大噸位汽車起重機起重性能計算軟件開發(fā)

寧 瑋, 彭峰生

(陜西理工大學 機械工程學院， 陜西 漢中 723000)

大噸位汽車起重機起重性能計算軟件開發(fā)

寧 瑋, 彭峰生

(陜西理工大學 機械工程學院， 陜西 漢中 723000)

針對大噸位汽車起重機的起重性能計算問題，在ANSYS平臺上進行二次開發(fā)，得到了汽車起重機起重性能計算軟件。首先，將大噸位起重機臂架及整機結構特征進行參數(shù)化；其次，進行臂架有限元參數(shù)化建模，調用ANSYS求解器，進行靜力學計算；最后，利用綜合安全評判體系對計算結果進行判定，迭代計算獲得起重性能計算結果。軟件界面開發(fā)模塊采用TCL/TK語言，其他模塊采用APDL語言。在汽車起重機產(chǎn)品上進行了吊載試驗，試驗結果表明：軟件計算值和試驗值吻合較好。起重性能計算軟件計算效率高，涵蓋了汽車起重機所有作業(yè)工況的起重性能計算。

汽車起重機； 起重性能； 參數(shù)化； 有限單元法； 軟件開發(fā)

汽車起重機起重性能表是工作人員利用起重機進行起重作業(yè)的依據(jù)，也是進行安全事故分析的重要依據(jù)，對于汽車起重機設計和作業(yè)安全來說極其重要。起重性能計算是在起重機設計和制造完成的基礎上，根據(jù)起重機設計規(guī)范，獲得不同組合結構、臂架姿態(tài)和配重的起重機安全起重載荷。載荷主要包括起重機結構自重、水平載荷和起重重量等。起重性能計算是起重機制造廠商必須解決的關鍵技術問題。據(jù)統(tǒng)計，目前汽車起重機一般均超過30 000多個作業(yè)工況，超大型汽車起重機的作業(yè)工況超過50 000個。不同的起重機工況具有不同的起重機臂架仰角、作業(yè)幅度、起升高度和吊載重量。如何準確確定相關起重作業(yè)參數(shù)，對于起重機安全作業(yè)至關重要。起重性能的計算工況數(shù)多，對于每個工況均采用手工計算不太現(xiàn)實，工作量巨大且難以實現(xiàn)，因此需要開發(fā)能夠進行大規(guī)模計算的起重性能計算軟件。起重性能計算軟件開發(fā)具有難度大、涉及知識面廣、需要較高的理論基礎、開發(fā)周期長等特點，特別是隨著汽車起重機的起重幅度和高度的增加，結構幾何非線性現(xiàn)象更加突出。超起和塔臂新臂架結構的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的汽車起重機臂架由靜定結構轉變?yōu)榉庆o定結構，傳統(tǒng)的設計方法必須適應相應的結構形式。如何準確、快速、高效確定汽車起重機每種工況下的最大起重載荷，需要做大量的基礎工作。

早期的起重性能計算主要通過手工計算和Excel列表計算完成，利用解析方法進行理論推導和計算，多適合于中小噸位汽車起重機的靜定臂架結構。隨著計算機技術的發(fā)展，研究人員逐漸采用高級編程語言進行起重機結構計算和起重性能計算軟件開發(fā)。文獻[1-4]從結構理論、迭代算法等方面進行相關的理論研究。李偉濤[5]基于Matlab平臺開發(fā)了履帶式起重機起重性能計算軟件，計算過程考慮了臂架強度、整體和局部穩(wěn)定性、整機抗傾翻穩(wěn)定性等元素。王煒杰[6]以解析法為基礎進行汽車起重機結構性能計算，利用Matlab軟件開發(fā)了中小噸位汽車起重機起重性能計算平臺。杜海龍[7]等應用解析法研究輪式起重機主副臂耦合影響，應用Visual C++編制了通用的解析法計算平臺。趙殿華[8]開發(fā)了基于Delphi的伸縮臂履帶起重機起重性能計算軟件，采用Servers中的Excel類組件和數(shù)據(jù)庫聯(lián)合控制Excel對象方式，實現(xiàn)了起重性能計算的程序化。文獻[9-10]對伸縮臂起重機的動態(tài)特性進行了研究，獲得了激勵下的臂架動態(tài)響應。文獻[11]對伸縮臂起重機的主臂進行了有限元分析，探討了不同載荷工況下的結構應力分布和變形規(guī)律。

1 起重性能計算軟件開發(fā)

