ProE在耙吸挖泥船吊架设计分析中的应用

于国跃 丁 勇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

ProE在耙吸挖泥船吊架设计分析中的应用

于国跃 丁 勇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

应用基于特征的三维软件ProE对耙吸挖泥船耙中吊架进行建模、有限元分析和运动仿真研究，提出吊架参数化、可视化的设计思路，并总结了ProE用于吊架设计分析的优点。结果表明：ProE的应用是提高吊架设计效率，保证设计质量行之有效的方法。

耙吸挖泥船；吊架；ProE；建模；有限元分析；运动仿真

引 言

社会经济的日益发展，对挖泥船的服务领域有了更多要求，这促使挖泥船朝着大型化、自动化、高效率的方向发展。［1-2］随着耙吸挖泥船舱容、作业深度不断增大，耙吸管长度与质量也随之渐增，用于起吊耙吸管的吊架载荷也不断加大。为了保证耙吸管吊架结构的可靠性，需要重新对吊架进行设计和校核。但传统的二维AutoCAD设计思路，不仅绘图工作量大，图纸的设计修改工作也非常繁琐，而且吊架结构强度只能用传统的经验方法进行计算校核。这些不便因素在很大程度上影响了吊架设计质量的稳定性，且延长了吊架的设计周期。为了提高吊架的设计效率，本文以85 m深水耙吸挖泥船耙中吊架为研究对象，应用参数化三维设计软件ProE，对耙吸管吊架进行建模、有限元分析和运动仿真研究，为吊架的设计提出了参数化、可视化的思路。

ProE是美国PTC公司推出的一款集CAD/ CAM/CAE功能于一体的综合性三维软件，它将尺寸看作可变的参数，尺寸修改后模型会立即重新生成。Mechanica Structure和Mechanism是ProE重要的两个分析模块，前者是集静态、动态于一体的有限元模块，能模拟真实环境，对模型进行静态、动态、模态等多种分析；后者用于机构分析，能进行机构运动仿真演示、运动干涉检测等。它们能够实现和ProE的完全无缝集成，能将吊架的设计和分析有机结合起来，实现智能化设计。［3-6］

本文中85 m深水耙吸挖泥船是我国目前自行设计和建造的舱容量最大、疏浚作业最深、技术水平先进，功能齐全的超大型耙吸挖泥船（见图1），目前该船已投入运营。［7］

图1 85 m深水耙吸挖泥船

1 吊架建模

吊架是保证耙吸管安全有效作业的重要设备。它与绞车配合，将耙吸管从舷内移到舷外，并将其下放入水中，并将耙吸管调整到所需的工作角度，使耙头在不同水深进行挖泥作业。大型耙吸挖泥船挖深大，耙吸管较长，一般配有耙头、耙中和弯头等多个吊架，本文选取耙中吊架进行分析研究。

1.1 耙中吊架组成

耙中吊架主要由固定吊架本体、枢轴式A字架、使A字架在舷内外移动的液压油缸、吊放耙吸管的导向滑轮及衬套等组成。

1.2 模型创建

ProE是一个基于特征的参数化实体模型系统，而任何部件皆由一系列特征构建而成。［4］

建模前，首先需要对吊架深入剖析，分解各个组成部件的特征，明确各个特征形状以及特征之间的相对位置和表面连接关系，然后根据特征的主次关系，确立特征的建立顺序。在创建模型过程中，合理选取参照基准，使用拉伸、旋转、混合、镜像、阵列等命令逐步创建模型特征。建模中所选的基准和特征建立的顺序直接影响着吊架后期的可修改性和可理解性。根据吊架功能和结构设计要求，逐个建立吊架各部件的三维模型。如图2、图3和图4所示，为吊架部分组件的三维模型。

