CN103745059A - 一种基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法，包括如下步骤：（1）划分部件模块并提取尺寸、材料、截面以及结构特征，用面向对象的方法封装，创建各种类；（2）获取臂架结构建模数据，创建材料对象、型钢截面对象以及部件对象；（3）获取臂架型式数据，形成起重机臂架系统并保存参数到数据库；（4）将臂架型式数据输入到有限元分析模块，生成臂架系统的有限元模型进行分析计算并输出分析结果；（5）根据用户需求提取所需要结果数据，输出列表、图形或动画等结果数据到分析报告文件；（6）结束并释放空间。本发明具有强大的基于面向对象建模能力，具有完备的数据检查功能，以及具有良好的兼容性和移植性。<b/>

Description

一种基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法

技术领域

本发明属于起重机领域，涉及一种基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法。

背景技术

国内经济的快速发展和基础建设的迫切需求，推动了我国起重机技术的快速发展。臂架结构凭其机动、灵活、轻便等特点，被应用于塔式起重机、履带式起重机、轮式起重机等臂架起重机，广泛适用于工矿企业、建筑工地、港口码头、油田、仓库、货场、车站及市内起重安装等起重作业及吊装工作。

我国的起重机制造业从20世纪50 年代起，起重机设计经历了从前苏联引进的、仿制欧美产品到自主创新发展等阶段。虽然我国的臂架式起重机产品的吨位已经发展到千吨级，居于世界起重机技术的前列，但是我国的大吨位起重机产品结构自重大，设计理论偏于保守，且起重吨位的型谱还不完善。随着超大吨位起重机技术的攻克和国民生产生活的多样化需求，我国起重机技术的发展必然向着功能多样化、型式多样化发展。

随着计算机技术的迅速发展，应用计算机数值仿真技术已成为与实验同样重要的实现技术创新、验证结构质量的基本研究手段。综合应用先进的计算机数值仿真试验和分析技术，可以实现对起重机臂架设计方案的全面试验和分析，定量的研究各种因素对臂架结构的影响，找出其中的关联规律，为起重机臂架的设计和制造提供指导意见，提高臂架设计效率和使用安全，降低产品开发成本。因此，有限元建模的质量和效率是一个非常重要的方面。

目前，在起重机臂架的设计分析中，参数化建模技术在起重机臂架的设计研究中已经得到部分应用。但是参数化建模技术只能针对某一特定结构进行参数化，不能方便地应用到系列化臂架的开发设计中，且参数建模技术对二次开发平台的依赖性大。在计算机建模领域还没有针对起重机臂架的通用建模方法。起重机臂架、塔身等桁架结构产品设计和仿真分析通过人工建模方式，通用性差，随意性很大，效率很低，起重机产品的发展急需解决这一仿真设计方面的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提出一种基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法，并基于这个方法提出臂架系统的建模、分析、优化的批量自动生成和扩展机制。使用本发明方法建立桁架式臂架系统，可以使得臂架系统中的各种组成部分具有较高的可重用性，使臂架模型具有模块化、通用化的特征，从而有利于快速构建新的臂架系统，有利于实现起重机臂架系统从单一模型到批量建模的发展。

本发明具体公开了一种基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法，包括如下步骤：

（1）将起重机臂架结构按照装配特征和工作关系划分部件模块并提取尺寸、材料、截面以及结构特征，用面向对象的方法封装，创建起重机臂架需要用到的材料类和型钢截面类，按照结构特征创建部件类,根据臂架特征类创建臂架类；

