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大型钢结构货架计算分析系统研发 王承业陈兵 北京科技 大学 杨竞尹忠俊 北京1 0 0 0 8 3 摘要 以数 据文件 为接 口，利用 V B编程 ，调用有 限元 软件 S A P 8 4的计算模 块进行二 次开发 ，实现钢结 构货架通用计算分析系统。该系统具有友好、方便、易用的人机交互界面，对复杂、难理解和掌握的 S A P 8 4 接 口文件进行后台封装，避免了大量的重复性分析工作，提高了分析效率，为钢结构货架的合理设计提供了 依据。 关键词 立体仓库 ；钢结构货架 ； S A P 8 4 ；二次开发 中图分类号 T H 2 7 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 2 0 0 5 2 0 4 Ab s t r a c t T a k i n g t h e d a t ．a f i l e a s i n t e rf a c e ， t h e p a p e r d e v e l o p s t h e s t e e l s t r u c t u r a l r a c k u n i v e r s a l c a l c u l a t i o n a n d a n a 1 ． y s i s s y s t e m t h r o u g h VB pr o g r a mmi n g a n d s e c o nd a r y d e v e l o p me n t b y c a l l i n g c a l c u l a t i o n mo du l e o f t h e fin i t e e l e me n t s o f t wa r e S A P 8 4 ．T h e s y s t e m h a s a f ri e n d l y ，c o n v e n i e n t ，a n d e a s y t o u s e h u ma n ． c o mp u t e r i n t e r a c t i v e i n t e rfa c e ，e n a b l e s t h e b a c k ． g r o u n d p a c ka g e o f SAP 8 4 i n t e rfa c e fil e s wh i c h a r e c o mp l e x a n d di f fic u l t t o un d e t a nd a n d ma s t e r ，whi c h a v o i ds ma s s i v e r e p e t i t i v e a n a l y s i s wo r k a n d i mp r o v e s t h e an a l y s i s e f fi c i e n c y ，t h u s p r o v i d i n g a b a s i s f o r r a t i o n a l d e s i g n o f t h e s t e e l s t r u c t u r al r a c k ． Ke y wor d s AS ／RS；s t e e l s t r uc t u r a l r a c k；SAP8 4；s e c o nd a ry d e v e l o p me n t O 引言 钢结构货架 由上千根杆 件组成 ，对其进行 结 构分析时 ，约 7 0 ％ ～ 8 0 ％的时间用于有限元建模 。 若想在货架结 构设 计过程 中修改结果 ，就需重新 建模并重复上述步骤 ，当货架模型较复杂或需要 修改的参数较多时 ，操作 就变得相当繁杂 、费时。 而且利用有限元软件对钢结构货架进行分析计算 ， 要求操作人员熟悉所采用 的有 限元分析软件 ，对 力学 和有 限元 的理 论 知 识 有 较 深 的理 解 。 因 此 运 用有限元软件进行钢结构货架设计分析 ，对 于一 般的技术人员来说掌握起来存在一定 困难 。本文 以最为典型的横梁式货架设计 为例，以 S A P 8 4有 限元软件为平台，依据 C E C S 2 3 --1 9 9 0 钢货架结 构设计规范 等设计 规范 ，在对货架模型进行分 析和简化的基础上 利用 V i s u a l B a s i c 6 ． 0编程 ，开 发出钢结构货架计算分析系统。通过可视化界面 ， 用户只需要输入相应 的货架参数 ，即可构建 出准 确的钢结构货架模型，即使从未认真学习过 S A P 8 4 软件的工程设计人员也能很好地借助本 系统进行 钢结构货架有限元分析。 