基于CATIA的門式起重機(jī)建模與分析

曲維英 鞏慶濤 孟博巍 周超英 陳洲 劉閩東

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)要求，本文探討了三維建模方法，利用CATIA軟件完成起重機(jī)三維模型的建立，并對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型應(yīng)用Cosmos Works進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)與實(shí)際情況對(duì)比分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的可靠性。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)仿真；有限元；CATIA；Cosmos Works

0 緒論

數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)逐漸成為大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)計(jì)制造必須的手段[1]，應(yīng)用虛擬技術(shù)可以在虛擬環(huán)境中映射實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程，從而可以在不動(dòng)用實(shí)際資源的情況下，提前對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而預(yù)先進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和調(diào)整生產(chǎn)不合理之處，進(jìn)而更好的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，其是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精益化和敏捷化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。應(yīng)用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)的建模、仿真以及有限元結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證起重機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性以及在分析材料屬性的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證起重機(jī)的可靠性以達(dá)到規(guī)范化設(shè)計(jì)的目的。

1 門式起重機(jī)三維建模分析

1.1 CATIA和DELMIA簡(jiǎn)介

CATIA是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司于1982年推出的三維CAD軟件，是一款全面而專業(yè)的CAD/CAE/CAM一體化設(shè)計(jì)分析軟件[2]。多年來(lái)與客戶伙伴間強(qiáng)有力的業(yè)務(wù)互動(dòng)不斷鞏固和增強(qiáng)CATIA的行業(yè)領(lǐng)先地位，使其成為汽車和航空工業(yè)領(lǐng)域的佼佼者，同時(shí)在通用機(jī)械和消費(fèi)品制造、電力與電子、廠房設(shè)計(jì)、船舶制造等領(lǐng)域不斷擴(kuò)大影響。

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application數(shù)字企業(yè)精益制造交互式應(yīng)用）是達(dá)索公司旗下的數(shù)字化制造（DM）軟件[3]。DELMIA聚焦于對(duì)復(fù)雜制造/維護(hù)過(guò)程的仿真和相關(guān)數(shù)據(jù)的管理與協(xié)同。通過(guò)統(tǒng)一的PPR Hub數(shù)據(jù)通道，將整個(gè)PLM解決方案貫穿成一個(gè)有機(jī)整體[4]。

1.2 門式起重機(jī)建模仿真過(guò)程

門式起重機(jī)仿真分析對(duì)模型有較高的精度要求且需實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)，可采用零件設(shè)計(jì)、創(chuàng)成外型設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、MU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)四個(gè)工作臺(tái)協(xié)同完成[5]。

建模操作前，需對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解以便于建模操作。門式起重機(jī)需模擬的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有：整體沿軌道移動(dòng)、兩臺(tái)起重小車沿橫梁上的軌道各自獨(dú)立移動(dòng)、每臺(tái)小車上的吊鉤隨吊索伸長(zhǎng)縮短而上下運(yùn)動(dòng)。按運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配邏輯把產(chǎn)品分解成零件，便于在零件設(shè)計(jì)和創(chuàng)成外形設(shè)計(jì)工作臺(tái)中對(duì)每個(gè)零件單獨(dú)建模，為裝配設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。經(jīng)前述工作后，即可在裝配設(shè)計(jì)工作臺(tái)創(chuàng)建CATIA Product文件，把已建模的零件作為部件調(diào)入并利用約束工具欄的對(duì)應(yīng)工具將門式起重機(jī)裝配完整，并轉(zhuǎn)入MU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作臺(tái)編輯定義模型動(dòng)作。

軟件系統(tǒng)提供了兩種創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副方法：

手動(dòng)創(chuàng)建：設(shè)計(jì)人員手工操作，按照規(guī)則手動(dòng)在三維空間中多次選中模型幾何元素進(jìn)行創(chuàng)建，操作繁瑣；

