塔式起重机参数化建模平台的开发及应用

付航 和大龙 张士军 董明晓

摘  要： 为了顺应塔式起重机设计系列化、参数化和标准化的发展趋势，建立塔式起重机参数化建模平台。建立塔式起重机钢结构APDL命令流，应用Visual Studio设计塔式起重机参数化建模平台可视化界面，通过VisualStudio的接口程序，实现ANSYS软件的后台调用，在建模过程中对整机结构尺寸采用变量赋值的方式实现塔式起重机参数化建模。用工程实例仿真验证了搭建的塔式起重机参数化建模平台的准确性，改进了传统有限元建模过程，提高了塔式起重机结构分析效率。

关键词： 塔式起重机； 参数化； 建模平台； C#； ANSYS

中图分类号：TH213.3          文献标识码：A      文章编号：1006-8228（2023）05-140-05

Development and application of parametric modeling platform for tower crane

Fu Hang1， He Dalong2， Zhang Shijun1， Dong Mingxiao1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan， Shandong 250101， China;

2. Shandong Longhui Hoisting Machinery Co.， Ltd）

Abstract： In order to comply with the development trend of serialization， parameterization and standardization of tower crane design， a parametric modeling platform for tower cranes is established. The APDL command flow of the steel structure of the tower crane is established， Visual Studio is applied to design the visual interface of the parametric modeling platform of the tower crane， the background call of ANSYS software is realized through the interface program of Visual Studio， and the parametric modeling of the tower crane is realized in the modeling process by means of variable assignment to the structural dimensions of the whole machine. The accuracy of the built parametric modeling platform for tower cranes is verified through engineering simulation. It improves the traditional finite element modeling process and increases the efficiency of structural analysis of tower crane.

Key words： tower crane; parameterization; modeling platform; C#; ANSYS

0 引言

隨着建筑行业的快速发展，塔式起重机因其起重量大、工作速度快、回转半径大等特点，在建筑工地占据了重要的地位。面对复杂的工作环境，需要对不同型号的塔式起重机进行受力分析。传统的有限元方法需要对塔式起重机进行重复的建模操作，不仅过程繁琐，工作量大，且尺寸参数难更改，重复的GUI操作也会带来较大建模误差。通过建立结构框架并根据具体需要修改塔身及臂架参数，可以使建模时间大大缩短，提高效率。

任会礼[1]等对塔式起重机的臂架进行参数化处理，采用GUI方式查看模型图、应力分布云图以及变形图；贺尚红[2，3]等分别以塔式起重机塔身与起重臂为研究对象，运用有限元分析软件ABAQUS，二次开发接口，开发参数化计算平台。上述学者参数化设计的研究对象大多是塔式起重机的塔身或是塔式起重机的起重臂，分析后的结果需与塔式起重机的剩余部分再次进行整合处理。

本文使用C#与APDL语言建立塔式起重机参数化建模平台，应用Visual Studio软件创建可视化界面，将塔式起重机的结构特征参数设置为变量，然后通过赋值函数将用户输入的参数数据传输到ANSYS命令流模板文件中，生成指定尺寸的命令流建模文件，通过Visual Studio与ANSYS软件之间的接口程序，完成ANSYS软件的后台调用，实现塔式起重机的快速建模及分析。

1 塔式起重机参数化建模平台总体设计

1.1 塔式起重机参数化建模平台的功能要求

⑴ 通过塔式起重机参数化建模平台，用户可以对塔式起重机有限元模型尺寸进行快速更改。

⑵ 通过塔式起重机参数化建模平台，用户可以根据需求调用不同的塔式起重机命令流模板，并在后台调用ANSYS软件，最后通过可视化界面直接显示有限元分析后的结果。

以上功能可以让用户快速更改塔式起重机尺寸参数，并可以直接查看有限元分析的结果，方便同种尺寸不同工况下的塔式起重机或同种工况不同尺寸之间的塔式起重机进行分析比较。

1.2 塔式起重机参数化建模平台开发工具

1.2.1 ANSYS以及APDL

ANSYS软件是大型通用有限元分析（FEA）软件，具有良好的二次开发环境。运用参数化设计语言APDL，可以将GUI界面操作步骤逐条转换为ANSYS命令组织起来，对于重复的步骤可采用循环函数进行编写，对于需要更改的数据采用赋值函数，以此完成参数化建模程序，实现有限元软件分析全过程。塔式起重机参数化建模的工作量集中于结构参数修改和后处理分析，采用APDL来对塔式起重机进行参数化建模，可以方便灵活的对结构尺寸参数进行修改，效率极高。

