基于數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的鑄造起重機(jī)仿真分析

李瑞斌

1太原重工股份有限公司技術(shù)中心 太原 030024 2礦山采掘裝備及智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030024

0 引言

鑄造起重機(jī)是通過橋架沿大車軌道縱向移動(dòng)、主副小車橫向移動(dòng)、吊鉤豎向運(yùn)動(dòng)來起吊和運(yùn)輸熔融金屬的專用起重機(jī)，它依靠主鉤和副鉤的相互協(xié)同來傾倒熔融金屬及其廢渣[1，2]。鑄造起重機(jī)在高溫環(huán)境中工作，且使用頻率較高，一旦發(fā)生事故便會(huì)造成很大經(jīng)濟(jì)損失和極其嚴(yán)重的后果，故其可靠性要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通用橋式起重機(jī)。鑄造起重機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造模式需要經(jīng)過設(shè)計(jì)-樣機(jī)-測(cè)試-改進(jìn)等流程，這種基于物理樣機(jī)的漸進(jìn)式產(chǎn)品開發(fā)流程效率低、周期長(zhǎng)、成本高，已無法滿足當(dāng)今企業(yè)發(fā)展需要，故基于數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的鑄造起重機(jī)仿真研究尤為迫切和重要。

數(shù)字化樣機(jī)是用于仿真機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化模型，它將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，其作用是分析驗(yàn)證物理樣機(jī)的功能和性能[3]。以靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，融合多學(xué)科仿真技術(shù)，可在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對(duì)數(shù)字化的虛擬樣機(jī)進(jìn)行功能驗(yàn)證、性能測(cè)試及優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為產(chǎn)品開發(fā)提供高效的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法[4-7]。

本文利用數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)對(duì)鑄造起重機(jī)全生命周期進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多學(xué)科仿真及設(shè)計(jì)優(yōu)化，可縮短開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)成本，更易于發(fā)現(xiàn)和修改設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、模擬各種工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)，提高企業(yè)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用水平，從而有效提升企業(yè)大噸位冶金鑄造起重機(jī)自主研發(fā)能力及核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 有限元靜力分析

如圖1所示，鑄造起重機(jī)由橋架、主小車、副小車及附屬鋼結(jié)構(gòu)等組成。橋架為四梁四軌結(jié)構(gòu)，由2根主梁、2根副主梁、2根端部聯(lián)接梁、主小車軌道及副小車軌道構(gòu)成。通過橋架與主副小車協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔融金屬的吊運(yùn)和傾倒。

圖1 鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)鑄造起重機(jī)橋架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，校核其整體剛度和強(qiáng)度，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化提供支持。橋架靜力分析有限元模型如圖2所示。根據(jù)鑄造起重機(jī)的實(shí)際工作情況，橋架靜力計(jì)算包括5個(gè)工況：工況1為主小車跨中滿載（250 t），副小車空載；工況2為主小車跨端滿載（250 t），副小車空載；工況3為副小車跨中滿載（110 t），主小車空載；工況4為副小車跨端滿載（110 t），主小車空載；工況5為翻包（主副小車同側(cè)，主鉤距跨端4 m）。靜力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 橋架靜力計(jì)算結(jié)果匯總表

圖2 鑄造起重機(jī)橋架有限元模型

根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中的規(guī)定，橋架型起重機(jī)最大靜撓度應(yīng)小于跨度的1/1 000，疲勞許用應(yīng)力為125 MPa。本文中鑄造起重機(jī)的跨度為31.5 m，由表1所示計(jì)算結(jié)果可知，橋架的剛度和強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

以鑄造起重機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件為研究對(duì)象，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，實(shí)現(xiàn)其在整個(gè)工作循環(huán)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到位移、速度、加速度等相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系、部件間的干涉檢查等，確定關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，為后續(xù)起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型時(shí)，零件特征無需做簡(jiǎn)化，但為了便于操作，對(duì)裝配體中無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行合并，以減少零部件的個(gè)數(shù)，待三維模型處理完成后，便可將其導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件中，設(shè)置仿真環(huán)境、對(duì)各零件進(jìn)行重命名、定義顏色、設(shè)置材料、添加運(yùn)動(dòng)副、定義驅(qū)動(dòng)函數(shù)等，并根據(jù)鑄造起重機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況添加運(yùn)動(dòng)副（見表2）。

