岸边集装箱起重机快速化设计的仿真系统

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Rapid Design Simulation System of Quayside Container CraneW ang Kai -，Zhong Liangwei ，Chen Zhouzhou(1.CAD Center College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shanghai Institute of Power-Sources，Shanghai 200245，China)Abstract：By nOW，the design of quayside container crane is restricted by a large quantity of repeated workand lower design efficiency.In that case，a virtual prototype model of quayside container crane is built by usingthe parametric modeling function of Adams software on the basis of virtual prototyping techniques and parametricmodeling techniques.The above model combines Adams Platform with SQL Server Database.In addition，a rapiddesign simulation system is applied to complete the simulation testing analysis of virtual prototype，whichimproves the design efficiency of quayside container crane and reduces the design development cost。

Key words：quayside container crane；parametric design；virtual prototype；Adams software；simulation test随着全球经济发展和国际贸易量的迅速增长。

海运承载着世界贸易总量的 2/3.集装箱船扮演着重要的角色.岸边集装箱起重机作为港口码头的主要装卸设备也在不断地更新换代。为满足装卸要求、发挥营运成本优势.提高装卸效率.岸桥不断朝着大型化、高速化、自动化和智能化的方向发展，对岸桥的工作性能和尺度等均提出了更高的要求.岸桥的创新设计也面临着机遇与挑战[”目前.国内的岸桥设计生产仍然存在创新能力不足的问题.由于传统设计方法的效率低下.已不再收稿 日期 ：2011-10-30 修 回 日期 ：2012-12-20基金项 目：上海市科委重点学科建设项 目(J50503)作者简介：王凯(1985-)，男，硕士研究生，主要从事数字化样机与虚拟技术、参数化设计、计算机辅助智能设计等方面的研究。

能适应岸桥设计自动化、快速化和高效率的发展趋势.而利用目趋成熟的虚拟仿真技术可为岸桥设计提供新的动态设计方法 虚拟样机技术 (VirtualPrototype Technology)是指在机械系统开发过程 中。

