于國躍 丁 勇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

ProE在耙吸挖泥船吊架設計分析中的應用

于國躍 丁 勇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

應用基于特征的三維軟件ProE對耙吸挖泥船耙中吊架進行建模、有限元分析和運動仿真研究，提出吊架參數化、可視化的設計思路，并總結了ProE用于吊架設計分析的優(yōu)點。結果表明：ProE的應用是提高吊架設計效率，保證設計質量行之有效的方法。

耙吸挖泥船；吊架；ProE；建模；有限元分析；運動仿真

引 言

社會經濟的日益發(fā)展，對挖泥船的服務領域有了更多要求，這促使挖泥船朝著大型化、自動化、高效率的方向發(fā)展。［1-2］隨著耙吸挖泥船艙容、作業(yè)深度不斷增大，耙吸管長度與質量也隨之漸增，用于起吊耙吸管的吊架載荷也不斷加大。為了保證耙吸管吊架結構的可靠性，需要重新對吊架進行設計和校核。但傳統(tǒng)的二維AutoCAD設計思路，不僅繪圖工作量大，圖紙的設計修改工作也非常繁瑣，而且吊架結構強度只能用傳統(tǒng)的經驗方法進行計算校核。這些不便因素在很大程度上影響了吊架設計質量的穩(wěn)定性，且延長了吊架的設計周期。為了提高吊架的設計效率，本文以85 m深水耙吸挖泥船耙中吊架為研究對象，應用參數化三維設計軟件ProE，對耙吸管吊架進行建模、有限元分析和運動仿真研究，為吊架的設計提出了參數化、可視化的思路。

ProE是美國PTC公司推出的一款集CAD/ CAM/CAE功能于一體的綜合性三維軟件，它將尺寸看作可變的參數，尺寸修改后模型會立即重新生成。Mechanica Structure和Mechanism是ProE重要的兩個分析模塊，前者是集靜態(tài)、動態(tài)于一體的有限元模塊，能模擬真實環(huán)境，對模型進行靜態(tài)、動態(tài)、模態(tài)等多種分析；后者用于機構分析，能進行機構運動仿真演示、運動干涉檢測等。它們能夠實現和ProE的完全無縫集成，能將吊架的設計和分析有機結合起來，實現智能化設計。［3-6］

本文中85 m深水耙吸挖泥船是我國目前自行設計和建造的艙容量最大、疏浚作業(yè)最深、技術水平先進，功能齊全的超大型耙吸挖泥船（見圖1），目前該船已投入運營。［7］

圖1 85 m深水耙吸挖泥船

1 吊架建模

吊架是保證耙吸管安全有效作業(yè)的重要設備。它與絞車配合，將耙吸管從舷內移到舷外，并將其下放入水中，并將耙吸管調整到所需的工作角度，使耙頭在不同水深進行挖泥作業(yè)。大型耙吸挖泥船挖深大，耙吸管較長，一般配有耙頭、耙中和彎頭等多個吊架，本文選取耙中吊架進行分析研究。

1.1 耙中吊架組成

耙中吊架主要由固定吊架本體、樞軸式A字架、使A字架在舷內外移動的液壓油缸、吊放耙吸管的導向滑輪及襯套等組成。

1.2 模型創(chuàng)建

ProE是一個基于特征的參數化實體模型系統(tǒng)，而任何部件皆由一系列特征構建而成。［4］

建模前，首先需要對吊架深入剖析，分解各個組成部件的特征，明確各個特征形狀以及特征之間的相對位置和表面連接關系，然后根據特征的主次關系，確立特征的建立順序。在創(chuàng)建模型過程中，合理選取參照基準，使用拉伸、旋轉、混合、鏡像、陣列等命令逐步創(chuàng)建模型特征。建模中所選的基準和特征建立的順序直接影響著吊架后期的可修改性和可理解性。根據吊架功能和結構設計要求，逐個建立吊架各部件的三維模型。如圖2、圖3和圖4所示，為吊架部分組件的三維模型。