針對大噸位汽車起重機的特點，選用通用商業(yè)有限元軟件ANSYS進行二次開發(fā)，獲得大噸位汽車起重機的起重性能計算軟件。在大噸位汽車起重機結構參數(shù)化的基礎上，利用ANSYS參數(shù)化編程語言APDL進行起重機臂架模塊化建模和有限元模型重構，開發(fā)起重性能計算軟件的前處理模塊。調用ANSYS求解器進行有限元計算，結合起重性能的結構性能評價準則和起重性能迭代算法，開發(fā)符合《起重機設計規(guī)范(GB/T 3811—2008)》的起重性能計算軟件的后處理模塊。本文采用TCL/TK語言進行起重性能計算軟件界面開發(fā)，主要因為TCL/TK語言是ANSYS界面本身的開發(fā)語言，編程過程可實現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令與ANSYS內核的無縫通信，編程效率高。起重機臂架的建模和起重機起重性能的安全判定、迭代計算等相關算法均采用APDL語言編程。起重性能計算軟件的單位如表1所示。

表1 起重性能計算軟件單位

1.1 單元選擇

大噸位汽車起重機臂架結構系統(tǒng)包括伸縮主臂、桁架式副臂、塔臂、超起等。主臂箱型結構是由U型上蓋板和半圓形下蓋板拼接而成的筒體，副臂為空心圓管構建的桁架結構，超起包括超起撐桿、超起鋼絲繩和超起后拉板，臂架單元選擇如表2所示。

表2 單元選擇

圖1 主臂自適應參數(shù)化建模

主臂單元選用可以自定義截面形狀的Beam188單元，采用自適應參數(shù)化建模。主臂結構是由倒“U”型上蓋板和半圓形下蓋板焊接而成的箱體結構，不同位置的主臂可能采用槽鋼和鋼板進行局部加強。為建立汽車起重機主臂精確的有限元模型，主臂建模采用自適應統(tǒng)一模塊化進行建模，如圖1所示。利用控制參數(shù)，可控制主臂截面筒體上實現(xiàn)槽鋼和局部鋼板的加厚處理，包括是否生成加強槽鋼和板厚、槽鋼的位置、開口朝向。通過參數(shù)的改變，可精確生成主臂臂架的有限元模型。

1.2 起重臂伸縮狀態(tài)的控制算法

汽車起重機臂架為伸縮式主臂和桁架式副臂。主臂長度可根據(jù)作業(yè)工況需要進行動態(tài)調整。假設起重機主臂總臂節(jié)數(shù)為n，則伸縮臂臂節(jié)數(shù)為n-1，[S](n-1),1為伸縮方式控制矩陣，S(i,1)=0,1,2,3為第i節(jié)伸縮臂的控制方式，S(i,1)的元素0,1,2,3分別對應不同的插銷方式。[L]n,1為主臂長度矩陣，L(i,1)為第i節(jié)主臂長度,[Lc]n,1為主臂全縮時各節(jié)臂尾與第一節(jié)臂尾的初始距離矩陣,[Sc](n-1),4為伸縮臂的伸縮行程矩陣,[Lw]n,1為臂尾位置矩陣,[LT]n,1為臂頭位置矩陣。

在不同的伸縮狀態(tài)下，各節(jié)臂的臂尾距離

Lw(1,1)=0,

(1)

(2)

在不同的伸縮狀態(tài)下，各節(jié)臂的臂頭距離為

LT(i,1)=Lw(i,1)+L(i,1),i≥1。

(3)

由此，可確定主臂每節(jié)臂的臂頭、臂尾位置。該算法為汽車起重機伸縮主臂建模的關鍵算法，可實現(xiàn)起重臂數(shù)值建模的伸縮狀態(tài)虛擬重現(xiàn)。

1.3 參數(shù)化建模

起重機臂架的有限元建模采用參數(shù)化建模，在ANSYS中利用APDL語言編程實現(xiàn)，參數(shù)包括結構參數(shù)和工況參數(shù)兩部分，結構參數(shù)實現(xiàn)結構尺寸的控制，如主臂板材厚度幾何參數(shù)、副臂圓管規(guī)格參數(shù)等；工況參數(shù)控制汽車起重機臂架的姿態(tài)，虛擬重現(xiàn)汽車起重機作業(yè)工況，如起重臂姿態(tài)控制參數(shù)、主臂伸縮狀態(tài)控制參數(shù)和副臂組合控制參數(shù)等。

主臂建模采用梁單元，主要原因為計算速度快，在計算后可以提取相關數(shù)據(jù)進行后處理操作，可進一步對計算結果的安全性進行判定。采用自適應統(tǒng)一模塊進行建模，使有限元模型接近于真實物理模型。

副臂建模采用模塊化建模，首先根據(jù)副臂的結構特點分為標準節(jié)、轉換節(jié)、旋轉架、連接架、塔臂旋轉架等結構形式，每種副臂節(jié)結構均采用模塊化編程。其次，當副臂結構參數(shù)輸入時對每節(jié)臂進行編碼，建模時根據(jù)作業(yè)工況的實際結構來選擇相應的各節(jié)桁架臂，通過編碼調用相應的模塊進行有限元建模，從而實現(xiàn)各種副臂節(jié)自由組合。

