宋世軍 彭振飛 王忠雷

山東建筑大學機電工程學院 濟南 250101

0 引言

塔式起重機（以下簡稱塔機）是建筑施工中不可或缺的關鍵設備。一旦發(fā)生事故，往往會給廣大人民群眾的生命財產造成重大損失[1]。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬技術水平也不斷提高，使用有限元數(shù)值模擬技術可直觀地了解塔機的位移、固有頻率、振型、曲率模態(tài)、應變模態(tài)、模態(tài)柔度變化率曲率等的變化規(guī)律。伍曉順等[2]對靜力測試的加載模式進行優(yōu)化，提出了一種結構損傷靜力識別3階段的方法；劉文光等[3]研究出若已知梁的各個階次的固有頻率，可通過損傷與固有頻率的關系式，求解出發(fā)生損傷的位置和大?。惶剖⑷A等[4]基于振型的損傷識別方法，通過振型的變化與結構損傷信息的位置關系來對損傷進行定位；Liu Q Y等[5]基于曲率模態(tài)的損傷識別方法，通過將模型進行有限元計算得到位移振型，觀察曲率模態(tài)的變化規(guī)律以此對結構損傷位置信息關系進行損傷定位；周計祥等[6]基于應變模態(tài)的模態(tài)應變能損傷識別方法，通過應變和位移之間的聯(lián)系，遞推出應變模態(tài)與位移模態(tài)之間的轉換矩陣，根據(jù)奇異值截斷法識別結構損傷；戴斌[7]基于模態(tài)柔度變化率曲率的損傷識別方法，通過提取結構損傷前后柔度矩陣的對角線元素，通過對應元素做差得到前兩組向量的插值向量，再利用插值向量元素比值得到一個集合，最后通過差分法得到柔度變化率指標作為損傷識別指標；張敏等[8]基于APDL命令流對T2-Y/Q345異質材料平板對接頭的各項參數(shù)進行數(shù)值模擬計算，通過數(shù)值模擬結果與試驗結果相對比，驗證了Ansys有限元計算的可靠性。前人的研究表明使用Ansys有限元軟件進行數(shù)值模擬具有很大的優(yōu)勢，但只是針對某一具體型號的工件使用GUI進行分析。塔機類型眾多、結構復雜，傳統(tǒng)的GUI操作方法顯然不能實現(xiàn)快速建模。

丁彩紅等[9]為實現(xiàn)自動化鏟板過程中鏟刀快速接近并壓緊噴絲板且不損壞鏟刀或板面，對刀運動進行了參數(shù)化設計規(guī)劃，通過Hertz接觸準則確定了運動參數(shù)的設計原則，最后使用Matlab進行分析計算得到了刀運動參數(shù)的具體數(shù)值；張曉霞等[10]在建立柔性附著動臂塔機塔身參數(shù)化模型時，將塔身有限元模型以圖塊的形式存儲，并在分析時將其導出。上述文獻僅對參數(shù)化進行設計或將模型以圖庫的形式保存起來。塔機建模參數(shù)多、模型多，數(shù)據(jù)庫龐大，僅僅靠手動改正，不能明顯提高建模效率。

參數(shù)化梁單元模型的生成基于梁理論，即當滿足Euler-bernoulli梁理論的條件時，梁的彎曲變形可通過梁中心線的變形表示簡述為用一條空間曲線代表一根梁[11]。王青等[12]通過不同單元及單元數(shù)的計算值進行比較，得出Beam 188、Beam 189單元具有方面適用前后處理功能，它們除具有經(jīng)典梁單元的分析能力還具有考慮截面翹曲變形等能力。此外，Beam 188、Beam 189支持自定義截面，為梁單元有限元模型參數(shù)化設計提供了基礎。

本文以80塔機為原型，基于Timoshenko梁理論，在Windos操作系統(tǒng)中利用Delphi作為開發(fā)工具，采用Delphi語言對APDL命令流進行二次開發(fā)，建立塔機梁單元有限元模型快速參數(shù)化設計系統(tǒng)，可有效地管理參數(shù)，大大縮減了塔機模型建立時間，使各型號的塔機模型生成效率顯著提升。

