（机械电子工程专业论文）岸边集装箱起重机结构参数化建模及分析.pdf

武汉理一i ：人学硕士学位论文 摘要 港口岸边集装箱桥式起重机口1 ( 简称岸桥) 是集装箱码头前沿装卸集装箱船 舶的专用起重机，世界上的各种集装箱专用码头均采用此种机型来承担船舶的 集装箱装卸作业，个别码头还利用岸桥的大跨距和大后伸距直接进行堆场作业。 随着经济建设的快速发展，用户不仅对岸桥结构、性能要求越来越高，而且要求 尽可能缩减研发周期。这就带来了以下几个问题：( 1 ) 目前已经有不少设计部门 采用有限元软件进行分析，但基本上采用的是手工一软件的对话方式，即手工建 模、手工提取分析结果，虽然从定程度解决了计算问题，但是建模和结果分析 效率非常低下，不但建立模型、提取计算结果麻烦，而且岸桥结构模型计算显得 非常孤立，无法自动循环计算，优化设计无从谈起；( 2 ) 不能通过c a e ( 计算机辅 助计算) 来主导c a d ( 计算机辅助设计) ，使得岸桥的计算仅仅沦为设计的校核部 分。这样导致结构设计对经验的依赖极强，而极度依赖经验在一定意义上来讲就 意味着保守，结果使得岸桥的结构越来越笨重，造成材料浪费和轮压过大( 进而 导致码头的造价过大) ，从而制约了岸桥结构大型化的发展；( 3 ) 岸桥大型化自 重却受到严重限制( 码头方面限制) ，起升机构起制动时，对岸桥结构产生强烈 的冲击振动载荷，导致整个岸桥振动加剧；( 4 ) 疲劳破坏也是机械零件和构件 主要的失效形式之一，起重机零构件发生疲劳破坏的情况一直是设计人员和用 户所关心的问题。 为了提高岸桥设计水平和效率，本文应用有限元分析、v i s u a lb a s i c 语言、 参数化二次开发技术等现代设计理论与方法，对岸桥结构进行了系统性研究，编 制了实用的参数化有限元分析软件，从而解决了效率低下、缩减研发周期的问 题。对大型岸桥结构设计具有非常强的实用性。并在此基础上将工作经验与系统 结合起来指导设计新的岸桥结构设计，使其在功能性、经济性、和可靠性等方 面得以完整体现。利用编制的参数化有限元分析软件，对岸桥进行结构静强度 和刚度分析，在分析疲劳破坏特征的基础上，论述了抗疲劳设计准则与抗疲劳 设计方法，并按照日本工业标准，起重机钢结构计算标准( j i sb8 8 2 1 ：2 0 0 4 ) 进行结构疲劳校核。 关键词：岸边集装箱起重机、有限元、参数化、疲劳 武汉理。- ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t p o r tc o n t a i n e rc r a n ei sas p e c i a lw h a r fc r a n ef o rl o a d i n ga n du n l o a d i n gc o n t a i n e r s m o s tc a s e st h e ya r ea d o p t e dt ol o a d i n ga n du n l o a d i n gc o n t a i n e rs h i pi nm a n ys p e c i a l c o n t a i n e rw h a 吒o w i n gt ot h el a r g es p a na n db a c kr e a c h ，s o m e t i m e sa r eu s e di nb a c k f r e i g h ty a r d w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h e r ea r em o r ea n dm o r er e q u e s t s a b o u ts t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c eo fp o r tc o n t a i n e rc r a n e ，a n dr e q u e s ts h o r t e np e r i o da sf a r a sp o s s i b l e t h i sr e s u l t i ns o m ep r o b l e m si nt h ed e v e l o p m e n to fp o r tc o n t a i n e rc r a n e ： ( 1 ) m a n yd e s i g nd e p a r t m e n t s a d o p tf e ms o f t w a r e a tp r e s e n t ，b u ti ti sa l m o s ta m a n u a l - s o f t w a r e ，t h a ti sm a n u a l l yc r e a t i n gm o d e l ，m a n u a l l yg e t t i n gr e s u l t ，i ts o l v e st h e c a l c u l a t i o np r o b l e mi nac e r t a i ne x t e n t ，b u tt h e r ea r es t i l ls o m ed i s a d v a n t a g e s ，t h e e f f i c i e n c