黃家輝 王帥 李勝

摘要：隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外很多起重機生產(chǎn)商開始利用仿真技術(shù)來對產(chǎn)品進行設(shè)計，以提高產(chǎn)品的設(shè)計速度，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計可靠性。在產(chǎn)品設(shè)計時通過建立結(jié)構(gòu)的三維模型并模擬其運動過程，然后對仿真結(jié)果進行分析，以判斷設(shè)計的產(chǎn)品是否滿足要求，若不滿足設(shè)計要求，可在產(chǎn)品設(shè)計初期對其進行改進，以達到降低設(shè)計成本的目的。目前國內(nèi)很多生產(chǎn)廠商利用三維軟件對起重機的重要部件進行優(yōu)化設(shè)計，以降低設(shè)計和生產(chǎn)成本，提升企業(yè)競爭力。

仿真模擬則為實現(xiàn)更加經(jīng)濟，可靠，復雜，高性能的起重機設(shè)計提供了一種新型的設(shè)計手段。

一、研究的背景和意義

起重機械可以完成僅靠人力無法完成的重物搬運工作，可用來進行起重、運輸、安裝和裝卸的機械減輕了人類的勞動，提升了速率，在車站、工地、港口、工廠、礦場、倉庫、水電站、大壩等各種領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。起重機為不可缺少重要機械設(shè)施，不僅是生產(chǎn)過程中輔助機械，對于起重機的操作它直接影響到我們的生命安全和財產(chǎn)安全。起重機它是一種短程搬運材料的工具，它的運動方式是循環(huán)的，間歇的運動。起重機的一個工作周期包括：通過起升機構(gòu)把我們需要提升的物體提起，然后進行移動，最后在特定的位置使物體下降，放在特定的位置，這樣循環(huán)往復工作。

二、橋式起重機設(shè)計的發(fā)展狀況

1、國內(nèi)橋式起重機的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外許多起重機制造商已經(jīng)開始使用仿真技術(shù)來設(shè)計產(chǎn)品，使用更高效和可靠的仿真技術(shù)來提高產(chǎn)品設(shè)計速度，提高設(shè)計的可靠性，并直接通過仿真分析設(shè)計判斷是否達到設(shè)計目標，以減少生產(chǎn)成本的原型。

目前，國內(nèi)起重機正在從多個領(lǐng)域和方向上進行優(yōu)化，以提高企業(yè)的競爭力。

中國起重機的研究和發(fā)展趨勢包括以下幾個方面：

（1）優(yōu)化設(shè)計：仿真設(shè)計是優(yōu)化設(shè)計中常用的一種。

該產(chǎn)品不僅要考慮其靜態(tài)特性，還要考慮其動態(tài)特性，但靜態(tài)特性不能通過實驗方法反映出不同條件下的動態(tài)特性。動態(tài)特性要求樣品的生產(chǎn)，但在產(chǎn)品滿足設(shè)計要求之前制造樣品浪費時間，增加了很多成本。仿真技術(shù)可以模擬產(chǎn)品在不同工況下的動態(tài)響應。通過仿真數(shù)據(jù)對設(shè)計的質(zhì)量進行了評價，實現(xiàn)了無紙化設(shè)計，大大降低了設(shè)計的時間和成本。

（2）新材料的應用：由于鋼鐵行業(yè)的技術(shù)改造，鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量得到了提高，使用的材料數(shù)量可以減少，從而降低了設(shè)備的重量，降低了成本。在設(shè)計吊車梁強度時，可以不需要較高的安全系數(shù)就可以使用較高的許用應力，這減少了所使用的材料的數(shù)量，而且由于可用驅(qū)動器的重量較輕，功率降低，降低了電力成本。

（3）模塊化設(shè)計：通過建立一個多層次的標準化和模塊化單元，如起重機的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、部件等，產(chǎn)品的改進只需要對目標模塊進行修改，大大加快了新產(chǎn)品的開發(fā)。

（4）“三個趨勢”和“三個特征”的發(fā)展：目前，中國正朝著大規(guī)模、自動化、一體化的方向發(fā)展：創(chuàng)新、可靠、安全，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，產(chǎn)品市場競爭力繼續(xù)提高。

（5）開發(fā)新的驅(qū)動組件：通過開發(fā)新的驅(qū)動組件，將發(fā)動機、制動器、減速機等機構(gòu)的簡化集成到一起。這種三合一結(jié)構(gòu)不僅提高了操作機構(gòu)的性能和壽命，而且提供了一個緊湊的結(jié)構(gòu)，保養(yǎng)方便，外形美觀。[1]

