基于CATIA的门式起重机建模与分析

曲维英 巩庆涛 孟博巍 周超英 陈洲 刘闽东

摘 要：为了实现产品的快速设计要求，本文探讨了三维建模方法，利用CATIA软件完成起重机三维模型的建立，并对设计的产品模型应用Cosmos Works进行有限元结构分析，通过与实际情况对比分析，验证了其结构的可靠性。

关键词：设计仿真；有限元；CATIA；Cosmos Works

0 绪论

数字化虚拟仿真技术逐渐成为大型复杂机械设计制造必須的手段[1]，应用虚拟技术可以在虚拟环境中映射实际设计生产过程，从而可以在不动用实际资源的情况下，提前对产品的设计进行仿真验证，从而预先进行设计修改和调整生产不合理之处，进而更好的指导现场生产，其是实现数字化、精益化和敏捷化制造的关键技术之一。应用仿真技术实现门式起重机的建模、仿真以及有限元结构分析优化，可以实现验证起重机结构的合理性以及在分析材料属性的基础上，验证起重机的可靠性以达到规范化设计的目的。

1 门式起重机三维建模分析

1.1 CATIA和DELMIA简介

CATIA是法国达索系统公司于1982年推出的三维CAD软件，是一款全面而专业的CAD/CAE/CAM一体化设计分析软件[2]。多年来与客户伙伴间强有力的业务互动不断巩固和增强CATIA的行业领先地位，使其成为汽车和航空工业领域的佼佼者，同时在通用机械和消费品制造、电力与电子、厂房设计、船舶制造等领域不断扩大影响。

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application数字企业精益制造交互式应用）是达索公司旗下的数字化制造（DM）软件[3]。DELMIA聚焦于对复杂制造/维护过程的仿真和相关数据的管理与协同。通过统一的PPR Hub数据通道，将整个PLM解决方案贯穿成一个有机整体[4]。

1.2 门式起重机建模仿真过程

门式起重机仿真分析对模型有较高的精度要求且需实现预定运动，可采用零件设计、创成外型设计、装配设计、MU运动机构四个工作台协同完成[5]。

建模操作前，需对分析对象进行产品结构分解以便于建模操作。门式起重机需模拟的运动状态有：整体沿轨道移动、两台起重小车沿横梁上的轨道各自独立移动、每台小车上的吊钩随吊索伸长缩短而上下运动。按运动机构的装配逻辑把产品分解成零件，便于在零件设计和创成外形设计工作台中对每个零件单独建模，为装配设计奠定基础。经前述工作后，即可在装配设计工作台创建CATIA Product文件，把已建模的零件作为部件调入并利用约束工具栏的对应工具将门式起重机装配完整，并转入MU运动机构工作台编辑定义模型动作。

软件系统提供了两种创建运动副方法：

手动创建：设计人员手工操作，按照规则手动在三维空间中多次选中模型几何元素进行创建，操作繁琐；

基于约束的自动创建：利用已有装配约束定义可实现自动转化成所需要的运动副，操作便捷。

图1.1以旋转接合为例对比分析了两种运动副创建方式。前一种适用于产品的零件未预先定义装配约。对已装配好的门式起重机来说，选择后一种方法更有效率。特别注意，运动副需建立在同一“机械装置”内。

CATIA难以模拟柔性绳索，因起重机吊索和绳索处于受力绷紧伸直状态，故用刚性体替代，可将绳索分成轴线重合的多段来模拟实现其长度的伸缩变化，即伸长时重合部分减少，缩短时重合部分增加，比如吊索由3段30米长的子吊索装配组成，子吊索之间轴线重合并可沿轴线相对移动，添加两个平移运动副和两个长度驱动命令，这样整个吊索可在30米至90米的范围内任意伸缩。如图1.2所示。

仿真是把吊装方案的流程在DELMA可视化地实现出来，对流程的模拟由一系列动作组成，每个动作都是DELMIA Process List中的一个节点，节点动作是组成DELMIA仿真流程的基本单元，节点间存在发生时间和串并行等关系，是由Simulation Activity Creation创建而成。常用功能有视角切换、模型机构运动创建、模型位置与姿态创建、延迟、暂停、显示/隐藏、抓取/松开等。

不同层次工艺过程的模拟逼真度存在差异，可根据仿真需求深化重要细节的仿真效果以追求更真实，次要内容不必在仿真中加以表现，只需考虑其对整个工艺造成的时间和空间影响即可，如图1.3所示。

2 基于Cosmos Works的结构优化

在Cosmos Works中对CATIA建立的模型进行模型简化以进行有限元网格划分。通常在满足一定功能要求前提下，采取特征消隐、理想化或清除等方法优化模型以达到网格划分的要求[6]。同时确定材料属性、载荷、支撑和约束并确定分析类型。如图2.1所示。

