基于APDL的全地面起重机臂架分析
基于APDL的伸缩臂参数化建模与分析方法研究
— — 一
訇 化
制造 软件
＿ ＝ ＿ ——一 、 ９ 南 嫱 ———— 二
基 于Ａ Ｐ ＤＬ 的伸缩 臂参数化建模 与分析方法研 究
Ｐａｒ ａｍ ｅｔ ｅｒ ｉ ｚ ｅｄ ｍ ｏｄｅｌ ｉ ｎｇ ａｎｄ ａｎａｌ ｙｓ ｉ ｓ ｍ ｅｔ ｈｏｄｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔ ｈｅ Ａ ＰＤ Ｌ
参 数 化 有 限 元ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分 析 的核 心 内容 就 是 编 制 可 变
来 确 定 ，是 完成 优 化 设 计 和 自适 应 网 格 的 最 主 要
的 基 础 。它 同样 具 有 的功 能 ：标 量 参数 、数 组 参 数 、分 支 循环 、宏 以及 用 户程 序 等 ；而 且 ，ＡＰ ＤＬ
Ｏ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ （Ｉ － ） ． ０ ６
０ 引言
在 ＡＮＳ ＹＳ 分 析 中 ， 基 本 流 程 分 为 三 步 ： 建 模 、求 解 和 查 看 结果 。所 以 建模 的 准 确 性 将 直 接 影 响 着 接下 来两 步— — 求 解 和 分 析 结 果 的 查 看 。
白应光，卢博友 ，千勃心 ，李 静 ，曾伟祥
ＢＡＩ Ｙｉ ｎ ｇ — ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ， Ｌ Ｕ Ｂｏ — ｙ ｏｕ ， ＱＩ ＡＮ Ｂ ｏ － ｘ ｉ ｎ ， ＬＩ Ｊ ｉ ｎ ｇ， ＺＥＮＧ Ｗｅ ｉ － ｘ ｉ ａｎ ｇ
（ 西北农林科技大学 机械与 电子工程学 院，杨 凌 ７ １ ２ １ ０ ０ ）
２ ）用ＡＮＳ ＹＳ 的命 令 流 文件 ，建 立 包含 实体 建 模 、分析 过程 和结 果处理 过程 的有 限元分 析流 程 。 ３ ）用 ＡＰ ＤＬ语 言将 抽 象 出 的特 征 参 数 代 替 建 模 中的参 数 ，构成 可 变参数 的有 限元 分析 流程 。 ４ ）根 据设 计 分 析 要求 ，将 参数 赋 予具 体 的特 征 值 ，并 进行 有 限元 计算 分析 ，获 取 结果 。
基于APDL的汽车起重机桁架臂参数化研究
的提高了分析效率 。
所涉及到的参 数众 多，计 算公式 繁琐 ，人工计算 效率低
且很容 易出现差 错。为了解 决这 类 问题 ，ＡＮＳ ＹＳ软件 提 供了 一 种 以命 令流方 式进 行分析 的功 能， 即 ＡＮＳ ＹＳ 参 数 化设 计 语 言 ＡＰ ＤＬ（ ＡＮＳ ＹＳ Ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
２ ． ２ 提取桁架臂结构特征参数
依 据 ＧＢ／ Ｔ ３ ８ １ １ － ２ ０ ０ ８起 重机设 计 规范 ，结 合 汽车
模 型 ，并进 行 各种相 关 的分析 计 算 。在对 实 体模 型进 起重 机 桁 架臂 结 构特点 提取 结 构特 征 参数 ： 桁 架臂总
