基于VB的塔式起重机优化设计可视化系统开发*

欧阳天云　韩　芳　刘浩轩　朱　淼　肖唐财　沈迎咏

(武汉科技大学理学院　武汉　430081)



基于VB的塔式起重机优化设计可视化系统开发*

欧阳天云韩芳刘浩轩朱淼肖唐财沈迎咏

(武汉科技大学理学院武汉430081)

摘要以QTZ63塔式起重机为例,采用有限元计算软件ANSYS中的APDL参数化设计语言和Visual Basic6.0可视化编程技术,通过编写宏代码,调用函数和设置控件,以塔机截面参数为设计变量,以塔机自重为目标变量,开发基于VB的塔式起重机截面优化设计的可视化系统,并以某实际塔机工作状态为例进行验证。该系统具有用户界面良好、参数输入直观、操作简便等优点,可为塔机设计人员提供参考。

关键词塔式起重机; 可视化系统; 优化设计; VB

Optimization Design and Visual System Development for Tower Crane Based on VB

OUYANG TianyunHAN FangLIU HaoxuanZHU MiaoXIAO TangcaiSHEN Yingyong

(School of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan430081)

AbstractTaking QTZ63 tower crane as an example, the visualization system of tower crane section optimization design based on VB is developed by using APDL parametric design language of the finite element calculation software ANSYS and Visual Basic6.0 Visual programming technology through the macro code, calling a function and setting up the control tower. In this program, parameters is design variables and the weight of tower crane is the target variable, and a practical example of tower crane work status is used to verified. The system, providing reference for tower crane designer, has a good user interface. Also, the development can be operated simply and parameter can be input directly.

Key Wordstower crane, visual system, optimization design, VB

Class NumberTp15

1引言

塔式起重机(简称塔吊)是建筑施工中非常重要的施工机械之一,同时又是一种事故高发的特种设备[1~5],随着塔吊起升高度和工作强度的不断增加,其在复杂工况下的安全性计算成为塔吊设计的首要任务。其次,塔吊设计正经历着从传统到现代的变革,面临不断降低成本、规格多样化的机遇和挑战,因此,在保证强度要求的前提下,研究塔吊的参数化设计与优化对于加速新产品的研发,推进先进制造技术的应用具有非常重要的意义[6~7]。本文以塔机各杆截面参数为设计变量,以塔机自重为目标变量,研究其结构轻量化设计。利用有限元软件ANSYS的APDL语言进行参数化建模,利用Visual Basic6.0语言进行可视化编程[8~10],通过编写宏代码,调用函数和设置控件对塔式起重机进行截面优化。

2数学模型

以塔机的塔身、吊臂、塔帽、悬索、配重臂各杆件的截面参数X={x1,x2,…,xn}为设计变量,以塔机变形y和最大应力σmax为状态变量,以塔机总重量W为目标变量,则塔机轻量化结构设计数学模型可定义如下

X={x1,x2,…,xn}T

求minW=g∑ρiAilii=1,2,…,m

S.tyi≤[y]i=1,2,…,m

σi≤[σ]i=1,2,…,m

yi≤[y]为位移约束,σi≤[σ]为应力约束,n为设计变量个数,m为设计杆件个数。

3基于ANSYS塔机杆件截面优化

本文进行工况分析时仅考虑两类载荷。基本载荷:自重载荷,起升载荷;特殊载荷:风载荷。自重载荷为塔机各部件重力,以重力加速度形式施加于模型上;起升载荷为塔机工作状态起吊重物与变幅小车及吊钩重力之和。小车车轮与起重臂下弦杆四点接触,将起升载荷平均加载到四个接触点上。风载荷由规范手动计算得到,平均施加在节点上。

图1　塔机截面优化设计流程图

优化设计过程中首先指定优化设计变量并初始化;然后以设计变量为参数建立参数化模型,并初步进行静力学分析以验证模型的有效性;接着指定状态变量和目标函数,设定设计变量的上下限和状态变量所允许的最大值。