将数学模型离散化成有限单元即网格划分[7]，并施加载荷到有限单元网格节点上[8-9]。如图2.2所示。

3 800T门式起重机试验验证

基于上述分析，拟对800T门式起重机展开研究，对其进行结构建模、单元划分、约束定义、载荷处理以及计算分析等工作。根据计算结果的分析和比较，对原方案进行优化以得到更合理的设计方案。

门式起重机的门架结构采用箱型梁，即由上/下盖板、腹板、隔板等钢板焊接而成的箱体梁结构[10]。

3.1 800t门式起重机有限元模型

在分析该门式起重机时，对模型做如下假设和简化：

①将行车行走机构轮子简化为四个支撑腿；小车简化为四个集中载荷，分别放置于其四个轮子位置；

②主梁上的轨道和支腿上的斜梯等未在有限元模型中充分体现，只考虑的它的分布质量；

③只考虑主梁和支腿上可能引起较大应力集中的面积较大的开孔。

④只考虑主梁和支腿上对分析影响比较大的筋板和隔板，如主梁上下盖板处的纵向筋和支性腿弯折处的隔板等。

3.2 800t门式起重机有限元分析

设计的门架满足指定工作能力所需要的强度、刚度是门式起重机设计所需解决的中心问题。主要涉及：研究门吊结构内力分布情况（在各种可能出现的载荷状况下，如：自重、额定负荷、惯性载荷、大车歪斜运行、侧向力等）及数值大小，以校核其强度；主梁在额定载荷下中部的最大静挠度，以克服主梁刚度不足时而使小车时产生“爬坡”现象。

3.2.1 载荷工况

①自重载荷PG：

与结构自重和各杆件截面、长度有关，是垂直向下的均布载荷，在COSMOS中以材料比重常数计入后自动生成各结构部件的重量，考虑到力学模型与实际结构的差异，根据结构件类型将比重常数乘以。

②起升载荷：

即额定起重重力，包括起吊物体的重量Q1、起升系统的重量Q2和小车的重量Q3。考虑到起升动载时，应乘以动载系数。

③小车运行水平惯性力F1：

小车起制动时，由结构重量、物品重量等引起的惯性力。

3.2.2 边界约束条件

在下横梁的下表面选择固定约束。载荷形式有：惯性载荷、集中力载荷和均布压力载荷等，可根据起重机的具体载荷情况为其施加载荷。结构约束载荷如图3.2所示。

3.2.3 网格划分及运行计算

网格化是设计分析过程中一个至关重要的步骤。在门架结构中，各个部件全是薄板零件装配，故采用曲面的壳网格进行网格划分。在网格划分选项中选择草稿品质属性及稍大点的抽壳厚度以提高计算机的运行速度。

3.3 有限元结果分析

利用Cosmos Works进行分析时，本文以Von Mises 值作为应力评价标准值。

等效的Von Mises 应力的计算公式为：

按照实际载荷工况和固定约束的添加可以得出，在起重机正常工作时，最大应力一般产生在主梁上，小车组处于跨中位置为最危险工况，主梁的主腹板与轨道连接处产生最大应力。故需对主梁结构点进行单独校核，通过添加加强筋和开孔等措施来提高强度，满足设计要求。图3.4 为小车位于跨中位置时，起重机的应力云图。

4 总结

通过CATIA对门式起重机进行三维建模、仿真以及有限元结构分析，解决了设计不能预先验证的问题。并在分析软件中通过简化三维模型结构等实现了对原结构的分析验证。本文阐述的一些方法和结论，有利于设计人员更合理地设计门式起重机整体和局部细节，具有一定的实际参考价值，同时为相关领域的研究提供相应的参考。

参考文献：

[1]杨继昌.数字化设计制造技术概论[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2]叶鹏，杨波，熊欣.关于在 CATIA V5 中建立零部件库的方法[J].CAD/CAM与制造业信息化，2011（001）：33-36.

[3]Caie J.Discrete manufacturers driving results with delmia v5 automation platform[J].ARC white paper，2008.

[4]王鵬飞.基于DELMIA的高速冲压生产线运动仿真与优化[D].湖南：湖南大学，2012.

[5]Sawodny O，Aschemann H， Lahres S. An automated gantry crane as a large workspace robot[J]. Control Engineering Practice， 2002， 10（12）： 1323-1338.

[6]孙德华.基于CosmosWorks的构件静强度与刚度分析[J].安徽职业技术学院学报，2005.

[7]刘国良，刘洛麒.SolidWorks2006完全学习手册-图解CosmosWorks[M].北京：电子工业出版社，2006（8）.

[8]王明强，朱永梅，刘文欣.有限元网格划分方法应用研究[J].机械设计与制造，2004（1）：22-24.

[9]徐伟.大型港机结构CAD/CAE一体化关键技术研究及实现[D].上海：上海海事大学，2005（8）.

[10]武进福，韩刚.基于断裂力学的起重机焊接箱形梁疲劳寿命估算[J].重型机械， 2012，1：6