yo fc r e a t i n gm o d e la n dg e t t i n gr e s u l ti sv e r yl o w ，w h a t sm o r e ，t h es t r u c t u r e c a l c u l a t i o no fe a c hp o r tc o n t a i n e rc r a n ei si s o l a t e d ，a n dt h es t r u c t u r ec a nn o tb e c a l c u l a t e dc i r c u l a r l y , s ot h eo p t i m a ld e s i g nc a nn o tb er e a l i z e d ；( 2 ) c a ec a nn o tl e a dt o c a d ，a n dc a ej u s ta sac h e c k o u tt o o lo fc a d s t r u c t u r ed e s i g nd e p o n do ne x p e r i e n c e t o om u c h i tm e a n st h a tt h es t r u c t u r ed e s i g ni so l d - f a s h i o n e d ，i tm u s tl e a dt op o r t c o n t a i n e rc r a n eh e a v y , w h i c hc a u s e sm a t e r i a lw a s t e ，b i g g e rw h e e lp r e s s u r ea n dh i g h c o s to fd o c kb u i l d i n g s oi tr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fp o r tc o n t a i n e rc r a n e ； ( 3 ) l a r g e s i z e dc r a n ei sc o n f i n e db yd e a dl o a df o rd o c kb u i l d i n gc o s t ，w h e n t h eh o i s t i n g m e c h a n i s ms t a r to rb r a k e ，i th a v eas t r o n gi m p a c to nt h es t r u c t u r eo ft h ec r a n e ，w h i c h c a u s ei n t e n s ev i b r a t i o n ；( 4 ) a c t u a l l y , t h ef a t i g u ef a i l u r ei so n em a i ni n a c t i v a t i o no f c o m p o n e t sa n ds t r u c t u r em e m b e r s ，t h ep r o b l e mo fc r a n ef a t i g u ef a i l u r ei sc o n c e r n e d f e m ，v i s u a lb a s i ca n dp a r a m e t e r i z e dm e t h o do fm o d e md e s i g nt h e o r ya n d m e t h o d sa r ea p p l i e df o rt h es a k eo fa d v a n c ed e s i g nl e v e la n de f f i c i e n c y ap r a c t i c a l p a r a m e t e r i z e da n a l y s i ss o f t w a r eo ff e m i sc r e a t e d ，s ot h ee f f i c i e n c yi sa d v a n c e da n d d e s i g np e r i o di ss h o r t e n ，w h i c hi sv e r yu s e f u lf o rd e s i g no fl a r g e s i z e dp o r tc o n t a i n e r c r a n e a d d i t o n a l l yt h i sd i s s e r t a t i o nb r i n gf o r w a r di d e aa b o u ts t r u c t u r ed e s i g nl e db yt h e c o m b i n a t i o no f e x p e r i e n c e a n dt h i s s o f t w a r e ，i n t h ei n t e r e s to f i n c r e a s i n g f u n c t i o n a l ，e c o n o m i c a la n dr e l i a b i l i t y t h es t a t i cs