面向起重機起升機構(gòu)CAD/CAE設(shè)計的知識重用方法研究

王相兵，馬士良，杜全斌，周 航

（1.河南 省超硬材料智能制造裝備集成重點實驗室，河南 鄭州 4511911；2.河南 機電職業(yè)學院機電工程學院，河南 鄭州 451191）

1 引言

研究表明，在起重機新產(chǎn)品開發(fā)中，約40%是重用已有的部件設(shè)計，約40%是對已有的部件設(shè)計稍作修改，而新設(shè)計僅占20%[1]。因此，起重機企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計過程中越來越注重設(shè)計知識、設(shè)計經(jīng)驗的積累，進行設(shè)計資源共享與重用，以提高設(shè)計效率。

同時以現(xiàn)代設(shè)計方法為支撐的CAD/CAE設(shè)計技術(shù)，綜合運用各種先進的設(shè)計方法能夠很好的融合知識、經(jīng)驗等設(shè)計資源，滿足上述設(shè)計要求，可有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高企業(yè)市場競爭力[2-3]。

文獻[4]研究了知識重用的層次劃分，標準件庫的知識分類和表示方法，采用實例推理的方法實現(xiàn)標準件檢索、自動裝配；文獻[5]在CBR方法的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)化設(shè)計和有限元分析相結(jié)合的方法，開發(fā)了起重機結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計系統(tǒng)；文獻[6]研究了基于粗糙集理論的實例檢索方法，提高了檢索的準確性，實現(xiàn)門式起重機設(shè)計過程中的知識重用。

上述文獻采用不同的知識重用方法在知識重用的實例檢索、修改、推理等方面進行了深入的研究，不同程度上提高了產(chǎn)品設(shè)計重用效率。

起升機構(gòu)是起重機中用于升降重物的機構(gòu)，主要由吊鉤組、電機、減速器、卷筒組件、鋼絲繩、等零部件構(gòu)成。起升機構(gòu)產(chǎn)品開發(fā)中不同系列的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程繁瑣，重復性大，效率低。為此，研究起升機構(gòu)知識重用技術(shù)，開發(fā)起升機構(gòu)CAD/CAE設(shè)計系統(tǒng)，將大大提高其產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，快速響應市場需求，對起重機企業(yè)具有重要意義。因此，本文將在上述研究文獻的基礎(chǔ)上結(jié)合起重機起升機構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計特點研究知識重用的實現(xiàn)方法，研究規(guī)則推理RBR和實例推理CBR相結(jié)合的混合推理技術(shù)、研究基于知識重用的參數(shù)化CAD/CAE設(shè)計過程，最后以起重機起升機構(gòu)CAD/CAE開發(fā)實例進行驗證。

2 起升機構(gòu)的設(shè)計知識重用技術(shù)

2.1 起升機構(gòu)設(shè)計重用的知識概念與表達

設(shè)計知識是指人們在產(chǎn)品設(shè)計中用于產(chǎn)品設(shè)計與決策的各種設(shè)計方法、原理、過程、規(guī)則、經(jīng)驗、實驗數(shù)據(jù)以及已存在的產(chǎn)品及模型等。起重機起升機構(gòu)的設(shè)計知識首先依照起重機械設(shè)計標準，結(jié)合設(shè)計人員經(jīng)驗，研究參照已開發(fā)的產(chǎn)品，將設(shè)計知識按照一定的規(guī)則存入數(shù)據(jù)庫；然后，通過合適的知識表達方式在新產(chǎn)品設(shè)計中加以運用。

知識的表達是知識重用的關(guān)鍵技術(shù)，知識的表達方式有以下幾種：產(chǎn)生式規(guī)則表示法、過程表示法、文件表示法和數(shù)據(jù)庫表示法等[7]。

2.1.1 設(shè)計中參數(shù)知識的數(shù)據(jù)表示

在進行起升機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計過程中，需要用到大量的設(shè)計參數(shù)，設(shè)計知識的重用很大一部分是設(shè)計參數(shù)的重用，采用數(shù)據(jù)庫將設(shè)計中用到的參數(shù)數(shù)據(jù)進行合理規(guī)范的管理和存儲，方便后期檢索、重用與維護。

