起重機(jī)參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用研究綜述*

劉金 黃國健 王新華 陳敏 彭啟鳳

（廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院研發(fā)中心）

0 引言

起重機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是與人民群眾生活關(guān)系極其密切的設(shè)施[1]。確保起重機(jī)的安全，對于保障人民群眾的生命、財產(chǎn)安全具有重要意義。隨著社會的進(jìn)步，對起重機(jī)的安全也提出了更高要求。為確保起重機(jī)的安全，從設(shè)計階段就應(yīng)充分考慮安全因素，使用過程中再進(jìn)行安全評估和維護(hù)。

參數(shù)化技術(shù)就是將一系列數(shù)值參數(shù)用變量代替，用程序表達(dá)幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，調(diào)用繪圖語句來描述圖形的拓?fù)潢P(guān)系，因此只需修改參數(shù)變量值，就能快速完成新的模型或計算。參數(shù)化技術(shù)廣泛運用于各行各業(yè)，如起重機(jī)、建筑、車輛、服裝等[2]。應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)能縮短起重機(jī)研發(fā)周期，有利于進(jìn)行起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，也能在起重機(jī)安全評估中發(fā)揮重要作用，使起重機(jī)不斷朝著安全節(jié)能的方向發(fā)展。

1 參數(shù)化基礎(chǔ)研究

自從參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)領(lǐng)域，便不斷地推動起重機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。國內(nèi)外研究人員都對參數(shù)化技術(shù)在起重機(jī)領(lǐng)域的運用展開了廣泛深入地研究。

國外軟件廠商針對參數(shù)化技術(shù)做了大量基礎(chǔ)研究，取得了較顯著的成果。國外學(xué)者開發(fā)了很多具有參數(shù)化模塊的通用軟件[3-4]，如早在1985年，PTC公司就開發(fā)出了Pro-ENGINEER V1.0；此外，類似的軟件還有SolidWorks、Unigraphics等。另外有限元軟件也為參數(shù)化提供接口，一些主流的有限元分析軟件提供了對其二次開發(fā)的語言，例如：ABAQUS可采用Python腳本語言，ANSYS提供了對其二次開發(fā)的APDL語言。參數(shù)化語言作為一種高效的參數(shù)化建模手段，可以更加有效地進(jìn)行分析和計算，使二次開發(fā)變得相對容易。

國內(nèi)外學(xué)者在參數(shù)化應(yīng)用方面做了大量的基礎(chǔ)研究工作。例如在彈性形體的形狀優(yōu)化方面，Edwin等提出了一種基于參數(shù)化的設(shè)計方法，該方法在設(shè)計模型的問題定義上采用了基于幾何模型的定義方式，同前人相比，該方法的最大特點是將商用軟件 CAD（PRO/E）和有限元分析軟件（ANSYS）進(jìn)行連接，將它們直接引入到形狀優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，借助這些軟件中提供的參數(shù)化幾何建模、網(wǎng)格劃分、有限元分析等功能，為優(yōu)化過程服務(wù)[5]；Mun Duhwan等對參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行了研究，其目的是為了實現(xiàn)設(shè)計自動化，提高工作效率[6]；Bhatt則在其著作中對結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的參數(shù)化進(jìn)行了深入研究[7]；Rafael Sacks對預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維參數(shù)化建模的研究，該方法可廣泛運用在混凝土結(jié)構(gòu)中[8]；吉林大學(xué)的李文輝教授團(tuán)隊圍繞參數(shù)化設(shè)計中涉及到的幾何約束求解、多解問題處理、自動特征識別、數(shù)字水印等問題均展開了較深入地研究[2]。

2 參數(shù)化技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用

隨著參數(shù)化建模技術(shù)的日漸成熟，其在起重機(jī)上的應(yīng)用也開始增多。研究的熱點主要圍繞起重機(jī)的參數(shù)化建模、參數(shù)化仿真與參數(shù)化設(shè)計3個方面。

2.1 參數(shù)化建模

起重機(jī)參數(shù)化建模是用參數(shù)而不是數(shù)字建立和分析的模型，因此通過簡單改變模型中的參數(shù)值就能建立和分析新的模型。參數(shù)化建模是起重機(jī)參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用深入研究的基礎(chǔ)[9-10]。

2.2 參數(shù)化仿真

在起重機(jī)參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，將模型導(dǎo)入有限元分析軟件，載荷和邊界條件均能實現(xiàn)參數(shù)化，通過指定分析類型，便可進(jìn)行參數(shù)化仿真。參數(shù)化仿真在起重機(jī)領(lǐng)域運用廣泛，主要可運用在參數(shù)化設(shè)計、參數(shù)化計算平臺、起重機(jī)事故反演、起重機(jī)安全評估等領(lǐng)域。參數(shù)化仿真在參數(shù)化設(shè)計中主要起計算作用，參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)仿真結(jié)果做出判斷，以不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

