塔架的計算機輔助設計與分析

李麗彬

（200093上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

移動式起重機以其起重量大、可以帶載行走、接地比壓小、作業靈活等獨特的優勢逐漸從眾多的起重機中脫穎而出，成為工程建設中的佼佼者[1]。

一般來說，移動式起重機由塔柱、變幅油缸、起重臂、吊鉤、起升滑輪組、補償滑輪組、司機室、撐桿、上車系統總成、下車系統總成等部分組成[2]。本文以其中的塔柱（也稱塔架）為研究對象，以SolidWorks為平臺，研究了塔架的計算機輔助設計技術和工作原理，開發出一款移動式塔架的計算機輔助設計軟件程序。

1 研究的內容及解決的主要問題

雖然SolidWorks的建模造型功能非常強大，但是，由于它仍采用手工交互建模，且起重機產品的零部件、模塊較多且復雜，企業需要耗費較多的時間、人力、物力對產品進行模型的構造與分析，大大增加了工作人員冗雜的工作量和產品開發的周期[3-4]。例如，移動式起重機塔基的設計，其性能的好壞直接關系到起重機起載重量等相關參數[5]。而且，就算后期花費了較多時間開發產品，但是用來指導生產的工程圖也比較復雜，無法實現工程圖的復制，三維模型圖難以修改，沒有符合國家標準的零件庫，不能完全滿足專業機械CAD系統需要的缺點日益突顯出來。

基于此，如果能對SolidWorks進行二次開發，針對特定起重機機械結構實現參數化設計，即通過改動起重機零件的某一部分或某幾部分的尺寸，自動完成對圖形中相關部分的修改，即當賦予不同的參數值時，就可自動生成滿足設計要求的零部件模型，從而實現同類機械產品快速修改與設計，既可大大減輕工作人員的工作量，也能極大縮短塔架開發周期，同時，也給企業節約設計成本，提高企業的競爭力。

2 基于SolidWorks塔架的二次開發

2.1 塔架的三維模型

本文所研究的移動式起重機最大起重量為100 t，塔架高度約為11 m，是由厚度為12～20 mm的鋼材經過焊接拼接組裝成的，其為橫截面是八邊形的空心柱體，柱體內部有許多筋板，用以增加塔架的強度。其SolidWorks模型如圖1所示。

圖1 塔架模型Fig.1 Model of tower

2.2 參數化技術

SolidWorks在三維建模之初就是以繪制草圖為基礎，而草圖繪制時，零件的外形輪廓是由尺寸約束形成的，然后再通過拉伸、旋轉、切除等特征生成零件模型[6]。在這里，尺寸約束起了很大作用，或者說是尺寸驅動或者參數化設計，它指的是零件的拓撲結構相同的時候，以尺寸參數作為一個變量，而零件外形輪廓其尺寸則與這個變量尺寸相關聯，當給這個尺寸變量賦予不同的數值時，就可以生成一系列外形一樣而尺寸不同的零件。與傳統設計相比較，參數化設計有以下特點：

（1）零件的形狀由尺寸和位置控制，通過對尺寸變量的控制就可生成各種尺寸的實體特征；

（2）零件的尺寸約束要與零件形狀相一致，對幾何形狀的約束不得出現過定義、欠定義等現象；

（3）在程序中，通過對變量尺寸賦予不同的值就可以驅動實體特征的生成；

（4）當在改變一個尺寸參數時，會自動改變幾何形狀其他尺寸參數，做到與其他尺寸相關聯的辦法就是，將其它尺寸與這個變量尺寸用方程式相關聯。這樣，當改變了一個變量參數時，就自動改變了其他尺寸數值。

參數化設計省去了傳統的冗雜的尺寸修改，從而提高了企業和用戶的工作效率，節省了設計人員的精力，加快了產品的開發周期。

2.3 本文二次開發思路

本文采用VB.NET做交互界面，以SolidWorks為平臺對塔架進行二次開發，其基本思路是：首先分析塔架所需要的基本功能和塔架裝配體上需要變動的裝配尺寸，確定了L1～L4變量尺寸，如圖2所示。進一步分析零件的二維圖紙，根據所需要變動的裝配尺寸正確找到裝配尺寸之間所包含的零件，更進一步確認該方向上可以作為變量尺寸的尺寸名，對后面的尺寸驅動做好準備。

