徐偉軍，劉慧星，劉 峰

（河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400）

0 引言

橋式起重機作為實現(xiàn)生產(chǎn)過程機械化、自動化的重要工具和設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。在經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，起重機的種類和個性化需求也隨之增加，給起重行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。而其機構(gòu)形式較為穩(wěn)定的特點，又導(dǎo)致設(shè)計師將大部分時間花在重復(fù)產(chǎn)品的設(shè)計上，延長設(shè)計周期［1］。

在三維軟件的支承下研究變型設(shè)計、參數(shù)化快速設(shè)計，開發(fā)相應(yīng)的軟件，將設(shè)計師的知識經(jīng)驗編制成相關(guān)的程序與三維軟件相結(jié)合開發(fā)基于知識的參數(shù)化快速設(shè)計系統(tǒng)，能很好地解決企業(yè)所面臨的問題。設(shè)計計算是產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵依據(jù)，將CAD技術(shù)應(yīng)用于機械零件的設(shè)計計算中，避免了人工干預(yù)設(shè)計經(jīng)驗的加入，改變了繁瑣的人工計算和檢索，使缺少設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計師設(shè)計出來的產(chǎn)品和經(jīng)驗豐富的設(shè)計者相差無幾，提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率和質(zhì)量。

建立橋式起重機主梁的設(shè)計計算與校核程序，通過對Solid Works的二次開發(fā)，將從人機交互界面獲得的設(shè)計參數(shù)導(dǎo)入模型并對其驅(qū)動，得到新的三維模型，然后對生成的工程圖進行調(diào)優(yōu)，最終用于指導(dǎo)主梁的生產(chǎn)過程。

1 主梁的設(shè)計計算

1.1 組合梁的截面設(shè)計

當型鋼梁不能滿足承載能力或使用條件時，應(yīng)采用組合梁。工程機械中箱型組合梁是應(yīng)用最多的，當梁的跨度比較大時，采用變截面設(shè)計。其中截面高度、腹板尺寸、翼緣板尺寸是設(shè)計關(guān)鍵［2］。

梁的最大高度應(yīng)滿足機械總體布置的要求，根據(jù)給定值確定，如果未給出則不受限制。梁的最小高度應(yīng)滿足由靜撓度控制的剛性條件，即與載荷（集中載荷或分布載荷）、截面尺寸和跨度有關(guān)。實際選用梁的高度時，還要滿足經(jīng)濟梁高，即按經(jīng)濟條件確定的截面高度應(yīng)使梁的翼緣和腹板的總重量最小，最終使梁高h與經(jīng)濟高度h j相差不超過20%，這樣對總重量的影響最少［3］。

腹板的高度h0稍小于梁高h，一般為h＝1.03h0，并依據(jù)鋼板規(guī)格，一般取10的倍數(shù)。腹板厚度應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗公式計算，使其滿足抗剪強度和局部穩(wěn)定性的要求。

確定了腹板尺寸后，通過從梁截面慣性矩中減去腹板部分的慣性矩得到翼緣所需的慣性矩，從而求得翼緣所需截面積，而該截面積是由翼緣的寬度和厚度決定的。翼緣寬度要根據(jù)整體和局部穩(wěn)定性的條件確定。

1.2 加勁肋的布置及其構(gòu)造設(shè)計

加勁肋的布置方式應(yīng)根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中提供的有關(guān)腹板局部穩(wěn)定性的驗算方法來確定。針對腹板高厚比符合的條件來分析相應(yīng)的情況，加勁肋分為間隔加勁肋和支承加勁肋。前者作用是加強腹板，在平面平穩(wěn)的前提下，要求具有較大的寬厚比以提高抗屈曲能力；后者為了承受固定集中載荷作用處和梁的支座處的集中力［4］。

1.3 計算載荷類型及載荷組合

計算載荷分為常規(guī)載荷、偶然載荷和特殊載荷，針對起重機的工作環(huán)境與要求，在計算載荷時應(yīng)考慮相關(guān)的載荷系數(shù)，包括自重振動載荷系數(shù)、起升動載系數(shù)和運行沖擊系數(shù)。應(yīng)根據(jù)起重機工作時遇到的實際情況考慮不同的載荷組合類型［5］。

1.4 強度、剛度、穩(wěn)定性和疲勞校核計算

在起重機主梁的設(shè)計中，主梁的強度和剛度至關(guān)重要，計算時，將主梁簡化為簡支梁，將簡化后的公式編入程序，對先前計算的數(shù)據(jù)進行校核優(yōu)化，提高了正確性，縮短了計算時間。

2 快速設(shè)計系統(tǒng)

