港口機械數字化設計與關鍵技術研究

王偉，姚立權，趙春雨

（1.遼寧卓異裝備制造股份有限公司，遼寧 營口 115004；2.遼寧綠港科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

港口機械數字化設計是數字化港口建設的重要內容，對推動港口機械的服務能力具有積極的作用。而港口機械制造企業，為滿足數字化港口的需求，可通過港口機械數字化設計，提高機械的生產能力與管理能力。基于此，本文結合實際情況，研究分析港口機械數字化設計與關鍵技術，并主要以橋式抓斗卸船機為對象，實現數字化設計，詳細內容如下。

1 數字化設計技術研究

（1）數字化設計的概念。傳統的設計方式在當前港口機械的設計中存在力不從心的情況，對港口機械的精密化、智能化發展適應性不佳，再加上信息技術的發展與進步，使得數字化技術成為港口機械設計的基礎。數字化設計可分為設計部分和數字化部分。其中，設計是結合某種目的，實施具有創造性的工作，而數字化則是借助數字描述信息，是在二進制基礎上完成的。二者的結合，可以實現產品的生產。數字化設計包含了參數化建模、有限元分析和設計優化等內容。數字化設計不僅可用于港口機械設計，還能有效的用于其他產品制造。運用數字化設計可以更為滿足用戶的需求，并順利降低設計成本，保障制造企業獲取更大的收益。

（2）數字化設計的國內外研究現狀。隨著行業競爭逐漸激烈，為確保產品的質量，設計人員加強了對數字化設計的研究。國外研究者對數字化設計的起步較早，成果也更多。美國研究人員提出了一種基于內容的搜索技術。韓國首爾國立大學的研究者，提出了采用2 步相似的B-REP 的文件對比分析，可有效的提高相似零件的查找效率。國外研究者在結構優化中，主要運用改進的遺傳算法，Furuta 等改進遺傳算法進行研究，并提出了一種自適應的調整方法。

國內對數字化設計的研究起步比國外較晚，但是，也取得了一定的成就，推動了國內數字化設計的發展。武漢理工大學對龍門起重機結構的數字化設計中，選用Pro/ENGINEER實施三維造型和仿真模擬，再選Pro/TOOLKIT、APDL 二次開發語言，于VC++2008 環境下，實現了更好的設計。南京理工大學的研究者構建了壓鑄模數字化設計系統，達到優化設計，減少成本，提高質量的目的。西南交通大學的研究者，對橋梁支座的數字化設計研究中，構建了典型支座參數化樣機，保障了支座的設計效果，并為設計人員減少了重復工作。

2 港口機械數字化設計

現結合港口的機械產品中的橋式抓斗卸船機為例，對它進行港口機械數字化設計，詳細內容分析如下。

（1）金屬結構的參數化建模。橋式抓斗卸船機是重要的港口機械類型，其主要負責裝卸工作，它的結構復雜，由主梁、門架系統和拉桿系統幾個部分組成。在具體的參數建模中，為保障建模效果，可選用UG、UG 二次開發工具和Visual Studio2010 等。具體的參數化建模中，選用UG實現對卸船機的參數化三維實體模型構建，再選擇Visual Studio2010 對相關程序進行編寫，實現對參數化模型的構建。在三維實體模型的基礎上，運用有限元動靜態分析，實現卸船機的金屬結構數字化設計。

具體的建模中，需要注意建模順序的控制。從主梁開始參數化設計，并構建三維模型，在此基礎上，依次進行梯形門架、小門架、拉桿等的參數化設計。注意模型建立時，應先構建三維模型，選用VS210 進行相應應用程序框架創建，編寫程序等工作，從而實現參數化模型設計。

（2）金屬結構的有限元動靜態分析。在參數化模型的基礎上，進一步構建有限元模型。有限元模型選用ANSYS 軟件。如圖1 所示，為主梁結構的有限元模型。

圖1 主梁的有限元模型

針對上述主梁有限元模型，對具體的參數進行描述，其中梁高H 為1900mm，翼緣板寬度W1200mm，兩腹板間寬度B為1128mm，翼緣板厚度t 為14mm，腹板厚度s 為12mm，梁的長度L84800mm，雙梁間距D 為2000mm。在ANSYS 軟件的支持下，可實現幾何模型與有限元模型的建立。

