厉乐乐
浙江省特种设备科学研究院 浙江杭州 310020
摘 要：变型设计方法的出现主要是为了适应机械产品如今的个性化、多样化需求，以快速响应市场，完成产品的快速变型设计。通用门式起重机的金属结构采用这种变型设计，由于其功能性和部件结构具有相同性，在结构变化方面是有规律的，通过结构设计参数的计算以及校验，能够使起重机金属结构的设计更加可靠。
关键词：通用门式起重机；变型设计；金属结构
机械制造企业为了能够适应产品用户多样化的需求，需要对机械产品进行不断的更新开发，而变型设计方法的应用就是一种有效的应对措施。对通用门式起重机的金属结构设计采用这种方法，通过对其参数数据的计算和校验，使结构设计的可靠性更高。
1.变型设计概述
产品的设计包含新设计和变型设计两种。新设计主要是指根据部件的变化点、相同点或者是具体的设计要求，制定出一个新的解。变型设计主要是指在结构原理不变、结构相同或相似的情况下，为了实现不同功能需求，对结构设计参数做出相应的调整。这种调整是在产品模型数据库的基础上进行的，具有规律可循。有关变型设计方面的研究有很多，包含结构的配置变型、参数化、特性表示、基于实例的推理变型等。这些研究都是基于已有的产品进行变型设计，对单个零件或者是一类零件进行再设计。充分的利用已有的产品资源，实现产品的结构重组、变异，达到机械产品的创新设计。
2.金属结构变型设计
2.1变型设计方法
用户对于机械产品的需求通常是比较笼统的，对机械产品进行变型设计需要结合用户的需求进行功能模型匹配，接着再按照设计需求对结构部件进行变型设计。根据模型中部件之间的关系，采用自顶向下的设计方法，这主要是适应产品的功能要求，通过部件来实现整体产品的功能。基于装配背景下使部件实现高级别操作，部件结构会参考装配体中的其他部件，如果参考出现变化，相应的零件建立也要发生变化。这种设计方法能够使真实的设计过程得以体现，从概念设计到最终产品的完善，可以防止出现重复设计。自顶向下的设计需要在这个过程中注意部件之间的相关性以及装配位置。
2.2原理模型建立
起重机金属结构的变型设计不是针对单个部件，而是部件的集合。设计的过程包含部件之间的装配位置、部件之间的关联，由于结构装配复杂性较强，进行变型设计时需要进行设计分解。原理模型的建立是为了适应用户的需求描述，其中包含设计中需要的功能解、尺寸限制及关联性、计算过程等。关于设计尺寸和位置的限制模型属于几何原理模型，而分析计算属于计算原理模型。
利用原理模型对结构部件之间的关系进行定义，将其原理和部件的功能建立映射关系，以达到用户对产品不同功能的需求，这样结构和功能之间也做到了有效的连接，这样变型设计就有了更好的保证。原理模型中属性值主要是用来体现部件变型后引发的部件特性修改，经过变型后的模型可以完成部件特性的自动修正。利用部件之间的限制关系，能够在CAD软件中对各部件模型进行变型。另外是尺寸关联的体现，结构尺寸参数传递到装配体的现实模型中，可以作为限制，使装配体变型得到控制。再者是对参数调整的体现，现实模型中的参数以传递参数为主，通过参数使现实模型得到构造，通过参数值的变化来控制现实模型。最后是部件互换和变异，装配基准相同的部件，可以利用参数传递进行调整，也能够进行互换和变异。这个过程除了互换元件装配基准相同外，还要保证元件处于装配节点上，而非节点上的元件，互换后会在模型中消除。
通用门式起重机的金属结构-门架，主要由主梁、上、下横梁、支腿以及附属结构组成，各个部件之间的变型设计过程相似，从整体设计思想出发，对于结构中的每个部件的位置需要首先大致确定，根据设计模型中建立的部件装配位置限制以及装配设计图纸，将支腿装配，并且利用编程完成各参数的交互，通过优化参数来驱动支腿装配。另外，要注意建立参数和位置限制之间的关联性，部件尺寸和装配设计图纸中主参数之间的关系，利用编程将这些关系在系统中展现出来，从而实现对部件的装配驱动。变型设计过程的参数化需要注意部分问题，以提高设计效率。首先是关于模型中模板的制定要保证其合理性，对于属性信息，包含比例、重量、材质等等，都要定义好，这样可以防止出现重复设计，使变型设计的效率得到提升。另外是对设计图纸的规范要求，关于设计图纸要做好统一标准化的要求，这样在设计过程中才能够更好的使各个环节做到集成。再者，设计的剖面视图中，局部视图以及尺寸线等问题都要在前期工作中做好。
3.设计结果分析
以某通用门式起重机为例，额定起升质量为70吨，有效悬臂长单侧5米，起升高度线上12米、线下40米，金属结构中主梁以及支腿设计的参数如下表1。
表1 设计输出值
关于主梁内力计算：垂直作用力计算，主梁均布载荷的计算公式为：
其中Gm表示主梁一根的自重，Gs表示走台栏杆的质量，Gc表示小车导电架和电缆的质量，Gy表示小车运行轨道的质量，L表示跨度，l表示悬臂长度。
支腿最大荷载计算：起升的小车在满载运行到支腿正上方时受到的压力是最大的，这时主梁作用于支腿上部的垂直压力为
其中PQ表示起升荷载，PXC表示起升小车重力，l表示悬臂长，L表示跨度。
支腿压杆的柔度
其中u表示压杆的长度系数，l表示压杆的长度，imax表示压杆截面的最小惯性半径。
通过计算分析，得出支腿设计的整体稳定性设计满足实际要求。
结束语：
综上所述，通过计算校验，验证了变型设计在通用门式起重机金属结构设计中应用能够保证结构的可靠性。而且变型设计方法能够使机械产品的设计快速响应市场变化，使机械制造企业产品设计的周期得到较好的缩短，这样可以使用户的多样化需求得到良好的满足。同时，通过模型数据库的建立以及参数的调整，可以实现结构的精准设计，使起重机金属结构产品的市场竞争力得到更好的提升。
参考文献：
[1]杨莹. 基于变型设计的通用门式起重机金属结构设计[J]. 石家庄铁道大学学报:自然科学版, 2018, 31(S2):265-268.
[2]安林超, 朱绘丽. 起重机金属结构设计基础[M]. 化学工业出版社, 2016.
[3]沈刚. 基于APDL的通用门式起重机金属结构参数化分析[J]. 中国特种设备安全, 2019, 035(005):11-15.