基于廣義模塊化的半掛油罐車快速設計系統(tǒng)的開發(fā)研究

王金剛，崔志成，劉立忠，趙 嫻

WANG Jin-gang，CUI Zhi-cheng，LIU Li-zhong，ZHAO Xian

（河北工業(yè)大學，天津 300130）

0 引言

近年來，專用車特別是半掛車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，無論是企業(yè)數(shù)量還是半掛車產(chǎn)量同比都有很大提高，而新產(chǎn)品研發(fā)方面卻發(fā)展緩慢，迫切需要一種新技術。在這種背景下，“快速響應工程”[1]的概念被提了出來，其中包括：快速獲取市場動態(tài)需求信息并做出決策，對產(chǎn)品進行快速響應設計，加快新產(chǎn)品的快速試制定型，并建立快速響應制造的生產(chǎn)體系，其中快速設計是最重要的環(huán)節(jié)。快速設計已經(jīng)成為現(xiàn)代設計理論的熱點問題。目前開展快速設計的技術主要有：快速原型技術、并行設計技術、變形設計技術、虛擬設計技術、模塊化設計技術等[2]。其中，模塊化設計技術是當前運用的主流技術。

傳統(tǒng)的模塊化設計方法如圖1所示。這種方法通過設定已有模板中各項參數(shù)，建立三維模型，從而實現(xiàn)快速設計。這種方法的優(yōu)點是開發(fā)周期短，研發(fā)成本低，可以迅速完成單一產(chǎn)品的設計，缺點是設計產(chǎn)品結構單一，產(chǎn)品結構同質(zhì)化，新模塊開發(fā)緩慢，研發(fā)周期長，成本高。但對于半掛車這類特種機械產(chǎn)品，其結構沒有明顯的系列化的分級特性，且模塊結構不同使用工況，在不同載荷情況下都會有所不同，在設計時應采用一種模糊的廣義的模塊化設計方法。

1 半掛油罐車模塊化設計

廣義模塊化設計的基本思想是把優(yōu)化設計和模塊化設計相結合，引入?yún)?shù)化設計和變量化分析技術，使傳統(tǒng)模塊成為具有參數(shù)化結構模型和接口特征的廣義模塊，使廣義模塊組合技術下的整機CAE分析實現(xiàn)產(chǎn)品快速設計的一種方法。

圖1 基于模型樣板的參數(shù)化建模

廣義模塊化設計目的是使產(chǎn)品設計能根據(jù)市場需要進行快速響應，修改參數(shù)得到最優(yōu)的模塊結構，并通過模塊組合產(chǎn)生最優(yōu)的產(chǎn)品。因此，廣義模塊的劃分、模塊參數(shù)的選擇和模塊數(shù)據(jù)庫的建立是影響廣義模塊化設計的一個重要因素[3]。廣義模塊化與傳統(tǒng)模塊化相比，具有更好的兼容性，可以把具有相同模塊接口和相關功能的部分劃分為一個模塊，如果內(nèi)部在結構上有沖突，可以在模塊模板的實例化時再進行考慮。

1.1 設計特點

由于半掛油罐車必須滿足一定的使用要求，尤其是對罐體的質(zhì)量有嚴格的要求。因此半掛車的設計要達到一定的精度，以確保在使用過程中罐體不會出現(xiàn)大幅度的低頻振動，從而影響使用壽命，這需要進行嚴格的理論計算和后期的有限元分析[4]。在保證半掛油罐車質(zhì)量的同時，還要達到對半掛油罐車的產(chǎn)品系列化、分級化，這就需要改進傳統(tǒng)意義上的模塊化，以適應產(chǎn)品的互換性要求。因此，在半掛油罐車的模塊化設計中，需要解決一下問題：1）如何解決模塊劃分，以及通用性問題；2）如何讓不同模塊相互組合，已達到效能最大化的問題；3）如何解決模塊接口問題，已達到各部件無縫連接問題。針對以上問題，本文在快速設計系統(tǒng)開發(fā)過程中，主要應用廣義模塊化設計理論。

1.2 結構劃分

根據(jù)半掛油罐車的結構特點，在模塊劃分對其進行結構分類，可以讓快速設計系統(tǒng)在模塊劃分時更精確[5]，如圖2對半掛油罐車的主要部件進行分類，并使之參數(shù)化，得到各個部件的典型參數(shù)，在以后進行模塊化設計是能提供方便。

圖2 半掛油罐車模型結構劃分

1.3 模塊劃分

由于半掛油罐車結構的特殊性，很難實現(xiàn)模塊的完全通用化。所以模塊劃分時應遵循以下原則：1）在同一半掛油罐車產(chǎn)品平臺下，模塊的劃分應有相對統(tǒng)一的標準規(guī)范；2）適量減少產(chǎn)品所包含的模塊數(shù)，簡化模塊本身的復雜程度，避免混亂；3）以有限的模塊數(shù)獲得盡可能多的產(chǎn)品組合方案，已達到用戶需求；4）模塊本身具有一定的獨立功能且結構完整；5）模塊間的鏈接部件應便于組裝和拆卸。6）模塊劃分時應考慮部件精度和剛度要求；7）模塊劃分時應考慮制造工藝性和經(jīng)濟型。

