戴濤旭，王全先，裴看看，張 恒

(1.安徽工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243002; 2.特種重載機器人安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

主梁是橋式起重機中最重要的關(guān)鍵部件，設(shè)計要求極其嚴格，傳統(tǒng)的設(shè)計方法通常是進行計算校核、繪制圖形以及ANSYS分析等，設(shè)計周期長。構(gòu)建橋式起重機主梁的CAE集成系統(tǒng)，運用計算機代替手工進行計算與繪圖，可通過人機交互，最大限度地發(fā)揮設(shè)計人員的創(chuàng)造力和經(jīng)驗[1]，提高橋式起重機的設(shè)計效率和質(zhì)量[2]。

鋼結(jié)構(gòu)是整臺起重機的骨架，用以裝置起重機的機械、電氣設(shè)備，支持被起吊的重物，承受和傳遞作用在起重機上的各種載荷[3]。橋式起重機的主梁有多種結(jié)構(gòu)形式，箱形結(jié)構(gòu)是被廣泛采用的形式之一。對于偏軌箱形梁，由于軌道偏置在一塊腹板上，可以省去一些作為軌道支承用的小加肋板，減小了小車軌距，大大降低了小車重量，同時減少了焊接量[4]，故雙梁箱形偏軌主梁得到了越來越多的應(yīng)用。筆者以雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁為研究對象，使用Creo軟件建立雙梁箱形偏軌主梁的初始三維模型，然后在VB平臺上開發(fā)雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁CAE設(shè)計系統(tǒng)，調(diào)用ANSYS軟件對其進行有限元分析，快速實現(xiàn)雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析工作，克服了傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計工作量大、容易出錯、且不利于反復修改再設(shè)計的缺點，為實際工程應(yīng)用提供了一個強有力的設(shè)計工具。

1 雙梁箱形偏軌主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙梁箱形偏軌主梁的斷面圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要工作是進行鋼結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計并驗算尺寸的合理性，在滿足設(shè)計要求的條件下，盡可能地減少主梁重量以節(jié)約制造成本。

圖1 雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁斷面圖

1.1 雙梁箱形偏軌主梁建模

首先根據(jù)10T-22.5 m型雙梁箱形偏軌主梁的尺寸建立偏軌主梁的初始模型。在Creo軟件中繪制雙梁箱形偏軌主梁模型，模型主要包括上蓋板、下底板、兩塊腹板以及方形鋼軌道。上蓋板和方形鋼軌道可通過RIGHT面建立斷面圖，然后向兩側(cè)拉伸，與端梁連接的部分可任選一端進行繪制，然后以RIGHT面為鏡像平面進行鏡像。繪成的雙梁箱形偏軌主梁模型如圖2所示。

圖2 雙梁箱形偏軌主梁模型示意圖

1.2 有限元前處理

文中在Creo軟件中對雙梁箱形偏軌主梁模型進行網(wǎng)格劃分和施加約束載荷等前處理操作，最后生成有限元模型再導入ANSYS軟件中進行有限元分析。此方法汲取了Creo軟件和ANSYS軟件各自的優(yōu)點，為雙梁箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)的開發(fā)建立了基礎(chǔ)。

1.3 雙梁箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)的搭建

建立好初始模型，以可視化的VB平臺為基礎(chǔ)，搭建雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)，實現(xiàn)三維模型設(shè)計和有限元處理的自動化。搭建系統(tǒng)所需要的關(guān)鍵技術(shù)就是利用VB對Creo軟件和ANSYS軟件進行一定程度的二次開發(fā)。通過二次開發(fā)，設(shè)計人員只需輸入設(shè)計尺寸，系統(tǒng)在后臺完成雙梁箱形偏軌主梁的模型設(shè)計，然后調(diào)用ANSYS軟件進行有限元求解，從而實現(xiàn)雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁的快速設(shè)計開發(fā)。

2 基于VB的Creo二次開發(fā)

2.1 AGW的連接

Creo的二次開發(fā)方式有很多，其中以AGW軟件為橋梁，利用VB對Creo進行二次開發(fā)是相對方便快捷的。AGW(Automation Gateway)是RAND公司開發(fā)的針對 Creo軟件的二次開發(fā)工具, 與 Creo系統(tǒng)自帶的二次開發(fā)工具 Pro /TOOLKIT相比，具有簡單易用等優(yōu)點[5]。AGW軟件可以分別訪問Creo和VB的數(shù)據(jù)庫，并在其間傳遞數(shù)據(jù)，從而達到利用VB對Creo進行二次開發(fā)的目的。

首先將AGW與Creo建立連接。在電腦桌面先后打開Creo軟件和AGW軟件，AGW打開后會自動連接Creo，當屏幕上出現(xiàn)如圖3所示的“Successful！”提示信息時，表明連接成功。