图2 吊架本体

图3 A字架

图4 导向滑轮

1.3 模型装配

完成吊架各部件的三维建模后，在ProE“组件”模块中进行吊架的模拟装配。吊架各部件之间通过关联条件建立约束关系来确定部件在装配中的位置，元件与组件之间的关联性可保证当某个部件被修改时，引用它的组件将会自动更新，这是ProE参数化设计的高效率体现。通过模拟装配可以检查吊架各个部件的相对位置和干涉情况。

装配时有两种约束方式：一种是“放置”，给元件加入各种固定约束，将元件自由度减少至0；另一种是“连接”，给元件加入各种组合约束，如“销钉”、“圆柱”等等，保留元件的一个或多个自由度，通过“连接”方式装配的元件可在运动分析时获得特定的运动。［5］图5为吊架的装配模型，其运动部件均以“连接”方式定位，可用于运动仿真研究。

2 吊架有限元分析

图5 吊架装配图

吊架的结构强度取决于耙吸管起升绞车的最大起吊能力，而绞车的最大起吊能力是在耙吸管处于最大受力状态时求得。吊架承受的主要载荷有吊重载荷、自重载荷以及风、浪载荷等。由于风、浪载荷对吊架影响较小，本文主要考虑吊架吊重载荷和自重载荷的影响。计算时涉及起吊系统滑轮的效率、动态系数、以及耙吸管处于一些特殊状态下的受力状况。通过计算，考虑双索拉力后的吊架最大吊重为2 250 kN。下面主要针对吊架本体和A字架，探讨ProE的有限元分析过程。

分析过程主要分为预处理阶段以及求解和后处理阶段。［6］

2.1 预处理阶段

定义吊架部件的材料特性，给吊架部件添加适当的约束和有效的载荷。这些是模拟真实吊架受力状态非常重要的因素，是Mechanica Structure模块进行结构分析的基础。

（1）定义吊架模型材料：在材料库中选择相应材料Steel，其特性根据实际使用材料的特性进行修改，包括：密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数等参数。

（2）给吊架模型添加约束：吊架本体的底面焊接于船体，其自由度为0；A字架可绕枢轴旋转，有1个旋转自由度。

（3）施加载荷：吊架本体和A字架的载荷主要通过旋转轴作用于圆孔上，在Mechanica Structure模块中以轴承载荷的形式加载。为了体现部件重力的影响，定义重力加速度模拟部件重力。

2.2 求解和后处理阶段

完成上述预设置后，新建立模型Static静态分析任务，设置收敛方式为Single-Pass Adaptive；运行分析，Mechanica Structure后台对模型进行自动网格划分、建立方程、求解方程等一系列工作；待分析结束后，可用云图、等值线、图表等多种方式显示分析的结果。图6、图7分别为吊架本体和A字架有限元分析的应力云图。

图6 吊架本体应力云图

图7 A字架应力云图

从分析结果可以看出，吊架本体和A字架主体的最大应力分别为：100 MPa、200 MPa，其应力值都在材料允许范围内，整体强度满足要求；仅有少数加强筋板处局部应力集中，如图6、图7所示，其最大应力值超出许用范围。由于吊架构件均由塑性材料加工而成，通常可以不考虑静载作用下应力集中对构件强度的影响，同时可采取构件外形圆滑过渡的措施来降低局部应力集中。

3 吊架运动仿真

通过ProE Mechanism模块模拟吊架的运动过程，对吊架设计进行模拟仿真校验，可实现如图8所示运动仿真流程。［4］

图8 运动仿真流程

运动仿真的关键是运动模型的建立，我们在上述装配吊架的过程中，已经为吊架的运动仿真做好准备，通过“连接”的方式装配吊架。装配后的吊架与实际情况保持相同的自由度：A字架和吊架本体、油缸套和吊架本体以及活塞杆和A字架的铰接处均只有一个方向的旋转自由度，活塞杆和油缸套之间也只有一个沿轴向平移的自由度。我们用“销钉”连接方式替代铰点，用“滑动杆”连接方式替代油缸活塞杆的伸缩。

