（机械设计及理论专业论文）装船机智能快速设计系统及其虚拟仿真.pdf

摘要 摘要 在市场经济条件下，产品竞争变得日益激烈，用户对产品质量，生产成本， 生产周期等方面都提出了更高的要求。随着计算机和互联网技术的发展，设计 制造业正朝着数字化、全球化、敏捷化方向发展，传统的机械设计模式已经不 能适应市场发展的需要。企业要想提高设计质量，缩短设计周期，这就需要对 现行的传统的设计方法进行更新。 在产品开发过程中，经常遇到的是对已有产品的变型设计，即拓扑形状一 致，但是有不同的参数。对于这类产品，尤其是大型复杂产品，其投标设计或 者方案设计的快速响应就显得尤其重要。而方案设计中的最关键环节就是其机 械结构的设计和预估，它主导了产品的报价和最终的制造成本。本课题旨在基 于现代快速设计理论，开发能快速适应市场需求的装船机智能快速设计系统。 该智能快速设计系统的开发充分利用参数化技术，对装船机的关键尺寸进行参 数化提取和抽象，利用友好的人机交互界面进行参数输入，并存储在数据库中 以备参数调用、查询。借助三维c a d 软件s o l i d w o r k s 提供的a p i 接口，调用数据 库中的参数化数据，用参数驱动完成参数化建模，以满足产品方案设计的需求。 采用a n s y s 的a p d l 语言创建装船机的有限元结构分析模板，自动调用数据库中 的参数化数据，驱动a n s y s 命令流执行建模、结构分析并对分析结果进行智能 评价，最后再把数据库中的数据传递给虚拟仿真软件系统，利用相关的a p i 接口 对装船机进行虚拟仿真并实时漫游，对产品设计进行干涉检验，同时方便用户 对设计方案进行评估。最后，本论文基于6 0 0 0 吨d , 时装船机，开发了该装船机 智能快速设计系统原型，论证了该装船机智能快速设计系统的可行性与快速性。 关键词：智能快速设计，参数化，模块化，虚拟仿真，装船机 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em a r k e te c o n o m y , i n c r e a s i n g l yi n t e n s ec o m p e t i t i o ne n t a i l sah i g h e r r e q u i r e m e n to np r o d u c tq u a l i t y , c o s tc o n t r o l ，a n ds h o r tp r o d u c i n gp e r i o d a n dt ok e e p p a c ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t i n ga n di n t e m e tt e c h n i q u e s ，d i g i t a l i z a t i o n ， g l o b a l i z a t i o na n da g i l i t ya r et h ei r r e s i s t i b l et r e n d a tt h i s ，t r a d i t i o n a lm o d eo f m e c h a n i c a ld e s i g nf a i l st oa d a p t t h u s ，t oi m p r o v ed e s i g nq u a l i t ya n ds h o r t e nd e s i g n t e r m s ，a nu p d a t ei nc u r r e n tw a y so fd e s i g nb e c o m e sn e c e s s a r y i nm e c h a n i cd e s i g n i n g , w eu s e dt om o d i f ya l la v a i l a b l et y p et og e tan e w p r o d u c t ，w h i c hh a v et h es a m es t r u c t u r e ，b u td i f f e r e n tp a r a m e t e r s a sf o rt h i ss i t u a t i o n ， e s p e c i a l l yl a r g es o p h i s t i c a t e dp r o d u c t s ，t h ed e s i g np l a n sf o rb i d d i n gr e q u i r eaq u i c k r e s p o n s ef o rt h en e e d so fu s e r 8 o u to ft h ec h a i no fd e s i g n i n g , t h ek e yl i n ki st h e a n t i c i p a t i o na n dd e s i g n i n go fm e c h a n i cs t r u c t u r e s ，w h i c hh o l d ss w a yo v e rt h ef i n a l c o s ta n dp r i c