根據(jù)上述原則，把半掛油罐車的結構特點和基本功能作為模塊劃分的第一考慮因素，劃分時保證同一產(chǎn)品平臺下零部件分類要保持一致，再利用半掛油罐車的輔助分類方法，進行模塊化的劃分，如表1所示。

2 快速設計系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 總體結構

在對半掛油罐車進行模塊化分以后，就要對車的每個零部件進行參數(shù)化設計。在快速設計系統(tǒng)中，參數(shù)化模型可以表現(xiàn)整體和各個部件的典型特征，只需改變摸個參數(shù)，就可以得到所需要的模型，所以建立一個參數(shù)化的模型數(shù)據(jù)庫，并在此基礎上進行設計，就可以提高設計的速度[6]。對半掛油罐車快速設計系統(tǒng)的設計流程圖如圖3所示。

圖3 半掛油罐車快速設計系統(tǒng)流程圖

圖4 半掛油罐車快速設計系統(tǒng)體系結構圖

2.2 系統(tǒng)框架結構

半掛油罐車快速設計系統(tǒng)的體系結構如圖4所示。系統(tǒng)分為三個層，處于上層的是與用戶進行交流的用戶界面；中策的系統(tǒng)功能層，有三位模型分系統(tǒng)、材料選擇分系統(tǒng)、零件選擇相似性判別分系統(tǒng)、質(zhì)量可行性檢驗分系統(tǒng)四部分組成；底層是以模板庫和部件庫組成的半掛油罐車參數(shù)化數(shù)據(jù)庫，提供資源調(diào)取、儲存、查詢服務。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

半掛油罐車快速設計系統(tǒng)采用UG軟件的二次開發(fā)功能。UG/OPEN包括四種接口：UG/OPEN API、UG/OPEN UIStyler、UG/OPEN Grip和UG/OPEN MenuScript，其中UG/OPEN API是UG與外部應用程序間的接口，功能很強大，通過編程用戶幾乎能實現(xiàn)所有UG功能，通過C語言編程，使用戶能夠控制和訪問UG，讓應用程序模塊和UG程序無縫連接。如圖5是快速設計系統(tǒng)的系統(tǒng)界面。

圖5 快速設計系統(tǒng)界面

在開發(fā)程序時，在C++下建立UG/OPEN的模塊接口的開發(fā)環(huán)境，在UG/OPEN中設定的數(shù)據(jù)是UF_STYLER_item_value_type_p_t結構體數(shù)據(jù)類型，對其設定的部分程序代碼如下：

3 快速設計系統(tǒng)應用實例

以一個承載40噸運輸汽油的半掛油罐車為例，將其劃分為油罐、車架、懸掛和防波板布置情況，共四個模塊，通過從數(shù)據(jù)庫提取模板和部件，罐體采用數(shù)據(jù)庫中已有模板（如圖6a所示），車架按照用戶要求輸入特征數(shù)據(jù)：車架大梁參數(shù)為腹板厚5mm；下翼板寬度140mm，厚度8mm（如圖6b所示）；其余數(shù)據(jù)由快速設計系統(tǒng)自行計算獲得，這里就不列舉了（如圖6c所示）。

圖6 半掛油罐車部件參數(shù)化建模

各部件配置完畢后，經(jīng)過模塊組合，生成三維模型（如圖7所示），然后最后將模型導入模板庫，自定義產(chǎn)生的新部件導入部件庫。最后將三維模型導入有限元軟件進行檢驗，檢測其是否達到設計要求。

圖7 40T半掛油罐車設計完成圖

4 結論

本文論證了廣義模塊化的方法在半掛油罐車中的應用，并以此為基礎設計了半掛油罐車快速設計系統(tǒng)，和傳統(tǒng)方法相比，簡化了設計流程，提高了生產(chǎn)效率，降低了研發(fā)成本，使油罐車的設計方法提高了一個理論高度。但由于時間有限，該系統(tǒng)還有很多不足，如數(shù)據(jù)庫中提供的模板較少，零部件自定義設計過于繁瑣等，這是在以后的開發(fā)中，需要解決的問題。

[1]王永娟,趙軍,鐘遠龍.自動武器廣義模塊化快速設計研究與系統(tǒng)開發(fā)[J].兵工學報,2008,（4）：390-395.

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[3]吳衛(wèi)東,廖文和.構建機械類產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)的關鍵技術研究[J].機械設計與制造,2008.（4）：200-202.

[4]徐鴻翔.基于GT的過程機械快速設計系統(tǒng)的開發(fā)[J].江蘇技術師范學院學報,2006,（6）：57-62。

[5]朱蓀珺,王品,劉德仿.機械產(chǎn)品開發(fā)中的設計知識表示及應用研究[J].電器技術與自動化,2005,34（5）：68-71.

[6]N.LLOYD,E.VAICIURGIS and T.A.G.LANGRISH.THE EFFECT OF BAFFLE DESIGN ON LONGITUDINAL LIQUID MOVEMENT IN ROAD TANKERS：An Experimental Investigation.Institution of Chemical Engineers,Trans IChemE,Vol 80,Part B,July 2002.