1.2.2 Visual Studio以及C#

C#是可用于.NET开发的一种语言，可快速搭建编写任意应用程序，满足用户需求[4]。C#具备VB语言的可视化操作方式，例如可利用WinForm（Windows Form）在微软公司的集成开发环境——Visual Studio快速搭建可视化人机交互界面，改善用户使用感，其次C#还保留C++语言的高运行效率，可在短时间内迅速运行代码。

1.3 塔式起重机参数化建模平台运行流程

塔式起重机参数化建模平台分为四部分，第一部分是参数化建模模块，在此模块中可以根据不同需求，对塔式起重机结构的材料属性以及各部分参数进行修改；第二部分是工况选择模块，在此模块中可以选择不同的工况；第三部分是调用ANSYS模块，在此模块中可以调用ANSYS软件与APDL模板文件，自动分析计算，截取分析结果图像。第四部分是仿真结果显示模块，由此模块展示分析图像。塔式起重机参数化建模平台运行流程图如图1所示。

2 参数传输程序的实现

2.1 参数输入可视化界面设计

APDL是ANSYS软件中一种可以通过参数设置、循环命令等完成通用任务的方式，但ANSYS自带的命令流输入界面不够灵活，交互性差。通过对Winform窗体提供的Button、Label、TextBox以及PictureBox等控件赋予不同的职责，建立可视化界面。用户只需使用相应的按钮，便可完成跳转窗口、数据保存、结果图片查看等功能。塔式起重机参数化建模平台首页如图2所示。

2.2 参数传递

在塔式起重机参数化建模的过程中，如何对特征参数进行赋值并传递至命令流模板文件中是参数化建模的基础。本文中运用StreamWrite与StreamReader类完成参数数据的输入与输出[5]。利用StreamReader读取命令流模板文件中的内容，搜索需要被更改的目标字符串，然后通过SteramWrite将更改后的参数填入命令流模板文件中的目标位置，完成最终的APDL文件并封装。关键代码如下：

string s_con=string.Empty;

StreamReadersr=new StreamReader（path，Encoding.UTF8）

FileStream stream=File.Open（path， FileMode

.OpenOrCreate， FileAccess.Write）

stream.Seek（0， SeekOrigin.Begin）;

stream.SetLength（0）;

2.3 调用ANSYS

塔式起重机建模平台的关键在于建立可视化界面与ANSYS软件之间的数据通信渠道，将用户在对话框中输入的数据传入用户指定的命令流文件中。参数传递界面如图3所示。采用IPC机制将ANSYS软件集成至塔式起重机参数化建模平台，后台调用ANSYS并运行命令流文件，Visual Studio与ANSYS之间的调用关键代码如下：

ProcessStartInfostartinfo=new ProcessStartInfo（）;

string commond=String.Empty;

……

commond+="-b -p";

……

startinfo.Arguments=commond;

在本界面中，利用OpenfileDialog控件与SavefileDialog控件获取ANSYS软件的本地安装位置与命令流文件的存放位置，用户可在结果文件目录中自主填写文件结果存放位置与结果文件名称等，信息输入完成后，点击运行按钮进入ANSYS后台运行状态，等待“求解成功”画面弹出后，可关闭此窗口，并在仿真结果查看界面查看运行结果。

3 塔式起重机模型建立的关键技术

3.1 单元类型的选择

塔式起重机为大型桁架结构，在进行施工作业时往往承受著较大的起重量，因此在结构设计时，选用结构刚度较高的角钢、槽钢与方钢等杆件可提高整机抵抗变形的能力，避免塔式起重机产生结构失稳、甚至是倾覆的情况。在有限元分析中，梁单元的节点位移反映变形程度，为提高采用梁单元建模进行分析的精确度，本文选用具有自定义截面特性的BEAM188梁单元进行建模，反映整机实体模型在工作过程中所受到的轴向力、剪力、扭矩与弯矩等作用。拉杆部分承受较大拉力，因此，选用具有塑性强、大变形和大应变特点的LINK180单元。附件部分选用MASS21质量单元进行等效。

3.2 模型简化

⑴ 回转机构简化

回转机构是使塔式起重机完成回转运动的机构，几何尺寸较小，刚度较大。在整机参数化建模研究中，将回转机构的回转支承装置用梁单元等效，可以将塔身与起重臂、平衡臂之间的自由度统一化，在保证模型计算结果准确的情况下，减少模拟过程中的单元类型，提高分析速度。

⑵ 塔身底座简化

塔身作为塔式起重机主要的受力结构，结构刚度大。利用有限元软件对塔式起重机进行建模分析时，可以通过将塔身底部节点自由度（UX，UY，UZ，ROTX，ROTZ，ROTY）完全约束掉来等效固定底座。

