作方式，可以将 c a d 系统分为以下几种类型： ( 1 ) 检索型人们将已定型的产品资料( 图样、技术文件等) 存入计算机，并计算 检索程序，系统工作时，根据用户输入的设计初始参数，选择标准样及有关数据，并能 调用系统中的标准程序及图形库，计算相应的参数及绘制图形。这种系统适用于产品定 性之后标准化、系列化的设计，因而通用性差，由于设计过程中不提供人工干预功能， 所以不适用新产品的开发设计。 ( 2 ) 自动型自动型是设计者预先将待解决的问题，建立数学模型找到目标函数， 将其求解过程编程输入计算机。系统运行时，根据输入的参数自动进行数学模型的求解， 不需要人的介入。自动型系统只适用事先能够用数学模型描述的一类设计问题。 ( 3 ) 交互型交互型系统是利用输入、输出设备，通过人机对话的方式进行的，其 工作原理是设计过程中，通过人的知识经验不断的和计算机反复交互的进行。因为产品 的设计是一个设计、分析、计算、修改，不断反复的过程，计算机不能代替人的全部思 维活动，因此，交互系统是将人的创造性与计算机特性充分结合的系统，是现代c a d 应用系统的主要类型，适合新产品的设计、开发工作1 4 】 ( 4 ) 智能型智能型系统是在c a d c a m 系统中引入人工智能技术，首先搜集领域 内的专家知识和经验，建立知识库；其次是设置推理机构，在求解问题时，模仿人类专 家进行思维与决策，智能型系统运行时，当输入参数及设计要求时，检索知识库，搜索 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 与待解决的问题相匹配的原则，通过推理机的推理、判断，给出智能性的提示，建立解 决闯题的途径和推荐解决方案，或模拟人的智慧，根据出现的问题提出合理的解决方案。 这类系统在研制、使用中己显示出巨大的潜力，但仍面临知识类型复杂、判断模糊或不 确定、知识获取范围偏窄、开发难度大等问题嘲。 1 2 3c a d 技术的兴起和发展 本世纪4 0 年代中期，计算机的问世和发展，推动了许多学科的发展和新学科的建 立，c a d 技术就是在这种环境下兴起的。绘图机、光笔等硬件设备的问世和发展及对 图形数据处理方法的深入研究，促使c a d 技术开始形成。 从6 0 年代中期开始，美国的一些大公司及航空航天部门就十分重视这一高新技术， 并投入相当资金对c a d 进行研究和开发。随着计算机硬件的性价比不断提高，以小型 和超小型计算机为主的c a d 系统进人市场并形成主流。但其主要功能仍为二维绘图。 从这个基础上，人们也开始对三维几何造型进行研究。到9 0 年代初期，以3 2 位工作站 为基础的c a d 系统以其系统响应速度快，价格便宜、硬件投资相对较低、维护方便， 很快便进入中、小型企业推广使用，其主要功能已发展到二维绘图、三维造型设计及基 本分析计算。 进入9 0 年代中期后，随着微型计算机技术的飞速发展以及w i n d o w s 操作平台的出 现，相应的操作系统应运而生并成为发展的主流。该系统的特点是价格便宜、操作简单、 维护方便，适合于中、小型企业、高校和个人使用。随着c p u 速度及内存、硬盘容量 的增加，其功能已非常全面，可以集成全部的绘图和编辑，三维造型、分析计算及后处 理等功能。这个时期比较流行的软件系统有：a u t o c a d 、p r o e n g i n e e r i n g 、a n s y $ 、a d a m s 等婀。 我国c a d 技术起步于6 0 年代，1 9 8 5 年以后进行了大规模的c a d c a m 技术的开发和 研究。在国家统一规划下，以汽车、拖拉机、减速器、内燃机、电动机、变压器、汽轮 机、轴承、发电设备、组合机床、数控机床等2 0 多种机械产品为开发对象，开发上述 产品的c a d 应用系统及c a d 支撑系统。在微机c a d 方面，也推出了许多软件，其中包括 机械零部件设计、传动系统设计、有限元分析、优化设计方法、数控加工、系统开发工 具、结构形状优化、运动学动力学分析、三维实体造型、数据库等模块。