有限元模型建立完成后，則實施動靜態分析，對卸船機結構強度和撓度展開靜態分析，再使用動態分析對諧響應等進行分析。之后對卸船機的荷載、荷載組合進行分析。以荷載組合情況為例，如下公式為荷載組合I、II、III 的荷載組合情況。

結合實際情況對荷載及荷載組合進行計算。具體的工況主要包括：（1）移動荷載作用于大梁端，結合自重、起升載荷，小車運行機構與大車機構的制動，忽略風荷載。（2）移動荷載作用于前拉桿與前大梁連接位置，考慮自重，考慮機構制動，忽略風荷載。（3）移動荷載作用于前大梁中，考慮自重，考慮制動，忽略風荷載。在上述3 種情況下，分別對風荷載進行考慮，實現6 種工況的研究。

有限元靜態分析時，主要包括靜力學強度與撓度2 個指標。其中靜力學強度的計算中，計算準則是α ≤[α]=α1/n，其中，α 描述危險點用力，α1為屈服極限，n 為安全系數，[α]描述許用應力。而對于撓度的計算，則f ≤[f]，其中f 為靜撓度，[f]描述許用撓度。上述分析屬于模態分析，進行模態分析，可避免結構共振。還可以了解動力載荷的響應。

（3）金屬結構的優化設計。為進一步實現對港口機械數字化設計，需要在上述模型分析結果的基礎上，需要對金屬結構進行優化設計。確保前后大梁在危險工況下，應力能小于許用應力，從而保障結構安全。在金屬結構優化設計中，可遵循如下步驟：①確認優化目標。在對金屬結構的優化中，將質量、體積、動力學性能等作為優化目標。實現對結構解析，結合靜平衡方程和運動方程等進行描述。②建立優化設計目標模型。數學模型包括3 大內容，主要包含函數、設計變量和約束條件。對于復雜的實際問題，無法直接使用數學模型完全描述，則可通過對問題的簡化，確保問題可用數學模型描述出來。③優化方法的選擇。可供選擇的優化方法包括一維、多維的優化方法、多目標的優化方法、遺傳算法等，合理對這些優化方法進行選擇，保障金屬結構的優化效果。需要注意，優化方法應該與實際相結合，確保優化水平。④獲取最優結果。結合優化方法，計算得出最終結果，再對結果進行判斷，明確其是否符合需求，如果不符合，則需要再次進行優化，或選擇其他優化方法。如圖2 所示，為優化設計的基本流程圖。

借助數字化設計，可實現對港口機械的制造與生產，確保機械在危險工況下仍舊保持良好的工作狀態，并根據金屬結構的優化，確保港口機械的強度、剛度和穩定性，實現優化設計，并且可以減少原有的材料消耗情況，降低港口機械的成本。

3 港口機械數字化設計的關鍵技術

結合港口機械數字化的基本情況，對數字化設計中的關鍵技術進行簡單闡述，詳細內容如下。

（1）UG 二次開發平臺。它是實現卸船機金屬結構參數模型的基礎。其中UG 屬前沿高端軟件平臺，已經廣泛用于航天航空、家電、船舶等領域。它將CAD、CAM 和CAE 融合到一起，實現一體化，滿足參數模型構建的需求。而UG 二次開發模塊，則具備專用的二次開發語言，簡單易于操作。

（2）ANSYS 有限元建模。主要是借助ANSYS 軟件實現有限元建模，其具體的系統結構如圖3 所示。

圖2 優化流程圖

圖3 有限元模型的通信模塊

在實現ANSYS 軟件建模中，所使用的語言為APDL，是ANSYS 軟件自帶的設計語言，不僅滿足建模需求，還可為優化設計奠定基礎。其中APDL 的功能包括：參數、數組參數、流程控制、訪問ANSYS 數據庫數據和宏文件等。

（3）模態分析。模態分析又可以被稱之為特征值分析，是動力學分析中的基礎部分。其典型的無阻尼模態分析的基本方程可用公式（1）描述。

上述方程中，[K]描述剛度矩陣；{Φi}為特征矢量；ωi為特征值，[M]為離散體的質量矩陣。

4 結語

本文研究港口機械數字化設計及關鍵技術，結合實際對數字化設計進行研究，分析概念及發展。再結合港口機械，選擇卸船機作為研究對象，分析卸船機的數字化設計，對參數模型、有限元分析、金屬結構優化等進行闡述，最后對具體的關鍵技術進行分析，實現對港口機械的數字化設計，并滿足實際生產需求，優化結構，降低成本，提高生產效率。