戴濤旭，王全先，裴看看，張 恒

(1.安徽工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243002; 2.特種重載機器人安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

主梁是橋式起重機中最重要的關鍵部件，設計要求極其嚴格，傳統(tǒng)的設計方法通常是進行計算校核、繪制圖形以及ANSYS分析等，設計周期長。構建橋式起重機主梁的CAE集成系統(tǒng)，運用計算機代替手工進行計算與繪圖，可通過人機交互，最大限度地發(fā)揮設計人員的創(chuàng)造力和經驗[1]，提高橋式起重機的設計效率和質量[2]。

鋼結構是整臺起重機的骨架，用以裝置起重機的機械、電氣設備，支持被起吊的重物，承受和傳遞作用在起重機上的各種載荷[3]。橋式起重機的主梁有多種結構形式，箱形結構是被廣泛采用的形式之一。對于偏軌箱形梁，由于軌道偏置在一塊腹板上，可以省去一些作為軌道支承用的小加肋板，減小了小車軌距，大大降低了小車重量，同時減少了焊接量[4]，故雙梁箱形偏軌主梁得到了越來越多的應用。筆者以雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁為研究對象，使用Creo軟件建立雙梁箱形偏軌主梁的初始三維模型，然后在VB平臺上開發(fā)雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁CAE設計系統(tǒng)，調用ANSYS軟件對其進行有限元分析，快速實現(xiàn)雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁的結構設計和有限元分析工作，克服了傳統(tǒng)設計方法設計工作量大、容易出錯、且不利于反復修改再設計的缺點，為實際工程應用提供了一個強有力的設計工具。

1 雙梁箱形偏軌主梁的結構設計

雙梁箱形偏軌主梁的斷面圖如圖1所示，其結構設計的主要工作是進行鋼結構尺寸設計并驗算尺寸的合理性，在滿足設計要求的條件下，盡可能地減少主梁重量以節(jié)約制造成本。

圖1 雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁斷面圖

1.1 雙梁箱形偏軌主梁建模

首先根據10T-22.5 m型雙梁箱形偏軌主梁的尺寸建立偏軌主梁的初始模型。在Creo軟件中繪制雙梁箱形偏軌主梁模型，模型主要包括上蓋板、下底板、兩塊腹板以及方形鋼軌道。上蓋板和方形鋼軌道可通過RIGHT面建立斷面圖，然后向兩側拉伸，與端梁連接的部分可任選一端進行繪制，然后以RIGHT面為鏡像平面進行鏡像。繪成的雙梁箱形偏軌主梁模型如圖2所示。

圖2 雙梁箱形偏軌主梁模型示意圖

1.2 有限元前處理

文中在Creo軟件中對雙梁箱形偏軌主梁模型進行網格劃分和施加約束載荷等前處理操作，最后生成有限元模型再導入ANSYS軟件中進行有限元分析。此方法汲取了Creo軟件和ANSYS軟件各自的優(yōu)點，為雙梁箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)的開發(fā)建立了基礎。

1.3 雙梁箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)的搭建

建立好初始模型，以可視化的VB平臺為基礎，搭建雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)，實現(xiàn)三維模型設計和有限元處理的自動化。搭建系統(tǒng)所需要的關鍵技術就是利用VB對Creo軟件和ANSYS軟件進行一定程度的二次開發(fā)。通過二次開發(fā)，設計人員只需輸入設計尺寸，系統(tǒng)在后臺完成雙梁箱形偏軌主梁的模型設計，然后調用ANSYS軟件進行有限元求解，從而實現(xiàn)雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁的快速設計開發(fā)。

2 基于VB的Creo二次開發(fā)

2.1 AGW的連接

Creo的二次開發(fā)方式有很多，其中以AGW軟件為橋梁，利用VB對Creo進行二次開發(fā)是相對方便快捷的。AGW(Automation Gateway)是RAND公司開發(fā)的針對 Creo軟件的二次開發(fā)工具, 與 Creo系統(tǒng)自帶的二次開發(fā)工具 Pro /TOOLKIT相比，具有簡單易用等優(yōu)點[5]。AGW軟件可以分別訪問Creo和VB的數據庫，并在其間傳遞數據，從而達到利用VB對Creo進行二次開發(fā)的目的。

首先將AGW與Creo建立連接。在電腦桌面先后打開Creo軟件和AGW軟件，AGW打開后會自動連接Creo，當屏幕上出現(xiàn)如圖3所示的“Successful！”提示信息時，表明連接成功。

