佘占蛟1刘光清1姚峰林2董亮1沈桓宇11南充职业技术学院南充太原科技大学机械工程学院太原
摘要：以轮式起重机伸缩臂的稳定性为研究对象，基于VB对Ansys进行了二次开发，研制出计算伸缩臂稳定性平台，并运用该平台对实例进行验算，验证了该平台的有效性和实用性。该平台可为大型或超大型伸缩臂的设计提供便捷，提高了伸缩臂稳定性的计算效率，具有一定的工程应用价值。通过实例验算发现如果超起拉索张紧力不变，超起装置对伸缩臂的稳定性提升效果会随着伸缩臂的伸长而减弱，因而在进行吊装作业时超起拉索张紧力需根据工况而进行变动。
关键词：轮式起重机；伸缩臂；稳定性；平台；开发
中图分类号：TH.6文献标识码：A文章编号：-（）10--05
0引言轮式起重机具有高效短距离转场能力，广泛被应用到建筑、军工、港口等领域。随着经济的高速发展，用户对轮式起重机的起重量和起升高度提出了更高要求，即轮式起重机的伸缩臂长度越来越长。现伸缩臂的臂桶都采用高强度结构钢制造，因而伸缩臂的强度一般都是满足的，超长伸缩臂的失效绝大多数由失稳造成。然而，目前在GB/T—《起重机设计规范》中只提供了5节以下伸缩臂的稳定性设计规范[1]。研究或开发出计算5节以上伸缩臂稳定性的理论或系统显得尤为重要。随着计算机高速发展，Ansys被广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物、医学等众工业领域，是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的以有限元分析为基础的大型通过CAE软件，其计算的结果可靠性已经得到大量工程验证[2]。Ansys工作方式有两种，一种是人机交互方式（GUI），另一种是命令流输入方式。GUI方式比较适合模型相对简单的有限元分析，比较直观、易于操作。复杂的模型、新产品开发以及需要反复修改重复计算的模型采用GUI方式就特别繁琐，此时采用命令流输入方式较适宜，可直接修改命令流，操作比较便捷。命令流输入方式对工程技术人员综合素养要求比较高，需要有良好的有限元分析理论基础、力学基础以及相关工作经验才能流利的编写或修改命令流[3]。Ansys具有良好的二次开发功能，用VB对Ansys进行封装设计，用APDL（AnsysParametricDesignLanguage）语言进行参数化编程，构建交互式、参数化输入分析界面，可降低Ansys的操作难度[4]。VB具有良好的可视化界面、编程语言相对简单等优势。本文基于VB对Ansys进行了二次开发，开发了可计算5节以上伸缩臂稳定性的专用软件，对大型或超大型伸缩臂的设计提供了便捷，具有一定的工程应用价值。
1程序流程及可视化界面的设计1.1程序流程Ansys二次开发技术是指利用APDL语言实现Ansys分析全过程的参数化和自动化，即在Ansys中通过调用包含APDL命令流的宏文件，自动进行定义单元类型和材料属性、建立模型、划分网格、施加载荷约束、进行求解和查看后处理结果等分析过程[5]。基于VB对Ansys进行二次开发，实际上就是利用VB实现Ansys的APDL二次开发技术的可视化[5]。可以实现APDL二次开发可视化的编程语种很多，如VB、VC、C#等。基于VB编程语言简单、容易上手，本文方采用VB实现APDL二次开发的可视化。工程技术人员利用可视化界面输入伸缩臂臂节参数、工况参数流文件，点击“计算”按钮，并自动后台调用Ansys进行计算，计算完毕Ansys关闭，在软件设定路径中生成结果文件。点击“查看结果”按钮，VB读取生成的结果文件，便能在可视化界面看到计算的结果。程序流程如图1。
1.2可视化界面的设计可视化界面的设计要求简洁、清晰、美观。本文采用VB进行可视化界面的设计，界面的设计结构见图2。由图2可以看出，轮式起重机伸缩臂的参数化建模及稳定性分析平台界面结构主要包括臂节组合、工况参数、分析计算三部分，臂节组合又包含了输入臂节数和各臂节参数。计算伸缩臂稳定性时，只需输入总的臂节数、各臂节参数、工况参数，点击分析计算中的“计算”按钮便可以完成整个伸缩臂的建模以及调用Ansys而进行的稳定性计算，最后单击“查看结果”便能得出计算的临界吊载。可以看出该界面结构简单、易于操作，即使完全不懂Ansys的人也能完成伸缩臂的稳定性计算。
