雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁CAE設(shè)計(jì)方法*

戴濤旭，王全先，裴看看，張 恒

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002; 2.特種重載機(jī)器人安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

主梁是橋式起重機(jī)中最重要的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)要求極其嚴(yán)格，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常是進(jìn)行計(jì)算校核、繪制圖形以及ANSYS分析等，設(shè)計(jì)周期長。構(gòu)建橋式起重機(jī)主梁的CAE集成系統(tǒng)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)代替手工進(jìn)行計(jì)算與繪圖，可通過人機(jī)交互，最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力和經(jīng)驗(yàn)[1]，提高橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[2]。

鋼結(jié)構(gòu)是整臺(tái)起重機(jī)的骨架，用以裝置起重機(jī)的機(jī)械、電氣設(shè)備，支持被起吊的重物，承受和傳遞作用在起重機(jī)上的各種載荷[3]。橋式起重機(jī)的主梁有多種結(jié)構(gòu)形式，箱形結(jié)構(gòu)是被廣泛采用的形式之一。對(duì)于偏軌箱形梁，由于軌道偏置在一塊腹板上，可以省去一些作為軌道支承用的小加肋板，減小了小車軌距，大大降低了小車重量，同時(shí)減少了焊接量[4]，故雙梁箱形偏軌主梁得到了越來越多的應(yīng)用。筆者以雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁為研究對(duì)象，使用Creo軟件建立雙梁箱形偏軌主梁的初始三維模型，然后在VB平臺(tái)上開發(fā)雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁CAE設(shè)計(jì)系統(tǒng)，調(diào)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，快速實(shí)現(xiàn)雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析工作，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)工作量大、容易出錯(cuò)、且不利于反復(fù)修改再設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了一個(gè)強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)工具。

1 雙梁箱形偏軌主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙梁箱形偏軌主梁的斷面圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要工作是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)并驗(yàn)算尺寸的合理性，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，盡可能地減少主梁重量以節(jié)約制造成本。

圖1 雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁斷面圖

1.1 雙梁箱形偏軌主梁建模

首先根據(jù)10T-22.5 m型雙梁箱形偏軌主梁的尺寸建立偏軌主梁的初始模型。在Creo軟件中繪制雙梁箱形偏軌主梁模型，模型主要包括上蓋板、下底板、兩塊腹板以及方形鋼軌道。上蓋板和方形鋼軌道可通過RIGHT面建立斷面圖，然后向兩側(cè)拉伸，與端梁連接的部分可任選一端進(jìn)行繪制，然后以RIGHT面為鏡像平面進(jìn)行鏡像。繪成的雙梁箱形偏軌主梁模型如圖2所示。

圖2 雙梁箱形偏軌主梁模型示意圖

1.2 有限元前處理

文中在Creo軟件中對(duì)雙梁箱形偏軌主梁模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和施加約束載荷等前處理操作，最后生成有限元模型再導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。此方法汲取了Creo軟件和ANSYS軟件各自的優(yōu)點(diǎn)，為雙梁箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)的開發(fā)建立了基礎(chǔ)。

1.3 雙梁箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)的搭建

建立好初始模型，以可視化的VB平臺(tái)為基礎(chǔ)，搭建雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維模型設(shè)計(jì)和有限元處理的自動(dòng)化。搭建系統(tǒng)所需要的關(guān)鍵技術(shù)就是利用VB對(duì)Creo軟件和ANSYS軟件進(jìn)行一定程度的二次開發(fā)。通過二次開發(fā)，設(shè)計(jì)人員只需輸入設(shè)計(jì)尺寸，系統(tǒng)在后臺(tái)完成雙梁箱形偏軌主梁的模型設(shè)計(jì)，然后調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元求解，從而實(shí)現(xiàn)雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁的快速設(shè)計(jì)開發(fā)。

2 基于VB的Creo二次開發(fā)