基于約束的自動(dòng)創(chuàng)建：利用已有裝配約束定義可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)化成所需要的運(yùn)動(dòng)副，操作便捷。

圖1.1以旋轉(zhuǎn)接合為例對(duì)比分析了兩種運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建方式。前一種適用于產(chǎn)品的零件未預(yù)先定義裝配約。對(duì)已裝配好的門式起重機(jī)來(lái)說(shuō)，選擇后一種方法更有效率。特別注意，運(yùn)動(dòng)副需建立在同一“機(jī)械裝置”內(nèi)。

CATIA難以模擬柔性繩索，因起重機(jī)吊索和繩索處于受力繃緊伸直狀態(tài)，故用剛性體替代，可將繩索分成軸線重合的多段來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)其長(zhǎng)度的伸縮變化，即伸長(zhǎng)時(shí)重合部分減少，縮短時(shí)重合部分增加，比如吊索由3段30米長(zhǎng)的子吊索裝配組成，子吊索之間軸線重合并可沿軸線相對(duì)移動(dòng)，添加兩個(gè)平移運(yùn)動(dòng)副和兩個(gè)長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)命令，這樣整個(gè)吊索可在30米至90米的范圍內(nèi)任意伸縮。如圖1.2所示。

仿真是把吊裝方案的流程在DELMA可視化地實(shí)現(xiàn)出來(lái)，對(duì)流程的模擬由一系列動(dòng)作組成，每個(gè)動(dòng)作都是DELMIA Process List中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)動(dòng)作是組成DELMIA仿真流程的基本單元，節(jié)點(diǎn)間存在發(fā)生時(shí)間和串并行等關(guān)系，是由Simulation Activity Creation創(chuàng)建而成。常用功能有視角切換、模型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)建、模型位置與姿態(tài)創(chuàng)建、延遲、暫停、顯示/隱藏、抓取/松開等。

不同層次工藝過(guò)程的模擬逼真度存在差異，可根據(jù)仿真需求深化重要細(xì)節(jié)的仿真效果以追求更真實(shí)，次要內(nèi)容不必在仿真中加以表現(xiàn)，只需考慮其對(duì)整個(gè)工藝造成的時(shí)間和空間影響即可，如圖1.3所示。

2 基于Cosmos Works的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在Cosmos Works中對(duì)CATIA建立的模型進(jìn)行模型簡(jiǎn)化以進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。通常在滿足一定功能要求前提下，采取特征消隱、理想化或清除等方法優(yōu)化模型以達(dá)到網(wǎng)格劃分的要求[6]。同時(shí)確定材料屬性、載荷、支撐和約束并確定分析類型。如圖2.1所示。

將數(shù)學(xué)模型離散化成有限單元即網(wǎng)格劃分[7]，并施加載荷到有限單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上[8-9]。如圖2.2所示。

3 800T門式起重機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述分析，擬對(duì)800T門式起重機(jī)展開研究，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模、單元?jiǎng)澐帧⒓s束定義、載荷處理以及計(jì)算分析等工作。根據(jù)計(jì)算結(jié)果的分析和比較，對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化以得到更合理的設(shè)計(jì)方案。

門式起重機(jī)的門架結(jié)構(gòu)采用箱型梁，即由上/下蓋板、腹板、隔板等鋼板焊接而成的箱體梁結(jié)構(gòu)[10]。

3.1 800t門式起重機(jī)有限元模型

在分析該門式起重機(jī)時(shí)，對(duì)模型做如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

