基于VB的塔式起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計可視化系統(tǒng)開發(fā)*

歐陽天云　韓　芳　劉浩軒　朱　淼　肖唐財　沈迎詠

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院　武漢　430081)

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基于VB的塔式起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計可視化系統(tǒng)開發(fā)*

歐陽天云韓芳劉浩軒朱淼肖唐財沈迎詠

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院武漢430081)

摘要以QTZ63塔式起重機(jī)為例,采用有限元計算軟件ANSYS中的APDL參數(shù)化設(shè)計語言和Visual Basic6.0可視化編程技術(shù),通過編寫宏代碼,調(diào)用函數(shù)和設(shè)置控件,以塔機(jī)截面參數(shù)為設(shè)計變量,以塔機(jī)自重為目標(biāo)變量,開發(fā)基于VB的塔式起重機(jī)截面優(yōu)化設(shè)計的可視化系統(tǒng),并以某實(shí)際塔機(jī)工作狀態(tài)為例進(jìn)行驗證。該系統(tǒng)具有用戶界面良好、參數(shù)輸入直觀、操作簡便等優(yōu)點(diǎn),可為塔機(jī)設(shè)計人員提供參考。

關(guān)鍵詞塔式起重機(jī); 可視化系統(tǒng); 優(yōu)化設(shè)計; VB

Optimization Design and Visual System Development for Tower Crane Based on VB

OUYANG TianyunHAN FangLIU HaoxuanZHU MiaoXIAO TangcaiSHEN Yingyong

(School of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan430081)

AbstractTaking QTZ63 tower crane as an example, the visualization system of tower crane section optimization design based on VB is developed by using APDL parametric design language of the finite element calculation software ANSYS and Visual Basic6.0 Visual programming technology through the macro code, calling a function and setting up the control tower. In this program, parameters is design variables and the weight of tower crane is the target variable, and a practical example of tower crane work status is used to verified. The system, providing reference for tower crane designer, has a good user interface. Also, the development can be operated simply and parameter can be input directly.

Key Wordstower crane, visual system, optimization design, VB

Class NumberTp15

1引言

塔式起重機(jī)(簡稱塔吊)是建筑施工中非常重要的施工機(jī)械之一,同時又是一種事故高發(fā)的特種設(shè)備[1~5],隨著塔吊起升高度和工作強(qiáng)度的不斷增加,其在復(fù)雜工況下的安全性計算成為塔吊設(shè)計的首要任務(wù)。其次,塔吊設(shè)計正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)到現(xiàn)代的變革,面臨不斷降低成本、規(guī)格多樣化的機(jī)遇和挑戰(zhàn),因此,在保證強(qiáng)度要求的前提下,研究塔吊的參數(shù)化設(shè)計與優(yōu)化對于加速新產(chǎn)品的研發(fā),推進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用具有非常重要的意義[6~7]。本文以塔機(jī)各桿截面參數(shù)為設(shè)計變量,以塔機(jī)自重為目標(biāo)變量,研究其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。利用有限元軟件ANSYS的APDL語言進(jìn)行參數(shù)化建模,利用Visual Basic6.0語言進(jìn)行可視化編程[8~10],通過編寫宏代碼,調(diào)用函數(shù)和設(shè)置控件對塔式起重機(jī)進(jìn)行截面優(yōu)化。

2數(shù)學(xué)模型

以塔機(jī)的塔身、吊臂、塔帽、懸索、配重臂各桿件的截面參數(shù)X={x1,x2,…,xn}為設(shè)計變量,以塔機(jī)變形y和最大應(yīng)力σmax為狀態(tài)變量,以塔機(jī)總重量W為目標(biāo)變量,則塔機(jī)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)學(xué)模型可定義如下

X={x1,x2,…,xn}T

求minW=g∑ρiAilii=1,2,…,m

S.tyi≤[y]i=1,2,…,m

σi≤[σ]i=1,2,…,m

yi≤[y]為位移約束,σi≤[σ]為應(yīng)力約束,n為設(shè)計變量個數(shù),m為設(shè)計桿件個數(shù)。

3基于ANSYS塔機(jī)桿件截面優(yōu)化

本文進(jìn)行工況分析時僅考慮兩類載荷?；据d荷:自重載荷,起升載荷;特殊載荷:風(fēng)載荷。自重載荷為塔機(jī)各部件重力,以重力加速度形式施加于模型上;起升載荷為塔機(jī)工作狀態(tài)起吊重物與變幅小車及吊鉤重力之和。小車車輪與起重臂下弦桿四點(diǎn)接觸,將起升載荷平均加載到四個接觸點(diǎn)上。風(fēng)載荷由規(guī)范手動計算得到,平均施加在節(jié)點(diǎn)上。

圖1　塔機(jī)截面優(yōu)化設(shè)計流程圖

優(yōu)化設(shè)計過程中首先指定優(yōu)化設(shè)計變量并初始化;然后以設(shè)計變量為參數(shù)建立參數(shù)化模型,并初步進(jìn)行靜力學(xué)分析以驗證模型的有效性;接著指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù),設(shè)定設(shè)計變量的上下限和狀態(tài)變量所允許的最大值。

