基于VB和ANSYS的塔機上部結構參數化設計

侯義東/HOU Yi-dong

（徐工集團徐州建機工程機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

隨著計算機技術的快速發展，FEA (Finite E1ement Analysis)在工程設計和分析中受到越來越廣泛的重視，其計算結果不僅詳盡，而且準確性和可靠性強。近年，有限元分析方法也被引入到了塔機的結構設計中，但由于受到交互式建模和多工況、多載荷計算耗時長等因素的困擾，塔機計算大部分只驗算幾個理論上的危險截面，計算的精度難以保障。

通過APDL參數化語言，可以實現ANSYS的參數化建模和加載分析, 但由于APDL的可視化程度差，使用中存在一定的局限性。而VB(Visual Basic)是廣大用戶青睞的可視化程序設計語言，VB采用面向對象的設計方法，從應用領域內的問題著手以直觀自然的方式描述客觀世界的實體，它提供的可視化設計平臺把W indow s界面設計的復雜性“封裝”起來，開發人員不必為界面設計編大量的程序代碼，只需按設計需求用系統提供的工具在屏幕上畫出各種對象即可。把VB與ANSYS結合起來可以有效地提高塔機產品開發設計效率和質量，充分體現專業化、用戶化、便捷化的特點。

1 部件參數化建模

塔機產品系列化開發過程中，結構形式相同，尺寸不同的現象比較普遍，采用交互式建模，工作量十分巨大，且當結構尺寸變化時，須重新建模。采用VB和APDL程序設計語言編制程序，建立塔機結構參數化模型庫。新產品結構設計時，調取相似模型，輸入必要、合理的參數值，新模型即可生成。增強產品設計繼承性，減小模型建立時間，提高工作效率。

建模所需的基本參數包括幾何模型參數、材料特性和實常數、載荷特性參數，這些都在VB程序中定義好，然后傳輸給ANSYS。ANSYS根據這些參數建立最初的有限元模型，進行有限元分析。

1.1 臂架參數化建模

以最常見的正三角形截面雙吊點起重臂為例，抽象并提取與臂架相關的結構參數，主要包括以下數據。

1）臂架組合配置參數：臂架節數、每節長度、臂長組合、吊點位置。

2）單節臂架結構參數：臂架長度、段數、主弦截面和材質、腹桿截面和材質。

臂架模型關鍵參數選定之后，首先填寫臂架組合配置表，其內容包括臂節數量、臂長組合方式，并初步選定起重臂拉桿吊點所在臂節（圖1）。然后進入單臂節模型參數填寫階段，主要參數包括單臂節長度、寬度、高度，下橫腹桿首末端位置，水平腹桿跨數和類型，以及上下主弦、斜腹桿、橫腹桿的截面參數。對于拉桿吊點所在臂節，須選擇拉桿吊點所在上弦節點位置（圖2）。

圖1 臂長組合參數化配置表

圖2 吊臂關鍵參數選擇

1.2 塔頂參數化建模

塔頂模型的關鍵結構參數包括，塔頂的長度、寬度、高度，主弦桿分段個數，塔尖水平坐標，起升滑輪所在節點位置，以及主弦桿、斜腹桿、橫腹桿的截面尺寸（圖3）。在塔頂參數化列表中，將關鍵模型參數填寫完畢后，命名保存，以便模型裝配時調用。

圖3 塔頂關鍵參數選擇

1.3 回轉塔身參數化建模

回轉塔身的主要結構參數包括，塔身的長度、寬度、高度，平衡臂與回轉塔身的鉸點位置，起重臂與回轉塔身的鉸點位置，主弦桿、橫梁、斜腹桿、橫腹桿的截面參數，以及斜腹桿的樣式（圖4）。在回轉塔身參數化列表中，將關鍵模型參數填寫完畢后，命名保存，以便模型裝配時調用。

1.4 平衡臂參數化建模

平衡臂模型樣式較多，可歸納建立典型形式的模型庫，此處選擇一種最常見的平衡臂結構，其結構參數包括塔身的長度、寬度、高度，主肢分段個數，拉桿吊點距離臂跟鉸點長度，拉桿吊點距離主梁中線的高度，平衡臂鉸點位置尺寸，起升機構滑輪點的位置尺寸，主肢、直腹桿、斜腹桿的截面尺寸（圖5、圖6）。另外，直腹桿和斜腹桿的分布形式包括W型和N型，可供選擇。

2 部件參數化裝配

參數化裝配階段，即將塔機上部結構的起重臂、平衡臂、塔頂、回轉塔身等部件有序組合，形成與物理模型一致的參數化模型。具體操作只需在VB軟件界面中的相應位置分別指定部件的模型文件，然后保存即可。VB會按照一定的格式將模型數據輸送給ANSYS，完成有限元模型裝配 (圖 7、圖 8）。

圖7 結構件參數化裝配界面

3 多工況參數化加載

多工況參數化加載通過VB語言開發的可視化窗口添加，在可視參數化列表中選擇計算工況的臂長、載荷作用幅度、起重量、對應的配重、鋼絲繩倍率、載荷組合形式、風載方向等，各參數值任意組合，形成不同的工況，VB會將所有不同工況的信息全部輸送給ANSYS,一次性將各工況計算完畢（圖9）。

4 計算結果查看

本文所采用的是后臺運行的方式，即在VB中調用ANSYS。如果要觀察所得結果的圖形顯示，建議采用GU I方式進行，在ANSYS環境中通過圖形顯示模型圖、應力分布云圖和變形圖等。

5 結 論

本文介紹的基于VB和ANSYS的塔機上部結構的參數化設計，充分說明了VB和ANSYS良好的融合性，VB能夠完美地將復雜的塔機有限元建模過程封裝，實現塔機結構的參數化建模和裝配，多工況、多載荷自動加載計算。該方法為解決通用計算軟件和專業化需求之間的矛盾提供了一種有效途徑，顯著減低了有限元分析的勞動強度，提升了計算效率。雖然本文中僅涉及了塔機參數化建模與計算的研究，但對于塔機參數化計算結果的后處理、結構件優化、模塊化設計等工作，也可以照此法進行。 O