1 塔機參數(shù)化建模分析

參數(shù)化建模指用參數(shù)來驅動模型的尺寸和屬性，只需要修改特征參數(shù)就能改變零部件的大小、形狀和屬性。具體方法是通過零部件CAD圖紙和國家標準得到所需要截面及零部件的具體參數(shù)，并對其模型進行簡化處理，刪減部分不必要組件，經(jīng)過分析、編程得到截面和部件APDL命令流庫，然后使用Delphi語言對命令流予以修改，通過Access表格中的特征參數(shù)來修改驅動模型的尺寸和屬性，研發(fā)出塔機梁單元有限元模型參數(shù)化設計系統(tǒng),從而實現(xiàn)塔機的快速建模。塔機在Ansys中仿真模擬，一方面由于其外形結構大致相同，但尺寸和屬性可能不同，設計師往往需要針對不同尺寸和屬性的塔機進行重復設計。另一方面，傳統(tǒng)的GUI操作方法設計效率低且需要的更長的設計周期?；谏鲜鲈?，采用參數(shù)化建模，通過建立系列截面和部件模型，可大大提高生產效率，減小時間資源的浪費。具體流程如圖1所示。

圖1 塔機梁單元有限元模型參數(shù)化設計系統(tǒng)

2 參數(shù)化截面模型庫的建立

2.1 截面模型APDL

定義屬性主要包括材料屬性、單元類型等。材料屬性主要包括材料的彈性模量、泊松比、密度等，可經(jīng)由材料手冊查得；單元類型以塔機標準節(jié)主弦桿上的角鋼截面為例，其截面存在倒圓角、圓弧和線段3種特征，三者尺寸相差較大，在自動劃分網(wǎng)格時容易產生劃分網(wǎng)格形狀不規(guī)則的問題，于是選擇2維8節(jié)點結構實體單元Plan 82，四邊形和三角形混合網(wǎng)格具有較高的結果精度，可以適應不規(guī)則形狀而較少損失精度。

編程的命令流為：

mshape,0,2d !!單元形狀為2D單元

mshkey,0 !!劃分網(wǎng)格方式為自由劃分

amesh,all !!劃分面單元網(wǎng)格

secwrite,ZXGjg_jm1,txt

!!將截面命名并寫入txt文件中

2.2 截面模型參數(shù)化

截面的主要設計參數(shù)有邊長、邊厚、內外弧半徑、長度、倒圓角半徑和倒角等，其中的內外弧半徑、倒角和倒圓角需要查找不同截面形狀尺寸的國家標準。以角鋼塔身主弦桿角鋼加加強板截面為例，該截面特征可以用邊長、邊厚、內弧半徑等8個尺寸來完全描述，截面圖形特征、參數(shù)輸入和命令流輸出界面如圖2所示。

圖2 截面圖形特征、參數(shù)輸入和命令流輸出截面

2.3 截面模型參數(shù)化實例

通過修改截面相關參數(shù)完成截面APDL命令流的自動更新，從而得到自己所需要的截面類型尺寸，以2.2中所述截面為例，通過修改內徑尺寸大小，將內徑由原來的16 mm修改為60 mm所得Ansys劃分網(wǎng)格后的截面如圖3、圖4所示。

圖3 內徑為16 mm時Ansys劃分好網(wǎng)格后的截面

圖4 內徑為60 mm時Ansys劃分好網(wǎng)格后的截面

3 梁單元模型的建立

3.1 梁單元模型APDL

在梁單元類型上選擇Beam 188單元，既滿足所需要的處理功能，又可減小位置數(shù)目的龐大，減小計算時間。梁單元的空間位置可通過定義一個數(shù)組來確定。

編程的命令流為：

WPCSYS,-1,0 !!工作平面回到原坐標系下

WPOFFS,X0,Y0,Z0 !!移動工作平面

CSYS,4 !!使用工作平面坐標系

Mat,1 !!使用材料1

real,1 !!定義實常數(shù)1

*DIM,ZZA,ARRAY,12,3 !定義數(shù)組，可以到三維，1,Z位置；2,單元位置；

!!!!!!!!＠01*****!＠02*****!＠03*****!＠04*****!＠05*****!＠06*****!