t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fs t e e ls t r u c t u r e 武汉理! l 人学硕十学位论文 a r ea n a l y s e du s i n gp a r a m e t e r i z e dm e t h o da n dt h ef e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e - a n s y s ， b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n dm e c h a n i cv i b r a t i o nt h e o r y b a s e do n a n a l y z i n gc h a r a c t e r i s i t i co ff a t i g u ef a i l u r e ，t h ep a p e rd i s c u s s e ss t r u c t u r ef a t i g u ed e s i g n r u l e sa n dm e t h o d s t h es t r u c t u r ef a t i g u ei sc h e c k e db yt h ej a p a n e s es t a n d a r do f ( ( c a l c u l a t i o nr u l e so fc r a n es t e e ls t r u c t u r e s ( j i sb8 8 2 1 ：2 0 0 4 ) a c c o r d i n gt ot h e r e s u l to fs t a t i cs t r e n g t h k e y w o r d s ：p o r tc o n t a i n e rc r a n e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，p a r a m e t e r i z e d ，f a t i g u e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ：垄丝 e t 期：a 2 趟：旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：盔丛导师( 签名) ： 武汉理。i ：人学硕十学位论文 1 1 集装箱运输概述 第1 章绪论 1 1 1 集装箱运输的产生与发展 早在1 9 0 0 年，英国的铁路运输已经出现了早期的集装箱运输瞳1 。1 9 5 7 年 1 0 月第一艘经改装的集装箱船“盖脱威城 ( g e t w a yc i t y ) 号在马克林的泛大 西洋轮船公司投入运营，由此开创了集装箱运输的新纪元。1 9 6 0 年，该公司更 名为“海陆联运公司”( s e a - - l a n ds e r v i c ei n c ) ，至1 9 6 5 年，公司宣布用大 型集装箱船环航世界的计划。进入7 0 年代，集装箱运输得到了迅速的发展，集 装箱的箱型进一步标准化。至1 9 8 3 年，世界集装箱船的运载能力已达2 0 8 万 t e u ，集装箱运输的航线已遍及全球。进入9 0 年代以来，更多的国家参与了世 界范围的集装箱运输，使集装箱运量得到了迅猛的发展，至1 9 9 0 年，全球已拥 有集装箱专用泊位近2 0 0 0 个，吞吐量达8 4 0 0 余万t e u ，集装箱船队的箱位有 3 1 7 万t e u 总运量为3 8 0 0 万t e u 。这标志着集装箱运输已进入了成熟期。这一 时期，全集装箱船进一步向大型化和自动化方向发展，出现了2 5 0 0 t e u - - - , 4 0 0 0 t e u 的第三代和第四代集装箱船型，港口的装卸设备为了适应这种发展， 也朝着大型、高效、自动化方向发展。 1 1 2 集装箱运输的优越性 占 集装箱运输之所以能如此迅速的发展，正是由于这种运输方式具有许多优 1 提高装卸效率，减轻劳动强度； 2 减少货损货差，提高货物运输的安全与质量； 3 缩短的在途时间加快车船周转； 4 充分利用了堆存货场面积和空间，基本上取消了仓库： 5 节省货物运输的包装，简化理货手续； 6 推动包装标准化； 武汉理1 r ：人学硕十学位论文 7 实现了门到门的货物运输； 8 减少货物运输费用； 9 缩短了货物运输时间。 1 1 3 集装箱运输的发展趋势 由于集装箱运输具有以上优越性，使它得到了高速的发展： 1 集装箱运输量继续增长； 2 集装箱船舶的大型化趋势； 3 集装箱码头的深水化、大型化和高效化趋势； 4 挂靠港减少，干线运输网络扩大； 5 集装箱箱体大型化趋势； 6 适应现代社会对集装箱运输系统的柔性化需求； 7 集装箱运输组织方式将会明显改变； 8 信息流与集装箱运输的物流的集成； 9 适应于多式联运的内陆集装箱化运输系统的进一步完善。 1 1 4 集装箱码头装卸机械化方式 集装箱船舶在港口码头的装卸作业方式可以分为吊上吊下和滚上滚下方 式。吊上吊下方式是码头前沿采用起重机进行装卸，用码头上的起重机械设备 往船舱或甲板上装集装箱，或卸集装箱。吊上吊下也称为“垂直作业方式 ，吊 上吊下方式是目前用得最为广泛的一种方式。