橋式起重機(jī)主梁快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

徐偉軍，劉慧星，劉 峰

（河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400）

0 引言

橋式起重機(jī)作為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程機(jī)械化、自動(dòng)化的重要工具和設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，起重機(jī)的種類和個(gè)性化需求也隨之增加，給起重行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。而其機(jī)構(gòu)形式較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，又導(dǎo)致設(shè)計(jì)師將大部分時(shí)間花在重復(fù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上，延長設(shè)計(jì)周期［1］。

在三維軟件的支承下研究變型設(shè)計(jì)、參數(shù)化快速設(shè)計(jì)，開發(fā)相應(yīng)的軟件，將設(shè)計(jì)師的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)編制成相關(guān)的程序與三維軟件相結(jié)合開發(fā)基于知識(shí)的參數(shù)化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能很好地解決企業(yè)所面臨的問題。設(shè)計(jì)計(jì)算是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)，將CAD技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械零件的設(shè)計(jì)計(jì)算中，避免了人工干預(yù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的加入，改變了繁瑣的人工計(jì)算和檢索，使缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品和經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者相差無幾，提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率和質(zhì)量。

建立橋式起重機(jī)主梁的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核程序，通過對(duì)Solid Works的二次開發(fā)，將從人機(jī)交互界面獲得的設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入模型并對(duì)其驅(qū)動(dòng)，得到新的三維模型，然后對(duì)生成的工程圖進(jìn)行調(diào)優(yōu)，最終用于指導(dǎo)主梁的生產(chǎn)過程。

1 主梁的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 組合梁的截面設(shè)計(jì)

當(dāng)型鋼梁不能滿足承載能力或使用條件時(shí)，應(yīng)采用組合梁。工程機(jī)械中箱型組合梁是應(yīng)用最多的，當(dāng)梁的跨度比較大時(shí)，采用變截面設(shè)計(jì)。其中截面高度、腹板尺寸、翼緣板尺寸是設(shè)計(jì)關(guān)鍵［2］。

梁的最大高度應(yīng)滿足機(jī)械總體布置的要求，根據(jù)給定值確定，如果未給出則不受限制。梁的最小高度應(yīng)滿足由靜撓度控制的剛性條件，即與載荷（集中載荷或分布載荷）、截面尺寸和跨度有關(guān)。實(shí)際選用梁的高度時(shí)，還要滿足經(jīng)濟(jì)梁高，即按經(jīng)濟(jì)條件確定的截面高度應(yīng)使梁的翼緣和腹板的總重量最小，最終使梁高h(yuǎn)與經(jīng)濟(jì)高度h j相差不超過20%，這樣對(duì)總重量的影響最少［3］。

腹板的高度h0稍小于梁高h(yuǎn)，一般為h＝1.03h0，并依據(jù)鋼板規(guī)格，一般取10的倍數(shù)。腹板厚度應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，使其滿足抗剪強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性的要求。

確定了腹板尺寸后，通過從梁截面慣性矩中減去腹板部分的慣性矩得到翼緣所需的慣性矩，從而求得翼緣所需截面積，而該截面積是由翼緣的寬度和厚度決定的。翼緣寬度要根據(jù)整體和局部穩(wěn)定性的條件確定。

1.2 加勁肋的布置及其構(gòu)造設(shè)計(jì)

加勁肋的布置方式應(yīng)根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中提供的有關(guān)腹板局部穩(wěn)定性的驗(yàn)算方法來確定。針對(duì)腹板高厚比符合的條件來分析相應(yīng)的情況，加勁肋分為間隔加勁肋和支承加勁肋。前者作用是加強(qiáng)腹板，在平面平穩(wěn)的前提下，要求具有較大的寬厚比以提高抗屈曲能力；后者為了承受固定集中載荷作用處和梁的支座處的集中力［4］。

1.3 計(jì)算載荷類型及載荷組合

計(jì)算載荷分為常規(guī)載荷、偶然載荷和特殊載荷，針對(duì)起重機(jī)的工作環(huán)境與要求，在計(jì)算載荷時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)的載荷系數(shù)，包括自重振動(dòng)載荷系數(shù)、起升動(dòng)載系數(shù)和運(yùn)行沖擊系數(shù)。應(yīng)根據(jù)起重機(jī)工作時(shí)遇到的實(shí)際情況考慮不同的載荷組合類型［5］。

1.4 強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和疲勞校核計(jì)算

在起重機(jī)主梁的設(shè)計(jì)中，主梁的強(qiáng)度和剛度至關(guān)重要，計(jì)算時(shí)，將主梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，將簡(jiǎn)化后的公式編入程序，對(duì)先前計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核優(yōu)化，提高了正確性，縮短了計(jì)算時(shí)間。