1.4 求解計算

當汽車起重機臂架有限元模型建立之后，調用ANSYS求解器進行有限元計算。由于起重臂作業(yè)工況時具有強幾何非線性特征，求解器采用非線性靜力學分析算法。

1.5 起重性能評價體系

圖2 起重性能計算軟件安全系數(shù)

經(jīng)過有限元計算，ANSYS能夠直接提供應力、變形等結果。但計算結果是否滿足汽車起重機的設計要求和國家/行業(yè)規(guī)范的設計要求，需要進一步對計算結果進行后處理。通過APDL命令可以提取單元的軸力、彎矩、剪力等相關數(shù)據(jù)，可以對危險截面相關的強度、穩(wěn)定性進行評價判定，譬如主臂整體穩(wěn)定性、受壓下蓋板的局部穩(wěn)定性、變幅油缸的穩(wěn)定性等。通過提取臂頭的位移和位置等相關數(shù)據(jù)，可以進行剛度、整車傾翻性能等的安全判定。起重性能評價體系模塊為汽車起重機起重性能計算軟件的子模塊，采用APDL語言編程實現(xiàn)。為保證汽車起重機產(chǎn)品的安全，對于評價體系的指標需進行安全系數(shù)設定，如圖2所示，開發(fā)的起重性能計算軟件可分別對強度、剛度、整體穩(wěn)定性等指標進行安全系數(shù)設置。

1.6 起重性能迭代計算

汽車起重機起重性能計算是滿足各種評價指標的情況下，求解最大的起重機許用起重重量，通常采用迭代算法進行計算。在起重機結構參數(shù)化基礎上輸入結構參數(shù)，調用ANSYS后確定汽車起重機的臂架結構，在ANSYS的前處理模塊進行有限元建模，包括自動實現(xiàn)起重機臂架的幾何模型建模、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件和載荷，調用ANSYS求解器進行有限元求解。對計算結果進行調用，利用編程生成的起重性能評價體系模塊對計算結果進行評價和判定，如不滿足收斂條件，則調整起重機臂架的幾何狀態(tài)參數(shù)和起重載荷，進入下一步起重性能迭代過程,直到滿足收斂條件，獲得該工況下的起重量。如果還有需要計算的作業(yè)工況，則進入下一工況起重性能計算,直到所有計算工況完成，退出程序。汽車起重機起重性能計算流程如圖3所示。

圖3 汽車起重機起重性能計算軟件計算流程

2 起重性能計算軟件

采用有限元方法的大噸位汽車起重機起重性能計算軟件HM.CRALOAD是基于ANSYS二次開發(fā)的專業(yè)計算軟件，軟件界面開發(fā)采用TCL/TK語言，能夠實現(xiàn)與ANSYS內核數(shù)據(jù)和命令的無縫通信。建模模塊和后處理模塊開發(fā)采用ANSYS的參數(shù)化語言APDL。采用參數(shù)化、模塊化的思想，可以實現(xiàn)起重機臂架自動建立幾何模型、網(wǎng)格劃分、加載、施加邊界條件和建立有限元模型。圖4為汽車起重機起重性能計算軟件首界面。

起重性能計算軟件功能界面主要包括3部分：結構參數(shù)、預處理和功能界面。結構參數(shù)主要包括起重機設計開發(fā)工程項目所需的定義材料與型材規(guī)格的材料庫和型材庫，汽車起重機車架、轉臺、配重和支腿等參數(shù)定義，主臂、副臂、超起、塔臂和伸縮油缸的參數(shù)輸入。材料庫和型材庫可大量減少參數(shù)的重復輸入次數(shù)，多工況計算時參數(shù)可重復使用。預處理主要對輸入的參數(shù)進行預處理，提高后期的有限元建模和計算的效率。功能模塊包括安全系數(shù)的設置，起重性能工況參數(shù)的設置，查看起重性能計算結果等。

圖5為起重性能計算的控制參數(shù)圖，可控制純主臂、主臂+超起、主臂+副臂、主臂+超起+副臂、主臂+塔式副臂、主臂+超起+塔式副臂等組合結構的起重性能計算。

圖4 起重性能計算軟件 圖5 起重性能計算軟件控制參數(shù)界面

3 起重性能計算結果

以七節(jié)單杠插銷伸縮式主臂的全地面汽車起重機為例。

3.1 模型驗證

結構有限元模型的精確性對計算結果的準確性有非常大的影響。通過自適應截面建模技術可以準確反映起重機截面的結構特征，圖6為本文開發(fā)的軟件建立的七節(jié)主臂的有限元模型的截面圖，反映了主臂的總體裝配情況，同時也能準確反映汽車起重機的結構細節(jié)，如局部加強的槽鋼和加強板。