表2 起重機(jī)各部件連接方式

起升系統(tǒng)主要通過鋼絲繩進(jìn)行作業(yè)，采用Cable模塊對(duì)其進(jìn)行建模。首先建立起升系統(tǒng)中鋼絲繩各連接點(diǎn)，然后設(shè)定滑輪的基本參數(shù)；其次建立滑輪，包括滑輪所在位置、纏繞方向、幾何尺寸、材料定義以及連接關(guān)系定義等；最后創(chuàng)建鋼絲繩，添加正確的連接點(diǎn)以及按順序添加各滑輪，并設(shè)定鋼絲繩參數(shù)（密度、彈性模量、鋼絲繩模擬方法等）。車輪與軌道之間需定義接觸關(guān)系，添加接觸力，通過接觸碰撞力(法向)和摩擦力(切向)相互約束。整機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 鑄造起重機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量確定標(biāo)準(zhǔn)的工作循環(huán)，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作循環(huán)對(duì)各系統(tǒng)添加驅(qū)動(dòng)，其中包括大車運(yùn)行系統(tǒng)、小車運(yùn)行系統(tǒng)及起升系統(tǒng)等，求解后得到運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果，包括各部件位移、速度、加速度等相關(guān)參數(shù)在整個(gè)工作循環(huán)下的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。圖4給出了主小車在行進(jìn)方向的位移、速度、加速度隨時(shí)間的變化曲線。

圖4 主小車運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，在定義的工作循環(huán)下主小車前進(jìn)了10 m，約0.4 min，最大速度達(dá)到0.5 m/s。主小車行走時(shí)的加速度波動(dòng)最大，可達(dá)0.45 m/s2。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果相一致，說明運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型是合理的。

3 動(dòng)力學(xué)分析

以鑄造起重機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件為研究對(duì)象，考慮摩擦、阻尼、碰撞等參數(shù)，并利用模態(tài)分析結(jié)果將主梁柔性化，建立整機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)起重機(jī)起吊、運(yùn)輸、行走等工作循環(huán)過程進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析。研究起重機(jī)在工作循環(huán)過程中關(guān)鍵部件受力、變形、應(yīng)力等變化情況，如起升機(jī)構(gòu)承受的載荷、鋼絲繩拉力、吊重?fù)u擺量等相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

采取剛?cè)狁詈辖７紤]了動(dòng)力學(xué)模型中關(guān)鍵零部件的變形，仿真時(shí)能得出更符合實(shí)際情況的結(jié)果。柔性化的方法是用將需柔性化部件的模型利用有限元前處理生成MNF文件，然后在多剛體動(dòng)力學(xué)模型中替換原剛性體，從而建立鑄造起重機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

圖5為主小車行走過程中某時(shí)刻應(yīng)力云圖，其中橋架為柔性體，其余部件為剛體。圖6為主小車行走過程中橋架主梁某點(diǎn)的應(yīng)力及主小車車輪力隨時(shí)間的變化曲線。由仿真結(jié)果可知，在主小車行走過程中該點(diǎn)處的最大應(yīng)力為70 MPa，主小車車輪力在500 kN上下波動(dòng)，最大值約為540 kN（車輪受壓，仿真結(jié)果為負(fù)值）。

圖5 主小車行走過程中某時(shí)刻應(yīng)力云圖

圖6 主梁某點(diǎn)的應(yīng)力及主小車車輪力變化曲線

4 參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化

4.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄造起重機(jī)橋架的結(jié)構(gòu)形式及受力狀況確定所需的參數(shù)化變量，以便搭建橋架的參數(shù)化框架。這些參數(shù)既要真實(shí)反映橋架的幾何特征，又要準(zhǔn)確表達(dá)其受力狀況[9]。當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，仿真流程的每個(gè)環(huán)節(jié)均能依次自動(dòng)更新。仿真參數(shù)化過程分3步：建立參數(shù)化的幾何模型、建立參數(shù)化的有限元網(wǎng)格模型、使用參數(shù)施加載荷和邊界條件。

