何　羽 孫　林 付　慶

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)　工程車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南　長(zhǎng)沙　410004）

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自卸舶物料輸送架參數(shù)化三維設(shè)計(jì)及靈敏度分析

何羽 孫林 付慶

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)工程車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410004）

摘要：自卸舶是用于碼頭卸貨的重要運(yùn)輸船，針對(duì)其物料輸送架設(shè)計(jì)效率低的問題，首先建立自卸舶物料輸送架結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化模型，通過(guò)修改其骨架模型及結(jié)構(gòu)局部尺寸等細(xì)節(jié)來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸，從而滿足設(shè)計(jì)需要；然后建立自卸舶物料輸送架的結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，得到各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸變化時(shí)對(duì)輸送架最大應(yīng)力值影響較明顯的設(shè)計(jì)參數(shù)，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：自卸舶物料輸送架；三維參數(shù)化設(shè)計(jì)；靈敏度

自卸舶是一種自帶卸貨設(shè)備，并能連續(xù)快速卸載貨物的運(yùn)輸船［1］。因其具備靈活性高，占用碼頭時(shí)間短，泊位效率高等優(yōu)勢(shì)［2］，使其成為了具有極強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的運(yùn)輸船種之一。物料輸送架作為自卸舶裝卸設(shè)備的組成部分之一，對(duì)其卸貨速度和安全性具有重大影響。許多學(xué)者也對(duì)此展開了廣泛研究，吳芳［3］根據(jù)設(shè)計(jì)需要變更臂架主控參數(shù)來(lái)調(diào)整臂架桿件規(guī)格，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)臂架腹桿位置定位。顧元憲等通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)討論了瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度分析算法的精度和差分法中變量攝動(dòng)量的影響，并建立了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和求解方法。萬(wàn)正喜等對(duì)臂架進(jìn)行了深入受力分析后，提出一種新的結(jié)構(gòu)形式，安全性得到提高。

但是，目前在進(jìn)行自卸舶物料輸送架設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要采用的是人工經(jīng)驗(yàn)方法。這種設(shè)計(jì)模式將導(dǎo)致如下兩個(gè)方面的問題：一是設(shè)計(jì)出的自卸舶物料輸送架過(guò)于笨重，增加了經(jīng)濟(jì)成本，也不便于運(yùn)輸和安裝；二是遇到相似結(jié)構(gòu)時(shí)又需要重新設(shè)計(jì)，造成了時(shí)間和精力的大量浪費(fèi)。針對(duì)以上問題，本文首先建立自卸舶物料輸送架的結(jié)構(gòu)參數(shù)化三維模型，采用基于向前有限差分的靈敏度分析方法，結(jié)合參數(shù)識(shí)別的具體要求，研究自卸舶物料輸送架結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1　輸送架參數(shù)化三維設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需修改時(shí)又需重復(fù)之前設(shè)計(jì)過(guò)程，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響產(chǎn)品交付周期。而參數(shù)化設(shè)計(jì)方法無(wú)需參與產(chǎn)品的全部設(shè)計(jì)過(guò)程，具有高效性。下面利用Inventor這一參數(shù)化設(shè)計(jì)工具對(duì)自卸舶物料輸送架進(jìn)行設(shè)計(jì)。

自卸舶物料輸送架結(jié)構(gòu)主要由上弦桿、下弦桿、水平直腹桿、豎直直腹桿、水平斜腹桿、豎直斜腹桿和鉸耳組成。自卸舶物料輸送架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化三維建模過(guò)程如下。

首先，建立Excel參數(shù)表。獨(dú)立參數(shù)是可以支配草圖骨架構(gòu)造的參數(shù)，可以設(shè)定其為Xi，因變量Yj=F（X1，X2，X3，……，Xn）。結(jié)合整個(gè)自卸舶物料輸送架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定弦桿壁厚t1、直腹桿壁厚t2、斜腹桿壁厚t3、弦桿寬度D1、直腹桿寬度D2、腹桿寬度D3、水平直腹桿長(zhǎng)度L1、豎直直腹桿長(zhǎng)度L2和間距L3為獨(dú)立參數(shù)，最后由函數(shù)關(guān)系得出其他參數(shù)。

其次，根據(jù)物料輸送架的功能和結(jié)構(gòu)建立其骨架，盡可能用最少的訊息來(lái)體現(xiàn)物料輸送架零部件的全部設(shè)計(jì)要素。骨架由點(diǎn)、線、面構(gòu)成，優(yōu)先通過(guò)下層幾何元素來(lái)建立物料輸送架骨架，盡量不出現(xiàn)實(shí)體元素，因?yàn)楣羌苁茄苌悴考幕A(chǔ)，各零部件都是通過(guò)骨架生成，如果骨架結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，冗余信息的積累會(huì)造成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息的繁瑣，造成后期修改的不便。

最后，分析物料輸送架實(shí)體的特征組成及其創(chuàng)建順序，正確的創(chuàng)建順序有助于順利快速地完成造型。先創(chuàng)建拉伸等特征，而將倒角、圓角、打孔等放在后面處理。然后再對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化測(cè)試，至此物料輸送架參數(shù)化三維模型建立完畢。

