塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺的開發(fā)及應(yīng)用

付航 和大龍 張士軍 董明曉

摘? 要： 為了順應(yīng)塔式起重機(jī)設(shè)計系列化、參數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢，建立塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺。建立塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)APDL命令流，應(yīng)用Visual Studio設(shè)計塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺可視化界面，通過VisualStudio的接口程序，實現(xiàn)ANSYS軟件的后臺調(diào)用，在建模過程中對整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸采用變量賦值的方式實現(xiàn)塔式起重機(jī)參數(shù)化建模。用工程實例仿真驗證了搭建的塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺的準(zhǔn)確性，改進(jìn)了傳統(tǒng)有限元建模過程，提高了塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析效率。

關(guān)鍵詞： 塔式起重機(jī)； 參數(shù)化； 建模平臺； C#； ANSYS

中圖分類號：TH213.3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2023）05-140-05

Development and application of parametric modeling platform for tower crane

Fu Hang1， He Dalong2， Zhang Shijun1， Dong Mingxiao1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan， Shandong 250101， China;

2. Shandong Longhui Hoisting Machinery Co.， Ltd）

Abstract： In order to comply with the development trend of serialization， parameterization and standardization of tower crane design， a parametric modeling platform for tower cranes is established. The APDL command flow of the steel structure of the tower crane is established， Visual Studio is applied to design the visual interface of the parametric modeling platform of the tower crane， the background call of ANSYS software is realized through the interface program of Visual Studio， and the parametric modeling of the tower crane is realized in the modeling process by means of variable assignment to the structural dimensions of the whole machine. The accuracy of the built parametric modeling platform for tower cranes is verified through engineering simulation. It improves the traditional finite element modeling process and increases the efficiency of structural analysis of tower crane.

Key words： tower crane; parameterization; modeling platform; C#; ANSYS

0 引言

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，塔式起重機(jī)因其起重量大、工作速度快、回轉(zhuǎn)半徑大等特點，在建筑工地占據(jù)了重要的地位。面對復(fù)雜的工作環(huán)境，需要對不同型號的塔式起重機(jī)進(jìn)行受力分析。傳統(tǒng)的有限元方法需要對塔式起重機(jī)進(jìn)行重復(fù)的建模操作，不僅過程繁瑣，工作量大，且尺寸參數(shù)難更改，重復(fù)的GUI操作也會帶來較大建模誤差。通過建立結(jié)構(gòu)框架并根據(jù)具體需要修改塔身及臂架參數(shù)，可以使建模時間大大縮短，提高效率。

任會禮[1]等對塔式起重機(jī)的臂架進(jìn)行參數(shù)化處理，采用GUI方式查看模型圖、應(yīng)力分布云圖以及變形圖；賀尚紅[2，3]等分別以塔式起重機(jī)塔身與起重臂為研究對象，運用有限元分析軟件ABAQUS，二次開發(fā)接口，開發(fā)參數(shù)化計算平臺。上述學(xué)者參數(shù)化設(shè)計的研究對象大多是塔式起重機(jī)的塔身或是塔式起重機(jī)的起重臂，分析后的結(jié)果需與塔式起重機(jī)的剩余部分再次進(jìn)行整合處理。

本文使用C#與APDL語言建立塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺，應(yīng)用Visual Studio軟件創(chuàng)建可視化界面，將塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)設(shè)置為變量，然后通過賦值函數(shù)將用戶輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸NSYS命令流模板文件中，生成指定尺寸的命令流建模文件，通過Visual Studio與ANSYS軟件之間的接口程序，完成ANSYS軟件的后臺調(diào)用，實現(xiàn)塔式起重機(jī)的快速建模及分析。

1 塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺總體設(shè)計

1.1 塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺的功能要求

⑴ 通過塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺，用戶可以對塔式起重機(jī)有限元模型尺寸進(jìn)行快速更改。

⑵ 通過塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺，用戶可以根據(jù)需求調(diào)用不同的塔式起重機(jī)命令流模板，并在后臺調(diào)用ANSYS軟件，最后通過可視化界面直接顯示有限元分析后的結(jié)果。