圖2 變量尺寸Fig.2 Variable size

由于某些零件幾何形狀本身的限制，在只改動零件某一個尺寸時，會導致零件不能保證其原來的幾何形狀或者不能建模，這時就要考慮將零件其它不變的尺寸在保持其原來幾何形狀不變的情況與需要變動的變量尺寸用方程式聯系起來，這樣只需控制一個變量尺寸就控制了零件的幾何形狀不變而尺寸不同的一系列零件；其次，在所有零件都建模完成后，裝配也是影響今后進行程序參數化設計的重要因素，這是因為裝配時進行的零件空間自由度的約束需要考慮到今后零件尺寸變化后符合裝配尺寸方向上的變動要求；再次，需要建立單個零件變量尺寸和裝配尺寸之間的計算關系，保證參數化驅動過后的裝配體裝配尺寸符合用戶輸入的數值；最后，通過VB.NET建立交互式界面，同時利用VB.NET支持的ADO接口訪問塔架尺寸存儲SQL數據庫。其工作流程圖如圖3所示。

圖3 塔架二次開發流程圖Fig.3 Flow chart of tower secondary development

2.4 塔架二次開發的程序設計

本文為基于SolidWorks平臺上塔架的二次開發，一般來說二次開發的程序設計大致分為5個步驟：（1）VB.NET與SolidWorks的連接靠的是API函數；（2）在程序設計開始，就必須要引入SolidWorks.Interop.sldworks.，這是對后續程序設計至關重要的一步；（3）在步驟2的基礎上，在程序中還要寫出相關的引用；（4）連接SolidWorks代碼，綁定窗體上控件的代碼；（5）參數化驅動；

根據上述思路設計出的塔架二次開發的人機交互界面如圖4所示。它包含了塔架上部、塔架下部、塔架上部寬度、塔架截面T-T、塔架截面U-U以及自動出工程圖等6個部分。

圖4 塔架二次開發人機交互界面Fig.4 Human-computer interface of tower secondary development

3 塔架零件尺寸的數據庫程序設計

零件尺寸數據庫程序設計的主要目的是要保存和管理整個塔架裝配體中零件的所有尺寸數值，其主要功能有查詢、修改、添加和刪除等。設計的交互界面如圖5所示。

圖5 零件數據庫管理交互界面Fig.5 Interface of part database management

4 塔架的有限元分析

本文所分析的塔架是由厚度為12～20 mm的鋼材經過焊接拼接組裝成的，其橫截面為八邊形的空心柱體。為了方便在Workbench中分析，需簡化模型進行數學分析，其數學模型如圖6所示。

圖6 塔架數學模型Fig.6 Mathematical model of tower

在圖6中取E點進行受力分析，其受力情況如圖7所示。

解式（1）得

圖7 E點受力分析Fig.7 Force analysis of point E

對DE桿進行受力分析，如圖8所示。

圖8 DE桿受力分析Fig.8 Force analysis of bar DE

將以上計算得出的邊界條件施加在塔架的邊界，得出的有限元分析結果如圖9所示。

圖9 塔架總變形Fig.9 Total deformation of tower

由圖9可知，塔架的最大變形發生在與臂架鉸接的支座處，其最大值達到了324.45 mm。這個結果是按照最大起重量為100 t進行設計的，其仿真結果有點超出最初設計，原因可能是網格劃分的不夠精確和外部載荷比較大，因此在塔架生產的過程中，就要注意材料的選擇和在發生最大變形的地方增加筋板。

5 結語

本文通過對移動式起升塔架的計算機輔助設計技術和原理的研究，根據所給的設計參數開發了一款基于SolidWorks平臺的塔架計算機輔助設計程序，使塔架的智能設計程序能嵌入SolidWorks的功能模塊，并在這個過程中實現塔架零件的數據庫管理、軟件界面和交互菜單的設計，并利用生成的塔架模型進行了有限元仿真，驗證了塔架的有效性。