2.1.2 起升機構(gòu)模塊知識編碼表示

在進行起升機構(gòu)的設(shè)計時，我們需對要其進行模塊劃分，因為其構(gòu)造復雜，劃分的模塊也相對較多，設(shè)計人員常用編碼的方式對模塊知識進行描述，以便于對信息的檢索與重用。在設(shè)計起重機的過程中所用到的編碼知識包括起重機類型的代號、起重量、跨度及工作級別四個主要的參數(shù)。起重機起升機構(gòu)，如圖1所示。

圖1 起升機構(gòu)模塊知識編碼表示規(guī)則Fig.1 Knowledge Coding Representation Rules for Lifting Mechanism Modules

模塊知識編碼表示規(guī)則。

例如，Q-20t-8m-M5-DB02-B01-L01 表示橋式起重機20噸額定起重量8m跨度M5級的工作級別起升機構(gòu)卷筒組的L01號零件卷筒體。

2.1.3 產(chǎn)生式的規(guī)則形式存在的設(shè)計知識表示

一般由設(shè)計師從設(shè)計經(jīng)驗中獲取此類知識，此類知識最大特點是由相應前提映射出相應結(jié)果。在進行起升機構(gòu)設(shè)計中存在大量的此類知識，例如在進行卷筒長度的設(shè)計中，卷筒有單聯(lián)卷筒和雙聯(lián)卷筒之分，卷筒長度的計算需要不同的類型選取卷筒的計算公式。以if-then的設(shè)計規(guī)則來表示卷筒長度的計算方法：

if卷筒類型=“單聯(lián)卷筒”then 卷筒長度L=L0+L1+L2；if卷筒類型=“雙聯(lián)卷筒”then卷筒長度L=2（L0+L1+L2）+L3。

產(chǎn)生式規(guī)則知識有助于實現(xiàn)設(shè)計的一致性，使設(shè)計過程有統(tǒng)一標準，避免個人經(jīng)驗因素產(chǎn)生的錯誤。

2.1.4 設(shè)計信息的文件表示

在起升機構(gòu)的設(shè)計過程中，建立儲存設(shè)計信息的文件表示法管理龐大復雜的設(shè)計信息是保證設(shè)計工作快速有效進行的重要手段。所涉及的設(shè)計信息文件主要包含零部件的特征建模驅(qū)動信息文件、工程圖的設(shè)計信息文件和各類技術(shù)要求類的設(shè)計信息文件三類。

工程圖的設(shè)計信息文件，主要包括視圖基本信息、零件的尺寸、比例信息、材料信息及工藝信息，用于參數(shù)化設(shè)計的模板信息。

技術(shù)類的設(shè)計信息文件，主要包括設(shè)計計算說明書、產(chǎn)品設(shè)計目錄、材料明細表及產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)表等，用戶經(jīng)過這些文件可理解產(chǎn)品的設(shè)計信息。

2.1.5 設(shè)計經(jīng)驗的知識表達

起重機起升機構(gòu)設(shè)計中一些零部件需個性化、定制化設(shè)計或者用常規(guī)設(shè)計難以解決的問題，這時經(jīng)驗設(shè)計知識將發(fā)揮其靈活的個性化設(shè)計作用。設(shè)計經(jīng)驗可分為設(shè)計工作流程的經(jīng)驗、經(jīng)驗值和選擇決策。設(shè)計工作流程的知識，是把握設(shè)計先后次序，先整體后局部的參數(shù)設(shè)置，通過程序代碼，用幾個符合邏輯要求的模塊表達設(shè)計過程，引導設(shè)計人員按程序引導順序操作；經(jīng)驗值和選擇決策可以用數(shù)據(jù)庫的方式進行表達。

