武云鵬，陳玲

(天津理工大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300384)

橋式起重機主梁可靠性分析系統(tǒng)的開發(fā)

武云鵬，陳玲

(天津理工大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300384)

基于大型有限元分析軟件ANSYS的可靠性分析子模塊，以VC++為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了一款更方便、更專業(yè)化的橋式起重機主梁可靠性分析系統(tǒng)。提出了橋式起重機主梁可靠性分析系統(tǒng)的架構(gòu)，整個過程完成了對ANSYS中APDL語句的封裝以及對ANSYS核心程序的調(diào)用，解決了ANSYS中完成可靠性分析時界面不友好及低效的問題，也為橋式起重機主梁可靠性分析提供了一種可行的方法。

橋式起重機;箱型主梁;可靠性分析;軟件開發(fā)

0 前言

橋式起重機的主梁是整機結(jié)構(gòu)中的主要承載部分，由于加工技術(shù)、制造技術(shù)、客觀環(huán)境等因素的制約，主梁的幾何尺寸、材料以及載荷等參數(shù)直接影響起重機主梁的工作性能［1-10］。使用概率有限元方法對橋式起重機主梁進行結(jié)構(gòu)可靠性分析，能提高設(shè)計階段的理論可靠度［11-12］。采用有限元軟件對系列化橋式起重機主梁進行可靠性分析時，需要花費大量的時間用于逐個建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、加載、后處理等，并且有限元軟件對專業(yè)分析能力要求較高，界面的交互性、友好性較差。因此，本文基于大型有限元分析軟件ANSYS，運用Microsoft Visual C++編程軟件的強大軟件開發(fā)功能，對某系列化小車式橋式起重機焊接箱型主梁可靠性分析系統(tǒng)的開發(fā)進行了探討和研究，提高了主梁可靠性分析的效率。

1 概率有限元方法

概率有限元法是有限元法與Monte-Carlo法的直接結(jié)合。解決了常規(guī)的有限元分析中將各種參數(shù)視為不變量不符合實際參數(shù)是隨機性的問題。

通過線性有限元方程式(1)可以得到概率有限元方法的數(shù)學(xué)模型

式中，K、u、f分別表示剛度矩陣、結(jié)點位移矩陣和結(jié)點載荷矩陣。

在考慮參數(shù)隨機性的影響下，將每個參數(shù)分成兩部分處理:均值部分和隨機變量引起的偏差部分。式(2)實際是確定性有限元問題數(shù)學(xué)模型。

式(3)可以變形為

確定性有限元方法中的單元應(yīng)力計算為

其中，σ、D、B分別為應(yīng)力、材料彈性矩陣和應(yīng)變剛度矩陣。

將應(yīng)力σ、材料彈性矩陣D及位移u用均值和偏差的形式表示，且認(rèn)為應(yīng)變剛度矩陣是確定性矩陣，得均值計算式(6)。

偏差計算式為

本文采用基于有限元分析軟件ANSYS的可靠性設(shè)計模塊的概率有限元方法，設(shè)計了橋式起重機箱型主梁可靠性分析系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)各主要模塊的實現(xiàn)

如圖1所示，本文設(shè)計的單梁橋式起重機主梁可靠性分析系統(tǒng)由主梁的設(shè)計與建模、信息存儲與交換、可靠性分析、結(jié)果處理與查詢等四大功能模塊組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸Fig.1System structure and data transmission

基于對話框界面的應(yīng)用程序，可通過不同的菜單按鈕實現(xiàn)對各個功能模塊的調(diào)用。該系統(tǒng)界面簡潔友好，操作簡單，每個模塊都有相應(yīng)的提示或說明信息，或者可通過幫助按鈕獲得具體說明。主窗口界面如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)計首先創(chuàng)建父對話框和相應(yīng)功能模塊的對話框，利用MFC ClassWizard為每個對話框創(chuàng)建一個類;其次，再利用MFC ClassWizard，在父對話框類下，為每個菜單按鈕構(gòu)造響應(yīng)函數(shù)，通過函數(shù)virtual int DoModal()，實現(xiàn)對相應(yīng)模塊的啟用。

圖2 可靠性分析系統(tǒng)主窗口及菜單布置局部圖Fig.2Main windows and menu arrangement of reliability analysis system