行 参 数化设 计 时，ＡＮＳ ＹＳ提 供了 一 种参 数化设计 语言 长 Ｌ，截面高度 Ｈ，截面宽 度 Ｂ，滑轮 中心至根部 距离 Ｈ，桁 架 臂端 部截 面中旬 与根部截 面 中心 高度 差 ＤＨ， ＡＰ ＤＬ ，它 具 有 宏、循 环 、分支 等 程 序 语言 功 能 ，并 Ｌ 可 以提 供 简单 的截面定 制功能 ，实现参 数 的交互 输入 ， 桁 架 臂 根 部 接 头 销 孔 中心 与 主 弦 杆 临 近 起 始 点 距 离
据 起 重机 设 计 规范 ，提 取 了 ５ ０ ｔ 汽车 起 重机 桁 架臂 结
Ｚ ＸＧ ＨＤ－ － ４ １ 主弦 杆厚度 Ｆ Ｇ１ Ｚ Ｊ ＝ ４ ０ １ 腹杆 １ 直径 Ｆ Ｇ１ Ｈ Ｄ＝ ４ １ 腹杆 ｌ 厚度
Ｆ Ｇ ２ Ｚ Ｊ ＝ ３ ０ １ 腹杆 ２ 直径
运行 程序 ，从而可 以实现参 数化 建模 。
APDL语言在起重臂设计中的应用
1 轮式起重机起重臂概述伸缩式箱型起重臂是轮式起重机的主要承载构件，其力学性能的好坏决定了起重机的整机性能和市场竞争力。
随着我国经济实力和技术水平的不断提高，用户对起重机的实用性和可靠性要求越来越高，因此，实现产品系列化，缩短产品开发周期，提高产品性能已经成为轮式起重机各生产企业的核心竞争力。
伸缩臂起重机规格众多，工况也比较多，采用以往传统设计方法需要进行大量的繁复计算，工作量巨大，这不但增加了设计人员的劳动强度，同时也拉长了产品的设计周期，另一反面还会影响产品开发的成功率和可靠性。
由于轮式起重机目前已经形成型谱化、系列化，各起重机的使用场合和工况也差距不大，因此，相近吨位轮式起重机的起重臂的结构基本一致，因此，可以依据产品设计流程，通过修改和控制产品设计参数，实现起重臂设计的参数化。
这不但可以解决传统设计方法劳动强度大，开发周期长等不足，还可以通过对比相邻不同参数的起重臂吊重性能，达到找出影响吊重性能的关键因子，并优化设计的目的，并最终达到最优化的起重臂设计方案。
2 箱型起重臂设计流程采用有限元软件进行起重臂设计时，一般需要进行参数化建模、结构静力分析、结构动力分析、整体结构优化和局部机构改进五个过程。
起重臂的设计流程如图1所示。
起重臂的设计过程需要在初始方案的基础上进行多次校核和修改才能确定最终的结果。
因此，起重臂模型需要能够根据设计要求实时进行变动，有限元参数化建模就是通过宏文件调用的方式实现了初始模型的建立，并且这个模型可以在分析和优化后进行改变[1]。
结构静力分析就是在初始模型计算结果的基础上，分析模型的整体结构性能，如强度和刚度等，了解结构的危险部位以及整体应力和位移趋势，为结构局部改进和结构优化打下基础。
摘 要：本文以ANSYS 软件为平台，应用APDL 语言创建宏文件，通过宏命令控制和宏文件调用，并结合起重臂的设计流程，实现了吊臂设计的参数化。
应用这种方法提高了产品的性能，大大缩短了设计周期。
吊臂参数化建模仿真分析及其优化设计
吊臂参数化建模仿真分析及其优化设计通过APDL语言建立起重机吊臂的参数化模型，分析方管桁架吊臂和圆管桁架吊臂在结构受力和稳定性方面的差异，在同等重量下，方管吊臂比圆管吊臂的受力和稳定性均要好，然而圆管在工艺性和板梁结合消除应力集中方面比方管子有优势，此外通过相关参数的修改找到了较安全合理的吊臂结构形式。