3.2 梁單元模型參數(shù)化

梁單元的設計參數(shù)主要包括起始點空間位置以及自定義截面賦予位置，具體參數(shù)和尺寸可通過查閱相關標準與工程圖紙，并制作Access表格來驅動。

4 部件模型庫的建立

4.1 部件模型APDL

對部件進行屬性定義，其中塔身、平衡臂和起重臂選擇Beam 188梁單元；平衡臂和拉桿選擇三維桁架單元Link 8，Link 8是2節(jié)點6自由度的軸向拉伸、壓縮三維桿單元，主要用于模擬兩端節(jié)點鉸接的空間桿件，不考慮桿件的彎曲和扭轉變形。

編程的命令流為：

Lesize,1,,,1 !!為線指定網(wǎng)格尺寸

sectype,1,beam,mesh

!!定義截面號，并初步定義截面類型為梁單元

secoffset,cent

!!定義梁的節(jié)點置于截面的形心

secread,'ZXGjg_jm1','txt',,mesh

!!讀取截面

latt,2,,1,,GJD,,1

!!為準備劃分的線定義一系列特性

4.2 部件模型參數(shù)化

以角鋼塔身標準節(jié)為例，標準節(jié)部件的設計參數(shù)可以由水平腹桿、斜腹桿和主弦桿的空間位置，以及主弦桿上的不同截面的起始位置、截面文件等10個參數(shù)來完全描述，部件圖形特征、參數(shù)輸入和命令流輸出界面如圖5所示。

圖5 部件圖形特征、參數(shù)輸入和命令流輸出界面

4.3 部件模型參數(shù)化實例

根據(jù)所需要塔機的具體參數(shù)，對模型的高度、寬度、主弦桿上不同位置所賦予的橫截面、節(jié)數(shù)等對塔機模型進行修改。圖6、圖7為通過對節(jié)數(shù)進行修改，由一節(jié)標準節(jié)修改為12節(jié)標準節(jié)后所得到的不同Ansys模型。

圖6 1節(jié)標準節(jié)Ansys模型

圖7 12節(jié)標準節(jié)Ansys模型

5 有限元模型建立與參數(shù)化設計系統(tǒng)模擬實例

5.1 塔機梁單元有限元模型的建立

QTZ100塔身是由12個2.99 m×1.419 m標準節(jié)組成，各標準節(jié)尺寸參數(shù)均相同。因此，可建立標準節(jié)模型，在Ansys命令流中通過If語句，完成所有標準節(jié)的建模。首先創(chuàng)建關鍵點，定義主弦桿關鍵點沿Y方向位置的數(shù)組，通過Do循環(huán)使用L命令對關鍵點進行連接并生成標準節(jié)線單元。由于塔身上水平腹桿、斜腹桿和主弦桿都為角鋼，故還要創(chuàng)建合適的方向關鍵點。然后將不同的截面分別賦予到不同位置的線上，通過Lemesh命令對模型進行網(wǎng)格劃分。最后，沿塔身方向復制標準節(jié)，并合并節(jié)點，生成塔身。將全部部件命令流整合讀入到文件中，通過耦合命令對節(jié)點進行壓縮，完成塔機的整體建模。

5.2 塔機梁單元有限元模型參數(shù)化設計系統(tǒng)模擬實例

以平頭塔機角鋼塔身為例，分別改變其標準節(jié)節(jié)數(shù)，將標準節(jié)由12節(jié)轉變?yōu)?節(jié)，分別得到Ansys模型如圖8和圖9所示。

圖8 12節(jié)標準節(jié)塔機Ansys梁桿單元模型

圖9 6節(jié)標準節(jié)塔機Ansys梁桿單元模型

6 結論

使用Ansys對塔機進行數(shù)值模擬可直觀地了解到塔機各項性能參數(shù)的變化規(guī)律。傳統(tǒng)的GUI建模方式不僅建模慢，且不能實現(xiàn)模型的快速更新。本文采用Delphi語言對APDL命令流進行二次開發(fā)，建立塔機梁單元有限元模型快速參數(shù)化設計系統(tǒng)，可對設計參數(shù)進行有效的管理，大大縮減了塔機模型建立所需要的時間，節(jié)約人力和物力。