（2）获取臂架结构建模数据，根据输入的建模数据创建材料对象、型钢截面对象以及部件对象；

（3）获取臂架型式数据，根据臂架型式数据装配形成起重机臂架系统并保存参数到数据库；

（4）将步骤（3）输出的臂架型式数据输入到有限元分析模块，生成臂架系统的有限元模型进行分析计算并输出分析结果；

（5）根据用户需求提取所需要结果数据，输出列表、图形或动画等结果数据到分析报告文件；

（6）结束并释放空间。

其中，所述步骤（4）中包括建模操作、划分网格操作、分析求解以及结果处理操作。所述的建模操作按输入的臂架型式数据建立臂架模块对象，并装配和显示臂架系统几何模型；所述的划分网格操作对已建立的臂架几何模型进行网格划分，建立有限元网格模型；所述的分析求解以及结果处理操作对已建立的臂架有限元网格模型加载边界条件，确定臂架约束形式和载荷位置与大小，并利用自主有限元分析模块完成分析并输出分析结果到数据库。

其中，利用自主有限元分析模块完成分析并输出分析结果到数据库后，还可以连接到其他有限元分析平台的求解器完成计算并输出分析结果到数据库。

其中，部件类含有拉杆和臂节等部件的全部特征，包含节点类、单元类以及材料编号和型钢截面编号等内容；用面向对象的方法封装成臂架类，臂架类包含对部件类的引用和部件之间的装配方法。

进一步，材料类包含有臂架结构所用材料的特征参数；型钢截面类包含有臂架所用型钢的截面参数；节点类只含有节点的坐标分量；单元类含有组成单元的基本参数。型钢截面类还含有可以通过基本参数计算截面面积、抗弯模量的方法。单元类还含有计算单元体积、单元质量等导出参数的方法。

本发明的有益效果是：

（1）强大的基于面向对象建模能力。通过对各种起重机臂架的结构相似性分析，提炼出它们的各种特征，建立相应的类模块来存储这些数据，具有模块化、通用化的特征。

（2）完备的数据检查功能，利用类的成员函数增强了数据差错能力，在进行数据操作时可以进行相应的提示，有助于操作者判断其操作的正确性，防止由于数据输入的错误导致建模分析失败，确保向计算机系统传递数据的准确性。

（3）良好的兼容性和移植性，使用任何一种具有面向对象的编程语言都可以实现本建模方法的功能。既可以通过自主编程实现有限元分析功能，也可以通过对应的有限元分析平台（例如：ANSYS、ABQUSE等），不管是基于何种操作系统环境 (例如：Unix、Windows、Mac等)，都可以很好地运行本方法。本方法形成的对象数据文档和模型文件，可以完全实现不同计算机间的数据交换和编辑。

附图说明

图1：本发明基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法的类模块结构关系图；

图2：本发明基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，以履带式起重机臂架为例，对本发明作进一步说明。

图1示出了桁架式臂架系统类模块的机构关系图，臂架类是顶层的类，包含模型的全部内容, 包括部件类;部件类又可进一步包括构成部件的材料、截面、节点和单元,材料类、型钢截面类、单元类和节点类是底层的类，组成其他部分。具体而言，材料类包含有臂架结构所用材料的特征参数，如材料名称、密度、弹性模量等；型钢截面类包含有臂架所用型钢的截面参数，如截面名称、截面尺寸等基本参数，还含有可以通过基本参数计算截面面积、抗弯模量等参数的方法；节点类只含有节点的坐标分量；单元类含有组成单元的节点编号、所用材料的编号、截面编号以及单元长度等基本参数，还含有计算单元体积、单元质量等导出参数的方法；部件类中含有组成部件的节点、单元等参数，还含有实现部件旋转、平移等动作的方法；臂架类中含有组成臂架的部件组合和把部件装配成臂架的方法。

参阅图2，图中示出了本发明的基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法，具体建模方法包括以下步骤：

（1）按照图1所示，将履带式起重机臂架结构按照装配特征和工作关系划分部件模块并提取尺寸、材料、截面以及结构特征，用面向对象的方法封装，创建履带式起重机臂架需要用到的材料类和型钢截面类;按照结构特征创建部件类，部件类含有拉杆和臂节等部件的全部特征，包含节点类、单元类以及材料编号和型钢截面编号等内容；用面向对象的方法封装成臂架类，臂架类包含对部件类的引用和部件之间的装配方法；