圖2 吊架本體

圖3 A字架

圖4 導向滑輪

1.3 模型裝配

完成吊架各部件的三維建模后，在ProE“組件”模塊中進行吊架的模擬裝配。吊架各部件之間通過關聯條件建立約束關系來確定部件在裝配中的位置，元件與組件之間的關聯性可保證當某個部件被修改時，引用它的組件將會自動更新，這是ProE參數化設計的高效率體現。通過模擬裝配可以檢查吊架各個部件的相對位置和干涉情況。

裝配時有兩種約束方式：一種是“放置”，給元件加入各種固定約束，將元件自由度減少至0；另一種是“連接”，給元件加入各種組合約束，如“銷釘”、“圓柱”等等，保留元件的一個或多個自由度，通過“連接”方式裝配的元件可在運動分析時獲得特定的運動。［5］圖5為吊架的裝配模型，其運動部件均以“連接”方式定位，可用于運動仿真研究。

2 吊架有限元分析

圖5 吊架裝配圖

吊架的結構強度取決于耙吸管起升絞車的最大起吊能力，而絞車的最大起吊能力是在耙吸管處于最大受力狀態(tài)時求得。吊架承受的主要載荷有吊重載荷、自重載荷以及風、浪載荷等。由于風、浪載荷對吊架影響較小，本文主要考慮吊架吊重載荷和自重載荷的影響。計算時涉及起吊系統(tǒng)滑輪的效率、動態(tài)系數、以及耙吸管處于一些特殊狀態(tài)下的受力狀況。通過計算，考慮雙索拉力后的吊架最大吊重為2 250 kN。下面主要針對吊架本體和A字架，探討ProE的有限元分析過程。

分析過程主要分為預處理階段以及求解和后處理階段。［6］

2.1 預處理階段

定義吊架部件的材料特性，給吊架部件添加適當的約束和有效的載荷。這些是模擬真實吊架受力狀態(tài)非常重要的因素，是Mechanica Structure模塊進行結構分析的基礎。

（1）定義吊架模型材料：在材料庫中選擇相應材料Steel，其特性根據實際使用材料的特性進行修改，包括：密度、楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數等參數。

（2）給吊架模型添加約束：吊架本體的底面焊接于船體，其自由度為0；A字架可繞樞軸旋轉，有1個旋轉自由度。

（3）施加載荷：吊架本體和A字架的載荷主要通過旋轉軸作用于圓孔上，在Mechanica Structure模塊中以軸承載荷的形式加載。為了體現部件重力的影響，定義重力加速度模擬部件重力。

2.2 求解和后處理階段

完成上述預設置后，新建立模型Static靜態(tài)分析任務，設置收斂方式為Single-Pass Adaptive；運行分析，Mechanica Structure后臺對模型進行自動網格劃分、建立方程、求解方程等一系列工作；待分析結束后，可用云圖、等值線、圖表等多種方式顯示分析的結果。圖6、圖7分別為吊架本體和A字架有限元分析的應力云圖。

圖6 吊架本體應力云圖

圖7 A字架應力云圖

從分析結果可以看出，吊架本體和A字架主體的最大應力分別為：100 MPa、200 MPa，其應力值都在材料允許范圍內，整體強度滿足要求；僅有少數加強筋板處局部應力集中，如圖6、圖7所示，其最大應力值超出許用范圍。由于吊架構件均由塑性材料加工而成，通?？梢圆豢紤]靜載作用下應力集中對構件強度的影響，同時可采取構件外形圓滑過渡的措施來降低局部應力集中。

3 吊架運動仿真

通過ProE Mechanism模塊模擬吊架的運動過程，對吊架設計進行模擬仿真校驗，可實現如圖8所示運動仿真流程。［4］

圖8 運動仿真流程

運動仿真的關鍵是運動模型的建立，我們在上述裝配吊架的過程中，已經為吊架的運動仿真做好準備，通過“連接”的方式裝配吊架。裝配后的吊架與實際情況保持相同的自由度：A字架和吊架本體、油缸套和吊架本體以及活塞桿和A字架的鉸接處均只有一個方向的旋轉自由度，活塞桿和油缸套之間也只有一個沿軸向平移的自由度。我們用“銷釘”連接方式替代鉸點，用“滑動桿”連接方式替代油缸活塞桿的伸縮。

