参数化仿真在桥式抓斗卸船机安全评估中的应用*

刘金 黄国健 王新华 陈敏 彭启凤

（广州特种机电设备检测研究院）

参数化仿真在桥式抓斗卸船机安全评估中的应用*

刘金 黄国健 王新华 陈敏 彭启凤

（广州特种机电设备检测研究院）

为提高仿真分析效率和安全评估的市场竞争力，开展参数化仿真在桥式抓斗卸船机安全评估中的应用研究。首先阐述模型简化与单元选择方法，接着研究创建参数化模型的方法，然后探讨对求解和结果查看的参数化方法，并开发一套仿真分析系统，最后以某台老旧卸船机为例，验证参数化仿真的有效性，并对计算结果进行分析。通过对比，采用参数化仿真比用传统仿真方法节约了80%的时间，对于提高安全评估市场竞争力具有积极的意义。

卸船机；安全评估；参数化；建模

0 引言

卸船机在国民经济建设中有重要作用，同时也与人民群众的生活息息相关。确保卸船机的安全，对于维护社会稳定，保障人民群众的生命、财产安全具有重要意义。为保障卸船机尤其是老旧卸船机的安全，需对其进行安全评估。在安全评估时，通常会进行仿真分析。常规的仿真分析需对每一台待评估卸船机分别进行建模分析，耗费大量时间[1]。为解决重复建模与分析带来的问题，引入参数化建模与仿真分析技术，以提高仿真分析的效率。

参数化建模与仿真分析技术能提高仿真分析速度，国内外研究人员围绕其在起重机领域的运用展开了广泛深入的研究。晋民杰等运用Creo软件建立折臂式随车起重机的参数化模型，并对其进行动力学分析[2]；韩晓君等针对一种新型壁行式起重机进行参数化建模与分析，并提出了一种新的加载分析模型[3]；Huang Guojian等针对大型造船塔式起重机建立了参数化模型，并进行模态分析[4]；Wu Shufang等针对桥式起重机展开了基于全息模型的参数化仿真与设计的研究，该研究方法可供其他类型起重机借鉴[5]；范小宁等利用APDL语言参数化地实现了门式起重机金属结构的建模、分网、加载、加约束及有限元分析，提高了起重机金属结构的仿真和设计效率[6]；田维亭利用Invetor软件对岸边集装箱起重机进行参数化建模与设计研究，提高了岸边集装箱起重机的建模与设计效率[7]；Zeng Qingdun等针对门座起重机建立参数化模型，并进行了动态分析[8]；王磊针对L型螺旋卸船机开展了参数化建模与仿真的研究，该研究方法可运用在卸船机的参数化设计领域[9]。

上述研究主要运用在设计阶段，本文研究参数化建模与仿真分析技术在桥式抓斗卸船机安全评估领域的应用。

1 参数化建模与仿真

APDL语言是ANSYS中一种通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，利用APDL语言能自动完成有限元模型的建立。同时利用VB开发工具将ANSYS的参数化技术结合在一起，开发一套桥式抓斗卸船机参数化仿真分析系统，提升参数化仿真的适用性。

1.1 模型简化与单元选择

桥式抓斗卸船机的结构复杂，在满足安全评估所需计算精度的同时，要提高仿真分析速度，需对有限元模型进行合理简化。例如省略对结构承载能力没有影响的梯子栏杆系统；忽略小车的形状，而以力的形式施加在小车车轮处；省略起升系统的钢丝绳，以力的形式施加在相应位置。

正确选择单元是仿真分析的重要环节，根据卸船机的结构特点及ANSYS的单元特性，选择的单元为：1) 主体结构如前后大梁、立柱等采用Beam188单元；2) 前、后拉杆等采用Link180单元；3) 省略的大质量部件如机器房、电气设备等采用Mass21单元。