（2）获取臂架结构建模数据，根据输入的建模数据创建材料对象、型钢截面对象以及部件对象，然后进入步骤（3）；

（3）获取臂架型式数据，根据臂架型式数据装配形成起重机臂架系统并保存参数到数据库；

（4）将步骤（3）输出的臂架型式数据输入到有限元分析模块，生成臂架系统的有限元模型进行分析计算并输出分析结果，包括建模操作、划分网格操作、分析求解以及结果处理操作。其中所述的建模操作按输入的臂架型式数据建立臂架模块对象，并装配和显示臂架系统几何模型；所述的划分网格操作对已建立的臂架几何模型进行网格划分，建立有限元网格模型；所述的分析处理操作对已建立的臂架有限元网格模型加载边界条件，确定臂架约束形式和载荷位置与大小，并利用自主有限元分析模块完成分析并输出分析结果到数据库，或者连接到其他有限元分析平台的求解器完成计算并输出分析结果到数据库；

（5）根据用户需求提取所需要结果数据，输出列表、图形或动画等结果数据到分析报告文件；

（6）结束并释放空间。

以上实施实例仅是说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴。

Claims (8)

1.一种基于面向对象的起重机臂架计算机建模方法，包括如下步骤：

（1）将起重机臂架结构按照装配特征和工作关系划分部件模块并提取尺寸、材料、截面以及结构特征，用面向对象的方法封装，创建起重机臂架需要用到的材料类和型钢截面类，按照结构特征创建部件类,根据臂架特征创建臂架类；

（2）获取臂架结构建模数据，根据输入的建模数据创建材料对象、型钢截面对象以及部件对象；

（3）获取臂架型式数据，根据臂架型式数据装配形成起重机臂架系统并保存参数到数据库；

（4）将步骤（3）输出的臂架型式数据输入到有限元分析模块，生成臂架系统的有限元模型进行分析计算并输出分析结果；

（5）根据用户需求提取所需要结果数据，输出列表、图形或动画等结果数据到分析报告文件；

（6）结束并释放空间。

2.根据权利要求1所述的计算机建模方法，其特征在于：所述步骤（4）中包括建模操作、划分网格操作、分析求解以及结果处理操作。

3.根据权利要求2所述的计算机建模方法，其特征在于：所述的建模操作按输入的臂架型式数据建立臂架模块对象，并装配和显示臂架系统几何模型；所述的划分网格操作对已建立的臂架几何模型进行网格划分，建立有限元网格模型；所述的分析求解以及结果处理操作对已建立的臂架有限元网格模型加载边界条件，确定臂架约束形式和载荷位置与大小，并利用自主有限元分析模块完成分析并输出分析结果到数据库。

4.根据权利要求3所述的计算机建模方法，其特征在于：利用自主有限元分析模块完成分析并输出分析结果到数据库后，还可以连接到其他有限元分析平台的求解器完成计算并输出分析结果到数据库。

5.根据权利要求1-4任一项所述的计算机建模方法，其特征在于：部件类含有拉杆和臂节等部件的全部特征，包含节点类、单元类以及材料编号和型钢截面编号等内容；用面向对象的方法封装成臂架类，臂架类包含对部件类的引用和部件之间的装配方法。

6.根据权利要求1-5任一项所述的计算机建模方法，其特征在于：材料类包含有臂架结构所用材料的特征参数；型钢截面类包含有臂架所用型钢的截面参数；节点类只含有节点的坐标分量；单元类含有组成单元的基本参数。

7.根据权利要求6所述的计算机建模方法，其特征在于：型钢截面类还含有可以通过基本参数计算截面面积、抗弯模量的方法。

8.根据权利要求6或7所述的计算机建模方法，其特征在于：单元类还含有计算单元体积、单元质量等导出参数的方法。

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