双梁桥式起重机箱形偏轨主梁CAE设计方法*

戴涛旭，王全先，裴看看，张 恒

(1.安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243002; 2.特种重载机器人安徽省重点实验室，安徽 马鞍山 243032)

主梁是桥式起重机中最重要的关键部件，设计要求极其严格，传统的设计方法通常是进行计算校核、绘制图形以及ANSYS分析等，设计周期长。构建桥式起重机主梁的CAE集成系统，运用计算机代替手工进行计算与绘图，可通过人机交互，最大限度地发挥设计人员的创造力和经验[1]，提高桥式起重机的设计效率和质量[2]。

钢结构是整台起重机的骨架，用以装置起重机的机械、电气设备，支持被起吊的重物，承受和传递作用在起重机上的各种载荷[3]。桥式起重机的主梁有多种结构形式，箱形结构是被广泛采用的形式之一。对于偏轨箱形梁，由于轨道偏置在一块腹板上，可以省去一些作为轨道支承用的小加肋板，减小了小车轨距，大大降低了小车重量，同时减少了焊接量[4]，故双梁箱形偏轨主梁得到了越来越多的应用。笔者以双梁桥式起重机箱形偏轨主梁为研究对象，使用Creo软件建立双梁箱形偏轨主梁的初始三维模型，然后在VB平台上开发双梁桥式起重机箱形偏轨主梁CAE设计系统，调用ANSYS软件对其进行有限元分析，快速实现双梁桥式起重机箱形偏轨主梁的结构设计和有限元分析工作，克服了传统设计方法设计工作量大、容易出错、且不利于反复修改再设计的缺点，为实际工程应用提供了一个强有力的设计工具。

双梁箱形偏轨主梁的断面图如图1所示，其结构设计的主要工作是进行钢结构尺寸设计并验算尺寸的合理性，在满足设计要求的条件下，尽可能地减少主梁重量以节约制造成本。

图1 双梁桥式起重机箱形偏轨主梁断面图

1.1 双梁箱形偏轨主梁建模

首先根据10T-22.5 m型双梁箱形偏轨主梁的尺寸建立偏轨主梁的初始模型。在Creo软件中绘制双梁箱形偏轨主梁模型，模型主要包括上盖板、下底板、两块腹板以及方形钢轨道。上盖板和方形钢轨道可通过RIGHT面建立断面图，然后向两侧拉伸，与端梁连接的部分可任选一端进行绘制，然后以RIGHT面为镜像平面进行镜像。绘成的双梁箱形偏轨主梁模型如图2所示。

图2 双梁箱形偏轨主梁模型示意图

1.2 有限元前处理

文中在Creo软件中对双梁箱形偏轨主梁模型进行网格划分和施加约束载荷等前处理操作，最后生成有限元模型再导入ANSYS软件中进行有限元分析。此方法汲取了Creo软件和ANSYS软件各自的优点，为双梁箱形偏轨主梁CAE系统的开发建立了基础。

1.3 双梁箱形偏轨主梁CAE系统的搭建

建立好初始模型，以可视化的VB平台为基础，搭建双梁桥式起重机箱形偏轨主梁CAE系统，实现三维模型设计和有限元处理的自动化。搭建系统所需要的关键技术就是利用VB对Creo软件和ANSYS软件进行一定程度的二次开发。通过二次开发，设计人员只需输入设计尺寸，系统在后台完成双梁箱形偏轨主梁的模型设计，然后调用ANSYS软件进行有限元求解，从而实现双梁桥式起重机箱形偏轨主梁的快速设计开发。

2.1 AGW的连接

Creo的二次开发方式有很多，其中以AGW软件为桥梁，利用VB对Creo进行二次开发是相对方便快捷的。AGW(Automation Gateway)是RAND公司开发的针对 Creo软件的二次开发工具, 与 Creo系统自带的二次开发工具 Pro /TOOLKIT相比，具有简单易用等优点[5]。AGW软件可以分别访问Creo和VB的数据库，并在其间传递数据，从而达到利用VB对Creo进行二次开发的目的。

首先将AGW与Creo建立连接。在电脑桌面先后打开Creo软件和AGW软件，AGW打开后会自动连接Creo，当屏幕上出现如图3所示的“Successful！”提示信息时，表明连接成功。

