自卸舶物料输送架参数化三维设计及灵敏度分析

何　羽 孙　林 付　庆

（长沙理工大学　工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室，湖南　长沙　410004）



自卸舶物料输送架参数化三维设计及灵敏度分析

何羽 孙林 付庆

（长沙理工大学工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室，湖南长沙410004）

摘要：自卸舶是用于码头卸货的重要运输船，针对其物料输送架设计效率低的问题，首先建立自卸舶物料输送架结构三维参数化模型，通过修改其骨架模型及结构局部尺寸等细节来调整结构尺寸，从而满足设计需要；然后建立自卸舶物料输送架的结构参数化有限元模型，通过对其结构参数进行灵敏度分析，得到各个结构尺寸变化时对输送架最大应力值影响较明显的设计参数，为后续优化设计提供依据。

关键词：自卸舶物料输送架；三维参数化设计；灵敏度

自卸舶是一种自带卸货设备，并能连续快速卸载货物的运输船［1］。因其具备灵活性高，占用码头时间短，泊位效率高等优势［2］，使其成为了具有极强竞争力的运输船种之一。物料输送架作为自卸舶装卸设备的组成部分之一，对其卸货速度和安全性具有重大影响。许多学者也对此展开了广泛研究，吴芳［3］根据设计需要变更臂架主控参数来调整臂架杆件规格，快速、准确地实现臂架腹杆位置定位。顾元宪等通过数值试验讨论了瞬态响应灵敏度分析算法的精度和差分法中变量摄动量的影响，并建立了海洋平台结构优化模型和求解方法。万正喜等对臂架进行了深入受力分析后，提出一种新的结构形式，安全性得到提高。

但是，目前在进行自卸舶物料输送架设计时，设计人员主要采用的是人工经验方法。这种设计模式将导致如下两个方面的问题：一是设计出的自卸舶物料输送架过于笨重，增加了经济成本，也不便于运输和安装；二是遇到相似结构时又需要重新设计，造成了时间和精力的大量浪费。针对以上问题，本文首先建立自卸舶物料输送架的结构参数化三维模型，采用基于向前有限差分的灵敏度分析方法，结合参数识别的具体要求，研究自卸舶物料输送架结构参数的灵敏度，为后续优化设计提供依据。

1　输送架参数化三维设计

传统常规设计在产品结构需修改时又需重复之前设计过程，费时费力，影响产品交付周期。而参数化设计方法无需参与产品的全部设计过程，具有高效性。下面利用Inventor这一参数化设计工具对自卸舶物料输送架进行设计。

自卸舶物料输送架结构主要由上弦杆、下弦杆、水平直腹杆、竖直直腹杆、水平斜腹杆、竖直斜腹杆和铰耳组成。自卸舶物料输送架结构的参数化三维建模过程如下。

首先，建立Excel参数表。独立参数是可以支配草图骨架构造的参数，可以设定其为Xi，因变量Yj=F（X1，X2，X3，……，Xn）。结合整个自卸舶物料输送架的结构特点，确定弦杆壁厚t1、直腹杆壁厚t2、斜腹杆壁厚t3、弦杆宽度D1、直腹杆宽度D2、腹杆宽度D3、水平直腹杆长度L1、竖直直腹杆长度L2和间距L3为独立参数，最后由函数关系得出其他参数。

其次，根据物料输送架的功能和结构建立其骨架，尽可能用最少的讯息来体现物料输送架零部件的全部设计要素。骨架由点、线、面构成，优先通过下层几何元素来建立物料输送架骨架，尽量不出现实体元素，因为骨架是衍生零部件的基础，各零部件都是通过骨架生成，如果骨架结构过于复杂，冗余信息的积累会造成整个产品设计信息的繁琐，造成后期修改的不便。

最后，分析物料输送架实体的特征组成及其创建顺序，正确的创建顺序有助于顺利快速地完成造型。先创建拉伸等特征，而将倒角、圆角、打孔等放在后面处理。然后再对模型进行参数化测试，至此物料输送架参数化三维模型建立完毕。

