门座起重机参数化建模与仿真分析.pdf

模式识别与仿真 P a t t e r nR e c o g n i t i o na n dS i m u l a t i o n 自动化技术与应用2 0 1 7 年第3 6 卷第1 期 门座起重机参数化建模与仿真分析 刘金，黄国健，王新华，陈敏，彭启凤 ( 广州特种机电设备检测研究院，广东广州5 1 0 6 6 3 ) 摘 要：为提高仿真分析效率，探讨门座起重机的参数化建模与仿真分析技术。首先探讨模型简化与单元选择方法及坐标系选择 技巧，接着对有限元模型和边界条件的参数化方法进行研究，并开发出一套仿真分析系统，最后以某台待进行安全评估的 老旧门座起重机为例，验证参数化建模与仿真分析的有效性，并对计算结果进行分析。通过对比，采用参数化仿真比用传 统仿真方法节约了8 0 的时间，可缩短安全评估报告的出具时间，对于提高安全评估市场竞争力具有积极的意义。 关键词：门座起重机；参数化；安全评估；建模；仿真 中图分类号：T H 2 1 8文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 7 2 4 1 ( 2 0 1 7 ) 0 卜0 0 8 3 0 5 R e s e a r c hi nP a r a m e t r i cM o d e l i n ga n dS i m u l a t i o n A n a l y s i so fG a n t r yC r a n e L I U J i n ，H U A N GG u o - j i a n ，W A N GX i n - h u a ，C H E NM i n ，P E N GQ i - f e n g ( G u a n g z h o uA c a d e m yo fS p e c i a lE q u i p m e n tI n s p e c t i o n & T e s t i n g ，G u a n g z h o u510 6 6 3C h i n a ) A b s t r a c t ：I no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ep a r a m e t r i cm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i so fg a n t r yc r a n e i se x p l o r e d F i r s t l y , t h em e t h o do fs i m p l i f y i n gm o d e l ，s e l e c t i n ge l e m e n ta n dc o o r d i n a t es y s t e mi ss t u d i e d ，n e x t ，t h ep a r a m e t r i c m e t h o do ff i n i t ee l e m e n tm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ei n v e s t i g a t e d ，t h e nas i m u l a t i o na n a l y s i ss y s t e mi sd e v e l o p e d F i n a l l y , a no l dg a n t r yc r a n ei ss e ta se x a m p l e ，t h ev a l i d i t yo fp a r a m e t r i cm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ni sv e r i f i e d ，a n dt h er e s u l t s a r ea n a l y z e d B yc o n t r a s t ，i ts a v e s8 0 o ft h et i m et ou s ep a r a m e t r i cs i m u l a t i o nt h a nt ou s et r a d i t i o n a ls i m u l a t i o n ，t h et i m eo f s a f e t ye v a l u a t i o nr e p o r tc a nb es h o r t e n ，t h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so f t h es a f e t ye v a l u a t i o ni si m p r o v e d K e yw o r d s ：g a n t r yc r a n e ；p a r a m e t r i c ；s a f e t ye v a l u a t i o n ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n 1引言 门座起重机是国民经济建设的重要基础设施，也是与 人民群众生活关系极其密切的设施。确保门座起重机的 安全，对于保障人民群众的生命、财产安全具有重要意义。 为了确保门座起重机的安全，尤其是确保老旧门座起重机 的安全，需对其进行安全评估。在对门座起重机进行安全 评估时，存在大量结构类似的门座起重机，不同的只是一 些尺寸参数，如果对每一台待评估门座起重机分别从头开 基金项目：广东省质量技术监督局科技项目( 编号2 0 1 4 P T 0 2 ) ；安 监总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目( 编号g u a n g d o n g 一 0 0 12 - 2 0 15 A O ) ；广州市创新平台建设与共享专项项目( 编号2 0 15 0 9 0 1 0 0 0 8 ) ；珠江科技新星专项( 20 13 0 7 5 ) ，特种设备科技协作平台科技计 划项目( 编号2 0 1 4 S E K 0 0 3 、2 0 1 4 S E K 0 0 2 、2 0 1 4 S E K 0 0 1 ) 收稿日期：2 0 15 - 1 1 - 2 7 始进行建模分析，这样势必会耗费大量时间，大大提高了 人力成本，延长了向门座起重机使用单位出具评估报告的 时间。