一種大型港口起重機參數(shù)化設(shè)計平臺建設(shè)方案

劉中國 韓曉龍 張德文 孫 琪 孫 華 程顯超 李克松

1 山東港口集團有限公司 2 山東港口裝備集團有限公司 3 交通運輸部水運科學(xué)研究院 4 青島港口裝備制造有限公司

1 引言

傳統(tǒng)的岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)設(shè)計流程為:總圖設(shè)計定方案、詳細設(shè)計定細節(jié)、力學(xué)計算校核數(shù)據(jù)、完善設(shè)計出圖紙,其結(jié)構(gòu)已基本成熟,設(shè)計的主要區(qū)別是根據(jù)不同裝載量調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)尺寸。目前,經(jīng)驗設(shè)計法是該類產(chǎn)品的主流設(shè)計方法,即借用前期的設(shè)計圖紙進行定向圖紙的修改。盡管該方案具備響應(yīng)快的優(yōu)點,但同時也存在非最優(yōu)設(shè)計缺陷、相似機型冗余過大等問題[1]。因此,既能實現(xiàn)響應(yīng)速度快,又能保證設(shè)計最優(yōu),基于第一性原理的參數(shù)化設(shè)計方法應(yīng)運而生。

參數(shù)化設(shè)計作為貫穿于設(shè)計全壽命周期的方法,具備一次性設(shè)計多組相關(guān)同類型產(chǎn)品的特性[2]。參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的優(yōu)點是建模先向性,即快速搭建基本模型,再對局部細節(jié)進行修改,且可變動某一些參數(shù)來更新設(shè)計。在涉及到同類型的新產(chǎn)品研發(fā)時,只需要改動局部參數(shù)即可。因此相比于經(jīng)驗法設(shè)計,參數(shù)化設(shè)計可較大幅度地提高港口起重機的設(shè)計效率(見圖1)。

圖1 參數(shù)化設(shè)計與經(jīng)驗設(shè)計對比

2 參數(shù)化設(shè)計平臺建設(shè)方案

2.1 系統(tǒng)工作流程建立

通過VS2010這一系統(tǒng)開發(fā)工具,建立岸橋的參數(shù)化人機交互界面。在其操作界面中,完成第一層主參數(shù)的輸入,通過調(diào)用三維設(shè)計軟件Solidworks進行參數(shù)化建模,再導(dǎo)入ANSYS中進行有限元分析,并將計算結(jié)果反饋三維模型,從而進行模型調(diào)整與優(yōu)化,形成最后的三維模型后,調(diào)用AutoCAD軟件繪制二維施工圖紙。在此過程中,均已提前完成參數(shù)的邏輯關(guān)系搭建,比如Solidworks軟件本身建模時每層關(guān)系的互相驅(qū)動、調(diào)用和修改,ANSYS計算結(jié)果對于Solidworks中模型的反饋、修改等。系統(tǒng)工作流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2.2 具體技術(shù)手段

結(jié)合solidworks軟件,運用參數(shù)化二次開發(fā)技術(shù),實現(xiàn)岸橋設(shè)計的系列化、模塊化、參數(shù)化(主機參數(shù)化、部件參數(shù)化)、可視化。該階段設(shè)計內(nèi)容及實現(xiàn)手段包括:

(1)確定初步的總體設(shè)計參數(shù)和總體布局,完成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)界面定義,利用VS2010自行編寫代碼進行系統(tǒng)開發(fā),建立系統(tǒng)用戶界面。

(2)進行初步的參數(shù)優(yōu)化,并對電機、制動器和減速器等典型構(gòu)件進行交互式選型。根據(jù)對成品、設(shè)備、安全輔助等具體要求,確定初步的起重小車運行機構(gòu)、起升機構(gòu)、俯仰結(jié)構(gòu)和大車運行結(jié)構(gòu)中電機、制動器、減速器等部件設(shè)計參數(shù)和布局,完成各機構(gòu)外形初步設(shè)計,并結(jié)合相關(guān)標準進行優(yōu)化。

(3)采用參數(shù)化特征建模方法,建立零部件的基本形狀和包容空間,進行結(jié)構(gòu)打樣設(shè)計(如各結(jié)構(gòu)的形式及截面尺寸)。結(jié)構(gòu)圖的繪制采用尺寸驅(qū)動法,該方法是一種交互式的參數(shù)化設(shè)計方法,可避免繁瑣的幾何坐標點的提取和計算,保留圖形所需的矢量,繪圖質(zhì)量好、效率高。該方法還可支持產(chǎn)品零部件之間的驅(qū)動式一致性修改。

(4)完成總體布置設(shè)計(包括各機構(gòu)系統(tǒng)、鋼絲繩和電纜布置等)和方案數(shù)字樣機制作,繪制方案設(shè)計的三維效果圖和二維平面方案圖,并補充尺寸標注、公差和相關(guān)技術(shù)要求。

(5)根據(jù)上述計算和設(shè)計,基于人機交互技術(shù),按照要求的格式自動生成產(chǎn)品計算書。該設(shè)計理念的關(guān)鍵技術(shù)包括:方案選型知識庫的構(gòu)建技術(shù);標準件及配套件數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建技術(shù);基本參數(shù)與零部件設(shè)計參數(shù)的關(guān)聯(lián)技術(shù)。

2.3 岸橋參數(shù)化設(shè)計平臺搭建

2.3.1 總體設(shè)計

(1)登錄系統(tǒng)