1.2 创建参数化模型

以某段单元类型Beam188的模型为例，研究创建参数化模型的方法。

1.2.1 几何模型

首先，创建几何模型所需的关键点以及方向关键点，各关键点的坐标值需实现参数化；然后，将各关键点连接成线，并指定每条线的编号。

1.2.2 有限元模型

创建截面属性，截面属性的数值需全部实现参数化，它们的准确性将直接决定有限元模型的准确度。卸船机各部件的截面形状各有不同，如海侧立柱的截面形状为箱型；斜撑杆的截面形状为圆管；海侧中横梁的截面形状为工字型；大梁的截面则为不规则形状。其中箱型、圆管、工字型截面在ANSYS的单元截面库中均有对应截面类型，在创建截面属性时只需输入对应截面几何参数即可，而大梁的不规则形状截面在创建截面属性时则需输入对应的截面力学参数。以下分别为海侧立柱某个箱型截面和大梁某个不规则截面的截面属性实现参数化的关键语句：

语句①和②用于定义箱型截面的截面属性，其截面属性中的数值68d、68h、68lt、68rt、68dt、68ut均为独立的截面几何参数。语句③和④用于定义不规则形状截面的截面属性，其中A为截面面积；Iyy为绕Y轴惯性矩；Iyz为惯性积；Izz为绕Z轴惯性矩；Iw为翘曲常数；J为扭转常数；CGy为质心的Y坐标；CGz为质心的Z坐标；SHy为剪切中心的Y坐标；SHz为剪切中心的Z坐标；TKz为沿着Z轴的厚度；TKy为沿着Y轴的厚度，均为截面的力学参数。

截面属性定义后，将几何模型赋予相应的截面属性，最后经划分网格，即可得到有限元模型。以下为某段有限元模型实现参数化的关键语句：

语句①用于选择需赋予截面属性的直线，语句②则对选定的直线赋予截面属性。语句③和④对选定直线完成网格划分，最终得到有限元模型。

1.3 求解

在对卸船机进行安全评估时，采用的有限元分析通常包括强度分析和模态分析。

1.3.1 强度分析

因为卸船机作业复杂，所以在进行仿真分析时需根据实际情况考虑各种计算工况。为实现多工况载荷施加的参数化，需采用多载荷步加载，具体步骤为：施加新的载荷→存储为载荷步文件→删除已施加的载荷→循环施加下一工况的载荷→求解所有载荷步文件，最终得到各载荷步的计算结果。以下为某工况实现载荷参数化的关键语句：

语句①删除已施加的载荷，语句②施加载荷，语句③生成载荷步文件，语句④调用载荷步文件并求解。

1.3.2 模态分析

卸船机尺寸非常大，其固有频率相对较小，易发生共振，而一旦发生共振，后果不堪设想。通过模态分析可求得其自振频率和相应的振型，为振动分析和预防共振提供参考，以下为实现模态分析参数化的关键语句：

语句①用于指定分析类型为模态分析，语句②用于选择模态提取方法和指定提取的模态阶数，语句③用于扩展模态。

1.4 结果查看

在完成有限元分析后，需查看和提取相应的分析结果，如应力云图、最大应力、最大位移等，以下为实现结果查看参数化的关键语句：

语句①用于显示等效应力云图，语句②用于获取最大应力值，语句③用于获取最大应力所在的单元编号，语句④用于获取最大应力所在单元的一个节点的编号，语句⑤将最大应力点进行局部放大。

1.5 仿真系统开发

利用VB开发工具将ANSYS的参数化技术结合在一起，开发一套桥式抓斗卸船机参数化仿真分析系统，图1为卸船机参数化仿真分析系统图。

图1 卸船机参数化仿真分析系统图

1.5.1 系统基本结构

仿真系统结构逻辑图如图2所示，图中左侧为VB部分，右侧为ANSYS部分。系统首先完成参数输入，然后生成APDL文件，同时在后台启动ANSYS，接着ANSYS调用APDL完成计算并输出计算结果，最后在仿真系统显示计算结果。