2、國外橋式起重機的發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬樣機技術(shù)已在西方發(fā)達國家得到推廣和發(fā)展。德國、美國、日本等資本主義國家在這一新興技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的成就，在汽車工業(yè)、電子工業(yè)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、航空航天、工程機械、生物力學、醫(yī)藥、人工智能等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。

在理論研究的基礎(chǔ)上，運用離散有限元法建立了橋式起重機的運動學方程，建立了起重機的多自由度力學模型。研究了不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性：美國學者Ali T. Alouani開發(fā)了一種系統(tǒng)的模糊控制器，在起重機運行過程中實現(xiàn)了繩索的擺動;Blackburnd和Singhosew開發(fā)了一種命令成型算法用于提高非線性塔式起重機旋轉(zhuǎn)運動的阻尼效應;克羅地亞學者Jolevski Danijel證實了控制器在橋式起重機模型中的應用，并與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行了比較，以防止繩索的擺動。

作為世界上最重要的建筑機械制造商之一，卡特彼勒在上個世紀90年代一直處于領(lǐng)先地位。

由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展。這家公司便嘗試將仿真技術(shù)應用到產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)過程當中，整個設(shè)計過程和公司研究和開發(fā)的成本已經(jīng)大大降低，同時公司也保持一個穩(wěn)定的市場份額。

同樣的，為了解決高速施工機械的彎道現(xiàn)象和在重負下的自激振動，John Deere在沒有有效解決方案的前提下采用了虛擬樣機技術(shù)，使工程師能夠找到問題的根本原因。該公司還在原有計劃的基礎(chǔ)上提出了技術(shù)創(chuàng)新，大大提高了產(chǎn)品的高速駕駛性能和重型經(jīng)營性能，使產(chǎn)品在市場上更具競爭力。它的設(shè)計、裝配、性能評估和分析都是通過仿真技術(shù)完成的，這不僅減少了設(shè)計變更的數(shù)量，也降低了開發(fā)成本高達94%，提高了10倍的模具設(shè)計的精度，使開發(fā)周期減少了近50%。[2]

三、虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展

虛擬樣機技術(shù)指的是在實物原型建立之前的產(chǎn)品開發(fā)階段。設(shè)計師使用計算機系統(tǒng)來構(gòu)建產(chǎn)品的整體模型，使用仿真分析來模擬產(chǎn)品投入使用后的實際情況，并以圖形的方式顯示出來。

使用虛擬樣機代替實物原型驗證設(shè)計可以大大簡化機械產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)過程，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大大降低產(chǎn)品開發(fā)成本，顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品系統(tǒng)性能，從而實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計。

多體系統(tǒng)的動力學它的計算是由計算機技術(shù)在靜態(tài)分析和運動學分析以及力學系統(tǒng)的動力學分析這些方面的應用而產(chǎn)生的，從而產(chǎn)生了多體運動學的分析軟件，ADAMS就是代表之一。它與有限元相結(jié)合，成為了計算機輔助工程（CAE）非常重要的一部分。非常多的新技術(shù)集成到了虛擬樣機技術(shù)當中，而多體系統(tǒng)動力學的核心就是模型的建立。數(shù)值計算的方法是應用數(shù)學的一個重要分支，為模型求解提供了一種快速有效的方法。計算機技術(shù)是其實現(xiàn)的外殼。CAD＼CAM＼CAE集成開發(fā)技術(shù)對虛擬樣機的應用和推廣提供了非常好的技術(shù)條件。他的三維計算機圖形技術(shù)以及基于圖形的用戶界面的技術(shù)非常成熟，并且計算機的可視化和動畫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，這也為該項技術(shù)提供了友好的人機界面。

參考文獻：

[1]須雷.起重運輸機械國內(nèi)市場需求預測[J]，世界機電經(jīng)貿(mào)信息，1996，11：23-24

[2]洪嘉振.多體系統(tǒng)動力學——理論、計算方法和應用.上海：上海交大出版社，1992

[3]張越今.多體動力學仿真軟件ADAMS理論及應用研討.機械科學與技術(shù)，1996

[4]李軍，邢俊文，譚文浩等編.ADAMS實例教程.北京：北京理工大學出版社，2002