基于高級體系結構的大型岸橋結構設計系統(tǒng)研究

張 氫,翟金金,洪 穎,秦仙蓉,孫遠韜

(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

岸邊集裝箱起重機(簡稱“岸橋”)是港口用于裝卸集裝箱的主要機械設備,對該類機械的設計[1]一般是根據(jù)主要設計參數(shù),憑借設計人員自身的工程經(jīng)驗,完成其總體布局、主要金屬結構選型計算、截面設計計算、載荷校核、岸橋性能分析等工作,在此基礎上可以建立三維模型,查看結構的整體布局并檢查干涉情況,最后輸出二維圖紙.隨著全球市場競爭的加劇,岸橋制造企業(yè)對岸橋的設計周期大大縮短[2].為了保證設計質量,縮短設計周期,目前形成了諸如快速設計系統(tǒng)的平臺,類似系統(tǒng)也在裝船機等大型結構件上得以應用[3],其流程如圖1所示.

由圖1可見:岸橋結構快速設計的設計平臺往往是一個“串行”過程[4],主要依托的是各設計小組知識水平和經(jīng)驗,但由于各設計小組或領域專家在設計目標、領域知識和評價標準上存在認識差異,一個領域的知識和信息難以被正確傳達給另一個領域的設計者,在設計過程中難免發(fā)生沖突[5],從而對當前設計造成了阻礙.此外,在串行過程中涉及的結構設計、優(yōu)化以及整體評估等往往需要多次循環(huán)方能得到最終理想結果,此過程中彼此之間存在大量的數(shù)據(jù)傳輸需求,同時也要求大型獨立軟件系統(tǒng),既增加了產(chǎn)品研發(fā)成本,也降低了設計研發(fā)效率.

圖1 設計流程圖Fig.1 The design flow chart

所以要解決復雜產(chǎn)品設計的難題,僅靠研究各組成元素的行為是不夠的,需要采用總體論的觀點看待這一問題.現(xiàn)今,高層體系結構(High Level Architecture,HLA)作為一個通用的體系結構,不僅應用于軍事領域,而且已經(jīng)應用于工程設計領域,利用它建立強實時、松耦合的協(xié)同設計系統(tǒng)以實現(xiàn)復雜產(chǎn)品的設計與仿真[6].國內清華大學的CIMS研究中心肖田元等[7-10]從復雜產(chǎn)品開發(fā)和平臺規(guī)范化的需要出發(fā),研究了協(xié)同設計、仿真與優(yōu)化的集成方法相關實現(xiàn)技術.

本文以岸橋起重機結構設計系統(tǒng)為對象,以Visual Basic 6.0作為集成開發(fā)環(huán)境搭建HLA岸橋結構設計平臺,對其中數(shù)據(jù)交換技術進行了探索和研究,基于RTI軟總線的方式,使得不同的設計信息以及異構的CAD之間能夠達到數(shù)據(jù)的一致;并結合發(fā)言控制策略消解設計沖突使得岸橋起重機結構設計系統(tǒng)可以很好地協(xié)調各個設計之間的信息交換,并對不同的設計進行協(xié)調,提高設計效率,縮短產(chǎn)品研制周期,從而使開發(fā)變得較為可靠而簡單.

1 基于HLA的岸橋結構設計系統(tǒng)框架的構建

1.1 HLA簡介岸橋設計系統(tǒng)基本架構

HLA是一種高級體系結構,優(yōu)勢在于仿真部件和仿真系統(tǒng)之間在高層次上具有較好的可重用性、互操作性.HLA主要包含以下3部分:規(guī)則(rules)、對象模型模板(Object Model Template,OMT)和運行支撐環(huán)境(Run-Time Infrastructure,RTI)的接口規(guī)范.HLA接口規(guī)范以服務的方式定義了聯(lián)邦中成員間進行信息交互的方式,包括可調用服務和應提供的回調服務,分為聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、時間管理、所有權管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理6類服務[11].OMT分為聯(lián)邦對象模型(Federation Object Model,FOM)和仿真對象模型(Simulation Object Model,SOM).FOM說明的是聯(lián)邦內各成員間用于交互的數(shù)據(jù),而SOM則針對每個聯(lián)邦成員能提供給聯(lián)邦的數(shù)據(jù).HLA接口規(guī)范依靠RTI來實現(xiàn),因此，RTI是HLA仿真的核心要素,在聯(lián)邦執(zhí)行過程中,聯(lián)邦成員間的交互都通過RTI來實現(xiàn).