2 快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 參數(shù)化模型的建立

參數(shù)化模型的建立是快速設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，零件草圖要完全定義，不可欠定義也不可過定義，同時(shí)通過添加方程式的方法對(duì)有關(guān)聯(lián)的尺寸進(jìn)行關(guān)聯(lián)，采用基于特征的建模方法。而裝配體則要用草圖進(jìn)行裝配以方便模型驅(qū)動(dòng)，在參數(shù)化建模過程中應(yīng)遵守以下原則：①草圖的繪制要完全定義，不能出現(xiàn)過定義與欠定義；②盡量使用最少的線條控制裝配位置，通過添加關(guān)系的方式約束；③采用全息建模的原則，制作模板時(shí)盡可能地將可能出現(xiàn)的各種情況全部考慮進(jìn)去，以滿足產(chǎn)品變化的需求；④根據(jù)實(shí)際情況選擇零件的定位方式，不是所有的零件都需要草圖完全定位；⑤為避免驅(qū)動(dòng)過程中出現(xiàn)的問題不好查找，零件間最好不要添加方程式。

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，首先要對(duì)用戶提供的參數(shù)進(jìn)行分析，通過設(shè)計(jì)計(jì)算程序計(jì)算出其他所需參數(shù)；其次進(jìn)行建模（包括材料明細(xì)表模板、零件模板、裝配體模板、工程圖模板等）；用所計(jì)算好的參數(shù)驅(qū)動(dòng)零件模板和裝配體模板模型，從而生成新的模型；對(duì)新模型鏈接的工程圖中出現(xiàn)的視圖位置不合理、尺寸線重疊、零件序號(hào)交叉等問題進(jìn)行調(diào)優(yōu)；將結(jié)果保存到PDM庫中。參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

2.3 二次開發(fā)技術(shù)

二次開發(fā)包括進(jìn)程內(nèi)開發(fā)和進(jìn)程外開發(fā)。前者是將所開發(fā)的程序作為應(yīng)用軟件的一個(gè)工具來使用，使用時(shí)需要將其內(nèi)嵌到應(yīng)用軟件中；后者所開發(fā)的程序是作為一個(gè)單獨(dú)的軟件使用的，程序運(yùn)行時(shí)根據(jù)程序要求自動(dòng)調(diào)用其他各種軟件來完成工作。由于本系統(tǒng)對(duì) Wor d、PDMWorks、Excel、Solid Works都進(jìn)行了二次開發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)涉及到多個(gè)軟件，無法單獨(dú)在一個(gè)軟件中實(shí)現(xiàn)多功能，因此采用第二種方式。根據(jù)程序運(yùn)行的步驟依次打開相應(yīng)的軟件并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能。Solid work提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口，對(duì)其所有的操作都可以用程序來控制。工作人員通過Visual Basic創(chuàng)建的人機(jī)交互界面輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用Visual Basic調(diào)用數(shù)據(jù)庫文件執(zhí)行對(duì)Solid work、Excel等一系列的操作。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)由參數(shù)化設(shè)計(jì)計(jì)算和PDM文件管理集成。通過人機(jī)交互界面輸入用戶給定參數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)算出其他參數(shù)并保存到數(shù)據(jù)庫中。通過相應(yīng)的程序，用工作站提取出數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)、工程圖的調(diào)優(yōu)、工藝信息的統(tǒng)計(jì)等。

在進(jìn)入?yún)?shù)化系統(tǒng)之前，先保證各軟件按要求進(jìn)行設(shè)置，隨后對(duì)系統(tǒng)初始化（包括數(shù)據(jù)庫的初始化、PDMWorks的初始化），完成以上操作后進(jìn)入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括主梁的截面計(jì)算（見圖2）、主梁主參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算（見圖3）和主梁校核界面（見圖4）。

圖2 主梁截面設(shè)計(jì)計(jì)算界面

圖3 主梁主參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算界面

圖4 主梁校核界面

4 總結(jié)

針對(duì)目前橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題開發(fā)的本系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方法相比，能很好地減少重復(fù)計(jì)算，提高設(shè)計(jì)效率，減少人工干預(yù)，建立了人性化、穩(wěn)定性高的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為起重機(jī)主梁的快速設(shè)計(jì)提供了理論方法，同時(shí)也對(duì)其他金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法。

［1］黃啟良，王宗彥，吳淑芳，等.參數(shù)化變形設(shè)計(jì)中工程圖調(diào)整技術(shù)優(yōu)化研究［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）：168-173.

［2］孫民，王志遠(yuǎn)，付為剛.橋式起重機(jī)起吊過程的動(dòng)力學(xué)分析［J］.設(shè)計(jì)與研究，2010（5）：12-14.

［3］盧耀祖，鄭惠強(qiáng)，張氫.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.

［4］胡宗武，汪西應(yīng)，汪春生.起重機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］李鑫.橋式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008：29-31.