进入9 0 年代， 我国的c a d 技术出现了快速发展势头，我国许多高等院校、科研单位及一些大企业都为 c a d 系统的研究和开发做出了不懈的努力，推出了许多成功的用于绘图、分析计算及图 纸档案管理的c a d 软件，例如，华中理工大学的i n t e c a d 软件、大恒c a d 软件、博士 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 c a d 软件、专用于二维绘图的c a x a 电子图板及其他一些专门进行有限元分析和机构运 动分析的软件。 1 2 4c a d 的发展趋势 ( 1 ) c a d 系统的集成化 c a d 系统的集成化f 日以c a d 为基础，把c a d ( 计算机辅助工程) 、c a p p ( 计算机辅助 工艺规划) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、c a q ( 计算机辅助质量控制) 、r p ( 快速成型) 以及m i s ( 管理信息系统) 、p d m ( 产品数据管理) 、m r p ( 制造资源管理) 等系统集成 于一个大系统下。目前流行的并行工程，敏捷制造等先进技术，更是把c a d 作为源头。 c a d 系统集成化是当前c a d 技术发展的主要趋势之一，目标是提高产品设计和制造的自 动化程度。 ( 2 ) c a d 系统的智能化 特征造型和参数设计的采用即是智能化方面的进步。软件不仅仅是提供一些绘制的 工具由人们去使用，也不再将点线面数据存储在一起，而忽略其内在联系。特征和参数 的引入使得软件似乎成为人类( 用户) 一个更聪明的助手。c a d 软件应该成为真正的“傻 瓜型”软件。应该更大限度地将工程数据概念集成到数据模型中，例如目前，c a d 软件 的特征模型主要是解决零件几何造型的问题，而对于后续分析、c a p p 和加工的需要还考 虑得不够。智能化的结果也使得计算机更有人情味。另外，可视化、标准化和网络化也 是c a d 系统的发展方向婀。 1 2 5 与国外c a d 设计系统的对比 尽管我国在c a d 技术的研究、开发和推广应用等方面取得了很大的成绩，但与工 业发达国家相比，在应用或开发的广度和深度还存在着很大的差距。主要表现在： ( 1 ) 我国自主版权的软件，其商品化程度低，可靠性差，功能单一，集成化程度低， 难以进入市场； ( 2 ) 国内c a d 技术的推广应用还很不普遍。据统计在制造业领域，真正用c a d 技术进行产品设计的，其覆盖率还不足1 0 ； ( 3 ) 虽然引进了许多c a d 软件，但其功能都没有充分利用，而且c a d 软件的引 进和应用在行业之间、地区之问的发展也很不平衡。因此，应进一步开展c a d 技术的 研究、开发和在企业中推广使用。 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 1 3 课题任务 1 3 1 课题背景 伸缩臂是起重机的关键结构件，一般约占总机重量的2 0 ，臂架的设计合理与否， 直接影响着起重机的承载能力和整机稳定性，因此，臂架的外观以及截面的选择都要慎 重考虑。减轻伸缩臂重量、提高伸缩臂的强度、刚度和稳定性是改善伸缩臂性能的主要 途径。其设计计算方法通常是将伸缩臂结构视为梁模型进行强度及刚度等方面的分析。 截面参数的设计计算严格依据起重机设计规范及相关设计参考书，过程复杂。 传统的设计方法大多由手工计算完成，其特点有：重复计算工作量大、效率低、设 计周期长，致使一些具体细节考虑不周。随着计算机应用技术的发展，这些设计过程被 计算机所代替，设计效率与设计结果可靠性有了提高。 但是这些软件是在d o s 环境下编写的，操作性较差，几乎无可视效果和交互功能， 并且各个子程序之间是相互独立的，它们之间数据通讯和数据输入处理的很不方便。随 着计算机可视化和交互技术的发展，尤其是w i n d o w s 的出现使得软件操作更加方便、 界面更加友好。为了适应现代起重机产品设计发展的需要，需要在原有方法的基础上设 计出交互性好可视化强的设计软件。 