橋式起重機主梁可靠性分析系統的開發

武云鵬，陳玲

(天津理工大學機械工程學院，天津 300384)

橋式起重機主梁可靠性分析系統的開發

武云鵬，陳玲

(天津理工大學機械工程學院，天津 300384)

基于大型有限元分析軟件ANSYS的可靠性分析子模塊，以VC++為軟件開發平臺，設計了一款更方便、更專業化的橋式起重機主梁可靠性分析系統。提出了橋式起重機主梁可靠性分析系統的架構，整個過程完成了對ANSYS中APDL語句的封裝以及對ANSYS核心程序的調用，解決了ANSYS中完成可靠性分析時界面不友好及低效的問題，也為橋式起重機主梁可靠性分析提供了一種可行的方法。

橋式起重機;箱型主梁;可靠性分析;軟件開發

0 前言

橋式起重機的主梁是整機結構中的主要承載部分，由于加工技術、制造技術、客觀環境等因素的制約，主梁的幾何尺寸、材料以及載荷等參數直接影響起重機主梁的工作性能［1-10］。使用概率有限元方法對橋式起重機主梁進行結構可靠性分析，能提高設計階段的理論可靠度［11-12］。采用有限元軟件對系列化橋式起重機主梁進行可靠性分析時，需要花費大量的時間用于逐個建立幾何模型、劃分網格、加載、后處理等，并且有限元軟件對專業分析能力要求較高，界面的交互性、友好性較差。因此，本文基于大型有限元分析軟件ANSYS，運用Microsoft Visual C++編程軟件的強大軟件開發功能，對某系列化小車式橋式起重機焊接箱型主梁可靠性分析系統的開發進行了探討和研究，提高了主梁可靠性分析的效率。

1 概率有限元方法

概率有限元法是有限元法與Monte-Carlo法的直接結合。解決了常規的有限元分析中將各種參數視為不變量不符合實際參數是隨機性的問題。

通過線性有限元方程式(1)可以得到概率有限元方法的數學模型

式中，K、u、f分別表示剛度矩陣、結點位移矩陣和結點載荷矩陣。

在考慮參數隨機性的影響下，將每個參數分成兩部分處理:均值部分和隨機變量引起的偏差部分。式(2)實際是確定性有限元問題數學模型。

式(3)可以變形為

確定性有限元方法中的單元應力計算為

其中，σ、D、B分別為應力、材料彈性矩陣和應變剛度矩陣。

將應力σ、材料彈性矩陣D及位移u用均值和偏差的形式表示，且認為應變剛度矩陣是確定性矩陣，得均值計算式(6)。

偏差計算式為

本文采用基于有限元分析軟件ANSYS的可靠性設計模塊的概率有限元方法，設計了橋式起重機箱型主梁可靠性分析系統。

2 系統各主要模塊的實現

如圖1所示，本文設計的單梁橋式起重機主梁可靠性分析系統由主梁的設計與建模、信息存儲與交換、可靠性分析、結果處理與查詢等四大功能模塊組成。

圖1 系統結構與數據傳輸Fig.1System structure and data transmission

基于對話框界面的應用程序，可通過不同的菜單按鈕實現對各個功能模塊的調用。該系統界面簡潔友好，操作簡單，每個模塊都有相應的提示或說明信息，或者可通過幫助按鈕獲得具體說明。主窗口界面如圖2所示。系統設計首先創建父對話框和相應功能模塊的對話框，利用MFC ClassWizard為每個對話框創建一個類;其次，再利用MFC ClassWizard，在父對話框類下，為每個菜單按鈕構造響應函數，通過函數virtual int DoModal()，實現對相應模塊的啟用。

圖2 可靠性分析系統主窗口及菜單布置局部圖Fig.2Main windows and menu arrangement of reliability analysis system

2.1 主梁的設計與建模

本文研究的系列化單梁橋式起重機的主梁模型如圖3所示，主要包括上蓋板、下蓋板、主腹板、副腹板、肋板和隔板等結構。主梁首先利用有限元分析軟件ANSYS的APDL參數化設計語言，為該系列化橋式起重機主梁編制了可參數化主梁模型命令流文件，存儲在信息存儲模塊當中，以備調用。用戶可根據系統提示通過界面輸入參數，即可生成相應模型，避免了大量不必要的重復建模工作。

圖3 橋式起重機的主梁模型Fig.3Model of main girder for bridge crane

主梁的材料參數輸入模塊，用于設置橋式起重機焊接箱型主梁的金屬材料屬性，包括彈性模量、泊松比、屈服強度和密度等，均與主梁可靠性相關，并且按服從正態分布處理;幾何參數輸入模塊用于輸入建立主梁幾何模型的尺寸參數，包括主梁肋板和隔板的幾何尺寸，按服從截尾正態分布離散處理，上下截尾點即是對應尺寸值的上下極限尺寸，輸入時只需輸入尺寸上下偏差。鑒于橋式起重機主梁的尺寸參數繁多，輸入窗口使用了模態屬性表單。該表單由多個屬性頁(選項卡)組成的，在每個選項卡上可根據不同的圖示和提示輸入相對應的尺寸參數，有效地解決了大量信息無法在同一窗口顯示的難題，并提供了對信息的分類和組織管理功能。屬性頁對應的MFC類是CPropertyPage。為了創建一個屬性表單，首先創建一個CPropertySheet對象，在此對象中為每個屬性頁資源創建一個對象，然后調用AddPage添加屬性頁，最后調用DoModal即可顯示屬性表單。主梁幾何參數輸入模塊及其選項卡排列如圖4所示。

圖4 主梁幾何參數輸入模塊及其選項卡排列局部圖Fig.4Dimension parameters input module and tabs of main girder

