港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

王偉，姚立權(quán)，趙春雨

（1.遼寧卓異裝備制造股份有限公司，遼寧 營口 115004；2.遼寧綠港科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)是數(shù)字化港口建設(shè)的重要內(nèi)容，對推動港口機(jī)械的服務(wù)能力具有積極的作用。而港口機(jī)械制造企業(yè)，為滿足數(shù)字化港口的需求，可通過港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)，提高機(jī)械的生產(chǎn)能力與管理能力。基于此，本文結(jié)合實(shí)際情況，研究分析港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)，并主要以橋式抓斗卸船機(jī)為對象，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)，詳細(xì)內(nèi)容如下。

1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

（1）數(shù)字化設(shè)計(jì)的概念。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式在當(dāng)前港口機(jī)械的設(shè)計(jì)中存在力不從心的情況，對港口機(jī)械的精密化、智能化發(fā)展適應(yīng)性不佳，再加上信息技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，使得數(shù)字化技術(shù)成為港口機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。數(shù)字化設(shè)計(jì)可分為設(shè)計(jì)部分和數(shù)字化部分。其中，設(shè)計(jì)是結(jié)合某種目的，實(shí)施具有創(chuàng)造性的工作，而數(shù)字化則是借助數(shù)字描述信息，是在二進(jìn)制基礎(chǔ)上完成的。二者的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)。數(shù)字化設(shè)計(jì)包含了參數(shù)化建模、有限元分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化等內(nèi)容。數(shù)字化設(shè)計(jì)不僅可用于港口機(jī)械設(shè)計(jì)，還能有效的用于其他產(chǎn)品制造。運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)可以更為滿足用戶的需求，并順利降低設(shè)計(jì)成本，保障制造企業(yè)獲取更大的收益。

（2）數(shù)字化設(shè)計(jì)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。隨著行業(yè)競爭逐漸激烈，為確保產(chǎn)品的質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)了對數(shù)字化設(shè)計(jì)的研究。國外研究者對數(shù)字化設(shè)計(jì)的起步較早，成果也更多。美國研究人員提出了一種基于內(nèi)容的搜索技術(shù)。韓國首爾國立大學(xué)的研究者，提出了采用2 步相似的B-REP 的文件對比分析，可有效的提高相似零件的查找效率。國外研究者在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，主要運(yùn)用改進(jìn)的遺傳算法，F(xiàn)uruta 等改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行研究，并提出了一種自適應(yīng)的調(diào)整方法。

國內(nèi)對數(shù)字化設(shè)計(jì)的研究起步比國外較晚，但是，也取得了一定的成就，推動了國內(nèi)數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā)展。武漢理工大學(xué)對龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)中，選用Pro/ENGINEER實(shí)施三維造型和仿真模擬，再選Pro/TOOLKIT、APDL 二次開發(fā)語言，于VC++2008 環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了更好的設(shè)計(jì)。南京理工大學(xué)的研究者構(gòu)建了壓鑄模數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少成本，提高質(zhì)量的目的。西南交通大學(xué)的研究者，對橋梁支座的數(shù)字化設(shè)計(jì)研究中，構(gòu)建了典型支座參數(shù)化樣機(jī)，保障了支座的設(shè)計(jì)效果，并為設(shè)計(jì)人員減少了重復(fù)工作。

2 港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)

現(xiàn)結(jié)合港口的機(jī)械產(chǎn)品中的橋式抓斗卸船機(jī)為例，對它進(jìn)行港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)，詳細(xì)內(nèi)容分析如下。

（1）金屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。橋式抓斗卸船機(jī)是重要的港口機(jī)械類型，其主要負(fù)責(zé)裝卸工作，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由主梁、門架系統(tǒng)和拉桿系統(tǒng)幾個部分組成。在具體的參數(shù)建模中，為保障建模效果，可選用UG、UG 二次開發(fā)工具和Visual Studio2010 等。具體的參數(shù)化建模中，選用UG實(shí)現(xiàn)對卸船機(jī)的參數(shù)化三維實(shí)體模型構(gòu)建，再選擇Visual Studio2010 對相關(guān)程序進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)對參數(shù)化模型的構(gòu)建。在三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元動靜態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)。

具體的建模中，需要注意建模順序的控制。從主梁開始參數(shù)化設(shè)計(jì)，并構(gòu)建三維模型，在此基礎(chǔ)上，依次進(jìn)行梯形門架、小門架、拉桿等的參數(shù)化設(shè)計(jì)。注意模型建立時，應(yīng)先構(gòu)建三維模型，選用VS210 進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)用程序框架創(chuàng)建，編寫程序等工作，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型設(shè)計(jì)。

（2）金屬結(jié)構(gòu)的有限元動靜態(tài)分析。在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建有限元模型。有限元模型選用ANSYS 軟件。如圖1 所示，為主梁結(jié)構(gòu)的有限元模型。

圖1 主梁的有限元模型

針對上述主梁有限元模型，對具體的參數(shù)進(jìn)行描述，其中梁高H 為1900mm，翼緣板寬度W1200mm，兩腹板間寬度B為1128mm，翼緣板厚度t 為14mm，腹板厚度s 為12mm，梁的長度L84800mm，雙梁間距D 為2000mm。在ANSYS 軟件的支持下，可實(shí)現(xiàn)幾何模型與有限元模型的建立。