1系统结构简介 在交互 式界 面下货架设 计者将 货架 的型号 、 一 5 2 一 材料、约束 、荷载工 况等信息输 入本系统 ，货架 的相关参数信息 自动保存到 A c c e s s数据库中，调 用 V B编写的接 口文件映射算法 ，按照 S A P 8 4特定 的数据字段对数据信息进行转化 ，使其成为 S A P 8 4 可识别的接 口文件。将载有货架信息 的接 口文件 输入 S A P 8 4并运行 ，就可实现货架有限元模 型 自 动建模 、网格划分 、施 加载荷 及约束 ，进行有 限 元解算 ，完成对货架强度 、刚度和稳定性 的分析， 为货架结构设 计提供理论依据。图 1为系统开发 流程 。 在V B 交互式界面下输l I 将 信息 存储 在 1一 l 根 据映 射算 法将 参 致转 入货架 参数信息 l ’ l A c c e s s 2 0 0 3 数据 库 I ’ I 换成 S A P 8 4 接H 文件 I 根据分析 结果判断货I l 得到 货架 位 移图 ／ 应力L_ J 将 生 成的 接口 文 件 导入 架 结 构 设 计 的 合 理 性I l频 谱 图 艉型 图 等 厂 l S A P 8 4 ， 完 成 分 析 过 程 图 1 系统开发流程 2 系统开发 的关键技术 系统将采集 到的货架 信息 由映射算法转化成 S A P 8 4可 识别 的接 口文件 信 息 ，使 程 序 在调 用 S A P 8 4运行 此接 口文 件后便 可进 行有 限元 分析。 显然 ，按照 S A P 8 4规定 的格式生 成接 口文件是本 系统研究的关键 。建立货架单元 的参数化模型也 起重运输机械 2 0 1 1 2 是实现货架有限元建模分析的必要条件 。 2 ． 1 货架结构模型参数化的研究 有限元计算 所需 的数据 包 括 1 节 点 的个 数 、单元个数 、受力点数 、约束点数 ；2 节点坐 标 ；3 单元组成及物理性质 ；4受 力点号及受 力值 ；5 约束点号及约束类型。 根据 以上数据 ，便 可完成货架有 限元分析前 处理部分的工作。利用参 数化技术 ，提 取 以上货 架信息进行有 限元计算是本 系统研究 的主要 内容 之一。所谓参数化设 计技术就是将设计 过程 中所 使用的各种参数都存储 在数据库 中，便 于系统和 设计人员的调用 ，它是产 品设 计 的基础 ，可 以消 除传统计算 机辅 助设计 C A D系统只能建立 固 定的设计模型的缺陷 ，使系统变得更灵活和开放 ， 节省大量 的人 力 、物力 、财力。在产 品设计过 程 中，设计者只需更改货架 的结构参数 如排 、列 、 层等 ，系统就会依照参数的修改来做几何形状的 变化 。不 同的货架在结构上差异很 大 ，可 以从 结 构与布置 、总体 尺寸、详细结构 3个层 面来建 立 货架的结构模型。 系统层用于描述货架系统结构的特征和属性 ， 包括货架分类 以及细分的结构类型 。结构层用于 描述 货架 整体 结构 的特征 和 属性 ，包 括 总体 结 构 、加强结构和构件材料等 。构件层则按照不 同 结构层包含 的内容 ，具体描述各种构 件的详 细参 数 。货架 结 构 参 数 化 模 型 的层 次 结 构 如 图 2 所示 总体结构参数l I 加强结构参数I J 结构材料参数 长度方向参数l I 宽度方向参数l l 高度方向参数l 怄 阍鹰 圃啕恒 俪 图 2 货架结构参数化模型 截面参数 力学参数 对于货架结构参 数化模型 ，每个方框单元都 表示系统的某一要素 ，而要素 的属 性则用 来描述 货架的结构或尺寸参数。建立货架 的参数 化模型 也就是用 参数来 描述整个 货架 要素属性 的过 程 ， 起重运输机械 2 0 1 1 2 因此可将货架参数用如下矩阵表示 货架分类 ] 薹 蕃 霎篓 ，1 加强结构 fI 捣婿噼 f 构件材料 Il，曲 笛吐 、l 参数化矩阵 ． J 前处理数据 S A P 8 4 接M文件 1 将货架信息参数 化后 ，再 由映射算 法将其变 换为 S A P 8 4可识别 的接 口文件 ，此接 口文件包含 货架前处理所需的所有数据。方程 1 为货架参 数化矩阵向接 口文件变换 的矩 阵方程 。根据有 限 单元法可知，有 限元求解 实际上 就是求 解矩 阵方 程 的过程 。 2 ． 2 S AP 8 4接口文件生成的映射算法研究 系统 中货架设计模 块得到 的是货架 的模型参 数 ，包括结构 、材 质、加载模 型等。这些参 数都 存储在标 准 的 A c c e s s数据库 中。通过 接 口技 术 ， 调用 S A P 8 4软件的计算程序便 可完成有限元分析。 