劉中國(guó) 韓曉龍 張德文 孫 琪 孫 華 程顯超 李克松

1 山東港口集團(tuán)有限公司 2 山東港口裝備集團(tuán)有限公司 3 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院 4 青島港口裝備制造有限公司

1 引言

傳統(tǒng)的岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)設(shè)計(jì)流程為:總圖設(shè)計(jì)定方案、詳細(xì)設(shè)計(jì)定細(xì)節(jié)、力學(xué)計(jì)算校核數(shù)據(jù)、完善設(shè)計(jì)出圖紙,其結(jié)構(gòu)已基本成熟,設(shè)計(jì)的主要區(qū)別是根據(jù)不同裝載量調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)尺寸。目前,經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是該類產(chǎn)品的主流設(shè)計(jì)方法,即借用前期的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行定向圖紙的修改。盡管該方案具備響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在非最優(yōu)設(shè)計(jì)缺陷、相似機(jī)型冗余過大等問題[1]。因此,既能實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度快,又能保證設(shè)計(jì)最優(yōu),基于第一性原理的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生。

參數(shù)化設(shè)計(jì)作為貫穿于設(shè)計(jì)全壽命周期的方法,具備一次性設(shè)計(jì)多組相關(guān)同類型產(chǎn)品的特性[2]。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是建模先向性,即快速搭建基本模型,再對(duì)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行修改,且可變動(dòng)某一些參數(shù)來(lái)更新設(shè)計(jì)。在涉及到同類型的新產(chǎn)品研發(fā)時(shí),只需要改動(dòng)局部參數(shù)即可。因此相比于經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì),參數(shù)化設(shè)計(jì)可較大幅度地提高港口起重機(jī)的設(shè)計(jì)效率(見圖1)。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)比

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)方案

2.1 系統(tǒng)工作流程建立

通過VS2010這一系統(tǒng)開發(fā)工具,建立岸橋的參數(shù)化人機(jī)交互界面。在其操作界面中,完成第一層主參數(shù)的輸入,通過調(diào)用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks進(jìn)行參數(shù)化建模,再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析,并將計(jì)算結(jié)果反饋三維模型,從而進(jìn)行模型調(diào)整與優(yōu)化,形成最后的三維模型后,調(diào)用AutoCAD軟件繪制二維施工圖紙。在此過程中,均已提前完成參數(shù)的邏輯關(guān)系搭建,比如Solidworks軟件本身建模時(shí)每層關(guān)系的互相驅(qū)動(dòng)、調(diào)用和修改,ANSYS計(jì)算結(jié)果對(duì)于Solidworks中模型的反饋、修改等。系統(tǒng)工作流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2.2 具體技術(shù)手段

結(jié)合solidworks軟件,運(yùn)用參數(shù)化二次開發(fā)技術(shù),實(shí)現(xiàn)岸橋設(shè)計(jì)的系列化、模塊化、參數(shù)化(主機(jī)參數(shù)化、部件參數(shù)化)、可視化。該階段設(shè)計(jì)內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)手段包括:

(1)確定初步的總體設(shè)計(jì)參數(shù)和總體布局,完成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)界面定義,利用VS2010自行編寫代碼進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā),建立系統(tǒng)用戶界面。

(2)進(jìn)行初步的參數(shù)優(yōu)化,并對(duì)電機(jī)、制動(dòng)器和減速器等典型構(gòu)件進(jìn)行交互式選型。根據(jù)對(duì)成品、設(shè)備、安全輔助等具體要求,確定初步的起重小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、俯仰結(jié)構(gòu)和大車運(yùn)行結(jié)構(gòu)中電機(jī)、制動(dòng)器、減速器等部件設(shè)計(jì)參數(shù)和布局,完成各機(jī)構(gòu)外形初步設(shè)計(jì),并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。

(3)采用參數(shù)化特征建模方法,建立零部件的基本形狀和包容空間,進(jìn)行結(jié)構(gòu)打樣設(shè)計(jì)(如各結(jié)構(gòu)的形式及截面尺寸)。結(jié)構(gòu)圖的繪制采用尺寸驅(qū)動(dòng)法,該方法是一種交互式的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,可避免繁瑣的幾何坐標(biāo)點(diǎn)的提取和計(jì)算,保留圖形所需的矢量,繪圖質(zhì)量好、效率高。該方法還可支持產(chǎn)品零部件之間的驅(qū)動(dòng)式一致性修改。

(4)完成總體布置設(shè)計(jì)(包括各機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、鋼絲繩和電纜布置等)和方案數(shù)字樣機(jī)制作,繪制方案設(shè)計(jì)的三維效果圖和二維平面方案圖,并補(bǔ)充尺寸標(biāo)注、公差和相關(guān)技術(shù)要求。

(5)根據(jù)上述計(jì)算和設(shè)計(jì),基于人機(jī)交互技術(shù),按照要求的格式自動(dòng)生成產(chǎn)品計(jì)算書。該設(shè)計(jì)理念的關(guān)鍵技術(shù)包括:方案選型知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建技術(shù);標(biāo)準(zhǔn)件及配套件數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建技術(shù);基本參數(shù)與零部件設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)技術(shù)。

2.3 岸橋參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建

2.3.1 總體設(shè)計(jì)

(1)登錄系統(tǒng)

通過VS2010開發(fā)人機(jī)交互界面登錄系統(tǒng),并在該界面中實(shí)現(xiàn)岸橋的整體設(shè)計(jì)功能。

(2)確定整機(jī)主參數(shù)