eo f p r o d u c t s b a s e do nt h et h e o r yo fm o d e md e s i g n ，t h i ss u b j e c ta i m st o d e v e l o pa ni n t e l l i g e n ta n dr a p i dd e s i g ns y s t e mo fs h i p l o a d e rt om e e tt h em a r k e t d e m a n d t h i ss y s t e mt a k e sf u l la d v a n t a g eo fp a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ：p a r a m e t e r i z et h e a b s t r a c t e dd a t ao ft h ed i m e n s i o n so fs h i p l o a d e r , i n p u ta n ds t o r ed a t at h r o u g ha f r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ei n t ot h ed a t a b a s ef o rd a t ac a l l i n ga n ds e a r c h i n g ，t h e nr e s o r tt o t h ea p ii n t e r f a c eo fc a da n ds o l i dw o r k st oc a l lt h ep a r a m e t e r i z e dd a t ai ns t o r a g e ， t ob u i l dt h em o d e l t h i ss y s t e ma d o p t st h ea p d lo fa n s y st oc r e a t ea t e m p l a t ef o r t h ef i n i t ea n a l y s i so fs h i p l o a d e r , a u t o m a t i c a l l yc a l l sp a r a m e t e r i z e dd a t af r o mo b j e c t d a t a b a s e ，a n d n e x td r i v e st h ea n s y sc o m m a n df l o wt o i m p l e m e n tm o d e l c o n s t r u c t i o n ，s t r u c t u r ea n a l y s i sa n di n t e l l i g e n ta s s e s s m e n to ft h ea n a l y s i sr e s u l t s a n d t h el a s ts t e pi st r a n s m i t t i n gd a t af r o md a t a b a s et ov e g ap r i m e ，r u n n i n gv i r t u a lr e a l i t y s i m u l a t i o nt h r o u g ha p ii n t e r f a c e ，w h i c ha tt h es a m et i m ef a c i l i t a t e st h ea s s e s s i n g p r o c e s sf o ru s e r s i nt h ee n d ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sap r o t o t y p eo ft h i s s h i p l o a d e rd e s i g n s y s t e ma n dv e r i f i e si t sf e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yb a s e do n a6 0 0 0 t hs h i p l o a d e r k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ta n dr a p i dd e s i g n ，p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y , m o d u l a r i z a t i o nt e c h n o l o g y , v i r t u a lr e a l i t y , s h i p l o a d e r , 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文储繇条髹篇 砷年弓月溯 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其它个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：录 砷年乡月 僳孱 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在市场经济条件下，市场竞争变得日益激烈，用户对产品质量，生产成本， 生产周期等方面都提出了更高的要求。