有限元模型建立完成后，則實(shí)施動靜態(tài)分析，對卸船機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和撓度展開靜態(tài)分析，再使用動態(tài)分析對諧響應(yīng)等進(jìn)行分析。之后對卸船機(jī)的荷載、荷載組合進(jìn)行分析。以荷載組合情況為例，如下公式為荷載組合I、II、III 的荷載組合情況。

結(jié)合實(shí)際情況對荷載及荷載組合進(jìn)行計(jì)算。具體的工況主要包括：（1）移動荷載作用于大梁端，結(jié)合自重、起升載荷，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)與大車機(jī)構(gòu)的制動，忽略風(fēng)荷載。（2）移動荷載作用于前拉桿與前大梁連接位置，考慮自重，考慮機(jī)構(gòu)制動，忽略風(fēng)荷載。（3）移動荷載作用于前大梁中，考慮自重，考慮制動，忽略風(fēng)荷載。在上述3 種情況下，分別對風(fēng)荷載進(jìn)行考慮，實(shí)現(xiàn)6 種工況的研究。

有限元靜態(tài)分析時，主要包括靜力學(xué)強(qiáng)度與撓度2 個指標(biāo)。其中靜力學(xué)強(qiáng)度的計(jì)算中，計(jì)算準(zhǔn)則是α ≤[α]=α1/n，其中，α 描述危險點(diǎn)用力，α1為屈服極限，n 為安全系數(shù)，[α]描述許用應(yīng)力。而對于撓度的計(jì)算，則f ≤[f]，其中f 為靜撓度，[f]描述許用撓度。上述分析屬于模態(tài)分析，進(jìn)行模態(tài)分析，可避免結(jié)構(gòu)共振。還可以了解動力載荷的響應(yīng)。

（3）金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)，需要在上述模型分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，需要對金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。確保前后大梁在危險工況下，應(yīng)力能小于許用應(yīng)力，從而保障結(jié)構(gòu)安全。在金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可遵循如下步驟：①確認(rèn)優(yōu)化目標(biāo)。在對金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，將質(zhì)量、體積、動力學(xué)性能等作為優(yōu)化目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)解析，結(jié)合靜平衡方程和運(yùn)動方程等進(jìn)行描述。②建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)模型。數(shù)學(xué)模型包括3 大內(nèi)容，主要包含函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和約束條件。對于復(fù)雜的實(shí)際問題，無法直接使用數(shù)學(xué)模型完全描述，則可通過對問題的簡化，確保問題可用數(shù)學(xué)模型描述出來。③優(yōu)化方法的選擇。可供選擇的優(yōu)化方法包括一維、多維的優(yōu)化方法、多目標(biāo)的優(yōu)化方法、遺傳算法等，合理對這些優(yōu)化方法進(jìn)行選擇，保障金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果。需要注意，優(yōu)化方法應(yīng)該與實(shí)際相結(jié)合，確保優(yōu)化水平。④獲取最優(yōu)結(jié)果。結(jié)合優(yōu)化方法，計(jì)算得出最終結(jié)果，再對結(jié)果進(jìn)行判斷，明確其是否符合需求，如果不符合，則需要再次進(jìn)行優(yōu)化，或選擇其他優(yōu)化方法。如圖2 所示，為優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本流程圖。

借助數(shù)字化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對港口機(jī)械的制造與生產(chǎn)，確保機(jī)械在危險工況下仍舊保持良好的工作狀態(tài)，并根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，確保港口機(jī)械的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且可以減少原有的材料消耗情況，降低港口機(jī)械的成本。

3 港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合港口機(jī)械數(shù)字化的基本情況，對數(shù)字化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡單闡述，詳細(xì)內(nèi)容如下。

（1）UG 二次開發(fā)平臺。它是實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的基礎(chǔ)。其中UG 屬前沿高端軟件平臺，已經(jīng)廣泛用于航天航空、家電、船舶等領(lǐng)域。它將CAD、CAM 和CAE 融合到一起，實(shí)現(xiàn)一體化，滿足參數(shù)模型構(gòu)建的需求。而UG 二次開發(fā)模塊，則具備專用的二次開發(fā)語言，簡單易于操作。

（2）ANSYS 有限元建模。主要是借助ANSYS 軟件實(shí)現(xiàn)有限元建模，其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 優(yōu)化流程圖

圖3 有限元模型的通信模塊

在實(shí)現(xiàn)ANSYS 軟件建模中，所使用的語言為APDL，是ANSYS 軟件自帶的設(shè)計(jì)語言，不僅滿足建模需求，還可為優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。其中APDL 的功能包括：參數(shù)、數(shù)組參數(shù)、流程控制、訪問ANSYS 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和宏文件等。

（3）模態(tài)分析。模態(tài)分析又可以被稱之為特征值分析，是動力學(xué)分析中的基礎(chǔ)部分。其典型的無阻尼模態(tài)分析的基本方程可用公式（1）描述。

上述方程中，[K]描述剛度矩陣；{Φi}為特征矢量；ωi為特征值，[M]為離散體的質(zhì)量矩陣。

4 結(jié)語

本文研究港口機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合實(shí)際對數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，分析概念及發(fā)展。再結(jié)合港口機(jī)械，選擇卸船機(jī)作為研究對象，分析卸船機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，對參數(shù)模型、有限元分析、金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化等進(jìn)行闡述，最后對具體的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對港口機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)，并滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高生產(chǎn)效率。