參數(shù)化仿真在橋式抓斗卸船機安全評估中的應(yīng)用*

劉金 黃國健 王新華 陳敏 彭啟鳳

（廣州特種機電設(shè)備檢測研究院）

參數(shù)化仿真在橋式抓斗卸船機安全評估中的應(yīng)用*

劉金 黃國健 王新華 陳敏 彭啟鳳

（廣州特種機電設(shè)備檢測研究院）

為提高仿真分析效率和安全評估的市場競爭力，開展參數(shù)化仿真在橋式抓斗卸船機安全評估中的應(yīng)用研究。首先闡述模型簡化與單元選擇方法，接著研究創(chuàng)建參數(shù)化模型的方法，然后探討對求解和結(jié)果查看的參數(shù)化方法，并開發(fā)一套仿真分析系統(tǒng)，最后以某臺老舊卸船機為例，驗證參數(shù)化仿真的有效性，并對計算結(jié)果進行分析。通過對比，采用參數(shù)化仿真比用傳統(tǒng)仿真方法節(jié)約了80%的時間，對于提高安全評估市場競爭力具有積極的意義。

卸船機；安全評估；參數(shù)化；建模

0 引言

卸船機在國民經(jīng)濟建設(shè)中有重要作用，同時也與人民群眾的生活息息相關(guān)。確保卸船機的安全，對于維護社會穩(wěn)定，保障人民群眾的生命、財產(chǎn)安全具有重要意義。為保障卸船機尤其是老舊卸船機的安全，需對其進行安全評估。在安全評估時，通常會進行仿真分析。常規(guī)的仿真分析需對每一臺待評估卸船機分別進行建模分析，耗費大量時間[1]。為解決重復(fù)建模與分析帶來的問題，引入?yún)?shù)化建模與仿真分析技術(shù)，以提高仿真分析的效率。

參數(shù)化建模與仿真分析技術(shù)能提高仿真分析速度，國內(nèi)外研究人員圍繞其在起重機領(lǐng)域的運用展開了廣泛深入的研究。晉民杰等運用Creo軟件建立折臂式隨車起重機的參數(shù)化模型，并對其進行動力學(xué)分析[2]；韓曉君等針對一種新型壁行式起重機進行參數(shù)化建模與分析，并提出了一種新的加載分析模型[3]；Huang Guojian等針對大型造船塔式起重機建立了參數(shù)化模型，并進行模態(tài)分析[4]；Wu Shufang等針對橋式起重機展開了基于全息模型的參數(shù)化仿真與設(shè)計的研究，該研究方法可供其他類型起重機借鑒[5]；范小寧等利用APDL語言參數(shù)化地實現(xiàn)了門式起重機金屬結(jié)構(gòu)的建模、分網(wǎng)、加載、加約束及有限元分析，提高了起重機金屬結(jié)構(gòu)的仿真和設(shè)計效率[6]；田維亭利用Invetor軟件對岸邊集裝箱起重機進行參數(shù)化建模與設(shè)計研究，提高了岸邊集裝箱起重機的建模與設(shè)計效率[7]；Zeng Qingdun等針對門座起重機建立參數(shù)化模型，并進行了動態(tài)分析[8]；王磊針對L型螺旋卸船機開展了參數(shù)化建模與仿真的研究，該研究方法可運用在卸船機的參數(shù)化設(shè)計領(lǐng)域[9]。

上述研究主要運用在設(shè)計階段，本文研究參數(shù)化建模與仿真分析技術(shù)在橋式抓斗卸船機安全評估領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 參數(shù)化建模與仿真

APDL語言是ANSYS中一種通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言，利用APDL語言能自動完成有限元模型的建立。同時利用VB開發(fā)工具將ANSYS的參數(shù)化技術(shù)結(jié)合在一起，開發(fā)一套橋式抓斗卸船機參數(shù)化仿真分析系統(tǒng)，提升參數(shù)化仿真的適用性。

1.1 模型簡化與單元選擇

橋式抓斗卸船機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在滿足安全評估所需計算精度的同時，要提高仿真分析速度，需對有限元模型進行合理簡化。例如省略對結(jié)構(gòu)承載能力沒有影響的梯子欄桿系統(tǒng)；忽略小車的形狀，而以力的形式施加在小車車輪處；省略起升系統(tǒng)的鋼絲繩，以力的形式施加在相應(yīng)位置。