2.2 起升機構(gòu)設(shè)計重用過程

為建立開發(fā)高效、高質(zhì)量的滿足不同需求的起重機起升機構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計系統(tǒng)，需要建立完善的知識體系來實現(xiàn)設(shè)計知識的獲取、表達、檢索以及修改等[8]。起重機起升機構(gòu)設(shè)計知識重用的框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。設(shè)計重用過程就是知識推理的過程，在進行起重機起升機構(gòu)設(shè)計時，為提高其設(shè)計效率，采用基于實例和規(guī)則的混合推理技術(shù)[9]是有效方法和途徑?；谝?guī)則和實例的混合推理的方式兼顧規(guī)則推理和實例推理兩者的優(yōu)點，可先采用規(guī)則推理技術(shù)使符合規(guī)則的設(shè)計實例范圍得到一定程度的縮小，然后再根據(jù)實例的屬性進行相似度計算，并最終獲得已有實例的檢索并進行修改。基于實例和規(guī)則的混合推理基本過程，如圖3所示。其過程如下：首先，根據(jù)總體參數(shù)進行規(guī)則推理RBR和實例推理CBR，確定整體方案；其次，進行模塊的實例檢索，可使用規(guī)則推理進行標準模塊實例的檢索，以提高效率確保檢索的準確性，利用實例推理進行非標準模塊實例的相似度計算以獲取最為相似的模塊實例。

圖2 起重機起升機構(gòu)設(shè)計知識重用的框架結(jié)構(gòu)Fig.2 Framework Structure of Knowledge Reuse in Crane Hoisting Mechanism Design

圖3 基于實例和規(guī)則的混合推理基本過程Fig.3 Process of Hybrid Reasoning Based on Examples and Rule s

再次，對檢索到的相似實例進行修改，采用先模塊后零部件的順序進行修改，對模塊或部件，需要修改其尺寸、配合或者變形，對零件需要修改其尺寸和特征，對于標準件或者通用件，直接替換。最后，對新實例進行更新和保存。

2.3 起升機構(gòu)知識重用系統(tǒng)的知識庫、規(guī)則庫、模型庫的構(gòu)建

起升機構(gòu)知識庫構(gòu)建要能融入起重機起升機構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗、零件的尺寸規(guī)范、計算標準、部件的裝配原則以及標準件的選擇規(guī)范等，起升機構(gòu)知識庫信息結(jié)構(gòu)，主要包括參數(shù)信息、幾何信息及選型信息，如圖4所示。

圖4 起升機構(gòu)知識庫信息結(jié)構(gòu)Fig.4 Information Sstructure of Lifting Mechanism Knowledge Base

設(shè)計重用的過程需要實現(xiàn)設(shè)計過程的推理求解，因此就需要建立規(guī)則庫，規(guī)則庫主要包括公式庫、零部件裝配原則、選型原則等，規(guī)則表示方法很多，如謂詞邏輯表示、產(chǎn)生式規(guī)則、面向?qū)ο蟮谋硎镜取＠?，減速器模塊知識庫的主要關(guān)系和推理有sub-ClassOf，EquivalentClass，disjointWith 及if-then ... elseif-then等。例如if齒輪圓周速度低于15m/s，輸入軸轉(zhuǎn)速不大于1500r/min，then減速器選型為QJ型減速器。

實例庫應構(gòu)建方便快速調(diào)用的標準系列產(chǎn)品模型，使設(shè)計人員通過適當更改即達到新設(shè)計的要求。為方便實例的檢索和調(diào)用，實例庫實例模型，如圖5所示。

圖5 實例庫實例的模型表達Fig.5 Information Structure of Lifting Mechanism Knowledge Base

2.4 模塊實例的檢索與修改

實例相似度是判別實例間相似性的度量，用于判定新設(shè)計與實例庫中最相似的程度[10]。實例的相似度采用加權(quán)平均相似度，為整體相似度，而實例中某個屬性的相似度為局部相似度。

查詢實例的加權(quán)平均相似度計算公式為［11］：

式中：sim（Pi，Ci）—單個屬性的相似度；Pj，0—第j個查詢實例；Pi—該查詢實例的第i個屬性；m—參數(shù)的屬性個數(shù)；Wi—該實例第i個屬性的相似度權(quán)重；Cj，k—實例庫中的具體實例Ci代表該實例第i個屬性。