1 3 2 课题任务 基于上述原因，本课题旨在完成一个具有较高可视化效果和交互性能的起重机伸缩 臂c a d 程序。该程序包可以使设计人员在设计过程中反复修改参数，截面图形动态变 化，计算结果图形显示，该程序主要包括以下功能： ( 1 ) 伸缩臂强度、刚度、局部稳定性及整体稳定性计算，并显示截面复合应力云 图； ( 2 ) 由强度决定的起重量计算； ( 3 ) 特性曲线计算，输出特性曲线图。 该软件将比d o s 下编写的程序更具适用性、可操作性，将大大提高伸缩臂的设计 效率和质量。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 起重机伸缩臂设计软件开发概述 2 1 软件设计概述 随着市场竞争的日益激烈，如何提高产品设计质量和效率，适应快速多变的市场需 求已成为企业十分关注的问题。计算机辅助设计( c a d ) 也已成为设计中必不可少的工具。 以往在起重机设计领域已有一些c a d 系统投入使用，这部分c a d 系统大多是在d o s 平 台下以f o r t r a n 和c 为主要工作语言开发的，在如今w i n d o w s 操作系统占据绝大多 数的情况下，这些d o s 平台下的c a d 系统就暴露出界面单调、运算过程黑箱操作、屏幕 显示信息量少、操作繁琐、局部修改困难等局限性，已不能适应现代企业设计人员的要 求。 9 0 年代出现的v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等面向对象的可视化高级开发语言，使 过去那些d o s 平台下面向过程的程序开发思想有了根本的改变。应用这些语言进行起重 机c a d 开发可以实现友好的图形化操作界面，便捷的菜单系统，实现设计操作与运算过 程的全可视化。可以根据起重机生产和设计特点开发出完整的总体系统设计和模块化的 零部件设计c a d 系统。在这个设计系统内，各模块既可以相对独立又可互相传递数据， 使用户可以根据产品的设计方案与自己的设计思路进行系统与零部件设计，并在界面上 以图形的方式显示尺寸秘强度、刚度等设计计算结果，特别是对设计送行局部修改时， 此系统更具有优势，用户可以实时地从界面上观察到某个参数改变后对其它参数的影响 情况及对总体尺寸、强度、刚度的影响程度【9 】。 2 1 1 开发工具及其简介 开发工具采用v i s u a lc + + 6 0 可视化编程工具，v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司开发 的可视化集成编程软件。采用v c + + 编制设计软件的优点： ( 1 ) 程序可具有灵活的动态交互功能 所谓交互式设计，是指设计者可通过鼠标、键盘选择命令和输入参数，通过点击相 应得功能按钮，实现人机对话，每一次人机对话都可以实现操作对象及其技术参数的图 形显示，设计者可以从计算机屏幕上观察到输入数据和输出结果的图形对象的变化情 况，直到比较满意为止。这样，使设计人员感到非鬻方便，明显地提高了设计效率。 ( 2 ) 友好的用户界面 可视化编程技术就是在程序编制完成之前，就可以看到结果。并可随意地改变，可 视化编程技术很适合编制用户界面。可视化编程一般基于事件驱动原理。用户界面中的 菜单、对话框中各种类型的可视控制部件，如按钮、列表框等。每个可控部件对应多个 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 事件和事件驱动程序。发生于可控部件上的事件触发对应的事件驱动程序。操作命令的 选取均用鼠标点击下拉式菜单或工具栏中的按钮进行，人机对话在弹出式对话框中进 行，所有屏幕显示均采用汉字显示。 2 1 2 面向对象程序设计( 0 b j o c t - 0 r i e n tp r o g r a m m i n g 即0 0 p ) 面向对象程序设计( o o p ) 方法是一种在分析和设计阶段独立于程序设计语言的概念 化过程。传统的结构化程序设计【l o 】( s p ) 思想将程序的数据和对数据的操作分离开来， 这往往造成数据和操作程序之间的错误调用概率的增大，同时程序代码的通用性差，可 移植性和扩展性也不好。