侯義東/HOU Yi-dong

（徐工集團(tuán)徐州建機(jī)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)EA (Finite E1ement Analysis)在工程設(shè)計(jì)和分析中受到越來越廣泛的重視，其計(jì)算結(jié)果不僅詳盡，而且準(zhǔn)確性和可靠性強(qiáng)。近年，有限元分析方法也被引入到了塔機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，但由于受到交互式建模和多工況、多載荷計(jì)算耗時(shí)長等因素的困擾，塔機(jī)計(jì)算大部分只驗(yàn)算幾個(gè)理論上的危險(xiǎn)截面，計(jì)算的精度難以保障。

通過APDL參數(shù)化語言，可以實(shí)現(xiàn)ANSYS的參數(shù)化建模和加載分析, 但由于APDL的可視化程度差，使用中存在一定的局限性。而VB(Visual Basic)是廣大用戶青睞的可視化程序設(shè)計(jì)語言，VB采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，從應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的問題著手以直觀自然的方式描述客觀世界的實(shí)體，它提供的可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)把W indow s界面設(shè)計(jì)的復(fù)雜性“封裝”起來，開發(fā)人員不必為界面設(shè)計(jì)編大量的程序代碼，只需按設(shè)計(jì)需求用系統(tǒng)提供的工具在屏幕上畫出各種對(duì)象即可。把VB與ANSYS結(jié)合起來可以有效地提高塔機(jī)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，充分體現(xiàn)專業(yè)化、用戶化、便捷化的特點(diǎn)。

1 部件參數(shù)化建模

塔機(jī)產(chǎn)品系列化開發(fā)過程中，結(jié)構(gòu)形式相同，尺寸不同的現(xiàn)象比較普遍，采用交互式建模，工作量十分巨大，且當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸變化時(shí)，須重新建模。采用VB和APDL程序設(shè)計(jì)語言編制程序，建立塔機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型庫。新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)取相似模型，輸入必要、合理的參數(shù)值，新模型即可生成。增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)繼承性，減小模型建立時(shí)間，提高工作效率。

建模所需的基本參數(shù)包括幾何模型參數(shù)、材料特性和實(shí)常數(shù)、載荷特性參數(shù)，這些都在VB程序中定義好，然后傳輸給ANSYS。ANSYS根據(jù)這些參數(shù)建立最初的有限元模型，進(jìn)行有限元分析。

1.1 臂架參數(shù)化建模

以最常見的正三角形截面雙吊點(diǎn)起重臂為例，抽象并提取與臂架相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要包括以下數(shù)據(jù)。

1）臂架組合配置參數(shù)：臂架節(jié)數(shù)、每節(jié)長度、臂長組合、吊點(diǎn)位置。

2）單節(jié)臂架結(jié)構(gòu)參數(shù)：臂架長度、段數(shù)、主弦截面和材質(zhì)、腹桿截面和材質(zhì)。

臂架模型關(guān)鍵參數(shù)選定之后，首先填寫臂架組合配置表，其內(nèi)容包括臂節(jié)數(shù)量、臂長組合方式，并初步選定起重臂拉桿吊點(diǎn)所在臂節(jié)（圖1）。然后進(jìn)入單臂節(jié)模型參數(shù)填寫階段，主要參數(shù)包括單臂節(jié)長度、寬度、高度，下橫腹桿首末端位置，水平腹桿跨數(shù)和類型，以及上下主弦、斜腹桿、橫腹桿的截面參數(shù)。對(duì)于拉桿吊點(diǎn)所在臂節(jié)，須選擇拉桿吊點(diǎn)所在上弦節(jié)點(diǎn)位置（圖2）。

圖1 臂長組合參數(shù)化配置表

圖2 吊臂關(guān)鍵參數(shù)選擇

1.2 塔頂參數(shù)化建模

塔頂模型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括，塔頂?shù)拈L度、寬度、高度，主弦桿分段個(gè)數(shù)，塔尖水平坐標(biāo)，起升滑輪所在節(jié)點(diǎn)位置，以及主弦桿、斜腹桿、橫腹桿的截面尺寸（圖3）。在塔頂參數(shù)化列表中，將關(guān)鍵模型參數(shù)填寫完畢后，命名保存，以便模型裝配時(shí)調(diào)用。