标签：吊臂；参数化；结构；分析1 引言起重机机械作为一种重要特种设备在工业工程上得到广泛的应用，吊臂是起重机一个重要部件，主要分为箱体式和桁架式两种，桁架式吊臂根据用材的不同又分为圆管桁架吊臂和方管桁架吊臂两种。
本文通过中铁大桥局某码头吊机吊臂改造用APDL语言实现参数化建模，通过有限元模型来分析这两种吊臂结构形式在受力和稳定性上的优缺点，并且通过修改相关参数的方式来得到一种较安全合理的吊臂结构形式。
2 吊臂结构2.1 吊臂结构该码头吊机结构由臂尾、臂身和副臂组成。
臂尾臂头是管子和板材板梁结合，臂身是管材，副臂由板材拼焊而成的，主肢是吊臂主要受力构件，腹杆主要起加强主肢稳定性的作用。
2.2 吊臂参数化建模ANSYS有限元分析软件三维建模界面和方法不如其它大型CAD软件那样友好和直观，但是模型的兼容性、网格划分和后处理等方面有其它三维软件难以比拟的优势，尤其是导入的模型不能在ANSYS环境下进行参数化驱动。
本文直接在ANSYS环境下运用APDL语言，以吊臂仰角、臂长、吊臂截面尺寸、劲板位置和尺寸作为参数，实现建模的参数化。
根据该吊机吊臂的特点吊臂的主体结构采用板梁结合，板用的是shell63单元，主肢腹杆和销轴用beam188单元，钢丝绳用link10单元，销轴与板孔的连接用MPC约束方程的形式连接。
3 结构受力分析3.1 模型的加载与约束在吊臂铰轴处建立质量单元MASS21，质量单元与板孔处的节点通过刚性区域连接，约束质量单元的位移和旋转自由度（释放该处绕轴旋转的自由度rot y），约束钢丝绳一端节点位移自由度。
基于APDL的船用起重机吊臂参数化设计及优化的开题报告
基于APDL的船用起重机吊臂参数化设计及优化的
开题报告
本研究旨在基于ANSYS Parametric Design Language（APDL）实现船用起重机吊臂的参数化设计和优化。
船用起重机吊臂是船舶上重要的
装备之一，其设计和优化对于提高船舶的装卸效率及保证货物安全具有
重要意义。
本研究将通过建立起重机吊臂的三维模型并将其参数化，通过APDL 编程实现对模型进行数值分析并对吊臂的几何参数进行优化，以达到提
高起重机吊臂的载荷承受能力和强度、降低重量、提高工作效率的目的。
在研究过程中，将采用以下步骤实现参数化设计和优化：
（1）建立起重机吊臂的三维模型，定义其材料属性和边界条件，并进行初始数值分析以获得吊臂的载荷分布、应力和变形等参数。
（2）通过APDL编程实现吊臂模型的参数化，包括吊臂长度、截面形状、材料、吊钩位置等参数的建立和修改。
（3）对吊臂模型进行优化设计，以实现优化目标。
该优化目标可能会包括吊臂的最大承载能力、最小重量或其他设计要求。
（4）通过数值分析验证吊臂优化设计的有效性。
在设计完成后，进行数值分析以获得优化后吊臂的载荷分布、应力和变形等参数，并与初
始数值分析结果进行比较。
本研究的最终目标是通过基于APDL的参数化设计和优化，提高船
用起重机吊臂的设计效率和优化水平，从而为船舶和港口装卸作业提供
更加高效和安全的装卸处理手段。
基于APDL的汽车起重机伸缩臂参数化设计
ｔ ｎ ｏ ｅ ｃ ｕ ｈ ｎ ｌ ｔ ｔ ｄ ｅ ． ｈ ｔ ｃｕ ａ ａ ａ ｔ ｒ ｏ ｅ ｃ ｓ ｉｇ ｐ ａｅ ａ ｅ ｓｕ ｉｄ ａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｄ ｂ ｓ ｄ ｉ ｆｔ ｒ ｓ ｉ ｇ ｐ ａｅ ｉ ｓｕ ｉｄ Ｔ ｅｓｒ ｔ ｒ ｌ ｒ ｍｅｅ ｓ ｆ ｈ ｒ ｈ ｎ ｌ ｔ ｒ ｔ ｄ ｅ ｎ ｍｐ ｏ ｅ ａ ｅ ｏ ｈ ｓ ｕ ｐ ｔ ｕ