圖3 AGW和Creo連接成功示意圖

2.2 調用Creo快速設計

調用Creo進行快速設計，就是通過編寫代碼控制Creo自動完成模型重繪。文中雙梁箱形偏軌主梁的結構設計是在一個提前建好的三維模型的基礎上，通過系統(tǒng)讀取該基礎模型的尺寸參數信息，然后輸入修改后的新模型的尺寸參數，并通過AGW傳遞給Creo，Creo再自動修改尺寸參數，生成新的雙梁箱形偏軌主梁三維模型。通過對雙梁箱形偏軌主梁模型的設計參數的識別、提取、修改，從而實現(xiàn)雙梁箱形偏軌主梁的參數化結構設計。所以，文中所設計的系統(tǒng)并不是直接控制Creo進行草圖繪制、創(chuàng)建特征等操作，而是在已有模型的基礎上進行重繪，從而實現(xiàn)利用VB調用Creo對雙梁箱形偏軌主梁進行快速設計。

所用到的主要代碼如下。

Public RGateway1 As New GwayAX，對全局變量的聲明。Public是VB聲明全局變量的一種常用方式，RGateway是定義對象的簡稱，GWayAX是添加的AGW的一個插件。通過全局變量的聲明，VB就能訪問AGW的函數庫了。

指令ModelRetrieve(modelname)，可以將雙梁箱形偏軌主梁的基礎模型存入到內存中，modelname是模型所在位置。

SessionSetCurrentModel，將內存中的模型調出，然后顯示在Creo中，該函數需與ModelRetrieve函數組合使用。

RGateway1.DimensionGetValue(“d0”)，將該值賦值給文本框來獲取Creo模型的特征尺寸，特征尺寸是Creo模型的基本尺寸，如圖4所示，為雙梁箱形偏軌主梁的部分特征尺寸示意圖。

圖4 雙梁箱形偏軌主梁模型特征尺寸圖

d0=RGateway1.ParamSetValue，在指令后給定特征尺寸的代號以及文本框名稱，即可將修改后的尺寸反饋給Creo，此處d0為輸入的新模型的其中一個尺寸值。

RGateway1.ModelRegenerate，該函數的功能是模型重生，通過上一步，Creo收到了新的特征尺寸的信息，此處函數使得Creo按照新尺寸對特征尺寸重新定義。

RGateway1.WindowRepaint，該函數是在ModelRegenerate函數生效后，對模型進行重繪。至此，就實現(xiàn)了雙梁箱形偏軌主梁的模型修改。

2.3 編寫計算書

編寫計算書，將設計好的尺寸和部分程序代碼輸出為文本文件，方便設計人員查看。文中采用Output語句將程序數據輸出到文本。Output方式打開的文件是用來輸出數據的，可將數據寫入文件，即寫操作。所用到的主要代碼如下。

Dim lj AS String

lj=”C：Users”&”說明書”&”.txt”

if Dir(lj)=””Then

Open lj For Output As #1

Print #1,

……

語句中，” C：Users”為文本的儲存路徑，若該路徑為空，則系統(tǒng)打開新文本并輸入數據；#1則代表計算書文件，在”Print #1,”后面書寫所需輸出的數據。

3 VB調用ANSYS軟件技術的實現(xiàn)

文中采用ANSYS的參數化設計語言APDL來實現(xiàn)ANSYS的二次開發(fā)。APDL是一種解釋性語言, 可以用來自動完成一些通用性強的任務[6]。VB調用ANSYS步驟中最重要的一步就是建立APDL文本文件，文件中用命令流進行導入有限元模型并求解，然后顯示變形并將結果輸出為圖形文件。所用到的命令流指令主要如下。

/CLEAR，該命令用于清空數據庫文件，方便開始后續(xù)的新工作。

/Filename，用于命名工作文件。

/INPUT,指令后面寫入有限元文件的名稱和文件位置 ,該指令中，INPUT用于導入雙梁箱形偏軌主梁的有限元模型，文中模型名稱命名為Analysis1.ans，該模型的文件位置一般設置為電腦桌面，方便存儲和查找。

/SOLU，SOLU的作用為訪問求解器。

/SOLVE，此處作用為開始對雙梁箱形偏軌主梁進行求解運算。

/POST，求解結束后，需要對求解結果進行查看，POST指令用于訪問后處理器。

/VIEW,1,1,1,1，VIEW命令的作用是查看模型求解結果時設置觀察視角。

/REPLOT，該指令表示刷新當前界面，當添加了新指令后，為保證ANSYS軟件的確完成了后臺處理，往往通過刷新來重新顯示操作界面。

PLNSOL,S,EQV,0,1.0，PLNSOL指令用于以等值線和云圖的形式來顯示各節(jié)點處的計算結果，此處“S,EQV”表示所使用的應力為Von Mises應力，即米塞斯應力。

