1.1目的及意义

随着经济的迅速发展和世界贸易的增加，港口装卸运输业也因此得到了快速发展，与此同时，大型港机设备越来越多，并且在港口现代化生产中发挥着越来越重要的作用。但是因为大型港机设备的结构高大，迎风面积较大，所以在台风或突发性阵风发生的时候，就很容易受到风力的影响，从而发生事故^[1]。如2017年的台风“天鸽”登陆珠海，使三一海工珠海基地损失惨重，4台总装完成岸桥倒塌。所以对大型港机设备的防风工作相应的提出了更高的要求。

而风力自锁防爬器较好的解决了对于大型港机设备的防风问题，目前的问题在于对风力自锁防爬器结构进行优化设计，随着计算机的飞速发展，FEA在工程设计和分析中得到越来越广泛的重视，其计算结果不仅详尽，而且具有很高的可靠性^[2]。采取有限元分析法对风力自锁防爬器进行设计计算，可以提高设计效率。而在进行设计系列化产品时，由于结构形式相同结构不同，逐个进行建模分析会花费大量时间，所以可以借助参数化设计的思路实现结构分析模型的调整将参数化设计与有限元结构分析相结合，实现结构参数化调整，自动生成模型并进行有限元结构分析，可以极大的优化产品结构，缩短设计周期^[3]。APDL是ANSYS软件的一个强大且实用的二次开发平台，所以采用APDL编制的程序用于风力自锁防爬器结构优化时可提高效率^[4]。

本次毕业设计的任务是对风力自锁防爬器结构的有限元优化设计，而设计的意义在于通过对风力自锁防爬器结构的参数化建模与设计来进行有限元分析和优化分析，并且编制风力自锁防爬器结构参数化有限元优化程序来对一系列其他尺寸的风力自锁防爬器进行优化分析。

1.2国内外研究现状分析

参数化设计方法作为一种全新的设计方法现在已广泛被工业界所采用。它所具有的高效性、实用性等特点使其成为设计工作的发展方向。北京理工大学的梅小宁等提出了一种基于UG二次开发的参数化建模方法^[5]。采用UG/Open API的外部模式结合MFC开发了模型更新程序。武汉理工大学的龚道雄以系列化通用桥式起重机为对象，以参数化设计的理论和三维CAD设计技术为依据，结合Access数据库技术，在VisualBasic6.0编译语言环境中对三维CAD软件SolidWorks进行了二次开发，建立桥式起重机的参数化设计系统^[6]。武汉理工大学的景仁坤充分运用Pro/Engineer的二次开发工具Pro/Program、Pro/Toolkit、Family Table的功能，进行齿轮的参数化设计研究与开发工作^[7]。然而SolidWorks等软件并不能对研究对象进行力分析，所以采用了ANSYS来进行参数化设计。

ANSYS是一个功能十分强大的、通用性很强的有限元分析软件。国内外的许多研究均用到了ANSYS来进行优化设计。Listiyono Budi等采用有限元法对蜂窝钢梁六角孔的尺寸和距离进行了优化研究^[8]。A.A. ElDamatty，A.O. Nassef研究了确定壳体结构临界缺陷的有限元优化技术，利用了遗传算法^[9]。C.Ayyanar利用ANSYS对6061-T6铝合金蠕变拉伸试验建模与蠕变应变分析^[10]。武汉理工大学的刘波建立了以ANSYS为计算核心的,用VC封装的发动机曲轴有限元分析系统。实现了曲轴建模和分析计算的自动化、智能化^[11]。

近年来，机械优化设计是在现代计算机广泛应用的基础所发展起来的一门新学科，以如C、C 、VC等编程语言作为人机配合方式在计算机上进行自动设计，如前面所提到的例子，以选出在现有工程条件下最佳的设计方案的设计方法，但这些语言对于普通用户比较难以实现，沈阳化工学院的刘洁、张和平利用对悬臂梁的优化设计介绍了ANSYS 在机械结构优化设计中的应用，证明了应用ANSYS优化模块设计并借助APDL语言功能进行机械结构优化设计是一种简单易行的方法^[12]。太原重型机械学院的卫良保等以叉车货叉为例成功实现了三维模型的建立与有限元分析的参数化这，也表明APDL语言非常适合于编程，实现具有相同结构，可变尺寸的系列产品建模分析^[13]。

WeiLiu等人提出了一种基于体素建模和FGM对象的ANSYS参数化设计语言分析的系统方法^[14]。太原科技大学的赵小伟用ANSYS开发了一套基于APDL的集建立模型、结构分析、参数优化于一体的专用桥式起重机桥架结构分析模块，对结构的静态和动态分析来对重要的参数进行优化，实现桥架的优化设计^[15]。武汉理工大学的徐新辉利用ANSYS为工具，对龙门起重机箱型主梁的变截面翼板进行优化设计，并得出了变截面最优解^[16]。昆明理工大学的王露等人基于APDL语言建立立体货架有限元模型的方法自动实现立体货架的快速建模，完成相应的有限元求解，减少了分析成本和分析时间^[17]。大连理工大学的赵九峰用ANSYS的内部命令和APDL语言以及参数化技术建立了船用起重机吊臂的有限元参数化模型，运用ANSYS的二次开发技术完成了参数化分析，在此基础上完成优化设计^[18]。Mohammad Zehsaz等用ANSYS参数化设计语言编写了代码输入参数来获得机械零件的最佳形状^[19]。

在风力自锁防爬器中除了在ANSYS中用APDL语言参数化建模外，其中辊轮支架的轴与滚轮的接触分析也是一个非常重要并且很难的一点。古往至今，对于接触问题一直都有研究。西南交通大学的王晓春和孔祥安对于一般接触问题及其计算方法进行了介绍，近年来，数学规划法在接触问题中有很大的发展，利用罚参数建立法相和切向接触约束条件，利用虚功原理和有限元离散格式，将问题表为数学规划模型，讨论弹性摩擦接触问题^[20]。兰州理工大学的谢军太根据横梁支撑的具体结构，建立了滚针与横梁支撑轴接触的力学模型，运用ANSYS软件求解单个滚子接触模型，进行接触疲劳研究^[21]。这些也帮助了我对于接触分析的理解。