圖7為起重性能算軟件建立的主臂+副臂組合結構和主臂+超起+塔式副臂組合結構的有限元模型。計算軟件可以實現(xiàn)主臂、副臂、超起、塔臂等任意組合工況的建模和計算，覆蓋了汽車起重機的所有工況。在參數(shù)化的基礎上，起重性能計算軟件可以高效率的建模，任一工況的臂架有限元建模時間均小于30 s。

(a) 主臂+副臂組合結構 (b) 主臂+超起+塔式副臂組合結構圖6 汽車起重機主臂自適應截面圖7 汽車起重機臂架有限元模型

圖8 主臂、副臂組合結構測點應力

圖9 主臂、副臂、超起、塔臂組合結構測點應力

3.2 試驗驗證

為驗證起重性能計算軟件計算結構強度的準確性，進行了起重機吊載試驗。起重機臂架為主臂、副臂組合，起重工況參數(shù)為：主臂臂長為47.6 m，仰角為65.1°，副臂臂長20 m，載荷5 t，吊鉤重量0.5 t，主臂與副臂夾角為0°。圖8為臂架測點應力的試驗值和計算值。通過對比分析可以看出，計算結果和試驗結果吻合較好。

針對主臂、副臂、超起、塔臂組合結構的臂架系統(tǒng)，進行了吊載試驗。相關參數(shù)為：主臂臂長47.6 m，副臂臂長為29 m，主臂仰角為81.9°，塔臂仰角為51.9°，吊載重量為50 t，吊鉤重量1 t。圖9為起重性能計算軟件和試驗測點的應力，結果表明,以有限單元法為基礎的起重性能計算軟件計算結果和試驗結果吻合較好。

3.3 起重性能計算結果

通過輸入工況參數(shù)和控制參數(shù)，利用開發(fā)的汽車起重機起重性能計算軟件，可以實現(xiàn)汽車起重機的全工況起重性能計算。圖10為主臂臂長為32 m的起重性能。

當主臂、超起、塔式副臂組合結構汽車起重機作業(yè)時，通常主臂仰角固定，調整副臂和主臂的夾角來改變起重幅度。圖11為主臂、超起、塔式副臂組合結構的起重性能計算結果。主臂仰角分別為83°、76°和68°。主臂臂長為48.47 m，主臂延長段長度為4.53 m，副臂臂長為21 m。隨著汽車起重機起升幅度增加，起重性能降低。

圖10 汽車起重機32 m主臂起重性能 圖11 主臂、超起和塔臂組合結構的起重性能

4 結 論

本文基于大噸位汽車起重機的結構理論和起重性能迭代算法，進行了汽車起重機起重性能計算軟件開發(fā)。建立汽車起重機的力學參數(shù)，對ANSYS進行二次開發(fā)，建立參數(shù)化有限元力學模型，調用ANSYS非線性求解器計算，對計算結果進行安全判定和起重性能迭代計算，最終獲得各個工況下的起重性能,得到以下結論：

(1) 基于結構參數(shù)化，對ANSYS進行二次開發(fā)，獲得了大噸位汽車起重機起重性能計算軟件；

(2) 開發(fā)的軟件能夠適應新結構(超起、塔臂等)起重性能計算，可以進行汽車起重機起重性能的全工況計算；

(3) 基于成熟商業(yè)有限元軟件二次開發(fā)軟件，保證了計算結果的可靠性，通過汽車起重機的吊載試驗表明試驗結果和開發(fā)的起重性能軟件計算結果吻合較好。

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[責任編輯：李 莉]

Software development on lifting capacity for big tonnage mobile crane

NING Wei， PENG Feng-sheng

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000, China)

In terms of the calculation problem for lifting capacity of mobile crane, the lifting capacity calculation software for mobile crane is developed on the ANSYS platform based on related theory algorithms. Firstly, the structure characteristics for crane boom and the whole machine are parameterized. Secondly, the finite element parametric model of crane boom is established. The nonlinear static analysis is executed by calling ANSYS solver. Finally, the calculation results are appraised by virtue of safety evaluation system. Lifting capacity results are obtained through iterative calculation. Software interface module uses the TCL/TK language and the other modules use the APDL language. The crane load test in mobile crane is carried out. Experimental results show that there is a good agreement between calculation value and experimental value. The developed software has high computational efficiency and covers all mobile crane’s operating cases.

mobile crane； lifting performance； parameterization； finite element method； software development

1673-2944(2016)06-0013-06

2016-06-15

2016-09-26

陜西省教育廳科研基金資助項目(15JK1133)；陜西理工學院科研計劃項目(SLGQD14-03)

寧瑋(1977—)，男，湖南省邵東縣人，陜西理工大學講師，博士，主要研究方向為工程機械設計與強度分析。

TH213.6

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