随着计算机和互联网技术的发展，设计 制造业正朝着数字化、全球化、敏捷化方向发展，传统的机械设计模式已经不 能适应市场发展的需要。企业要想提高设计质量，缩短设计周期，这就需要对 现行的传统的设计方法进行更新。 在新产品的开发设计过程中，传统的“设计一分析一再设计”的设计模式 由于其重复劳动过多，效率低下以及容易出错，已经逐渐跟不上市场的要求。 因此，利用计算机高速发展的成果，用数字化设计代替人工设计工作的快速设 计方法正受到企业越来越多的重视。 装船机的设计人员在进行实际工程设计过程中发现：同一种类型的机器的 主要拓扑结构形式差别不大，设计每台机器时需完成的工作内容具有重复性， 尤其是主要钢结构的设计校核反复更多，成为整机设计的瓶颈。本课题基于现 代快速设计理论基础，开发针对于同一类型系列的“装船机智能快速设计系统”。 利用本系统对装船机进行开发设计，将极大的提高设计质量，缩短设计周期。 1 2 课题背景 1 2 1 科技与市场竞争引发设计革命 随着科学与技术的进步，电子、信息及自动化技术的广泛应用，使生产得 到了巨大发展，市场竞争亦变得愈来愈激烈。竞争推动着整个社会飞速前进， 同时给企业造成了严酷的生存环境。企业要力争在最短时间( t ) 内、消耗最少 的资金( c ) 、生产满足市场需求( q ) 的产品。市场的需求在不断变化，对产 品的结构、性能的需求越来越苛刻，从而使新产品的研制变得越来越复杂。然 而，产品的频繁更新对企业本身来说也带来一些问题：需要在再设计( r e d e s i g n ) 、 第1 章绪论 企业过程的调整( b p r ) 等包括设备改造及制造上不断投资，其中开发费用基本 上与时间成正比，即开发周期越长，投资越多。这种因素也促使企业采用各种 手段缩短产品开发周期。因此，世界各国的企业都面临着严重挑战：如何缩短 日趋复杂产品的开发周期以占有市场、并降低成本? 如何去适应快速变化的市场 需求，不断以高质量、低成本、快速开发新产品等手段，在竞争中求生存发展， 已成为企业共同追求的目彬1 1 。 然而传统的机械设计观念已经无法再跟上快节奏的市场变化，传统的设计 过程必须重复的进行修改设计和结构校核，并且很难预计到产品在生产装配、 实际运作过程中可能遇到的问题。任何一个只是停留在传统理论设计的企业， 将逐渐要被市场所淘汰。设计过程的更新替代不仅仅是观念的更新，更重要的 是要从设计手段、设计方法上去更新。先进的现代设计理论的发展正逐渐趋于 成熟，现代设计理论也越来越受到企业的重视。智能快速技术、虚拟设计等都 是由此而产生的先进设计技术方法。 装船机的设计任务不仅有新产品开发设计，而且生产过程中还有大量的根 据用户要求的变型设计和系列设计任务。传统的设计方法是凭借经验对新产品 进行“设计一分析一再设计 ，这种传统的设计方法虽有着光辉的过去，但却 存在着致命的缺点：首先不能保证这种设计是最优的，其次设计过程需要相当 长的周期。当前工业面临着市场全球化、制造国际化和品种需求多样化的新挑 战，能在最短的时间内开发出高质量、高性能的新产品是企业生存的关键，显 然传统的设计方法已经不再适应今天高科技社会发展的需要【2 1 。由此，本课题为 适应市场竞争需求，设计开发出一套装船机智能快速设计系统，并对其进行虚 拟仿真和干涉检验，由此来评估设计方案的优劣。应用此装船机智能快速设计 系统可以根据客户定制的要求，查询数据库罩的历史资料，利用参数化设计模 块进行参数检索、修改及再生，调用有限元分析模块进行结构核算，快速设计 出客户所需的装船机产品，大大提高了企业的市场竞争力。 1 2 2 现代产品设计技术的发展趋势 产品需求的多样化、复杂化、产品生命周期的缩短以及产品市场的全球化， 迫切要求产品设计和制造以最快的速度、最高的质量、最低的成本和最好的服 务来适应变化的市场需求，所以制造业的竞争也是围绕时间、质量、成本和服 2 第l 章绪论 务的竞争。在此背景下，现代产品设计呈现出模块化、参数化、数字化、智能 化、网络化等发展趋判3 1 。 ( 1 ) 参数化设计 参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已经定 义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。 参数驱动的方式便于用户修改和设计，用户在设计轮廓时无需准确的定位和定 形，只需勾画出大致轮廓，然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状，或 者只需将邻近的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改实现对产品的设 计。参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在快速设 计、概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构方针、优 化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现出很高的应用价值【4 】。 ( 2 ) 智能化设计 人工智能技术的发展与其在设计领域的应用使现代产品设计越来越呈现智 能化的特征，专家系统、基于知识工程( k b e ) 技术等人工智能技术在机械产 品设计领域的应用日益广泛。 ( 3 ) 数字化设计 随着计算机技术的飞速发展和c a d 软件的不断完善，设计过程的数字化己 成为现代产品设计的基本特征，计算机辅助设计的过程不仅用于数据处理、结 构强度分析、结构设计、动态仿真和系统优化，而且发展到动态三维图形可视 化和多媒体虚拟现实阶段；不仅用于产品方案设计、技术设计及分析评价，还 用于工艺过程仿真、全面质量管理、成本评估等，使研究开发和生产准备周期 大幅度缩短，成本下降。9 0 年代，波音公司率先在7 7 客机的开发中实现了无纸 化设计。可以预见，随着计算机技术和c a d 技术的进一步发展，数字化设计必 将成为设计者进行产品设计的基本形式。 ( 4 ) 模块化设计 现代产品设计的复杂性使任何部门或人员独立完成整个产品的设计越来越 困难，只有将产品划分为子系统，才能从根本上降低设计的复杂性，加快产品 的发展。同时，随着市场竞争的加剧，用户需求逐渐多样化，产品的生命周期 日益缩短，企业必须改变原有的大批量生产模式，转而采用与市场相适应的多 品种、小批量生产模式，从原有的以产品为单位的设计模式，转而采用模块化 的设计模式。 3 第1 章绪论 ( 5 ) 网络化协同设计 计算机网络技术的发展一日千里，其传输速度的提高、带宽的加大、覆盖 范围的扩大使协同设计、动态区域联盟、虚拟企业联盟等新的设计与制造模式 成为可能。不同部门、不同企业、不同地区甚至不同国家的企业或设计人员完 全可以为了一个共同的设计任务组织在一起，共同合作，交互协同，实现资源 共享，减少重复工作，最大限度地发挥各个企业和设计人员的优势，从而实现 优势互补，以最小的代价快速实现最好的设计。 本文主要对数字化设计、智能化设计和参数化设计技术进行研究，并把三 者联合应用于装船机的设计，创建装船机智能快速设计系统，并采用虚拟仿真 技术，对其进行实时漫游和干涉检验，以此完成对快速设计方案的评估。 1 2 3 智能设计系统的应用与发展 典型的传统设计过程是以设计师为主导完成的知识循环“迭代过程，可 以表示为“初始设计一评价一再设计”，即设计师根据实际要求，先进行概念 构思，制定出初步的设计方案；其次，利用各种技术( 如有限元、优化设计等 分析方法) 对方案进行评价和计算，实现详细的具体设计；最后，对结果进行 评价，当达到要求时，设计完成。当要求未达到时，修改设计方案，再进行第 二轮的设计，这样循环反复，直到满足要求为止。处于残酷的市场经济时代， 企业要想在市场中占有一定份额，必须对市场作出快速响应，缩短设计周期， 快速开发满足市场需求的新产品。实践证明，传统的产品开发过程，由于其开 发周期较长，不能快速响应市场的多样化的需求，在这样的环境下，基于现代 设计理论的智能快速设计应运而生，而智能快速设计系统作为快速设计的平台 也得到了长足的发展。 智能设计系统属于设计型的专家系统，其任务是根据给定的要求自动生成 所需要的方案或图形描述。智能设计( i d ，i n t e l l i g e n td e s i g n ) 的目的是利用计算 机全部或部分辅助代替设计师从事以上的整个设计过程，在计算机上模拟或再 现设计师的创造性设计过程。 科技和市场的发展，对智能设计系统的需求体现在越来越高的设计质量要 求，越来越短的设计周期要求；越来越复杂的设计对象及其环境的要求等三个 方面。随着科技的发展，智能设计系统呈现出以下特点【5 】： 4 第1 章绪论 ( 1 ) 以设计方法学为指导。智能设计的发展，从根本上取决于对设计本质 的理解，设计方法学对设计本质、过程设计思维特征及其方法学的深入研究是 智能设计模拟人工设计的基本依据。 ( 2 ) 以人工智能技术为实现手段，结合参数化技术、模块化技术和二次开 发技术，较好的支持设计过程自动化。 ( 3 ) 以传统c a d 技术为数值计算和图形处理工具，提供对设计对象的参数 化设计、有限元分析和图形显示输出上的支持。 ( 4 ) 面向集成智能化。不但支持设计的全过程，而且考虑到与c a m 的集成， 提供统一的数据模型和数据交换接口。 ( 5 ) 提供强大的人机交互功能。使设计师对智能设计过程的干预，即与人 工智能融合成为可能。 本课题就是基于现代快速设计理论，开发能快速适应市场需求的装船机智 能快速设计系统。该智能快速设计系统的开发充分利用参数化技术，对装船机 的关键尺寸进行参数化抽象，利用强大的人机交互界面进行参数输入，并存储 在数据库中以备参数调用。借助三维c a d 软件s o l i d w o r k s 提供的a p i 接口，调用 数据库中的参数化数据，用参数驱动s o l i d w o r k s 完成参数化建模，以满足产品方 案设计的需求。采用a n s y s 的a p d l 语言创建装船机的有限元结构分析模板，自 动调用数据库中的参数化数据，驱动a n s y s 命令流建模、结构分析并对分析结 果进行智能评价，最后再把数据库中的数据传递给虚拟仿真软件，利用其提供 的a p i 接口对装船机进行虚拟仿真并实时漫游，对产品设计进行干涉检验并对快 速设计方案进行评估。 