塔式起重機參數化建模平臺的開發及應用

付航 和大龍 張士軍 董明曉

摘? 要： 為了順應塔式起重機設計系列化、參數化和標準化的發展趨勢，建立塔式起重機參數化建模平臺。建立塔式起重機鋼結構APDL命令流，應用Visual Studio設計塔式起重機參數化建模平臺可視化界面，通過VisualStudio的接口程序，實現ANSYS軟件的后臺調用，在建模過程中對整機結構尺寸采用變量賦值的方式實現塔式起重機參數化建模。用工程實例仿真驗證了搭建的塔式起重機參數化建模平臺的準確性，改進了傳統有限元建模過程，提高了塔式起重機結構分析效率。

關鍵詞： 塔式起重機； 參數化； 建模平臺； C#； ANSYS

中圖分類號：TH213.3? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2023）05-140-05

Development and application of parametric modeling platform for tower crane

Fu Hang1， He Dalong2， Zhang Shijun1， Dong Mingxiao1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan， Shandong 250101， China;

2. Shandong Longhui Hoisting Machinery Co.， Ltd）

Abstract： In order to comply with the development trend of serialization， parameterization and standardization of tower crane design， a parametric modeling platform for tower cranes is established. The APDL command flow of the steel structure of the tower crane is established， Visual Studio is applied to design the visual interface of the parametric modeling platform of the tower crane， the background call of ANSYS software is realized through the interface program of Visual Studio， and the parametric modeling of the tower crane is realized in the modeling process by means of variable assignment to the structural dimensions of the whole machine. The accuracy of the built parametric modeling platform for tower cranes is verified through engineering simulation. It improves the traditional finite element modeling process and increases the efficiency of structural analysis of tower crane.

Key words： tower crane; parameterization; modeling platform; C#; ANSYS

0 引言

隨著建筑行業的快速發展，塔式起重機因其起重量大、工作速度快、回轉半徑大等特點，在建筑工地占據了重要的地位。面對復雜的工作環境，需要對不同型號的塔式起重機進行受力分析。傳統的有限元方法需要對塔式起重機進行重復的建模操作，不僅過程繁瑣，工作量大，且尺寸參數難更改，重復的GUI操作也會帶來較大建模誤差。通過建立結構框架并根據具體需要修改塔身及臂架參數，可以使建模時間大大縮短，提高效率。

任會禮[1]等對塔式起重機的臂架進行參數化處理，采用GUI方式查看模型圖、應力分布云圖以及變形圖；賀尚紅[2，3]等分別以塔式起重機塔身與起重臂為研究對象，運用有限元分析軟件ABAQUS，二次開發接口，開發參數化計算平臺。上述學者參數化設計的研究對象大多是塔式起重機的塔身或是塔式起重機的起重臂，分析后的結果需與塔式起重機的剩余部分再次進行整合處理。

本文使用C#與APDL語言建立塔式起重機參數化建模平臺，應用Visual Studio軟件創建可視化界面，將塔式起重機的結構特征參數設置為變量，然后通過賦值函數將用戶輸入的參數數據傳輸到ANSYS命令流模板文件中，生成指定尺寸的命令流建模文件，通過Visual Studio與ANSYS軟件之間的接口程序，完成ANSYS軟件的后臺調用，實現塔式起重機的快速建模及分析。

1 塔式起重機參數化建模平臺總體設計

1.1 塔式起重機參數化建模平臺的功能要求

⑴ 通過塔式起重機參數化建模平臺，用戶可以對塔式起重機有限元模型尺寸進行快速更改。

⑵ 通過塔式起重機參數化建模平臺，用戶可以根據需求調用不同的塔式起重機命令流模板，并在后臺調用ANSYS軟件，最后通過可視化界面直接顯示有限元分析后的結果。

以上功能可以讓用戶快速更改塔式起重機尺寸參數，并可以直接查看有限元分析的結果，方便同種尺寸不同工況下的塔式起重機或同種工況不同尺寸之間的塔式起重機進行分析比較。

1.2 塔式起重機參數化建模平臺開發工具

1.2.1 ANSYS以及APDL

ANSYS軟件是大型通用有限元分析（FEA）軟件，具有良好的二次開發環境。運用參數化設計語言APDL，可以將GUI界面操作步驟逐條轉換為ANSYS命令組織起來，對于重復的步驟可采用循環函數進行編寫，對于需要更改的數據采用賦值函數，以此完成參數化建模程序，實現有限元軟件分析全過程。塔式起重機參數化建模的工作量集中于結構參數修改和后處理分析，采用APDL來對塔式起重機進行參數化建模，可以方便靈活的對結構尺寸參數進行修改，效率極高。