图3 AGW和Creo连接成功示意图

2.2 调用Creo快速设计

调用Creo进行快速设计，就是通过编写代码控制Creo自动完成模型重绘。文中双梁箱形偏轨主梁的结构设计是在一个提前建好的三维模型的基础上，通过系统读取该基础模型的尺寸参数信息，然后输入修改后的新模型的尺寸参数，并通过AGW传递给Creo，Creo再自动修改尺寸参数，生成新的双梁箱形偏轨主梁三维模型。通过对双梁箱形偏轨主梁模型的设计参数的识别、提取、修改，从而实现双梁箱形偏轨主梁的参数化结构设计。所以，文中所设计的系统并不是直接控制Creo进行草图绘制、创建特征等操作，而是在已有模型的基础上进行重绘，从而实现利用VB调用Creo对双梁箱形偏轨主梁进行快速设计。

所用到的主要代码如下。

Public RGateway1 As New GwayAX，对全局变量的声明。Public是VB声明全局变量的一种常用方式，RGateway是定义对象的简称，GWayAX是添加的AGW的一个插件。通过全局变量的声明，VB就能访问AGW的函数库了。

指令ModelRetrieve(modelname)，可以将双梁箱形偏轨主梁的基础模型存入到内存中，modelname是模型所在位置。

SessionSetCurrentModel，将内存中的模型调出，然后显示在Creo中，该函数需与ModelRetrieve函数组合使用。

RGateway1.DimensionGetValue(“d0”)，将该值赋值给文本框来获取Creo模型的特征尺寸，特征尺寸是Creo模型的基本尺寸，如图4所示，为双梁箱形偏轨主梁的部分特征尺寸示意图。

图4 双梁箱形偏轨主梁模型特征尺寸图

d0=RGateway1.ParamSetValue，在指令后给定特征尺寸的代号以及文本框名称，即可将修改后的尺寸反馈给Creo，此处d0为输入的新模型的其中一个尺寸值。

RGateway1.ModelRegenerate，该函数的功能是模型重生，通过上一步，Creo收到了新的特征尺寸的信息，此处函数使得Creo按照新尺寸对特征尺寸重新定义。

RGateway1.WindowRepaint，该函数是在ModelRegenerate函数生效后，对模型进行重绘。至此，就实现了双梁箱形偏轨主梁的模型修改。

2.3 编写计算书

编写计算书，将设计好的尺寸和部分程序代码输出为文本文件，方便设计人员查看。文中采用Output语句将程序数据输出到文本。Output方式打开的文件是用来输出数据的，可将数据写入文件，即写操作。所用到的主要代码如下。

Dim lj AS String

lj=”C：Users”&”说明书”&”.txt”

if Dir(lj)=””Then

Open lj For Output As #1

Print #1,

……

语句中，” C：Users”为文本的储存路径，若该路径为空，则系统打开新文本并输入数据；
#1则代表计算书文件，在”Print #1,”后面书写所需输出的数据。

文中采用ANSYS的参数化设计语言APDL来实现ANSYS的二次开发。APDL是一种解释性语言, 可以用来自动完成一些通用性强的任务[6]。VB调用ANSYS步骤中最重要的一步就是建立APDL文本文件，文件中用命令流进行导入有限元模型并求解，然后显示变形并将结果输出为图形文件。所用到的命令流指令主要如下。

/CLEAR，该命令用于清空数据库文件，方便开始后续的新工作。

/Filename，用于命名工作文件。

/INPUT,指令后面写入有限元文件的名称和文件位置 ,该指令中，INPUT用于导入双梁箱形偏轨主梁的有限元模型，文中模型名称命名为Analysis1.ans，该模型的文件位置一般设置为电脑桌面，方便存储和查找。

/SOLU，SOLU的作用为访问求解器。

/SOLVE，此处作用为开始对双梁箱形偏轨主梁进行求解运算。

/POST，求解结束后，需要对求解结果进行查看，POST指令用于访问后处理器。

/VIEW,1,1,1,1，VIEW命令的作用是查看模型求解结果时设置观察视角。

/REPLOT，该指令表示刷新当前界面，当添加了新指令后，为保证ANSYS软件的确完成了后台处理，往往通过刷新来重新显示操作界面。

PLNSOL,S,EQV,0,1.0，PLNSOL指令用于以等值线和云图的形式来显示各节点处的计算结果，此处“S,EQV”表示所使用的应力为Von Mises应力，即米塞斯应力。

