履帶起重機部件參數(shù)化模型仿真平臺軟件的開發(fā)及應(yīng)用*

廖建國，張慶波，齊 芳，趙瑞恒，王永立※

（1.浙江三一裝備有限公司，浙江湖州 313000；2.湖州師范學院工學院，浙江湖州 313000）

0 引言

履帶起重機是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的一種起重機械，屬于工程機械，其能在較惡劣的路況行走，可實現(xiàn)大載荷帶載行走，且接地比壓小、作業(yè)靈活[1－4]。為了縮短履帶起重機開發(fā)周期，節(jié)約成本，程晶晶等[5]對起重機的主要組成部分進行了布局方案設(shè)計，并針對中小型塔機用的起升機構(gòu)方案進行了優(yōu)化設(shè)計，達到減小起升機構(gòu)外形尺寸和自重的目的；張磊等[6]建立了起升機構(gòu)傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)系統(tǒng)優(yōu)化模型，完成了傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)優(yōu)化和空間布局的優(yōu)化設(shè)計。

履帶起重機在工作過程中，很多重要的零部件會受到多種載荷的作用，易受破壞，造成失效，縮短整車的使用壽命[7－8]。在實際工程中經(jīng)常采用有限元分析法對其在不同工況下的應(yīng)力進行模擬，降低企業(yè)開發(fā)周期和成本[9－10]。張永康等[11]采用ANSYS Workbench對大型繞樁式起重機的連續(xù)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件進行了80 t－90 m工況、1000 t－20 m工況下的有限元分析，通過輸入材料力學性能參數(shù)、網(wǎng)格劃分、施加載荷及約束，得到不同工況下的應(yīng)力、安全系數(shù)、位移分布云圖，節(jié)省了工藝試驗費用和時間，降低了制造成本。谷禮新等[12]在ANSYS中建立塔式起重機起重臂的有限元模型，施加邊界約束條件，對起重臂進行了穩(wěn)定性分析，得到了起重臂典型工況下的特征值。從上述研究看出對模型進行CAE分析時，需要進行大量重復性的前處理操作，大大地降低了工作效率。因此，本文開發(fā)Creo參數(shù)化模型仿真接口，完成幾何模型檢查、網(wǎng)格劃分、材料添加、邊界條件設(shè)置、自動提交計算、自動輸出仿真報告，可集成到Creo界面，一鍵快速完成仿真分析；按照設(shè)定的方案進行對比優(yōu)化，輸出方案對比。并且要求軟件具有很好的擴展性，可以適應(yīng)不斷增加的參數(shù)化模型的仿真需要。

1 部件快速仿真平臺軟件的開發(fā)及應(yīng)用

1.1 技術(shù)路線

部件快速仿真平臺技術(shù)路線如圖1所示。首先手動添加Creo參數(shù)化模型，提出多種方案，基于Simlab二次開發(fā)創(chuàng)建有限元模型，完成幾何模型檢查、網(wǎng)格劃分、材料添加、邊界條件設(shè)置、自動提交計算，得到不同方案的分析結(jié)果。二次開發(fā)，完成幾何模型檢查、網(wǎng)格劃分、材料添加、邊界條件設(shè)置、批量求解。然后基于Hyperview二次開發(fā)實現(xiàn)對計算結(jié)果的自動后處理，自動輸出仿真報告。

圖1 部件快速仿真平臺技術(shù)路線

1.2 參數(shù)化模型

參數(shù)化模型操作具體說明如下。

（1）參數(shù)改變時模型能正確自動更新，不出錯。

（2）模型要求零件間無干涉、無縫隙等。

（3）對加載及約束位置進行標記，標記方式是在零件的相關(guān)區(qū)域內(nèi)發(fā)布幾何。

1.3 快速仿真平臺軟件

將部件的參數(shù)化模型輸出到指定文件夾，由部件參數(shù)化項目實現(xiàn)參數(shù)化模型的自動輸出。基于部件仿真的網(wǎng)格劃分、材料屬性添加、邊界條件設(shè)置、加載、求解、計算報告輸出均實現(xiàn)自動化，無需人為干預。智能化快速設(shè)計系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 部件快速仿真平臺界面