相似度值代表兩實例之間屬性的差異值，其中，值位于區(qū)間[0，1]之間。實例的屬性取值通常有三種：數(shù)值、范圍和模糊語。而模糊語通過轉(zhuǎn)化最終可以轉(zhuǎn)化為數(shù)值型和范圍型的取值。

數(shù)值與數(shù)值型［11］：執(zhí)行檢索算法，搜索實例庫，逐個實例計算，先計算實例JT01屬性相似度，四個屬性約束條件分別進行計算。

表1 起重機卷筒模塊設(shè)計實例屬性表Tab. 1 Attribute Table for Design Example of Crane Drum Module

（1）材料屬性，屬于數(shù)值與數(shù)值型。該類型起重機

卷筒長度范圍3m/min≤L≤18m/min。則：

即實例JT01的整體相似度為0.873，同理可計算JT02、JT03、JT04 的整體相似度分別為0.747、0.820、0.695，設(shè)定相似度閾值0.75，可確定相似實例JT01，JT03符合要求且JT01是最佳實例。

檢索出的相似實例當某些設(shè)計參數(shù)不滿足設(shè)計要求式，需要對這些參數(shù)進行修正。實例的修正即變型設(shè)計，可以調(diào)用規(guī)則庫相應規(guī)則依據(jù)設(shè)計規(guī)范、規(guī)則對參數(shù)進行推理，使新修改的設(shè)計參數(shù)滿足新產(chǎn)品尺寸的約束條件。

3 起升機構(gòu)基于知識重用的參數(shù)化CAD/CAE設(shè)計的實現(xiàn)過程

基于知識重用的起升機構(gòu)CAD/CAE 設(shè)計系統(tǒng)的基本功能流程，如圖6所示。其設(shè)計過程主要包括設(shè)計需求分析，建立模型庫、知識庫、規(guī)則庫，參數(shù)化CAD系統(tǒng)、參數(shù)化CAE系統(tǒng)四個階段。設(shè)計需求是依據(jù)用戶需求分析轉(zhuǎn)化獲取設(shè)計參數(shù)并存入數(shù)據(jù)庫。模型庫的建立主要利用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)和模型的特征建立標準產(chǎn)品的參數(shù)化模型；知識庫、規(guī)則庫則基于已有的設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計準則、設(shè)計參數(shù)以及產(chǎn)品零部件的配合關(guān)系，建立起升機構(gòu)的知識庫、規(guī)則庫。CAD系統(tǒng)首先利用RBR和CBR的推理混合技術(shù)檢索、修改已有的模型、參數(shù)，完成新型號產(chǎn)品的參數(shù)化CAD設(shè)計，再根據(jù)知識重用設(shè)計結(jié)果，進行參數(shù)設(shè)置、計算，通過軟件接口驅(qū)動更新參數(shù)化CAD 模型得到新型號產(chǎn)品的三維模型、工程圖等CAD參數(shù)化設(shè)計結(jié)果文件。CAE系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換零部件的CAD模型格式，建立有限元分析的相關(guān)前處理文本文件，然后調(diào)用文本文件實現(xiàn)模型的網(wǎng)格劃分，載荷、約束的自動加載及自動求解分析，模擬出應力和變形云圖等結(jié)果文件資料，分析設(shè)計缺陷，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，CAE設(shè)計階段可以重用有限元模型和前處理文件及命令流程序等。

圖6 起升機構(gòu)CAD/CAE設(shè)計系統(tǒng)的基本功能流程Fig.6 Basic Function Flow Chart of Lifting Mechanism CAD/CAE Design