本软件优化程序提供四种优化方法可供用户选择:子问题逼近法(SUBP)、一阶优化法(FIRST)、随机法(RAND)、单步优化运行(RUN)。优化结束之后,ANSYS会给出一组优化后的数值,从中选取状态变量,允许范围内的目标函数最小的值,即为最优值。具体优化过程如图1所示。

4基于VB的ANSYS二次开发

4.1基本思路

为了使优化简单易懂,采用交互性强的VB语言,借助ANSYS中的APDL语言和VB程序代码实现VB与ANSYS之间的交互,利用VB的控件设计友好界面。首先,在VB源程序里写入APDL语言编制的塔机优化设计的前处理、加载求解、后处理以及优化设计通用程序。然后,利用VB设计参数输入界面,方便用户输入截面参数;进而用此参数编程生成相应的APDL命令流,补充写入已编制的APDL程序;调用ANSYS读取此程序完成塔机截面优化设计;最后通过VB结果后处理界面提取计算结果数据,比较优化前后参数,得出该结构设计是否合理的结论。图2是对ANSYS利用VB进行二次开发系统的结构图。

图2　软件系统结构图

4.2软件设计

4.2.1窗体设计

根据基本思路,该软件采用二叉树形式,由一个主界面,多个选项卡(弹出新窗口)组成。主界面反应软件优化基本流程,分前处理和后处理两大块,用户依次选择时,界面弹出需要设置的窗口。为了使得界面更加友好,每个窗口界面都提供了对应的图形。主界面窗口如图3所示,一级选项卡以前处理中设计变量参数为例,弹出窗口如图4所示。二级选项卡以塔帽参数为例,弹出新的窗口如图5所示。用户能根据工程所需,设计任意杆件的截面尺寸。从而在满足安全性的前提下使塔机结构轻量化,达到经济目的。

图3　主窗体界面

图4　设计变量参数界面

图5　塔帽参数界面

4.2.2部分代码

用户选择需要设计的变量、参数后,软件通过代码实现用户选择写入VB源程序,并整合到APDL语言的塔机模型内的过程。设计变量以塔帽参数竖直杆优化为例,部分代码如表1所示。

表1　部分代码

4.2.3设计需求输入

当用户向软件系统输入设计需求后,系统自动生成ANSYS命令流,如表1中一阶优化方法代码:Print #1, "OPTYPE,FIRST",即用户输入数据时,VB内部传输数据,向#1文件进行写操作。#1文件用于存储塔机模型的APDL语言。此时,数据输入已转换到塔机模型中,命令流在文件App.Path & "obj.txt"里形成,进而优化求解。此时系统自动运行ANSYS平台。VB启用ANSYS后,塔机模型优化求解已完成,通过后处理提取结果,转化为简易的优化结果界面。

5优化实例与结果分析

某工程需起吊0.3吨的货物,实测风压200Pa,钢材密度7800kg/m3,弹性模量210GPa,泊松比0.3。材料允许最大拉应力为235MPa,应力安全系数1.2。塔式起重机配重14.8吨。现选择一阶优化方法迭代三次,对塔身竖直杆、塔帽竖直杆进行优化,求优化后各截面参数和节省用钢量,优化结果如图6所示。

图6　一阶优化方法优化结果显示

从优化结果可以看出,塔机总重量由原来的18.406吨降低到16.910吨,节省用钢量8.13%,改善效果明显。

6结语

利用有限元软件ANSYS建立塔机参数化模型,并利用VB编制简单直观的塔机截面参数优化软件。该软件可实用性强,操作简便,具有很强的通用性,用户可根据不同工况优化截面参数,并且可对不同算法的优化结果进行比较,为提高工程经济效益提供了参考。

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中图分类号Tp15

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.017

作者简介:欧阳天云,男,研究方向:工程力学。韩芳,女,博士,副教授,研究方向:工程力学。

基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(编号:201410488008)资助。

*收稿日期:2015年8月9日,修回日期:2015年9月23日