数字化仿真技术在起重机械工艺设计中的应用与实践

摘要：起重机械作为现代工业中不可或缺的设备，其工艺设计的优劣直接关系到设备的安全性、可靠性和经济性。传统工艺设计往往依赖于经验积累和物理实验，存在设计周期长、成本高、难以全面预测设备性能等问题。而数字化仿真技术以其高效、准确、可重复性等优势，为起重机械工艺设计提供了新的解决方案。鉴于此，本文就此展开了论述，以供参阅。

关键词：数字化仿真技术；起重机械；工艺设计

引言

起重机械作为现代工业生产中不可或缺的设备，其性能和安全性直接关系到生产效率和人员安全。传统的起重机械工艺设计往往依赖于经验积累和实物试验，存在设计周期长、成本高、难以全面评估性能等问题。而数字化仿真技术通过计算机模拟和仿真，能够在虚拟环境中对起重机械的设计方案进行全面验证和优化，从而显著提高设计质量和效率。

1数字化仿真技术在起重机械工艺设计中的应用

1.1起重机械结构设计与优化

在起重机械结构设计中，数字化仿真技术作用关键。传统设计凭工程师经验与简单力学计算，难精准预测复杂工况下的结构性能。而数字化仿真可构建精确模型，借有限元分析全面评估结构强度、刚度与稳定性。

以起重机臂架设计为例，先用SolidWorks建几何模型，再导入ANSYS，划分网格、定义材料属性、边界条件与载荷工况后求解。由此获取臂架在不同工况下的应力分布、变形及稳定性系数等参数，助工程师判断设计是否达标，若有不足，可调整臂架截面形状、尺寸或材料，经反复仿真优化方案。

此外，数字化仿真还用于结构轻量化设计。在保障安全性能时，通过优化拓扑、形状与尺寸参数，减少材料用量，降低自重，提升能源利用效率与经济性。如拓扑优化，能在给定空间找材料最优分布，既满足力学要求，又降低材料消耗，契合绿色制造趋势。

1.2起重机械动力学性能分析

起重机械工作时，各部件相互作用与运动关系复杂，其动力学性能对工作效率、稳定性及安全性影响重大。数字化仿真技术为分析该性能提供有效途径。

借助多体动力学仿真软件（如ADAMS），能构建起重机械的多体动力学模型。将吊臂、转台、底盘、起升、回转、变幅等机构部件设为刚体或柔性体，用关节和约束模拟部件连接，施加驱动力与载荷。经求解模型，可模拟起吊、放下、回转、变幅等工况下的运动过程，获取各部件位移、速度、加速度及关节力等动态响应数据。

工程师通过分析这些数据，能深入了解起重机动力学性能。比如，评估起升时加速度与减速度是否合理，防止货物晃动及结构承受过大冲击；分析回转和变幅的稳定性，判断有无倾翻风险；研究机构协同工作性能，优化控制策略以提升整体运行效率。此外，动力学仿真还能预测不同工况下的振动特性，为振动控制与降噪设计提供依据。

1.3起重机械控制系统设计与验证

起重机械工作时，各部件间相互作用与运动关系极为复杂，其动力学性能紧密关联着工作效率、稳定性及安全性，意义重大。数字化仿真技术为剖析这一性能提供了高效路径。

以ADAMS这类多体动力学仿真软件为例，可构建起重机械的多体动力学模型。将吊臂、转台、底盘，以及起升、回转、变幅等机构部件，依实际情况设为刚体或柔性体，利用关节和约束来模拟部件间的连接方式，并施加相应的驱动力与载荷。对模型求解后，便能模拟出起吊、放下、回转、变幅等多种工况下的运动过程，进而获取各部件的位移、速度、加速度以及关节力等关键动态响应数据。

工程师对这些数据深入分析，可深度洞悉起重机动力学性能。比如评估起升过程中加速度与减速度，避免货物晃动及结构承受过大冲击；研判回转和变幅时的稳定性，判断有无倾翻风险；探究各机构协同工作性能，优化控制策略以提升整体运行效率。同时，动力学仿真还能预测不同工况下的振动特性，为振动控制和降噪设计提供有力依据。

