隨著市場競爭的日趨激烈，能夠在最短的時間內(nèi)設(shè)計出滿足客戶個性化需求、性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品已成為企業(yè)制勝的關(guān)鍵。Meyer和Alvin等人指出在實際產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程中，約有70%的產(chǎn)品設(shè)計是在已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶新的需求做局部的結(jié)構(gòu)變化或參數(shù)調(diào)整來完成的，即屬于變型設(shè)計的范疇。變型設(shè)計一般基于已有的工作原理，按照實際功能需求對結(jié)構(gòu)等進行重新調(diào)整布局，以產(chǎn)生適應(yīng)新產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)，它可以充分利用企業(yè)已有的設(shè)計資源和設(shè)計人員良好的經(jīng)驗，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。變型設(shè)計在滿足客戶個性化需求，特別是產(chǎn)品多樣化的需求有顯著的優(yōu)勢。
門式啟閉機是一種專用于啟閉水工建筑物、閘門、發(fā)電廠與攔污柵用的起重機械，門式啟閉機作為一種典型的非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品，針對不同的工況，其結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵承載部件，例如小車架結(jié)構(gòu)型式多變，具有很強的設(shè)計隨意性和靈活性。而且門式啟閉機的設(shè)計一般是在已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進行變型設(shè)計，知識重用度極高，然而現(xiàn)階段門式啟閉機相關(guān)設(shè)計制造部門缺乏專用的工具，難以數(shù)字化保存和重用已有的設(shè)計知識和經(jīng)驗，造成每一次新的設(shè)計只能重新設(shè)計計算和繪圖，延長開發(fā)周期，增加開發(fā)成本。因此，現(xiàn)階段構(gòu)建門式啟閉機快速變型設(shè)計平臺意義重大。
1 基于模塊化的產(chǎn)品變型設(shè)計
1.1 模塊化設(shè)計
模塊化設(shè)計是在對一定范圍內(nèi)功能相同但性能、規(guī)格不同的產(chǎn)品進行分析的基礎(chǔ)上，劃分構(gòu)建出一系列模塊，通過模塊的選擇和組合迅速構(gòu)成滿足不同需求產(chǎn)品的一種設(shè)計方法，模塊化設(shè)計一般分為以下3個步驟。
1.1.1 模塊的劃分
根據(jù)設(shè)計要求對產(chǎn)品進行功能分析，分解抽象出設(shè)計模塊。具體是將一套復(fù)雜機械產(chǎn)品分解成若干個一級模塊，一級模塊又可以分解成若干個二級模塊，依次類推，每個模塊下包含了多個具有某種共同性質(zhì)的零部件，這些零部件具有較強的互換性，便于設(shè)計時替換，如圖1所示。
圖1 產(chǎn)品的模塊劃分
模塊劃分時一般要考慮以下幾方面問題：
(1)模塊在功能和結(jié)構(gòu)上具有獨立性和完整性。模塊劃分是對產(chǎn)品的總體功能及結(jié)構(gòu)進行分析、分解后得到若干個基本模塊，每個模塊應(yīng)具有一定的獨立性和完整性，這樣有利于模塊之間的組合，可以構(gòu)成多樣化的產(chǎn)品。
(2)零部件之間的相關(guān)度。產(chǎn)品所有零部件之間的相關(guān)度計算是模塊劃分的重要依據(jù)。假設(shè)零部件之間的相關(guān)類型有n種，第k種相關(guān)對相關(guān)度的影響因子為rk，則零部件mi和mj之間的相關(guān)度為：
相關(guān)度
式中：當(dāng)mi和mj之間不滿足第k種相關(guān)時，mi，j=0；當(dāng)mi和mj之間滿足第七種相關(guān)時，mi，j=1。
(3)零部件聚合成模塊。將分解得到的零部件與各個模塊進行比較，判斷其是否滿足該模塊的結(jié)構(gòu)和功能要求，據(jù)此可以將所有零部件劃分到相應(yīng)的模塊中，完成初步劃分模塊。
(4)模塊劃分的級數(shù)。模塊劃分的級數(shù)越多，單個模塊的成本會下降，但模塊之間的接口會更加復(fù)雜，接口成本也會急劇上升；相反如果模塊的級數(shù)過少，則單個模塊的成本較高，且不利于設(shè)計的靈活性。因此，在劃分模塊時需要根據(jù)產(chǎn)品自身的特點及實際設(shè)計需求來確定合理的級數(shù)。
