岸邊集裝箱起重機的數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)研究

1、第48卷第5期2011年10月總第202期港工技術(shù)PortEngineeringTechnology岸邊集裝箱起重機的數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)研究廖輝，仲梁維200093）（上海理工大學機械工程學院，上海文獻標志碼：A文章編號：1004-9592（2011）05-0012-03StudyonDigitalPrototypeDesignSystemofQuaysideContainerCraneLiaohui,ZhongLiangwei（DepartmentofMechanics，ShanghaiScienceandTechnologyUniversity，Shanghai200093，China）A

2、bstract：Basedontheknowledgeengineeringtheoryandtheexpertsystem，theresearchanddevelopmentsystemisestablishedforthedigitaldesignofquaysidecontainercranebycombiningwiththemultidomainsimulationtechnique，interactiveuserinterfacetechnique，virtualrealitytechnologyanddatabasetechnology.Thesystemmainlyinvolv

3、estheparametricdriving3Ddesignmodel，finiteelementanalyzingmodel，dynamicanalyzingmodelandhoistinganalyzingmodeletc.Byapplyingthestructureanalyzingandoptimizingmodule，dynamicanalyzingmodule，siteinstallationsimulatingmodule，theparametricdrivingdesignofvirtualprototypemayberealized，whichreducestheworklo

4、adofrebuildingmodelsgreatly.Besides，thesystemisusedintheinnovativedesign，testandevaluationofquaysidecontainercranes.Keywords：quaysidecontainercrane；knowledgebasedengineering；expertsystem；parametricdrivingdesign；virtualprototype岸邊集裝箱起重機（簡稱岸橋）作為港口集裝箱碼頭主要的大型起重裝備，具有市場需求量大、單機售價高、構(gòu)造復(fù)雜、交貨期短等特點。提高岸橋的設(shè)計開發(fā)效率、

5、節(jié)約開發(fā)試制成本已成為當前港口機械裝備制造企業(yè)亟待解決的課題。目前，國、內(nèi)外制造商普遍采用的傳統(tǒng)串行式產(chǎn)品開發(fā)流程，存在查閱資料繁多、重復(fù)性計算和修改量大、產(chǎn)品標準化和通用化水平低、設(shè)計周期長等明顯不足，應(yīng)通過不斷改進岸橋的主要技術(shù)參數(shù)以提高額定起重能力，研收稿日期：2011-06-29基金項目：上海市科委重點學科建設(shè)項目（J50503）作者簡介：廖輝（1987-），男，碩士研究生，主要從事數(shù)字化樣機與虛擬技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計、計算輔助智能設(shè)計等方面的研究。究高效的并行式產(chǎn)品開發(fā)流程以滿足提高岸橋生產(chǎn)率的要求。新型并行式產(chǎn)品開發(fā)流程及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)為港口裝備制造企業(yè)提供新的產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)模式，降低產(chǎn)

6、品試制成本和縮短研發(fā)周期，提高企業(yè)的市場競爭力。知識工程（KBE）是以知識本身為處理對象，關(guān)聯(lián)多種信息，研究如何以人工智能方法設(shè)計、構(gòu)造和維護知識型系統(tǒng)的新興學科1，將其應(yīng)用在岸邊集裝箱起重機的設(shè)計過程中，就是把設(shè)計工程師總結(jié)出的經(jīng)驗和規(guī)則用知識工程的方法加以表達，使設(shè)計經(jīng)驗和行業(yè)標準轉(zhuǎn)化為應(yīng)用軟件系統(tǒng)，使其成為可以由設(shè)計者在計算機上直接操作的對象，從而實現(xiàn)岸邊集裝箱起重機的智能化快速設(shè)計，以進一步第5期廖輝，等：岸邊集裝箱起重機的數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)研究與虛擬裝配、基于Ansys開發(fā)的CAE、基于Adams開發(fā)的動力淡定仿真、CAD/CAE/PDM集成化、基于知識庫的產(chǎn)品優(yōu)化等，顯著提高了大型

7、港機結(jié)構(gòu)的縮短岸橋產(chǎn)品的設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量、降低對設(shè)計者設(shè)計經(jīng)驗的要求。1系統(tǒng)的組成和功能岸邊集裝箱起重機數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)是在物CAD/CAE/PDM一體化水平。該系統(tǒng)以VisualStudio2005為開發(fā)環(huán)境、VB.net為數(shù)據(jù)交換平臺、SQLServer2005為數(shù)據(jù)庫、Pro/Engineer4.0為參數(shù)化設(shè)計與虛擬裝配平臺開發(fā)而成，采用Ansys11.0為結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化軟件，以Adams2008為動力學分析軟件。理樣機生產(chǎn)之前，利用虛擬樣機代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試和評估，并集成CAD和CAE技術(shù)，為設(shè)計人員提供的能夠不斷使用和更新已有知識、經(jīng)驗和數(shù)據(jù)等資源的開發(fā)設(shè)計