1 3 课题的提出 据研究表明国内大多企业生产的产品8 0 以上新的产品是在现有产品的基 础上作少量修改( 如局部结构、尺寸大小等的修改) 而形成的。许多企业的设 计人员在进行实际工程设计过程中发现，许多产品的制图繁杂，而且要和其它 部分进行多方面协调。对于装船机来说，为了适应不同港口的需求，常常需要 针对不同的实际情况而设计不同形状尺寸与功能需求的装船机，在设计过程中 也常需重复修改，设计周期较长，而且容易出错。运用现代化智能快速设计技 术和虚拟仿真技术解决这类设计问题非常适合，很有用武之地。 5 第l 章绪论 通过使用该装船机智能快速设计系统，可以使企业在一个基本机型的基础 上，根据市场需求和企业的生产技术能力，较快地设计出该系列其他尺寸的产 品，满足用户的需求，延长产品的生命周期。因此，该装船机智能快速设计系 统不仅可以提高企业产品设计的快速响应能力，而且可以大大地减轻设计人员 的工作量，提高产品设计质量，缩短设计周期，降低设计成本，使得企业可以 对瞬息万变的市场做出快速响应，增加企业竞争力。 该装船机智能快速设计系统的开发具有以下意义： ( 1 ) 在传统的设计过程中，c a d 和c a e 的过程脱节，使得设计效率低下， 而本课题研究的装船机智能快速设计系统将两者在一个平台上同时实现，结构 紧凑高效。 ( 2 ) 有效地替代了设计人员的部分工作，大大缩短了产品设计时间，降低 了设计人员的工作强度，把设计师从重复性的劳动中解放出来，把更多精力放 在产品的创新设计上，从而提高企业产品的竞争力 6 1 。 ( 3 ) 对企业来说，可视化的操作界面可以降低对设计者的专业知识的需求， 这样就可以将有经验有能力的技术人员投入到更高层次的研究和开发工作中 去，以此继续提高企业竞争力。 ( 4 ) 经过智能设计系统生成的实体三维模型、有限元分析结果以及自动生 成的报告文件可以直接提供企业做方案设计使用，缩短了方案设计周期，并提 高了装船机设计的标准化程度。 ( 5 ) 基于通用c a d 系统来开发面向装船机行业的专用智能快速设计c a d 系 统，使该系统具备较强的行业产品设计能力。 1 4 本文的主要工作 装船机由于同一系列机型的基本形状及其拓扑结构大致相同，因此设计人 员在产品设计，特别是前期的方案设计大多采用基于原有同系列的装船机进行 经验仿形设计。经验设计是基于现存的装船机技术参数，根据产品需求先由设 计师提出概念设计，然后进行结构校核，若不满足要求，则再进行结构参数修 改，再进行重复校核，如此反复，最终得到满足产品要求的结构参数。但是由 于装船机同一系列产品繁多，设计人员在查询、修改、引用原有装船机的历史 数据等操作时存在很大的不便，并且对于任一种装船机装配体，其中包括的零 6 第1 章绪论 件多、结构复杂，对整体做有限元分析困难且耗时，而且重复的结构校核也浪 费了大量的时间。这些都极大的增大了装船机的产品开发周期，错过了最佳的 市场契机，不能快速的响应市场对产品的需求。坚持使用该产品设计开发流程 的企业，最终必因不能适应市场的竞争而被市场淘汰。 针对以上设计中出现的问题，本文从提高装船机的产品设计效率的现实意 义出发，探索出一套集成了设计流程、经验、规范的设计系统，辅助设计人员 进行装船机的智能快速高效设计，并且对产品设计数据资源进行有效的管理。 本系统基于s o l i d w o r k sa p i 的c o m 编程接口，对s o l i d w o r k s 进行二次开发：采用 v i s u a lc 抖语言和宏记录开发软件菜单和界面等关键技术，通过人机对话界面对 装船机进行参数化管理，将用户与系统连在一起，提高了系统功能的发挥和工 作效率，极大地方便了设计人员根据自身经验实时控制和修改整台装船机的设 计过程和进度。 本文的主要工作内容包括： ( 1 ) 研究市场经济下的现代产品设计技术，重点掌握基于模块化技术、参 数化技术和数字化技术的智能快速设计系统的开发技术；研究装船机智能快速 设计系统的开发技术流程，对系统进行模块化和参数化设计；研究计算报告的 快速自动生成技术，借助l a t e x 软件，结合结构设计结果快速自动生成装船机的 计算报告。 ( 2 ) 讨论分析装船机智能快速设计系统的技术支持平台，通过对比选择最 佳的系统开发工具。 ( 3 ) 学习虚拟现实技术，利用虚拟仿真软件，对装船机整机进行视景仿真， 实时漫游和整机干涉检验，以此来评估快速设计方案。 ( 4 ) 研究可视化交互界面技术与数据库技术，将装船机的各模块整合成智 能设计系统，利用数据库进行内部数据的传递，并编写可视化交互界面实现真 j 下的人机交互。 1 5 章节安排 绪论简要地介绍了现代产品设计技术的发展、智能设计系统的发展、本课 题的背景、研究内容以及本课题的意义。 第2 章首先是对装船机的产品概述，指明产品设计过程中存在的问题并提出 7 第1 章绪论 初步解决方案；其次，具体阐明装船机智能快速设计系统的整体开发思想以及 开发过程；最后详细介绍了该系统的整体结构、功能以及特点。 第3 章详细介绍系统开发的技术支持系统，并通过对比分析的方法，确定系 统开发所需的最佳开发工具。 