港口机械数字化设计与关键技术研究

王伟，姚立权，赵春雨

（1.辽宁卓异装备制造股份有限公司，辽宁 营口 115004；2.辽宁绿港科技有限公司，辽宁 沈阳 110000）

港口机械数字化设计是数字化港口建设的重要内容，对推动港口机械的服务能力具有积极的作用。而港口机械制造企业，为满足数字化港口的需求，可通过港口机械数字化设计，提高机械的生产能力与管理能力。基于此，本文结合实际情况，研究分析港口机械数字化设计与关键技术，并主要以桥式抓斗卸船机为对象，实现数字化设计，详细内容如下。

1 数字化设计技术研究

（1）数字化设计的概念。传统的设计方式在当前港口机械的设计中存在力不从心的情况，对港口机械的精密化、智能化发展适应性不佳，再加上信息技术的发展与进步，使得数字化技术成为港口机械设计的基础。数字化设计可分为设计部分和数字化部分。其中，设计是结合某种目的，实施具有创造性的工作，而数字化则是借助数字描述信息，是在二进制基础上完成的。二者的结合，可以实现产品的生产。数字化设计包含了参数化建模、有限元分析和设计优化等内容。数字化设计不仅可用于港口机械设计，还能有效的用于其他产品制造。运用数字化设计可以更为满足用户的需求，并顺利降低设计成本，保障制造企业获取更大的收益。

（2）数字化设计的国内外研究现状。随着行业竞争逐渐激烈，为确保产品的质量，设计人员加强了对数字化设计的研究。国外研究者对数字化设计的起步较早，成果也更多。美国研究人员提出了一种基于内容的搜索技术。韩国首尔国立大学的研究者，提出了采用2 步相似的B-REP 的文件对比分析，可有效的提高相似零件的查找效率。国外研究者在结构优化中，主要运用改进的遗传算法，Furuta 等改进遗传算法进行研究，并提出了一种自适应的调整方法。

国内对数字化设计的研究起步比国外较晚，但是，也取得了一定的成就，推动了国内数字化设计的发展。武汉理工大学对龙门起重机结构的数字化设计中，选用Pro/ENGINEER实施三维造型和仿真模拟，再选Pro/TOOLKIT、APDL 二次开发语言，于VC++2008 环境下，实现了更好的设计。南京理工大学的研究者构建了压铸模数字化设计系统，达到优化设计，减少成本，提高质量的目的。西南交通大学的研究者，对桥梁支座的数字化设计研究中，构建了典型支座参数化样机，保障了支座的设计效果，并为设计人员减少了重复工作。

2 港口机械数字化设计

现结合港口的机械产品中的桥式抓斗卸船机为例，对它进行港口机械数字化设计，详细内容分析如下。

（1）金属结构的参数化建模。桥式抓斗卸船机是重要的港口机械类型，其主要负责装卸工作，它的结构复杂，由主梁、门架系统和拉杆系统几个部分组成。在具体的参数建模中，为保障建模效果，可选用UG、UG 二次开发工具和Visual Studio2010 等。具体的参数化建模中，选用UG实现对卸船机的参数化三维实体模型构建，再选择Visual Studio2010 对相关程序进行编写，实现对参数化模型的构建。在三维实体模型的基础上，运用有限元动静态分析，实现卸船机的金属结构数字化设计。

具体的建模中，需要注意建模顺序的控制。从主梁开始参数化设计，并构建三维模型，在此基础上，依次进行梯形门架、小门架、拉杆等的参数化设计。注意模型建立时，应先构建三维模型，选用VS210 进行相应应用程序框架创建，编写程序等工作，从而实现参数化模型设计。

（2）金属结构的有限元动静态分析。在参数化模型的基础上，进一步构建有限元模型。有限元模型选用ANSYS 软件。如图1 所示，为主梁结构的有限元模型。

图1 主梁的有限元模型

针对上述主梁有限元模型，对具体的参数进行描述，其中梁高H 为1900mm，翼缘板宽度W1200mm，两腹板间宽度B为1128mm，翼缘板厚度t 为14mm，腹板厚度s 为12mm，梁的长度L84800mm，双梁间距D 为2000mm。在ANSYS 软件的支持下，可实现几何模型与有限元模型的建立。