/show,jpeg,,0，show命令表示在操作界面显示求解结果图。

建立完APDL文本文件，然后利用Shell函数调用ANSYS求解。Shell函数是VB常用的调用外部程序的一种窗口函数。调用ANSYS的主要代码如下。

exe=Text1.Text，exe在VB中一般作为可执行文件，此处将其赋值为本机ANSYS的安装路径，需要用户自行输入，这样设计使程序可在不同计算机上运行，提高了系统的实用性。

path=Text2.Text,该代码中路径path赋值的是本机ANSYS的工作目录，同样是为了使shell函数能够调用不同计算机上的ANSYS软件。

Open path&””&”ANSYS”&”.txt”For Output As #1，此串代码是VB打开一个空白文本的常用句式。其中，Open指令为打开文件，后面连接文件路径。Output指令是文件的打开方式，通常结合Print函数一起使用。

Print#1,”/Filename,dai”，Print用于在打开的文本中输入内容，此处输入的内容为APDL的命令流文本。

Close #1，文件编辑完成后的结束语。

way = exe &"-pANE3FL-dir"&path&"-jjob-b -i"&path &"ANSYS.txt"&" -o "& path &"dai-fileout.txt"，该代码需要结合shell函数使用，其作用为定义shell函数所调用的外部软件的名称和路径等。其中，-p表示ANSYS的产品代号，ANE3FL是ANSYS的Multiphysics模块的特征代码，dir后面缀上相对路径便于移植，-j表示工程名称，-b为运行的控制开关，-i后缀的路径为APDL命令流文本的路径，-o后面的路径为输出的文本路径。

X=Shell(way,VBMaximizedFocus)，代码中参数X用于存放shell函数的返回值，结合上条代码中way的赋值，就可利用VB打开ANSYS软件了。

查看求解结果的主要代码如下。

path=form16.Text2.Text

way=path&””&”file”&”001.jpg”

Form25.Picture1.Picture=LoadPicture(way)

代码中，path的值为调用界面内输入的本机ANSYS的工作目录，在way的赋值中，“file001.jpg”是其中一个结果图的名称。然后通过LoadPicture函数来加载图片并显示在程序的窗口上。

至此，就完成了VB与ANSYS之间的连接。在生成新的桥式起重机双梁箱形偏轨主梁的三维结构后，打开Creo软件，在系统指引下修改网格和施加的载荷，此时会生成一份*.ans文件，将此文件复制到ANSYS的工作目录下，系统就可调用ANSYS完成有限元求解。

通过VB调用ANSYS软件的技术，结合前文中Creo的二次开发技术，实现了双梁箱形偏轨主梁的快速CAE设计。通过VB所搭建的平台，使得繁琐而复杂的再设计过程变得轻松高效，为实际工程应用提供一个可供参考的设计工具。

以10T22.5M双梁桥式起重机的箱形偏轨主梁为例，运用系统进行算例分析，系统主界面如图5所示，先后点击“Creo4.0链接”、“ANSYS19.0链接”，前处理界面如图6所示，结构设计界面如图7所示，ANSYS求解界面如图8所示，输入对应参数，即可完成设计，设计完成后查看求解结果和生成计算书，查看结果图如图9所示。整个设计过程快捷方便，极大地节约了双梁箱形偏轨主梁的设计周期，改善了双梁桥式起重机箱形偏轨主梁设计量大、工作效率低、精度不高的设计现状。

图5 系统主界面示意图 图6 Creo前处理界面示意图

图7 结构设计界面示意图 图8 调用ANSYS界面示意图

图9 查看结果示意图

在VB平台上，利用连接软件AGW对Creo进行二次开发，实现直接输入设计参数，系统自动完成Creo三维模型的重绘，快速完成双梁箱形偏轨主梁的结构设计。以APDL为基础，对ANSYS进行一定程度的二次开发，手动完成网格划分和载荷约束施加后，系统将重绘的双梁箱形偏轨主梁的有限元模型导入ANSYS中，调用ANSYS进行快速分析和查看求解结果。通过二次开发技术开发双梁桥式起重机箱形偏轨主梁CAE系统，实现双梁箱形偏轨主梁的快速CAE设计，提高了设计效率和质量。

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