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基于Pro/E的桁架门式起重机主梁的三维参数化设计的研究
作者：孟庆
来源：《中国科技博览》2013年第25期
[摘 要]利用Pro/Toolkit 对 Pro/E 2.0 进行二次开发，采用三维模型与程序控制相结合的方式来进行参数化设计，并结合SQL Server数据库管理技术，实现桁架门式起重机主梁的三维参数化设计。
[关键词]Pro/Toolkit；Pro/E；SQL Server数据库；桁架门式起重机
中图分类号：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0309-02 一、引言
起重机械的主梁是起重机的骨架部分，需要承载各种载荷作用，它的杆件较多，受力比较复杂[1]。而双梁桁架门式起重机的特点主要表现在节约材料、结构简单、受力明确、迎风面少，被广泛应用于港口、码头、车间等露天货场。
Pro/ENGINEE（简称Pro/E）软件是美国PTC公司在三维设计软件领域的重要产品，它在其中占有重要的地位，甚至可以作为一种新的标准并得到认可和推广[2]。Pro/ENGINEE是第一个提出了参数化设计的概念。参数化设计是一种重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法，采用参数化设计之后所得到的模型可以调整参数来修改和控制几何形状，从而自动的实现一些机械产品的精确制造。
近年来，我国对起重机械的结构和材料等方面做出了不同程度上的研究[3-4]。例如，Li和Zhang等人以SolidWorks为图形输出软件，建立了一种钢结构设计系统。Gong和Xu等人采用Visual Basic6.0对SolidWorks进行二次开发，建立桥式起重机的三维参数化设计系统。Wen和Zhang等人基于Li等人的基础上建立了桥式起重机运行机构和桥架机构的参数化设计系统。而国内起重机行业对于桁架门式起重机的三维参数化设计研究过少，本文提出了一种基于Pro/E的桁架门式起重机主梁的三维参数化设计系统，对起重机制造业具有较强的应用前景。 二、参数化设计的概念
参数化设计（Parajnetric Designing），又称为尺寸驱动（Dimension-Driven），已然成为CAD领域的最热门的应用技术之一。起重机械的参数化设计是指在设计起重机械的结构形式时，通过对起重机械的某些具体的约束条件和参数来决定起重机械的形状结构和拓扑关系，从而设计出不同规格的起重机械产品。这个方法是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、
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优质的设计方法。一般地，这种方法的优点主要表现在以下几个方面：1）设计尤其方便。2）设计具有可扩展性。3）能够满足反复设计的需要。
本文是基于Pro/E的起重机械特征参数化设计，实现这种起重机械的参数化设计的方式主要有两种：一是在Pro/E交互式环境下通过特征工具直接创建参数化实体模型。另一种是利用编程语言创建参数化实体模型。虽然在交互环境下可以实现复杂零部件的参数化设计，但是对于不同的型号的类似零件的开发，需要重新建立模型，因此造成了设计周期的延长。本文中队要设计的零件形状特征进行认真分析之后，采用三维模型与程序控制相结合的方式实现了同系列的不同产品参数化的有效设计。通过对该零件的设计参数进行编程，实现对设计参数的检索、修改，进而根据新的参数值进行新的三维模型的生成。实现过程如（图1）所示： 三、桁架门式起重机主梁的设计参数和结构计算
桁架门式起重机是横加于露天车间、料场等上空进行物料吊运的起重设备。桁架门机具有自重轻、材料省、造价低、风阻小等特点。其桥架主要是由主梁、端梁、走台、栏杆等组成，承受吊物和起重机自身的重力。 3.1 主梁主要设计参数
主梁主要参数化设计系统是根据主梁的设计验算结果通过全局变量传递给主梁参数化设计模块。主梁主要参数设计包括主梁中部截面的设计参数，主梁纵向截面设计参数以及主梁的所有隔板包括中部大隔板、端部大隔板和小隔板的设计参数。其中主梁中部截面的设计参数包括：上、下盖板宽度，上、下盖板厚度，腹板高度和厚度，两腹板内壁间距等。 3.2 主梁结构尺寸校核计算
对于起重机械，起重机的安全和正常工作，强度和稳定性要求及刚度要求是重要的指标之一[5]。所谓金属结构的强度和稳定性要求，是指金属结构的构件在一定的载荷作用下所产生的内力不应该超过金属结构的构件许用力的承载能力。而刚度要求是指金属结构的载荷作用下产生的弹性形变量不应该超过许用力形变量，以及金属结构的自振周期不应该超过许用力振动周期。
（1）在主梁受弯矩和剪力作用的任意截面中，由弯曲正应力和剪应力的合力通过下面的公式计算得到：
（2）主梁的静刚度主要是主梁在小车轮压的作用下所产生了垂直和水平方向上的最大挠度不超过许用值，运用公式表示为： 垂直下挠度： 水平挠度：
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其中；
其中，为小车车轮轴距；为起重机跨度。 （3）疲劳强度校核
其中，，是在第一种载荷组合下，横向加劲肋板焊缝端部处的正应力和剪应力为材料的疲劳许用应力。
四、桁架门式起重机主梁的三维参数化设计的实现 4.1 系统的整体构建
本系统是基于Windows XP的微机操作平台，在VC6.0集成开发环境中，利用Pro/Toolkit 对 Pro/E 2.0进行二次开发，采用三维模型与程序控制相结合的方式来进行参数化设计，并结合SQL Server数据库管理技术，实现桁架门式起重机主梁的三维参数化设计，并通过 ANSYS 10.0对参数化后的模型进行分析。系统共有五大模块构成，用户界面模块、主梁设计验算模块、主梁三维参数化模块、型钢三维参数化模块和主梁有限元分析模块（图2）。 4.2 系统实现步骤
Step1：用户交互界面的开发。运用VC++中的MFC结合Pro/Toolkit建立主梁参数化界面。
Step2：编写主梁设计验算相关程序。以一个桁架门式起重机主梁为研究对象，对其进行受力分析，确定载荷的组合，编写验算程序，校核主梁的强度、刚度和稳定性等。
Step3：建立出主梁三维参数化模型。在Pro/E环境中采用交互式设计方法来建立主梁相关的零部件的模型，再进行合理的装配。
Step4：建立型钢三维参数化模型与数据库。主梁三维参数化中添加纵向加劲筋时要用到角钢或其它型钢等，所以在SQL Server中建立与角钢等对应的设计参数数据库。
Step5：编写主梁三维参数化程序。主梁三维参数化程序通过对模型的设计参数编程，来实现设计参数的检索、修改以及主梁三维模型的再生。
Step6：设计Pro/Toolkit 接口程序。在Visual C++集成开发环境下设计系统应用程序，经编译生成DLL可执行文件后，在Pro/E中注册并运行，实现VC程序与Pro/E的数据通讯，从而完成系统的开发。
Step7：设置 Pro/E 与ANSYS 的接口，将参数化后的主梁模型导入ANSYS中进行分析。