实现参数 由系统 向 S A P 8 4软件 的传递 ，是系统得 以实现的关键技术 。S A P 8 4提供一种类似于 A n s y s 命令流文件 的输入数据文 件 ，本系统为生成 这种 输入数据的接 口文件，调用 S A P 8 4的计算 和分析 模块 ，读取分析结果 。 S A P 8 4的输人 数据文件 采用便 于用户终端操 作的 自由格式 ，它 由一些用分 隔符 隔开 的数据段 组成 ，每个数据段 由若 干个 由程序指 定顺序 的数 据行构成 ，每一数据行 内是 由若 干个 引导字进行 引导的数据。通过这种 自由格式 ，便 可将上述所 研究的参数 化信 息矩阵 由引导词进行 引导 ，生成 具有货架有限元模型信息的接 口文件。 V i s u a l B a s i c 6 ． 0使用 A D O技术读取数据库 中 的模型参数数据 ，按 照特定映射算法将货架 的结 构模型参数转化为节点单元数据 ，并存储 于节点 单元库中 ，继而使用 O p e n语句对文件进行 I ／ O操 作 ，并 由 S A P 8 4规定 的引导词引导货架参数信息 矩阵，生成接 口文件程序段。图 3为生成货架有 限元模型的映射算法流程 图。 由结构参数 向节点单元 映射后得 到货 架最底 层 的节点坐标信 息 ，根据 货架 的长、宽 、高及 层 数 、列数 、排数 等信息可推导 出第 1层节点 的所 有坐标 。如第 1个 单元 ， v 0 d e 。 。 。 坐标 为 X o ，r o ， Z 。 ，则第 2个单元节点 Ⅳ 0 d e ㈣坐标为 X 。 货格 一 S 3 一 重 一 N N 图 3 映射算法流程图 长度， ， z 。 ；同理可推导出余下的单元节点坐 标为 货格 长度 L排数 ，y n货格 宽度 W 货架列数 i ，Z o货架 高度 H货架层数 k 。 将这些单元节点坐标 由小到大进行编号 ，即可生 成货架单元。通过上述 映射算法将货架参 数信息 矩阵转化为 S A P 8 4可识别 的命 令流接 口文件 ，运 行此接 口文件后在 S A P 8 4窗 口显示 的货架模型如 图 4所示 。 图 4 货架有 限元模型 由图 4可知 ，经过映射算法实现 了货架 的参 数化有限元建模。如立柱单元 2 3 ，起始节点编号 为 4，终止节点编号 为 1 6 ，根 据输 入的货架层高 1 ． 5 m、货格宽度 1 ． 1 m及货格长度 1 ． 5 m，由系 统生成节点坐标分别为 0 ，0 ，1 ． 5 及 0，0 ， 0 ；由起始节点及终止节点编号 即可生成横梁及 斜拉等加强单元 ；节点编号 1 6处为货架 的立柱与 地 面连接的节点 ，其为 刚性 连接 ，故约束 6个方 向的自由度 ；横 梁单元 3所 受载荷 为 均布载荷 ， 载荷大小 由系统根据货物的重量及所受工况施加 到相应 的单元编号上。至此完成 了货架 结构模 型 的建立 、约束及 载荷的施 加等前处理工作。将信 息保存到 A c c e s s 数据库 中，如表 1 所示 。 表 1 货架参数信息表 起始节点 起始节点坐标 终止节点 终止节点坐标 单元类型 编号 约束类型 荷载值 材料信息 编号 X，Y ，Z 编号 ，l 厂 ，z 立柱 2 3 4 0， 0，1 ． 5 1 6 0 ，0， 0 刚性／ 铰接 系统计算给出 E、 P等 横梁 3 4 0， 0，1 ． 5 7 0，1 ． 5 ，1 ． 5 刚性／ 铰接 系统计算给 出 E、P等 斜拉 5 3 3 2 ． 2 ，0 ，1 ． 5 2 6 2 ，2，0 刚性／ 铰接 系统计算给出 E、 P等 2 ． 3 A Do技术及 S A I 4集成技术 系统运行时涉及大量 的数据，如 图 5货 架有 限元模型 中的节点坐标 、节 点编号、单元 编号及 荷载值 、货架材料参数约束信息等都要存储在 A c ． 一 5 4 一 c e s s 2 0 0 3数据库 中 见表 1 ，在 V B中调用 A D O A c t i v e X D a t a O b j e c t s 控件 ，结合 S Q L语言进行 编程 ，实现数据库 的连接 。A D O主要 由以下 3个 对象实现对数据库的操作 起重运输机械 2 0 1 1 2 1 C o n n e c t i o n用于表示 和数据源 的连接 ，以 及处理一些命令和事务； 2 C o m ma n d用 于 执行 某些 命 令来 进 行诸 如 节点坐 标 编 号 的查 询 、修 改 数 据 库 结 构 的 操 作 ； 3 R e c o r d s e t 用于处理数据源 的表格集，是在 表中修改、检索数据的最主要的方法 。 