有限元模型建立完成后，则实施动静态分析，对卸船机结构强度和挠度展开静态分析，再使用动态分析对谐响应等进行分析。之后对卸船机的荷载、荷载组合进行分析。以荷载组合情况为例，如下公式为荷载组合I、II、III 的荷载组合情况。

结合实际情况对荷载及荷载组合进行计算。具体的工况主要包括：（1）移动荷载作用于大梁端，结合自重、起升载荷，小车运行机构与大车机构的制动，忽略风荷载。（2）移动荷载作用于前拉杆与前大梁连接位置，考虑自重，考虑机构制动，忽略风荷载。（3）移动荷载作用于前大梁中，考虑自重，考虑制动，忽略风荷载。在上述3 种情况下，分别对风荷载进行考虑，实现6 种工况的研究。

有限元静态分析时，主要包括静力学强度与挠度2 个指标。其中静力学强度的计算中，计算准则是α ≤[α]=α1/n，其中，α 描述危险点用力，α1为屈服极限，n 为安全系数，[α]描述许用应力。而对于挠度的计算，则f ≤[f]，其中f 为静挠度，[f]描述许用挠度。上述分析属于模态分析，进行模态分析，可避免结构共振。还可以了解动力载荷的响应。

（3）金属结构的优化设计。为进一步实现对港口机械数字化设计，需要在上述模型分析结果的基础上，需要对金属结构进行优化设计。确保前后大梁在危险工况下，应力能小于许用应力，从而保障结构安全。在金属结构优化设计中，可遵循如下步骤：①确认优化目标。在对金属结构的优化中，将质量、体积、动力学性能等作为优化目标。实现对结构解析，结合静平衡方程和运动方程等进行描述。②建立优化设计目标模型。数学模型包括3 大内容，主要包含函数、设计变量和约束条件。对于复杂的实际问题，无法直接使用数学模型完全描述，则可通过对问题的简化，确保问题可用数学模型描述出来。③优化方法的选择。可供选择的优化方法包括一维、多维的优化方法、多目标的优化方法、遗传算法等，合理对这些优化方法进行选择，保障金属结构的优化效果。需要注意，优化方法应该与实际相结合，确保优化水平。④获取最优结果。结合优化方法，计算得出最终结果，再对结果进行判断，明确其是否符合需求，如果不符合，则需要再次进行优化，或选择其他优化方法。如图2 所示，为优化设计的基本流程图。

借助数字化设计，可实现对港口机械的制造与生产，确保机械在危险工况下仍旧保持良好的工作状态，并根据金属结构的优化，确保港口机械的强度、刚度和稳定性，实现优化设计，并且可以减少原有的材料消耗情况，降低港口机械的成本。

3 港口机械数字化设计的关键技术

结合港口机械数字化的基本情况，对数字化设计中的关键技术进行简单阐述，详细内容如下。

（1）UG 二次开发平台。它是实现卸船机金属结构参数模型的基础。其中UG 属前沿高端软件平台，已经广泛用于航天航空、家电、船舶等领域。它将CAD、CAM 和CAE 融合到一起，实现一体化，满足参数模型构建的需求。而UG 二次开发模块，则具备专用的二次开发语言，简单易于操作。

（2）ANSYS 有限元建模。主要是借助ANSYS 软件实现有限元建模，其具体的系统结构如图3 所示。

图2 优化流程图

图3 有限元模型的通信模块

在实现ANSYS 软件建模中，所使用的语言为APDL，是ANSYS 软件自带的设计语言，不仅满足建模需求，还可为优化设计奠定基础。其中APDL 的功能包括：参数、数组参数、流程控制、访问ANSYS 数据库数据和宏文件等。

（3）模态分析。模态分析又可以被称之为特征值分析，是动力学分析中的基础部分。其典型的无阻尼模态分析的基本方程可用公式（1）描述。

上述方程中，[K]描述刚度矩阵；{Φi}为特征矢量；ωi为特征值，[M]为离散体的质量矩阵。

4 结语

本文研究港口机械数字化设计及关键技术，结合实际对数字化设计进行研究，分析概念及发展。再结合港口机械，选择卸船机作为研究对象，分析卸船机的数字化设计，对参数模型、有限元分析、金属结构优化等进行阐述，最后对具体的关键技术进行分析，实现对港口机械的数字化设计，并满足实际生产需求，优化结构，降低成本，提高生产效率。