一种用于码头集装箱起重机结构的CAD/CAE系统

【摘要】码头集装箱起重机结构复杂，结构形式多样，设计参数多。此外，必须对结构进行有限元分析。介绍了一种用于起重机结构的综合CAD/CAM系统。建立了三维参数化模型族CAD平台，实现了起重机产品的可行构型生成。利用Visual c 和第二开发工具包，实现了三维参数模型的更新、有限元模型的同步更新和分析的CAD/CAE集成方法。

1.介绍

码头集装箱起重机是船舶运输的主要机械之一，近年来在世界范围内发展迅速。

起重机是大型复杂的机器。其结构形式多样，设计参数众多，能满足不同港口的自然、环境、运行条件和习惯。此外，结构设计应符合关于强度、稳定性、屈曲、累积损伤和振动频率的要求。因此，有必要对结构进行有限元分析。由于其结构庞大复杂，无论是商用CAD软件中的有限元分析程序还是有限元分析中的板单元都不能适用。

本文介绍了一种用于起重机结构设计的综合CAD/CAE系统。该系统涉及参数三维建模、有限元分析、CAD/CAE集成技术、Pro/ENGINEER、ANSYS、MS Visual c 。该系统包括起重机产品三维参数化模型CAD平台的建立、有限元模型的建立、三维参数化模型的二次开发、有限元的同步更新和分析。

2.起重机产品三维参数化模型CAD平台

为了支持起重机产品系列的设计，开发了CAD产品的平台表示，为每个家族成员提供生成产品、组件和部件的可行配置，然后将其缩放到所需的尺寸。码头集装箱起重机产品CAD模型平台的框架必须对下列功能提供支持。

（1）基于自顶向下的产品层次结构，将产品分解为组件和部件

为了方便开发团队成员完成设计任务，需要设计的产品必须以某种方式组合。众所周知，我们使用的分级产品结构由许多组件组成，根据零件和装配设计的集成方法，每个组件可以由许多子组件组成。第一种类型的组件称为复合组件（在接下来的文本中，我们只将其称为组件）;第二种类型是单个组件（我们将其称为下面的部分）。复合组件中的子组件通过装配约束相互关联。产品结构继续以这种方式递归地进行，直到全部层次结构中最底层的组件是单个组件，也称为部件。因此，产品以自上向下的方式构造，根据设计人员的需要创建任意多个级别，同时分配给熟悉这些组件的设计人员进行设计。图1显示了一个简化的码头集装箱起重机的层次结构。

图1 简化了起重机的层次结构

（2）基于特征技术构建三维零件模型

由Pro/ENGINEER、Solidworks等CAD软件平台提供的特征技术包括:

1）草图特征。它们是通过绘制横截面和拉伸、旋转或扫描产生的基本几何字符。

2）附加特征。它们是包括孔、圆角、折叠角等基本几何字符。

3）辅助特征。它们在生成其他特征时具有参考定义功能，因此也称为基准特征。基准特征包括基准平面、基准轴、基准线、基准曲线、基准点和基准坐标系。

4）基础特征。这是部件模型生成时使用的第一个特性。在基本特征的基础上，加入新的草图或附加特征，构造零件的三维模型。

根据上述特征技术，生成码头边集装箱起重机部件的三维模型。

（3）指定组件的空间约束关系，以创建产品多样性

用装配约束关系表示产品中各零部件之间的空间关系。在CAD软件的装配模块中，提供了装配约束关系，如匹配、对准、插入、相切等。基于起重机的层次结构，零部件之间的关系是使用Pro/ENGINEER提供的装配约束来建立的。图2表示门户框架各部分之间的装配约束关系。

图2 门式刚架的装配约束关系

（4）基于自底向上的约束关系生成组件或产品装配模型

根据起重机的层次结构，设计师可以在分配给他一个零件后立即开始建立该零件的三维模型。另一方面，被分配给设计师的组件的3D建模只能在它的子组件和部件被创建之后才可以开始。因此，实际的建模活动是自下向上的过程，从分层产品结构的基础开始，根据起重机的层次产品结构和零部件之间的装配约束关系，生成所需零部件的三维模型。