2.1 主梁的設(shè)計與建模

本文研究的系列化單梁橋式起重機的主梁模型如圖3所示，主要包括上蓋板、下蓋板、主腹板、副腹板、肋板和隔板等結(jié)構(gòu)。主梁首先利用有限元分析軟件ANSYS的APDL參數(shù)化設(shè)計語言，為該系列化橋式起重機主梁編制了可參數(shù)化主梁模型命令流文件，存儲在信息存儲模塊當(dāng)中，以備調(diào)用。用戶可根據(jù)系統(tǒng)提示通過界面輸入?yún)?shù)，即可生成相應(yīng)模型，避免了大量不必要的重復(fù)建模工作。

圖3 橋式起重機的主梁模型Fig.3Model of main girder for bridge crane

主梁的材料參數(shù)輸入模塊，用于設(shè)置橋式起重機焊接箱型主梁的金屬材料屬性，包括彈性模量、泊松比、屈服強度和密度等，均與主梁可靠性相關(guān)，并且按服從正態(tài)分布處理;幾何參數(shù)輸入模塊用于輸入建立主梁幾何模型的尺寸參數(shù)，包括主梁肋板和隔板的幾何尺寸，按服從截尾正態(tài)分布離散處理，上下截尾點即是對應(yīng)尺寸值的上下極限尺寸，輸入時只需輸入尺寸上下偏差。鑒于橋式起重機主梁的尺寸參數(shù)繁多，輸入窗口使用了模態(tài)屬性表單。該表單由多個屬性頁(選項卡)組成的，在每個選項卡上可根據(jù)不同的圖示和提示輸入相對應(yīng)的尺寸參數(shù)，有效地解決了大量信息無法在同一窗口顯示的難題，并提供了對信息的分類和組織管理功能。屬性頁對應(yīng)的MFC類是CPropertyPage。為了創(chuàng)建一個屬性表單，首先創(chuàng)建一個CPropertySheet對象，在此對象中為每個屬性頁資源創(chuàng)建一個對象，然后調(diào)用AddPage添加屬性頁，最后調(diào)用DoModal即可顯示屬性表單。主梁幾何參數(shù)輸入模塊及其選項卡排列如圖4所示。

圖4 主梁幾何參數(shù)輸入模塊及其選項卡排列局部圖Fig.4Dimension parameters input module and tabs of main girder

單梁小車式橋式起重機焊接箱型主梁所承受的載荷，主要包括自重及其引起的振動載荷和吊重及其引起的起升振動載荷［13-14］。該橋式起重機箱型主梁的自重載荷包括上蓋板、下蓋板、主腹板、副腹板、肋板和隔板等金屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，以服從正態(tài)分布離散處理，同時也考慮了小車重量的影響。起重量和穩(wěn)定起升速度按服從正態(tài)分布做離散處理。由于主梁危險截面在跨距的正中，所以按小車位于跨中且起吊貨物時的工況進行可靠性分析［8］。如圖5是主梁載荷參數(shù)的輸入界面。

圖5 主梁載荷參數(shù)輸入窗口Fig.5Load parameters input module of main girder

本系統(tǒng)各參數(shù)的輸入模塊與信息存儲模塊之間的信息傳遞方法類同。均是利用為每個用于輸入?yún)?shù)的編輯框控件定義的變量，通過代碼: GetDlgItem(IDC_*)-＞GetWindowText(str);獲取用戶輸入的參數(shù)，然后使用CFile類下的成員函數(shù)將參數(shù)信息傳遞到存儲模塊的*.txt文件中，作為調(diào)用的APDL命令流參數(shù)文件。在保存數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)通過if條件句逐一判斷每個編輯框控件的內(nèi)容是否為空，如果數(shù)據(jù)輸入不全，系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)MessageBox(TEXT(“數(shù)據(jù)沒有完成!”)，NULL，MB_OK)彈出提示。

2.2 可靠性分析

可靠性分析模塊的功能包括輸入可靠性分析的相關(guān)參數(shù)、調(diào)用有限元軟件ANSYS進行可靠性分析、儲存可靠性分析的結(jié)果。該系統(tǒng)采用蒙特卡洛模擬方法，需要設(shè)置抽樣次數(shù)和模擬次數(shù)。抽樣次數(shù)亦即抽選的樣本點數(shù)目，模擬次數(shù)即取同樣抽樣次數(shù)的模擬進行的次數(shù)。次數(shù)越多結(jié)果越精確，然而隨之產(chǎn)生的計算規(guī)模也越大。經(jīng)過試算后得出了抽樣次數(shù)的參考值為500次，可以得到穩(wěn)定可信的結(jié)果。

