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基于KBE的桥式起重机桥架三维CAD设计系统

2021-05-05杨金刚 王宗彦

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本文介绍了利用KBE技术和参数化设计思想开发了基于KBE的桥式起重机桥架三维CAD设计系统。

0 引言

    近年来,国内生产大吨位桥式起重机的主要厂家,日益感到产品设计过程中重复劳动占用的时间比例越来越大,如:出零件图纸和手工设计计算的时间占到整个设计时间的60%-80%,产品开发的时间被压缩到不足30%,虽然也开发了一些基于二维CAD的设计系统,但效果并不是特别的理想,不能真正的把以前的工作和知识经验有效的运用到新的产品设计中去,这不仅延缓了产品出厂的时间,而且由于重复劳动占用了大量的设计时间,使得设计人员不能把主要的精力投入到新产品的开发中去,并且前辈工程师的知识经验也不能得到很好的继承。

    桥架是桥式起重机的金属结构。桥架主要由主梁和端梁构成。主梁的形式较多,有各种不同形式的桥架,如工字钢桥架、桁架式桥架、箱型梁式桥架等,本系统主要针对的是箱型梁式桥架,它具有以下特点:零件数量多、尺寸大、多为板件、零件之间的连接方式多为焊接、不同吨位的桥架之间有一定的相似性等特点。

    传统的设计流程中有很多工作都是在以前的知识的基础上进行的,本文利用KBE技术通过总结设计知识形成知识库,利用参数化设计思想建立零件实体模型和工程图图形库,在设计计算时按照一定的机理来调用知识库中相应的知识来完成设计计算,通过设计计算的结果实现零件模型的驱动和工程图的自动生成。在本系统中,利用KBE技术和参数化设计思想开发了基于KBE的桥式起重机桥架三维CAD设计系统。

1 系统基本思想

    (1)KBE原理。基于知识工程KBE(knowledge Based Engineering)是一种先进的智能化工程设计思想,是面向现代设计要求而产生发展的新型智能设计方法和设计决策自动化的重要工具,目前还没有明确的定义,一般认为KBE是通过知识驱动和繁衍,对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术,是对于领域专家的知识的继承、创新和应用,是CAX技术与智能技术、专家系统、神经网络等技术的集成应用,己成为促进工程设计智能化的重要途径。

    将KBE思想融入三维CAD技术,进行桥式起重机桥架的设计计算、计算结果评估优化、设计知识存储、三维实体图设计、工程图设计等过程,可以显著提高设计效率、改进设计质量、实现设计知识的存储与重用。

    (2)参数化设计。参数化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、优质的设计方法。它一般是指零件或部件的形状比较定型,用一组参数和几何约束该模型的结构尺寸与拓扑关系;参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系,当赋予不同的参数序列值时,就可驱动典型模型,达到满足设计要求的零件模型。

    桥架的参数化设计是基于桥架主要结构模块的参数化设计,它以桥架主要结构为设计的基本单元,主要结构模块是指具有尺寸互换性的结构部件,其安装连接部分的几何参数满足某种规定的要求,并能保证通用互换或兼容。模块化产品的构成模式等于通用模块不变部分)加专用模块(变动部分)。桥架的参数化设计着重解决结构中的变动部分。

2 基于KBE的桥式起重机桥架三维CAD设计系统的构成

    本系统结合特征造型理论,在桥架参数化设计中引入KBE原理弥补当前参数化设计的不足。应用面向对象的技术描述桥架的特征,使得特征本身己包含了参数化变动尺寸值所需的成员变量和成员函数,桥架特征的尺寸值均可作为其变量,随时作适当改变。基于此,进一步使特征以及特征之间的依附关系能随一定的条件改变,即可实现参数化特征。因而在桥架设计过程中把涉及桥架设计的所有信息集合起来,包括桥架以往案例、设计标准、桥架零件的尺寸关联、尺寸约束、特征关联等,组成一个产品的知识库。因此本系统主要由基于KBE的桥架设计计算模块和CAD系统参数化设计模块两个模块构成。同时包含三个库:方案库、方法库和模型、工程图库。系统流程图如图1所示。

系统流程图

图1 系统流程图

    (1)基于KBE的桥架设计计算模块。桥架设计计算知识是由桥式起重机设计工程师经过总结表述,再通过基于知识的方法进行加工、提炼出来的。采取基于知识方法进行主梁截面的参数计算,它包含了对知识库中方案库、方法库和推理机制的应用,方案库主要是记录了以前设计的不同吨位的桥式起重机桥架的各种参数;方法库记录了主梁截面的计算方法,起重机设计标准、尺寸约束与关联、约束标准、特征关联,其中计算方法即相应的计算公式:各种载荷计算公式、桥架不同点的应力、弯矩计算公式和强度、刚度、稳定性计算公式、优化与评估方法等。推理机制采用基于实例和基于规则的推理形式。

    桥架主梁截面的计算可分为两个部分:桥架主梁中部截面和头部的设计计算。桥架主梁中部截面设计计算是桥架计算中最重要的部分,通过计算最终得到主梁截面的设计参数:主梁的高度(h1)、主梁的上、下翼缘板的厚度(δ1、δ2)以及宽度(m)、主腹板的厚度(δ3)、副腹板的厚度(δ4)以及安装的位置参数(l1、l2、l4、l5),如图2所示。桥架的大车支点在桥架的头部,并且由于头部板主、副腹板板高发生变化,它受到的剪力变大,故不能只计算中部截面,同时也必须计算头部的截面,通过计算确定头部的板的厚度(δ5、δ6)和板的高度(h4)以及定位尺寸。桥家主梁的设计计算设计到载荷的计算:自重载荷、起升载荷、水平载荷、附加载荷的计算;不同点的剪切力、应力、弯矩;还包括支反力、侧向力、约束弯曲、约束扭转、刚度计算、以及截面的惯性矩、断面模量、静矩和弯心的计算,计算出来的结果再通过对主梁附加的限制条件:正应力、剪应力、水平和垂直静刚度、动刚度、腹板的高度比值、翼缘板的宽厚比值、主梁的跨高比值和跨宽比值、设计变量的边界约束条件进行优化。