图3显示了基于子组件和部件之间的约束关系的臂架三维装配模型。

图3 臂架的三维装配模型

图4显示了基于子组件和部件之间的装配约束关系的不同门户框架的3D模型。

图4(a)-门户框架的三维装配模型

图4（a） 门户框架的三维装配模型 图4（b） 门架三维装配模型

（5）建立从下到上的规模约束关系

为了在设计参数值发生变化后，重新生成零件、构件和起重机的三维模型，需要建立零件或构件尺寸变量与设计参数之间的自上而下的尺寸约束关系。

设计参数是由设计人员根据零件或部件的结构来确定的。有两种类型的设计参数。一种是独立的，另一种是相关的，可以用其他参数表示。参数化设计采用独立参数。尺寸变量是在建立零件或部件的三维模型时自动生成的，它控制着零件或部件的真实几何尺寸和拓扑关系组件。因此，为了在设计参数值发生变化时，重新生成新的零件、部件或起重机的精确模型，需要准确构造设计参数与尺寸变量之间的关系。

商业CAD软件如Pro/ENGINEER提供了设置设计参数和建立设计参数与尺寸变量之间关系的功能。使用“工具”菜单中的“参数”功能可以设置设计参数。利用Pro/Engineer用户操作界面工具菜单中的关系函数，可以建立尺寸变量与设计参数之间的关系方程。起重机的设计参数和尺寸约束关系如图5所示

图5（a） 设计参数的建立 图5（b） 建立大小约束关系

3起重机有限元模型的生成

在有限元分析中，数学模型应尽可能准确地模拟真实物体，以得到可靠的结果。因此，有限元分析应在整个结构上进行。

由于其结构庞大、复杂，在商用CAD软件中，任何一种有限元程序都不具备完成这一任务的能力。选择ANSYS是因为其强大的结构分析功能。基于同样的原因，ANSYS中的板件不能被采用，采用beam188单元建立了起重机的有限元模型。

在ANSYS中，提供了两种建模模式。FEA模型，即人机交互模式也称为GUI模式，命令流输入模式也称为APDL模式。这两种模式也有优点和缺点，在参考文献中有描述。通过对ANSYS中GUI和APDL模式的背景知识的总结，建立了起重机的有限元模型。

首先，利用ANSYS软件建立起重机的有限元模型。其次，实现了起重机的CAE分析，并生成了相应的日志文件。然后利用ANSYS提供的参数化设计语言APDL对日志文件进行修改。最后，建立了起重机的APDL模型，包括模型的生成、外部荷载的施加、有限单元求解和背部处理。模型的生成包括参数的定义、节点/单元/剖面的建立等。起重机的FEA模型是通过运行APDL文件构建的（参见图6）。

图6 起重机的有限元模型

4基于VISUAL c 的CAD/CAE集成

（1）建立CAD/CAE的集成开发环境

CAD/CAE的集成开发可以使用Visual c 和Pro/TOOLKIT来实现，这是Pro/ENGINEER提供的第二个开发工具包。在Visual c 中建立了Pro/TOOLKIT的文件路径和库文件路径，APDL的文件路径，从而建立了CAD/CAE的集成开发环境。

（2）CAD/CAE集成程序

CAD/CAE集成设计对话框的建立：

在Visual c 开发环境中，通过Visual c 提供的设计工具，建立了零件、元器件和起重机的CAD/CAE集成设计对话框。然后根据零件、部件和起重机的集成设计对话框设计相应的类。图7为吊杆和码头集装箱起重机的集成设计对话框。

基于神经网络的三维参数模型的再生：

以起重机为例，介绍了Pro/TOOLKIT开发工具包。

1）起重机模型对象及设计参数说明

ProMdl模型;

ProModelitem特性

ProParameter参数

图7（a） 起重机一体化设计对话框 图7（b） 吊杆的一体化设计对话框

2）获取crane ProMdlCurrentGet的模型对象（amp;model）;

ProModelitemInit（模型、我PRO_PART功能）;

3）获取设计参数DH1称为param1的对象指针

ProParameterInit （amp;modelitem左“《”,param1》;