通過VS2010開發(fā)人機交互界面登錄系統(tǒng),并在該界面中實現(xiàn)岸橋的整體設(shè)計功能。

(2)確定整機主參數(shù)

進入平臺總體設(shè)計模塊(見圖3)。輸入整機主參數(shù),包括整機起升高度、起升速度、吊具形式、軌距和基距等參數(shù)。這一階段可以初步確定整機的輪壓和上拔力等參數(shù),用以判斷碼頭地面基礎(chǔ)是否滿足設(shè)備要求;若不滿足,需要重新選型設(shè)計。輸出數(shù)據(jù)包括整機的重心估算、風(fēng)載荷估算依據(jù),確定整機基本結(jié)構(gòu)布置,并為后續(xù)設(shè)計提供中間數(shù)據(jù)。

圖3 平臺總體設(shè)計模塊

2.3.2 機構(gòu)設(shè)計

(1)確定機構(gòu)需求參數(shù)

進入機構(gòu)選型模塊,分別對起升機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、小車機構(gòu)、大車行走機構(gòu)進行參數(shù)的選型。系統(tǒng)已經(jīng)集成不同品牌、型號的諸多外購件數(shù)據(jù)庫,通過對每種不同的外購件進行“貼標簽”,根據(jù)選型參數(shù)進行配對選擇,比如鋼絲繩的品牌、抗拉強度、破斷拉力等參數(shù),外購件數(shù)據(jù)庫中均可對外購件建立參數(shù)化驅(qū)動的三維模型[3]。

以起升機構(gòu)的卷筒為例,輸入滑輪組聯(lián)數(shù)、導(dǎo)向滑輪個數(shù)、鋼絲繩類型等參數(shù),可計算出相應(yīng)的載荷是否匹配鋼絲繩所承受的破斷拉力等參數(shù)。鋼絲繩卷筒設(shè)計模塊見圖4。選型計算過程中,大部分中間參數(shù)默認設(shè)置為規(guī)范最低要求,可以進行人工自主輸入,比如鋼絲繩安全系數(shù)、鋼絲繩芯的類型等可支持用戶個性化定制。

依次完成機構(gòu)的全部選型后,系統(tǒng)可以自動生成包括品牌、主要參數(shù)在內(nèi)的外購件清單,用以進行前期成本分析、市場報價等。

(2)輸出機構(gòu)模型

基于三維模型中存在的外購件參數(shù),驅(qū)動生成相應(yīng)外購件的底座等結(jié)構(gòu),最終將調(diào)用的外購件三維模型、生成的結(jié)構(gòu)模型以及調(diào)用所需要的緊固件模型進行三維裝配,完成機構(gòu)部分的三維模型驅(qū)動。

2.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入

進入結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊,輸入結(jié)構(gòu)主參數(shù),生成總體設(shè)計驅(qū)動。若無特殊要求,則選用默認參數(shù)。同時該數(shù)據(jù)也可進行人為設(shè)置,以滿足用戶的個性化需求。結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入

(2)生成有限元模型

基于確認的結(jié)構(gòu)模型,進行有限元軟件的強度及剛度驗證。通過ANSYS有限元軟件搭建APDL指令,完成模型的前處理。

2.3.4 仿真結(jié)果分析

(1)強度分析

通過前處理,完成其網(wǎng)格的劃分、載荷的施加,并通過后處理查看計算結(jié)果。該計算結(jié)果主要包括強度、靜剛度以及動剛度等數(shù)據(jù),通過公式(1)計算其許用強度。

(1)

對于港口橋式類型起重機,σs為355 MPa,安全系數(shù)n取1.48,得其許用強度[σ]為240 MPa。

強度設(shè)計準則為公式(2):

σ≤[σ]

(2)

結(jié)合應(yīng)力云圖分布分析,確定結(jié)構(gòu)強度是否滿足使用要求。

(2)靜剛度分析

岸橋設(shè)計靜剛度按照GB/T3811規(guī)范實施。

(3)動剛度分析

動剛度在一定程度上能夠直接影響司機的工作效率。目前,國家對于動態(tài)剛度的校核標準較少,其剛度參考上海港機重工有限公司編制的《港口起重機設(shè)計規(guī)范》,動剛度設(shè)計準則為:

f≥[f]

(3)

對港口橋式類型起重機,滿載小車方向[f]=0.6 Hz,滿載大車方向[f]=0.4 Hz,滿載垂直方向[f]=0.6 Hz。查看小車方向動剛度分布,如果小車方向的剛度大于許用值,即可滿足使用要求。

在以上有限元分析過程,若存在數(shù)據(jù)不滿足要求的情況,在系統(tǒng)生成反饋數(shù)據(jù)時,即可自動進行模型的調(diào)整,也可支持人為修改參數(shù)。若上述剛度及強度參數(shù)均滿足要求,相關(guān)數(shù)據(jù)會反饋給系統(tǒng)平臺,驅(qū)動SolidWorks完成岸橋整機三維模型的搭建(見圖6)。

圖6 岸橋整機三維模型

3 結(jié)語

該平臺基于三維設(shè)計軟件SolidWorks、有限元軟件ANSYS以及VS2010完成全新的人機交互界面的開發(fā),并實現(xiàn)不同軟件之間的相互調(diào)用、數(shù)據(jù)通訊,完成岸橋數(shù)字化平臺的搭建。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計,使用該平臺可大幅提升設(shè)計效率。