（ ｃｏｌ ｆ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ｎ ｎｉ ｅ ｎ ，ａ ｕｎＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｉ ｃ ａｄＴｃ ｎｌｇ ，ａ ｕｎ００ ２ ， ｈｎ ） Ｓｈｏ ｏ Ｍａ ｒ ｌ ｃ ｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｔｉ ａ ｎｖ ｓｙ ｆ ｃ ｎｅ ｎ ｅｈｏ ｙＴ ｉ ａ ３０ ４ Ｃ ｉａ ｅ ｅ ｉ ｎ ｉ ｙ ｅ ｉ Ｓ ｅ ｏ ｙ
关键词 ： Ｐ Ｌ语言 ； 重机伸 缩臂 ； ＡＤ 起 参数化设计
中 图分 类 号 ：Ｈ １ ． Ｔ ２ ３６ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｉ１．９ ９ ｊｉ ｎ １７ －０７ ２ １．３ ０ ０ ｏ：０ ３ ６／．ｓ ．６ ３２ ５ ．０ ２ ０ ． １ ｓ
汽车 起重 机广 泛地 应用 于运输 、 卸 和 筑路 等 装 场 地或 临时 吊装 作业 ， 而伸 缩臂 作 为 汽 车起 重机 的
文章 编号 ：６ ３— ０ ７ ２ １ ）３— ２ ６— ６ １７ ２ ５ （０ ２ ０ ０ ０ ０
基于 Ａ Ｄ Ｐ Ｌ的汽 车起 重 机伸 缩 臂 参数 化 设 计
丁振兴 ， 陶元芳 ， 薛孝磊 ， 石小飞
（ 太原科 技 大 学机械 工程 学 院 ， 太原 ００ ２ ） ３０ ４
摘 要： 针对汽车起 重机伸缩臂设计过程 中随着臂 长和起 重量的变化设计繁琐 的缺 点， 用有限元 采
基于APDL的起重机桁架式吊臂优化设计
三一 吊臂总长度 ；
一
吊臂在 回转平面 内的临界力 ；
弦管总长度 、中间臂节 的主弦管总长度 、 吊臂根部 臂节 和 顶部臂节 的腹管总长度 以及 中间臂节 的腹管总长度 ； Ｐ一 代表材料 密度。
关键词 ： ＡＰ Ｄ Ｌ 桁 架式吊臂 整体稳定性 单 肢 稳 定性
随着工 程 建 设 发展 的 需要 ，起重 机 吊臂 向桁 架 式
２ 确定 约束条件
发展 ， 吊臂 设 计 是否 合 理 ，将 直 接 影响 到起 重机 的承 ２ ． １ 吊臂 结构 强 度 条件 ：
载 能力 ． 因此 ， 设 计 的 吊臂应 该具 有足够 的强 度、 刚度 和稳 定性 ，在 此 基础 上保 证 重量 最 轻 不仅可 以降 低成
目标函数 ￣ ｆ （ ｘ ） ＝ ｐ ｌ ｖ ［ （ ２ ｒ １ ｔ ｌ —ｆ 】 ） ＋ （ ２ ｒ １ ｔ ２ 一ｔ ２ ２ ） ｌ ２ ］
０． ９Ｐ
以此作为最大 吊重工 况时的约束条件。
式中 ： 吊重在 回转 平面内的横 向分力 ；
横 向力 矩 ；
其中 ： ， 一 分 别为主弦管和腹管外径 （ 半 径 ）； ， １ ’ ｔ ： ～ 分 别为吊臂根部 臂 节、 中间臂 节 以及顶部
新建 模 求 解 。若 求解 结 果符 合 所有 约束条 件 ，则此 优
最 终得 到最优解 。
在旋 转平面 内，吊臂 由于外力作用而产生的最大 挠