而0 0 p 技术采用数据抽象和封装技术将数据及对数据的操作作 为一个整体来处理，力求做到人们认识客观事务的过程同程序实现一致。 0 0 p 技术中三个重要的基本概念就是：对象( o b j e c t ) 、类( c l a s s ) 和消息( m e s s a g e ) 。 ( 1 ) 对象是自身所具有的状态特征及可以对这些特征施加的操作结合在一起所构成 的对立实体。对象是0 0 p 技术的核心，它由私有数据和操作这些数据的代码组成。图2 1 指出了s p 和0 0 p 中数据和代码的关系：在对象里的数据只能由对象的代码来访问，数 据是对象所私有，它不能被其它对象所修改。 图2 1s p 和0 0 p 中数据和代码的关系 f i g 2 1r e l a t i o no f d a t aa n dc o d ei ns pa n do o p ( 2 ) 类是一组对象的抽象，即类是一个抽象数据类型的实现，它将该种对象所具的 共同特征。根据对象的相似性，可以把对象划分成类和子类。即相似对象的集合称为类。 0 0 p 技术就是建立在对象和类的基础之上的。对象除了拥有自身的特征和行为外，还需 要同其它对象发生联系。而消息就起到传递这个联系的作用。 ( 3 ) 消息是对象之间相互请求或相互协作的途径，是要求某个对象执行其中某个功 能操作的规格的说明。 0 0 p 技术有封装性、多态性和继承性三个基本特征，封装是将一个数据和与这个数 据操作有关的集合放在一起形成一个能动的实体对象。对象的所有数据、内部程序细节 大连理工大学硕士学位论文 被固定在清楚的边界内，其他对象不能对其进行修改。继承性是面向对象系统中一个重 要的概念，表达了一种对象之间的相交关系。它使得某类对象可以继承拥有另一类对象 的能力和特征。通过继承一方面减少了程序代码的冗余，另一方面协调了各对象之间的 关系，减少了对象之间的接口和界面。多态性是指同一个对象可以对不同的发送消息采 取不同的行为方式来响应，这是面向对象系统的另一个重要特征，它大大减少了子程序 和子函数的个数，方便了子程序的管理【1 1 1 。 2 2 软件模块结构及可视化效果介绍 由本课题的背景和任务可知，本软件旨在设计出操作更加方便、程序的交互性能更 高的起重机伸缩臂可视化设计软件。软件的模块、功能及框图如下： 本软件分输入、计算、输出模块。各模块介绍如下： 输入模块：外部参数、臂长参数、及截面参数的输入模块； 计算模块：正向计算、反向计算、q r 特性计算； 输出模块：输入的所有参数、计算得到的所有结果；截面应力云图、特性曲线； ( 其中各模块中界面的具体设计见第五章) 根据程序实现功能将计算过程划为三类： 伸缩臂强度、刚度、局部稳定性及整体稳定性计算( 正向计算) 由强度决定的起重量计算。( 反向计算) 强度特性曲线计算。 图2 2 程序模块结构图 f i g 2 2s k e t c ho f p r o g r a mm o d u l e s 其中外部参数改变，程序主界面起重机节臂数、伸缩形式、伸缩臂仰角随数据改变 动态变化；输入截面参数时，截面图形随数据改变动态变化；计算模块中，截面应力以 云图显示，即截面颜色随应力由大至小按红、绿、蓝连续变化，之后可输出任意截面的 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 应力云图到存储设备上：特性计算为菜单按钮控制，后台执行，结果直接以曲线形式显 示出来，然后可以输出到存储设备上。输出模块输出所有输入及计算结果数据，以文本 文档方式显示，输出后可随时查看。 大连理工大学硕士学位论文 3 起重机伸缩臂设计的一般问题 3 1 计算工况 起重机臂架的支撑情况：根部与回转平台由水平销轴联接，可以在垂直平面( 变幅 平面) 内自由转动。变幅液压缸位于伸缩臂中线平面内，支撑处可做成双向球铰，使其 在横向对臂架无约束，因此臂架在变幅平面内可视为一外伸梁，而在臂架横向平面内( 即 回转平面) 可视为悬臂梁，在根部固接。 