以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心.利用成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术 .将分散的零部件设计和分析工作 (如零部件的CAD设计和 FEA有限元分析等)集成在-起.对没计产品进行虚拟性能测试的新技术2-1] 按照虚拟样机实现的不同功能可分为结构虚拟样机、功能虚拟样机和结构与功能虚拟样机等几类.它涉及多体系统动力学的理论方法、先进的建模技术、多领域协同仿真技术、工程设计分析技术和交互式用户界面技术等综合性的应用技术 棚 在岸桥设计中虚拟样机· 18· 港 工 技 术 第 50卷的应用主要是通过专业三维软件对产品建模.再利用公共接口导人动力学仿真软件中进行动力学计算分析 该方法存在局限性.即当需要修改产品模型中的某个尺寸时，必须重新建模。重复工作量较大 本研究基于Adams开发平台.以SQL Server作为数据库支撑.运用参数化技术建立岸桥的动力学自动分析平台.并进行相关动力学分析，以验证其正确性1 建立岸桥的虚拟样机模型参数化设计方法是将模型中的定量信息变量化 .成为可任意调整 的参数 根据工程关系和几何关系指定的设计要求.通过改变已建立模型的显示尺寸以快速驱动模型的高效设计方法 Adams平 台可提供参数化表达式、参数化点坐标、使用设计变量和运动参数化等4种参数化方法 在 Adams中建模比在专业三维软件中建模的难度更大 、更费时.而-旦建模完成就可以利用其强大的参数化建模功能优化岸桥的几何模型。参数化建模的主要步骤包括：提取模型中的设计主要参数.将岸桥的主要结构尺寸和对模型动力学性能影响较大的尺寸定为变量 通过命令语言和Adams平台提供的建模工具建模.模型的主要相关尺寸以前面定义过的变量代替 以岸桥梯形架的建模为例.首先提取梯形架的高度和横梁宽度.在 Adams中创建两个变量代表梯形架高度和横梁宽度.即参数变量化.文章中只简单介绍梯形架高度变量的参数化.横梁宽度的参数化过程与之相同1)创建变量的具体程序为：variable create& !创建变量variable name.model 1.T gao & !变量 名unitslength” & !变量单位range-1.0.1.0 & !变量变化范围real value：4.60E003 1变量值在名为 model l”的 Adams模型中创建名为]r gao"的设计变量，变量单位为长度，初始值为4.6m语句中的&”是连接符 .当某条命令程序尚未完成就需换行时-定要加连接符，否则程序会报错 !”表示此后为注释 以上过程也可在 ADAMS/View中利用交互对话框完成2)创建变量后.利用命令语言或建模工具建立梯形架 的几何模型。首先建立 4个点(p0int 1，point-2.point-3，point4)，以下为建立pointl”的程序 ：point create &pointname.model-1.ground.point-1&location0.0，0.0，0.0其余各点与之类似，只是名称和坐标有所改变3)分别以其中的2个点作为起点建立 2根圆形的斜撑 .建立斜撑时需要定义 marker点 .利用参数化表达式可实现 marker点与 Doint点的约束关系marker create &markername.model-1. I ia.marker1 &locati0n(LOC-RELATIVETO(0，0，0，.model1.ground.point 1))&orientation (ORI-ALONG-AXIS (point-1，point- 2，Z”))以上程序实现了marker 1”与point 1”的重合关系。当移动point 1”点时 ，m er ”点也会跟着. ark 1移动 依靠方向函数 ORI ALONG AXIS实现rnarker 1”点在 z轴 方 向的参数 化 .当改 变p0int 1”点和p0int 2”点的位置时，marker 1”点的 Z方 向也 随之改变 ，它始终 由p0int 1”点指 向 point-2”点。这样就可以通过修改 point点的位置改变 以marker 1”为基点 的圆柱斜撑 的长度和方向最后在 l，方 向上point 2”点相对于 Doint 1”点 的坐标 ，用前面定义的变量.modelj.Tgao来替换 ：point modify &point name.model1.ground.point-2 &location(LOC-RELATIVETO (0，.model1。

T gao，0，point1))这样通过改变变量.model 1.T gao就 可以改变梯形架的高度。当然 ，梯形架顶部的横梁应该与point 2”点关联起来，当高度改变时横梁也跟着变化.其中同样用到了建立斜撑时的参数化表达式、参数化点坐标和设计变量等方法 本研究中还利用参数化建模方法建立岸桥金属结构 、大车系统 、小车系统等参数化模型I8 Ol 岸桥金属结构的参数化模型。

见 图 1图 1 岸桥金属结构 的参数化模型2 岸桥参数化设计系统2.1 仿真平台的数据交互岸桥快速仿真系统集成于岸桥数字化样机的整体平台中，岸桥数字化样机平台包括：参数化驱动、第 2期 王凯.等：岸边集装箱起重机快速化设计的仿真系统 ·19·结构分析与优化、动力学仿真分析和产品虚拟装配等 5大拈 总体平台界面是基于 VB.Net开发而成 .采用 SQL Senrer 2005完成各子拈的数据与总体数据库间的交互存取，主要包括各子拈所需的岸桥结构驱动参数、岸桥各部件的结构形式和各机构的设计规则争n。在进入岸桥仿真分析平台后。用户先要选择岸桥型号.该型岸桥的相关数据均已储存在总数据库中.利用 VB.Net程序从数据库中提取岸桥的主要驱动参数、各结构部件的质量、转动惯量等动力学分析数据.并与 Adams中建模时所对应的文件完成相关的数据交换：点击界面进kAdams～交换驱动数据的建模文件(.cmd)调入Adams中，自动生成岸桥的几何模型 在启动 Adams时会 自动加载岸桥自动化分析菜单.自动建立后续的岸桥虚拟样机模型和动力学分析计算等2.2 构建 自动化分析平台由于直接利用 Adams建立岸桥的整机模型会占用大量的时间资源。而利用 Adams/View自带的命令语言编程建立岸桥的参数化几何模型.只需在界面中输入 主要数据 .在后 台即可完成参数化模型的驱动.可大大提高建模和仿真分析的速度。-些不太熟悉 Adams软件的产品设计人员也可以直接使用。