通过 A D O技术连接数据库读取数据表 中的约 束、荷载值 、材料信息等 ，由 S A P 8 4引导符进行 引导 调用 S A P 8 4计 算程序 即可进行货架有 限元 分析。利用 V B通过 S h e l l 函数调用 S A P 8 4有 限元 计算程序部分代码如下 P r i v a t e S u b C o m ma n d C l i c k Di m d i a o y o n g As I n t e g e r d i a o y o n g S h e l l Ct p r o g r a m f i l e s| s a p 8 46 5 l s a p g u i d e ． e x e C ＼ s a p d a t a ” ， v b Ma x i m i z e d F o c u s En d S u b 3系统的实现 3 ． 1系统界 面 系统界面包括货架建模模块 、材料信息模块 、 工况选择模块 、生成 S A P 8 4接 口文件模块及结果 分析模块 5部分。系统 开始时需进行初始 化，对 系统数据库进行检查 。 3 ． 2货架 建模 1 总体尺 寸设 计 排 数 、列数 、层 数 、层 高 、货格长度及宽度等 ； 2 横 梁立柱设 计 结 构 、布置方 式 、尺寸 等 ； 3 加强结构设计 斜拉杆 、水平拉杆 的布置 等 。 3 ． 3材 料信 息 对货架横梁 、立 柱及 加强单元进 行产品 系列 及型号 的选择 以确定 材料 的弹性 模量 、泊 松 比、 密度等参数。 3 ． 4工况 选择 货架所受工况类 型主要包括满 载工况 、地震 工况及 自定义工况。此模块包括货 架所 受工况类 型的选择及定 义所 受载荷 大小及货物放置 的位置 等信息。 3 ． 5 有 限元分 析及 结果 查看 将收集的货架数据信 息，经过映射算 法的转 起重运输机械 2 0 1 1 2 换生成 S A P 8 4可识 别 的接 口文 件 ，运 行并 进 行 有 限元 分 析 ，生 成 货 架 位 移 图 、应 力 频 谱 图 、 振型 图。通过 分 析数 据 文件 ，完成 对 钢结 构 货 架 的校 核 ，点 击 货架 结 构单 元 ，系统 便显 示 货 架单元编号及 位 置 等信 息 ，以及 校 核 的结 果是 否满足设计要 求 。货架 设 计人 员 可 通过 校 核 结 果对货架结构 进 行修 改 ，使 其 在 满 足安 全性 的 前提下达到用 钢 量最 少 ，从 而 实 现最 大 的经济 效益 。 4 结论 对货架模型进 行参数化研 究 ，以参 数化矩 阵 方式表达货架信息 ， 并通过映射算法的研究将其转 化为 S A P 8 4可识别的接 口文件。利用 V B开发出集 货架 自动建模及有限元分析于一体 的钢结构货架 有限元分析系统。该 系统提高 了分析 效率 ，即使 非专业人员也可以利用 该系统对钢结构货架进行 有限元 分 析 ，从 而 为 货架 结 构 的合 理设 计 提 供 依据。 参考 文献 [ 1 ]刘昌棋 ．自动化立体仓库设计[ M] ．北京机械工业 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 2 ]吴小鹏 ，程国全 ． S A P 8 4的钢结构货架 C A D ／ C A E集成 系统 的开发 [ J ] ．现代制造_ [ 程 ，2 0 0 9 1 ． [ 3]He F a n g ，C h e n Y u e t i n g ，Z h a o S h u h u a ．A p p l i c a t i o n o f F u z z y C o n t r o l i n t h e S t a c k e r C r a n e o f a n A S ／ R S [ J ] ． C o m p u t e r S o c i e t y ，2 0 0 8 ，1 7 7 5 0 8 5 1 2 ． [ 4 ]赵欣 ，陆念力 ．格构式塔机结构通 用计算 分析系 统的 开发研究[ J ] ． 设计计算 ，2 0 0 9 ，6 1 ． [ 5 ]邱 向荣 ，陈炽坤 ．基于 V B的 A N S Y S二 次开发在起重 机设计 中 的应 用 [ J ] ．起 重运 输机 械 ，2 0 0 7 5 4 1 43 ． [ 6 ]贾争现，曹西京，刘昌祺 ． A S ／ R S货架的强度计算及 设计[ J ] ．设施与设备，2 0 0 3 3 ． 作 者王承业 地 址 北京市海 淀区学院路 3 O号北京科技大学机械工 程学 院 6 2 6信箱 邮 编 1 0 0 0 8 3 收稿 日期 2 0 1 0 0 91 0 5 5