有限元軟件ANSYS的批處理功能:添加可靠性分析按鈕，利用類向?qū)榘粹o添加點擊響應(yīng)函數(shù)，在該函數(shù)下寫入調(diào)用函數(shù)。該函數(shù)實現(xiàn)后臺調(diào)用ANSYS，從參數(shù)存儲模塊提取命令流文件(*.txt)，并提交到ANSYS批處理模塊進行可靠性分析。另需添加代碼GetDlgItem(IDC_ *)-EnableWindow(FALSE)，禁止分析按鈕再次被按下。在可靠性分析按鈕的點擊響應(yīng)函數(shù)中，增加條件判斷，若所需數(shù)據(jù)不完全，Messagebox ()函數(shù)彈出警告，分析終止。用戶可以依據(jù)可靠性分析對話框的進度條或分析完成提示，判斷分析進度?？煽啃苑治鐾戤?，軟件自動生成一個名為Report的主梁可靠性分析報告，并與其它結(jié)果文件一起自動保存。結(jié)果查詢與處理模塊通過ShellExecute()調(diào)用IE瀏覽器軟件打開此報告(HTML格式)。該報告詳盡說明了分析的內(nèi)容和結(jié)果，用戶可通過報告中大量的圖片和統(tǒng)計結(jié)果評估此次模擬分析的精確程度，并得出主梁水平、垂直方向最大位移和最大等效應(yīng)力在特定范圍內(nèi)的可靠度，以及影響可靠度的敏感因素等。該系統(tǒng)對某型橋式起重機焊接箱型系列主梁進行可靠性分析，抽樣600次。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。表2是影響主梁垂直靜撓度的部分主要因素及其敏感度計算結(jié)果。對于主梁垂直靜撓度UY-MAX，圖6是其樣本均值趨勢圖，走勢趨于平穩(wěn)，即抽樣次數(shù)滿足精度要求。

表1 橋式起重機的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1Main technical parameters of bridge crane

圖6 垂直靜撓度均值的樣本趨勢Fig.6Mean value trend of samples vertical static deflection

表2 影響主梁垂直靜撓度的部分主要因素及其敏感度Tab.2Main influencing factors of vertical static deflection and its sensitivity

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)對某橋式起重機焊接箱型系列主梁可靠性計算結(jié)果顯示，在額定起重量，置信度為95%的條件下，主梁垂直靜撓度［15］小于S/1000 =34 mm的可靠度是100%，表明額定起重量符合此安全要求。起重量、密度、跨距均為負(fù)影響，即主梁垂直靜撓度隨著這些參數(shù)數(shù)值的增大而增大。結(jié)果顯示影響主梁垂直靜撓度的敏感因素是起重量和跨距，影響程度分別為91.09%和8.91%，且為負(fù)影響，因此，為保證安全，在設(shè)計和使用過程中需要重點關(guān)注，尤其是起重量。計算結(jié)果與工程實際相符。

本文針對某系列化小車式橋式起重機焊接箱型主梁，利用VC++編程軟件開發(fā)的這一可靠性分析系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計時進行準(zhǔn)確的可靠性預(yù)測，并為主梁的改進設(shè)計提供有意義的參考。此系統(tǒng)操作界面簡潔，操作流程簡便，降低了操作人員的工作強度，提高了工作效率;交互性好，降低了對操作人員專業(yè)水平的要求，便于掌握。同時也為橋式起重機可靠性分析提供了一種可行的方法。

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Development of reliability analysis system for bridge crane girder

WU Yun-peng，CHEN Ling
(Mechanical Engineering College，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Based on the reliability analysis module of finite element analysis software ANSYS，a reliability analysis software system for bridge crane girder，more convenient and specialized，is developed with VC++as the developing platform.A main framework of reliability analysis software system for bridge crane girder is proposed.The whole process finishes the encapsulation of APDL sentences and the invocation of ANSYS core programs.And the problems of unfriendly interface and inefficient are solved when using ANSYS to do reliability analysis.Meanwhile a feasible method of reliability analysis for the bridge crane girder is also provided.

bridge crane;box girder;reliability analysis

TH215

A

1001-196X(2014)06-0057-04

2014-05-23;

2014-06-07

武云鵬(1988-)，男，天津理工大學(xué)碩士研究生。