滚上滚下方式是采用牵引车拖带 挂车或叉车等流动搬运机械，往滚装船里装集装箱，或从滚装船里卸出集装箱。 滚上滚下方式也称“水平作业方式”。 2 岸边集装箱桥式起重机 1 2 1 起重机国内外发展概况 岸边集装箱桥式起重机曲3 ( 简称岸桥) 是集装箱码头前沿装卸集装箱船舶的 专用起重机n 引，世界上的各种集装箱专用码头均采用此种机型来承担船舶的集 装箱装卸作业，个别码头还利用岸桥的大跨距和大后伸距直接进行堆场作业。 2 岸桥的装卸能力和速度“接决定码头作业乍，。：瞽，i 问此片桥足港赡装箱装卸 的 力改备。它山村后曲片门框耵时t 柑组成的r 架1 ，沿符与岸线平 r 的轨通行 走，桥梨盘，豇在门架j ，行走小车沿着桥架卜的轨道吊运集装箱，进行装船和 卸船作, i k 。为了便于船舶靠近码头，桥架仲 u 玛头i m 沿的部分可咀俯仰( 如图 1 】所， ) 。起草机装何集装箱引刊吊儿。对于高速制岸桥，还装有吊其减摇装 置2 幽卜1岸边集装箱起晕机 l 嘲内的发展概况 1 ) 改进起亚机的结构，减轻白莆； 2 ) 允分吸收利川旧外先进技术： 3 ) 向大型化发腱。 2 幽外的发腱概况 1 ) 简化设备结构，减轻臼重，降低生产成本： 2 ) 更新零排件，提高整机性能； 3 ) 设备大州化； 4 ) 机械化运输系统的组合应。 122 岸边集装箱轿式起重机的发展趋势 岸桥伴随着集装箱运输船舶人型化的蓬勃发腱和技术进步而在1 二断更新换 代，特别是超巴拿马船型的发展，, q i # 桥提出了更新更t 岛的要求：一是提高起 重机的技术参数，起重机速度参数高速化，外仲距、起升高度增大；吊具下额 定起重量提高；。是丌发设计商效；# 的岸边集装箱装卸系统，以满足船舶大型 武汉理j ：人学硕十学位论文 化对起重机生产率的要求。 1 高参数和大型化 1 ) 额定起重量成倍增长。吊具下的额定起重量逐步从3 0 5 t 增大到6 1 t ，最 大已达6 5 t 。 2 ) 外伸距越来越大。随着集装箱船的不断大型化，船宽已从第3 代巴拿马 集装箱船的1 3 排增大到现在超巴拿马船的1 4 , - - , 1 7 排箱，甚至2 0 排箱的船按计 划将于下个世纪问世，2 2 排箱的船也在设计中。而设想中的2 4 排马六甲型船( 用 船的吃水深而不是船宽来定义船型) 会在下世纪初叶出现。集装箱船舶的大型 化，其宽度由载箱量6 0 0 - - 1 0 0 0 箱时的2 6 - - - 2 8 m 增大到现在载货6 0 0 0 - 8 0 0 0 箱 的4 5 m ，几乎增大一倍。岸桥的外伸距也由3 2 m 逐渐增大到了现在的6 5 m ，将 来会增加到7 0m ，以适应2 4 排的所谓马六甲型船的需要。 3 ) 轨上的起升高度。巴拿马岸桥的轨上起升高度通常为2 7 m 以下，超巴拿 马岸桥在2 7 m - - 3 6 m 之间，而现在则要求达到4 0 m 。上海振华港机公司( z p m c ) 为阿曼s a l a l a 港提供了5 台轨上起升高度4 0m 的岸桥，可列当今之最。而今年 马士基为埃及码头和美国长滩、塔科玛、纽约招标的岸桥起升高度虽为4 0 m ， 但要考虑有加大到4 7 5 m 的可能。起升高度的大幅增大，将导致岸桥金属结构 强度、刚度、疲劳等方面出现的一系列新问题，尤其是司机视线的恶化和因自 重加大要求码头承载能力的大幅提高。因此，4 7 5 m 是难以想象的起升高度，尤 其因岸桥安装在码头前沿，对抗风载必须有特殊考虑。 4 ) 自重越来越大。岸桥的自重，已从常规巴拿马型的6 0 0 , - 一8 0 0 t ，增大到现 在超巴拿马型的1 2 0 0 - - - - 2 0 0 0 t 。 2 高速化 1 ) 起升速度从巴拿马型岸桥的5 0 1 2 0 m m i n ，增加到现在的9 0 2 0 0 m m i n ，电动机的功率已经大到6 9 0 k w x 2 ，若选为交流电机，则是目前起重用变频 电动机的最大规格了，正逼迫电动机供货商研制开发更大容量的电动机。 2 ) 小车速度已从常规巴拿马型的1 2 0 m m i n 增加到现在的2 4 0 m r a i n ，并 正在向3 0 0 - - 3 5 0 m m i n 的速度发展。它将带来如拖令小车箱供电电缆如何适应 高速度等一系列新问题。 3 ) 双箱吊具作业。据统计，一船集装箱中约6 0 以上是2o i 箱，双箱作业新 型吊具的应用，使每次能同时装卸2 个2 0 的集装箱，效率平均提高2 5 以上。 4 ) 双小车双箱吊具作业。 4 武汉理1 ：人学硕十学位论文 在一台岸桥上除了使用双箱吊具外，沉默近十年的双小车系统也已在德国 汉堡港重新提上同程，它是在现代高技术基础上的双小车系统。该系统采用前 后两个小车，前一个小车有司机操作，承担船与转接平台之间的集装箱搬运； 后小车无司机，完全自动地实现集装箱在转接平台与a g v 系统( 自动拖运架) 之 间的搬运，转接平台设在岸桥上距船最近的海侧下横梁上。因此，效率大为提 高，理论上可达5 5 至6 0 个循环，折合8 0 1 0 0 t e u h 。 岸桥是集装箱码头的主力装卸设备和标志性建筑，其在我国各大港口中的 地位和作用，历来为人们所重视和关注。岸桥作为港口码头重要的技术物质基 础，它体现了港口的生产力水平。在岸桥中，结构件的费用要占整机的很大部 分。 