圖3 AGW和Creo連接成功示意圖

2.2 調(diào)用Creo快速設(shè)計

調(diào)用Creo進行快速設(shè)計，就是通過編寫代碼控制Creo自動完成模型重繪。文中雙梁箱形偏軌主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計是在一個提前建好的三維模型的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)讀取該基礎(chǔ)模型的尺寸參數(shù)信息，然后輸入修改后的新模型的尺寸參數(shù)，并通過AGW傳遞給Creo，Creo再自動修改尺寸參數(shù)，生成新的雙梁箱形偏軌主梁三維模型。通過對雙梁箱形偏軌主梁模型的設(shè)計參數(shù)的識別、提取、修改，從而實現(xiàn)雙梁箱形偏軌主梁的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。所以，文中所設(shè)計的系統(tǒng)并不是直接控制Creo進行草圖繪制、創(chuàng)建特征等操作，而是在已有模型的基礎(chǔ)上進行重繪，從而實現(xiàn)利用VB調(diào)用Creo對雙梁箱形偏軌主梁進行快速設(shè)計。

所用到的主要代碼如下。

Public RGateway1 As New GwayAX，對全局變量的聲明。Public是VB聲明全局變量的一種常用方式，RGateway是定義對象的簡稱，GWayAX是添加的AGW的一個插件。通過全局變量的聲明，VB就能訪問AGW的函數(shù)庫了。

指令ModelRetrieve(modelname)，可以將雙梁箱形偏軌主梁的基礎(chǔ)模型存入到內(nèi)存中，modelname是模型所在位置。

SessionSetCurrentModel，將內(nèi)存中的模型調(diào)出，然后顯示在Creo中，該函數(shù)需與ModelRetrieve函數(shù)組合使用。

RGateway1.DimensionGetValue(“d0”)，將該值賦值給文本框來獲取Creo模型的特征尺寸，特征尺寸是Creo模型的基本尺寸，如圖4所示，為雙梁箱形偏軌主梁的部分特征尺寸示意圖。

圖4 雙梁箱形偏軌主梁模型特征尺寸圖

d0=RGateway1.ParamSetValue，在指令后給定特征尺寸的代號以及文本框名稱，即可將修改后的尺寸反饋給Creo，此處d0為輸入的新模型的其中一個尺寸值。

RGateway1.ModelRegenerate，該函數(shù)的功能是模型重生，通過上一步，Creo收到了新的特征尺寸的信息，此處函數(shù)使得Creo按照新尺寸對特征尺寸重新定義。

RGateway1.WindowRepaint，該函數(shù)是在ModelRegenerate函數(shù)生效后，對模型進行重繪。至此，就實現(xiàn)了雙梁箱形偏軌主梁的模型修改。

2.3 編寫計算書

編寫計算書，將設(shè)計好的尺寸和部分程序代碼輸出為文本文件，方便設(shè)計人員查看。文中采用Output語句將程序數(shù)據(jù)輸出到文本。Output方式打開的文件是用來輸出數(shù)據(jù)的，可將數(shù)據(jù)寫入文件，即寫操作。所用到的主要代碼如下。

Dim lj AS String

lj=”C：Users”&”說明書”&”.txt”

if Dir(lj)=””Then

Open lj For Output As #1

Print #1,

……

語句中，” C：Users”為文本的儲存路徑，若該路徑為空，則系統(tǒng)打開新文本并輸入數(shù)據(jù)；#1則代表計算書文件，在”Print #1,”后面書寫所需輸出的數(shù)據(jù)。

3 VB調(diào)用ANSYS軟件技術(shù)的實現(xiàn)

文中采用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL來實現(xiàn)ANSYS的二次開發(fā)。APDL是一種解釋性語言, 可以用來自動完成一些通用性強的任務(wù)[6]。VB調(diào)用ANSYS步驟中最重要的一步就是建立APDL文本文件，文件中用命令流進行導入有限元模型并求解，然后顯示變形并將結(jié)果輸出為圖形文件。所用到的命令流指令主要如下。

/CLEAR，該命令用于清空數(shù)據(jù)庫文件，方便開始后續(xù)的新工作。

/Filename，用于命名工作文件。

/INPUT,指令后面寫入有限元文件的名稱和文件位置 ,該指令中，INPUT用于導入雙梁箱形偏軌主梁的有限元模型，文中模型名稱命名為Analysis1.ans，該模型的文件位置一般設(shè)置為電腦桌面，方便存儲和查找。

/SOLU，SOLU的作用為訪問求解器。

/SOLVE，此處作用為開始對雙梁箱形偏軌主梁進行求解運算。

/POST，求解結(jié)束后，需要對求解結(jié)果進行查看，POST指令用于訪問后處理器。

/VIEW,1,1,1,1，VIEW命令的作用是查看模型求解結(jié)果時設(shè)置觀察視角。

/REPLOT，該指令表示刷新當前界面，當添加了新指令后，為保證ANSYS軟件的確完成了后臺處理，往往通過刷新來重新顯示操作界面。

PLNSOL,S,EQV,0,1.0，PLNSOL指令用于以等值線和云圖的形式來顯示各節(jié)點處的計算結(jié)果，此處“S,EQV”表示所使用的應(yīng)力為Von Mises應(yīng)力，即米塞斯應(yīng)力。