本軟件優(yōu)化程序提供四種優(yōu)化方法可供用戶選擇:子問題逼近法(SUBP)、一階優(yōu)化法(FIRST)、隨機(jī)法(RAND)、單步優(yōu)化運(yùn)行(RUN)。優(yōu)化結(jié)束之后,ANSYS會給出一組優(yōu)化后的數(shù)值,從中選取狀態(tài)變量,允許范圍內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)最小的值,即為最優(yōu)值。具體優(yōu)化過程如圖1所示。

4基于VB的ANSYS二次開發(fā)

4.1基本思路

為了使優(yōu)化簡單易懂,采用交互性強(qiáng)的VB語言,借助ANSYS中的APDL語言和VB程序代碼實(shí)現(xiàn)VB與ANSYS之間的交互,利用VB的控件設(shè)計友好界面。首先,在VB源程序里寫入APDL語言編制的塔機(jī)優(yōu)化設(shè)計的前處理、加載求解、后處理以及優(yōu)化設(shè)計通用程序。然后,利用VB設(shè)計參數(shù)輸入界面,方便用戶輸入截面參數(shù);進(jìn)而用此參數(shù)編程生成相應(yīng)的APDL命令流,補(bǔ)充寫入已編制的APDL程序;調(diào)用ANSYS讀取此程序完成塔機(jī)截面優(yōu)化設(shè)計;最后通過VB結(jié)果后處理界面提取計算結(jié)果數(shù)據(jù),比較優(yōu)化前后參數(shù),得出該結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理的結(jié)論。圖2是對ANSYS利用VB進(jìn)行二次開發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2軟件設(shè)計

4.2.1窗體設(shè)計

根據(jù)基本思路,該軟件采用二叉樹形式,由一個主界面,多個選項卡(彈出新窗口)組成。主界面反應(yīng)軟件優(yōu)化基本流程,分前處理和后處理兩大塊,用戶依次選擇時,界面彈出需要設(shè)置的窗口。為了使得界面更加友好,每個窗口界面都提供了對應(yīng)的圖形。主界面窗口如圖3所示,一級選項卡以前處理中設(shè)計變量參數(shù)為例,彈出窗口如圖4所示。二級選項卡以塔帽參數(shù)為例,彈出新的窗口如圖5所示。用戶能根據(jù)工程所需,設(shè)計任意桿件的截面尺寸。從而在滿足安全性的前提下使塔機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化,達(dá)到經(jīng)濟(jì)目的。

圖3　主窗體界面

圖4　設(shè)計變量參數(shù)界面

圖5　塔帽參數(shù)界面

4.2.2部分代碼

用戶選擇需要設(shè)計的變量、參數(shù)后,軟件通過代碼實(shí)現(xiàn)用戶選擇寫入VB源程序,并整合到APDL語言的塔機(jī)模型內(nèi)的過程。設(shè)計變量以塔帽參數(shù)豎直桿優(yōu)化為例,部分代碼如表1所示。

表1　部分代碼

4.2.3設(shè)計需求輸入

當(dāng)用戶向軟件系統(tǒng)輸入設(shè)計需求后,系統(tǒng)自動生成ANSYS命令流,如表1中一階優(yōu)化方法代碼:Print #1, "OPTYPE,FIRST",即用戶輸入數(shù)據(jù)時,VB內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù),向#1文件進(jìn)行寫操作。#1文件用于存儲塔機(jī)模型的APDL語言。此時,數(shù)據(jù)輸入已轉(zhuǎn)換到塔機(jī)模型中,命令流在文件App.Path & "obj.txt"里形成,進(jìn)而優(yōu)化求解。此時系統(tǒng)自動運(yùn)行ANSYS平臺。VB啟用ANSYS后,塔機(jī)模型優(yōu)化求解已完成,通過后處理提取結(jié)果,轉(zhuǎn)化為簡易的優(yōu)化結(jié)果界面。

5優(yōu)化實(shí)例與結(jié)果分析

某工程需起吊0.3噸的貨物,實(shí)測風(fēng)壓200Pa,鋼材密度7800kg/m3,彈性模量210GPa,泊松比0.3。材料允許最大拉應(yīng)力為235MPa,應(yīng)力安全系數(shù)1.2。塔式起重機(jī)配重14.8噸。現(xiàn)選擇一階優(yōu)化方法迭代三次,對塔身豎直桿、塔帽豎直桿進(jìn)行優(yōu)化,求優(yōu)化后各截面參數(shù)和節(jié)省用鋼量,優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6　一階優(yōu)化方法優(yōu)化結(jié)果顯示

從優(yōu)化結(jié)果可以看出,塔機(jī)總重量由原來的18.406噸降低到16.910噸,節(jié)省用鋼量8.13%,改善效果明顯。

6結(jié)語

利用有限元軟件ANSYS建立塔機(jī)參數(shù)化模型,并利用VB編制簡單直觀的塔機(jī)截面參數(shù)優(yōu)化軟件。該軟件可實(shí)用性強(qiáng),操作簡便,具有很強(qiáng)的通用性,用戶可根據(jù)不同工況優(yōu)化截面參數(shù),并且可對不同算法的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較,為提高工程經(jīng)濟(jì)效益提供了參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號Tp15

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.017

作者簡介:歐陽天云,男,研究方向:工程力學(xué)。韓芳,女,博士,副教授,研究方向:工程力學(xué)。

基金項目:國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(編號:201410488008)資助。

*收稿日期:2015年8月9日,修回日期:2015年9月23日