图2 仿真系统结构逻辑图

1.5.2 系统内部数据交换方法

系统内部数据交换主要分为2种：一种是将VB生成的数据，如建模所需基本参数、载荷参数和结果处理数据等，传输到ANSYS；另一种则是将ANSYS的计算结果数据，如计算得到的数值数据和云图数据，传输到VB[10]。

数据从VB传输到ANSYS，主要通过以下语句实现：

语句①用于调用ANSYS，其中C:Program FilesANSYS Incv140ansys binwinx64为ANSYS140.exe所在的文件目录，-B表示处理工作模式，-P ane3fl表示产品特征代码，-I input.txt表示以input.txt为输入文件，-O output.txt则表示以output.txt为输出文件。

语句②用于ANSYS读入系统生成的APDL文件，以执行相应命令。

将ANSYS的计算结果数据传输到VB，首先需让ANSYS调用内部命令：*get,par,entity,entnum,item1, it1num，取出所需的数据并临时保存在参数Par中，然后将所有数据输出到文本文件中以供VB读取。

2 分析案例

某台需要进行安全评估的桥式抓斗卸船机已使用20年，生产率为1000 t/h，额定起重量为25 t，主体结构所用材料为Q235B。通过前文开发的仿真分析系统，输入该卸船机的相应参数即可快速得到有限元模型及分析结果。

2.1 载荷组合

根据该卸船机的载荷特点，制定仿真分析的计算工况，表1为载荷组合表[11]。

表1 载荷组合表

表1中工况自重是为了弥补应力测试无法测出自重应力的不足；工况OP为无风工作工况；W1和W2为有风工作工况。各工况的安全系数n与载荷组合形式有关，而许用应力[σ]=σs/n，其中σs=235 MPa为Q235B的屈服强度。φ1为起升冲击系数；φ2为起升动载系数；PG为结构自重；TL为小车自重；PQ为额定起升载荷；SKG为大车偏斜运行侧向力；SKT为小车偏斜运行侧向力；WOX为垂直大车轨道的工作风载；WOZ为沿大车轨道的工作风载。

卸船机作业时，小车起吊货物在大梁上移动，所以卸船机的受力点不是固定的。根据卸船机结构特点，对于工况OP、W1和W2，应分别计算校核9个小车位置的子工况，这9个小车位置分别为：最大后伸距、后拉点（小车停车位）、陆侧立柱与后拉点中点、陆侧立柱、海陆侧立柱中点、海侧立柱、前拉点与大梁铰点的中点、前拉点、最大前伸距。对于工况自重，小车处于停车位。

2.2 计算结果与分析

2.2.1 强度分析

由于篇幅有限，只对各工况的最大应力进行分析，

表2为各工况最大应力汇总表。

表2 各工况最大应力汇总表

由表2可知，所有工况中最大应力出现在工况W2的9号小车位置，为113.082 MPa，最大应力位于前拉杆，图3为工况W2下小车处于9号位时整机等效应力云图。OP、W1和W2的最大应力均出现在前拉杆，在进行日常维护和安全评估时应重点关注该部位。

图3 工况W2小车处于9号位时整机等效应力云图

2.2.2 模态分析

在实际工程结构中，高阶模态在阻尼作用下很难被激发，对结构的动态响应难有贡献或贡献很小[12]。因此，只对结构动态响应影响较大的前3阶模态进行分析，表3为卸船机前3阶模态振型的主要特征及主振部件。

表3 卸船机前3阶模态振型的主要特征及主振部件

由表3可得以下结论：

1) 卸船机的第1阶振型为大梁的横向振动，其固有频率为1.646 Hz，可见基频较高，说明卸船机整机刚度较好；

2) 卸船机的前3阶振型均为大梁的横向振动，而由于在大风的情况下，卸船机会停止作业，所以卸船机工作时受到的水平横向力非常小，不足以引起共振，故前3阶振型均不易发生。

