自卸舶物料輸送架參數化三維設計及靈敏度分析

何　羽 孫　林 付　慶

（長沙理工大學　工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，湖南　長沙　410004）

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自卸舶物料輸送架參數化三維設計及靈敏度分析

何羽 孫林 付慶

（長沙理工大學工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410004）

摘要：自卸舶是用于碼頭卸貨的重要運輸船，針對其物料輸送架設計效率低的問題，首先建立自卸舶物料輸送架結構三維參數化模型，通過修改其骨架模型及結構局部尺寸等細節來調整結構尺寸，從而滿足設計需要；然后建立自卸舶物料輸送架的結構參數化有限元模型，通過對其結構參數進行靈敏度分析，得到各個結構尺寸變化時對輸送架最大應力值影響較明顯的設計參數，為后續優化設計提供依據。

關鍵詞：自卸舶物料輸送架；三維參數化設計；靈敏度

自卸舶是一種自帶卸貨設備，并能連續快速卸載貨物的運輸船［1］。因其具備靈活性高，占用碼頭時間短，泊位效率高等優勢［2］，使其成為了具有極強競爭力的運輸船種之一。物料輸送架作為自卸舶裝卸設備的組成部分之一，對其卸貨速度和安全性具有重大影響。許多學者也對此展開了廣泛研究，吳芳［3］根據設計需要變更臂架主控參數來調整臂架桿件規格，快速、準確地實現臂架腹桿位置定位。顧元憲等通過數值試驗討論了瞬態響應靈敏度分析算法的精度和差分法中變量攝動量的影響，并建立了海洋平臺結構優化模型和求解方法。萬正喜等對臂架進行了深入受力分析后，提出一種新的結構形式，安全性得到提高。

但是，目前在進行自卸舶物料輸送架設計時，設計人員主要采用的是人工經驗方法。這種設計模式將導致如下兩個方面的問題：一是設計出的自卸舶物料輸送架過于笨重，增加了經濟成本，也不便于運輸和安裝；二是遇到相似結構時又需要重新設計，造成了時間和精力的大量浪費。針對以上問題，本文首先建立自卸舶物料輸送架的結構參數化三維模型，采用基于向前有限差分的靈敏度分析方法，結合參數識別的具體要求，研究自卸舶物料輸送架結構參數的靈敏度，為后續優化設計提供依據。

1　輸送架參數化三維設計

傳統常規設計在產品結構需修改時又需重復之前設計過程，費時費力，影響產品交付周期。而參數化設計方法無需參與產品的全部設計過程，具有高效性。下面利用Inventor這一參數化設計工具對自卸舶物料輸送架進行設計。

自卸舶物料輸送架結構主要由上弦桿、下弦桿、水平直腹桿、豎直直腹桿、水平斜腹桿、豎直斜腹桿和鉸耳組成。自卸舶物料輸送架結構的參數化三維建模過程如下。

首先，建立Excel參數表。獨立參數是可以支配草圖骨架構造的參數，可以設定其為Xi，因變量Yj=F（X1，X2，X3，……，Xn）。結合整個自卸舶物料輸送架的結構特點，確定弦桿壁厚t1、直腹桿壁厚t2、斜腹桿壁厚t3、弦桿寬度D1、直腹桿寬度D2、腹桿寬度D3、水平直腹桿長度L1、豎直直腹桿長度L2和間距L3為獨立參數，最后由函數關系得出其他參數。

其次，根據物料輸送架的功能和結構建立其骨架，盡可能用最少的訊息來體現物料輸送架零部件的全部設計要素。骨架由點、線、面構成，優先通過下層幾何元素來建立物料輸送架骨架，盡量不出現實體元素，因為骨架是衍生零部件的基礎，各零部件都是通過骨架生成，如果骨架結構過于復雜，冗余信息的積累會造成整個產品設計信息的繁瑣，造成后期修改的不便。

最后，分析物料輸送架實體的特征組成及其創建順序，正確的創建順序有助于順利快速地完成造型。先創建拉伸等特征，而將倒角、圓角、打孔等放在后面處理。然后再對模型進行參數化測試，至此物料輸送架參數化三維模型建立完畢。