運動模型建立后，設置吊架的運動環(huán)境是運動仿真的一個必要環(huán)節(jié)：實際工作中，液壓油缸為驅動吊架運動的動力源，為了在Mechanism模塊里給油缸賦予同樣的動力，我們給油缸添加一個伺服電動機，可使油缸產生平移運動。油缸的運動特性可通過伺服電動機的參數進行控制。Mechanism模塊提供多種運動分析的類型，不同類型對應不同的分析要求。本文我們僅對吊架進行單純的運動分析，不考慮外力因素的影響，故設置吊架運動仿真的類型為“運動學”，給定仿真動畫的結束時間、幀頻、最小間隔等參數（仿真模型見圖9）。

圖9 已設置運動環(huán)境的吊架模型

做好上述準備工作后，可運行吊架分析任務。分析完成后，回放、測量功能可以用來了解吊架運動過程?；胤胖羞x取“全局干涉”，動畫中會以紅色區(qū)域顯示吊架運動的干涉部位。

通過吊架運動仿真，能夠更為直觀地了解吊架運動過程；可檢測出運動干涉區(qū)域，便于提前獲知設計中出現的問題，減少設計失誤造成人力、物力上的損失。

通過回放，在A字架的設計旋轉范圍內，吊架各部件之間沒有干涉情況發(fā)生。

4 結 論

綜上所述，ProE提供了參數化三維建模，并給出二維圖、有限元分析以及運動仿真的吊架設計集成化解決方案：

（1）ProE為吊架設計提供了可視化思路，使原來在二維圖紙上難以表達的部分變得直觀且易于理解。

（2）ProE的參數化特點，使吊架設計修改更為方便，可以大幅地提高設計過程中圖紙修改的效率，不像AutoCAD中那樣麻煩。

（3）ProE和 Mechanica Structure、Mechanism等模塊的無縫集成，使得ProE可以很方便地在不同模塊間進行切換，這讓吊架的設計校驗和優(yōu)化更為方便實效，不需要重復導入、導出模型的工作，避免因處理IGES等文件格式的數據丟失而對幾何模型進行的修補，大大減少了工作量。

本文的探索證實了ProE應用是切實可行的。相對于傳統(tǒng)的AutoCAD，ProE的應用將帶來船舶裝備設計手段上的又一次革新。

［1］劉厚恕. 國內外大型耙吸挖泥船發(fā)展綜述［J］. 上海造船，2006（4）：20-23.

［2］陳曙梅，汪戰(zhàn)軍，楊東亞.淺談耙吸挖泥船的結構設計優(yōu)化［J］. 船舶，2012（1）： 29-32.

［3］黃圣杰，王俊祥. Pro/Engineer 2001 基礎及應用教程［M］. 北京： 電子工業(yè)出版社，2002.

［4］李預斌. 精通Pro/Engineer中文野火版-實例進階篇［M］. 北京： 中國青年出版社，2004.

［5］祝凌云，李斌. Pro/Engineer運動仿真和有限元分析［M］. 北京： 人民郵電出版社，2004.

［6］張繼春，徐斌，林波. Pro/Engineer Wildfire結構分析［M］. 北京： 機械工業(yè)出版社，2004.

［7］仲偉東，費龍.“通程”號超大型耙吸挖泥船開發(fā)設計［J］. 上海造船，2011（2）： 29-32.

Application of ProE on design and analysis of gantry for trailing suction hopper dredgers

YU Guo-yue DING Yong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper carries out the modeling, fi nite element analysis and motion simulation study of the gantry for the trailing suction hopper dredgers based on the characterized 3D software ProE. It puts forward the design concept of the parameterization and visualization of gantry, and summarizes the advantages of the application of ProE to the design and analysis of gantry. The results show that the application of ProE is e ff ective to improve gantry design effi ciency and ensure the design quality.

trailing suction hopper dredger; gantry; Pro/Engineer; modeling; finite element analysis; motion simulation

U671.91

A

1001-9855（2014）04-0105-05

2014-02-21 ；

2014-04-12

于國躍（1984-），男，工程師，研究方向：船舶特種機械設計與研究。 丁 勇（1979-），男，高級工程師，研究方向：船舶特種機械設計與研究。