武漢理工大學(xué)的王貢獻(xiàn)教授團(tuán)隊提出一種基于接觸理論的起重機(jī)軸系強(qiáng)度計算方法，該方法綜合采用結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計和有限元接觸計算法，開發(fā)了一套針對起重機(jī)軸系強(qiáng)、剛度和接觸應(yīng)力的參數(shù)化計算平臺[11]；武漢理工大學(xué)的劉志平教授團(tuán)隊利用參數(shù)化仿真技術(shù)建立了一個專用的門座起重機(jī)富余承載能力分析平臺，運用此平臺，用戶只需輸入相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)就能通過參數(shù)化仿真對門座起重機(jī)的富余承載能力進(jìn)行分析[12]。

參數(shù)化仿真在起重機(jī)事故反演研究中也占有重要地位，其突出優(yōu)點是能進(jìn)行雙向反演：1) 通過修改參數(shù)，能預(yù)測出將要發(fā)生的事故；2) 通過設(shè)定發(fā)生的事故作為邊界條件，能推測出發(fā)生該事故時的相應(yīng)參數(shù)變化[13-14]。

對起重機(jī)進(jìn)行安全評估，尤其是針對大型起重機(jī)械，通常進(jìn)行仿真分析，但常規(guī)的仿真分析需耗費大量時間，延長了出具安全評估報告的時間。廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院針對該問題，提出在起重機(jī)安全評估中引入?yún)?shù)化仿真技術(shù)，這樣可以大大縮短出具安全評估報告的時間。以橋式抓斗卸船機(jī)安全評估為例，采用參數(shù)化仿真技術(shù)將使安全評估報告的出具時間由原來的15個工作日縮短為4個工作日，可大大節(jié)約時間成本，提升評估機(jī)構(gòu)的市場競爭力[15]。

2.3 參數(shù)化設(shè)計

起重機(jī)設(shè)計是生產(chǎn)起重機(jī)的基礎(chǔ)，只有好的設(shè)計，才能制造出安全節(jié)能高效的起重機(jī)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，用戶不僅對起重機(jī)本身的性能要求越來越高，而且要求盡可能縮減設(shè)計周期[16]。

參數(shù)化設(shè)計適用于設(shè)計過程較為穩(wěn)定或結(jié)構(gòu)形式基本確定的產(chǎn)品，例如同類型起重機(jī)的設(shè)計。在設(shè)計起重機(jī)時，設(shè)計參數(shù)繁多，計算公式復(fù)雜，采用常規(guī)人工設(shè)計不僅效率低下而且容易出錯，利用參數(shù)化設(shè)計則不僅快速準(zhǔn)確且方便對多個方案進(jìn)行對比以得到最優(yōu)設(shè)計結(jié)果[17]。參數(shù)化設(shè)計具有無可比擬的優(yōu)勢，起重機(jī)行業(yè)對此展開了廣泛的研究。

武漢理工大學(xué)的李勇智教授團(tuán)隊對一種新型的臂橋架起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行了深入研究，通過分析各工況臂橋架結(jié)構(gòu)各部分的受力，建立了臂橋架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。在此基礎(chǔ)上，對臂橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析等，最后開發(fā)出了一套方便、實用的臂橋架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)[18]。

大連理工大學(xué)的苗明教授團(tuán)隊對流動式起重機(jī)伸縮臂的參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行了深入研究，伸縮臂不同于普通臂架，其臂架組合方式不同就會產(chǎn)生各種不同的工況，傳統(tǒng)意義上每一種工況均需要重新建立模型，而該團(tuán)隊對建模及受力過程均實現(xiàn)了參數(shù)化，大大減少了工作量，最后在此參數(shù)化模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析、模態(tài)分析等，并開發(fā)了一套參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)[19]。

武漢理工大學(xué)的徐長生教授團(tuán)隊為改善橋式起重機(jī)相對落后的設(shè)計方法，引入模塊化思想，將橋架進(jìn)行模塊劃分，基本模塊包括主梁、端梁、附屬鋼結(jié)構(gòu)等，采用完全模塊化的參數(shù)化設(shè)計，經(jīng)實際應(yīng)用驗證，該方法大幅度地提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量[20]。

