40t-35m四连杆门座起重机总体与工字截面象鼻梁结构参数化建模外文翻译资料

 2022-04-18 10:04

INFORMATION PAPER

International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol. 1, No. 5, May 2009

Standardization of Jib Crane Design by “F.E.M. Rules” And Parametric Modeling

Sandip D. Shinde1

1 PG Student Department of Production Engineering,

S.G.G.S.I.E.amp;T. Nanded- 431 606, Maharashtra, India.

Email: sdshinde14@gmail.com

Abstract— Standardization of jib crane design procedures enables designers to develop their own jib crane automation modules for entire jib crane design applications. Since main effort and time for implementation of the jib crane design procedures are generally spent for interpretation and explanation of the available jib crane design standards, a computer-automated access by using parametric modeling to the available standards may improve speed, reliability and quality of the design procedures. Starting from the fact that components of jib cranes are generally composed of similar mechanical and electrical sub-components independent of the crane type, a general component tree of jib cranes is developed for automation purpose. Design Modules of cranes are defined from the developed component tree of the cranes based on the available design procedures. Independent Design Procedures are defined as atomic design modules of the jib crane design procedures by considering computational approaches and rules in the 'F. E. M. Rules' for each jib crane component. The 'F. E. M. rules' is selected for this purpose because of its widespread use and established popularity among the jib crane manufacturers. Access to the 'F. E. M. Rules' from any design procedure is fully automated by using a systematic approach of parametric modeling. The parametric model can be used for various jib crane design cases as well as further for optimization. “Ref. [6]”

Index Terms— F.E.M. Rules, Jib Crane Design, Computer Automated Design, Parametric Modeling.

I. INTRODUCTION

Jib Cranes are industrial machines that are mainly used for materials movements in construction sites, production halls, assembly lines, storage areas, power stations and similar places. Their design features vary widely according to their major operational specifications such as: type of motion of the crane structure, weight and type of the load, location of the crane, geometric features, operating regimes and environmental conditions. However, an appraisal of the available literature reveals that procedural design of jib cranes are highly saturated and standardized in various industrial companies and organizations independent of the jib crane type. Consideration of the available technology that is mainly based on the accumulated previous experience is important for better performance, higher safety and more reliable designs. It is well known that generic features of jib crane components are similar for various different types of cranes. Since the jib crane design procedures are highly standardized with these components, main effort and time spent in jib crane design projects are mostly for interpretation and implementation of the available design

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standards. Many national and/or international standards and rules offer design methods and empirical approaches and formulae that are based on previous design experiences and widely accepted design procedures. It is believed that computer automated access to these standards with pre-loaded interpretation; parametric modeling and guidance rules increase speed and reliability of the design procedures and increase efficiency of the jib crane designers. “Ref. [1]”

II. CAD/CAM/CAE IN JIB CRANE DESIGN

CAD/CAM/CAE is used mainly for two purposes in a jib crane design process. The first is procedural programming that enables designers to make lengthy and tedious calculations in a short time. This also includes use of CAD techniques and reduces the design time significantly. Another approach is the use of CAE for expert system applications. CAE are used mainly in selection and decision making stages of the design process. It is believed that Design Automation by using CAE may result in significant improvements on designersrsquo; productivity. Greater consistency of design, ability to explore more alternatives and integration of the design/analysis/documentation processes are most significant advantages of the design automation by using parametric modeling. There are many design automation software packages and many more expert systems developed for industrial applications on various fields. If we use Ansys Parametric Design Language (APDL) in this field then it is really helpful for Design Automation and is aimed to obtain least cranage cost by calculating the combined use of different types of jib cranes “Ref. [4]”.

The ANSYS Workbench platform is an environment that offers an efficient and intuitive user interface, reliable and tight CAD integration, automatic meshing, and access to model parameters. Basing current and future development on this architecture, ANSYS are able to provide a single, integrated simulation environment for its entire product range including structural, electromagnetic and CFD disciplines. Furthermore, through its multi-physics capabilities, coupled problems, such as fluid-structural interaction, can also be undertaken within this framework, using common mesh and geometry manipulation tools.

