1、研究目的及意义

港口是一个国家经济发展、区域经济发展的重要组成部分，是对外交流和贸易的重要枢纽。而港口机械作为港口的基础建设，扮演着货物输入输出和储存运输作用的重要角色。在众多港口运输方式中，集装箱作业拥有着包装简易、货损率低、装卸效率高、可运货源广等众多优点，逐渐成为了当今港口物流的主流。为了适应集装箱运输发展需要，目前国内的港口在开发拓建新的集装箱码头时，开始将具有更大拓展、适应高密度堆存、应用高新技术的轨道式集装箱门式起重机的堆场作业方式作为另一种选择^[1]。

经典的起重机设计过程，通常是沿袭已有的成熟设计，在其基础上实行一定的可控范围内的修改，然后制造出样机，通过样机的模拟作业进行数据反馈，根据反馈内容考虑原有设计上的缺陷进行改进，保证其强度、刚度、稳定性等安全要求后再投入批量生产。其制造过程则是采用根据工艺图纸进行工序设计、金属加工、焊接、装配这样一种传统模式^[2]。这一过程冗长繁琐，同时样机的制造和测试使用会大大增加成本，导致一件成熟产品的诞生所消耗的时间成本和经济成本都十分巨大。相对全球而言，我国起重机设计生产过程中仍然存在设计和创新能力上的不足，传统的二维 CAD 设计显露出其设计过程中的局限性，而物理样机的制造和装配更是耗费了大部分的产品生命周期， 使得起重机设计制造成本无法得到有效控制^[3]。

虚拟样机技术的出现，可以说给机械的设计带来了福音。所谓虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology），是利用计算机的仿真和虚拟技术，辅助以CAD、CAE、CAM等软件在计算机上建立样机模型，并能够在虚拟的可视化环境中对其进行动态性能仿真分析。虚拟样机技术改变了传统的设计思想，将分散的零部件设计和分析技术集成于一体，提供了一个全新的研发机械产品的设计方法^[3]。在虚拟环境下进行的仿真可以对早期设计阶段的多种折衷方案和替代解决方案进行评估，从中选择出最佳方案。因此，虚拟样机在起重机行业设计和制造中的引用，是一个不可逆转的趋势^[4]。

20世界80年代，国际上已经系统地提出虚拟样机技术，并且其发展至今，虚拟样机技术理论已经渐渐成熟，有一大批虚拟机技术已经走进了人民生活的各行各业当中，不论是飞机火箭的发动机，还是汽车的零部件，都可以见到它应用的身影。在起重机方面，德国和挪威的科学家Hatledal L等^[5]对海上起重机转向节臂为例从硬件和软件等多方面详细探讨了复杂多域系统内虚拟样机技术所面临的挑战；美国的Taylor F ^[6]等人就虚拟仿真起重机的运动和载荷分析与实际的起重机的测试结果进行了比较，验证了起重机的虚拟仿真其结果是真实可靠的；国内的Bin H等^[7]也在国外期刊上发表了虚拟仿真在海上起重机方面的动力学仿真分析，对海上起重机各方面受力情况用虚拟仿真软件详细地描述了出来。

虽然起重机方面的虚拟仿真技术不如在航天、汽车、军工等产业那样应用得那么深入和广泛，但在国内也有许多学者对起重机方面的虚拟仿真进行着努力研究。北京工业大学的张旭^[8]在自己的硕士论文上以Solidworks、ADAMS、Ansys等软件工具为平台，利用多领域建模工具和仿真技术，论述了铸造用起重机的虚拟样机在多工况下的刚体力学仿真和刚柔耦合动力学仿真；武汉理工大学赵会民^[9]等人利用刚柔耦合门座起重机虚拟样机对门座起重机的门架结构进行疲劳计算和寿命分析，并论述了软件仿真对研究和设计疲劳寿命所带来的新方法的意义；上海特种设备监督检验技术研究院的葛雨泰、葛黎晖^[10]进行了虚拟样机技术ADAMS在门式起重机机上的应用和研究，详细介绍了ADAMS仿真下的起重机建模、约束载荷的加载、受力结果分析等的详细过程；华北水利水电学院的郑淑娟、贾建涛^[11]则是通过Pro/E和ADAMS软件对门式起重机进行虚拟仿真的建模，并对不同加速度下各点受力进行分析，对论述了虚拟仿真对起重机危险点研究的意义；湖北工业大学的魏卓^[12]等人利用Solidworks对门式起重机进行虚拟仿真的建模，采用VRML构建3d装配环境，为设计者提供了交互操作的可视化环境。并利用CORTONAL PLAYER浏览器，使仿真效果十分令人满意，而且大大降低了人工工作量。大连理工大学的王欣^[13]等针对履带起重机结构内部刚性差异大的特点，利用多种软件提出了基于刚柔耦合方案的履带起重机建模仿真，弥补了国内相关方面的空缺；同济大学的卢耀祖^[14]等也通过对岸桥进行虚拟样机仿真，测试其应力数值并与实际测量数值比较，证明了针对起重机的虚拟样机动力学分析是行之有效的。

门式起重机在运行过程中，由于其动量较大，其结构也要承担着很大的冲击。这种冲击对起重机在各种工况下的使用影响很大^[15]。利用虚拟样机技术，可以很好地在虚拟环境中充分考虑起重机所面临的各种工况下的受力情况，比起传统的模拟试验方式更加安全、快捷、高效。因此，本文为体现虚拟样机技术在门式起重机设计上的优势，利用Solidworks和ADAMS软件对LMQ3535门式起重机整机进行建模和仿真。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

1）LMQ3535集装箱门式起重机总体设计计算

（1）确定起重机总体主要设计尺寸；