中北大學(xué)的王宗彥教授團(tuán)隊等則將參數(shù)化設(shè)計與并行工程思想、協(xié)同化設(shè)計、云計算理念等有機(jī)結(jié)合起來，進(jìn)一步提高了參數(shù)化設(shè)計的效率，增強(qiáng)了參數(shù)化設(shè)計的生命力[21-24]。文獻(xiàn)[21]結(jié)合知識重用與并行工程的思想，以多用戶端、單工作站、單服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，利用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)、模塊化技術(shù)、CAE分析技術(shù)，研究了面向并行工程的橋式起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了橋式起重機(jī)參數(shù)化快速并行設(shè)計。圖1為以產(chǎn)品為核心的并行參數(shù)化設(shè)計模式圖。文獻(xiàn)[22]針對傳統(tǒng)設(shè)計中信息共享程度低、設(shè)計目標(biāo)與結(jié)果不一致、重復(fù)勞動多的問題，在分析串行設(shè)計中存在諸多弊端的基礎(chǔ)上，提出一種面向并行工程的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計方法。文獻(xiàn)[23-24]針對起重機(jī)行業(yè)設(shè)計領(lǐng)域設(shè)計成果重用度低、設(shè)計方法難共享、設(shè)計人員交差工作時間長等問題，運用當(dāng)前熱門的云計算技術(shù)，提出了云設(shè)計的概念，分析了云構(gòu)架下在線協(xié)同設(shè)計中信息交互沖突和資源共享的問題，結(jié)合起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計技術(shù)和云平臺并行工作原理，開發(fā)了基于云計算的起重機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。

圖1 以產(chǎn)品為核心的并行參數(shù)化設(shè)計模式圖

武漢理工大學(xué)的李和平教授團(tuán)隊對卸船機(jī)前大梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行了深入研究，運用Pro/E軟件建立了卸船機(jī)前大梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了力學(xué)分析，并運用MATLAB軟件和遺傳算法的相關(guān)知識，提出了一種卸船機(jī)前大梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法[25]。該方法較創(chuàng)新地將參數(shù)化設(shè)計與遺傳算法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建一種優(yōu)化設(shè)計方法。

三一重工的黃進(jìn)前等以專家系統(tǒng)和模型庫為支撐點，針對目前CAD技術(shù)在起重機(jī)設(shè)計、計算過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，開發(fā)了基于事物特性表的岸邊集裝箱起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)用戶輸入的需求，通過知識庫、模型庫系統(tǒng)來實現(xiàn)岸橋知識和設(shè)計經(jīng)驗的重復(fù)使用，產(chǎn)生岸橋的總體配置方案，并由配置方案提供驅(qū)動參數(shù)驅(qū)動，實現(xiàn)對岸橋機(jī)構(gòu)件進(jìn)行計算選型[26]。

參數(shù)化設(shè)計不僅可運用在起重機(jī)主體金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，還能運用在起重機(jī)零部件的設(shè)計上。太原科技大學(xué)的張亮有教授團(tuán)隊利用Pro/E中的二次開發(fā)工具，對卷筒的參數(shù)化設(shè)計展開了研究，可大大提高卷筒設(shè)計的效率[27]；中北大學(xué)的王宗彥教授團(tuán)隊通過分析橋式起重機(jī)小車架的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合模塊化思想，提出了小車架的參數(shù)化設(shè)計方法，該方法也可顯著提高小車架設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期[28]。

3 小結(jié)與展望

隨著社會的進(jìn)步，人們對起重機(jī)提出了更高、更嚴(yán)格的要求，在確保起重機(jī)安全的前提下，還需盡量節(jié)約成本。圍繞國家對起重機(jī)提出安全節(jié)能的要求，并結(jié)合參數(shù)化技術(shù)在起重機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用，以下研究課題可供參考：

1) 降低參數(shù)化建模的難度，以進(jìn)一步提升參數(shù)化建模的效率。該項研究工作主要由軟件開發(fā)機(jī)構(gòu)完成，重點研究方向有：① 降低參數(shù)化建模的操作難度，提高界面友好性；② 增強(qiáng)軟件參數(shù)化建模的智能化，能自動檢測參數(shù)化模型的錯誤并修正。

2) 提升參數(shù)化仿真的能力，擴(kuò)大參數(shù)化仿真的運用領(lǐng)域，重點研究方向有：① 進(jìn)一步提升參數(shù)化仿真在參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計中的運用，以不斷實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化；② 開展參數(shù)化仿真在起重機(jī)事故反演中的應(yīng)用研究；③ 開展參數(shù)化仿真在起重機(jī)安全評估中的應(yīng)用研究。

3) 重點研究起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計，因為設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到起重機(jī)的質(zhì)量，重點研究方向有：① 開展參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計，例如可以將參數(shù)化設(shè)計與遺傳算法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合；② 不斷吸收新理念和新技術(shù)，提升參數(shù)化設(shè)計水平，例如通過引入模塊化、并行工程、協(xié)同化設(shè)計、云計算等思想理念，增強(qiáng)參數(shù)化設(shè)計的生命力；③ 開展起重機(jī)關(guān)鍵零部件的參數(shù)化設(shè)計。

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