端 挠度 为 ：
ＴＬ３ Ｍ
，
化解为 最优 解 ； 否则 ，应该 重复 上 面的优化 求解过 程 ， 度在 吊臂顶端 ，此处 由横 向力 和力矩共 同作用 引起 的臂
基于APDL的船用起重机吊臂的参数化设计
产品的设计周期 ， 提高产品的生产效率［ 。 ２ １
目前 ， 用起重 机在 我 国各 大航 运企 业船舶 上 船 已得 到广 泛使 用 ， 且将 系列 化思 想 引进到 产 品的设 计过 程 中 。吊臂作 为极其 重要 的部件 之一 ， 其结 构
性能直接关系到起重机的使用寿命。因此， 对于吊 臂结构的合理设计及分析成 为起重机设计过程 中
图 ３ 起重机 吊臂基本尺 寸参数
的参数 化 语 言 Ａ ＤＬ的命 令 重 新 编 辑 Ａ Ｙ Ｐ ＮＳ Ｓ分
＊Ｉ Ｆ，Ｓ Ｌ，Ｓ Ｗ ＷＬ，１０ Ｈ Ｎ ／此 处 ０ ，Ｔ Ｅ ／
析工具栏 ， 通过点击工具栏 中的按钮实现 吊臂 的快 速设计 。定义 吊臂快速分析工具栏的宏命令设置 如下 ：
２１ ０２年 ３月 中国制造业 信 息化
第４ １卷
第 ５期
基 于 ＡＰ ＤＬ的船 用 起 重 机 吊臂 的参 数 化 设 计
黄秋 芸 ， 文献 ， 唐 蔡运 迪
（ 江苏科技大学 机械工程学院， 江苏 镇江
２２０ ） １０ ３
摘 要 ： 对船 用起 重机 吊臂 的结 构 分 析 的基 础 上 ， 在 对船 用起 重机 吊臂 参 数 化 设 计 方 法进 行 了研 究 ， 用 Ａ ＹＳ参数 化设计 语 言 Ａ Ｄ 利 ＮＳ Ｐ Ｌ对某一船 用起 重机 吊臂 进 行 了参数 化设 计 与 分析 ， 出 提
个起 重机 质 量 的 ６ ％ 以上 ， 是 承 受 载 荷 的主 要 ０ 也
在设计系列化起重机时多采用纵向系列化设 计方法 ， 纵向系列设计产 品具有相似 的结构 ， 在设 计过 程 中 ， 于某些 部件 的模 型建模 、 对 网格 划分 、 载 荷 约 束施 加 以及 分 析 等 都有 很 大 程 度 的重 复 性 … 。因此 ， 在进 行 有 限元 分 析 时 ， 进参 数 化 设 引
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基于APDL的全地面起重机臂架分析
作者：宋轶，杜玉龙
来源：《科技创新与生产力》 2014年第6期
宋轶，杜玉龙
（太原重工技术中心，山西太原 030024）
收稿日期：２０14－02－20；修回日期：２０14－05－22
作者简介：宋轶（1986-），男，山西忻州人，硕士，主要从事工程机械设计研究，E-mail：songyi_kobe@。
1 全地面起重机主要问题概述
全地面起重机臂架系统包括：伸缩主臂、塔式副臂、固定副臂、塔臂前后撑杆、塔臂前拉板、超起撑杆、超起后拉板、超起钢丝绳、变幅油缸，可以根据不同作业要求进行臂架组合。
以太原重工股份有限公司设计的某型号全地面起重机为例，针对超起主臂工况为例进行说明。
2 全地面起重机臂架系统计算方法
2.1 解析计算
依据起重机设计规范和起重运输机结构[1-2]，对图1所示主臂、副臂截面进行分析，
式中：N为臂架轴向压力；A为臂架计算截面的截面积；Mx，My为仅由横向载荷在变幅平面和旋转平面引起的计算截面弯矩；NEx，NEy为臂架在变幅平面和旋转平面的临界力；Wx，Wy 臂架计算截面对轴x和y轴的抗弯模量；σ为许用应力。
