履帶起重機部件參數化模型仿真平臺軟件的開發及應用*

廖建國，張慶波，齊 芳，趙瑞恒，王永立※

（1.浙江三一裝備有限公司，浙江湖州 313000；2.湖州師范學院工學院，浙江湖州 313000）

0 引言

履帶起重機是工業領域中應用十分廣泛的一種起重機械，屬于工程機械，其能在較惡劣的路況行走，可實現大載荷帶載行走，且接地比壓小、作業靈活[1－4]。為了縮短履帶起重機開發周期，節約成本，程晶晶等[5]對起重機的主要組成部分進行了布局方案設計，并針對中小型塔機用的起升機構方案進行了優化設計，達到減小起升機構外形尺寸和自重的目的；張磊等[6]建立了起升機構傳動系統的主要參數系統優化模型，完成了傳動系統的主要參數優化和空間布局的優化設計。

履帶起重機在工作過程中，很多重要的零部件會受到多種載荷的作用，易受破壞，造成失效，縮短整車的使用壽命[7－8]。在實際工程中經常采用有限元分析法對其在不同工況下的應力進行模擬，降低企業開發周期和成本[9－10]。張永康等[11]采用ANSYS Workbench對大型繞樁式起重機的連續回轉結構件進行了80 t－90 m工況、1000 t－20 m工況下的有限元分析，通過輸入材料力學性能參數、網格劃分、施加載荷及約束，得到不同工況下的應力、安全系數、位移分布云圖，節省了工藝試驗費用和時間，降低了制造成本。谷禮新等[12]在ANSYS中建立塔式起重機起重臂的有限元模型，施加邊界約束條件，對起重臂進行了穩定性分析，得到了起重臂典型工況下的特征值。從上述研究看出對模型進行CAE分析時，需要進行大量重復性的前處理操作，大大地降低了工作效率。因此，本文開發Creo參數化模型仿真接口，完成幾何模型檢查、網格劃分、材料添加、邊界條件設置、自動提交計算、自動輸出仿真報告，可集成到Creo界面，一鍵快速完成仿真分析；按照設定的方案進行對比優化，輸出方案對比。并且要求軟件具有很好的擴展性，可以適應不斷增加的參數化模型的仿真需要。

1 部件快速仿真平臺軟件的開發及應用

1.1 技術路線

部件快速仿真平臺技術路線如圖1所示。首先手動添加Creo參數化模型，提出多種方案，基于Simlab二次開發創建有限元模型，完成幾何模型檢查、網格劃分、材料添加、邊界條件設置、自動提交計算，得到不同方案的分析結果。二次開發，完成幾何模型檢查、網格劃分、材料添加、邊界條件設置、批量求解。然后基于Hyperview二次開發實現對計算結果的自動后處理，自動輸出仿真報告。

圖1 部件快速仿真平臺技術路線

1.2 參數化模型

參數化模型操作具體說明如下。

（1）參數改變時模型能正確自動更新，不出錯。

（2）模型要求零件間無干涉、無縫隙等。

（3）對加載及約束位置進行標記，標記方式是在零件的相關區域內發布幾何。

1.3 快速仿真平臺軟件

將部件的參數化模型輸出到指定文件夾，由部件參數化項目實現參數化模型的自動輸出。基于部件仿真的網格劃分、材料屬性添加、邊界條件設置、加載、求解、計算報告輸出均實現自動化，無需人為干預。智能化快速設計系統如圖2所示。

圖2 部件快速仿真平臺界面

1.4 軟件應用

以應力、質量、效率、精度、報告輸出為指標，利用所開發的快速仿真平臺軟件對75 A底座的3種方案進行優化，并與原始方案（方案1）對比，從而驗證所開發的可靠性。

1.4.1 應力

各方案的應力計算結果如表1所示。表中列出了不同方案下底座上蓋板、下蓋板的最大應力，并通過判斷應力系數檢驗是否滿足要求。結果表明4種方案中的底座上、下蓋板的最大應力對應的應力系數均大于1.05，滿足設計要求。各方案的應力云圖如圖3所示。從圖中可見底座的最大應力發生在蓋板的圓弧處，以上、下蓋板的圓弧處的應力值作為優化約束條件，在該處滿足強度的前提下，尋找重量最小的方案。

表1 底座各方案應力結果匯總表

圖3 底座各方案應力云圖

1.4.2 質量

應用結構仿真平臺軟件，通過4個方案的對比優化，得到底座各方案的質量如表2所示。表中方案2、3對應的質量均高于原始方案（方案1），而方案4相對于原始方案1降低了整體的質量，實現了降重0.339 t，相對于方案1實現降重比例為10.2%。因此，最終選擇方案4作為設計輸入。

表2 底座方案匯總表

1.4.3 效率

對手動處理和仿真平臺的前處理及加載、后處理及報告所用時間進行了對比，快速仿真軟件效率提升如表3所示。結果表明在后處理及報告所用的時間上，手動處理和仿真平臺所用時間相等，沒有區別。而仿真平臺前處理及加載和后處理及報告所用時間則遠遠低于手動處理的時間，仿真效率分別提升3倍和9倍，并且方案越多，效率提升越明顯。

表3 快速仿真軟件效率提升表

1.4.4 精度

在底座上取3個點（圖4）的應力對比手動計算和仿真平臺的結果。對比結果見表4所示，結果表明在1號點、2號點和3號點的手動計算應力結果與仿真平臺應力結果分別相差－5.5%、0.9%、－2.4%，結果誤差較小，在可接受的范圍內，證明所開發仿真平臺可靠性好。

圖4 底座上3個點的位置

表4 應力結果對比

1.4.5 報告輸出

快速仿真平臺軟件可通過智能判斷輸出結果，如：輸出超過或低于某應力閾值的零件明細表。以材料Q345為例，輸出低于50MPa和高于300 MPa的零件明細，以此作為優化項。輸出結果如表5所示。

表5 材料Q345零件應力匯總表

2 結束語

本文開發Creo參數化模型仿真接口，完成幾何模型的檢查、網格劃分、材料添加、邊界條件設置、自動提交計算、基于Hyperview二次開發實現自動輸出仿真報告，可集成到Creo界面，一鍵快速完成仿真分析；按照設定的方案進行對比優化，輸出方案對比。本文對履帶起重機底座的3個方案進行仿真，仿真結果表明：仿真平臺的精度與手動計算誤差較小、可靠性高，而且前處理及加載和后處理及報告所用時間要遠遠低于手動計算，仿真效率提升3倍以上，大大節省了時間，利于企業快速推進項目；此外還可通過智能判斷輸出結果，通過配置文件和固化的參數化幾何模型，實現仿真流程和仿真標準固化，可以有效避免仿真錯誤；并且軟件具有很好的擴展性，可以適應不斷增加的參數化模型的仿真需要，具有一定的推廣意義。