3.3 参数化模型建立过程

塔式起重机参数化模型采用自底向上的建模方法，利用直接建模的方式，自动生成节点坐标及单元。首先利用MPDATA命令对材料属性进行定义，而后，利用SECTYPE、SECOFFSET与SECDATA命令对梁单元进行自定义截面。塔式起重机整机参数化建模分为塔身建模部分与起重臂建模部分，塔身建模部分包括塔身基础节的高度、塔身标准节的高度和宽度以及塔身标准节数四个部分，此模块界面如图4所示。起重臂建模部分包括起重臂下主弦杆长度，直腹杆长度和下弦杆段数三个部分，此模块界面如图5所示。使用APDL中的SET命令对特征参数进行赋值，使用GET命令提取指定坐标位置节点。在全部参数输入完成后，点击“确定修改”将模型数据传输至指定TXT文件中。APDL示例语句如下：

SECTYPE，1，BEAM，L

SECOFFSET，CENT

SECDATA，160，160，16，16

……

N，1，TS_JCK，0，0

……

*DO，i，1，TS_ZXG

E，1+（i-1）*4，1+4*i，4

*ENDDO

4 工程实例分析

以QTZ5513塔式起重机为例，运用塔式起重机参数化建模平台，建立参数化模型，并对其进行模态分析。该塔式起重机总高46.6m，起重臂长56.4m，平衡臂长12.3m，钢材选用Q345B型号，定义材料属性弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，材料密度[ρ]=7.85×103kg/m3。利用塔式起重机参数化模块建立几何结构，该模型有302个节点、791个单元，QTZ5513有限元模型图如图6所示。利用塔式起重机参数化建模平台，将塔身标准节数增加并将起重臂前两节尺寸减小，更改尺寸后的有限元模型图如图7所示。

本文使用Subspace法对QTZ5513塔式起重机进行模态提取，该方法为广义Jacobi迭代算法，采用完整刚度矩阵K和质量矩阵M，具有较高精度[6]。塔式起重机是一种大型桁架结构，低阶固有频率及振型更能反映振动特性，因此，提取塔式起重机低阶固有频率对整机动力响应研究具有重要意义。本文提取塔式起重机有限元模型模态分析中的前六阶振动模态，各阶振型图如图8所示。

通过对前六阶振型分析可知：

⑴ 第一阶模态，固有频率为0.1107Hz，振型反映起重臂与平衡臂围绕塔身在水平面内的扭转振动。

⑵ 第二阶模态，固有频率为0.2111Hz，振型反映塔式起重机围绕塔身底部固定处前后的弯曲振动。

⑶ 第三阶模态，固有频率为0.2363Hz，振型反映塔式起重机围绕塔身固定点处的左右摆动。

⑷ 第四阶模态，固有频率为0.5644Hz，振型反映塔式起重机起重臂与平衡臂围绕塔身前后的弯曲振动。

⑸ 第五阶模态，固有频率为0.9059Hz，振型反映塔式起重机起重臂与平衡臂在水平面内的弯曲振动。

⑹ 第六阶模态，固有频率为1.1624Hz，振型反映塔式起重机起重臂与平衡臂在变幅平面内的弯曲振动。

5 结论

基于ANSYS软件，利用C#对其进行二次开发，建立塔式起重机参数化建模平台，利用较少关键参数快速生成塔式起重机模型，改善了传统GUI方式繁琐的建模过程，降低了手动建模所带来的误差，提高了效率。另外，利用该平台对QTZ5513型号的塔式起重机进行了模态分析，通过模态分析反映结构振动特性，为塔式起重机的动态特性分析提供了理论依据。

参考文献（References）：

[1] 任会礼，李江波，高崇仁.基于ANSYS的塔式起重机臂架有限元参数化建模与分析[J].起重运输机械，2006（9）：11-13

[2] 贺尚红，欧阳旭，刘小恒.塔机塔身参数化设计系统开发[J].建筑机械，2021（2）：68-74

[3] 贺尚红，刘小恒，欧阳旭，等.塔式起重机臂架参数化建模与应力分析[J].建设机械技术与管理，2020，33（6）：123-128

[4] Karli Watson，Jacob Vibe Hammer，Jon D. Reid，等.C#入门经典（第6版）[J].中国科技信息，2014（6）：133

[5] 张喻捷.基于C#与Ansys的索道桁架有限元計算程序的二次开发[J].起重运输机械，2021（16）：86-90

[6] 陈晓霞.ANSYS 7.0高级分析[M].机械工业出版社，2004