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[摘 要]港口机械在港口作业中发挥着重要的作用，其数字化设计与分析是港口的未来建设趋势，提高港口机械的数字化水平，才能与现代港口的发展水平相符，并缩小与世界港口管理水平之间的差距。所以，需要加大对相关技术的研发力度，以提高港口机械数字化水平。本文对港口机械数字化进行概述，并就港口机械数字化设计与分析关键技术进行探讨。
[关键词]港口机械；数字化设计；关键技术
中图分类号：TS349 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）32-0230-01
随着港口作业的不断丰富，港口机械的作用越来越重要。但是，传统的港口机械设计方法以及无法满足现代港口的发展需要。对港口机械进行数字化设计与分析，并对计算机技术、信息技术等进行综合应用，可有效的提高港口機械的精密度和智能化水平。
1 港口机械数字化
港口机械数字化设计与分析是由两部分组成的，一部分是港口机械数字化，一部分是港口机械分析。其中，数字化是通过数字的形式，将各类信息表达出来，其核心技术为计算机技术，关键理论为二进制。设计是指为达到某种目的而进行的创造性工作。通过对港口数字化设计与分析的结合，能够创造出更多先进的产品。在港口机械数字化设计中所包含的数字化技术有很多种，如可靠性分析技术、安全性评价技术、参数化建模技术等，将这些技术结合起来使用，能够有效的提高港口机械的智能化水平。并且，数字化设计与分析不仅在港口机械产品的生产、制造过程中发挥着重要的作用，还能用于对企业成本进行管理和分析，制定产品的生产计划，对各类机械设备进行分配管理等。所以，通过对数字化设计技术的应用，能使港口机械企业的产品研发设计水平得到很大幅度的提升，还能缩短产品的设计周期，既能提高客户对产品的满意度，又能降低企业的制造成本，对于港口机械制造企业未来的发展有重要的意义。
2 港口机械数字化设计与分析关键技术
2.1 参数化设计系统的开发及模型的建立
以桥式抓斗卸船机为例，其是港口码头物料装卸作业中不可或缺的重要设备之一，与其他的港口机械设备相比，其金属结构更为复杂。桥式抓斗卸船机的主要作用是支撑整个起重机，其由三部分构成，一是主梁系统，二是门架系统，三是拉杆系统。其中，主梁系统是由前大梁和后大梁构成的，其为承载结构，桥式抓斗卸船机的质量取决于主梁的设计质量。在对桥式抓斗卸船机的金属结构进行参数化设计时，可以选择的工具有UG和UG二次开发工具，也可以选择Visual Studio 2010大型程序开发工具。如果采用UG开发软件，可对桥式抓斗卸船机金属结构建立起数字化的三维实体模型。然后，通过Visual Studio 2010对相关的程序进行编写，可以建立起良好的人机界面，从而达到对几何模型进行参数化设计的目的。再以此为基础，通过对有限元进行动态和静态分析，就能实现对桥式抓斗卸船机的金属结构进行数字化设计的目的。需要注意的是，在建立参数化模型之前，应做好其机械金属结构的数字化设计工作，再建立起三维模型。然后，再完成梯形门架金属结构的参数化设计，其步骤如下：第一，建立三维模型并对相关的参数进行编辑；第二，创建工作目录；第三，设计相关的模块菜单和对话框；第四，利用Visual Studio 2010建立应用程序框架，并编写程序；最后，时限编译连接。在完成梯形门架金属结构参数化设计后，再按照相同的步骤，对小门架和拉杆金属结构进行参数化设计。
2.2 建立载荷组合与作业工况并进行有限元动静态分析
此部分工作需要按照以下步骤进行：第一，建立有限元模型，此阶段需要正确的对ANSYS分析软件进行应用，通过其分析功能分别对桥式抓斗卸船机的结构强度、挠度进行静态分析，同时对其谐响应进行动态分析。第二，对机械的载荷及载荷组合进行分析，载荷需要利用公式计算出来，再根据桥式抓斗卸船机的实际工况、作业环境等，将载荷组合确定出来。其中，由于实际工况是移动载荷作用在前大梁端梁位置，所以在分析时，要注意考虑到三方面的因素，一是金属结构的自重载荷，二是起身载荷，三是大车运行机构制动单。在载荷组合中，因为工况属于无风作业情况，所以不需要对风载荷加以考虑。在有限元动态和静态分析过程中，最主要的研究对象是两个，分别为静力学强度、挠度，这两个都是非常重要的安全性指标。在对静力强度进行计算，要以为准则，其中表示危险点应力，表示材料屈服极限，表示安全系数，表示许用应力。而在对静力挠度进行计算时，则要遵循的准则，其中表示结构静挠度，表示结构许用挠度。而在对金属结构进行动态分析时，主要对其进行模态分析，即利用特征值分析的方法，将金属结构的振动特征确定出来。通过模态分析，不仅能够避免结构出现共振的情况，还能充分的了解各种类型的动力载荷响应情况，对于后续的动力学分析，还能提高控制参数的估算准确性。