2.1 參數(shù)化模型的建立

參數(shù)化模型的建立是快速設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，零件草圖要完全定義，不可欠定義也不可過定義，同時通過添加方程式的方法對有關(guān)聯(lián)的尺寸進行關(guān)聯(lián)，采用基于特征的建模方法。而裝配體則要用草圖進行裝配以方便模型驅(qū)動，在參數(shù)化建模過程中應(yīng)遵守以下原則：①草圖的繪制要完全定義，不能出現(xiàn)過定義與欠定義；②盡量使用最少的線條控制裝配位置，通過添加關(guān)系的方式約束；③采用全息建模的原則，制作模板時盡可能地將可能出現(xiàn)的各種情況全部考慮進去，以滿足產(chǎn)品變化的需求；④根據(jù)實際情況選擇零件的定位方式，不是所有的零件都需要草圖完全定位；⑤為避免驅(qū)動過程中出現(xiàn)的問題不好查找，零件間最好不要添加方程式。

2.2 參數(shù)化設(shè)計流程

根據(jù)參數(shù)化設(shè)計特點，首先要對用戶提供的參數(shù)進行分析，通過設(shè)計計算程序計算出其他所需參數(shù)；其次進行建模（包括材料明細表模板、零件模板、裝配體模板、工程圖模板等）；用所計算好的參數(shù)驅(qū)動零件模板和裝配體模板模型，從而生成新的模型；對新模型鏈接的工程圖中出現(xiàn)的視圖位置不合理、尺寸線重疊、零件序號交叉等問題進行調(diào)優(yōu)；將結(jié)果保存到PDM庫中。參數(shù)化設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 參數(shù)化設(shè)計流程

2.3 二次開發(fā)技術(shù)

二次開發(fā)包括進程內(nèi)開發(fā)和進程外開發(fā)。前者是將所開發(fā)的程序作為應(yīng)用軟件的一個工具來使用，使用時需要將其內(nèi)嵌到應(yīng)用軟件中；后者所開發(fā)的程序是作為一個單獨的軟件使用的，程序運行時根據(jù)程序要求自動調(diào)用其他各種軟件來完成工作。由于本系統(tǒng)對 Wor d、PDMWorks、Excel、Solid Works都進行了二次開發(fā)，整個系統(tǒng)涉及到多個軟件，無法單獨在一個軟件中實現(xiàn)多功能，因此采用第二種方式。根據(jù)程序運行的步驟依次打開相應(yīng)的軟件并執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能。Solid work提供了強大的二次開發(fā)接口，對其所有的操作都可以用程序來控制。工作人員通過Visual Basic創(chuàng)建的人機交互界面輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用Visual Basic調(diào)用數(shù)據(jù)庫文件執(zhí)行對Solid work、Excel等一系列的操作。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實例

該系統(tǒng)由參數(shù)化設(shè)計計算和PDM文件管理集成。通過人機交互界面輸入用戶給定參數(shù)，設(shè)計計算出其他參數(shù)并保存到數(shù)據(jù)庫中。通過相應(yīng)的程序，用工作站提取出數(shù)據(jù)實現(xiàn)對模型的驅(qū)動、工程圖的調(diào)優(yōu)、工藝信息的統(tǒng)計等。

在進入?yún)?shù)化系統(tǒng)之前，先保證各軟件按要求進行設(shè)置，隨后對系統(tǒng)初始化（包括數(shù)據(jù)庫的初始化、PDMWorks的初始化），完成以上操作后進入?yún)?shù)化設(shè)計系統(tǒng)主界面對基本參數(shù)進行設(shè)置，包括主梁的截面計算（見圖2）、主梁主參數(shù)設(shè)計計算（見圖3）和主梁校核界面（見圖4）。

圖2 主梁截面設(shè)計計算界面

圖3 主梁主參數(shù)設(shè)計計算界面

圖4 主梁校核界面

4 總結(jié)

針對目前橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題開發(fā)的本系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方法相比，能很好地減少重復(fù)計算，提高設(shè)計效率，減少人工干預(yù)，建立了人性化、穩(wěn)定性高的設(shè)計系統(tǒng)，為起重機主梁的快速設(shè)計提供了理論方法，同時也對其他金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一種有效的方法。

［1］黃啟良，王宗彥，吳淑芳，等.參數(shù)化變形設(shè)計中工程圖調(diào)整技術(shù)優(yōu)化研究［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2011（1）：168-173.

［2］孫民，王志遠，付為剛.橋式起重機起吊過程的動力學(xué)分析［J］.設(shè)計與研究，2010（5）：12-14.

［3］盧耀祖，鄭惠強，張氫.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，2009.

［4］胡宗武，汪西應(yīng)，汪春生.起重機設(shè)計與實例［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［5］李鑫.橋式起重機鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008：29-31.