塔式起重機(jī)CAD整體信息模型體系研究

 

    關(guān)鍵詞　塔式起重機(jī)　CAD　整體信息模型　整體協(xié)調(diào)性

 

    建筑機(jī)械CAD技術(shù)在國(guó)內(nèi)正逐步得到應(yīng)用。對(duì)塔式起重機(jī)來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)品開發(fā)目前仍以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為主。雖然塔式起重機(jī)局部設(shè)計(jì)已采用CAD方法，但其總體布局優(yōu)化、整機(jī)性能規(guī)劃、各主要部件優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)的約束分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算、可靠性分析與計(jì)算、人機(jī)工程及模型試驗(yàn)等總體性問題，CAD技術(shù)研究尚較少。筆者對(duì)塔式起重機(jī)CAD整體信息模型進(jìn)行研究。

 

    1　整體信息模型結(jié)構(gòu)與功能

 

    根據(jù)廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，筆者構(gòu)造的塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

 

    圖1　塔式起重機(jī)CAC整體信息模型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

    1.1　主系統(tǒng)

 

    主系統(tǒng)用于整體信息模型的管理與控制，對(duì)各部分信息中相關(guān)信息進(jìn)行處理與傳輸。如在塔式起重機(jī)的性能參數(shù)輸入后，訪問模型庫(kù)，獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式；通過(guò)接口調(diào)用計(jì)算軟件包（有限元計(jì)算等），或當(dāng)過(guò)程設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)矛盾時(shí)，根據(jù)重要性等級(jí)進(jìn)行判別和合理取舍；在外觀設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，出現(xiàn)與性能參數(shù)控制下的配套件選擇結(jié)果相矛盾時(shí)，服從性能參數(shù)作用的結(jié)果，或提出改進(jìn)意見。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨時(shí)可進(jìn)行相關(guān)訪問和數(shù)據(jù)調(diào)用，以保證設(shè)計(jì)的合理性，減少設(shè)計(jì)失誤，節(jié)約時(shí)間，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

 

    1.2　資源庫(kù)

 

    資源庫(kù)向系統(tǒng)提供塔式起重機(jī)產(chǎn)品信息和數(shù)據(jù)。模型庫(kù)貯存塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和現(xiàn)有產(chǎn)品的成套設(shè)計(jì)圖形與技術(shù)文件；數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存塔式起重機(jī)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)，如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、常用外購(gòu)件數(shù)據(jù)等，以及已開發(fā)產(chǎn)品和正在開發(fā)產(chǎn)品所需的各種基本數(shù)據(jù)；知識(shí)庫(kù)是為了便于設(shè)計(jì)人員掌握塔式起重機(jī)行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)建立的產(chǎn)品信息庫(kù)，如塔式起重機(jī)各部分工作原理、結(jié)構(gòu)組成、名詞術(shù)語(yǔ)、行業(yè)技術(shù)情報(bào)資料等；優(yōu)化方法庫(kù)提供常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，用于產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)分析及局部模型等的優(yōu)化；專家系統(tǒng)庫(kù)對(duì)開發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行高層次評(píng)價(jià)，計(jì)算出設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全方位驗(yàn)收和考核，提出問題和改進(jìn)措施，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中可能涉及到的工藝問題給出適當(dāng)?shù)膶?duì)策。對(duì)系統(tǒng)的資源庫(kù)可以通過(guò)接口隨時(shí)補(bǔ)充和修改，以便于掌握行業(yè)動(dòng)態(tài)，適應(yīng)行業(yè)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)更新，吸納國(guó)內(nèi)外其他產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)，保持系統(tǒng)的先進(jìn)性。

 

    1.3　接口

 

    圖形的輸入和輸出功能可向系統(tǒng)錄入圖形模型、外購(gòu)件模型等，也可與繪圖機(jī)相連以輸出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)文件和工藝文件圖等。計(jì)算軟件包的調(diào)用可在設(shè)計(jì)過(guò)程中的任一時(shí)刻進(jìn)行，既有大型的有限元計(jì)算分析程序，也有塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算中涉及到的各種專門化計(jì)算軟件。同時(shí)，可對(duì)最終設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行模擬試驗(yàn)和產(chǎn)品性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果可直接輸出，也可送至專家?guī)爝M(jìn)行分析、審定。

 

    2　系統(tǒng)建模技術(shù)問題

 

    2.1　整體信息模型的建立

 

    采用IDEF1x方法建立信息模型。具體方法如下：①對(duì)塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造的信息資料分析對(duì)比，合理歸類，列出每一任務(wù)之間的流向清單，建立整體模型；②由各種任務(wù)抽象出整機(jī)布局，確立功能設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，定義零部件自身的設(shè)計(jì)特征和設(shè)計(jì)變量；③劃分信息實(shí)體、確立信息實(shí)體之間的關(guān)系，這一部分除了用語(yǔ)言描述外，應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)量化計(jì)算；④定義信息屬性；⑤排列出信息的空間結(jié)構(gòu)。

 