以上功能可以讓用戶快速更改塔式起重機(jī)尺寸參數(shù)，并可以直接查看有限元分析的結(jié)果，方便同種尺寸不同工況下的塔式起重機(jī)或同種工況不同尺寸之間的塔式起重機(jī)進(jìn)行分析比較。

1.2 塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺開發(fā)工具

1.2.1 ANSYS以及APDL

ANSYS軟件是大型通用有限元分析（FEA）軟件，具有良好的二次開發(fā)環(huán)境。運用參數(shù)化設(shè)計語言APDL，可以將GUI界面操作步驟逐條轉(zhuǎn)換為ANSYS命令組織起來，對于重復(fù)的步驟可采用循環(huán)函數(shù)進(jìn)行編寫，對于需要更改的數(shù)據(jù)采用賦值函數(shù)，以此完成參數(shù)化建模程序，實現(xiàn)有限元軟件分析全過程。塔式起重機(jī)參數(shù)化建模的工作量集中于結(jié)構(gòu)參數(shù)修改和后處理分析，采用APDL來對塔式起重機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模，可以方便靈活的對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行修改，效率極高。

1.2.2 Visual Studio以及C#

C#是可用于.NET開發(fā)的一種語言，可快速搭建編寫任意應(yīng)用程序，滿足用戶需求[4]。C#具備VB語言的可視化操作方式，例如可利用WinForm（Windows Form）在微軟公司的集成開發(fā)環(huán)境——Visual Studio快速搭建可視化人機(jī)交互界面，改善用戶使用感，其次C#還保留C++語言的高運行效率，可在短時間內(nèi)迅速運行代碼。

1.3 塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺運行流程

塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺分為四部分，第一部分是參數(shù)化建模模塊，在此模塊中可以根據(jù)不同需求，對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的材料屬性以及各部分參數(shù)進(jìn)行修改；第二部分是工況選擇模塊，在此模塊中可以選擇不同的工況；第三部分是調(diào)用ANSYS模塊，在此模塊中可以調(diào)用ANSYS軟件與APDL模板文件，自動分析計算，截取分析結(jié)果圖像。第四部分是仿真結(jié)果顯示模塊，由此模塊展示分析圖像。塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺運行流程圖如圖1所示。

2 參數(shù)傳輸程序的實現(xiàn)

2.1 參數(shù)輸入可視化界面設(shè)計

APDL是ANSYS軟件中一種可以通過參數(shù)設(shè)置、循環(huán)命令等完成通用任務(wù)的方式，但ANSYS自帶的命令流輸入界面不夠靈活，交互性差。通過對Winform窗體提供的Button、Label、TextBox以及PictureBox等控件賦予不同的職責(zé)，建立可視化界面。用戶只需使用相應(yīng)的按鈕，便可完成跳轉(zhuǎn)窗口、數(shù)據(jù)保存、結(jié)果圖片查看等功能。塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺首頁如圖2所示。

2.2 參數(shù)傳遞

在塔式起重機(jī)參數(shù)化建模的過程中，如何對特征參數(shù)進(jìn)行賦值并傳遞至命令流模板文件中是參數(shù)化建模的基礎(chǔ)。本文中運用StreamWrite與StreamReader類完成參數(shù)數(shù)據(jù)的輸入與輸出[5]。利用StreamReader讀取命令流模板文件中的內(nèi)容，搜索需要被更改的目標(biāo)字符串，然后通過SteramWrite將更改后的參數(shù)填入命令流模板文件中的目標(biāo)位置，完成最終的APDL文件并封裝。關(guān)鍵代碼如下：

string s_con=string.Empty;

StreamReadersr=new StreamReader（path，Encoding.UTF8）

FileStream stream=File.Open（path， FileMode

.OpenOrCreate， FileAccess.Write）

stream.Seek（0， SeekOrigin.Begin）;

stream.SetLength（0）;