第4 章详细介绍系统各模块的实现功能、开发关键技术，并以装船机为载体， 对其进行各功能模块的开发设计，最后将各模块整合为快速设计系统；利用数 据库进行参数传递，编写可视化交互界面实现人机交互；利用l a t e x 技术结合设 计结果自动快速生成设计计算报告。 第5 章阐述虚拟现实技术，利用虚拟仿真软件，对装船机整机进行视景仿真， 实时漫游和整机干涉检验，并以此评估快速设计方案的优劣。 第6 章以6 0 0 0 吨d , 时装船机为对象，开发了该装船机智能快速设计系统原 型，论证了该装船机智能快速设计系统的可行性与快速性。 第7 章对课题的研究和成果进行总结，并且对此设计方法进行展望，提出未 来可以进一步研究的方向。 8 第2 章系统整体思路和框架结构设计 2 1 引言 第2 章系统整体思路和框架结构设计 装船机是用于散料码头装船时使用的大型散料机械。一般装船机由臂架、 臂架皮带机，过渡皮带机，伸缩溜筒、尾车、走行装置、门架、塔架、俯仰装 置等组成、部分机型还有回转装置。装船机在港口散货作业中起着非常重要的 作用，但由于世界上各大港口的水文、气候、装配要求等的不同，对装船机的 设计要求也完全不同。因此，装船机的设计具有产品繁杂化的特点。 2 2 装船机的产品设计及存在的问题 2 2 1 装船机设计过程分析 通常装船机的一般设计过程可以表示为 ( 图2 1 ) ： ( 1 ) 根据客户提出的产品要求，如工作 载荷、机器尺寸、装载能力、工作风载参数初 步确定装船机机型，得到一个粗略的方案设 计，向客户报价，参与产品竞标。 ( 2 ) 根据与客户签订的技术协议的要求， 进一步确定装船机的结构，完成装船机的总体 方案设计。 ( 3 ) 完成装船机钢结构l ：l 设计图， 得到总体结构尺寸数据，然后进行装船机钢 结构强度校核分析，确定装船机总体结构。 图2 1 装船机设计过程 f i 9 2 1d e s i g np r o s e s so fs h i p l o a d e r ( 4 ) 设计具体的零部件，完成相关零部件的工艺图纸。 ( 5 ) 在进行装船机钢结构设计的同时，还要设计电气房、配重、梯子平台 等配套部件，最后完成设计报告书。 9 第2 章系统整体思路和框架结构设计 由于现阶段设计人员使用的主要是二维c a d 设计软件，在设计效率和设计 速度上存在的主要问题有： ( 1 ) 在向客户报价竞标阶段，不能快速地得到产品的主要结构参数，使得 报价的准确性、合理性得不到保证，从而丧失了竞争优势。 ( 2 ) 在设计过程中，二维模型不能进行干涉检查，无法做到视图间的尺寸 关联驱动，可能导致不必要的错误，降低了设计效率。 ( 3 ) 二维制图工作繁杂，速度慢，延长了设计周期。 由于上述原因，使得设计速度慢，周期长，设计效率不高，特别是在以上 各步骤中，以步骤3 、4 所需的时间最多，几乎占了设计周期的8 0 ，己远远不 能满足要求，迫切需要寻求新的设计工具和设计方法来缩短设计周期。 2 2 2 装船机设计存在的问题与解决 目前，随着市场经济的进一步深化，散货运输设备的生产方式基本以合同 型生产为主的方式。合同型方式生产的产品必须按用户的特殊要求进行开发设 计，如果按传统的设计制造方式必然会产生几方面的问题 7 1 ： ( 1 ) 设计制造周期难以跟上市场需求。 ( 2 ) 用户对产品性能和工艺水平要求同益提高，但由于时间的紧迫导致产 品技术含量难以提高，甚至质量难以保证。 ( 3 ) 合同产品由于数量不多生产效率不高而使成本提高。 因此，面临市场大潮的冲击，装船机设计行业要继续生存和发展，必须提 高对市场变化的适应能力。 另一方面，在装船机设计中，同一系列装船机的设计一般是在原有的装船 机模型的基础上，根据客户的不同需求进行变参数仿型设计，即在已有同一系 列成熟装船机的基础上，运用相似理论进行改变其零件设计参数的装船机的仿 型设计。因此，可以有效的利用已有的装船机信息资源，实现快速设计、参数 化设计，以减少装船机设计工作量，迅速响应市场对同一类装船机不同性能的 需求，而且有利于新型装船机开发与研制。 现代c a d 软件的出现和现代设计方法如：参数化设计、数字化设计、智能 化设计、模块化设计、网络化协同设计等设计理念与设计方法有了迅猛的发展， 装船机的设计方法也同益成熟。科学技术的发展使传统的设计方法j 下在为现代 第2 章系统整体思路和框架结构设计 设计方法所取代，参数化设计就是在现代设计方法发展中出现的一门新技术， 是在标准化理论的基础上引入系统工程原理的一种创新设计方法。而基于系统 工程思想的模块化设计，体现了标准化系列化理论的思想。参数化产品通过标 准的结构模块与功能设计模块的组合，由先进的计算机辅助技术作依托，解决 了标准与定制要求的矛盾，有较强的灵活性和通用性，极大地提高了设计效率 和设计质量。 总之，散货运输行业中客户的定制合同越来越多，要求设计周期越来越短。 原来由设计人员人工设计修改机型的设计方法已经不能满足目前的市场要求。 纵观装船机的设计过程，绝大多数的设计都是参数改变的过程，这些尺寸和特 征的改变都是可以根据一些主参数变化而进行改变的，因此研制与开发先进的、 智能化的装船机设计系统已迫在眉睫。 