本岸橋設計系統(tǒng)的3大模塊使用了如ANSYS,SolidWorks,AutoCad等各個CAX軟件對設計信息進行處理.但是,各個設計信息卻因軟件的異構、設計人員的不同步而出現(xiàn)信息孤島,若沒有一個統(tǒng)一的管理協(xié)調機制,即便擁有強大的設計軟件技術,還是會出現(xiàn)結果數(shù)據(jù)難處理、設計性能欠優(yōu)化的問題.因此,本系統(tǒng)為了建立雙大梁岸橋結構這樣的復雜產(chǎn)品,需要通過HLA集成各個設計信息.

如圖2所示,該設計系統(tǒng)的HLA的架構圍繞著RTI建立,并要設計聯(lián)邦劇情,作為RTI運行的主線,同時制定各個聯(lián)邦成員與RTI通信的規(guī)則,才能使得基于HLA的系統(tǒng)通信得以進行.

本設計系統(tǒng)的聯(lián)邦劇情即為雙大梁岸橋設計流程,即通過參數(shù)設置、力學分析及干涉檢查的反復判斷校核后輸出模型、圖紙.而聯(lián)邦信息交互規(guī)則是通過設定使得不同模塊的輸入輸出信息儲存方式統(tǒng)一,所有信息都通過OMT所統(tǒng)一的信息格式進行交互,并將接口函數(shù)封裝入RTI中.

雙大梁岸橋起重機需要實現(xiàn)的功能較為繁雜,本文在岸橋設計系統(tǒng)中定義了管理聯(lián)邦成員、設計聯(lián)邦成員和監(jiān)測聯(lián)邦成員3種聯(lián)邦成員,并利用功能模塊化的方法表示了3種聯(lián)邦成員的系統(tǒng)結構.通信層中應用RTI實現(xiàn)底層通信服務,以實現(xiàn)聯(lián)邦成員的具體功能與系統(tǒng)的運行管理、底層通信傳輸之間的分離,如此設計系統(tǒng)具備了很好的擴充性,方便各聯(lián)邦成員進行動態(tài)注冊,有利于團隊進行協(xié)同設計工作.

1.2 聯(lián)邦成員設計信息交互的關鍵問題

若某個聯(lián)邦成員設計過程中欲注冊對象、更新實例屬性值或者發(fā)送交互信息,在此之前該聯(lián)邦成員應先調用合適的聲明管理服務.與此類似,若聯(lián)邦成員發(fā)現(xiàn)對象實例、反射實例屬性值和接收交互信息,其在此之前也應該首先調用適當?shù)穆暶鞴芾矸?利用聲明管理服務功能各聯(lián)邦成員能夠在聯(lián)邦內建立公布和訂購關系.

圖2 基于HLA的雙大梁設計系統(tǒng)的通信框架Fig.2 Communication framework of double girder design system based on HLA

在本設計系統(tǒng)中,需要創(chuàng)造3種類型的聯(lián)邦成員進行通訊,即管理聯(lián)邦成員、設計聯(lián)邦成員及檢測聯(lián)邦成員.統(tǒng)籌管理聯(lián)邦成員可以打開用戶參數(shù)設計模塊,對雙大梁岸橋起重機的總體參數(shù)、各部件尺寸參數(shù)進行設定及修改.沒有設定的參數(shù)則會由系統(tǒng)計算的初始值給出.設計聯(lián)邦成員會得到各個管理聯(lián)邦成員給出的尺寸信息進行模型及圖紙的輸出,在必要情況下也可打開模型或圖紙進行修改,修改的信息會報告給管理聯(lián)邦成員及檢測聯(lián)邦成員.檢測聯(lián)邦成員主要負責產(chǎn)品設計過程中的數(shù)據(jù)合理性驗證和優(yōu)化,需要被驗證的對象參數(shù)都記錄到數(shù)據(jù)庫中,系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口讀取數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定性、結構強度等計算,對于設計不合理的數(shù)據(jù)反饋到對應的設計聯(lián)邦成員修改.

在雙大梁岸橋設計過程中,最新的產(chǎn)品對象類屬性和交互類信息由各個聯(lián)邦成員通過P/S關系觸發(fā)事件發(fā)送,并同時響應其他聯(lián)邦成員事件.RTI根據(jù)P/S關系對收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)進行過濾,確定各聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)流發(fā)送和接收的流向,實現(xiàn)將信息從數(shù)據(jù)的發(fā)布者直接傳遞給數(shù)據(jù)的訂購者的功能,從而達到減少網(wǎng)絡中冗余數(shù)據(jù)的目的,確保了聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)的及時高效更新.表1展示了部分雙大梁岸橋設計系統(tǒng)聯(lián)邦成員間的角色及訂購關系.圖3則為本系統(tǒng)設計邦員發(fā)布/訂購關系設置圖.