正確選擇單元是仿真分析的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)卸船機的結(jié)構(gòu)特點及ANSYS的單元特性，選擇的單元為：1) 主體結(jié)構(gòu)如前后大梁、立柱等采用Beam188單元；2) 前、后拉桿等采用Link180單元；3) 省略的大質(zhì)量部件如機器房、電氣設(shè)備等采用Mass21單元。

1.2 創(chuàng)建參數(shù)化模型

以某段單元類型Beam188的模型為例，研究創(chuàng)建參數(shù)化模型的方法。

1.2.1 幾何模型

首先，創(chuàng)建幾何模型所需的關(guān)鍵點以及方向關(guān)鍵點，各關(guān)鍵點的坐標(biāo)值需實現(xiàn)參數(shù)化；然后，將各關(guān)鍵點連接成線，并指定每條線的編號。

1.2.2 有限元模型

創(chuàng)建截面屬性，截面屬性的數(shù)值需全部實現(xiàn)參數(shù)化，它們的準(zhǔn)確性將直接決定有限元模型的準(zhǔn)確度。卸船機各部件的截面形狀各有不同，如海側(cè)立柱的截面形狀為箱型；斜撐桿的截面形狀為圓管；海側(cè)中橫梁的截面形狀為工字型；大梁的截面則為不規(guī)則形狀。其中箱型、圓管、工字型截面在ANSYS的單元截面庫中均有對應(yīng)截面類型，在創(chuàng)建截面屬性時只需輸入對應(yīng)截面幾何參數(shù)即可，而大梁的不規(guī)則形狀截面在創(chuàng)建截面屬性時則需輸入對應(yīng)的截面力學(xué)參數(shù)。以下分別為海側(cè)立柱某個箱型截面和大梁某個不規(guī)則截面的截面屬性實現(xiàn)參數(shù)化的關(guān)鍵語句：

語句①和②用于定義箱型截面的截面屬性，其截面屬性中的數(shù)值68d、68h、68lt、68rt、68dt、68ut均為獨立的截面幾何參數(shù)。語句③和④用于定義不規(guī)則形狀截面的截面屬性，其中A為截面面積；Iyy為繞Y軸慣性矩；Iyz為慣性積；Izz為繞Z軸慣性矩；Iw為翹曲常數(shù)；J為扭轉(zhuǎn)常數(shù)；CGy為質(zhì)心的Y坐標(biāo)；CGz為質(zhì)心的Z坐標(biāo)；SHy為剪切中心的Y坐標(biāo)；SHz為剪切中心的Z坐標(biāo)；TKz為沿著Z軸的厚度；TKy為沿著Y軸的厚度，均為截面的力學(xué)參數(shù)。

截面屬性定義后，將幾何模型賦予相應(yīng)的截面屬性，最后經(jīng)劃分網(wǎng)格，即可得到有限元模型。以下為某段有限元模型實現(xiàn)參數(shù)化的關(guān)鍵語句：

語句①用于選擇需賦予截面屬性的直線，語句②則對選定的直線賦予截面屬性。語句③和④對選定直線完成網(wǎng)格劃分，最終得到有限元模型。

1.3 求解

在對卸船機進行安全評估時，采用的有限元分析通常包括強度分析和模態(tài)分析。

1.3.1 強度分析

因為卸船機作業(yè)復(fù)雜，所以在進行仿真分析時需根據(jù)實際情況考慮各種計算工況。為實現(xiàn)多工況載荷施加的參數(shù)化，需采用多載荷步加載，具體步驟為：施加新的載荷→存儲為載荷步文件→刪除已施加的載荷→循環(huán)施加下一工況的載荷→求解所有載荷步文件，最終得到各載荷步的計算結(jié)果。以下為某工況實現(xiàn)載荷參數(shù)化的關(guān)鍵語句：

語句①刪除已施加的載荷，語句②施加載荷，語句③生成載荷步文件，語句④調(diào)用載荷步文件并求解。

1.3.2 模態(tài)分析

卸船機尺寸非常大，其固有頻率相對較小，易發(fā)生共振，而一旦發(fā)生共振，后果不堪設(shè)想。通過模態(tài)分析可求得其自振頻率和相應(yīng)的振型，為振動分析和預(yù)防共振提供參考，以下為實現(xiàn)模態(tài)分析參數(shù)化的關(guān)鍵語句：