文中以門式啟閉機為例對其進行模塊劃分，根據(jù)門式啟閉機各部分的功能特點可將其劃分成起升機構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)和運行機構(gòu)等3大部分組成，再依次向下劃分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 門式啟閉機的模塊劃分
1.1.2 模塊的構(gòu)建
模塊劃分完成后，要對各個模塊進行具體的構(gòu)建，主要包括以下4方面的內(nèi)容：
(1)模塊管理。主要確定各模塊的名稱、功能及零部件數(shù)目等。
(2)模塊構(gòu)成。確定各模塊內(nèi)部包含的零部件名稱、特點及性能等。
(3)幾何造型。確定描述零部件結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計需求將部分參數(shù)設(shè)為驅(qū)動參數(shù)。
(4)接口處理。產(chǎn)品設(shè)計過程中，各模塊的零部件要根據(jù)設(shè)計需求的不同而替換，模塊之間并不是獨立的，而是有一定的約束聯(lián)系，因此，必須定義好模塊之間的接口關(guān)系以解決好裝配問題。例如圖3所示，若產(chǎn)品設(shè)計時，在一級模塊下選擇“零件11”，由于模塊1對模塊3有一定的約束，會使得模塊3只能選擇“零件32”而不能選擇“零件31”等。
圖3 模塊之間的約束關(guān)系
1.1.3 模塊的重組
這一步是模塊劃分和構(gòu)建的目的，體現(xiàn)在具體的設(shè)計階段，設(shè)計人員根據(jù)具體要求在各個模塊下選擇滿足條件的零部件組合成新的產(chǎn)品。
1.2 門式啟閉機小車架的變型設(shè)計
門式啟閉機的小車架結(jié)構(gòu)形式多變，設(shè)計較靈活，文中系統(tǒng)采用了基于模塊化的變型設(shè)計方法，首先根據(jù)功能將小車架劃分成7個模塊，用戶可以通過以下兩種方式實現(xiàn)小車架的變型設(shè)計。
(1)產(chǎn)品庫中存在相似模板的情況下，設(shè)計人員可以通過調(diào)用模板并對其進行修改以得到目標(biāo)產(chǎn)品，原理如圖4所示。
圖4 小車架模塊化變型原理圖1
(2)當(dāng)產(chǎn)品庫中沒有任何相似模板的情況下，設(shè)計人員按照規(guī)定的順序依次選擇每個模塊下某種結(jié)構(gòu)形式的零部件，將不同模塊組合在一起，得到滿足要求的產(chǎn)品。原理如圖5所示。
圖5 小車架模塊化變型原理圖2
通過上述方法，設(shè)計人員可以很靈活地根據(jù)設(shè)計需求，合理地利用已有的設(shè)計資源和經(jīng)驗，快速實現(xiàn)小車架的變型設(shè)計。
2 復(fù)雜機械產(chǎn)品變型設(shè)計平臺
2.1 平臺的體系
復(fù)雜機械產(chǎn)品快速變型設(shè)計平臺是一個支持虛擬設(shè)計和評價，支持產(chǎn)品變型與分析集成應(yīng)用系統(tǒng)。文中系統(tǒng)在AutoCAD和ANSYS軟件平臺基礎(chǔ)上，以Access為后臺數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。運用Visual C++開發(fā)環(huán)境，綜合ARX編程技術(shù)、人機交互技術(shù)和數(shù)據(jù)庫操作技術(shù)等，實現(xiàn)了設(shè)計模型和分析模型的無縫集成，最終實現(xiàn)門式啟閉機可視化、數(shù)字化的快速響應(yīng)變型設(shè)計。設(shè)計人員在平臺引導(dǎo)下，按照規(guī)范的設(shè)計流程，在交互界面下輸入設(shè)計參數(shù)、選擇零部件類型，系統(tǒng)通過參數(shù)關(guān)聯(lián)、傳遞和判斷，驅(qū)動生成產(chǎn)品CAD與CAE模型，完成模型的變型設(shè)計與分析，并將產(chǎn)品實例的三維虛擬原型、主要技術(shù)參數(shù)、有限元分析結(jié)果及零部件的二維圖信息全部保存。系統(tǒng)所包含的功能如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)的功能模塊構(gòu)成
2.2 平臺的設(shè)計流程