本论文正是在这种情况下，利用目前先进的c a d 软件s o l i d w o r k s2 0 0 6 、 快捷的数据库软件一a c t e s s2 0 0 3 ，使用面向对象编程语言- v i s u a lc + + 6 0 研制 开发了装船机智能快速设计系统。装船机设计人员只要在该系统的人机交互界 面中输入产品设计的结构尺寸信息、载荷信息、载荷组合信息、计算要求等信 息，该系统的各功能模块就能自动从数据库管理系统中调用所需参数数据完成 各功能模块的预定功能：结构分析模块能自动快速的进行结构校核、参数建模 模块完成整机的参数化三维建模，以备方案设计适用。系统最后将自动输出结 构计算结果，并结合结构计算数据，利用l a t e x 技术自动快速生成计算报告， 以此辅助装船机开发人员完成装船机的智能快速设计，快速响应市场需求，提 高散货运输机械开发企业的市场竞争力。 2 3 系统的整体开发思想 2 3 1 基于快速设计思想的系统开发 快速设计也称快速响应设计、敏捷设计。快速设计技术是当前市场在对产 品多样化、瞬变性等需求的形势下提出并发展起来的。当前国际市场需求快速 变化的特点和2 l 世纪更加个性化的市场趋势，使产品投放市场的时间同益成为 决定产品竞争力的重要因素，促进了快速设计技术的发展。1 9 9 2 年6 月，在c i r p 国际会议上正式提出并行工程技术，在此基础上发展成旨在缩短产品设计周期 第2 章系统整体思路和框架结构设计 的快速设计技术( r a p i dd e s i g nt e c h n o l o g y ；r d t ) 。美国a u t o f a c t 9 6 以“快 速设计与制造 为主题进行了专题讨论，同时，各国纷纷掀起了“快速设计 理论、方法研究的热潮。1 9 9 8 年，我国机械工程科学基金会开始对“快速设计” 进行立项，一些大学与研究机构开始了对“快速设计理论的研究瞵】。 产品快速设计是一种新的哲理，与计算机集成制造( c i m ) 、精良工程( l p ) 、 并行工程( c e ) 和敏捷制造( a m ) 相比，产品快速设计的主要目的是缩短产品 的设计周期，提高产品设计质量，以及提高企业对市场的快速响应能力【9 】【1 0 】。与 c i m 、l p 等不同，产品快速设计与制造并没有将其解决问题的范围扩大到企业 的整个生产领域，而只是将重点放在缩短产品的设计开发周期上，尤其是总体 结构和工艺设计方案阶段，以提高产品一次开发成功和快速响应市场的能力。 之所以如此，主要原因在于以下两个方面： ( 1 ) 制造企业的许多产品须按照客户的特殊要求进行开发。据统计，有些 企业的设计开发周期甚至超过产品整个生产周期的6 0 ，造成产品的交货期过 长，使企业失去了很多客户。如果为了保证产品交货期的要求而压缩制造时问， 将会影响产品的制造质量。 ( 2 ) 产品设计开发阶段是降低成本的重要环节。根据德国机械工程帅协会 ( v d i ) 对企业的调查。虽然产品的设计开发成本通常仅占产品生产成本的6 ， 但对产品总成本的影响却在6 0 以上。原因在于，制造必须依据设计来进行， 产品的设计决定了产品的工作原理、结构、尺寸、材料及性能要求等，这些因 素都对产品的成本有很大影响【1 1 】。 本文为了缩短装船机产品开发周期，基于快速设计理论，通过s o l i d w o r k s 提供的a p i 接口，以插件的形式对s o l i d w o r k s 进行二次开发，丌发装船机智能 快速设计系统；同时，创建装船机设计参数、图形模型的数据库管理系统，用 于存储该系列机型装船机的历史设计数据，构建完善的该系列机型装船机图形 管理数据库。在开发该系列装船机新产品时，用户只需启动该装船机智能快速 设计系统，提取数据库中的历史模型参数，在系统友好的参数输入界面中输入、 修改相应参数数据，并提交给系统，该系统的相对应功能模块就结合参数数据， 快速自动完成装船机结构核算和参数化三维建模，并自动快速生成计算报告书， 极大的缩短了新产品的开发时问。因此，整个装船机智能快速设计系统的开发 都是基于现代快速设计理论，借助于数字化技术、参数化技术和智能化技术完 成对装船机新产品的快速设计，缩短产品开发周期。 1 2 第2 章系统整体思路和框架结构设计 2 3 2 系统的总体设计及开发过程 传统的装船机的设计过程如下：首先，根据项目任务书要求，完成整机的 系统布置。据此，产品绘图人员进行产品金属结构图纸的绘制；然后，图纸绘 制初步完成后提交结构分析人员，根据适当的分析要求对金属结构及其附件进 行分析；最后，对分析结果进行评估，如果满足设计要求，完成图纸设计后可 投入制造；如果不满足设计要求，设计人员需要修改图纸后，重新提交结构分 析，直至结构分析满足要求。装船机智能快速设计系统要实现快速设计，就是 要将传统设计过程进行总结和分析，从过程中找到可以加速设计的地方。 为了实现高效、简便、准确地进行装船机的钢结构整体设计，直观、形象、 快速地完成设计过程，装船机智能快速设计系统拟作如下总体设计方案： ( 1 ) 根据客户的设计需求，分析装船机金属结构特点，将装船机主要结构 变量参数化，创建参数变量数据库，方便数据的存储、传递。 ( 2 ) 创建有限元自动分析模块。该模块调用数据库中的参数数据，对装船 机钢结构进行参数化建模，并进行有限元分析，结果数据存储于数据库中以便 客户查询调用。