2　输送架结构参数灵敏度分析

由于输送架结构参数众多，故需对其进行灵敏度分析，采用灵敏度分析的方法，可以确定出影响质量及最大应力值的关键结构，从中找到对输送架最大应力值影响较明显的设计参数。

灵敏度分析方法有自动微分法、复变量法、解析法和有限差分法等。但本文自卸舶物料输送架用于优化的目标函数最大应力值是隐式的，有限差分法主要是通过摄动参数的方式来得到灵敏度信息的，对目标函数的具体形式没有明确要求。故本文采用有限差分法来计算结构参数对最大应力值的灵敏度，向前差分如公式（1）所示。

式中，S=（t1，t2，t3，D1，D2，D3，L1，L3，L3）为自卸舶物料输送架结构参数，分别为弦杆壁厚t1、直腹杆壁厚t2、斜腹杆壁厚t3、弦杆宽度D1、直腹杆宽度D2、腹杆宽度D3、水平直腹杆长度L1、竖直直腹杆长度L2和间距L3；M为自卸舶物料输送架结构参数对最大应力值的灵敏度；F（S）为自卸舶物料输送架最大应力值；F(S+∆S)为设计变量产生微小摄动后的自卸舶物料输送架最大应力值。

本文建立输送架参数化有限元模型后对其进行了CAE分析。然后以5%为固定步长对上述9个参数t1、t2、t3、D1、D2、D3、L1、L2和L3进行扰动，分别取其值的10%、5%、-5%和-10%，而其他参数值固定不变。基于公式（1）对自卸舶物料输送架的结构参数进行灵敏度分析，当结构参数的变化率为10%时，参数t1、t2、t3对最大应力值的灵敏度分别为-12 857、4 428和-8 250，其影响性明显要比其他参数大；变化率为5%时，t1的灵敏度为-15 714，其影响性相对于t3有所减小；变化率为-5%，L2的灵敏度为534，相对L1和L3有所增大；变化率为-10%时，D2的灵敏度为2 311，相较于前面几种变化率有所增大。但无论哪种变化率，参数t1、t2、t3、D2和D3对最大应力值的影响较大，而其余参数对最大应力值的影响较小。所以，选择弦杆壁厚t1、直腹杆壁厚t2、斜腹杆壁厚t3、直腹杆宽度D2和斜腹杆宽度D3作为优化设计变量。

3　结论

①提出了自上而下参数化设计方法，然后具体结合自卸舶物料输送架的结构特点对其进行了包括参数表的建立和链接、骨架的建立等在内的参数化自动设计。最后的测试环节表明，此种参数化设计方法是可行的，而且也是非常准确和有效率的。

②利用有限差分法进行结构参数对最大应力值的灵敏度分析，从而在众多参数中确定了对输送架最大应力值影响较大的参数，为后续结构优化设计提供依据。

参考文献：

［1］汪一楠.70000吨大型自卸船设计与建造技术［J］.船舶工程，2005（27）：115-124.

［2］卢长立，朱慕时.大型自卸船在我国的发展［J］.船舶设计通讯，1997，96（4）：10-17.

［3］吴芳.基于Pro/E的塔机臂架自顶向下三维设计［J］.建筑机械化，2013（8）：48-50.

中图分类号：TH224

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0088-02

收稿日期：2015-12-18

作者简介：何羽（1989-），男，硕士，研究方向：机械设计及理论。

3D Parameterized Design of Material Conveying Rack and Sensitivity Analysis

He YuSun LinFu Qing
（Hunan Province Key Laboratory of Safety and Reliability Technology for Engineering Vehicle，Changsha University of Science and Technology,Changsha Hunan 410004）

Abstract:Self-discharging ship is a kind of important conveyance,which is used in dock unloading.Aiming at the problem of the low design efficiency of the material conveying rack,firstly,a 3D parametric model of self-discharging ship's material conveying rack was established in this paper,and the size of the structure was adjusted by the details like modifying the skeleton model and the structure of the local size to meet the design needs.Then a parametric fi⁃nite element model of self-discharging ship's material conveying rack was established,and the design parameters of the maximum stress value of the conveying rack were finded,when each size of the structure changes by sensitivity analysis of structural parameters,to provide the basis for the following optimization.

Keywords:self-discharging ship's material conveying rack；3D parametric design；sensitivity