1.2.2 Visual Studio以及C#

C#是可用于.NET開發的一種語言，可快速搭建編寫任意應用程序，滿足用戶需求[4]。C#具備VB語言的可視化操作方式，例如可利用WinForm（Windows Form）在微軟公司的集成開發環境——Visual Studio快速搭建可視化人機交互界面，改善用戶使用感，其次C#還保留C++語言的高運行效率，可在短時間內迅速運行代碼。

1.3 塔式起重機參數化建模平臺運行流程

塔式起重機參數化建模平臺分為四部分，第一部分是參數化建模模塊，在此模塊中可以根據不同需求，對塔式起重機結構的材料屬性以及各部分參數進行修改；第二部分是工況選擇模塊，在此模塊中可以選擇不同的工況；第三部分是調用ANSYS模塊，在此模塊中可以調用ANSYS軟件與APDL模板文件，自動分析計算，截取分析結果圖像。第四部分是仿真結果顯示模塊，由此模塊展示分析圖像。塔式起重機參數化建模平臺運行流程圖如圖1所示。

2 參數傳輸程序的實現

2.1 參數輸入可視化界面設計

APDL是ANSYS軟件中一種可以通過參數設置、循環命令等完成通用任務的方式，但ANSYS自帶的命令流輸入界面不夠靈活，交互性差。通過對Winform窗體提供的Button、Label、TextBox以及PictureBox等控件賦予不同的職責，建立可視化界面。用戶只需使用相應的按鈕，便可完成跳轉窗口、數據保存、結果圖片查看等功能。塔式起重機參數化建模平臺首頁如圖2所示。

2.2 參數傳遞

在塔式起重機參數化建模的過程中，如何對特征參數進行賦值并傳遞至命令流模板文件中是參數化建模的基礎。本文中運用StreamWrite與StreamReader類完成參數數據的輸入與輸出[5]。利用StreamReader讀取命令流模板文件中的內容，搜索需要被更改的目標字符串，然后通過SteramWrite將更改后的參數填入命令流模板文件中的目標位置，完成最終的APDL文件并封裝。關鍵代碼如下：

string s_con=string.Empty;

StreamReadersr=new StreamReader（path，Encoding.UTF8）

FileStream stream=File.Open（path， FileMode

.OpenOrCreate， FileAccess.Write）

stream.Seek（0， SeekOrigin.Begin）;

stream.SetLength（0）;

2.3 調用ANSYS

塔式起重機建模平臺的關鍵在于建立可視化界面與ANSYS軟件之間的數據通信渠道，將用戶在對話框中輸入的數據傳入用戶指定的命令流文件中。參數傳遞界面如圖3所示。采用IPC機制將ANSYS軟件集成至塔式起重機參數化建模平臺，后臺調用ANSYS并運行命令流文件，Visual Studio與ANSYS之間的調用關鍵代碼如下：

ProcessStartInfostartinfo=new ProcessStartInfo（）;

string commond=String.Empty;

……

commond+="-b -p";

……

startinfo.Arguments=commond;

在本界面中，利用OpenfileDialog控件與SavefileDialog控件獲取ANSYS軟件的本地安裝位置與命令流文件的存放位置，用戶可在結果文件目錄中自主填寫文件結果存放位置與結果文件名稱等，信息輸入完成后，點擊運行按鈕進入ANSYS后臺運行狀態，等待“求解成功”畫面彈出后，可關閉此窗口，并在仿真結果查看界面查看運行結果。

3 塔式起重機模型建立的關鍵技術

3.1 單元類型的選擇

塔式起重機為大型桁架結構，在進行施工作業時往往承受著較大的起重量，因此在結構設計時，選用結構剛度較高的角鋼、槽鋼與方鋼等桿件可提高整機抵抗變形的能力，避免塔式起重機產生結構失穩、甚至是傾覆的情況。在有限元分析中，梁單元的節點位移反映變形程度，為提高采用梁單元建模進行分析的精確度，本文選用具有自定義截面特性的BEAM188梁單元進行建模，反映整機實體模型在工作過程中所受到的軸向力、剪力、扭矩與彎矩等作用。拉桿部分承受較大拉力，因此，選用具有塑性強、大變形和大應變特點的LINK180單元。附件部分選用MASS21質量單元進行等效。

3.2 模型簡化

⑴ 回轉機構簡化

回轉機構是使塔式起重機完成回轉運動的機構，幾何尺寸較小，剛度較大。在整機參數化建模研究中，將回轉機構的回轉支承裝置用梁單元等效，可以將塔身與起重臂、平衡臂之間的自由度統一化，在保證模型計算結果準確的情況下，減少模擬過程中的單元類型，提高分析速度。

⑵ 塔身底座簡化

塔身作為塔式起重機主要的受力結構，結構剛度大。利用有限元軟件對塔式起重機進行建模分析時，可以通過將塔身底部節點自由度（UX，UY，UZ，ROTX，ROTZ，ROTY）完全約束掉來等效固定底座。