1 2 3 起重机的现代设计方法 国内最初起重机械的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、 半经验设计方法，设计过程反复多，周期长，设计精度低。随着计算机技术的 广泛应用和各种现代设计理论( 如系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、 创造工程、人机工程等) 的不断发展，促进许多跨学科的现代设计方法3 出现。 这些新方法和起重机结合，使起重机研发进入崭新的高质、高效的新阶段。 1 有限元法 结构的有限元分析涉及力学原理、数学方法等几个方面，各方面相互结合 形成完整的分析方法。 2 优化设计 优化设计是数学规划与计算机技术相结合的产物，是解决复杂设计问题的 一种有效方法。优化设计把设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参 量的函数( 称目标函数) ，然后在产品规定的形态、几何运动及其它限制( 称约束 函数) 的范围内，寻找使目标函数最大或最小的设计变量组合。 3 可靠性设计 可靠性设计就是从安全和经济两方面考虑，事先确定出产品最小失效概率 的一种设计方法，其目的就是在费用允许的条件下，尽量防止产品失效的发生， 设计出高可靠性的产品。可靠性设计包括确定可靠性指标及其量值、失效分析、 可靠性分析、可靠性分配、可靠性检验等。 5 武汉理。l ：人学硕十学位论文 4 计算机辅助设计( c a o ) 利用计算机快速准确的计算功能、强大的数据处理能力及便利的绘图功能， 配以打印、绘图设备等，通过人机对话实现产品设计过程的自动化即c a d 技术。 5 动态仿真设计 用计算机对机构与结构在各种工况下承受载荷进行运行状态及随时间变化过 程的动态模拟，得到仿真输出的参数和结果，以此来估计和推断实际运行的各种 数据，并在对起重机进行动态分析计算中采用。 6 反求工程设计 反求工程设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组 合。反求工程设计是通过实物或技术资料对己有的先进产品进行分析、研究、解 剖和试验，了解其参数、性能构造和功能，掌握其关键技术、工作机理和工艺原 理，以进行仿制、改进和发展创造新产品的一种方法。相对于一般设计，反求工 程设计突出“求的环节。通过反求分析，对反求对象从功能、原理、方案、结 构、尺寸、材料、加工装配工艺等进行全面深入了解，明确关键功能和关键技术， 对技术中的特点和不足之处做出必要评估，在此基础上进行测绘仿制、变参数设 计、适应性设计或开发型设计。 7 模块化设计 模块化设计是将产品上同一功能的基本部件、元件、零件设计成具有不同性 能、不同用途的模块，这些模块具有相同的联接要素，可以互换。选用不同的模 块进行组合，可形成各种不同类型和不同规格的产品。起重机采用模块单元化设 计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业的技术、生产和管 理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度都将大大加快。 1 3 本论文研究的目的和意义 世界物流的加速，大大推进了集装箱货运的发展，上海港已经成为世界集 装箱吞吐量最大的港口之一，作为港口集装箱主要搬运工具一港口岸边集装箱 桥式起重机也正飞速发展。为降低船运成本，再加上美国的西海岸港口的发展， 许多船型已经大大超出了巴拿马型( 即船的纵深要比巴拿马运河宽) ，这样使得 原来老式岸桥的外伸距( 海侧有效工作范围) 不能适应，所以不断有大型的岸桥 被设计制造。现在因要起吊双箱，起重量在6 0 t 左右已属平常( 以前一般只有3 0 t 6 武汉理【人学硕+ 学位论文 左右) 。岸桥结构的大型化，使原来传统的过多依赖经验的设计方法无法适应， 设计的依据也由原来的经验参照为主向以精确计算为主发展。 经过十多年的发展，我国已经从一个港口集装箱机械进口国，一跃成为世 界上最大的港口集装箱机械生产国和出口国。对于大型集装箱起重机的制造企 业来说，设计的质量和设计的效率都是至关重要的。而在起重机结构设计计算 中，目前仍沿用手工建模、手工提取计算结果的做法，这种做法有很明显的局 限性。例如不容易发现输入有误的数据，工作量非常繁重，可以说是属于体 力性的脑力劳动。数据是孤立的，只能靠人工操作传递，无法共享。因而也 不能很好地使结构设计的项目小组各成员联系紧密、保持数据自动和共同的进 度。这样的低效率的设计计算方法已严重不适应企业的要求，成为设计工作中 的瓶颈。鉴于此，需要改变建模思路，在研究有限元软件数据管理特点的基础 上，全力从命令流入手，提出参数化建模，及结果自动分析提取系统。 这样，结构设计分析的优点就很明显： 1 建模工作简单。参数输入可以根据不同的需要进行设计，比如可以根据 岸桥结构设计的不同系列修改相应的数据。 2 结果查看分析直观明了。关联梁的信息和计算结果，形成梁段参数信息 一梁段名称一单元号一计算结果这样一条链，计算者可以非常方便、直观地分 析结果并指导设计。 3 返工修改参数计算特别方便。参数输入完毕后，在生成模型的过程中，无 需人工参与，当修改某个参数后，程序会自动重新生成更改参数后的模型，所以 返工只是对数字进行修改而无需对模型进行操作，大大减轻了此设计环节的工 作量。 