2　輸送架結構參數靈敏度分析

由于輸送架結構參數眾多，故需對其進行靈敏度分析，采用靈敏度分析的方法，可以確定出影響質量及最大應力值的關鍵結構，從中找到對輸送架最大應力值影響較明顯的設計參數。

靈敏度分析方法有自動微分法、復變量法、解析法和有限差分法等。但本文自卸舶物料輸送架用于優化的目標函數最大應力值是隱式的，有限差分法主要是通過攝動參數的方式來得到靈敏度信息的，對目標函數的具體形式沒有明確要求。故本文采用有限差分法來計算結構參數對最大應力值的靈敏度，向前差分如公式（1）所示。

式中，S=（t1，t2，t3，D1，D2，D3，L1，L3，L3）為自卸舶物料輸送架結構參數，分別為弦桿壁厚t1、直腹桿壁厚t2、斜腹桿壁厚t3、弦桿寬度D1、直腹桿寬度D2、腹桿寬度D3、水平直腹桿長度L1、豎直直腹桿長度L2和間距L3；M為自卸舶物料輸送架結構參數對最大應力值的靈敏度；F（S）為自卸舶物料輸送架最大應力值；F(S+?S)為設計變量產生微小攝動后的自卸舶物料輸送架最大應力值。

本文建立輸送架參數化有限元模型后對其進行了CAE分析。然后以5%為固定步長對上述9個參數t1、t2、t3、D1、D2、D3、L1、L2和L3進行擾動，分別取其值的10%、5%、-5%和-10%，而其他參數值固定不變。基于公式（1）對自卸舶物料輸送架的結構參數進行靈敏度分析，當結構參數的變化率為10%時，參數t1、t2、t3對最大應力值的靈敏度分別為-12 857、4 428和-8 250，其影響性明顯要比其他參數大；變化率為5%時，t1的靈敏度為-15 714，其影響性相對于t3有所減小；變化率為-5%，L2的靈敏度為534，相對L1和L3有所增大；變化率為-10%時，D2的靈敏度為2 311，相較于前面幾種變化率有所增大。但無論哪種變化率，參數t1、t2、t3、D2和D3對最大應力值的影響較大，而其余參數對最大應力值的影響較小。所以，選擇弦桿壁厚t1、直腹桿壁厚t2、斜腹桿壁厚t3、直腹桿寬度D2和斜腹桿寬度D3作為優化設計變量。

3　結論

①提出了自上而下參數化設計方法，然后具體結合自卸舶物料輸送架的結構特點對其進行了包括參數表的建立和鏈接、骨架的建立等在內的參數化自動設計。最后的測試環節表明，此種參數化設計方法是可行的，而且也是非常準確和有效率的。

②利用有限差分法進行結構參數對最大應力值的靈敏度分析，從而在眾多參數中確定了對輸送架最大應力值影響較大的參數，為后續結構優化設計提供依據。

參考文獻：

［1］汪一楠.70000噸大型自卸船設計與建造技術［J］.船舶工程，2005（27）：115-124.

［2］盧長立，朱慕時.大型自卸船在我國的發展［J］.船舶設計通訊，1997，96（4）：10-17.

［3］吳芳.基于Pro/E的塔機臂架自頂向下三維設計［J］.建筑機械化，2013（8）：48-50.

中圖分類號：TH224

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0088-02

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：何羽（1989-），男，碩士，研究方向：機械設計及理論。

3D Parameterized Design of Material Conveying Rack and Sensitivity Analysis

He YuSun LinFu Qing
（Hunan Province Key Laboratory of Safety and Reliability Technology for Engineering Vehicle，Changsha University of Science and Technology,Changsha Hunan 410004）

Abstract:Self-discharging ship is a kind of important conveyance,which is used in dock unloading.Aiming at the problem of the low design efficiency of the material conveying rack,firstly,a 3D parametric model of self-discharging ship's material conveying rack was established in this paper,and the size of the structure was adjusted by the details like modifying the skeleton model and the structure of the local size to meet the design needs.Then a parametric fi?nite element model of self-discharging ship's material conveying rack was established,and the design parameters of the maximum stress value of the conveying rack were finded,when each size of the structure changes by sensitivity analysis of structural parameters,to provide the basis for the following optimization.

Keywords:self-discharging ship's material conveying rack；3D parametric design；sensitivity