3.3 參數化模型建立過程

塔式起重機參數化模型采用自底向上的建模方法，利用直接建模的方式，自動生成節點坐標及單元。首先利用MPDATA命令對材料屬性進行定義，而后，利用SECTYPE、SECOFFSET與SECDATA命令對梁單元進行自定義截面。塔式起重機整機參數化建模分為塔身建模部分與起重臂建模部分，塔身建模部分包括塔身基礎節的高度、塔身標準節的高度和寬度以及塔身標準節數四個部分，此模塊界面如圖4所示。起重臂建模部分包括起重臂下主弦桿長度，直腹桿長度和下弦桿段數三個部分，此模塊界面如圖5所示。使用APDL中的SET命令對特征參數進行賦值，使用GET命令提取指定坐標位置節點。在全部參數輸入完成后，點擊“確定修改”將模型數據傳輸至指定TXT文件中。APDL示例語句如下：

SECTYPE，1，BEAM，L

SECOFFSET，CENT

SECDATA，160，160，16，16

……

N，1，TS_JCK，0，0

……

*DO，i，1，TS_ZXG

E，1+（i-1）*4，1+4*i，4

*ENDDO

4 工程實例分析

以QTZ5513塔式起重機為例，運用塔式起重機參數化建模平臺，建立參數化模型，并對其進行模態分析。該塔式起重機總高46.6m，起重臂長56.4m，平衡臂長12.3m，鋼材選用Q345B型號，定義材料屬性彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，材料密度[ρ]=7.85×103kg/m3。利用塔式起重機參數化模塊建立幾何結構，該模型有302個節點、791個單元，QTZ5513有限元模型圖如圖6所示。利用塔式起重機參數化建模平臺，將塔身標準節數增加并將起重臂前兩節尺寸減小，更改尺寸后的有限元模型圖如圖7所示。

本文使用Subspace法對QTZ5513塔式起重機進行模態提取，該方法為廣義Jacobi迭代算法，采用完整剛度矩陣K和質量矩陣M，具有較高精度[6]。塔式起重機是一種大型桁架結構，低階固有頻率及振型更能反映振動特性，因此，提取塔式起重機低階固有頻率對整機動力響應研究具有重要意義。本文提取塔式起重機有限元模型模態分析中的前六階振動模態，各階振型圖如圖8所示。

通過對前六階振型分析可知：

⑴ 第一階模態，固有頻率為0.1107Hz，振型反映起重臂與平衡臂圍繞塔身在水平面內的扭轉振動。

⑵ 第二階模態，固有頻率為0.2111Hz，振型反映塔式起重機圍繞塔身底部固定處前后的彎曲振動。

⑶ 第三階模態，固有頻率為0.2363Hz，振型反映塔式起重機圍繞塔身固定點處的左右擺動。

⑷ 第四階模態，固有頻率為0.5644Hz，振型反映塔式起重機起重臂與平衡臂圍繞塔身前后的彎曲振動。

⑸ 第五階模態，固有頻率為0.9059Hz，振型反映塔式起重機起重臂與平衡臂在水平面內的彎曲振動。

⑹ 第六階模態，固有頻率為1.1624Hz，振型反映塔式起重機起重臂與平衡臂在變幅平面內的彎曲振動。

5 結論

基于ANSYS軟件，利用C#對其進行二次開發，建立塔式起重機參數化建模平臺，利用較少關鍵參數快速生成塔式起重機模型，改善了傳統GUI方式繁瑣的建模過程，降低了手動建模所帶來的誤差，提高了效率。另外，利用該平臺對QTZ5513型號的塔式起重機進行了模態分析，通過模態分析反映結構振動特性，為塔式起重機的動態特性分析提供了理論依據。

參考文獻（References）：

[1] 任會禮，李江波，高崇仁.基于ANSYS的塔式起重機臂架有限元參數化建模與分析[J].起重運輸機械，2006（9）：11-13

[2] 賀尚紅，歐陽旭，劉小恒.塔機塔身參數化設計系統開發[J].建筑機械，2021（2）：68-74

[3] 賀尚紅，劉小恒，歐陽旭，等.塔式起重機臂架參數化建模與應力分析[J].建設機械技術與管理，2020，33（6）：123-128

[4] Karli Watson，Jacob Vibe Hammer，Jon D. Reid，等.C#入門經典（第6版）[J].中國科技信息，2014（6）：133

[5] 張喻捷.基于C#與Ansys的索道桁架有限元計算程序的二次開發[J].起重運輸機械，2021（16）：86-90

[6] 陳曉霞.ANSYS 7.0高級分析[M].機械工業出版社，2004