起重机在工作过程中，要承受各种载荷( 如静载、动载、交变载、冲击载、振动载 荷等) ，起重机所承受载荷的复杂性不仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着起重机 作业的工作状态的不厨恧表现出多交鲍特诬。载荷是起重机及其组成零部件正常工作受 力分析的原始依据，也是零部件报废和事故原因判断分析的依据，载荷确定得准确与否 将直接影响计算结果的安全性和事故结论的正确性。 ( 1 ) 静载荷 起重机处于静止状态或稳定运行状态时，起重机只受到自重载荷r o 和起升载荷r q 的静载荷作用。 ( 2 ) 动载荷 起重祝在运动状态改变产生动载效应。但其工作获况不两，所产生的动载荷与附加 载荷的大小不同，对起重机设计的影响程度也不同。 起升( 变幅) 与回转机构同时工作 在起升过程中，当起升载荷突然离地或下降制动时，臂架载荷将产生沿其加速度反 方向的冲击作用，承裁讥构与传动机构将受到附加动载荷作用，其大小由起升冲击系数 和动载系数决定。在回转过程中，起升载荷由于回转机构制动将产生惯性载荷，回转运 动将产生离心载荷，加上风载荷，这就形成起吊重物的水平载荷，同时臂架自身将产生 离心载荷，但在计算对有对忽略。 o 起升与变幅机构同时工作 在起升过程中，臂架自重载荷将乘以起升冲击系数，起升载荷将乘以动载系数；在 变幅过程中臂架在变幅机构制动时将产生变幅惯性载荷，但由于它比较小，有时忽略。 由此可见，第一种工况即起升与回转机构同时工作时，起重机所受到的附加载荷较多、 较大，因此是起重机最危险的工况。如果在这种工况下，起重机能安全工作，那么在其 他两种工况下也能安全工作。 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 3 2 载荷分类及载荷组合 起重机所承受的载荷分为三类，即基本载荷、附加载荷和特殊载荷。 ( 1 ) 基本载荷 基本载荷包括自重载荷、起升载荷、惯性水平载荷，以及考虑动载系数与相应静载 荷相乘的动载效应。 ( 2 ) 附加载荷 附加载荷包括起重机工作状态下作用在机构上最大风载荷、偏斜运行侧向力，以及 特殊情况下考虑的温度载荷、冰雪载荷等。 ( 3 ) 特殊载荷 特殊载荷是指起重机非工作状态下结构可能受到的最大载荷和工作状态下结构偶 然受到的不利载荷。如：试验载荷、安装载荷和地震载荷等。 起重机实际载荷具有很大的多变性和复杂性。不仅在不同的循环中载荷是不同的， 即使在同循环过程中，虽然起升载荷不交，也有有载行程与无载行程的差别，由于每 一循环要经历多次启动、制动，动载荷会重复出现。由于自重和起升载荷作用位置的移 动、挡风面积的变化等也会导致构件受载的改变。而且许多载荷单独来看是确定的，但 它们的组合一般总是随机的。除此以外，还有一些载荷，如风载荷、冲击载荷，都有明 显的随机性。因此起重机受载过程一般是一个随机过程。且前对起重机的随机载荷虽已 进行了研究并取得了一些成果，但总的来说研究还是很不充分，还没有得到足够的数据 供工程设计应用。因此现阶段起重机的设计计算仍主要采用定性的方法。不过某些概率 统计的概念可以引进，如载荷组合、疲劳计算时采用的载荷谱概念等。 起重机设计规范规定了动载荷的简化计算方法，原因有两方面，一方面是由于 上述原因，另一方面由于一些理论引导的公式过于繁琐不易计算。简化的计算方法力学 模型简单，问题的解可写成闭合的公式；物理概念清楚，对起重机的许多动载荷问题用 简化方法也能满足工程设计所需要的精度，尤其对起重机的初步设计，简化方法更有优 越性。迄今为止，许多国家的起重机设计规范及国际标准化协会( i s o ) 的标准，都是 应用动载荷系数的方法进行载荷计算。 在设计起重机时要针对不同的计算类型，将载荷作适当的组合起重机设计规范 中提出，主要考虑三种载荷组合。 i 类载荷( 正常工作载荷的组合) i i 类载荷( 工作最大载荷的组合) 类载荷( 非工作最大载荷的组合) 大连理工大学硕士学位论文 其中i i 类载荷是有关零构件静强度、构件局部稳定性以及起重机抗倾覆稳定性的计 算载荷。设计中所要考虑的应是起重机在工作时可能发生的最不利的载荷组合，如最大 起升载荷、最大工作风载荷、最大物品摆动载荷。