1.4 軟件應(yīng)用

以應(yīng)力、質(zhì)量、效率、精度、報告輸出為指標，利用所開發(fā)的快速仿真平臺軟件對75 A底座的3種方案進行優(yōu)化，并與原始方案（方案1）對比，從而驗證所開發(fā)的可靠性。

1.4.1 應(yīng)力

各方案的應(yīng)力計算結(jié)果如表1所示。表中列出了不同方案下底座上蓋板、下蓋板的最大應(yīng)力，并通過判斷應(yīng)力系數(shù)檢驗是否滿足要求。結(jié)果表明4種方案中的底座上、下蓋板的最大應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)力系數(shù)均大于1.05，滿足設(shè)計要求。各方案的應(yīng)力云圖如圖3所示。從圖中可見底座的最大應(yīng)力發(fā)生在蓋板的圓弧處，以上、下蓋板的圓弧處的應(yīng)力值作為優(yōu)化約束條件，在該處滿足強度的前提下，尋找重量最小的方案。

表1 底座各方案應(yīng)力結(jié)果匯總表

圖3 底座各方案應(yīng)力云圖

1.4.2 質(zhì)量

應(yīng)用結(jié)構(gòu)仿真平臺軟件，通過4個方案的對比優(yōu)化，得到底座各方案的質(zhì)量如表2所示。表中方案2、3對應(yīng)的質(zhì)量均高于原始方案（方案1），而方案4相對于原始方案1降低了整體的質(zhì)量，實現(xiàn)了降重0.339 t，相對于方案1實現(xiàn)降重比例為10.2%。因此，最終選擇方案4作為設(shè)計輸入。

表2 底座方案匯總表

1.4.3 效率

對手動處理和仿真平臺的前處理及加載、后處理及報告所用時間進行了對比，快速仿真軟件效率提升如表3所示。結(jié)果表明在后處理及報告所用的時間上，手動處理和仿真平臺所用時間相等，沒有區(qū)別。而仿真平臺前處理及加載和后處理及報告所用時間則遠遠低于手動處理的時間，仿真效率分別提升3倍和9倍，并且方案越多，效率提升越明顯。

表3 快速仿真軟件效率提升表

1.4.4 精度

在底座上取3個點（圖4）的應(yīng)力對比手動計算和仿真平臺的結(jié)果。對比結(jié)果見表4所示，結(jié)果表明在1號點、2號點和3號點的手動計算應(yīng)力結(jié)果與仿真平臺應(yīng)力結(jié)果分別相差－5.5%、0.9%、－2.4%，結(jié)果誤差較小，在可接受的范圍內(nèi)，證明所開發(fā)仿真平臺可靠性好。

圖4 底座上3個點的位置

表4 應(yīng)力結(jié)果對比

1.4.5 報告輸出

快速仿真平臺軟件可通過智能判斷輸出結(jié)果，如：輸出超過或低于某應(yīng)力閾值的零件明細表。以材料Q345為例，輸出低于50MPa和高于300 MPa的零件明細，以此作為優(yōu)化項。輸出結(jié)果如表5所示。

表5 材料Q345零件應(yīng)力匯總表

2 結(jié)束語

本文開發(fā)Creo參數(shù)化模型仿真接口，完成幾何模型的檢查、網(wǎng)格劃分、材料添加、邊界條件設(shè)置、自動提交計算、基于Hyperview二次開發(fā)實現(xiàn)自動輸出仿真報告，可集成到Creo界面，一鍵快速完成仿真分析；按照設(shè)定的方案進行對比優(yōu)化，輸出方案對比。本文對履帶起重機底座的3個方案進行仿真，仿真結(jié)果表明：仿真平臺的精度與手動計算誤差較小、可靠性高，而且前處理及加載和后處理及報告所用時間要遠遠低于手動計算，仿真效率提升3倍以上，大大節(jié)省了時間，利于企業(yè)快速推進項目；此外還可通過智能判斷輸出結(jié)果，通過配置文件和固化的參數(shù)化幾何模型，實現(xiàn)仿真流程和仿真標準固化，可以有效避免仿真錯誤；并且軟件具有很好的擴展性，可以適應(yīng)不斷增加的參數(shù)化模型的仿真需要，具有一定的推廣意義。