語句①用于指定分析類型為模態(tài)分析，語句②用于選擇模態(tài)提取方法和指定提取的模態(tài)階數(shù)，語句③用于擴展模態(tài)。

1.4 結(jié)果查看

在完成有限元分析后，需查看和提取相應(yīng)的分析結(jié)果，如應(yīng)力云圖、最大應(yīng)力、最大位移等，以下為實現(xiàn)結(jié)果查看參數(shù)化的關(guān)鍵語句：

語句①用于顯示等效應(yīng)力云圖，語句②用于獲取最大應(yīng)力值，語句③用于獲取最大應(yīng)力所在的單元編號，語句④用于獲取最大應(yīng)力所在單元的一個節(jié)點的編號，語句⑤將最大應(yīng)力點進行局部放大。

1.5 仿真系統(tǒng)開發(fā)

利用VB開發(fā)工具將ANSYS的參數(shù)化技術(shù)結(jié)合在一起，開發(fā)一套橋式抓斗卸船機參數(shù)化仿真分析系統(tǒng)，圖1為卸船機參數(shù)化仿真分析系統(tǒng)圖。

圖1 卸船機參數(shù)化仿真分析系統(tǒng)圖

1.5.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯圖如圖2所示，圖中左側(cè)為VB部分，右側(cè)為ANSYS部分。系統(tǒng)首先完成參數(shù)輸入，然后生成APDL文件，同時在后臺啟動ANSYS，接著ANSYS調(diào)用APDL完成計算并輸出計算結(jié)果，最后在仿真系統(tǒng)顯示計算結(jié)果。

圖2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯圖

1.5.2 系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換方法

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換主要分為2種：一種是將VB生成的數(shù)據(jù)，如建模所需基本參數(shù)、載荷參數(shù)和結(jié)果處理數(shù)據(jù)等，傳輸?shù)紸NSYS；另一種則是將ANSYS的計算結(jié)果數(shù)據(jù)，如計算得到的數(shù)值數(shù)據(jù)和云圖數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絍B[10]。

數(shù)據(jù)從VB傳輸?shù)紸NSYS，主要通過以下語句實現(xiàn)：

語句①用于調(diào)用ANSYS，其中C:Program FilesANSYS Incv140ansys binwinx64為ANSYS140.exe所在的文件目錄，-B表示處理工作模式，-P ane3fl表示產(chǎn)品特征代碼，-I input.txt表示以input.txt為輸入文件，-O output.txt則表示以output.txt為輸出文件。

語句②用于ANSYS讀入系統(tǒng)生成的APDL文件，以執(zhí)行相應(yīng)命令。

將ANSYS的計算結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)絍B，首先需讓ANSYS調(diào)用內(nèi)部命令：*get,par,entity,entnum,item1, it1num，取出所需的數(shù)據(jù)并臨時保存在參數(shù)Par中，然后將所有數(shù)據(jù)輸出到文本文件中以供VB讀取。

2 分析案例

某臺需要進行安全評估的橋式抓斗卸船機已使用20年，生產(chǎn)率為1000 t/h，額定起重量為25 t，主體結(jié)構(gòu)所用材料為Q235B。通過前文開發(fā)的仿真分析系統(tǒng)，輸入該卸船機的相應(yīng)參數(shù)即可快速得到有限元模型及分析結(jié)果。

2.1 載荷組合

根據(jù)該卸船機的載荷特點，制定仿真分析的計算工況，表1為載荷組合表[11]。

表1 載荷組合表

表1中工況自重是為了彌補應(yīng)力測試無法測出自重應(yīng)力的不足；工況OP為無風(fēng)工作工況；W1和W2為有風(fēng)工作工況。各工況的安全系數(shù)n與載荷組合形式有關(guān)，而許用應(yīng)力[σ]=σs/n，其中σs=235 MPa為Q235B的屈服強度。φ1為起升沖擊系數(shù)；φ2為起升動載系數(shù)；PG為結(jié)構(gòu)自重；TL為小車自重；PQ為額定起升載荷；SKG為大車偏斜運行側(cè)向力；SKT為小車偏斜運行側(cè)向力；WOX為垂直大車軌道的工作風(fēng)載；WOZ為沿大車軌道的工作風(fēng)載。

