起重机参数化技术应用研究综述*

刘金 黄国健 王新华 陈敏 彭启凤

（广州市特种机电设备检测研究院研发中心）

0 引言

起重机是国民经济建设的重要基础设施，也是与人民群众生活关系极其密切的设施[1]。确保起重机的安全，对于保障人民群众的生命、财产安全具有重要意义。随着社会的进步，对起重机的安全也提出了更高要求。为确保起重机的安全，从设计阶段就应充分考虑安全因素，使用过程中再进行安全评估和维护。

参数化技术就是将一系列数值参数用变量代替，用程序表达几何参数与结构参数之间的关系，调用绘图语句来描述图形的拓扑关系，因此只需修改参数变量值，就能快速完成新的模型或计算。参数化技术广泛运用于各行各业，如起重机、建筑、车辆、服装等[2]。应用参数化技术能缩短起重机研发周期，有利于进行起重机结构优化设计，也能在起重机安全评估中发挥重要作用，使起重机不断朝着安全节能的方向发展。

1 参数化基础研究

自从参数化技术应用于起重机领域，便不断地推动起重机技术的进步。国内外研究人员都对参数化技术在起重机领域的运用展开了广泛深入地研究。

国外软件厂商针对参数化技术做了大量基础研究，取得了较显著的成果。国外学者开发了很多具有参数化模块的通用软件[3-4]，如早在1985年，PTC公司就开发出了Pro-ENGINEER V1.0；此外，类似的软件还有SolidWorks、Unigraphics等。另外有限元软件也为参数化提供接口，一些主流的有限元分析软件提供了对其二次开发的语言，例如：ABAQUS可采用Python脚本语言，ANSYS提供了对其二次开发的APDL语言。参数化语言作为一种高效的参数化建模手段，可以更加有效地进行分析和计算，使二次开发变得相对容易。

国内外学者在参数化应用方面做了大量的基础研究工作。例如在弹性形体的形状优化方面，Edwin等提出了一种基于参数化的设计方法，该方法在设计模型的问题定义上采用了基于几何模型的定义方式，同前人相比，该方法的最大特点是将商用软件 CAD（PRO/E）和有限元分析软件（ANSYS）进行连接，将它们直接引入到形状优化设计系统，借助这些软件中提供的参数化几何建模、网格划分、有限元分析等功能，为优化过程服务[5]；Mun Duhwan等对参数化设计进行了研究，其目的是为了实现设计自动化，提高工作效率[6]；Bhatt则在其著作中对结构动态分析的参数化进行了深入研究[7]；Rafael Sacks对预制混凝土结构进行了三维参数化建模的研究，该方法可广泛运用在混凝土结构中[8]；吉林大学的李文辉教授团队围绕参数化设计中涉及到的几何约束求解、多解问题处理、自动特征识别、数字水印等问题均展开了较深入地研究[2]。

2 参数化技术在起重机上的应用

随着参数化建模技术的日渐成熟，其在起重机上的应用也开始增多。研究的热点主要围绕起重机的参数化建模、参数化仿真与参数化设计3个方面。

2.1 参数化建模

起重机参数化建模是用参数而不是数字建立和分析的模型，因此通过简单改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型。参数化建模是起重机参数化技术应用深入研究的基础[9-10]。

2.2 参数化仿真

在起重机参数化模型的基础上，将模型导入有限元分析软件，载荷和边界条件均能实现参数化，通过指定分析类型，便可进行参数化仿真。参数化仿真在起重机领域运用广泛，主要可运用在参数化设计、参数化计算平台、起重机事故反演、起重机安全评估等领域。参数化仿真在参数化设计中主要起计算作用，参数化设计系统根据仿真结果做出判断，以不断优化结构设计。

武汉理工大学的王贡献教授团队提出一种基于接触理论的起重机轴系强度计算方法，该方法综合采用结构参数化设计和有限元接触计算法，开发了一套针对起重机轴系强、刚度和接触应力的参数化计算平台[11]；武汉理工大学的刘志平教授团队利用参数化仿真技术建立了一个专用的门座起重机富余承载能力分析平台，运用此平台，用户只需输入相关参数，系统就能通过参数化仿真对门座起重机的富余承载能力进行分析[12]。

参数化仿真在起重机事故反演研究中也占有重要地位，其突出优点是能进行双向反演：1) 通过修改参数，能预测出将要发生的事故；2) 通过设定发生的事故作为边界条件，能推测出发生该事故时的相应参数变化[13-14]。

对起重机进行安全评估，尤其是针对大型起重机械，通常进行仿真分析，但常规的仿真分析需耗费大量时间，延长了出具安全评估报告的时间。广州市特种机电设备检测研究院针对该问题，提出在起重机安全评估中引入参数化仿真技术，这样可以大大缩短出具安全评估报告的时间。以桥式抓斗卸船机安全评估为例，采用参数化仿真技术将使安全评估报告的出具时间由原来的15个工作日缩短为4个工作日，可大大节约时间成本，提升评估机构的市场竞争力[15]。

2.3 参数化设计

起重机设计是生产起重机的基础，只有好的设计，才能制造出安全节能高效的起重机。随着经济建设的快速发展，用户不仅对起重机本身的性能要求越来越高，而且要求尽可能缩减设计周期[16]。