2.3 調(diào)用ANSYS

塔式起重機(jī)建模平臺的關(guān)鍵在于建立可視化界面與ANSYS軟件之間的數(shù)據(jù)通信渠道，將用戶在對話框中輸入的數(shù)據(jù)傳入用戶指定的命令流文件中。參數(shù)傳遞界面如圖3所示。采用IPC機(jī)制將ANSYS軟件集成至塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺，后臺調(diào)用ANSYS并運行命令流文件，Visual Studio與ANSYS之間的調(diào)用關(guān)鍵代碼如下：

ProcessStartInfostartinfo=new ProcessStartInfo（）;

string commond=String.Empty;

……

commond+="-b -p";

……

startinfo.Arguments=commond;

在本界面中，利用OpenfileDialog控件與SavefileDialog控件獲取ANSYS軟件的本地安裝位置與命令流文件的存放位置，用戶可在結(jié)果文件目錄中自主填寫文件結(jié)果存放位置與結(jié)果文件名稱等，信息輸入完成后，點擊運行按鈕進(jìn)入ANSYS后臺運行狀態(tài)，等待“求解成功”畫面彈出后，可關(guān)閉此窗口，并在仿真結(jié)果查看界面查看運行結(jié)果。

3 塔式起重機(jī)模型建立的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 單元類型的選擇

塔式起重機(jī)為大型桁架結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行施工作業(yè)時往往承受著較大的起重量，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，選用結(jié)構(gòu)剛度較高的角鋼、槽鋼與方鋼等桿件可提高整機(jī)抵抗變形的能力，避免塔式起重機(jī)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、甚至是傾覆的情況。在有限元分析中，梁單元的節(jié)點位移反映變形程度，為提高采用梁單元建模進(jìn)行分析的精確度，本文選用具有自定義截面特性的BEAM188梁單元進(jìn)行建模，反映整機(jī)實體模型在工作過程中所受到的軸向力、剪力、扭矩與彎矩等作用。拉桿部分承受較大拉力，因此，選用具有塑性強(qiáng)、大變形和大應(yīng)變特點的LINK180單元。附件部分選用MASS21質(zhì)量單元進(jìn)行等效。

3.2 模型簡化

⑴ 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡化

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是使塔式起重機(jī)完成回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)，幾何尺寸較小，剛度較大。在整機(jī)參數(shù)化建模研究中，將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)支承裝置用梁單元等效，可以將塔身與起重臂、平衡臂之間的自由度統(tǒng)一化，在保證模型計算結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，減少模擬過程中的單元類型，提高分析速度。

⑵ 塔身底座簡化

塔身作為塔式起重機(jī)主要的受力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度大。利用有限元軟件對塔式起重機(jī)進(jìn)行建模分析時，可以通過將塔身底部節(jié)點自由度（UX，UY，UZ，ROTX，ROTZ，ROTY）完全約束掉來等效固定底座。

3.3 參數(shù)化模型建立過程

塔式起重機(jī)參數(shù)化模型采用自底向上的建模方法，利用直接建模的方式，自動生成節(jié)點坐標(biāo)及單元。首先利用MPDATA命令對材料屬性進(jìn)行定義，而后，利用SECTYPE、SECOFFSET與SECDATA命令對梁單元進(jìn)行自定義截面。塔式起重機(jī)整機(jī)參數(shù)化建模分為塔身建模部分與起重臂建模部分，塔身建模部分包括塔身基礎(chǔ)節(jié)的高度、塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的高度和寬度以及塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)數(shù)四個部分，此模塊界面如圖4所示。起重臂建模部分包括起重臂下主弦桿長度，直腹桿長度和下弦桿段數(shù)三個部分，此模塊界面如圖5所示。使用APDL中的SET命令對特征參數(shù)進(jìn)行賦值，使用GET命令提取指定坐標(biāo)位置節(jié)點。在全部參數(shù)輸入完成后，點擊“確定修改”將模型數(shù)據(jù)傳輸至指定TXT文件中。APDL示例語句如下：