/show,jpeg,,0，show命令表示在操作界面顯示求解結果圖。

建立完APDL文本文件，然后利用Shell函數調用ANSYS求解。Shell函數是VB常用的調用外部程序的一種窗口函數。調用ANSYS的主要代碼如下。

exe=Text1.Text，exe在VB中一般作為可執(zhí)行文件，此處將其賦值為本機ANSYS的安裝路徑，需要用戶自行輸入，這樣設計使程序可在不同計算機上運行，提高了系統(tǒng)的實用性。

path=Text2.Text,該代碼中路徑path賦值的是本機ANSYS的工作目錄，同樣是為了使shell函數能夠調用不同計算機上的ANSYS軟件。

Open path&””&”ANSYS”&”.txt”For Output As #1，此串代碼是VB打開一個空白文本的常用句式。其中，Open指令為打開文件，后面連接文件路徑。Output指令是文件的打開方式，通常結合Print函數一起使用。

Print#1,”/Filename,dai”，Print用于在打開的文本中輸入內容，此處輸入的內容為APDL的命令流文本。

Close #1，文件編輯完成后的結束語。

way = exe &"-pANE3FL-dir"&path&"-jjob-b -i"&path &"ANSYS.txt"&" -o "& path &"dai-fileout.txt"，該代碼需要結合shell函數使用，其作用為定義shell函數所調用的外部軟件的名稱和路徑等。其中，-p表示ANSYS的產品代號，ANE3FL是ANSYS的Multiphysics模塊的特征代碼，dir后面綴上相對路徑便于移植，-j表示工程名稱，-b為運行的控制開關，-i后綴的路徑為APDL命令流文本的路徑，-o后面的路徑為輸出的文本路徑。

X=Shell(way,VBMaximizedFocus)，代碼中參數X用于存放shell函數的返回值，結合上條代碼中way的賦值，就可利用VB打開ANSYS軟件了。

查看求解結果的主要代碼如下。

path=form16.Text2.Text

way=path&””&”file”&”001.jpg”

Form25.Picture1.Picture=LoadPicture(way)

代碼中，path的值為調用界面內輸入的本機ANSYS的工作目錄，在way的賦值中，“file001.jpg”是其中一個結果圖的名稱。然后通過LoadPicture函數來加載圖片并顯示在程序的窗口上。

至此，就完成了VB與ANSYS之間的連接。在生成新的橋式起重機雙梁箱形偏軌主梁的三維結構后，打開Creo軟件，在系統(tǒng)指引下修改網格和施加的載荷，此時會生成一份*.ans文件，將此文件復制到ANSYS的工作目錄下，系統(tǒng)就可調用ANSYS完成有限元求解。

通過VB調用ANSYS軟件的技術，結合前文中Creo的二次開發(fā)技術，實現(xiàn)了雙梁箱形偏軌主梁的快速CAE設計。通過VB所搭建的平臺，使得繁瑣而復雜的再設計過程變得輕松高效，為實際工程應用提供一個可供參考的設計工具。

4 系統(tǒng)算例

以10T22.5M雙梁橋式起重機的箱形偏軌主梁為例，運用系統(tǒng)進行算例分析，系統(tǒng)主界面如圖5所示，先后點擊“Creo4.0鏈接”、“ANSYS19.0鏈接”，前處理界面如圖6所示，結構設計界面如圖7所示，ANSYS求解界面如圖8所示，輸入對應參數，即可完成設計，設計完成后查看求解結果和生成計算書，查看結果圖如圖9所示。整個設計過程快捷方便，極大地節(jié)約了雙梁箱形偏軌主梁的設計周期，改善了雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁設計量大、工作效率低、精度不高的設計現(xiàn)狀。

圖5 系統(tǒng)主界面示意圖 圖6 Creo前處理界面示意圖

圖7 結構設計界面示意圖 圖8 調用ANSYS界面示意圖

圖9 查看結果示意圖

5 結 語

在VB平臺上，利用連接軟件AGW對Creo進行二次開發(fā)，實現(xiàn)直接輸入設計參數，系統(tǒng)自動完成Creo三維模型的重繪，快速完成雙梁箱形偏軌主梁的結構設計。以APDL為基礎，對ANSYS進行一定程度的二次開發(fā)，手動完成網格劃分和載荷約束施加后，系統(tǒng)將重繪的雙梁箱形偏軌主梁的有限元模型導入ANSYS中，調用ANSYS進行快速分析和查看求解結果。通過二次開發(fā)技術開發(fā)雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)，實現(xiàn)雙梁箱形偏軌主梁的快速CAE設計，提高了設計效率和質量。