橋架幾何模型的參數(shù)化利用NX軟件表達(dá)式功能實(shí)現(xiàn)。在NX軟件里建立橋架的參數(shù)化草圖模型，包括橋架的各向視圖及所有剖視圖，保證充分反映橋架的形狀，然后構(gòu)建橋架參數(shù)集，由草圖和參數(shù)驅(qū)動(dòng)建立用于有限元分析的橋架參數(shù)化幾何片體模型。

通過NX軟件自帶的NX OPEN模塊，將編寫的C++語言編譯成NX軟件可識(shí)別的附加程序，建立參數(shù)化網(wǎng)格模型。由編程開發(fā)控制建立的有限元網(wǎng)格模型完全自動(dòng)生成，網(wǎng)格物理屬性自動(dòng)從幾何模型的數(shù)據(jù)庫中提取。參數(shù)化的載荷工況模型也采用編程開發(fā)的方式進(jìn)行，有限元仿真過程需要的載荷位置、載荷值和模型的邊界條件等由程序控制自動(dòng)完成。

4.2 優(yōu)化模型的建立

優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型包含目標(biāo)函數(shù)、約束條件及設(shè)計(jì)變量等要素。橋架參數(shù)優(yōu)化的目的是在滿足橋架剛度和強(qiáng)度要求的前提下使橋架的質(zhì)量最輕，故取橋架的總質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)變量必須滿足的限制條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為設(shè)計(jì)約束條件，本文中橋架優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的約束條件為：

1）剛度約束條件 在各工況下，橋架最大下?lián)闲∮谠S用值L/1 000，即31.5 mm；

2）強(qiáng)度約束條件 在各工況下，最大應(yīng)力值不超過許用應(yīng)力125 MPa。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是使各設(shè)計(jì)變量達(dá)到最優(yōu)的組合。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量包括主梁高度、主梁上蓋板厚度、主梁下蓋板厚度、主梁主腹板厚度、主梁副腹板厚度、主梁主腹板頭部厚度、主梁副腹板頭部厚度、主梁端部下彎板厚度、副梁高度、副梁上蓋板厚度、副梁下蓋板厚度、副梁主腹板厚度、副梁端部下彎板厚度等。

4.3 優(yōu)化分析

在參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)有限元分析流程自動(dòng)化，同時(shí)生成可執(zhí)行程序文件，最后在多學(xué)科優(yōu)化軟件中建立橋架優(yōu)化模型（見圖7），通過調(diào)用反復(fù)執(zhí)行這些程序文件實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。

圖7 橋架參數(shù)優(yōu)化模型

將主副梁高、蓋板厚度、腹板厚度等設(shè)計(jì)變量作為輸入，橋架質(zhì)量（目標(biāo)函數(shù)）、最大下?lián)现导白畲髴?yīng)力值（約束條件）作為輸出。設(shè)計(jì)變量每變化一次，整個(gè)有限元分析流程即隨之執(zhí)行一次，自動(dòng)將所有組合計(jì)算一遍，最后找出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。橋架參數(shù)優(yōu)化的優(yōu)化結(jié)果如表3所示。在滿足強(qiáng)度及剛度要求的前提下，橋架質(zhì)量減輕了17.64 t。

表3 橋架參數(shù)化優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)束語

針對(duì)鑄造起重機(jī)工作條件復(fù)雜、載荷多變、多學(xué)科技術(shù)集成、可靠性要求高等特點(diǎn)，采用數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行了有限元靜力分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化等研究。

本文對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行多學(xué)科仿真分析與測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)并行化，預(yù)測(cè)了鑄造起重機(jī)在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的，降低了目標(biāo)成本，提升了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。