岸桥大型化使得设计中经验依赖性必须减少，而目前岸桥设计主要还是参 照已有的机型，连结构、板厚都几乎一样，造成许多不必要的浪费，并且岸桥 机构设计中，c a e 辅助设计实质上来讲主要是作为设计后的校核工具，没有充 分发挥其作用。为了解决这个日益突出的问题，本文结合了现代设计方法的思 路，将上述参数化系统中的数据流进行闭合，形成数据反馈，创造了一条岸桥 结构参数化建模的方法。通过这个新的方法，解决了岸桥大型化带来的设计问 题，降低了对经验的盲目依赖性，有效而合理减轻了岸桥的自重，实现了以c a e 辅助计算主导c a d 设计。 7 武汉理一：人学硕十学位论文 1 4 论文研究的主要内容 本论文基于v i s u a lb a s i c 平台和a n s y s 有限元软件，研究岸桥结构参数化 有限元分析方法的实现，使得岸桥结构实现有限元模型的自动生成，从而达到 通过输入少量参数即可自动完成岸桥结构的有限元分析。在此基础上，形成一 套实用、可靠、通用性强、操作方便的岸桥结构有限元自动分析应用软件。 论文研究的主要内容包括：根据岸桥的金属结构特点，对结构进行合理简 化，确定影响岸桥性能的技术参数，以建立能较准确反映实际情况的有限元分 析模型，应用有限元分析软件a n s y s 的a p d l 语言以及参数化技术建立岸桥结 构的有限元参数化模型，编制了实用的参数化有限元分析软件，对岸桥进行结 构静强度和刚度分析，在分析疲劳破坏特征的基础上，论述了抗疲劳设计准则 与抗疲劳设计方法，按照起重机钢结构计算标准( j i sb8 8 2 1 ：2 0 0 4 ) 进行结 构疲劳校核。 8 武汉理 i 人学硕十学何论文 第2 章a n s y s 的二次开发 2 1a n s y s 的二次开发技术 标准a n s y s 程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序。同时它还 具有良好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准a n s y s 版本上进行功能扩 充和系统集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的a n s y s 程 序。a n s y s 二次开发功能包括四个组成部分： 1 参数化程序设计语言( a p d l ) 参数化程序设计语言实质上由类似于f o r t r a n 7 7 的程序设计语言部分和 1 0 0 0 多条a n s y s 命令组成。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具 有参数、数组表达式、函数、流程控制( 循环与分支) 、重复执行命令、缩写、宏以 及用户程序等。 2 用户界面设计语言( u i d l ) a n s y s 用户界面设计语言( u s e ri n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g e ，u i d l ) 是 a n s y s 为用户提供的一种专用语言，主要用来编写或更改a n s y s 的图形界面， 组织自己需要的菜单系统，构造复杂的提示参数输入的对话框，还可以将用a p d l 语言编辑的专业有限元程序放进a n s y s 应用程序中，从而建立有专业背景和发 展方向的有限元模块。u i d l 主要完成3 种图形界面的设计：主菜单系统及菜单 选项；对话框和拾取对话框；在线帮助系统。 由u i d l 语言编写的程序文件称为控制文件，控制文件必须把“g r n ”作为 扩展名。在a n s y s 中，所有的菜单和标准的对话框都是由控制文件建立起来的。 这些控制文件包括用于建立功能操作的u i f u n c l g r n ，u i f u n c 2 g r n 和用 于建立各级菜单的u i m e n u g r n 。控制文件由一个控制文件头和一个或多个结 构块构成，结构块结构按照其不同的类型可划分为菜单结构块、命令结构块和帮 助结构块。 控制文件头和结构块结构都有严格的格式，控制文件头是一套指定的u i d l 命令，用来向u i d l 处理器传递控制文件的信息。 结构块结构是一个控制文件的核心，由一系列的u i d l 命令组成，用来建立 9 武汉理r 人学硕十学位论文 图形用户界面的各个部分。结构块一般分为3 类：第1 类是功能块，用来建立对 话框、拾取框；第2 类是菜单块，用来建立主菜单和各级子菜单；第3 类是帮助 块，用来显示在线帮助。结构块由块头部、数据控制部分和块尾部3 部分构成。 3 用户程序特性( u p f s ) 用户程序特性( u p f s ) i f i 用户提供丰富的f o r t r a n 7 7 用户程序开发子程序和 函数，用户利用它们从开发程序源代码的级别上扩充a n s y s 的功能。使用这些 子程序和函数，编写用户功能的源代码程序，在与a n s y s 版本要求匹配的 f o r t r a n 或c + + 编译器上重新编译和连接，生成用户版本的a n s y s 程序。另 外，还提供了外部命令功能，允许用户创建a n s y s 可以利用的共享库。