SECTYPE，1，BEAM，L

SECOFFSET，CENT

SECDATA，160，160，16，16

……

N，1，TS_JCK，0，0

……

*DO，i，1，TS_ZXG

E，1+（i-1）*4，1+4*i，4

*ENDDO

4 工程實例分析

以QTZ5513塔式起重機(jī)為例，運用塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺，建立參數(shù)化模型，并對其進(jìn)行模態(tài)分析。該塔式起重機(jī)總高46.6m，起重臂長56.4m，平衡臂長12.3m，鋼材選用Q345B型號，定義材料屬性彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，材料密度[ρ]=7.85×103kg/m3。利用塔式起重機(jī)參數(shù)化模塊建立幾何結(jié)構(gòu)，該模型有302個節(jié)點、791個單元，QTZ5513有限元模型圖如圖6所示。利用塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺，將塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)數(shù)增加并將起重臂前兩節(jié)尺寸減小，更改尺寸后的有限元模型圖如圖7所示。

本文使用Subspace法對QTZ5513塔式起重機(jī)進(jìn)行模態(tài)提取，該方法為廣義Jacobi迭代算法，采用完整剛度矩陣K和質(zhì)量矩陣M，具有較高精度[6]。塔式起重機(jī)是一種大型桁架結(jié)構(gòu)，低階固有頻率及振型更能反映振動特性，因此，提取塔式起重機(jī)低階固有頻率對整機(jī)動力響應(yīng)研究具有重要意義。本文提取塔式起重機(jī)有限元模型模態(tài)分析中的前六階振動模態(tài)，各階振型圖如圖8所示。

通過對前六階振型分析可知：

⑴ 第一階模態(tài)，固有頻率為0.1107Hz，振型反映起重臂與平衡臂圍繞塔身在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動。

⑵ 第二階模態(tài)，固有頻率為0.2111Hz，振型反映塔式起重機(jī)圍繞塔身底部固定處前后的彎曲振動。

⑶ 第三階模態(tài)，固有頻率為0.2363Hz，振型反映塔式起重機(jī)圍繞塔身固定點處的左右擺動。

⑷ 第四階模態(tài)，固有頻率為0.5644Hz，振型反映塔式起重機(jī)起重臂與平衡臂圍繞塔身前后的彎曲振動。

⑸ 第五階模態(tài)，固有頻率為0.9059Hz，振型反映塔式起重機(jī)起重臂與平衡臂在水平面內(nèi)的彎曲振動。

⑹ 第六階模態(tài)，固有頻率為1.1624Hz，振型反映塔式起重機(jī)起重臂與平衡臂在變幅平面內(nèi)的彎曲振動。

5 結(jié)論

基于ANSYS軟件，利用C#對其進(jìn)行二次開發(fā)，建立塔式起重機(jī)參數(shù)化建模平臺，利用較少關(guān)鍵參數(shù)快速生成塔式起重機(jī)模型，改善了傳統(tǒng)GUI方式繁瑣的建模過程，降低了手動建模所帶來的誤差，提高了效率。另外，利用該平臺對QTZ5513型號的塔式起重機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析，通過模態(tài)分析反映結(jié)構(gòu)振動特性，為塔式起重機(jī)的動態(tài)特性分析提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 任會禮，李江波，高崇仁.基于ANSYS的塔式起重機(jī)臂架有限元參數(shù)化建模與分析[J].起重運輸機(jī)械，2006（9）：11-13

[2] 賀尚紅，歐陽旭，劉小恒.塔機(jī)塔身參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)[J].建筑機(jī)械，2021（2）：68-74

[3] 賀尚紅，劉小恒，歐陽旭，等.塔式起重機(jī)臂架參數(shù)化建模與應(yīng)力分析[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2020，33（6）：123-128

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[5] 張喻捷.基于C#與Ansys的索道桁架有限元計算程序的二次開發(fā)[J].起重運輸機(jī)械，2021（16）：86-90

[6] 陳曉霞.ANSYS 7.0高級分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004