运动模型建立后，设置吊架的运动环境是运动仿真的一个必要环节：实际工作中，液压油缸为驱动吊架运动的动力源，为了在Mechanism模块里给油缸赋予同样的动力，我们给油缸添加一个伺服电动机，可使油缸产生平移运动。油缸的运动特性可通过伺服电动机的参数进行控制。Mechanism模块提供多种运动分析的类型，不同类型对应不同的分析要求。本文我们仅对吊架进行单纯的运动分析，不考虑外力因素的影响，故设置吊架运动仿真的类型为“运动学”，给定仿真动画的结束时间、帧频、最小间隔等参数（仿真模型见图9）。

图9 已设置运动环境的吊架模型

做好上述准备工作后，可运行吊架分析任务。分析完成后，回放、测量功能可以用来了解吊架运动过程。回放中选取“全局干涉”，动画中会以红色区域显示吊架运动的干涉部位。

通过吊架运动仿真，能够更为直观地了解吊架运动过程；可检测出运动干涉区域，便于提前获知设计中出现的问题，减少设计失误造成人力、物力上的损失。

通过回放，在A字架的设计旋转范围内，吊架各部件之间没有干涉情况发生。

4 结 论

综上所述，ProE提供了参数化三维建模，并给出二维图、有限元分析以及运动仿真的吊架设计集成化解决方案：

（1）ProE为吊架设计提供了可视化思路，使原来在二维图纸上难以表达的部分变得直观且易于理解。

（2）ProE的参数化特点，使吊架设计修改更为方便，可以大幅地提高设计过程中图纸修改的效率，不像AutoCAD中那样麻烦。

（3）ProE和 Mechanica Structure、Mechanism等模块的无缝集成，使得ProE可以很方便地在不同模块间进行切换，这让吊架的设计校验和优化更为方便实效，不需要重复导入、导出模型的工作，避免因处理IGES等文件格式的数据丢失而对几何模型进行的修补，大大减少了工作量。

本文的探索证实了ProE应用是切实可行的。相对于传统的AutoCAD，ProE的应用将带来船舶装备设计手段上的又一次革新。

［1］刘厚恕. 国内外大型耙吸挖泥船发展综述［J］. 上海造船，2006（4）：20-23.

［2］陈曙梅，汪战军，杨东亚.浅谈耙吸挖泥船的结构设计优化［J］. 船舶，2012（1）： 29-32.

［3］黄圣杰，王俊祥. Pro/Engineer 2001 基础及应用教程［M］. 北京： 电子工业出版社，2002.

［4］李预斌. 精通Pro/Engineer中文野火版-实例进阶篇［M］. 北京： 中国青年出版社，2004.

［5］祝凌云，李斌. Pro/Engineer运动仿真和有限元分析［M］. 北京： 人民邮电出版社，2004.

［6］张继春，徐斌，林波. Pro/Engineer Wildfire结构分析［M］. 北京： 机械工业出版社，2004.

［7］仲伟东，费龙.“通程”号超大型耙吸挖泥船开发设计［J］. 上海造船，2011（2）： 29-32.

Application of ProE on design and analysis of gantry for trailing suction hopper dredgers

YU Guo-yue DING Yong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper carries out the modeling, fi nite element analysis and motion simulation study of the gantry for the trailing suction hopper dredgers based on the characterized 3D software ProE. It puts forward the design concept of the parameterization and visualization of gantry, and summarizes the advantages of the application of ProE to the design and analysis of gantry. The results show that the application of ProE is e ff ective to improve gantry design effi ciency and ensure the design quality.

trailing suction hopper dredger; gantry; Pro/Engineer; modeling; finite element analysis; motion simulation

U671.91

A

1001-9855（2014）04-0105-05

2014-02-21 ；

2014-04-12

于国跃（1984-），男，工程师，研究方向：船舶特种机械设计与研究。 丁 勇（1979-），男，高级工程师，研究方向：船舶特种机械设计与研究。