用户可 以开发下列方面的功能程序：开发用户子程序实现从a n s y s 数据库中提取数据 或将数据写入a n s y s 数据库。该类子程序可以编译连接到a n s y s 中，此时 a n s y s 提供了1 0 个数据库操作命令；如果作为外部命令处理，可以在a n s y s 的任何模块中运行； 1 ) $ 1 j 用a n s y s 提供的子程序定义各种类型的载荷，其中包括b f ( 定义面载 荷1 或b f e ( 定义单元体载荷) 载荷、压力载荷、对流载荷、热通量和电荷密度等； 2 ) 禾l j 用a n s y s 提供的子程序定义各种材料特性，包括塑性、蠕变、膨胀、 粘塑性、超弹、层单元失效准则等； 3 ) 禾l j 用a n s y s 提供的子程序定义新单元和调整节点方向矩阵； 4 ) 禾l j 用a n s y s 提供的子程序修改或控制a n s y s 单元库中的单元； 5 ) n 用u e r o p 创建用户优化程序； 6 ) a n s y s 程序作为子程序在用户程序中调用。 4 a n s y s 数据接口 a n s y s 程序在分析过程中存在大量的设计分析数据，一部分在运行时置于计 算机的内存之中，一部分以文件的形式存放在工作目录中。除l o g 文件和出错文 件等文本文件之外，其它文件都是二进制文件，分别以不同的格式进行写入，如： 数据库文件、结果文件、模念结果文件、单元矩阵文件、子结构矩阵文件、对角 化刚度矩阵文件、缩减位移矩阵文件、缩减频率矩阵文件和完整的刚度一质量矩 阵文件等等。 a n s y s 数据接口详细地阐述每种二进制文件的格式，然后介绍从这些数据文 件提取各种数据的子程序或函数，从而实现对二进制数据的读写和修改。显然， 它满足了用户以下三种基本需要：检查或观察过程数据和结果数据；通过修改 1 0 武汉理一r 人学硕十学位论文 a n s y s 的数据文件达到控制或修正计算；提取结果数据进行分析处理。a n s y s 数据接口提供了两条模型和数据库信息的转换和传递命令，即c d r e a d 和 c d w r i t e ，前者将一个符合a n s y s 读入或写出格式的模型和数据库文件信息读 入到a n s y s 数据库中，后者的作用j 下好相反。同时，为了减少转换或传递的时 间，提高效率，还提供重定向自由度映射关系和其它数据库代码化的辅助命令， 如d f 乙镪、n b l o c k 、e b l o c k 、e n 等等。该功能大大提高了a n s y s 与其它 有限元程序之间的模型数据的传递和转换，也实现了a n s y s 自身数据库文件代 码化后便于存储或机器之f b j 的传递。 a n s y s 数据接口还阐述了图形文件的格式，帮助用户将a n s y s 图形文件转 换成其它格式，如舢等。 a p d l 所能实现的功能通俗的说来应该是次于u p f s 而强与u i d l ，但实际上 是由于三者具体侧重点不同造成的：u i d l 主要控制g u i 界面的各类二次开发方 法，涉及的分析部分就要少一些，a p d l 可以称其为和分析部分频繁打交道的一 组小型工具，功能强大，但不和u i d l 一样能够非常具体的针对某一两方面的二 次开发处理，通常情况下他融合在分析的角角落落中。u p f s 是三者之问的最强者， 能完成最复杂的二次开发工作，比如说构建新单元，复杂数据库交互，外围命令 定制等，但u p f s 在很多情况下也借助了a p d l 命令来完全实现其功能。同样我 们也能在u i d l 中嵌入a p d l 命令，构建比较复杂的g u i 二次开发工作。u i d l 、 a p d l 和u p f s 三者各有所长，密不可分。结合使用三者，我们将能够实现任何 强大的分析功能。 2 2 有限元法 2 2 1 有限元方法的简介 把物理结构分隔成不同大小、不同类型的区域，这些区域就称为单元。根 据不同分析学科，推导出每一个单元的作用力方程，组集成整个结构的系统方 程，最后求解该系统方程，就是有限元法。简单地说，有限元法是一种离散化 的数值方法。 武汉理1 j 人学硕十学位论文 2 2 2 有限元典型分析步骤 有限元分析( f e a ) 的主要步骤n 幻为： 1 连续体的离散化； 2 选择位移模型口假设的位移函数或模型只是近似的表示了真实位移分 布； 3 用变分原理推导单元刚度矩阵； 4 集合整个离散化连续体的代数方程； 5 求解位移矢量； 6 由节点位移计算出单元的应变和应力。 2 2 3 有限元法的优缺点 1 有限元法的优点： 1 ) 整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立 方程，从而可以用多种方法对其求解。 2 ) 边界条件不进入单个有限单元的方程，而是在得到整个代数方程后再引 入边界条件。 3 ) 有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散的过程中把物体看成是 连续的，而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点。 4 ) 有限元法不需要适用于整个物体的插值函数，而只需要对每个子域或单 元采用各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也能适用。 