8、平臺。該系統(tǒng)擁有良好的人機交互界面，標準件、通用件、機構(gòu)、結(jié)構(gòu)等模塊具有強大的擴展能力，能完成計算分析、仿真與模擬，能夠自動選擇適用標準、規(guī)范的最新版本，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計，利用專家系統(tǒng)庫和零部件模塊化數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)零部件的擴展功能，利用內(nèi)置的核心程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)計、計算和加載分析過程的自動化。岸邊集裝箱起重機數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，見圖1。33.1系統(tǒng)的設(shè)計實例參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計一般適用于設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)形狀比較固定、可以用1組或幾組參數(shù)來約定其尺寸關(guān)系、參數(shù)求解比較簡單且與設(shè)計對象的控制尺寸間有顯式對應(yīng)關(guān)系、對設(shè)計結(jié)果的修改受到尺寸驅(qū)動的系統(tǒng)。三維參數(shù)化設(shè)計以三維實體模型為基礎(chǔ)，以

9、少數(shù)參數(shù)控制其他特征參數(shù)，設(shè)計過程克服了二維設(shè)計的局限性，用戶可隨時通過改變控制參數(shù)來滿足自己的要求，靈活實用，符合未來設(shè)計發(fā)展的趨勢，具有良好的應(yīng)用發(fā)展前景4。參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)由總體方案設(shè)計平臺、機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計平臺、結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計平臺等3部分組成，設(shè)計者通過系統(tǒng)界面輸入岸橋的主要技術(shù)參數(shù)并修改，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)計規(guī)范對目標產(chǎn)品進行自動設(shè)計、計算和選型，尋找最適合的結(jié)構(gòu)型式，并自動生成三維裝配模型、二維工程圖，自動輸出設(shè)計計算書，集產(chǎn)品方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工圖設(shè)計、工藝性設(shè)計和產(chǎn)口數(shù)據(jù)管理自動化于一體，能夠大大提高岸橋開發(fā)設(shè)計的效率。圖1岸邊集裝箱起重機數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)中的裝

10、配檢測平臺能按照工藝路線進行裝配和公差分析，并將分析結(jié)果返回知識庫；有限元分析和優(yōu)化平臺能調(diào)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行整機結(jié)構(gòu)和機構(gòu)分析，在經(jīng)過優(yōu)化后重新被參數(shù)化系統(tǒng)表達；動力學仿真平臺用于分析岸橋的動力學性能；現(xiàn)場安裝仿真平臺用于指導(dǎo)吊裝過程，以提高吊裝效率、保證吊裝安全。該系統(tǒng)能夠隨時監(jiān)督檢驗設(shè)計過程是否合格，通過人機對話提出適當?shù)膬?yōu)化建議2。3.2結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化軟件Ansys提供的參數(shù)化設(shè)計語言APDL專門用于Ansys的二次開發(fā)，使用APDL可實現(xiàn)自動化工作，但完全使用APDL編寫的程序仍存在編程不方便、程序結(jié)構(gòu)不清晰、程序進程很難掌握、界面設(shè)計功能弱等不足5。本系統(tǒng)運用Vi

11、sual2系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)目前，雖然CAD和CAE技術(shù)的應(yīng)用較為普Basic軟件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對岸橋結(jié)構(gòu)的有限元模型進行參數(shù)化，分析主體鋼結(jié)構(gòu)、小車架、大車行走機構(gòu)、關(guān)鍵連接部件（如機房底座、大梁鉸鏈、前大拉桿等）的強度、剛度、疲勞、屈曲和模態(tài)等力學性能，并在此基礎(chǔ)上進行大梁、立柱、拉桿、撐桿和聯(lián)系梁的優(yōu)化設(shè)計。通過程序封裝形成簡單易讀的輸入輸出界面，由Ansys軟件在后臺計算求解并直接給出分析結(jié)果，可為對Ansys不甚熟悉的用戶提供方便。岸橋主體鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型，見圖2。遍，但主要是利用CAD軟件的強大建模功能，將CAD幾何實體模型傳輸?shù)紺AE軟件中進行分析，而進一步發(fā)揮其強大功能的一體化技術(shù)