A key component of Workbench is that it has been specifically developed to enable parameterization of the entire simulation model, including geometric, material and boundary condition variables. As ANSYS supports native, bi-directional, integration with the most popular

copy; 2009 ACADEMY PUBLISHER

INFORMATION PAPER

International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol. 1, No. 5, May 2009<!--

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摘要

臂架起重机设计程序的标准化，使设计人员能够为整个臂架起重机设计应用开发属于自己的臂架起重机自动化模块。由于在起重机设计程序的工作中，大部分时间通常用于解释可用的起重机设计标准，通过对可用标准的参数化建模来达到计算机的自动访问，可以提高程序设计的速度，可靠性和质量。由于臂架起重机的部件通常由独立于起重机类型的机械和电子部件组成，出于自动化的目的，一种臂架起重机的通用构件树被开发出来。起重机的设计模块是根据现有设计程序从起重机的开发构件树中定义的。通过对每个吊臂起重机部件的有限元分析，独立设计程序被定义为臂架起重机设计程序的原子设计模块。“有限元法”因为它在臂架起重机制造商中的广泛使用而被选择。通过使用参数化建模的系统方法，对任何设计程序进行有限元分析都是完全自动化的。参数化模型可用于各种起重机案例设计和进一步的优化。

关键词：有限元法 臂架起重机设计 计算机自动化设计 参数化建模

绪论

臂架起重机是工业机械，主要用于建筑工地、生产车间、装配线、仓储区、发电站等场所的物料移动。它们的设计特点根据其不同需求而有所改变，例如：起重机结构的运动类型，负载的重量和类型，起重机的位置，几何特征，运行状况和环境条件。然而，现有文献表示，臂架起重机的程序设计在各种非臂架起重机类型的工业公司和组织中高度饱和标准化。对主要基于经验积累的现有技术的思考，对于更好的性能，更高的安全性和更可靠的设计非常重要。众所周知，各种不同类型的起重机的部件的特征是相似的。由于起重机的设计程序对这些部件高度标准化的需求，起重机设计项目的大部分时间主要用于解释现有设计标准。许多国家（国际标准）提供了基于先前的设计经验并被广泛接受的设计程序的方法和公式。 相信通过预先加载的解释，计算机可以自动访问这些标准，参数化建模和指导规则将提高设计程序的速度和可靠性，以及起重机设计人员的效率。

臂架起重机设计中的CAD / CAM / CAE应用

CAD / CAM / CAE在旋臂起重机设计过程主要用有两种用途。首先是程序编程，使设计人员能够在短时间内完成漫长而乏味的计算。这也包括使用CAD技术明显缩短了设计时间。另一种方法是将CAE用于专家系统应用程序。 CAE主要用于设计过程的决策阶段。人们认为通过使用CAE进行设计自动化会显著提高设计人员的生产力。设计更为一致，探索更多替代方案的能力以及设计/分析/文档处理的整合是通过使用参数化建模来完成设计自动化的最大优势。有许多设计自动化软件包和许多为各个领域的工业应用开发的专家系统。如果我们在这个领域使用Ansys参数化设计语言（APDL），那么它对于旨在通过计算不同类型的臂架起重机的组合来获得最小的起动成本的设计自动化非常有用。

ANSYS Workbench平台提供高效直观的用户界面，可靠和紧密的CAD集成，自动网格划分和模型参数访问的环境。 基于此架构的当前和未来发展，ANSYS能够为其整个产品系列（包括结构，电磁和CFD规程）提供单一的集成仿真环境。 此外，通过其他物理学功能，还可以在此框架内使用常见的网格和几何操作工具来执行耦合问题，如流体 - 结构相互作用。Workbench的一个关键组成部分是它专门开发的参数化模拟模型，包括几何，材料和边界条件变量。 由于ANSYS支持与最流行的CAD系统进行原生，双向的集成，因此设计人员可以直接参考最初创建实体模型时定义的参数，在这种情况下，用户可以采用“仿真驱动的产品开发”策略，从仿真结果中自动导出CAD模型。

“有限元法”的结构

“有限元法”主要是指导臂架起重机设计人员的一系列规则（而非程序）。 “有限元法”中隐含着许多要求，但对于既定设计计算的明确的陈述并不做要求。 这对不同公司和机构的起重机设计者来说非常方便，因为每家公司都有自己的技术诀窍和经验，可以在自己的起重机设计技术中实施。 下面列出了“有限元法”的绝大部分特征：

