宋世军 彭振飞 王忠雷

山东建筑大学机电工程学院 济南 250101

0 引言

塔式起重机（以下简称塔机）是建筑施工中不可或缺的关键设备。一旦发生事故，往往会给广大人民群众的生命财产造成重大损失[1]。随着计算机技术的发展，数值模拟技术水平也不断提高，使用有限元数值模拟技术可直观地了解塔机的位移、固有频率、振型、曲率模态、应变模态、模态柔度变化率曲率等的变化规律。伍晓顺等[2]对静力测试的加载模式进行优化，提出了一种结构损伤静力识别3阶段的方法；刘文光等[3]研究出若已知梁的各个阶次的固有频率，可通过损伤与固有频率的关系式，求解出发生损伤的位置和大小；唐盛华等[4]基于振型的损伤识别方法，通过振型的变化与结构损伤信息的位置关系来对损伤进行定位；Liu Q Y等[5]基于曲率模态的损伤识别方法，通过将模型进行有限元计算得到位移振型，观察曲率模态的变化规律以此对结构损伤位置信息关系进行损伤定位；周计祥等[6]基于应变模态的模态应变能损伤识别方法，通过应变和位移之间的联系，递推出应变模态与位移模态之间的转换矩阵，根据奇异值截断法识别结构损伤；戴斌[7]基于模态柔度变化率曲率的损伤识别方法，通过提取结构损伤前后柔度矩阵的对角线元素，通过对应元素做差得到前两组向量的插值向量，再利用插值向量元素比值得到一个集合，最后通过差分法得到柔度变化率指标作为损伤识别指标；张敏等[8]基于APDL命令流对T2-Y/Q345异质材料平板对接头的各项参数进行数值模拟计算，通过数值模拟结果与试验结果相对比，验证了Ansys有限元计算的可靠性。前人的研究表明使用Ansys有限元软件进行数值模拟具有很大的优势，但只是针对某一具体型号的工件使用GUI进行分析。塔机类型众多、结构复杂，传统的GUI操作方法显然不能实现快速建模。

丁彩红等[9]为实现自动化铲板过程中铲刀快速接近并压紧喷丝板且不损坏铲刀或板面，对刀运动进行了参数化设计规划，通过Hertz接触准则确定了运动参数的设计原则，最后使用Matlab进行分析计算得到了刀运动参数的具体数值；张晓霞等[10]在建立柔性附着动臂塔机塔身参数化模型时，将塔身有限元模型以图块的形式存储，并在分析时将其导出。上述文献仅对参数化进行设计或将模型以图库的形式保存起来。塔机建模参数多、模型多，数据库庞大，仅仅靠手动改正，不能明显提高建模效率。

参数化梁单元模型的生成基于梁理论，即当满足Euler-bernoulli梁理论的条件时，梁的弯曲变形可通过梁中心线的变形表示简述为用一条空间曲线代表一根梁[11]。王青等[12]通过不同单元及单元数的计算值进行比较，得出Beam 188、Beam 189单元具有方面适用前后处理功能，它们除具有经典梁单元的分析能力还具有考虑截面翘曲变形等能力。此外，Beam 188、Beam 189支持自定义截面，为梁单元有限元模型参数化设计提供了基础。

本文以80塔机为原型，基于Timoshenko梁理论，在Windos操作系统中利用Delphi作为开发工具，采用Delphi语言对APDL命令流进行二次开发，建立塔机梁单元有限元模型快速参数化设计系统，可有效地管理参数，大大缩减了塔机模型建立时间，使各型号的塔机模型生成效率显著提升。

1 塔机参数化建模分析

参数化建模指用参数来驱动模型的尺寸和属性，只需要修改特征参数就能改变零部件的大小、形状和属性。具体方法是通过零部件CAD图纸和国家标准得到所需要截面及零部件的具体参数，并对其模型进行简化处理，删减部分不必要组件，经过分析、编程得到截面和部件APDL命令流库，然后使用Delphi语言对命令流予以修改，通过Access表格中的特征参数来修改驱动模型的尺寸和属性，研发出塔机梁单元有限元模型参数化设计系统,从而实现塔机的快速建模。塔机在Ansys中仿真模拟，一方面由于其外形结构大致相同，但尺寸和属性可能不同，设计师往往需要针对不同尺寸和属性的塔机进行重复设计。另一方面，传统的GUI操作方法设计效率低且需要的更长的设计周期。基于上述原因，采用参数化建模，通过建立系列截面和部件模型，可大大提高生产效率，减小时间资源的浪费。具体流程如图1所示。

图1 塔机梁单元有限元模型参数化设计系统

2 参数化截面模型库的建立

2.1 截面模型APDL

定义属性主要包括材料属性、单元类型等。材料属性主要包括材料的弹性模量、泊松比、密度等，可经由材料手册查得；单元类型以塔机标准节主弦杆上的角钢截面为例，其截面存在倒圆角、圆弧和线段3种特征，三者尺寸相差较大，在自动划分网格时容易产生划分网格形状不规则的问题，于是选择2维8节点结构实体单元Plan 82，四边形和三角形混合网格具有较高的结果精度，可以适应不规则形状而较少损失精度。