解析计算简便，计算速度快，但其只能针对某个截面，对臂架强度没有整体把握，因此运用有限元软件对臂架进行分析。
2.2 利用beam单元进行等效
将全地面起重机臂架系统进行等效（见图2）。
对全地面起重机各部件的结构特点和力学模型分析，主臂和超起撑杆用Beam188三维弹性
梁单元简化[3]，Beam188属于3D弹性梁单元，具有6个自由度，可以分析非线性问题。
变幅
油缸属于二力杆，只能承受拉压，不能承受弯矩，可用Link8或者Link10分析[4]，如果使用
非线性计算则只能选用Link10分析。
拉板是由多个拉板节连接而成，作业时一直处于张紧状态，只能承受张力，故用Link10单元模拟，且能考虑非线性大变形特性。
按图3所示节点建立主臂臂节，在臂销处和滑块搭接处进行自由度耦合，在油缸根铰点和
主臂根铰点处施加位移约束。
将臂架简化为beam单元进行有限元建模分析时，由于beam单元建模简单，计算速度快，
因此这种方法分析效率较高，但其忽略了加强筋和加强板对臂架结构的影响。
3 基于MATLAB的臂架有限元批量分析
在对全地面起重机进行起重性能计算时，要对大量工况进行分析计算，同时要求计算结果
精确。
如果逐一建模分析，将浪费大量时间，分析效率降低。
笔者基于MATLAB编程输出臂架批量分析的APDL命令，进行臂架不同工况组合的快速分析，既提高了分析精确性，又提高了分析效率。
首先建立各节臂及超起撑杆的有限元模型，在各臂节上下滑块、销孔处建立节点集合，并
依据一定的命名规则对各集合进行命名，方便查看及程序自动识别。
以图4所示二节臂为例对各节臂集合进行说明，其他各节臂命名方式相同。
此外还应对超
起撑杆与外部结构相连各节点建立集合并命名，对臂头各连接点建立集合并命名，以便程序自
动识别（见表1）。
由于臂架伸缩组合后要在对应滑块及销孔处建立节点和刚性区域，并进行自由度的耦合，
因此要得出相应销孔及滑块的位置。
首先将各臂节销孔及滑块相对于本臂节原点的坐标作为原
始坐标，其坐标位置见表2。
其次得出每节臂在不同伸缩长度下相对上节臂的伸缩量（见表3）。
根据每节臂相对于上节臂的伸缩量即可得到每节臂相对于总体坐标系的伸缩长度，从而得到各
个销孔及搭接滑块的位置，建立相应的约束，使各臂节组成一个整体。
通过程序可生成某工况的有限元模型，然后进行结构强度分析，稳定性屈曲分析。
利用MATLAB对臂架组装、结构强度分析、稳定性分析、计算结果保存、应力结果截图、数据表格输出的APDL命令流进行自动生成，并后台调用ANSYS进行分析计算，可以进行多工况的批量分析，提高了分析效率。
程序可以对标准主臂、超起主臂、标准塔臂、超起塔臂、固定副臂等工况进行批量分析，对全地面起重机起重性能的确定提供了更为详尽的理论依据。
4 结论
全地面起重机的起重性能是其作业的重要依据，是重要的性能指标，操作时必须严格按照起重性能的要求进行吊载，因此确定起重性能就成为一项重要的工作。
笔者提供的可供选择的臂架强度校核方法，可以提高分析计算的效率。
而且对臂架强度的危险点有更加深刻的了解，有利于对臂架结构进行细节的完善。
参考文献：
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（责任编辑石俊仙）。