①將行車行走機(jī)構(gòu)輪子簡(jiǎn)化為四個(gè)支撐腿；小車簡(jiǎn)化為四個(gè)集中載荷，分別放置于其四個(gè)輪子位置；

②主梁上的軌道和支腿上的斜梯等未在有限元模型中充分體現(xiàn)，只考慮的它的分布質(zhì)量；

③只考慮主梁和支腿上可能引起較大應(yīng)力集中的面積較大的開孔。

④只考慮主梁和支腿上對(duì)分析影響比較大的筋板和隔板，如主梁上下蓋板處的縱向筋和支性腿彎折處的隔板等。

3.2 800t門式起重機(jī)有限元分析

設(shè)計(jì)的門架滿足指定工作能力所需要的強(qiáng)度、剛度是門式起重機(jī)設(shè)計(jì)所需解決的中心問(wèn)題。主要涉及：研究門吊結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況（在各種可能出現(xiàn)的載荷狀況下，如：自重、額定負(fù)荷、慣性載荷、大車歪斜運(yùn)行、側(cè)向力等）及數(shù)值大小，以校核其強(qiáng)度；主梁在額定載荷下中部的最大靜撓度，以克服主梁剛度不足時(shí)而使小車時(shí)產(chǎn)生“爬坡”現(xiàn)象。

3.2.1 載荷工況

①自重載荷PG：

與結(jié)構(gòu)自重和各桿件截面、長(zhǎng)度有關(guān)，是垂直向下的均布載荷，在COSMOS中以材料比重常數(shù)計(jì)入后自動(dòng)生成各結(jié)構(gòu)部件的重量，考慮到力學(xué)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異，根據(jù)結(jié)構(gòu)件類型將比重常數(shù)乘以。

②起升載荷：

即額定起重重力，包括起吊物體的重量Q1、起升系統(tǒng)的重量Q2和小車的重量Q3。考慮到起升動(dòng)載時(shí)，應(yīng)乘以動(dòng)載系數(shù)。

③小車運(yùn)行水平慣性力F1：

小車起制動(dòng)時(shí)，由結(jié)構(gòu)重量、物品重量等引起的慣性力。

3.2.2 邊界約束條件

在下橫梁的下表面選擇固定約束。載荷形式有：慣性載荷、集中力載荷和均布?jí)毫d荷等，可根據(jù)起重機(jī)的具體載荷情況為其施加載荷。結(jié)構(gòu)約束載荷如圖3.2所示。

3.2.3 網(wǎng)格劃分及運(yùn)行計(jì)算

網(wǎng)格化是設(shè)計(jì)分析過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的步驟。在門架結(jié)構(gòu)中，各個(gè)部件全是薄板零件裝配，故采用曲面的殼網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分選項(xiàng)中選擇草稿品質(zhì)屬性及稍大點(diǎn)的抽殼厚度以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。

3.3 有限元結(jié)果分析

利用Cosmos Works進(jìn)行分析時(shí)，本文以Von Mises 值作為應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

等效的Von Mises 應(yīng)力的計(jì)算公式為：

按照實(shí)際載荷工況和固定約束的添加可以得出，在起重機(jī)正常工作時(shí)，最大應(yīng)力一般產(chǎn)生在主梁上，小車組處于跨中位置為最危險(xiǎn)工況，主梁的主腹板與軌道連接處產(chǎn)生最大應(yīng)力。故需對(duì)主梁結(jié)構(gòu)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)校核，通過(guò)添加加強(qiáng)筋和開孔等措施來(lái)提高強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。圖3.4 為小車位于跨中位置時(shí)，起重機(jī)的應(yīng)力云圖。

4 總結(jié)

通過(guò)CATIA對(duì)門式起重機(jī)進(jìn)行三維建模、仿真以及有限元結(jié)構(gòu)分析，解決了設(shè)計(jì)不能預(yù)先驗(yàn)證的問(wèn)題。并在分析軟件中通過(guò)簡(jiǎn)化三維模型結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)了對(duì)原結(jié)構(gòu)的分析驗(yàn)證。本文闡述的一些方法和結(jié)論，有利于設(shè)計(jì)人員更合理地設(shè)計(jì)門式起重機(jī)整體和局部細(xì)節(jié)，具有一定的實(shí)際參考價(jià)值，同時(shí)為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供相應(yīng)的參考。

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