2.1 AGW的連接

Creo的二次開發(fā)方式有很多，其中以AGW軟件為橋梁，利用VB對(duì)Creo進(jìn)行二次開發(fā)是相對(duì)方便快捷的。AGW(Automation Gateway)是RAND公司開發(fā)的針對(duì) Creo軟件的二次開發(fā)工具, 與 Creo系統(tǒng)自帶的二次開發(fā)工具 Pro /TOOLKIT相比，具有簡單易用等優(yōu)點(diǎn)[5]。AGW軟件可以分別訪問Creo和VB的數(shù)據(jù)庫，并在其間傳遞數(shù)據(jù)，從而達(dá)到利用VB對(duì)Creo進(jìn)行二次開發(fā)的目的。

首先將AGW與Creo建立連接。在電腦桌面先后打開Creo軟件和AGW軟件，AGW打開后會(huì)自動(dòng)連接Creo，當(dāng)屏幕上出現(xiàn)如圖3所示的“Successful！”提示信息時(shí)，表明連接成功。

圖3 AGW和Creo連接成功示意圖

2.2 調(diào)用Creo快速設(shè)計(jì)

調(diào)用Creo進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，就是通過編寫代碼控制Creo自動(dòng)完成模型重繪。文中雙梁箱形偏軌主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在一個(gè)提前建好的三維模型的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)讀取該基礎(chǔ)模型的尺寸參數(shù)信息，然后輸入修改后的新模型的尺寸參數(shù)，并通過AGW傳遞給Creo，Creo再自動(dòng)修改尺寸參數(shù)，生成新的雙梁箱形偏軌主梁三維模型。通過對(duì)雙梁箱形偏軌主梁模型的設(shè)計(jì)參數(shù)的識(shí)別、提取、修改，從而實(shí)現(xiàn)雙梁箱形偏軌主梁的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所以，文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)并不是直接控制Creo進(jìn)行草圖繪制、創(chuàng)建特征等操作，而是在已有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行重繪，從而實(shí)現(xiàn)利用VB調(diào)用Creo對(duì)雙梁箱形偏軌主梁進(jìn)行快速設(shè)計(jì)。

所用到的主要代碼如下。

Public RGateway1 As New GwayAX，對(duì)全局變量的聲明。Public是VB聲明全局變量的一種常用方式，RGateway是定義對(duì)象的簡稱，GWayAX是添加的AGW的一個(gè)插件。通過全局變量的聲明，VB就能訪問AGW的函數(shù)庫了。

指令ModelRetrieve(modelname)，可以將雙梁箱形偏軌主梁的基礎(chǔ)模型存入到內(nèi)存中，modelname是模型所在位置。

SessionSetCurrentModel，將內(nèi)存中的模型調(diào)出，然后顯示在Creo中，該函數(shù)需與ModelRetrieve函數(shù)組合使用。

RGateway1.DimensionGetValue(“d0”)，將該值賦值給文本框來獲取Creo模型的特征尺寸，特征尺寸是Creo模型的基本尺寸，如圖4所示，為雙梁箱形偏軌主梁的部分特征尺寸示意圖。

圖4 雙梁箱形偏軌主梁模型特征尺寸圖

d0=RGateway1.ParamSetValue，在指令后給定特征尺寸的代號(hào)以及文本框名稱，即可將修改后的尺寸反饋給Creo，此處d0為輸入的新模型的其中一個(gè)尺寸值。

RGateway1.ModelRegenerate，該函數(shù)的功能是模型重生，通過上一步，Creo收到了新的特征尺寸的信息，此處函數(shù)使得Creo按照新尺寸對(duì)特征尺寸重新定義。

RGateway1.WindowRepaint，該函數(shù)是在ModelRegenerate函數(shù)生效后，對(duì)模型進(jìn)行重繪。至此，就實(shí)現(xiàn)了雙梁箱形偏軌主梁的模型修改。