分析结束后，结果数据采用动态显示的方式展现给客户，并利 用l a t e x 技术，自动快速生成设计说明书。 ( 3 ) 创建装船机三维c a d 参数化建模模块。该模块调用数据库的参数数 据，实现装船机三维c a d 参数化建模，以满足客户进行方案设计的需要。 ( 4 ) 装船机的虚拟仿真与实时漫游。基于虚拟现实技术的应用，利用虚拟 仿真软件对装船机进行虚拟仿真和进行在线实时漫游，并以此对装船机进行干 涉检验和产品设计方案的评估。图2 2 为装船机智能快速设计系统的开发过程： 7 一一阶段、 厂 7 ，l “”o “ 一 、 装装装船 装船机 机智 船 船 装船智能快用户编 机机能快 设 卜、 总二 机结 入 速设计 卜 交互八程 卜、 速设 计 。 构参 系统各 界面 实 体计系 要设 数化 功能模 设计现 统测 求计 块设计 试 、 ， 图2 2 装船机智能快速设计系统的开发过程 f i 9 2 2d e s i g np r o s e s so fi n t e l l i g e n ta n dr a p i dd e s i g ns y s t e mo fs h i p l o a d e r 1 3 第2 章系统整体思路和框架结构设计 这个装船机智能快速设计系统功能的实现需要用到以下这些关键技术： ( 1 ) 参数化技术应用与快速设计 参数化设计是快速设计中的关键技术之一，它是一种基于约束的产品建模 方法，它用约束来描述产品的形位特征，将设计要求、设计原则、设计方法和 设计结果用参数来表达，根据参数的调整来实现尺寸对图形的控制，快速地生 成满足客户不同要求的不同产品的技术。参数化的设计首先是要从原有的图形 中提取特征参数，同时要确定参数间的联系与驱动关系。 参数化技术对于结构变化不大的产品来说更具有实用性。由于装船机也属 于结构形式变化小的产品，因此在该装船机智能快速设计系统中也充分利用了 参数化技术，在同一系列的装船机中，将经常变化的一些结构，比如跨距长度、 桁架数量和宽度、轮距、轨距、梁的截面形式等等参数化，使之成为设计系统 中的变量来进行控制。将装船机的设计参数化以后，就大大的降低了设计的复 杂性，提高了设计的效率，并且参数化为变量后，便于用程序进行修改控制。 也正是根据装船机参数化后的那些参数，才能对装船机智能快速设计系统的数 据库系统进行设计，对参数驱动的模型进行结构分析。整个装船机智能快速设 计系统都是以参数化方法为前提的。图2 3 为装船机参数化的过程【l 引。 图2 3 装船机参数化的过程 f i 9 2 3t h ep a r a m e t e r i z i n go fs h i p l o a d e r ( 2 ) 分析在前建模在后的设计思路的应用 现代产品研发流程中，通常先使用c a d 建模，再根据c a d 模型做建模分 析。因此，传统观念中，c a e 分析理所当然是后端工作。但在最先进的机械产 品研发流程中，c a e 分析逐渐成为c a d 的“先行”技术，在新产品设计周期里， c a d 付诸实现之前，c a e 已经开始行动了。 c a e 分析过程，包括结构分析、机构仿真分析等，用的模型信息和实际投 入生产制造的图纸信息的差异性，使得分析过程“前置”成为可能。先从概念 1 4 第2 章系统整体思路和框架结构设计 化的产品中抽取对分析有用的模型信息，以此来构建分析模型，对分析模型进 行分析或仿真，结果通过后再完成正式工程图纸。这种分析在前建模在后的设 计思路，不仅可以大大减小了“设计一分析一重设计 过程中设计者的重复劳 动工作量，减轻设计师的工作负担，而且由于分析模型的修改比c a d 模型简单， 使得产品的设计更具备灵活性。 在装船机的结构分析中，根据其金属结构的特点，在有限元计算时，有限 元模型多为梁模型，结构简单，建模快速，无需依赖于完整的二维图纸，因此 可以应用分析在前建模在后的设计思路，将绘图过程放入整个设计过程的最后 一步，图2 4 为传统的设计思路和新设计思路使用后设计过程的比较。 设计图纸n 结构n 设计图纸h l 结构 第l 版m 计算m第2 版m 计算 设计图纸l j l 结构l n 计算通过 第1 3 版m 计算m 图纸定稿 图2 4 a 传统的设计思路 f i 9 2 4 at r a d i t i o n a ld e s i g nm o d e l 结构计算 结构计算 j 结构计算结构讣算j 建模 1 出图 v l 1 v 2 v 3v n 图2 4 b 分析在先建模在后的设计思路 f i 9 2 4 bt h ed e s i g nm o d e lo fa n a l y z i n gb e f o r em o d e l i n g ( 3 ) 二次开发技术的应用 c a d 软件的出现使产品设计的绘图速度有了一次大幅度的提升，在这样的 背景下，要想继续提升绘图速度，就必须再一次提高绘图的自动化程度，更大 程度的发挥计算机的优越性。c a d 软件的二次开发技术，可以使用户根据自身 需要对c a d 软件进行用户化的定制，它可以开发出面向产品的可视化的交互界 面，也可以实现一系列用户事先设定的操作。这样，就可以通过二次开发的方 法，输入规则和参数，实现自动建模。 在本装船机智能快速设计系统中