進(jìn)入平臺(tái)總體設(shè)計(jì)模塊(見圖3)。輸入整機(jī)主參數(shù),包括整機(jī)起升高度、起升速度、吊具形式、軌距和基距等參數(shù)。這一階段可以初步確定整機(jī)的輪壓和上拔力等參數(shù),用以判斷碼頭地面基礎(chǔ)是否滿足設(shè)備要求;若不滿足,需要重新選型設(shè)計(jì)。輸出數(shù)據(jù)包括整機(jī)的重心估算、風(fēng)載荷估算依據(jù),確定整機(jī)基本結(jié)構(gòu)布置,并為后續(xù)設(shè)計(jì)提供中間數(shù)據(jù)。

圖3 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)模塊

2.3.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)確定機(jī)構(gòu)需求參數(shù)

進(jìn)入機(jī)構(gòu)選型模塊,分別對(duì)起升機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)的選型。系統(tǒng)已經(jīng)集成不同品牌、型號(hào)的諸多外購(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù),通過對(duì)每種不同的外購(gòu)件進(jìn)行“貼標(biāo)簽”,根據(jù)選型參數(shù)進(jìn)行配對(duì)選擇,比如鋼絲繩的品牌、抗拉強(qiáng)度、破斷拉力等參數(shù),外購(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)中均可對(duì)外購(gòu)件建立參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的三維模型[3]。

以起升機(jī)構(gòu)的卷筒為例,輸入滑輪組聯(lián)數(shù)、導(dǎo)向滑輪個(gè)數(shù)、鋼絲繩類型等參數(shù),可計(jì)算出相應(yīng)的載荷是否匹配鋼絲繩所承受的破斷拉力等參數(shù)。鋼絲繩卷筒設(shè)計(jì)模塊見圖4。選型計(jì)算過程中,大部分中間參數(shù)默認(rèn)設(shè)置為規(guī)范最低要求,可以進(jìn)行人工自主輸入,比如鋼絲繩安全系數(shù)、鋼絲繩芯的類型等可支持用戶個(gè)性化定制。

依次完成機(jī)構(gòu)的全部選型后,系統(tǒng)可以自動(dòng)生成包括品牌、主要參數(shù)在內(nèi)的外購(gòu)件清單,用以進(jìn)行前期成本分析、市場(chǎng)報(bào)價(jià)等。

(2)輸出機(jī)構(gòu)模型

基于三維模型中存在的外購(gòu)件參數(shù),驅(qū)動(dòng)生成相應(yīng)外購(gòu)件的底座等結(jié)構(gòu),最終將調(diào)用的外購(gòu)件三維模型、生成的結(jié)構(gòu)模型以及調(diào)用所需要的緊固件模型進(jìn)行三維裝配,完成機(jī)構(gòu)部分的三維模型驅(qū)動(dòng)。

2.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入

進(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊,輸入結(jié)構(gòu)主參數(shù),生成總體設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)。若無(wú)特殊要求,則選用默認(rèn)參數(shù)。同時(shí)該數(shù)據(jù)也可進(jìn)行人為設(shè)置,以滿足用戶的個(gè)性化需求。結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入

(2)生成有限元模型

基于確認(rèn)的結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行有限元軟件的強(qiáng)度及剛度驗(yàn)證。通過ANSYS有限元軟件搭建APDL指令,完成模型的前處理。

2.3.4 仿真結(jié)果分析

(1)強(qiáng)度分析

通過前處理,完成其網(wǎng)格的劃分、載荷的施加,并通過后處理查看計(jì)算結(jié)果。該計(jì)算結(jié)果主要包括強(qiáng)度、靜剛度以及動(dòng)剛度等數(shù)據(jù),通過公式(1)計(jì)算其許用強(qiáng)度。

(1)

對(duì)于港口橋式類型起重機(jī),σs為355 MPa,安全系數(shù)n取1.48,得其許用強(qiáng)度[σ]為240 MPa。

強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為公式(2):

σ≤[σ]

(2)

結(jié)合應(yīng)力云圖分布分析,確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足使用要求。

(2)靜剛度分析

岸橋設(shè)計(jì)靜剛度按照GB/T3811規(guī)范實(shí)施。

(3)動(dòng)剛度分析

動(dòng)剛度在一定程度上能夠直接影響司機(jī)的工作效率。目前,國(guó)家對(duì)于動(dòng)態(tài)剛度的校核標(biāo)準(zhǔn)較少,其剛度參考上海港機(jī)重工有限公司編制的《港口起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》,動(dòng)剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為:

f≥[f]

(3)

對(duì)港口橋式類型起重機(jī),滿載小車方向[f]=0.6 Hz,滿載大車方向[f]=0.4 Hz,滿載垂直方向[f]=0.6 Hz。查看小車方向動(dòng)剛度分布,如果小車方向的剛度大于許用值,即可滿足使用要求。

在以上有限元分析過程,若存在數(shù)據(jù)不滿足要求的情況,在系統(tǒng)生成反饋數(shù)據(jù)時(shí),即可自動(dòng)進(jìn)行模型的調(diào)整,也可支持人為修改參數(shù)。若上述剛度及強(qiáng)度參數(shù)均滿足要求,相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)反饋給系統(tǒng)平臺(tái),驅(qū)動(dòng)SolidWorks完成岸橋整機(jī)三維模型的搭建(見圖6)。

圖6 岸橋整機(jī)三維模型

3 結(jié)語(yǔ)

該平臺(tái)基于三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks、有限元軟件ANSYS以及VS2010完成全新的人機(jī)交互界面的開發(fā),并實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的相互調(diào)用、數(shù)據(jù)通訊,完成岸橋數(shù)字化平臺(tái)的搭建。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),使用該平臺(tái)可大幅提升設(shè)計(jì)效率。