單梁小車式橋式起重機焊接箱型主梁所承受的載荷，主要包括自重及其引起的振動載荷和吊重及其引起的起升振動載荷［13-14］。該橋式起重機箱型主梁的自重載荷包括上蓋板、下蓋板、主腹板、副腹板、肋板和隔板等金屬結構的質量，以服從正態分布離散處理，同時也考慮了小車重量的影響。起重量和穩定起升速度按服從正態分布做離散處理。由于主梁危險截面在跨距的正中，所以按小車位于跨中且起吊貨物時的工況進行可靠性分析［8］。如圖5是主梁載荷參數的輸入界面。

圖5 主梁載荷參數輸入窗口Fig.5Load parameters input module of main girder

本系統各參數的輸入模塊與信息存儲模塊之間的信息傳遞方法類同。均是利用為每個用于輸入參數的編輯框控件定義的變量，通過代碼: GetDlgItem(IDC_*)-＞GetWindowText(str);獲取用戶輸入的參數，然后使用CFile類下的成員函數將參數信息傳遞到存儲模塊的*.txt文件中，作為調用的APDL命令流參數文件。在保存數據時，系統通過if條件句逐一判斷每個編輯框控件的內容是否為空，如果數據輸入不全，系統調用函數MessageBox(TEXT(“數據沒有完成!”)，NULL，MB_OK)彈出提示。

2.2 可靠性分析

可靠性分析模塊的功能包括輸入可靠性分析的相關參數、調用有限元軟件ANSYS進行可靠性分析、儲存可靠性分析的結果。該系統采用蒙特卡洛模擬方法，需要設置抽樣次數和模擬次數。抽樣次數亦即抽選的樣本點數目，模擬次數即取同樣抽樣次數的模擬進行的次數。次數越多結果越精確，然而隨之產生的計算規模也越大。經過試算后得出了抽樣次數的參考值為500次，可以得到穩定可信的結果。

有限元軟件ANSYS的批處理功能:添加可靠性分析按鈕，利用類向導為按鈕添加點擊響應函數，在該函數下寫入調用函數。該函數實現后臺調用ANSYS，從參數存儲模塊提取命令流文件(*.txt)，并提交到ANSYS批處理模塊進行可靠性分析。另需添加代碼GetDlgItem(IDC_ *)-EnableWindow(FALSE)，禁止分析按鈕再次被按下。在可靠性分析按鈕的點擊響應函數中，增加條件判斷，若所需數據不完全，Messagebox ()函數彈出警告，分析終止。用戶可以依據可靠性分析對話框的進度條或分析完成提示，判斷分析進度。可靠性分析完畢，軟件自動生成一個名為Report的主梁可靠性分析報告，并與其它結果文件一起自動保存。結果查詢與處理模塊通過ShellExecute()調用IE瀏覽器軟件打開此報告(HTML格式)。該報告詳盡說明了分析的內容和結果，用戶可通過報告中大量的圖片和統計結果評估此次模擬分析的精確程度，并得出主梁水平、垂直方向最大位移和最大等效應力在特定范圍內的可靠度，以及影響可靠度的敏感因素等。該系統對某型橋式起重機焊接箱型系列主梁進行可靠性分析，抽樣600次。其主要技術參數見表1。表2是影響主梁垂直靜撓度的部分主要因素及其敏感度計算結果。對于主梁垂直靜撓度UY-MAX，圖6是其樣本均值趨勢圖，走勢趨于平穩，即抽樣次數滿足精度要求。

表1 橋式起重機的主要技術參數Tab.1Main technical parameters of bridge crane

圖6 垂直靜撓度均值的樣本趨勢Fig.6Mean value trend of samples vertical static deflection

表2 影響主梁垂直靜撓度的部分主要因素及其敏感度Tab.2Main influencing factors of vertical static deflection and its sensitivity

3 結束語

該系統對某橋式起重機焊接箱型系列主梁可靠性計算結果顯示，在額定起重量，置信度為95%的條件下，主梁垂直靜撓度［15］小于S/1000 =34 mm的可靠度是100%，表明額定起重量符合此安全要求。起重量、密度、跨距均為負影響，即主梁垂直靜撓度隨著這些參數數值的增大而增大。結果顯示影響主梁垂直靜撓度的敏感因素是起重量和跨距，影響程度分別為91.09%和8.91%，且為負影響，因此，為保證安全，在設計和使用過程中需要重點關注，尤其是起重量。計算結果與工程實際相符。

本文針對某系列化小車式橋式起重機焊接箱型主梁，利用VC++編程軟件開發的這一可靠性分析系統，可以實現在產品設計時進行準確的可靠性預測，并為主梁的改進設計提供有意義的參考。此系統操作界面簡潔，操作流程簡便，降低了操作人員的工作強度，提高了工作效率;交互性好，降低了對操作人員專業水平的要求，便于掌握。同時也為橋式起重機可靠性分析提供了一種可行的方法。

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Development of reliability analysis system for bridge crane girder

WU Yun-peng，CHEN Ling
(Mechanical Engineering College，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Based on the reliability analysis module of finite element analysis software ANSYS，a reliability analysis software system for bridge crane girder，more convenient and specialized，is developed with VC++as the developing platform.A main framework of reliability analysis software system for bridge crane girder is proposed.The whole process finishes the encapsulation of APDL sentences and the invocation of ANSYS core programs.And the problems of unfriendly interface and inefficient are solved when using ANSYS to do reliability analysis.Meanwhile a feasible method of reliability analysis for the bridge crane girder is also provided.

bridge crane;box girder;reliability analysis

TH215

A

1001-196X(2014)06-0057-04

2014-05-23;

2014-06-07

武云鵬(1988-)，男，天津理工大學碩士研究生。