    信息空間在縱向平面內(nèi)的層次采用塔型結(jié)構(gòu)：最低層為各種信息層；節(jié)點(diǎn)層為各階段各層次結(jié)構(gòu)模型層；最高層為塔式起重機(jī)CAD整體信息模型（見圖2）。

 

    圖2　縱向平面信息塔型結(jié)構(gòu)圖

 

    2.2　系統(tǒng)信息分解與綜合

 

    (1)系統(tǒng)信息分解　根據(jù)塔式起重機(jī)CAD整體信息的功能要求，首先將信息分解為系統(tǒng)信息和功能塊信息。然后將功能塊信息分解為子系統(tǒng)信息和子功能塊信息，如此劃分直至最小功能塊信息。同時(shí)，將所有信息分解為獨(dú)立信息和關(guān)聯(lián)信息。按一定的規(guī)則，給各種信息以編碼。如系統(tǒng)信息代碼為a,b,c,……，一級(jí)功能塊信息分別用一位數(shù)字編為1,2,3,……，二級(jí)子功能塊分別在前一級(jí)功能塊代碼后后綴一位數(shù)碼，如功能塊3的第5子功能塊，其編碼為35，以此類推。

 

    系統(tǒng)信息用信息相關(guān)系數(shù)來(lái)區(qū)分控制信息與相關(guān)信息：全相關(guān)時(shí)為1，獨(dú)立時(shí)為0，其他情況用0～1之間的相關(guān)系數(shù)表示。

 

    (2)信息綜合關(guān)系　在塔式起重機(jī)CAD過(guò)程中，信息綜合主要是處理各種信息的制約關(guān)系，以分清主次，尤其是出現(xiàn)在某一約束下，一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與另一部分設(shè)計(jì)任務(wù)存在矛盾或干涉時(shí)而決定取舍，從而達(dá)到整體設(shè)計(jì)的高度協(xié)調(diào)。為了保證這種信息協(xié)調(diào)關(guān)系，在信息關(guān)系確定后，獨(dú)立信息可直接處理，相關(guān)信息則按信息關(guān)系取大原則從大到小，順序處理設(shè)計(jì)流程中的信息，取大原則優(yōu)先考慮重要的、相關(guān)系數(shù)大的信息。

 

    令塔式起重機(jī)CAD整體信息中全部信息的總體論域?yàn)閁，論域U的元素分別用x1,x2，…，xn表示塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種信息。信息相關(guān)重要性分為“極重要、非常重要、相當(dāng)重要、比較重要、略重要、稍微重要、不重要”。對(duì)應(yīng)的系數(shù)分別為1、0.9、0.8、0.7、0.5、0.3、0。由此，可用關(guān)系矩陣來(lái)處理信息［2］。

 

    建立關(guān)系矩陣便于信息的查詢。信息處理控制規(guī)則由條件語(yǔ)句來(lái)描述。最終按“取大原則”，優(yōu)先考慮相關(guān)系數(shù)大的情況。這種模糊控制的思想比較符合設(shè)計(jì)人員的傳統(tǒng)習(xí)慣。

 

    3　軟件研制與應(yīng)用

 

    塔式起重機(jī)CAD整體信息模型以計(jì)算機(jī)為核心，硬件配置選用現(xiàn)行的通用設(shè)備。軟件包括圖形處理、數(shù)據(jù)計(jì)算、信息處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)及專家系統(tǒng)等。對(duì)于塔式起重機(jī)這種專業(yè)產(chǎn)品，除了采用有限元分析程序、常用的優(yōu)化程序、CAG等軟件外，大多數(shù)軟件是結(jié)合塔式起重機(jī)產(chǎn)品專門開發(fā)和研制的，由各部分程序匯集成整體系統(tǒng)。

 

    本課題的開發(fā)應(yīng)用首先選擇了QTZ200型塔式起重機(jī)作為應(yīng)用研究對(duì)象?？紤]到數(shù)據(jù)共享及其適應(yīng)性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主系統(tǒng)、接口以及資源庫(kù)部分內(nèi)容并不局限于QTZ200型塔式起重機(jī)，同樣適用于同類型其他系列產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用。模型庫(kù)中建立了4種塔式起重機(jī)模型，圖形豐富。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，QTZ200型塔式起重機(jī)性能參數(shù)可通過(guò)人機(jī)界面以對(duì)話方式錄入，部分基本參數(shù)見表1。

 

    在總體性能參數(shù)要求下，設(shè)計(jì)過(guò)程中錄入系統(tǒng)所需其它結(jié)構(gòu)參數(shù)變量。系統(tǒng)運(yùn)行后的結(jié)果與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T5037《塔式起重機(jī)分類》中對(duì)該機(jī)型要求相比，具有明顯的優(yōu)越性。按國(guó)標(biāo)GB9462《塔式起重機(jī)技術(shù)條件》中分等規(guī)定，其自重系數(shù)、能耗系數(shù)和作業(yè)空間系數(shù)3項(xiàng)考核指標(biāo)均優(yōu)于現(xiàn)有優(yōu)等品的規(guī)定。其主要性能指標(biāo)優(yōu)于處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的同類機(jī)型，接近QTZ250型塔式起重機(jī)性能指標(biāo)。