图1程序流程
可视化界面的按钮主要分为命令按钮和输入文本框按钮，建立输入文本框按钮时直接在工具箱单击“TextBox”，然后在窗口进行绘制矩形框即可。命令按钮的创建也在工具箱直接单击“CommandButton”，在窗口绘制矩形框。选中命令按钮在属性窗口将“Caption”属性进行修改即可完成命令按钮的命名，如“确定”、“取消”等。输入文本框前一般需要放置标签用于注明输入文本框的名称，标签的创建同样在工具箱单击“Label”,在窗口中输入框前绘制矩形框即可，同时将“Label”的“Caption”属性进行修改，如“上盖板厚度（mm）”、“下盖板厚度（mm）”、“上弯折半径（mm）”等。创建好的可视化界面，启动后如图3所示。
图2界面设计结构
图3可视化界面
2程序编写流程2.1命令流文件生成Ansys能直接读取的文件包括日志文件（*.log）、文本文件（*.txt）、宏文件（*.inp），本文通过VB生成的命令流文件为文本类型（*.txt）。基于VB和Ansys的伸缩臂稳定性计算平台开发的命令流文件程序的编写可分为三部分，分别是前处理（材料和单元的定义、伸缩臂有限元模型建立）、加载与求解（对伸缩臂有限元模型进行添加约束和载荷，并求解）、后处理。前处理命令流的生成在VB中的程序编写，首先定义接受可视化界面输入的参数的变量，然后用以下形式语句创建命令流文件。Open“E:\Parametricmodelingofall-terraincranes\bianliang.txt”ForAppendAs#1……Close#1其中：E:\Parametricmodelingofall-terraincranes\bianliang.txt表示创建的命令流文件存放位置、名称（bianliang）、文件类别（*.txt），Append表示在尾部追加记录操作模式，#1表示文件号为1。以伸缩臂根部基本臂的命令流代码生成为例，说明程序编写步骤。首先用Dim对基本臂参数变量定义：Dimh1AsSingle……将界面端客户输入的数值赋给定义的变量：h1=Val(Text2.Text)……运用Open打开“bianliang.txt””文件，并在文件中完成单元和材料属性定义、有限元模型创建：Open“E:\Parametricmodelingofall-terraincranes\bianliang.txt”ForAppendAs#1Print#1,“*SET,h1,”;0.*h1……Print#1,“ET,1,SHELL”Print#1,“MPTEMP,,,,,,,,“Print#1,“MPTEMP,1,0”Print#1,“MPDATA,EX,1,,2.06e11”Print#1,“MPDATA,PRXY,1,,0.3”Print#1,“MPDATA,DENS,1,,“……Close#1本文中工况参数里面“是否添加超起装置？”部分程序的编写，先通过MsgBox函数进行确定，如果确定选择加装超起装置便打开主命令流文件“bianliang.txt”进行尾部追加记录操作，添加代码“/INPUT,’chaoqizhuangzhicanshu’,’txt’,’E:\Parametricmodelingofall-terraincranes’,,0”。该代码含义：当命令流进行顺序执行时，通过“INPUT”命令将文本chaoqizhuangzhicanshu.txt中命令流插入进来进行执行。
2.2后台调用Ansys待前处理、加载与求解命令流文件生成完毕，在VB中用Shell函数调用Ansys软件进行后台计算。Shell函数的格式如下：