4）计算集成设计对话框中文本框的值来设计参数

value1.type =

PRO_PARAM_FLOAT;value1.value.d_val = m_dh1;

ProParameterValueSet （param1 value1）;

（5）根据新的设计参数值，重新生成新的三维模型

ProSolidRegenerate （）;

有限单元模型同步更新：

在起重机三维模型更新过程中，还可以同步修改APDL文件中相应的设计参数值。通过在ANSYS软件环境中执行APDL文件，可以建立起重机的有限元模型。在此基础上，建立了起重机的有限元模型，并对其进行了载荷施加、溶液处理和背部处理等工作。

部分如下:

1）设置APDL文件路径

char * pFileName = ' C: vcwork crane1.log”;

2）设计参数DH1 str[1]='DH1='的获取;

3）从集成设计对话框str[2].Format（'%f '，m_dh1）对应的文本框中获取DH1的新值;

4）打开APDL文件文件。打开（pFileName用:modeReadWrite）;

5）将新的设计参数值写入APDL文件。

file.WriteString （str [1]）;

file.WriteString （str [2]）;

（3）集成CAD/CAE的案例研究

CAD/CAE集成流程：

以某起重机臂架为例，介绍了参数化设计、参数化模型修改和更新、有限元模型更新和分析的过程。

首先，通过起重机CAD/CAE一体化设计对话框输入设计参数值;

其次，自动建立新的起重机三维CAD模型

其次，根据通过设计对话框输入的设计值，自动修改起重机APDL文件中相应的设计参数值;

然后在ANSYS软件环境中执行新的APDL文件，重新生成起重机的有限元模型。

最后，根据荷载和工况进行有限元分析和计算，验证新参数值是否满足设计要求。

案例分析

有限元分析和计算是基于操作条件即负载进行考虑是：永久结构的恒载包括所有附加机械和设备、电车和提高系统的负载,偏心负载,由于垂直加速度冲击载荷,电车横向负荷由于加速度的电车,有轨电车沿着rails斜负荷由于车轮滚滚,操作风荷载。

臂中部盖板法兰板厚度26mm。当小车在吊臂中间运行时，吊臂的最大Hencky-von Mises应力超过了材料的许用应力，如图8（a）所示。

为了降低应力值，有必要对其进行修正加强吊杆处的最大应力。我们可以增加法兰盖板的厚度，也可以改变截面的高度。采用增加盖板法兰板厚度的方法，通过臂架设计参数对话框输入新的36mm值。然后重新生成新的三维CAD模型，并同步修改APDL文件中相应的设计参数值。根据设计参数的新值，执行APDL文件，建立新的有限元模型。在与之前相同的荷载下，Hencky-von Mises最大应力减小，如图8（b）所示。得到了满意的结果。

图8（a） 应力分析图 图8（b） 应力分析图

5.基于3D模式的二维工程图生成

主要技术文件二维工程图纸应在零件和装配设计完成后建立。大多数商业软件，如Pro/ENGINEER或Solidworks等公司提供了工程制图模块，可以方便地生成平面视图、投影视图和渲染视图。在任何部分的剖面图，组件和整个起重机也可以方便地建立。

这些绘图模块生成的工程图与相应的零部件和起重机的三维模型相互关联。二维图形生成模块和三维模型生成模块使用相同的数据库。当修改工程图中的设计参数值时，也要修改零件、部件或起重机三维模型中的设计参数值。反之，零部件或吊车三维模型中设计参数值的任何变化都会反映在二维工程图的修改中。

由于起重机的大部分结构部件都是非常复杂的通用绘图模块无法对信号和其他特殊信号进行标注，Pro/ENGINEER生成的工程图需要使用AutoCAD等CAD软件系统进行修改，这些软件通过界面命令具有更强大的二维设计功能。首先，Pro/ENGINEER的2D绘图模块生成的工程图可以保存为*.dwg格式文件。*.dwg文件可以在AutoCAD软件环境中进行读取和修改。图9是一个臂架二维工程图的例子。

图9 臂架2D工程图

6总结

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