表1 雙大梁設計系統(tǒng)聯(lián)邦成員角色及訂購關系表Tab.1 List of roles and ordering relationships of federal members of double girder design system

圖3 邦員發(fā)布/訂購關系設置圖Fig.3 Federal member release/order relationship setting diagram

同時,在雙大梁岸橋結構這樣的復雜產(chǎn)品設計中,會出現(xiàn)2個或2個以上的聯(lián)邦成員同時對同一對象的同一屬性參數(shù),如尺寸、強度、位置和材料等進行修改,即在聯(lián)邦成員中同時有多個聯(lián)邦成員對同一個參數(shù)都有公布的權限,此時就會造成并發(fā)沖突.為了避免沖突操作的發(fā)生,本設計系統(tǒng)采取的是對不同職能邦員設置不同級別的項目權限的方法.

通常項目管理者擁有最高的項目權限,區(qū)域總體方案負責人次之,普通設計者的權限最低.如圖4所示,作為總體方案負責人的F1.0擁有比零件布置的F1.2,F1.3,F1.4等聯(lián)邦成員更高的項目權限,即F1.0擁有優(yōu)先的操作權.

圖4 聯(lián)邦成員級別分布Fig.4 The level distribution of federal members

建立RTI框架的目的,就是希望建立一套軟總線,能將異構軟件間的數(shù)據(jù)進行無障礙地傳遞.由于本設計系統(tǒng)是基于Visual Basic 6.0作為平臺進行開發(fā)的,因此,所有軟件輸出的信息格式,必須能夠使得通過VB語言能夠識別并讀取成為系統(tǒng)變量的一部分,如圖5所示.

但對于同一級別的邦員,仍存在信息交互沖突的可能性.因此，在同一級別邦員之間,本系統(tǒng)采用邦員之間溝通的方法解決這一問題,即利用HLA中所有權管理和設計引擎的權限管理服務功能,使在系統(tǒng)運行的任一時刻只能由一個聯(lián)邦成員對某一對象擁有設計權,以此避免聯(lián)邦成員沖突操作的發(fā)生.根據(jù)設計邦員的項目權限和請求事件的時間戳,發(fā)言權控制策略決定了發(fā)言權的請求和準許,并決定了發(fā)言權的分配順序,系統(tǒng)從其分配模式來看,分為搶占模式和放棄模式[12].如圖6所示,針對軌距不同的設計邦員間通過權限轉讓和搶占權限兩種方式對參數(shù)進行協(xié)調,當邦員選擇權限轉讓,則系統(tǒng)自動判斷設計信息按照訂購邦員信息進行處理,若選擇搶占權限,則通過訂購邦員進行確認后,則可得到設計信息的處理權利,對設計信息進行修改.

圖5 邦員交換信息示意圖Fig.5 The schematic diagram of federal members exchanging information

圖6 邦員協(xié)調功能示意圖Fig.6 The schematic diagram of federal members’ coordination function

2 實例

由上節(jié)可得知,雙大梁岸橋設計要基本上完成參數(shù)設置、力學分析、三維模型校核與圖紙輸出的3大基本功能.因此，本設計系統(tǒng)基本分為3個功能獨立的模塊:參數(shù)設置模塊、力學分析模塊及模型/圖紙輸出模塊,如圖7所示.

圖7 岸橋結構設計系統(tǒng)模塊結構Fig.7 The module structure of ship unloader structure design system

3個獨立功能模塊的基本情況如下:

(1) 參數(shù)設置模塊.設計者可通過輸入基本參數(shù)讓系統(tǒng)自動計算生成整機尺寸,以達到初步設計的目的,設計者在基于系統(tǒng)自動生成的初步設計參數(shù)上對各部件設計參數(shù)進行設計及修改.該模塊主要在Visual Basic平臺完成參數(shù)的輸入與計算,并通過Excel將設計參數(shù)進行儲存,以便查看調用.

