岸桥主结构有限元参数化仿真建模方法和分析研究
2022-08-31曾鹏，景伟，张帅
曾 鹏，景 伟，张 帅
(上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 210031)
0 引言
岸边集装箱起重机(简称岸桥)是安装在港口、码头前沿等用于集装箱装卸的主要设备，在国际港口贸易中起到关键性作用。岸桥从设计、配套件采购制造、调试发运交机整个产品周期约为10～13个月。随着行业增速放缓、港口物流市场竞争加剧，客户对产品交付周期以及产品质量有了更高的要求。岸桥主结构作为岸桥产品的重要组成部分，对岸桥的提质增效起到至关重要的影响，但在实际设计阶段，岸桥主结构仿真建模分析占用了许多时间，并受到诸多方面的制约：定制化产品的设计标准化程度较低，需要很多重复性的工作；结构优化缺乏通用的模型描述方法；几何尺寸参数的修改无法自动更新相应的有限元模型；由多个部件组成的岸桥有限元模型，当个别部件出现较大改动或替换时，尽管单元模型可以组装，但相互之间参数存在冲突，需要重新梳理，操作也比较繁琐；计算模型与详细设计模型缺乏很好的交互性。本文介绍的快速仿真建模分析为上述问题提供了一种解决方案。
项目采用基于几何造型的有限元建模方法[1]，将参数化设计和有限元分析结合起来。创建的岸桥主结构参数化有限元模型，依循数字化定义规范、企业标准和行业规范，在设计软件（Inventor）中参数化建模，然后再将非几何信息写入三维模型中，最终形成可供计算的模型。
1 基于几何造型的有限元参数化建模方法
参数化建模是通过参数将结构模型以数字化的形式存储起来，具有准确、快速、便于修改等特点。由于岸桥主结构复杂，相比于在ANSYS软件进行建模，在Inventor设计软件进行参数化建模操作更加简单，参数更加明确，几何造型也更容易通过拓扑关系进行修改。几何造型完成后，再通过C#语言，采用序列化的方法将进程中模型转换为字节流，以父类BaseObject为例：
[Serializable]//序列化标识
public abstract class BaseObject：IxmlSerializable//接口
public virtual void Writexml(xmlWriter writer)//虚函数会在子类继承时被重写，主要目的是向字节流写入数据
public virtual void Readxml(xmlReader reader)// 虚函数会在子类继承时被重写，主要目的是从字节流读入数据
通过该方法将ANSYS模型分析所需要的包括截面信息、质量、小车位置信息、载荷以及载荷组合写入到模型中。
计算模型创建完成后，通过Python编写的处理器将模型导入到ANSYS软件进行计算，然后将计算结果通过界面显示，并自动生成标准计算书。
1.1 产品知识库的构建
创建产品知识库是参数化有限元建模的关键[2]，其目的是将模型需要的几何和非几何信息以元数据形式统一表述，以xML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)记录，这些信息包括模型几何驱动参数、组件信息、规则库及各个函数应用类库等。在计算模型创建的各阶段，程序都可以以元数据的格式调用模型中的参数。以几何参数“GA_001”为例，书写格式如下：
图1 参数输入界面
随着产品类型丰富，知识库的信息将会不断完善，界面信息会随着知识库的添加，也会自动修改。
知识库中定义的几何元素包括组件信息和驱动参数，组件信息又包含计算的岸桥装配模型树结构、项目工号、应力等级、最大使用次数、起升速度等基础参数，驱动参数包括驱动关系及使用参数（图2为项目工作流）。非几何元素中定义了规则库和函数类库的结构形式，将企业的项目规范通过标准格式写入知识库中，并在元数据中集成了FEM规范（欧洲起重机械设计规范）[3]，定义了模型中使用的函数与外部VBA计算函数的结构。
图2 项目工作流
1.2 计算模型的构建
知识库搭建完成后，根据元数据制定的规则，创建三维参数化模型，模型创建方法采用自顶向下的设计思路。岸桥主结构主要由梁、柱组成，且多为钢板焊接而成的闭口箱体，截面处多添加隔板以支撑。根据上述钢结构特点，计算模型在初始建模时，多采用梁单元创建。在设计软件中使用草图组成的骨架模型（如图3所示）实现梁单元功能，再通过C#编写的参数输入界面，填写参数值，通过VBA和iLogic驱动模型几何拓扑关系，完成计算模型几何造型。
图3 骨架模型
部分iLogic代码如下：
上述代码描述函数Update_SGA_002()，当全局参数GA_202大于13米，有后拉杆，否则无后拉杆。
计算模型需要的非几何元素，通过C#编写的人机交互界面，界面树结构图。Structure General Arrangement为装配结构树，下面结构为各个部件的Beam单元，通过界面可以添加Beam单元截面信息。Mass Components为质量结构树，由于部件为预设质量，质量添加后，会在此结构树下显示。Restraint Locations为约束点结构树，显示各约束点位置，Moving Load Location显示动载荷位置，Joints显示连接点，Library Sections显示Beam调用截面信息。
结构树信息录入完成后，接着录入刚性单元、载荷以及载荷组合信息。载荷及载荷组合通过序列化的方法，将已定义的结构类存储在模型中，C#中相关类函数定义如下：
载荷和载荷组合的显示及修改基于C#编写界面。
载荷信息等输入完成后，即完成了计算模型的全部信息录入，最终模型如图4所示。将计算模型通过python编写的处理器自动导入到ANSYS中进行计算。
2 显示结果及输出计算报告
ANSYS软件完成有限元分析，其中风载荷和疲劳载荷相关计算导入到VB编写的程序中计算，将计算后的单元和节点信息输出。其计算结果再通过后台程序调用计算报告模板，并依据Office软件VBA编写的代码，将数据添加到模板中，自动生成计算报告如图5所示。
图5 结果显示界面
3 结语
岸桥有限元参数化将建模过程还原到三维设计软件（Inventor）中，几何参数和拓扑关系可以直接采用软件自带VBA函数进行创建，操作更加简单。非几何信息的添加虽然需要程序开发，但不同于传统的[4]基于APDL（ANSYS Parametric Design Language，ANSYS参数化设计语言）开发，程序基于知识库编写，开发的代码的格式规范，程序具有普适性。模型存储计算需要的各种信息，设计的整个过程也通过程序保存，不仅适用于岸桥，也可以将产品应用于轮胎吊、轨道吊等重型钢结构起重机，仅需要按标准完善相关产品知识库和创建几何模型即可，无需相关程序开发，因此，软件具有较好的鲁棒性。
岸桥有限元参数化仿真建模和分析方法为部件设计提供全局参数，也为企业设计工艺一体化提供基础模型，是设计协同的模型基础。此方法不仅解决了岸桥设计过程中，部件设计多次修改，部件尺寸关系干涉引起的反复计算问题，而且大大提高了模型的计算分析效率，为部件优化设计提供了同一几何参数及非几何信息，缩短了岸桥主结构设计周期。