平臺的流程如圖7所示。設(shè)計人員首先根據(jù)用戶需求和設(shè)計經(jīng)驗判斷產(chǎn)品庫中是否已經(jīng)存在相似的產(chǎn)品，如果有則調(diào)用相似產(chǎn)品在CAD模塊下對其進行修改，接著進入CAE模塊中進行有限元分析；如果沒有則新建產(chǎn)品，根據(jù)初始條件的參數(shù)在CAD模塊中依次設(shè)計出門式啟閉機的起升機構(gòu)、小車架和門架，然后進入CAE模塊對設(shè)計的產(chǎn)品進行有限元分析。通過上述兩種方法，用戶根據(jù)CAE模塊分析的結(jié)果做出判斷并反饋設(shè)計，直至分析結(jié)果滿足設(shè)計需求，即得到目標(biāo)產(chǎn)品，并將本次設(shè)計產(chǎn)品存入產(chǎn)品庫，供下次設(shè)計調(diào)用，提高了知識的重用度。
圖7 平臺的設(shè)計系統(tǒng)流程圖
2.3 關(guān)鍵技術(shù)
2.3.1 參數(shù)化設(shè)計
參數(shù)化技術(shù)是變型設(shè)計中重要的技術(shù)之一。運用ObjectARX技術(shù)和APDL語言分別對AutoCAD和ANSYS進行二次開發(fā)，構(gòu)建了完整的門式啟閉機三維參數(shù)化CAD和CAE模型，并開發(fā)出了友好的設(shè)計界面，設(shè)計人員不用具體建模，只需要在相應(yīng)的界面下輸入合理的設(shè)計參數(shù)即可生產(chǎn)相應(yīng)的模型，極大地提高了設(shè)計效率。
2.3.2 CAD/CAE集成
CAD/CAE系統(tǒng)集成分為專用數(shù)據(jù)接口集成、中性文件集成、基于統(tǒng)一產(chǎn)品模型的集成等方式，其中前兩種方法難以消除模型轉(zhuǎn)換“理想化”處理過程。文中采用了第3種方式實現(xiàn)CAD/CAE集成，原理如圖8所示。
圖8 CAD/CAE集成原理圖
運用ObjectARX語言和APDL語言分別編寫出各零部件的CAD模型和CAE模型，并基于特征轉(zhuǎn)換的原理，將兩種模型的參數(shù)一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，通過數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，設(shè)計人員在輸人參數(shù)后，程序會通過ARX命令流構(gòu)建CAD模型，并將參數(shù)寫入數(shù)據(jù)庫中保存，同時修改APDL命令流中對應(yīng)的參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)的傳遞和共享，從而實現(xiàn)系統(tǒng)CAD/CAE集成。
例如，定義小車架總體結(jié)構(gòu)的APDL命令流中“寬度”與“跨距”參數(shù)的賦值代碼為：
圖9所示為輸入小車架寬度和跨距界面。當(dāng)用戶通過系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)品輸入?yún)?shù)值時，單擊“確定”后，后臺程序會將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫保存，然后再讀取出將APDL命令流中的chejia_kuaju及chejia_kuan改成用戶輸入的值，主要編程代碼如下：
圖9 用戶輸入寬度與跨距參數(shù)
代碼中changeWord()函數(shù)為自定義函數(shù)，作用是讓程序讀APDL命令流時找到需要修改的代碼標(biāo)識，例如“chejia_kuaju=”，并將其后面的值修改為用戶輸入的參數(shù)，函數(shù)原型如下：
3 應(yīng)用實例
文中開發(fā)的平臺實現(xiàn)了變結(jié)構(gòu)小車架模型的設(shè)計與分析，如圖10和圖11分別為一種結(jié)構(gòu)形式的雙吊點小車架的三維設(shè)計模型和有限元分析模型，其寬度為5.2m，跨距為7.6m，起重量為2×630kN，設(shè)計人員通過平臺進一步進行驗證計算、修改等，最終得到符合要求的產(chǎn)品實例，導(dǎo)出零件的二維工程圖，并將產(chǎn)品保存到平臺的實例庫中，供下次設(shè)計時調(diào)用。
圖10 啟閉機小車架三維設(shè)計模型
圖11 啟閉機小車架有限元模型
4 結(jié)束語
給出了一種基于模塊化的復(fù)雜機械產(chǎn)品變型設(shè)計與分析的方法，在此基礎(chǔ)上，以門式啟閉機為例，以AutoCAD為圖形平臺，ANSYS為分析平臺，并融入啟閉機設(shè)計流程，開發(fā)出了門式啟閉機變型設(shè)計平臺。實踐證明，該平臺滿足啟閉機設(shè)計多樣化的需求，縮短了設(shè)計周期，提高了知識重用度和設(shè)計人員的效率，具有推廣應(yīng)用價值。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：基于模塊化方法的復(fù)雜機械產(chǎn)品變型設(shè)計
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