卸船機作業(yè)時，小車起吊貨物在大梁上移動，所以卸船機的受力點不是固定的。根據(jù)卸船機結(jié)構(gòu)特點，對于工況OP、W1和W2，應(yīng)分別計算校核9個小車位置的子工況，這9個小車位置分別為：最大后伸距、后拉點（小車停車位）、陸側(cè)立柱與后拉點中點、陸側(cè)立柱、海陸側(cè)立柱中點、海側(cè)立柱、前拉點與大梁鉸點的中點、前拉點、最大前伸距。對于工況自重，小車處于停車位。

2.2 計算結(jié)果與分析

2.2.1 強度分析

由于篇幅有限，只對各工況的最大應(yīng)力進行分析，

表2為各工況最大應(yīng)力匯總表。

表2 各工況最大應(yīng)力匯總表

由表2可知，所有工況中最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況W2的9號小車位置，為113.082 MPa，最大應(yīng)力位于前拉桿，圖3為工況W2下小車處于9號位時整機等效應(yīng)力云圖。OP、W1和W2的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在前拉桿，在進行日常維護和安全評估時應(yīng)重點關(guān)注該部位。

圖3 工況W2小車處于9號位時整機等效應(yīng)力云圖

2.2.2 模態(tài)分析

在實際工程結(jié)構(gòu)中，高階模態(tài)在阻尼作用下很難被激發(fā)，對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)難有貢獻或貢獻很小[12]。因此，只對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)影響較大的前3階模態(tài)進行分析，表3為卸船機前3階模態(tài)振型的主要特征及主振部件。

表3 卸船機前3階模態(tài)振型的主要特征及主振部件

由表3可得以下結(jié)論：

1) 卸船機的第1階振型為大梁的橫向振動，其固有頻率為1.646 Hz，可見基頻較高，說明卸船機整機剛度較好；

2) 卸船機的前3階振型均為大梁的橫向振動，而由于在大風(fēng)的情況下，卸船機會停止作業(yè)，所以卸船機工作時受到的水平橫向力非常小，不足以引起共振，故前3階振型均不易發(fā)生。

3 結(jié)語

1) 根據(jù)橋式抓斗卸船機安全評估的需要，提出了參數(shù)化建模與仿真分析的思想，利用VB開發(fā)工具結(jié)合APDL語言開發(fā)了仿真分析系統(tǒng)，并通過實際安全評估案例驗證了該思想及方法的可行性；

2) 參數(shù)化建模與仿真分析縮短了出具仿真分析報告的時間，以該分析案例為例，采用參數(shù)化建模與仿真分析需要2天完成仿真分析報告，而采用傳統(tǒng)仿真方法則需要10天，節(jié)約了80%的時間，這一定程度上提高了安全評估的市場競爭力；

3) 該參數(shù)化建模與仿真分析技術(shù)不僅可運用在橋式抓斗卸船機上，還能運用在其他起重機上，并可供橋梁、建筑等領(lǐng)域的仿真分析借鑒參考。

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Application of Parametric Simulation in the Safety Evaluation of Bridge Type Grab Ship Unloaders

Liu Jin Huang Guojian Wang Xinhua Chen Min Peng Qifeng
(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

In order to improve the efficiency of the simulation analysis and the market competitiveness of the safety evaluation, research in application of parametric simulation in the safety evaluation of bridge type grab ship unloaders. Firstly, the method of simplifying model and selecting element is studied. Then the parametric method of solving and result viewing are studied. A simulation analysis system is developed. An old ship unloader is set as an example. The validity of parametric simulation is verified. The results show that the system can save 80% of the time to use parametric simulation than to use traditional simulation.

Ship Unloader; Safety Evaluation; Parametric; Modeling

劉金，男，1986年生，工學(xué)碩士，研究方向：仿真分析與風(fēng)險監(jiān)測、起重機安全評估技術(shù)研究。

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目(20149702)；安監(jiān)總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目(guangdong-0012-2015AQ)；珠江科技新星專項(2013075)；特種設(shè)備科技協(xié)作平臺科技計劃項目(2014SEK003、2014SEK002、2014SEK001)。

黃國健（通訊作者），男，1981年生，工學(xué)博士，博士后，研發(fā)中心副主任，研究方向：特種機電設(shè)備安全健康監(jiān)測、智能傳感技術(shù)及應(yīng)用。E-mail: guojian.huang@gmail.com