为克服上述重复建模与分析带来的问题，引人参数 化建模与仿真分析技术，提高仿真分析的效率。 由于参数化建模与仿真分析技术能提高仿真分析速 度，国内外研究人员都对参数化技术在起重机领域的运 用展开了广泛深入的研究。武汉理工大学的李勇智教 授团队对一种新型的臂桥架起重机的参数化仿真进行了 探讨，建立了起重机的参数化模型，在此基础上，对起 重机进行了静力学分析、瞬态分析等幢1 ；晋民杰等运用 C r e o 和M A T L A B 软件对折臂式随车起重机进行了参数 化动力学研究，为折臂式随车起重机的设计提供了一种 高效便捷的方法b 1 ；韩晓君等对一种新型壁行式悬臂起 重机的参数化建模分析方法进行了研究，可对该型起重 万方数据 自动化技术与应用2 0 1 7 年第3 6 卷第1 期模式识另l J 与仿真 机在国内的研究发展提供一定的参考借鉴作用H 1 ；周奇 才等利用A P D L 语言进行二次开发，建立了环轨式起重 机参数化有限元模型，并对其进行非线性分析b 1 ；G u o j i a n H u a n g 等对大型造船塔式起重机建立参数化模型，并在 此基础上进行模态分析怕J ；WUS h u f a n g 等人对桥式起 重机进行了参数化建模与仿真分析的研究，提高了仿真 分析的效率o ”；太原科技大学的范小宁教授团队对U 型 门式起重机的参数化设计进行了研究，并开发了一套有 限元分析系统怫1 ；田维亭提出了一种基于I n v e n t o r 的岸 边集装箱起重机钢结构参数化设计方法憎1 ；武汉理工大 学的李和平教授团队对卸船机前大梁结构的参数化仿真 进行了研究，运用P r o E 软件建立了卸船机前大梁结 构的参数化模型，在此基础上进行了力学分析“；Z e n g QD 等对门座起重机的参数化建模与仿真分析进行了研 究，建立了相应的参数化模型，并进行了动态分析“。 广大专家针对参数化建模与仿真分析在起重机领域 的应用展开了广泛的研究，但主要运用在设计阶段，本 文将以门座起重机为研究对象，研究在起重机服役安全 评估阶段的参数化建模与仿真分析技术的应用。 2 参数化建模与仿真 参数化技术就是将一系列数值参数用变量代替，用 程序表达几何参数与结构参数之间的关系，因此只需 修改参数变量值，就能快速完成新的模型或计算“2 | 。 A P D L 语言是一种A N S Y S 中通过参数化变量方式建立 分析模型的脚本语言，利用A P D L 语言可实现设计变 量的批量输入，同时结合A N S Y S 的批处理功能，能 自动完成有限元模型的建立。最后利用V B 开发工具将 A N S Y S 的参数化技术结合在一起，开发一套门座起重 机参数化仿真分析系统，提升参数化仿真的适用性。 2 1 参数化建模 2 1 1 有限元模型简化与单元选择 门座起重机结构复杂，由门架、转盘、人字架、臂 架、拉杆、平衡梁等组成，为了在满足门座起重机安全 评估所需计算精度的前提下提高仿真分析速度，需对有 限元模型进行合理简化。例如，省略门座起重机上的机 器房、电气系统、起升系统、变幅系统、死配重、活配 重等，以质量点的形式施加在相应位置；省略起升系统 中的钢丝绳，而以力的形式去代替。 在进行仿真分析时，需根据门座起重机的结构特点 和A N S Y S 的单位特性正确选择单元类型，选择的单元 类型有： 主体结构如门架、人字架、臂架等采用B e a m l 8 8 单元； 变幅齿条、拉杆等采用L i n k l 8 0 单元； 省略的大质量部件如机器房、死配重、活配重 则采用M a s s 2 1 单元。 2 1 2 坐标系选择 由于门座起重机结构的复杂性，在参数化模型创建 过程中需采用大量关键点，每个关键点均有3 个坐标值， 从而需创建大量坐标值参数。为了降低创建坐标值参数 的工作量和错误率，合理选择坐标系就显得至关重要。 由于载荷的对称性，门座起重机的结构往往也具有对称 性，在选择坐标系时需充分利用其对称性。以本文涉及 的参数化模型为例，首先统一坐标系为直角坐标系，坐 标原点选取在回转中心线与轨道平面的交点处，X 正向 为臂架方向，Y 正向为竖直向上方向，根据右手法则即 可相应确定Z 正向。 2 1 3 创建参数化模型 以某段单元类型为B e a m l 8 8 单元的模型为例，研 究创建参数化模型的方法。 2 1 3 1 几何模型 首先，创建几何模型所需的关键点以及方向关键点 的坐标值需实现参数化。然后，将各关键点连接成线。 以下为某段几何模型实现参数化的主要语句： k ，1 6 6 ，A ，B ，C k ，1 6 7 ，D ，E ，F k ，1 1 6 6 ，A ，1 0 0 0 0 0 ，C n u m s t r ，l i n e ，2 2 1 L ，1 6 6 ，1 6 7 其中语句和用于创建关键点，语句用于创建 方向关键点，方向关键点用于创建有限元模型时起导向 作用。语句至中各关键点的坐标值均已参数化，其 中A 、B 、C 、D 、E 、F 均为独立的参数，这些参数的 改变将直接导致模型的变化。语句用于为新创建的直 线定义起始编号，语句则用于构建直线，其编号为语 句所定义的起始编号。 2 1 3 2 有限元模型 首先创先截面属性，截面属性中的数值需全部实现 参数化，它们的准确性将直接决定有限元模型的准确度。 然后将几何模型赋予相应的截面属性，最后经划分网格， 即可得到有限元模型。以下为某段有限元模型实现参数 万方数据 模式识另U 与仿真 自动化技术与应用 2 0 1 7 年第3 6 卷第1 期 化的主要语句： s e c t y p e