2.3 編寫計(jì)算書

編寫計(jì)算書，將設(shè)計(jì)好的尺寸和部分程序代碼輸出為文本文件，方便設(shè)計(jì)人員查看。文中采用Output語句將程序數(shù)據(jù)輸出到文本。Output方式打開的文件是用來輸出數(shù)據(jù)的，可將數(shù)據(jù)寫入文件，即寫操作。所用到的主要代碼如下。

Dim lj AS String

lj=”C：Users”&”說明書”&”.txt”

if Dir(lj)=””Then

Open lj For Output As #1

Print #1,

……

語句中，” C：Users”為文本的儲(chǔ)存路徑，若該路徑為空，則系統(tǒng)打開新文本并輸入數(shù)據(jù)；#1則代表計(jì)算書文件，在”Print #1,”后面書寫所需輸出的數(shù)據(jù)。

3 VB調(diào)用ANSYS軟件技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

文中采用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL來實(shí)現(xiàn)ANSYS的二次開發(fā)。APDL是一種解釋性語言, 可以用來自動(dòng)完成一些通用性強(qiáng)的任務(wù)[6]。VB調(diào)用ANSYS步驟中最重要的一步就是建立APDL文本文件，文件中用命令流進(jìn)行導(dǎo)入有限元模型并求解，然后顯示變形并將結(jié)果輸出為圖形文件。所用到的命令流指令主要如下。

/CLEAR，該命令用于清空數(shù)據(jù)庫文件，方便開始后續(xù)的新工作。

/Filename，用于命名工作文件。

/INPUT,指令后面寫入有限元文件的名稱和文件位置 ,該指令中，INPUT用于導(dǎo)入雙梁箱形偏軌主梁的有限元模型，文中模型名稱命名為Analysis1.ans，該模型的文件位置一般設(shè)置為電腦桌面，方便存儲(chǔ)和查找。

/SOLU，SOLU的作用為訪問求解器。

/SOLVE，此處作用為開始對(duì)雙梁箱形偏軌主梁進(jìn)行求解運(yùn)算。

/POST，求解結(jié)束后，需要對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行查看，POST指令用于訪問后處理器。

/VIEW,1,1,1,1，VIEW命令的作用是查看模型求解結(jié)果時(shí)設(shè)置觀察視角。

/REPLOT，該指令表示刷新當(dāng)前界面，當(dāng)添加了新指令后，為保證ANSYS軟件的確完成了后臺(tái)處理，往往通過刷新來重新顯示操作界面。

PLNSOL,S,EQV,0,1.0，PLNSOL指令用于以等值線和云圖的形式來顯示各節(jié)點(diǎn)處的計(jì)算結(jié)果，此處“S,EQV”表示所使用的應(yīng)力為Von Mises應(yīng)力，即米塞斯應(yīng)力。

/show,jpeg,,0，show命令表示在操作界面顯示求解結(jié)果圖。

建立完APDL文本文件，然后利用Shell函數(shù)調(diào)用ANSYS求解。Shell函數(shù)是VB常用的調(diào)用外部程序的一種窗口函數(shù)。調(diào)用ANSYS的主要代碼如下。

exe=Text1.Text，exe在VB中一般作為可執(zhí)行文件，此處將其賦值為本機(jī)ANSYS的安裝路徑，需要用戶自行輸入，這樣設(shè)計(jì)使程序可在不同計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。

path=Text2.Text,該代碼中路徑path賦值的是本機(jī)ANSYS的工作目錄，同樣是為了使shell函數(shù)能夠調(diào)用不同計(jì)算機(jī)上的ANSYS軟件。

Open path&””&”ANSYS”&”.txt”For Output As #1，此串代碼是VB打開一個(gè)空白文本的常用句式。其中，Open指令為打開文件，后面連接文件路徑。Output指令是文件的打開方式，通常結(jié)合Print函數(shù)一起使用。