PrivateSubCommand25_Click()x=Shell(“C:\15.0Ansysanzhuangweizhi\AnsysInc\v\Ansys\bin\winx64\Ansys.exe-b-pane3fl-ibianliang.txt-oboom_output.out”,1)EndSub其中：“C:\15.0Ansysanzhuangweizhi\AnsysInc\v\Ansys\bin\winx64”表示Ansys.exe所在位置，即Ansys安装路径；“-b-p”为Ansys的控制开关；“ane3fl”为Ansys的产品特征代码[6]；“bianliang.txt”为输入文件；“boom_output.out”为输出文件，位置默认在软件存放路径。2.3显示结果计算完毕生成的输出文件“boom_output.out”信息量丰富，但工程技术人员只需最终的计算临界吊载，因而将临界吊载提取出来，并以（*.txt）形式保存。运用Open命令打开“bianliang.txt”文件，进行提取特征值、计算临界吊载，并将临界吊载保存于“jieguoshuju.txt”文本：Open“E:\Parametricmodelingofall-terraincranes\bianliang.txt”ForAppendAs#1……Print#1,“*GET,tezhenzhi,MODE,1,FREQ”Print#1,“*SET,linjiezaihe,tezhenzhi*dz”Print#1,“*CFOPEN,jieguoshuju,txt,,OUTPUT”Print#1,“*VWRITE,’临界吊载,linjiezaihe“……Close#1将文本“jieguoshuju.txt”中的临界吊载，显示在可视化界面上：DimxhAsStringOpen“E:\Parametricmodelingofall-terraincranes\jieguoshuju.txt”ForInputAs#2LineInput#2,xhText97.Text=Mid(xh,14,8)Close#2
3实例验证应用本文开发的基于VB和Ansys的伸缩臂稳定性计算平台对某厂生产t的全地面起重机伸缩臂稳定性进行仿真验证。伸缩臂有限元模型主臂采用Shell单元、超起撑杆采用Beam单元、超起拉索和超起拉板采用Link单元。伸缩臂及超起装置采用材料和属性见表1。
伸缩臂截面形状很多，目前有矩形、梯形、倒置梯形、五边形、八边形、大圆角矩形、椭圆形等[7]，本实例中截面为U形，如图4所示。伸缩臂各臂节参数如表2所示。伸缩臂臂节组合，如表3所示。
将表3中共4种臂节组合8种工况分别输入平台进行屈曲分析，可得到图5所示结果。图5中横坐标xh表示序号，对应表3中4种臂节组合；纵坐标表示临界吊载，单位为t。如果想获取更多相关信息可Pr/t以双击“file.db”文件进行查看，如可以查看变形情况等，图6即为臂节组合（基本臂+二节臂+三节臂+四节臂）带超起装置的变形图。
图4U形截面
图5计算结果
图6变形图
4结论
1）基于VB和Ansys成功开发出了轮式起重机伸缩臂参数化建模及稳定性分析平台，该平台可以实现5节以上伸缩臂的参数化建模与采用有限单元法而进行的稳定性分析，为大型伸缩臂的研制提高了效率。
2）通过图5不难看出超起装置布置得当对于伸缩臂的稳定性提高非常明显，但如果超起拉索的张紧力不变，随着伸缩主臂的伸长，超起装置的作用效果会下降。轮式起重机在进行吊装作业时，超起拉索的张紧力必须根据吊装工况来确定，方能发挥出超起装置的最大作用。
参考文献[1]GB/T—起重机设计规范[S].[2]龚曙光，谢桂兰，黄云清.Ansys参数化编程与命令手册[M].北京：机械工业出版社，.[3]张颖，练章华，周兆明，等.石油钻井井架安全性评价可视化软件设计[J].计算机仿，33(2)：-，.[4]孙佳楠，吕永锋，范建蓓.基于VB与Ansys的二次开发的冲压成形参数化设计[J].轻工机械，，34(2)：77-80.
[5]杨猗尧,钱才富.基于Ansys二次开发的移动式压力容器强度高效计算[J].北京化工大学学报(自然科学版)，，46(1)：91-97.
[6]黄启斌，杨晓翔，邓道林.基于VB的Ansys二次开发及其在关节轴承结构分析中的应用[J].机械制造与自动化，（1）：-.[7]徐格宁.机械装备金属结构设计[M].北京：机械工业出版社，.