/show,jpeg,,0，show命令表示在操作界面顯示求解結(jié)果圖。

建立完APDL文本文件，然后利用Shell函數(shù)調(diào)用ANSYS求解。Shell函數(shù)是VB常用的調(diào)用外部程序的一種窗口函數(shù)。調(diào)用ANSYS的主要代碼如下。

exe=Text1.Text，exe在VB中一般作為可執(zhí)行文件，此處將其賦值為本機ANSYS的安裝路徑，需要用戶自行輸入，這樣設(shè)計使程序可在不同計算機上運行，提高了系統(tǒng)的實用性。

path=Text2.Text,該代碼中路徑path賦值的是本機ANSYS的工作目錄，同樣是為了使shell函數(shù)能夠調(diào)用不同計算機上的ANSYS軟件。

Open path&””&”ANSYS”&”.txt”For Output As #1，此串代碼是VB打開一個空白文本的常用句式。其中，Open指令為打開文件，后面連接文件路徑。Output指令是文件的打開方式，通常結(jié)合Print函數(shù)一起使用。

Print#1,”/Filename,dai”，Print用于在打開的文本中輸入內(nèi)容，此處輸入的內(nèi)容為APDL的命令流文本。

Close #1，文件編輯完成后的結(jié)束語。

way = exe &"-pANE3FL-dir"&path&"-jjob-b -i"&path &"ANSYS.txt"&" -o "& path &"dai-fileout.txt"，該代碼需要結(jié)合shell函數(shù)使用，其作用為定義shell函數(shù)所調(diào)用的外部軟件的名稱和路徑等。其中，-p表示ANSYS的產(chǎn)品代號，ANE3FL是ANSYS的Multiphysics模塊的特征代碼，dir后面綴上相對路徑便于移植，-j表示工程名稱，-b為運行的控制開關(guān)，-i后綴的路徑為APDL命令流文本的路徑，-o后面的路徑為輸出的文本路徑。

X=Shell(way,VBMaximizedFocus)，代碼中參數(shù)X用于存放shell函數(shù)的返回值，結(jié)合上條代碼中way的賦值，就可利用VB打開ANSYS軟件了。

查看求解結(jié)果的主要代碼如下。

path=form16.Text2.Text

way=path&””&”file”&”001.jpg”

Form25.Picture1.Picture=LoadPicture(way)

代碼中，path的值為調(diào)用界面內(nèi)輸入的本機ANSYS的工作目錄，在way的賦值中，“file001.jpg”是其中一個結(jié)果圖的名稱。然后通過LoadPicture函數(shù)來加載圖片并顯示在程序的窗口上。

至此，就完成了VB與ANSYS之間的連接。在生成新的橋式起重機雙梁箱形偏軌主梁的三維結(jié)構(gòu)后，打開Creo軟件，在系統(tǒng)指引下修改網(wǎng)格和施加的載荷，此時會生成一份*.ans文件，將此文件復制到ANSYS的工作目錄下，系統(tǒng)就可調(diào)用ANSYS完成有限元求解。

通過VB調(diào)用ANSYS軟件的技術(shù)，結(jié)合前文中Creo的二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了雙梁箱形偏軌主梁的快速CAE設(shè)計。通過VB所搭建的平臺，使得繁瑣而復雜的再設(shè)計過程變得輕松高效，為實際工程應(yīng)用提供一個可供參考的設(shè)計工具。

4 系統(tǒng)算例

以10T22.5M雙梁橋式起重機的箱形偏軌主梁為例，運用系統(tǒng)進行算例分析，系統(tǒng)主界面如圖5所示，先后點擊“Creo4.0鏈接”、“ANSYS19.0鏈接”，前處理界面如圖6所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計界面如圖7所示，ANSYS求解界面如圖8所示，輸入對應(yīng)參數(shù)，即可完成設(shè)計，設(shè)計完成后查看求解結(jié)果和生成計算書，查看結(jié)果圖如圖9所示。整個設(shè)計過程快捷方便，極大地節(jié)約了雙梁箱形偏軌主梁的設(shè)計周期，改善了雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁設(shè)計量大、工作效率低、精度不高的設(shè)計現(xiàn)狀。

圖5 系統(tǒng)主界面示意圖 圖6 Creo前處理界面示意圖

圖7 結(jié)構(gòu)設(shè)計界面示意圖 圖8 調(diào)用ANSYS界面示意圖

圖9 查看結(jié)果示意圖

5 結(jié) 語

在VB平臺上，利用連接軟件AGW對Creo進行二次開發(fā)，實現(xiàn)直接輸入設(shè)計參數(shù)，系統(tǒng)自動完成Creo三維模型的重繪，快速完成雙梁箱形偏軌主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以APDL為基礎(chǔ)，對ANSYS進行一定程度的二次開發(fā)，手動完成網(wǎng)格劃分和載荷約束施加后，系統(tǒng)將重繪的雙梁箱形偏軌主梁的有限元模型導入ANSYS中，調(diào)用ANSYS進行快速分析和查看求解結(jié)果。通過二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)雙梁橋式起重機箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)，實現(xiàn)雙梁箱形偏軌主梁的快速CAE設(shè)計，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。