2.3 优化数学模型并对优化结果进行验证
在对港口机械进行优化设计的过程中，需要建立起相应的优化数学模型，在对需要进行最优化的问题进行描述时，需要先确定出设计变量和目标函数，并明确相关的约束条件。同时，对于港口机械金属结构的主要部分，即主梁，也应该建立相应的数学模型，并对其进行优化。通过对遗传算法、粒子群算法等的应用，能够确保主梁金属结构达到设计要求的结构安全性，并使结构应力能够均匀的分布，并减小自重。另一方面，对于优化的结果，应进行对比分析，确定出目标函数在哪个阶段能够稳定的变化，并能够达到最小值，这个时候的设计变量就是最优解。将MATLAB作为优化平台，对主函数文件进行运行，在经过多次的迭代优化实验后，能够获取相应的优化过程曲线图，从中得到最优解和最小目标函数。比如，在对桥式抓斗卸船机主梁数字模型进行优化后，当优化过程迭代求解到24次左右的时候，就能从目标函数优化曲线中观察到其变化情况已经比较平缓，最小值为68012mm2，这时就能达到设计变量的最优解。此外，对于优化结果进行验证，则能确保优化结果的有效性。比如，对移动载荷进行验证，对其不同工况下的刚度、挠度进行分析，经过优化的移动载荷，应能满足相应的设计优化要求，并能在强度、刚度达到最优的前提下，减少材料的用量，降低港口机械的制造成本。例如，在利用粒子群算法对某桥式抓斗卸船机的主梁进行尺寸优化后，其截面的面积比原来减少10516mm2，减重率为13.4%，经过优化的主梁无论是在强度和刚度，还是在稳定性方面，都能够满足设计要求。并且，通过对材料性能的充分利用，能节约很大一部分材料，使桥式抓斗卸船机的制造成本明显的降低，能够实现较好的经济效益和社会效益。
结束语
综上所述，在对港口机械进行数字化设计与分析时，要先进行参数化设计系统的开发及模型的建立，然后建立载荷组合与作业工况并进行有限元动静态分析，再优化数学模型并对优化结果进行验证，使港口机械能够满足相关的设计要求，在提升其性能的同时，降低港口机械的制造成本。
参考文献
[1] 振华重工：设立数字化供应链平台[J].股市动态分析，2017，（48）：50.
[2] 刘力华，沈军武，肖志红，等.港口机械生产线数字化规划应用[J].机械设计与制造工程，2013，（4）：75-78.
[3] 郑允殿，王万林，张延垒.港口区域大型机械电气自动化控制模型设计[J].电子测试，2017，（23）：48，35.
[4] 李洪春.港口机械用润滑油与机械的使用寿命研究[J].中国设备工程，2017，（19）：50-51.
[5] 龙括，黄云龙.港口机械结构稳定性设计[J].建筑工程技术与设计，2017，（13）：5021-5021.
[关键词]港口机械；数字化设计；关键技术
中图分类号：TS349 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）32-0230-01
随着港口作业的不断丰富，港口机械的作用越来越重要。但是，传统的港口机械设计方法以及无法满足现代港口的发展需要。对港口机械进行数字化设计与分析，并对计算机技术、信息技术等进行综合应用，可有效的提高港口機械的精密度和智能化水平。
1 港口机械数字化
港口机械数字化设计与分析是由两部分组成的，一部分是港口机械数字化，一部分是港口机械分析。其中，数字化是通过数字的形式，将各类信息表达出来，其核心技术为计算机技术，关键理论为二进制。设计是指为达到某种目的而进行的创造性工作。通过对港口数字化设计与分析的结合，能够创造出更多先进的产品。在港口机械数字化设计中所包含的数字化技术有很多种，如可靠性分析技术、安全性评价技术、参数化建模技术等，将这些技术结合起来使用，能够有效的提高港口机械的智能化水平。并且，数字化设计与分析不仅在港口机械产品的生产、制造过程中发挥着重要的作用，还能用于对企业成本进行管理和分析，制定产品的生产计划，对各类机械设备进行分配管理等。所以，通过对数字化设计技术的应用，能使港口机械企业的产品研发设计水平得到很大幅度的提升，还能缩短产品的设计周期，既能提高客户对产品的满意度，又能降低企业的制造成本，对于港口机械制造企业未来的发展有重要的意义。
2 港口机械数字化设计与分析关键技术
2.1 参数化设计系统的开发及模型的建立