在起重机的总体设计中，由于要计算 的大多是零件的静强度所需的载荷，故主要采用i i 类载荷计算1 2 1 。 3 3 主要参数的确定 轮式起重机的主要性能参数包括：额定起重量、工作幅度、工作速度、起升高度、 自重、通过性能等参数，这些参数表明起重机的工作性能和技术经济指标，同时也是设 计的依据。本文涉及的参数有额定起重量、工作幅度、起升高度、自重等。 ( 1 ) 额定起重量q 轮式起重机的额定起重量是在各种工况下安全作业所容许的起吊重物的最大重量。 该起重量一般是在最小工作幅度、最小臂长时实现的。起重量是起重机的主要性能参数， 考虑到起重机品种的发展实现标准化、系列化和通用化，对起重机的起重量国家制定了 系列标准。因此，起重量的选择，既要考虑到用户的需要，又要遵循标准的规定。 图3 1 起重机工作幅度、起升高度示意图 f i g 3 1s k e t c h c h a r to f c r er a d i u sa n dl i l th e i g h t ( 2 ) 工作幅度r 工作幅度是指起重机回转中心至取物装置铅垂线( 吊钩中心轴线) 的距离，它决定 了起重机的工作范围。 起重机 申缩臂可视化设计软件研究 ( 3 ) 起升高度h 起升高度是指自地面到吊钩口中的距离。起升高度与起重量成正比，与幅度成反比。 最大额定起升高度的确定，是根据起重机作业要求( 如结构物的高度等) 和起重机总体 设计的合理性综合考虑。 ( 4 ) 自重g 自重是指工作状态时起重机本身全部自重，而不一定等于行驶时的重量。它是评价 起重机的一个综合性指标。它反映了起重枫设计、制造和材料的技术水平。随着技术的 进步和材料性能的提高，起重机自重可以相应的减少。 根据用户和厂家的要求，设计人员根据起重机设计规范和有关国家标准的规定， 确定轮式起重机的主要参数，通过人机交互的方式输入到计算机中，成为计算的主要依 据。并完成对伸缩臂的设计任务。 大连理工大学硕士学位论文 4 起重机伸缩臂设计 伸缩臂截面设计涉及：a ) 吊臂截面形式的选择，根据已知的几何参数和主要参数 信息，按规范规定的载荷组合，考虑有风载荷和无风载荷两种载荷组合，进行伸缩臂的 强度、刚度、局部稳定性和整体稳定性计算；b ) 在已知截面参数、臂长参数和所有其 他参数的情况下，由强度反求起重量，并由此制作伸缩臂强度决定的起重特性曲线。 4 1 伸缩臂结构型式 伸缩臂架主要由基本臂、伸缩臂和副臂三部分组成。伸缩臂内装有伸缩油缸，根部 与转台铰接，伸缩臂架的基本臂装有变幅油缸，在伸缩臂的每个外节段内装有支承内节 段的滑块支座。当伸缩系统工作时，各节伸缩臂在导向元件( 滑块) 上滑动，臂架长度 随之变化，致使臂架达到最大最小长度。臂架仰角是由变幅油缸伸缩来实现的，变幅油 缸下铰点在转台上，上铰点在基本臂上【1 3 1 。 卜伸缩油缸2 一变幅油缸3 一支承滑块 图4 1 伸缩臂结构简图 f i g 4 1s k e t c ho f t e l e s c o p i cb o o ms t r u c t u r e 4 2 伸缩臂截面选择 伸缩臂是一个主要承受轴向压力、弯矩及扭矩作用的构件，经过多年的发展，伸缩 臂截面形式主要有如图4 2 所示几种典型的截面型式从左至右的发展过程。 起重机伸缩臂设计通常采用符合强度条件的低合金结构钢q 3 4 5 b 等，随着材料的 更新换代，不断有新的屈服极限更高的材料用于伸缩臂架的设计，如国内的h g 6 0 、 h g 7 0 、h g 8 0 型材料用于六边形截面和八边形截面的设计，而国外已经采用屈服极限超 过1 0 0 0 m p a 的材料用于半椭圆形截面伸缩臂的设计。当这些高强度材料用于伸缩臂架 的设计时，设计者就可以减小臂架各板的厚度，这就导致臂架各板局部稳定性不够，安 全系数不能满足预定设计要求。因此设计者就必须不断改进伸缩臂的截面形式，在满足 起重机伸缩臂可视化设计软件研究 臂架强度、刚度、稳定性要求的前提下，使得臂架自重最小。图4 3 为利勃海尔公司某 吨位半椭圆形截面形式的伸缩臂架。 口00 图4 2 伸缩