参数化设计适用于设计过程较为稳定或结构形式基本确定的产品，例如同类型起重机的设计。在设计起重机时，设计参数繁多，计算公式复杂，采用常规人工设计不仅效率低下而且容易出错，利用参数化设计则不仅快速准确且方便对多个方案进行对比以得到最优设计结果[17]。参数化设计具有无可比拟的优势，起重机行业对此展开了广泛的研究。

武汉理工大学的李勇智教授团队对一种新型的臂桥架起重机桥架结构的参数化设计进行了深入研究，通过分析各工况臂桥架结构各部分的受力，建立了臂桥架结构的参数化模型。在此基础上，对臂桥架结构进行了静力学分析、模态分析、瞬态分析等，最后开发出了一套方便、实用的臂桥架结构的参数化设计系统[18]。

大连理工大学的苗明教授团队对流动式起重机伸缩臂的参数化设计进行了深入研究，伸缩臂不同于普通臂架，其臂架组合方式不同就会产生各种不同的工况，传统意义上每一种工况均需要重新建立模型，而该团队对建模及受力过程均实现了参数化，大大减少了工作量，最后在此参数化模型基础上进行了结构静力分析、模态分析等，并开发了一套参数化设计系统[19]。

武汉理工大学的徐长生教授团队为改善桥式起重机相对落后的设计方法，引入模块化思想，将桥架进行模块划分，基本模块包括主梁、端梁、附属钢结构等，采用完全模块化的参数化设计，经实际应用验证，该方法大幅度地提高了设计效率和设计质量[20]。

中北大学的王宗彦教授团队等则将参数化设计与并行工程思想、协同化设计、云计算理念等有机结合起来，进一步提高了参数化设计的效率，增强了参数化设计的生命力[21-24]。文献[21]结合知识重用与并行工程的思想，以多用户端、单工作站、单服务器的体系结构，根据桥式起重机的结构特点和工作原理，利用参数化设计技术、模块化技术、CAE分析技术，研究了面向并行工程的桥式起重机参数化设计系统，实现了桥式起重机参数化快速并行设计。图1为以产品为核心的并行参数化设计模式图。文献[22]针对传统设计中信息共享程度低、设计目标与结果不一致、重复劳动多的问题，在分析串行设计中存在诸多弊端的基础上，提出一种面向并行工程的参数化协同设计方法。文献[23-24]针对起重机行业设计领域设计成果重用度低、设计方法难共享、设计人员交差工作时间长等问题，运用当前热门的云计算技术，提出了云设计的概念，分析了云构架下在线协同设计中信息交互冲突和资源共享的问题，结合起重机参数化设计技术和云平台并行工作原理，开发了基于云计算的起重机网络协同参数化设计系统。

图1 以产品为核心的并行参数化设计模式图

武汉理工大学的李和平教授团队对卸船机前大梁结构的参数化设计进行了深入研究，运用Pro/E软件建立了卸船机前大梁结构的参数化模型，在此基础上进行了力学分析，并运用MATLAB软件和遗传算法的相关知识，提出了一种卸船机前大梁结构的优化设计方法[25]。该方法较创新地将参数化设计与遗传算法进行有机结合，构建一种优化设计方法。

三一重工的黄进前等以专家系统和模型库为支撑点，针对目前CAD技术在起重机设计、计算过程中的应用现状，开发了基于事物特性表的岸边集装箱起重机参数化设计系统，该系统可根据用户输入的需求，通过知识库、模型库系统来实现岸桥知识和设计经验的重复使用，产生岸桥的总体配置方案，并由配置方案提供驱动参数驱动，实现对岸桥机构件进行计算选型[26]。

参数化设计不仅可运用在起重机主体金属结构的设计上，还能运用在起重机零部件的设计上。太原科技大学的张亮有教授团队利用Pro/E中的二次开发工具，对卷筒的参数化设计展开了研究，可大大提高卷筒设计的效率[27]；中北大学的王宗彦教授团队通过分析桥式起重机小车架的结构特点，结合模块化思想，提出了小车架的参数化设计方法，该方法也可显著提高小车架设计效率，缩短设计周期[28]。

3 小结与展望

随着社会的进步，人们对起重机提出了更高、更严格的要求，在确保起重机安全的前提下，还需尽量节约成本。围绕国家对起重机提出安全节能的要求，并结合参数化技术在起重机领域发挥的重要作用，以下研究课题可供参考：

1) 降低参数化建模的难度，以进一步提升参数化建模的效率。该项研究工作主要由软件开发机构完成，重点研究方向有：① 降低参数化建模的操作难度，提高界面友好性；② 增强软件参数化建模的智能化，能自动检测参数化模型的错误并修正。

2) 提升参数化仿真的能力，扩大参数化仿真的运用领域，重点研究方向有：① 进一步提升参数化仿真在参数化优化设计中的运用，以不断实现结构的轻量化；② 开展参数化仿真在起重机事故反演中的应用研究；③ 开展参数化仿真在起重机安全评估中的应用研究。

3) 重点研究起重机参数化设计，因为设计的优劣直接关系到起重机的质量，重点研究方向有：① 开展参数化优化设计，例如可以将参数化设计与遗传算法进行有机结合；② 不断吸收新理念和新技术，提升参数化设计水平，例如通过引入模块化、并行工程、协同化设计、云计算等思想理念，增强参数化设计的生命力；③ 开展起重机关键零部件的参数化设计。

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