主梁中部截面示意图

图2 主梁中部截面示意图

    一般来说,根据桥机生产厂家的规范,端梁不需要进行强度、刚度等计算,所谓地端梁的计算就是为了确定端梁的形式以及与主梁的连接方式:铰接还是刚性连接,同时根据主梁的参数从端梁系列库中选择端梁型号,确定端梁的尺寸参数和隔板的个数。

    设计人员首先根据用户的需求选择主、副小车的起重量和跨度,系统根据推理机制为设计人员在方案库中选择一个最接近要求的桥式起重机案例,并把相应的参数显示给设计人员,它是可修改的,如果某些参数不合适设计人员可以人工进行修改,这样就确定了截面计算需要的主参数:起重量(Q)、提升速度(V)、提升高度(H)、梁的跨度(S)和工作级别(M)等,确定后程序就会调用方法库中相应的计算公式进行计算,得出一组截面的参数显示给设计人员,系统通过利用VB设计的图形界面设计人员可以很直观的看见截面的效果以及截面此时的参数列表,如果设计人员对于得出的结果不满意还可以修改得到的参数值,修改后可以通过调用方法库中的优化方法进行进一步的优化计算,并通过对优化后的参数进行修改得到比较理想的结果。

    (2)桥架CAD系统参数化设计模块。桥架CAD系统参数化设计模块采用基于布局草图的自顶向下的模块化设计思想。基于布局草图的自顶向下进行装配就是利用装配草图与零件发生装配关系,而不是采用传统的自底向上装配方式,即零件与零件发生装配关系的形式,这样就可以避免进行零件的局部修改或缺省零件对整个装配体生成造成影响,设计人员可以很自由地对装配中的零件进行修改和替换,同时设计人员通过对布局草图参数的控制来驱动整个桥架模型,实现桥架的三维实体模型的生成和工程图的自动生成,即首先根据用户要求和设计知识计算出桥架主梁截面、主梁头部、端梁的尺寸参数,进而进一步计算出布局草图中的主参数,作为桥式起重机桥架设计的参数接口,驱动整个桥架实体和工程图的生成。

    根据桥式起重机桥架CAD系统的需要,模块的构建分四个部分:

    建立桥架模型、工程图库:选择具有代表性的几种桥式起重机桥架,根据结构和参数化设计的需要将它们首先分成不同的模块:主梁头部、主梁中部、端梁、副主梁、标准件、其他桥架的附属结构如梯子、栏杆、走台、电器隔热层等,分别建立这些模块的模型库和工程图库,对于成系列的零件还要建立相应的系列零件库,同时定义好零件的属性信息和工程图属性信息。

    建立桥架布局草图同时建立布局草图和零件之间的关系:在装配体文件中建立三个视图的布局草图,其中以不同的草图实体代表装配体中的零件,按照整体设计思路,指定每个零部件的暂定位置。通过装配草图与零件建立装配关系对整个桥架进行装配,同时通过编程实现装配草图参数与基于KBE的桥架设计计算模块计算得到的各种参数的交互,实现用计算优化后得到的各种参数来驱动整个装配体的变化。

    建立参数关系:整理各零件尺寸与装配草图确定的主参数之间的关系并通过编程把这些关系添加到系统程序中去,实现通过装配草图来驱动桥架零件和工程图。

    建立用户界面:设计时遵循Solidwoks的集成化的设计思想,在应用程序开发、测试完毕后利用Solidwoks API提供的增加单项功能函数如:Frane addmenu,Frane addmenuitem,sldworks addmenusldworks addmenuitem等建立集成于Solidwoks的用户界面的用户菜单,用户可以很方便的在Solidwoks环境下实现本系统的操作。

3 应用实例

    以太原重型机械有限公司200/80/15T回转铸造起重机为例,说明利用本系统进行桥架主梁的设计,从用户需求定制到三维模型生成步骤如下:①输入主参数;②设计计算;③优化计算;④截面参数优化界面;⑤生成主梁。

    系统的技术支持:目前大多数三维软件都提供二次开发的API接口,利用VB、VC++、Java等面向对象语言对其进行二次开发,可以开发出功能强大、更加实用的三维实体造型系统,实现对以前设计成果很好的重用。本系统的开发采用Solidworks作为CAD开发平台。三维CAD软件Solidworks易学易用,得到越来越多的设计人员的青睐,而且能提供多种语言的二次开发接口(API),设计人员可以很方便的根据实际情况开发适合自己需要的系统。

4 结束语

    基于KBE的桥式起重机桥架三维CAD设计系统是利用面向对象程序语言,在参数化的基础上,结合知识工程原理把桥架的设计知识融入到整个桥架的设计过程中,为桥架设计建立的知识库,不仅是简单地表示、利用知识,而且还能更进一步获取知识。该系统能够指导一般工程设计人员一步一步地完成桥架的设计,因此,可以将高级设计专家从繁重的、重复性的劳动中解放出来,将更多的精力投入到新产品的开发中去,极大的提高了工作效率。 

责任编辑:程玥
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