为实现并行工程创造了条件 岸桥动力学分析平台包括菜单项和对话框等，能够自动导人岸桥几何模型、自动添加约束和驱动条件〃立虚拟样机模型和自动仿真分析 的整个过程均 在 Adams二次开发的菜单项上实现.与开发的数据后处理对话框相结合，可实现数据的自动读取 。

2.3 岸桥虚拟样机的仿真试验岸桥作业中大车运行机构负担岸桥整机码头沿线的水平运行.工作较为频繁，最常见的故障包括啃轨、金属结构裂纹和整机颠覆等l2J。因此要通过各种工况下大车机构的模拟试验 .才能保证岸桥运行过程中大车机构的安全工作 模拟试验中小车前轮的中 12，位于前大梁上距铰接点 34.0 m处 .大车机构从静止开始加速至设定速度后保持匀速运动.然后大车制动减速直到停止 仿真计算的时长为32.0 S.步长为 700，采用 Gstif积分器计算大车运动过程中的相关动力学数据 大车机构模拟试验的工况 ，见表 l。

在 A厂-A 的 3种工况下岸桥以不同速度运行，从岸桥的整机位移曲线可知.大车机构的速度越快。

岸桥的整体移动距离越长 大车机构的海侧轮压约625 kN.陆侧轮压约 385 kN.与实际情况比较吻合。

表 l 大 车机构模拟试验的工况大车机构的加速时间和运行速度基本不影响其轮压的大校不同运行速度时大车机构的轮压和整机位移 ，见图 1。

H寸 ，寅图 1 不 同运行速度时大车机构的轮压和整机位移当大车机构海、陆侧的车轮数量发生变化时.虽然大车自重有所增加.但随着车轮数量的增多.大车机构海、陆侧的轮压都相应减小，增加车轮数量有利于减小大车车轮与轨道之间的轮压 .这与实际情况- 致。车轮数量不 同时大车机构 的最大轮压。见表2；不同车轮数量大车机构的轮压曲线，见图2。

表 2 车轮数量不 同时大车机构 的最大轮压时 I图 2 不 同车轮数量大车机构的轮压 曲线在运动起始阶段.大车机构轮压的仿真数据并不稳定.由机构尚处于非静平衡条件下进行仿真计算时的瞬态响应所致.可通过预先进行静平衡分析消除瞬态响应[6q 由于本研究中的机构存在多点接触。很难达到静平衡状态。因此可在机构处于静止状态时开始仿真计算.当机构达到平衡状态后再使其运动.数据分析时只取稳定状态下的数据。如图2中在仿真计算开始2.0 s后就可基本消除机构的瞬态响应∩取 2.0 S后的数值作为试验数据。由于大车位移和海、陆侧轮压等数据的变化趋势与实际情况基本吻合.可验证岸桥虚拟样机的正确性。

z 、 辑· 20· 港 工 技 术 第 50卷3 结 语基于 Adams软件提供的参数化建模工具构建岸桥整机的参数化模型.与 VB.Net和 SQL Server数据库技术相结合.搭建岸边集装箱起重机快速自动化分析平台.重点介绍在 Adams中-次性完成复杂建模的方法.通过修改相关参数即可完成系列产品模型的分析 以某型号岸桥作为基础研究对象进行模拟试验.验证岸边集装箱起重机快速自动化分析平台的正确性和实用性.可为岸桥的工程设计提供参考