5 ) 该方法能够很容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀性很困 难。 6 ) 适用于线性或者非线性场合。 7 ) 该方法能够在不同层面上得到阐释或理解。 2 有限元法也有其不足，最主要体现在应用上： 1 ) 有限元计算，尤其是在对复杂问题的分析上，所耗费的计算资源是相当 惊人的，计算资源包括计算时间、内存和磁盘空间。 2 ) 对无限区域问题，有限元法较难处理。 3 ) 尽管现在的有限元软件提供了自动化分网格的技术，但到底采用什么样 的单元、网格的密度多大才合适等问题完全依赖于经验。 1 2 武汉理r 人学硕十学位论文 4 ) 有限元分析所得结果并不是计算机辅助工程的全部，而且一个完整的设 计不能单独使用有限元分析完成。必须结合其他分析和工程实践才能完成整个 工程设计。 2 3 参数化技术 2 3 1 参数化设计概念 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 方法是存储设计的整个过程，一次能设计一 组( 而不是单一的) 产品模型。参数化设计技术过程使工程设计人员无需要考虑 细节而尽快建立基本模型，经过对基本模型的反复修改来得到所需的设计，并 可变动某一些参数来更新设计，从而在设计系列化产品时不必一次次都重新运 行设计全过程。因此，这种设计技术己成为进行产品初始设计、模型编辑修改 及对多种方案进行比较的有效手段。 工程设计需要多次反复地修改，对形状和尺寸要进行综合协调和优化，尤 其对于结构形式变化不大或设计过程较为稳定的产品，更需要根据实际情况自 动选择设计方案例或修改尺寸，这就需要参数化设计。同时，起重机的设计过 程中，不同设计人员构思的设计方案也可能不同，再加上其结构形式多样，设 计时涉及到的参数众多，计算公式繁琐，人工计算效率低且很容易出现差错。 显然这种传统的手工设计方法，已不再适应目前工程机械发展的需要，利用计 算机则可以快速准确地得到计算结果，并且可以进行多个方案的比较，从而得 到优化的设计结果。因此，研制与开发新的设计计算系统来优化设计出安全、 经济、合理、美观的起重机的要求己迫在眉睫。 参数化设计的基本思想是针对实际的生产设计中，对于同一类型但不同规 格的产品，它们实际设计时的差别仅在于特定的若干关键技术的选择。针对这 种特点，我们编制一定的程序，让计算机按照给定的要求自动完成产品的设计， 修改设计时只需修改给定的相关参数，其它部分由计算机来完成。 参数化的优点是：设计的参数除描述几何拓扑信息外，还能表达与处理几 何元素间的各种设计关系和约束关系。这样，工程设计人员不需要考虑具体细 节，精确计算结果由计算机自动生成。同时，可以通过变动某些参数和约束关 系来更新设计。 1 3 武汉理r = 入学硕十学位论文 参数化程序设计突出的优点是快速、准确，传递数据可靠，特别是对那些 结构形式确定的设计。如结构形状不变，只改变大小，可通过改变几何参数加 以控制，组合方式不变，则可设一关系类参数控制其变化。对于创新设计，单 纯通过修改参数，显得不够灵活。此时，采用人工输入的方法补充某些系统不 能完成的功能，结构参数可以向下一级设计传递。 在实际设计任务中，经常会遇到系列产品的设计工作。这些产品在结构上 基本相同，但由于使用场合、工况的差别，在结构尺寸上形成了一个系列。对 于这类设计任务，在进行有限元结构分析中，如果逐一地进行建模与分析，重 复工作量将相当庞大、也延长了设计周期。另外，工程实际中很多产品的设计 都需要反复进行修改或优化，即：设计一建模一分析一修改设计一再建模一再 分析。对于这种重复进行的再设计与分析，在有限元建模与处理结果方面，存 在着大量的重复工作，影响到设计分析的效率。为克服上述重复建模与分析带 来的问题，在有限元建模与分析过程中，本文引入参数化的有限元建模思想， 使有限元建模与分析实现参数化，从而提高有限元分析的效率。 2 3 2 常见的参数化方法 常见的参数化方法分成以下的几种n 3 h 1 ：代数法，人工智能法，直接操作 法和语言描述法。 1 代数法：指把尺寸的约束转化为联立方程组，求解方程，从而得到满足 尺寸约束的解。所定义的任何尺寸约束均可以作为操作几何形体的参数。 2 人工智能法：是通过推理机制逐步构造物体的几何模型。它使用被存放 在知识库中的一些简单的规则进行推理。系统提取约束，把这些约束作为事实， 与规则的条件进行匹配，从而推出一些中间结论，再把这些中间结论作为事实 继续推理，最终求出物体的所有特征点，构造出几何图形。 3 直接操作法：直接修改图形的内部状态。所有的目标都用图形来表示， 设计者可以通过直接控制点来修改目标的位置，方向和大小等。目标的成员自 动继承父目标的属性和操作。这种关系由约束说明，目标之间的约束通过局部 坐标系与整体坐标系的关系来指定。 4 语言描述法：使用语言描述图形的方法。用户使用造型语言来定义带有 参数的体素，再用这些体素来描述几何图形。也可以先绘制体素，系统自动生 1 4 武汉理1 ：人学硕十学位论文 成几何体的描述语言，再修改描述语言中的某些参数，以生成新的体素。 2 3 3 参数化设计原理及其设计步骤 参数化设计是c a d 技术在实际设计应用中被提出来、并得到发展的、有着 强大使用价值的技术n5 1 。用