岸橋主結構有限元參數化仿真建模方法和分析研究

曾 鵬，景 偉，張 帥

(上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 210031)

0 引言

岸邊集裝箱起重機(簡稱岸橋)是安裝在港口、碼頭前沿等用于集裝箱裝卸的主要設備，在國際港口貿易中起到關鍵性作用。岸橋從設計、配套件采購制造、調試發運交機整個產品周期約為10～13個月。隨著行業增速放緩、港口物流市場競爭加劇，客戶對產品交付周期以及產品質量有了更高的要求。岸橋主結構作為岸橋產品的重要組成部分，對岸橋的提質增效起到至關重要的影響，但在實際設計階段，岸橋主結構仿真建模分析占用了許多時間，并受到諸多方面的制約：定制化產品的設計標準化程度較低，需要很多重復性的工作；結構優化缺乏通用的模型描述方法；幾何尺寸參數的修改無法自動更新相應的有限元模型；由多個部件組成的岸橋有限元模型，當個別部件出現較大改動或替換時，盡管單元模型可以組裝，但相互之間參數存在沖突，需要重新梳理，操作也比較繁瑣；計算模型與詳細設計模型缺乏很好的交互性。本文介紹的快速仿真建模分析為上述問題提供了一種解決方案。

項目采用基于幾何造型的有限元建模方法[1]，將參數化設計和有限元分析結合起來。創建的岸橋主結構參數化有限元模型，依循數字化定義規范、企業標準和行業規范，在設計軟件（Inventor）中參數化建模，然后再將非幾何信息寫入三維模型中，最終形成可供計算的模型。

1 基于幾何造型的有限元參數化建模方法

參數化建模是通過參數將結構模型以數字化的形式存儲起來，具有準確、快速、便于修改等特點。由于岸橋主結構復雜，相比于在ANSYS軟件進行建模，在Inventor設計軟件進行參數化建模操作更加簡單，參數更加明確，幾何造型也更容易通過拓撲關系進行修改。幾何造型完成后，再通過C#語言，采用序列化的方法將進程中模型轉換為字節流，以父類BaseObject為例：

[Serializable]//序列化標識

public abstract class BaseObject：IxmlSerializable//接口

public virtual void Writexml(xmlWriter writer)//虛函數會在子類繼承時被重寫，主要目的是向字節流寫入數據

public virtual void Readxml(xmlReader reader)// 虛函數會在子類繼承時被重寫，主要目的是從字節流讀入數據

通過該方法將ANSYS模型分析所需要的包括截面信息、質量、小車位置信息、載荷以及載荷組合寫入到模型中。

計算模型創建完成后，通過Python編寫的處理器將模型導入到ANSYS軟件進行計算，然后將計算結果通過界面顯示，并自動生成標準計算書。

1.1 產品知識庫的構建

創建產品知識庫是參數化有限元建模的關鍵[2]，其目的是將模型需要的幾何和非幾何信息以元數據形式統一表述，以xML(Extensible Markup Language，可擴展標記語言)記錄，這些信息包括模型幾何驅動參數、組件信息、規則庫及各個函數應用類庫等。在計算模型創建的各階段，程序都可以以元數據的格式調用模型中的參數。以幾何參數“GA_001”為例，書寫格式如下：

…上述代碼敘述一個名稱為GA_001的全局參數，分類為“Crane Type”，類型為字符串，range屬性符不為空，即表示該參數為下拉選項控件，內容以“，”區分，顯示界面如圖1所示。

圖1 參數輸入界面

隨著產品類型豐富，知識庫的信息將會不斷完善，界面信息會隨著知識庫的添加，也會自動修改。

知識庫中定義的幾何元素包括組件信息和驅動參數，組件信息又包含計算的岸橋裝配模型樹結構、項目工號、應力等級、最大使用次數、起升速度等基礎參數，驅動參數包括驅動關系及使用參數（圖2為項目工作流）。非幾何元素中定義了規則庫和函數類庫的結構形式，將企業的項目規范通過標準格式寫入知識庫中，并在元數據中集成了FEM規范（歐洲起重機械設計規范）[3]，定義了模型中使用的函數與外部VBA計算函數的結構。

圖2 項目工作流

1.2 計算模型的構建

知識庫搭建完成后，根據元數據制定的規則，創建三維參數化模型，模型創建方法采用自頂向下的設計思路。岸橋主結構主要由梁、柱組成，且多為鋼板焊接而成的閉口箱體，截面處多添加隔板以支撐。根據上述鋼結構特點，計算模型在初始建模時，多采用梁單元創建。在設計軟件中使用草圖組成的骨架模型（如圖3所示）實現梁單元功能，再通過C#編寫的參數輸入界面，填寫參數值，通過VBA和iLogic驅動模型幾何拓撲關系，完成計算模型幾何造型。

圖3 骨架模型

部分iLogic代碼如下：

上述代碼描述函數Update_SGA_002()，當全局參數GA_202大于13米，有后拉桿，否則無后拉桿。

計算模型需要的非幾何元素，通過C#編寫的人機交互界面，界面樹結構圖。Structure General Arrangement為裝配結構樹，下面結構為各個部件的Beam單元，通過界面可以添加Beam單元截面信息。Mass Components為質量結構樹，由于部件為預設質量，質量添加后，會在此結構樹下顯示。Restraint Locations為約束點結構樹，顯示各約束點位置，Moving Load Location顯示動載荷位置，Joints顯示連接點，Library Sections顯示Beam調用截面信息。

結構樹信息錄入完成后，接著錄入剛性單元、載荷以及載荷組合信息。載荷及載荷組合通過序列化的方法，將已定義的結構類存儲在模型中，C#中相關類函數定義如下：

載荷和載荷組合的顯示及修改基于C#編寫界面。

載荷信息等輸入完成后，即完成了計算模型的全部信息錄入，最終模型如圖4所示。將計算模型通過python編寫的處理器自動導入到ANSYS中進行計算。

2 顯示結果及輸出計算報告

ANSYS軟件完成有限元分析，其中風載荷和疲勞載荷相關計算導入到VB編寫的程序中計算，將計算后的單元和節點信息輸出。其計算結果再通過后臺程序調用計算報告模板，并依據Office軟件VBA編寫的代碼，將數據添加到模板中，自動生成計算報告如圖5所示。

圖5 結果顯示界面

3 結語

岸橋有限元參數化將建模過程還原到三維設計軟件（Inventor）中，幾何參數和拓撲關系可以直接采用軟件自帶VBA函數進行創建，操作更加簡單。非幾何信息的添加雖然需要程序開發，但不同于傳統的[4]基于APDL（ANSYS Parametric Design Language，ANSYS參數化設計語言）開發，程序基于知識庫編寫，開發的代碼的格式規范，程序具有普適性。模型存儲計算需要的各種信息，設計的整個過程也通過程序保存，不僅適用于岸橋，也可以將產品應用于輪胎吊、軌道吊等重型鋼結構起重機，僅需要按標準完善相關產品知識庫和創建幾何模型即可，無需相關程序開發，因此，軟件具有較好的魯棒性。

岸橋有限元參數化仿真建模和分析方法為部件設計提供全局參數，也為企業設計工藝一體化提供基礎模型，是設計協同的模型基礎。此方法不僅解決了岸橋設計過程中，部件設計多次修改，部件尺寸關系干涉引起的反復計算問題，而且大大提高了模型的計算分析效率，為部件優化設計提供了同一幾何參數及非幾何信息，縮短了岸橋主結構設計周期。