编程的命令流为：

mshape,0,2d !!单元形状为2D单元

mshkey,0 !!划分网格方式为自由划分

amesh,all !!划分面单元网格

secwrite,ZXGjg_jm1,txt

!!将截面命名并写入txt文件中

2.2 截面模型参数化

截面的主要设计参数有边长、边厚、内外弧半径、长度、倒圆角半径和倒角等，其中的内外弧半径、倒角和倒圆角需要查找不同截面形状尺寸的国家标准。以角钢塔身主弦杆角钢加加强板截面为例，该截面特征可以用边长、边厚、内弧半径等8个尺寸来完全描述，截面图形特征、参数输入和命令流输出界面如图2所示。

图2 截面图形特征、参数输入和命令流输出截面

2.3 截面模型参数化实例

通过修改截面相关参数完成截面APDL命令流的自动更新，从而得到自己所需要的截面类型尺寸，以2.2中所述截面为例，通过修改内径尺寸大小，将内径由原来的16 mm修改为60 mm所得Ansys划分网格后的截面如图3、图4所示。

图3 内径为16 mm时Ansys划分好网格后的截面

图4 内径为60 mm时Ansys划分好网格后的截面

3 梁单元模型的建立

3.1 梁单元模型APDL

在梁单元类型上选择Beam 188单元，既满足所需要的处理功能，又可减小位置数目的庞大，减小计算时间。梁单元的空间位置可通过定义一个数组来确定。

编程的命令流为：

WPCSYS,-1,0 !!工作平面回到原坐标系下

WPOFFS,X0,Y0,Z0 !!移动工作平面

CSYS,4 !!使用工作平面坐标系

Mat,1 !!使用材料1

real,1 !!定义实常数1

*DIM,ZZA,ARRAY,12,3 !定义数组，可以到三维，1,Z位置；2,单元位置；

!!!!!!!!＠01*****!＠02*****!＠03*****!＠04*****!＠05*****!＠06*****!

3.2 梁单元模型参数化

梁单元的设计参数主要包括起始点空间位置以及自定义截面赋予位置，具体参数和尺寸可通过查阅相关标准与工程图纸，并制作Access表格来驱动。

4 部件模型库的建立

4.1 部件模型APDL

对部件进行属性定义，其中塔身、平衡臂和起重臂选择Beam 188梁单元；平衡臂和拉杆选择三维桁架单元Link 8，Link 8是2节点6自由度的轴向拉伸、压缩三维杆单元，主要用于模拟两端节点铰接的空间杆件，不考虑杆件的弯曲和扭转变形。

编程的命令流为：

Lesize,1,,,1 !!为线指定网格尺寸

sectype,1,beam,mesh

!!定义截面号，并初步定义截面类型为梁单元

secoffset,cent

!!定义梁的节点置于截面的形心

secread,'ZXGjg_jm1','txt',,mesh

!!读取截面

latt,2,,1,,GJD,,1

!!为准备划分的线定义一系列特性

4.2 部件模型参数化

以角钢塔身标准节为例，标准节部件的设计参数可以由水平腹杆、斜腹杆和主弦杆的空间位置，以及主弦杆上的不同截面的起始位置、截面文件等10个参数来完全描述，部件图形特征、参数输入和命令流输出界面如图5所示。

图5 部件图形特征、参数输入和命令流输出界面

4.3 部件模型参数化实例

根据所需要塔机的具体参数，对模型的高度、宽度、主弦杆上不同位置所赋予的横截面、节数等对塔机模型进行修改。图6、图7为通过对节数进行修改，由一节标准节修改为12节标准节后所得到的不同Ansys模型。

图6 1节标准节Ansys模型

图7 12节标准节Ansys模型

5 有限元模型建立与参数化设计系统模拟实例

5.1 塔机梁单元有限元模型的建立

QTZ100塔身是由12个2.99 m×1.419 m标准节组成，各标准节尺寸参数均相同。因此，可建立标准节模型，在Ansys命令流中通过If语句，完成所有标准节的建模。首先创建关键点，定义主弦杆关键点沿Y方向位置的数组，通过Do循环使用L命令对关键点进行连接并生成标准节线单元。由于塔身上水平腹杆、斜腹杆和主弦杆都为角钢，故还要创建合适的方向关键点。然后将不同的截面分别赋予到不同位置的线上，通过Lemesh命令对模型进行网格划分。最后，沿塔身方向复制标准节，并合并节点，生成塔身。将全部部件命令流整合读入到文件中，通过耦合命令对节点进行压缩，完成塔机的整体建模。

5.2 塔机梁单元有限元模型参数化设计系统模拟实例

以平头塔机角钢塔身为例，分别改变其标准节节数，将标准节由12节转变为6节，分别得到Ansys模型如图8和图9所示。

图8 12节标准节塔机Ansys梁杆单元模型

图9 6节标准节塔机Ansys梁杆单元模型

6 结论

使用Ansys对塔机进行数值模拟可直观地了解到塔机各项性能参数的变化规律。传统的GUI建模方式不仅建模慢，且不能实现模型的快速更新。本文采用Delphi语言对APDL命令流进行二次开发，建立塔机梁单元有限元模型快速参数化设计系统，可对设计参数进行有效的管理，大大缩减了塔机模型建立所需要的时间，节约人力和物力。