以桥式抓斗卸船机为例，其是港口码头物料装卸作业中不可或缺的重要设备之一，与其他的港口机械设备相比，其金属结构更为复杂。桥式抓斗卸船机的主要作用是支撑整个起重机，其由三部分构成，一是主梁系统，二是门架系统，三是拉杆系统。其中，主梁系统是由前大梁和后大梁构成的，其为承载结构，桥式抓斗卸船机的质量取决于主梁的设计质量。在对桥式抓斗卸船机的金属结构进行参数化设计时，可以选择的工具有UG和UG二次开发工具，也可以选择Visual Studio 2010大型程序开发工具。如果采用UG开发软件，可对桥式抓斗卸船机金属结构建立起数字化的三维实体模型。然后，通过Visual Studio 2010对相关的程序进行编写，可以建立起良好的人机界面，从而达到对几何模型进行参数化设计的目的。再以此为基础，通过对有限元进行动态和静态分析，就能实现对桥式抓斗卸船机的金属结构进行数字化设计的目的。需要注意的是，在建立参数化模型之前，应做好其机械金属结构的数字化设计工作，再建立起三维模型。然后，再完成梯形门架金属结构的参数化设计，其步骤如下：第一，建立三维模型并对相关的参数进行编辑；第二，创建工作目录；第三，设计相关的模块菜单和对话框；第四，利用Visual Studio 2010建立应用程序框架，并编写程序；最后，时限编译连接。在完成梯形门架金属结构参数化设计后，再按照相同的步骤，对小门架和拉杆金属结构进行参数化设计。
2.2 建立载荷组合与作业工况并进行有限元动静态分析
此部分工作需要按照以下步骤进行：第一，建立有限元模型，此阶段需要正确的对ANSYS分析软件进行应用，通过其分析功能分别对桥式抓斗卸船机的结构强度、挠度进行静态分析，同时对其谐响应进行动态分析。第二，对机械的载荷及载荷组合进行分析，载荷需要利用公式计算出来，再根据桥式抓斗卸船机的实际工况、作业环境等，将载荷组合确定出来。其中，由于实际工况是移动载荷作用在前大梁端梁位置，所以在分析时，要注意考虑到三方面的因素，一是金属结构的自重载荷，二是起身载荷，三是大车运行机构制动单。在载荷组合中，因为工况属于无风作业情况，所以不需要对风载荷加以考虑。在有限元动态和静态分析过程中，最主要的研究对象是两个，分别为静力学强度、挠度，这两个都是非常重要的安全性指标。在对静力强度进行计算，要以为准则，其中表示危险点应力，表示材料屈服极限，表示安全系数，表示许用应力。而在对静力挠度进行计算时，则要遵循的准则，其中表示结构静挠度，表示结构许用挠度。而在对金属结构进行动态分析时，主要对其进行模态分析，即利用特征值分析的方法，将金属结构的振动特征确定出来。通过模态分析，不仅能够避免结构出现共振的情况，还能充分的了解各种类型的动力载荷响应情况，对于后续的动力学分析，还能提高控制参数的估算准确性。
2.3 优化数学模型并对优化结果进行验证
在对港口机械进行优化设计的过程中，需要建立起相应的优化数学模型，在对需要进行最优化的问题进行描述时，需要先确定出设计变量和目标函数，并明确相关的约束条件。同时，对于港口机械金属结构的主要部分，即主梁，也应该建立相应的数学模型，并对其进行优化。通过对遗传算法、粒子群算法等的应用，能够确保主梁金属结构达到设计要求的结构安全性，并使结构应力能够均匀的分布，并减小自重。另一方面，对于优化的结果，应进行对比分析，确定出目标函数在哪个阶段能够稳定的变化，并能够达到最小值，这个时候的设计变量就是最优解。将MATLAB作为优化平台，对主函数文件进行运行，在经过多次的迭代优化实验后，能够获取相应的优化过程曲线图，从中得到最优解和最小目标函数。比如，在对桥式抓斗卸船机主梁数字模型进行优化后，当优化过程迭代求解到24次左右的时候，就能从目标函数优化曲线中观察到其变化情况已经比较平缓，最小值为68012mm2，这时就能达到设计变量的最优解。此外，对于优化结果进行验证，则能确保优化结果的有效性。比如，对移动载荷进行验证，对其不同工况下的刚度、挠度进行分析，经过优化的移动载荷，应能满足相应的设计优化要求，并能在强度、刚度达到最优的前提下，减少材料的用量，降低港口机械的制造成本。例如，在利用粒子群算法对某桥式抓斗卸船机的主梁进行尺寸优化后，其截面的面积比原来减少10516mm2，减重率为13.4%，经过优化的主梁无论是在强度和刚度，还是在稳定性方面，都能够满足设计要求。并且，通过对材料性能的充分利用，能节约很大一部分材料，使桥式抓斗卸船机的制造成本明显的降低，能够实现较好的经济效益和社会效益。
结束语
综上所述，在对港口机械进行数字化设计与分析时，要先进行参数化设计系统的开发及模型的建立，然后建立载荷组合与作业工况并进行有限元动静态分析，再优化数学模型并对优化结果进行验证，使港口机械能够满足相关的设计要求，在提升其性能的同时，降低港口机械的制造成本。
参考文献
[1] 振华重工：设立数字化供应链平台[J].股市动态分析，2017，（48）：50.
[2] 刘力华，沈军武，肖志红，等.港口机械生产线数字化规划应用[J].机械设计与制造工程，2013，（4）：75-78.
[3] 郑允殿，王万林，张延垒.港口区域大型机械电气自动化控制模型设计[J].电子测试，2017，（23）：48，35.
[4] 李洪春.港口机械用润滑油与机械的使用寿命研究[J].中国设备工程，2017，（19）：50-51.
[5] 龙括，黄云龙.港口机械结构稳定性设计[J].建筑工程技术与设计，2017，（13）：5021-5021.