Print#1,”/Filename,dai”，Print用于在打開的文本中輸入內(nèi)容，此處輸入的內(nèi)容為APDL的命令流文本。

Close #1，文件編輯完成后的結(jié)束語。

way = exe &"-pANE3FL-dir"&path&"-jjob-b -i"&path &"ANSYS.txt"&" -o "& path &"dai-fileout.txt"，該代碼需要結(jié)合shell函數(shù)使用，其作用為定義shell函數(shù)所調(diào)用的外部軟件的名稱和路徑等。其中，-p表示ANSYS的產(chǎn)品代號(hào)，ANE3FL是ANSYS的Multiphysics模塊的特征代碼，dir后面綴上相對(duì)路徑便于移植，-j表示工程名稱，-b為運(yùn)行的控制開關(guān)，-i后綴的路徑為APDL命令流文本的路徑，-o后面的路徑為輸出的文本路徑。

X=Shell(way,VBMaximizedFocus)，代碼中參數(shù)X用于存放shell函數(shù)的返回值，結(jié)合上條代碼中way的賦值，就可利用VB打開ANSYS軟件了。

查看求解結(jié)果的主要代碼如下。

path=form16.Text2.Text

way=path&””&”file”&”001.jpg”

Form25.Picture1.Picture=LoadPicture(way)

代碼中，path的值為調(diào)用界面內(nèi)輸入的本機(jī)ANSYS的工作目錄，在way的賦值中，“file001.jpg”是其中一個(gè)結(jié)果圖的名稱。然后通過LoadPicture函數(shù)來加載圖片并顯示在程序的窗口上。

至此，就完成了VB與ANSYS之間的連接。在生成新的橋式起重機(jī)雙梁箱形偏軌主梁的三維結(jié)構(gòu)后，打開Creo軟件，在系統(tǒng)指引下修改網(wǎng)格和施加的載荷，此時(shí)會(huì)生成一份*.ans文件，將此文件復(fù)制到ANSYS的工作目錄下，系統(tǒng)就可調(diào)用ANSYS完成有限元求解。

通過VB調(diào)用ANSYS軟件的技術(shù)，結(jié)合前文中Creo的二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙梁箱形偏軌主梁的快速CAE設(shè)計(jì)。通過VB所搭建的平臺(tái)，使得繁瑣而復(fù)雜的再設(shè)計(jì)過程變得輕松高效，為實(shí)際工程應(yīng)用提供一個(gè)可供參考的設(shè)計(jì)工具。

4 系統(tǒng)算例

以10T22.5M雙梁橋式起重機(jī)的箱形偏軌主梁為例，運(yùn)用系統(tǒng)進(jìn)行算例分析，系統(tǒng)主界面如圖5所示，先后點(diǎn)擊“Creo4.0鏈接”、“ANSYS19.0鏈接”，前處理界面如圖6所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面如圖7所示，ANSYS求解界面如圖8所示，輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)，即可完成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后查看求解結(jié)果和生成計(jì)算書，查看結(jié)果圖如圖9所示。整個(gè)設(shè)計(jì)過程快捷方便，極大地節(jié)約了雙梁箱形偏軌主梁的設(shè)計(jì)周期，改善了雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁設(shè)計(jì)量大、工作效率低、精度不高的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。

圖5 系統(tǒng)主界面示意圖 圖6 Creo前處理界面示意圖

圖7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面示意圖 圖8 調(diào)用ANSYS界面示意圖

圖9 查看結(jié)果示意圖

5 結(jié) 語

在VB平臺(tái)上，利用連接軟件AGW對(duì)Creo進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)直接輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)完成Creo三維模型的重繪，快速完成雙梁箱形偏軌主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以APDL為基礎(chǔ)，對(duì)ANSYS進(jìn)行一定程度的二次開發(fā)，手動(dòng)完成網(wǎng)格劃分和載荷約束施加后，系統(tǒng)將重繪的雙梁箱形偏軌主梁的有限元模型導(dǎo)入ANSYS中，調(diào)用ANSYS進(jìn)行快速分析和查看求解結(jié)果。通過二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)雙梁橋式起重機(jī)箱形偏軌主梁CAE系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙梁箱形偏軌主梁的快速CAE設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。