2　輸送架結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析

由于輸送架結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，故需對(duì)其進(jìn)行靈敏度分析，采用靈敏度分析的方法，可以確定出影響質(zhì)量及最大應(yīng)力值的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，從中找到對(duì)輸送架最大應(yīng)力值影響較明顯的設(shè)計(jì)參數(shù)。

靈敏度分析方法有自動(dòng)微分法、復(fù)變量法、解析法和有限差分法等。但本文自卸舶物料輸送架用于優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)最大應(yīng)力值是隱式的，有限差分法主要是通過(guò)攝動(dòng)參數(shù)的方式來(lái)得到靈敏度信息的，對(duì)目標(biāo)函數(shù)的具體形式?jīng)]有明確要求。故本文采用有限差分法來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大應(yīng)力值的靈敏度，向前差分如公式（1）所示。

式中，S=（t1，t2，t3，D1，D2，D3，L1，L3，L3）為自卸舶物料輸送架結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別為弦桿壁厚t1、直腹桿壁厚t2、斜腹桿壁厚t3、弦桿寬度D1、直腹桿寬度D2、腹桿寬度D3、水平直腹桿長(zhǎng)度L1、豎直直腹桿長(zhǎng)度L2和間距L3；M為自卸舶物料輸送架結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大應(yīng)力值的靈敏度；F（S）為自卸舶物料輸送架最大應(yīng)力值；F(S+?S)為設(shè)計(jì)變量產(chǎn)生微小攝動(dòng)后的自卸舶物料輸送架最大應(yīng)力值。

本文建立輸送架參數(shù)化有限元模型后對(duì)其進(jìn)行了CAE分析。然后以5%為固定步長(zhǎng)對(duì)上述9個(gè)參數(shù)t1、t2、t3、D1、D2、D3、L1、L2和L3進(jìn)行擾動(dòng)，分別取其值的10%、5%、-5%和-10%，而其他參數(shù)值固定不變?；诠剑?）對(duì)自卸舶物料輸送架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化率為10%時(shí)，參數(shù)t1、t2、t3對(duì)最大應(yīng)力值的靈敏度分別為-12 857、4 428和-8 250，其影響性明顯要比其他參數(shù)大；變化率為5%時(shí)，t1的靈敏度為-15 714，其影響性相對(duì)于t3有所減小；變化率為-5%，L2的靈敏度為534，相對(duì)L1和L3有所增大；變化率為-10%時(shí)，D2的靈敏度為2 311，相較于前面幾種變化率有所增大。但無(wú)論哪種變化率，參數(shù)t1、t2、t3、D2和D3對(duì)最大應(yīng)力值的影響較大，而其余參數(shù)對(duì)最大應(yīng)力值的影響較小。所以，選擇弦桿壁厚t1、直腹桿壁厚t2、斜腹桿壁厚t3、直腹桿寬度D2和斜腹桿寬度D3作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

3　結(jié)論

①提出了自上而下參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，然后具體結(jié)合自卸舶物料輸送架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了包括參數(shù)表的建立和鏈接、骨架的建立等在內(nèi)的參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)。最后的測(cè)試環(huán)節(jié)表明，此種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法是可行的，而且也是非常準(zhǔn)確和有效率的。

②利用有限差分法進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大應(yīng)力值的靈敏度分析，從而在眾多參數(shù)中確定了對(duì)輸送架最大應(yīng)力值影響較大的參數(shù)，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］汪一楠.70000噸大型自卸船設(shè)計(jì)與建造技術(shù)［J］.船舶工程，2005（27）：115-124.

［2］盧長(zhǎng)立，朱慕時(shí).大型自卸船在我國(guó)的發(fā)展［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，1997，96（4）：10-17.

［3］吳芳.基于Pro/E的塔機(jī)臂架自頂向下三維設(shè)計(jì)［J］.建筑機(jī)械化，2013（8）：48-50.

中圖分類號(hào)：TH224

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5168（2016）01-0088-02

收稿日期：2015-12-18

作者簡(jiǎn)介：何羽（1989-），男，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

3D Parameterized Design of Material Conveying Rack and Sensitivity Analysis

He YuSun LinFu Qing
（Hunan Province Key Laboratory of Safety and Reliability Technology for Engineering Vehicle，Changsha University of Science and Technology,Changsha Hunan 410004）

Abstract:Self-discharging ship is a kind of important conveyance,which is used in dock unloading.Aiming at the problem of the low design efficiency of the material conveying rack,firstly,a 3D parametric model of self-discharging ship's material conveying rack was established in this paper,and the size of the structure was adjusted by the details like modifying the skeleton model and the structure of the local size to meet the design needs.Then a parametric fi?nite element model of self-discharging ship's material conveying rack was established,and the design parameters of the maximum stress value of the conveying rack were finded,when each size of the structure changes by sensitivity analysis of structural parameters,to provide the basis for the following optimization.

Keywords:self-discharging ship's material conveying rack；3D parametric design；sensitivity