12、并不多見3。在岸橋數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)過程中，實現(xiàn)CAD/CAE/PDM一體化的關(guān)鍵技術(shù)包括：CAD與CAE接口、STS設(shè)計知識庫開發(fā)、基于知識工程的參數(shù)化設(shè)計、基于Pro/Engineer開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計·14·港工技術(shù)第48卷夠直觀地生成整個岸橋的現(xiàn)場安裝過程，可以獲取岸橋的主要技術(shù)參數(shù)、選擇吊裝方案和吊裝設(shè)備，還可以根據(jù)重要時刻吊裝部件的受力分析結(jié)果進行吊耳設(shè)計。完成上述工作后，該系統(tǒng)會自動輸出吊裝工藝方案和虛擬吊裝動畫。起重船安裝方式的仿真結(jié)果，見圖3。圖2岸橋主體鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型3.3動力學分析仿真系統(tǒng)集裝箱岸橋具有間歇性、重復(fù)性、循環(huán)性和啟（制）動頻繁等工作

13、特點，在其工作過程中各機構(gòu)均會產(chǎn)生動力載荷，對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響很大，通過分析岸橋虛擬樣機的各種工況可較準確地反映上述動態(tài)特性。虛擬樣機開發(fā)技術(shù)是基于產(chǎn)品計算機仿真模型的數(shù)字化設(shè)計方法，虛擬樣機數(shù)字化模型能從視覺、聽覺、觸覺方面模擬真實產(chǎn)品的功能、性能和行為6。虛擬樣機可以代替或部分代替物理樣機無法進行的虛擬試驗，幫助優(yōu)化改進設(shè)計方案，對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試和評估，能夠縮短開發(fā)周期、降低研制成本、改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，提高產(chǎn)品對客戶和市場需求的適應(yīng)性。動力學分析仿真系統(tǒng)可由系統(tǒng)界面輸入或自動獲取岸橋的主要技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)自動完成結(jié)構(gòu)特征、尺寸的參數(shù)化，自動生成動力學模型，并選擇無風、

14、有風或暴風等不同工況自動施加載荷、約束條件等。以STS-4501型集裝箱岸橋的開發(fā)設(shè)計為例，在進入系統(tǒng)界面后，首先選擇仿真分析工況自動加載約束，設(shè)置仿真分析邊界條件自動進行仿真分析；然后進入后處理模塊，可查詢岸橋起升機構(gòu)的仿真分析計算結(jié)果，并自動輸出分析報告。整個流程操作實現(xiàn)了自動化和智能化，大大提高了仿真分析計算的效率。參考文獻1顧曉華，仲梁維.基于知識工程的參數(shù)化設(shè)計J.機械設(shè)計與制造工程，2001（4）：17-18.圖3起重船安裝方式的仿真結(jié)果4結(jié)論岸橋數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了計算過程的自動化、岸橋各機（結(jié)）構(gòu)的全參數(shù)化建模、局部人機交互情況下工程圖的自動生成、有限元自動分析計算、動力學

15、自動分析與仿真、吊裝方案設(shè)計與優(yōu)化、基于知識庫的檢索、報告書自動輸出等主要功能。該系統(tǒng)開創(chuàng)了大型港口機械裝備研發(fā)的全新模式，不僅大大降低了開發(fā)設(shè)計成本和設(shè)計人員勞動強度，而且提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用將引領(lǐng)大型港口裝備研發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，促進港口機械裝備制造企業(yè)的快速發(fā)展。2夏正行，仲梁維，朱娟.基于知識工程的岸橋數(shù)字化樣機設(shè)計系統(tǒng)J.計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011（5）：1-5.3徐偉.大型港機結(jié)構(gòu)CAD/CAE一體化關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)D.上海：上海海事大學，2006.3.4現(xiàn)場安裝仿真系統(tǒng)確定現(xiàn)場吊裝方案是吊裝作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，直4趙輝.基于Pro/E二次開發(fā)技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計J.山西煤炭管理干部學院學報，2008（1）：143-144.接影響到吊裝可行性、吊裝工作量和吊裝成本等。一般情況下制定吊裝方案時，需要先派技術(shù)人員到吊裝現(xiàn)場考察，調(diào)查可用的起重機具設(shè)備情況，查閱起重機的性能參數(shù)，最后制定出現(xiàn)場吊裝方案，可見確定吊裝方案的