  1. 出于设计目的，对起重臂和起重机部件进行详细的分类
  2. 出于安全目的，对悬臂起重机的负载进行分类和标识
  3. 各种负载（包括测试负载）条件下要满足的强度和稳定性要求
  4. 提供起重机非关键性的部件的信息

臂架起重机的分类

对臂架起重机的负载分类

强度和稳定要求

非关键部件的标识

图1 有限元法的结构

图1给出了“有限元法”的结构示意图。该图从主题角度总结了有限元法规的文本概述。 “有限元法”从臂架起重机及其机构/部件的分类开始，并继续讨论载荷及其识别和相关的应力/挠度分析。 它还包括决定外部负载的标准，选择起重机部件和测试制造的起重机。

计算机自动访问“有限元法”

本研究的第一阶段是通过臂架起重机设计代码实现对“有限元法”的访问。 这是通过在Design Modeler环境中自动访问“有限元法”的元素来实现的。 这些软件包的开发和集成使得相关的建议，计算过程和数据在运行期间相互传输。 开发用于旋臂起重机设计的计算机自动化程序可带来以下好处：

  1. 制定既定的设计程序
  2. 在有限的设计周期内消除了对吊臂起重机设计标准的误解
  3. 消除对人类专家的绝对依赖
  4. 系统化以往积累的经验
  5. 形成了一个智能设计数据库

在这项研究中，对臂架起重机设计自动化的程序结构进行了详细的开发、分析和测试。 这些将在下面的章节中解释。

  1. 建模和几何编辑定制仿真

创建设计模型是产品开发的核心部分，也是模拟过程的第一步。 这些模型可以是代表实际设计细节的几何形状，也可以是使用简化组件（如梁和板）的近似设计。 模拟通常需要典型CAD操作不需要的独特建模功能。 因此，这些功能要么缺乏CAD系统，要么以不适合执行仿真相关功能的方式实现。 Design Modeler是ANSYS的Workbench应用程序，它提供了独特的建模功能，包括详细的几何创建，CAD几何修改和概念模型创建工具。

  1. 详细的几何创建

Design-Modeler提供几何创建功能，如拉伸，旋转，扫掠和倒角功能等，以创建完全参数化的模型。 这些模型可以与任何核心ANSYS仿真产品一起使用，也可以使用ANSYS Design-Xplorer等附加工具来执行设计优化。

  1. 概念模型创建

在创建任何详细的CAD几何图形之前，将概念模型用于产品开发过程。 设计近似值以及模拟结果 - 在产品成本受到显着影响时，在设计周期的早期做出快速产品决策时非常有用。 Design-Modeler提供了快速创建这些模型的工具，然后使用ANSYS仿真工具轻松预测建议的设计将如何执行。

  1. CAD几何修改

CAD模型通常旨在精确地表示最终设计的确切意图，并且通常缺少模拟所需的附加功能。 Design-Modeler提供了这些独特的仿真功能，如图2所示的用于施加载荷的分裂表面，定义焊缝或在表示“空气”的模型周围创建区域。

CAD模型也可能包含模拟过程所需的更多细节，或者细节可能不是正确的形式。 Design-Modeler支持CAD功能删除等任务; 图3中示出了从固体中提取表面，将部件合并成一体的过程。

用参数化模拟的程序ANSYS WORKBENCH完成臂架起重机设计自动化

在机械工程和计算机技术的最新发展，将使用于起重机设计的工艺和方法发生重大变化。然而，显然起重机机构（起重，运动和其他）由类似的机械和电气部件组成，这些部件独立于起重机的类型，在实践中需要对起重机设计程序和起重机械机构进行严格检查。从这个事实出发，臂架起重机的整体构件树被开发出来，用于说明在不同类型的悬臂起重机构中使用类似的机械和电气部件。尽管不同机构的机械和电气部件在类型、尺寸以及机械和电气特性方面有所不同，但所有这些部件都是通过使用类似的计算程序和规则来设计的。吊臂起重机的所有子系统（作为工程系统）都是这些部件的组件;因此吊臂起重机构的设计程序非常相似。这些机械和电气部件具有明确的设计程序，被称为臂架起重机的“设计模块”。

臂架起重机的主要设计模块由臂架起重机的可用设计程序和组件树确定。设计模块如此标识以便为每个设计模块明确定义“独立设计流程”。开发的“独立设计程序”（IDP）集合涵盖了任何臂架起重机设计程序，用于设计计算或选择设计模块。此功能使设计人员可以在其设计中使用他们自己的首选参数化建模值。