1.4起重机械作业流程仿真与优化

起重机械作业流程对工作效率与生产效益影响重大，数字化仿真技术可助力其模拟与优化，提升企业效益、降低成本。

以DELMIA这类数字化制造仿真软件为例，能构建起重机械作业场景模型，涵盖起重机、工作场地、货物及操作人员等要素。在模型里，明确起重机作业任务、操作流程、运动路径，以及各元素间的相互关系与约束条件。经仿真运行作业流程，可直观洞察起重机实际作业状况，精准发现诸如作业路径欠佳、设备易碰撞、作业等待耗时久等问题。

基于仿真结果，工程师得以优化作业流程。像优化起重机作业路径，减少不必要移动，提升作业效率；合理规划作业顺序，规避设备冲突与等待，提高资源利用率；调整操作人员工作流程与规范，增强人机协同效率。经持续仿真与优化，最终生成最优作业流程方案，为实际生产提供可靠指导，切实推动企业高效运作。

2.实践案例

2.1案例一：某大型港口起重机的结构优化设计

某港口企业因货物装卸需求增长，计划购置新型大型港口起重机。设计阶段，团队运用数字化仿真技术。先用SolidWorks构建包含桥架、小车等主要部件的三维模型，再导入ANSYS做有限元分析。对结构精细网格划分，设材料为高强度合金钢，依港口工况施加起升、风、地震等多种载荷组合。分析发现原设计中桥架与支腿连接处、小车轨道支撑结构等关键部位在极端工况下应力过高，存安全隐患。经多轮优化，调整结构形状、增加加强筋、优化材料分布后重新评估。最终得到的优化方案使起重机结构重量减轻约15%，降低成本与能耗，关键部位应力降低，可靠性与安全性显著提升，满足港口作业要求。

2.2案例二：某汽车制造企业起重机的动力学性能改进

某汽车制造企业车间内部分起重机在起升和下降时货物晃动大、运行平稳性差，影响生产。企业与科研机构合作，借助数字化仿真技术改进。科研团队用ADAMS建立含机械结构、起升机构、钢丝绳系统及货物动力学特性的多体动力学模型，依实际作业设参数与约束。仿真分析得出货物晃动大主因是起升机构速度控制策略不当及钢丝绳弹性变形影响。为此，设计基于模糊控制算法的控制器调控起升速度，优化钢丝绳选型与结构参数。多次仿真测试显示，改进后起重机货物晃动幅度大幅减小，运行平稳性显著提高。企业依此改造实际起重机，提升了货物搬运和装配的效率与质量。

2.3案例三：某建筑施工单位塔式起重机的作业流程优化

某建筑施工单位在大型项目中使用多台塔式起重机吊运物料，施工中发现作业效率降低，起重机相互干扰、等待时间长。为解决问题，施工单位利用DELMIA建立施工现场虚拟模型，明确各起重机作业任务、吊运路径、时间安排及安全距离等约束。仿真发现部分吊运路径交叉冲突致等待时间长，物料堆放区布局不合理增加吊运距离。经优化，重新规划吊运路径，避免交叉冲突，合理布局物料堆放区。再次仿真验证，起重机作业效率显著提高，相互干扰减少，等待时间缩短。实际施工采用优化方案，有效提升了作业效率，加快施工进度。

结束语

综上所述，数字化仿真技术在起重机械工艺设计中的应用与实践已经取得了显著的成效。通过数字化仿真技术，设计师可以更加准确、高效地预测起重机械的性能表现，优化工艺设计，提高设备的安全性和可靠性。未来，随着数字化技术的不断发展，数字化仿真技术将在起重机械工艺设计中发挥更加重要的作用。

参考文献

[1]郝安民，张洋.数字化工艺设计与仿真技术实施思路[J].汽车制造业.2024（06）：45-48

[2]司开妹.数字化设计在化工机械中的应用与挑战[J].塑料工业.2024（11）：177-178

[3]关永宏，张文玲.基于BIM技术的起重机械设计与制造[J].机械工业标准化与质量.2024（09）：47-50