圖3 塔頂關(guān)鍵參數(shù)選擇

1.3 回轉(zhuǎn)塔身參數(shù)化建模

回轉(zhuǎn)塔身的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括，塔身的長度、寬度、高度，平衡臂與回轉(zhuǎn)塔身的鉸點(diǎn)位置，起重臂與回轉(zhuǎn)塔身的鉸點(diǎn)位置，主弦桿、橫梁、斜腹桿、橫腹桿的截面參數(shù)，以及斜腹桿的樣式（圖4）。在回轉(zhuǎn)塔身參數(shù)化列表中，將關(guān)鍵模型參數(shù)填寫完畢后，命名保存，以便模型裝配時(shí)調(diào)用。

1.4 平衡臂參數(shù)化建模

平衡臂模型樣式較多，可歸納建立典型形式的模型庫，此處選擇一種最常見的平衡臂結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括塔身的長度、寬度、高度，主肢分段個(gè)數(shù)，拉桿吊點(diǎn)距離臂跟鉸點(diǎn)長度，拉桿吊點(diǎn)距離主梁中線的高度，平衡臂鉸點(diǎn)位置尺寸，起升機(jī)構(gòu)滑輪點(diǎn)的位置尺寸，主肢、直腹桿、斜腹桿的截面尺寸（圖5、圖6）。另外，直腹桿和斜腹桿的分布形式包括W型和N型，可供選擇。

2 部件參數(shù)化裝配

參數(shù)化裝配階段，即將塔機(jī)上部結(jié)構(gòu)的起重臂、平衡臂、塔頂、回轉(zhuǎn)塔身等部件有序組合，形成與物理模型一致的參數(shù)化模型。具體操作只需在VB軟件界面中的相應(yīng)位置分別指定部件的模型文件，然后保存即可。VB會(huì)按照一定的格式將模型數(shù)據(jù)輸送給ANSYS，完成有限元模型裝配 (圖 7、圖 8）。

圖7 結(jié)構(gòu)件參數(shù)化裝配界面

3 多工況參數(shù)化加載

多工況參數(shù)化加載通過VB語言開發(fā)的可視化窗口添加，在可視參數(shù)化列表中選擇計(jì)算工況的臂長、載荷作用幅度、起重量、對(duì)應(yīng)的配重、鋼絲繩倍率、載荷組合形式、風(fēng)載方向等，各參數(shù)值任意組合，形成不同的工況，VB會(huì)將所有不同工況的信息全部輸送給ANSYS,一次性將各工況計(jì)算完畢（圖9）。

4 計(jì)算結(jié)果查看

本文所采用的是后臺(tái)運(yùn)行的方式，即在VB中調(diào)用ANSYS。如果要觀察所得結(jié)果的圖形顯示，建議采用GU I方式進(jìn)行，在ANSYS環(huán)境中通過圖形顯示模型圖、應(yīng)力分布云圖和變形圖等。

5 結(jié) 論

本文介紹的基于VB和ANSYS的塔機(jī)上部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，充分說明了VB和ANSYS良好的融合性，VB能夠完美地將復(fù)雜的塔機(jī)有限元建模過程封裝，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模和裝配，多工況、多載荷自動(dòng)加載計(jì)算。該方法為解決通用計(jì)算軟件和專業(yè)化需求之間的矛盾提供了一種有效途徑，顯著減低了有限元分析的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了計(jì)算效率。雖然本文中僅涉及了塔機(jī)參數(shù)化建模與計(jì)算的研究，但對(duì)于塔機(jī)參數(shù)化計(jì)算結(jié)果的后處理、結(jié)構(gòu)件優(yōu)化、模塊化設(shè)計(jì)等工作，也可以照此法進(jìn)行。 O