用于参数驱动设计的Ansys Workbench仿真策略

  1. ANSYS Workbench中的参数化体系结构

与CAD系统的关联性意味着可以对CAD模型进行设计更改，而无需重新应用加载和/或支持。 由于正常的CAD模型可以用多个参数来定义，工程师可以通过他/她允许修改的那些参数进行过滤，同时抑制其他任何优化工作。 所有其他可能影响设计性能的参数（包括材料属性和加载条件）也可以用相同的方式定义（图4）。 在很多情况下，这些数据也可以从CAD系统传输。 因此，可以设置一个“主”仿真模型，从而可以快速有效地调查所有设计更改。

在实践中，工程师并不总是能够访问用于参数化驱动仿真的完美CAD模型。 因此，包含的功能可以在不破坏双向集成的情况下为了分析的目的而对CAD几何进行“调整”。 在其他情况下，CAD几何图形还没有在参数化的情况下创建，或者只有传统的分面数据可用。 ANSYS再次开发了“重新参数化”模型的工具，并在优化框架中进行设计修改。

  1. 我们如何处理非参数CAD

除了内在CAD设计之外，仿真通常需要建模操作，例如中间曲面和去除特征。 CAD系统或Workbench应用程序缺乏这些功能，这些应用程序为高质量FEA或CFD准备CAD设计而不会破坏参数链接。 此外，新的参数特征可以以对于执行仿真相关功能不是最佳的方式实现。 此外，用户可能希望保留CAD模型之间的细分和制造目的，以及仿真所需的几何形状。 Design-Modeler被添加到静态CAD模型中。 图5显示了如何在现有设计中创建/修改参数定义的角度。

  1. 我们如何处理非参数遗留问题

在某些情况下，CAD设计师可能想要优化其设计，但尚未创建参数化3D几何体。 通过与分面数据合作

网格变形技术允许参数化CAD数据创建的模型，非参数几何数据（如IGES或STEP）或网格文件（如NASTRAN，ABAQUS或ANSYS数据文件）（图6），而不是实体模型。

结论

臂架起重机在配置、容量、操作模式、使用强度、工作环境和成本方面差异很大。各种形式，操作条件，环境因素使得臂架起重机的设计充满挑战。当现有起重机不符合新应用要求时，通常会出现新的设计需求。但是，在大多数情况下，可以从先前积累的技术信息中获得有关起重机配置和结构的必要知识。技术信息通常是标准化的。除此之外，世界各地的起重机部件都是标准化的，并且适用于计算机自动化设计程序。由于臂架起重机的设计程序是高度标准化的，所以在臂架起重机设计程序中的主要工作是解释和使用参数化建模。因此，需要通过计算机自动访问现有的标准，以确保臂架起重机设计的自动化的完整性和高效性。

一般来说，自动化设计的一些主要优点包括：

  1. 更高的设计一致性，这使得制造和现场服务更容易 。
  2. 能够探索更多的选择，因为设计可以在更短的时间内完成，所以设计人员可以研究更多的选择。
  3. 保留设计专长，工程人员的动作可能会给工程组织带来困难，而自动化设计过程可以捕捉并记录这些设计专长。

致谢

作者要感谢尊敬的生产工程部门总监Dr. M. M. Dabade，S.Kajle博士提供必要的设施。 这项工作部分得到了印度马哈拉施特拉邦的Shri Guru Gobind Singhji工程技术研究所Nanded的资助。

参考文献

  1. Baker J. “Cranes in Need of Change”, Engineering, v. 211, n. 3, p. 298. 1971.
  2. Basu A., Majumdar A. K., Sinha S., “An Expert System Approach to Control System and Analysis”, IEEE Trans. on Systems, Mans and Cybernatics, v. 18, n. 5, pp. 685-694, 1989.
  3. Erden Z., Erkan M. and Erden A., “A Computer Based Design Support System for Automate Access to the F. E. M. Rules in a Crane Design Procedure”, Proceedings of the 7th International Machine Design and Production Conference, pp. 575-583, Ankara, Turkey 1996.
  4. Gupta T. “An Expert System Approach in Process Planning: Current Development and its Future”, Computers and Engineering, v. 18, n. 1, pp. 69-80, 1990.
  5. Marchese P. J. and Rice R. F., “Trends in

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