首先,設計者通過交互界面將設計所需要的岸橋技術參數(shù)輸入系統(tǒng),如:起重量、起升高度、起升速度、跨度、工作級別等,系統(tǒng)根據(jù)起重機設計規(guī)范及設計經(jīng)驗計算給出各個部件結構的參考值,這些參考值是可以由設計人員的操作被修改的.經(jīng)過修改后尺寸參數(shù)將會經(jīng)過系統(tǒng)對其尺寸值進行合理性判斷.當各個部件結構尺寸確定后,整個岸橋結構將會被系統(tǒng)進行有限元建模，并進行力學分析以判斷結構尺寸設計是否符合強度要求.當結構通過力學分析校核后,系統(tǒng)將根據(jù)前述得到的尺寸建立參數(shù)化模型,設計者可對參數(shù)化模型進行查看,同時對其干涉情況進行檢查與修改.當設計者對模型進行修改后,系統(tǒng)會將新的尺寸變化反饋回力學分析模塊進行檢驗,檢驗通過后,對模型進行二維圖紙的輸出.用戶也可以在圖形自動生成后結合自身的工藝特點對結構進行修改和再設計,直到得到滿意的工程圖為止.最后系統(tǒng)將把工程圖存儲在項目文件夾中,以便設計人員直接調用.圖8即為參數(shù)設置界面.

圖8 參數(shù)設置界面Fig.8 The interface of parameter setting

(2) 力學分析模塊.經(jīng)過初步設計后的岸橋結構需要經(jīng)過有限元模型的校核和驗證,以達到強度、剛度等多種設計要求.而由于雙大梁結構的特殊性,將有兩個起重小車同時工作.為了提高效率,雙大梁岸橋起重機設計使兩個小車得以同時工作,這會使整個起重機結構的載荷分布更加多變而復雜[13-14],因此，分析兩個移動載荷同時運行時對整機的影響是該設計系統(tǒng)的重點之一.通過力學分析模塊,用戶可以利用之前初步設計后的結構尺寸參數(shù)建立相應的有限元模型,并對其進行特定工況的分析,以達到校核的目的.

該模塊主要基于有限元仿真軟件ANSYS來進行,通過VB與ANSYS的接口[15]對其進行寫入命令并進行力學分析計算,并輸出計算結果,再由VB所呈現(xiàn)的結果界面對力學結果進行顯示.如圖9所示,建立岸橋有限元模型進行仿真,并輸出最后結果.

圖9 岸橋力學分析Fig.9 The mechanical analysis of ship unloader

(3) 模型/圖紙輸出模塊.在經(jīng)過參數(shù)設置模塊及力學分析模塊中修改校核后,可通過模型輸出對雙大梁岸橋的裝配體進行干涉校核,以復查設計中的缺漏.以大梁鉸點設計為例,在大梁鉸點設計中,常常出現(xiàn)前后大梁鉸點干涉的情況.當設計邦員對干涉檢測邦員進行訂購時,則干涉量可通過全局變量直接反饋給鉸點的設計邦員,使其進行自動修改,完成干涉檢查與修正.

當所有尺寸參數(shù)達到了相關用戶需要,便能夠通過模型/圖紙輸出模塊來對用戶的設計進行輸出,得到三維的可視化模型及二維圖紙以供生產(chǎn)之用.

該模塊主體軟件為SolidWorks,通過VB與SolidWorks的接口,利用API語句對雙大梁岸橋進行參數(shù)化建模,并在SolidWorks中對二維圖紙進行輸出.為了使設計者方便編輯,通過VB與AutoCAD的接口,對二維圖紙進行接入打開操作[16-17].圖10為系統(tǒng)輸出的雙大梁岸橋模型.

因此,系統(tǒng)需要實現(xiàn)兩大功能：一是各個獨立功能的模塊的建立；二是模塊間,設計人員間設計信息的交互平臺.第一大功能需要分別對各個軟件平臺進行參數(shù)化的開發(fā)并實現(xiàn)信息儲存.第二大功能則需要構建以HLA為基礎的交互協(xié)作框架,并對各個模塊進行連接.

圖10 岸橋三維模型Fig.10 The three dimensional model of ship unloader

3 結論

本文從工程實際應用角度出發(fā),提出了基于高層體系結構(HLA)的岸橋結構設計系統(tǒng)的搭建方法,建立了岸橋結構設計系統(tǒng)的信息交互框架.通過分析岸橋起重機設計流程,定義了聯(lián)邦與聯(lián)邦成員以及各聯(lián)邦成員間的交互信息所需的發(fā)布/訂購表;通過建立聯(lián)邦成員訂購窗口以及聯(lián)邦成員間的交互協(xié)調方法實現(xiàn)HLA框架的搭建,實現(xiàn)不同設計人員、不同聯(lián)邦成員間通過系統(tǒng)進行信息交互.最后通過雙大梁岸橋設計過程對該系統(tǒng)各功能進行了檢驗.