4 起升機構(gòu)CAD/CAE設(shè)計的知識重用應用實例

以某公司50t 雙梁起重機起升機構(gòu)為產(chǎn)品設(shè)計對象，運用VB+SQL 進行GUI 設(shè)計，采用SolidWorks 和ANSYS 軟件開發(fā)起重機起升機構(gòu)CAD/CAE 設(shè)計系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、知識庫系統(tǒng)、CAD/CAE 系統(tǒng)等構(gòu)成。該系統(tǒng)首先根據(jù)起升機構(gòu)產(chǎn)品構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特點，利用系統(tǒng)知識庫、規(guī)則庫等相關(guān)設(shè)計資源采用基于RBR 和CBR 混合推理技術(shù)將起升機構(gòu)劃分為電機模塊、減速器模塊、卷筒組模塊等6 個組成模塊，并確定總體設(shè)計方案。

圖7 起重機起升機構(gòu)CAD/CAE設(shè)計系統(tǒng)總體界面Fig.7 Overall Interface of Crane Hoisting Mechanism CAD/CAE Design

通過總體界面選擇不同的模塊可分別進行相應模塊零部件的CAD/CAE設(shè)計。圖8～圖10表示對起升機構(gòu)卷筒組模塊零部件CAD/CAE 完整設(shè)計過程。其中圖8為實例檢索界面，依據(jù)界面條件參數(shù)計算實例庫中待查詢實例各屬性的局部相似度及整體相似度，設(shè)定閾值，完成實例的查詢匹配，并根據(jù)設(shè)計準則進行零部件替換或變型設(shè)計，變型設(shè)計首先應考慮卷筒組模塊內(nèi)部零部件的變更關(guān)系，如卷筒體外徑D的大小直接影響其他零部件的尺寸大小。另外還應考慮對其它模塊的影響，如D改變時，會影響繩輪鉤模塊的選型，設(shè)計時可利用規(guī)則庫中公式規(guī)則調(diào)整確定鋼絲繩直徑系列值。然后再根據(jù)圖9進行參數(shù)化設(shè)計得到卷筒組模塊及零部件的參數(shù)化CAD模型及工程圖。

圖8 卷筒組模塊的實例查詢設(shè)計界面Fig.8 Case Query Design Interface of Drum Group Module

圖9 卷筒組模塊的參數(shù)化CAD設(shè)計Fig.9 Parametric CAD Design of Drum Group Module

圖10 卷筒模塊零部件的參數(shù)化CAE設(shè)計Fig.10 Parametric CAE Design for Reel Module Components

完成卷筒組模塊零部件CAD設(shè)計后轉(zhuǎn)換其CAD模型格式，建立有限元分析的相關(guān)前處理文本文件及過程分析文本，編制APDL命令流程序，執(zhí)行程序過程中調(diào)用前處理文本等文件，完成卷筒組件的有限元的分析并生成結(jié)果文件，如圖10所示。通過有限元分析對卷筒模塊零部件進行強度校核，分析CAD階段是否存在缺陷，優(yōu)化并最終確定卷筒組模塊零部件相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

起升機構(gòu)其它模塊及零部件的CAD/CAE 設(shè)計可以重用與卷筒組模塊相同的實例檢索過程方法、規(guī)則及關(guān)鍵零部件的CAE命令流模板，但在進行CAE 分析時根據(jù)不同零部件的結(jié)構(gòu)、功能、狀態(tài)，采用不同的網(wǎng)格劃分方法、載荷和約束添加等。

5 結(jié)語

針對系列化程度高的起重機起升機構(gòu)設(shè)計過程中所面臨的重復工作量大等問題，研究利用RBR和CBR相結(jié)合的混合推理重用技術(shù)建立起升機構(gòu)產(chǎn)品的知識庫、規(guī)則庫，采用模塊化、參數(shù)化技術(shù)進行分析討論，開發(fā)起重機起升機構(gòu)集參數(shù)化CAD和有限元分析為一體的CAD/CAE設(shè)計系統(tǒng)，通過實例重用與修改快速實現(xiàn)起升機構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計。該方法能夠有效重用企業(yè)設(shè)計資源，明顯提高設(shè)計效率，為起重機等機械產(chǎn)品企業(yè)設(shè)計資源庫構(gòu)建與共享，CAD/CAE系統(tǒng)開發(fā)提供方法依據(jù)。