3 结语

1) 根据桥式抓斗卸船机安全评估的需要，提出了参数化建模与仿真分析的思想，利用VB开发工具结合APDL语言开发了仿真分析系统，并通过实际安全评估案例验证了该思想及方法的可行性；

2) 参数化建模与仿真分析缩短了出具仿真分析报告的时间，以该分析案例为例，采用参数化建模与仿真分析需要2天完成仿真分析报告，而采用传统仿真方法则需要10天，节约了80%的时间，这一定程度上提高了安全评估的市场竞争力；

3) 该参数化建模与仿真分析技术不仅可运用在桥式抓斗卸船机上，还能运用在其他起重机上，并可供桥梁、建筑等领域的仿真分析借鉴参考。

[1] 刘金,黄国健,王新华,等.起重机参数化技术应用研究综述[J].自动化与信息工程,2013,34(5):7-10,24.

[2] 晋民杰,张帅,范英,等.折臂式随车起重机的参数化动力学研究[J].机械设计与制造,2014(11):57-60.

[3] 韩晓君,赵鹏.新型壁行式起重机参数化建模分析方法[J].起重运输机械,2014(3):28-32.

[4] Huang Guojian, He Chengzhong, Wang Xinhua. A modal analysis of giant shipbuilding tower crane[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012,239(11): 473-477.

[5] Wu Shufang, Wang Zongyan, Wang Yi, et al. Research and application of parametric design for overhead traveling crane based on the holographic model[C]. Proceedings of International Technology and Innovation Conference, Chongqing University Press, 2009:330-334.

[6] 范小宁,戚其松,徐格宁,等.门式起重机金属结构参数化有限元分析及设计[J].起重运输机械,2015(2):55-61.

[7] 田维亭.基于Inventor的岸边集装箱起重机钢结构参数化设计[J].起重运输机械,2014(12):42-45.

[8] Zeng Qingdun, Guan Baohua. Modal finite element analysis of reconstructive structure for gantry crane on the basis of ANSYS and dynamic stiffness[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 164(7):456-459.

[9] 王磊.L型螺旋卸船机参数化设计[D].武汉:武汉理工大学,2014.

[10] 汤文治,王贡献,袁建明.基于Ansys的桁架结构起重机臂架局部稳定性分析系统[J].起重运输机械,2013(5):56-59.

[11] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 3811-2008 起重机设计规范[S].北京:中国标准出版社,2008:10-11.

[12] 刘金.运架一体式架桥机的结构分析[D].武汉:武汉理工大学,2012.

Application of Parametric Simulation in the Safety Evaluation of Bridge Type Grab Ship Unloaders

Liu Jin Huang Guojian Wang Xinhua Chen Min Peng Qifeng
(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

In order to improve the efficiency of the simulation analysis and the market competitiveness of the safety evaluation, research in application of parametric simulation in the safety evaluation of bridge type grab ship unloaders. Firstly, the method of simplifying model and selecting element is studied. Then the parametric method of solving and result viewing are studied. A simulation analysis system is developed. An old ship unloader is set as an example. The validity of parametric simulation is verified. The results show that the system can save 80% of the time to use parametric simulation than to use traditional simulation.

Ship Unloader; Safety Evaluation; Parametric; Modeling

刘金，男，1986年生，工学硕士，研究方向：仿真分析与风险监测、起重机安全评估技术研究。

广东省质量技术监督局科技项目(20149702)；安监总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目(guangdong-0012-2015AQ)；珠江科技新星专项(2013075)；特种设备科技协作平台科技计划项目(2014SEK003、2014SEK002、2014SEK001)。

黄国健（通讯作者），男，1981年生，工学博士，博士后，研发中心副主任，研究方向：特种机电设备安全健康监测、智能传感技术及应用。E-mail: guojian.huang@gmail.com