塔式起重機CAD整體信息模型體系研究

 

    關鍵詞　塔式起重機　CAD　整體信息模型　整體協調性

 

    建筑機械CAD技術在國內正逐步得到應用。對塔式起重機來說，其產品開發目前仍以傳統設計方法為主。雖然塔式起重機局部設計已采用CAD方法，但其總體布局優化、整機性能規劃、各主要部件優化、運動的約束分析、結構強度和剛度優化設計與計算、可靠性分析與計算、人機工程及模型試驗等總體性問題，CAD技術研究尚較少。筆者對塔式起重機CAD整體信息模型進行研究。

 

    1　整體信息模型結構與功能

 

    根據廣義優化設計理論，筆者構造的塔式起重機設計軟件系統結構見圖1。

 

    圖1　塔式起重機CAC整體信息模型軟件系統結構

 

    1.1　主系統

 

    主系統用于整體信息模型的管理與控制，對各部分信息中相關信息進行處理與傳輸。如在塔式起重機的性能參數輸入后，訪問模型庫，獲得產品結構型式；通過接口調用計算軟件包（有限元計算等），或當過程設計結果出現矛盾時，根據重要性等級進行判別和合理取舍；在外觀設計或結構設計時，出現與性能參數控制下的配套件選擇結果相矛盾時，服從性能參數作用的結果，或提出改進意見。在設計過程中，隨時可進行相關訪問和數據調用，以保證設計的合理性，減少設計失誤，節約時間，提高設計質量。

 

    1.2　資源庫

 

    資源庫向系統提供塔式起重機產品信息和數據。模型庫貯存塔式起重機的結構型式和現有產品的成套設計圖形與技術文件；數據庫儲存塔式起重機產品的相關數據，如國家標準、設計用標準數據、常用外購件數據等，以及已開發產品和正在開發產品所需的各種基本數據；知識庫是為了便于設計人員掌握塔式起重機行業發展動態建立的產品信息庫，如塔式起重機各部分工作原理、結構組成、名詞術語、行業技術情報資料等；優化方法庫提供常用的優化設計方法，用于產品的造型、結構、運動分析及局部模型等的優化；專家系統庫對開發的產品進行高層次評價，計算出設計產品的可靠性指標，按國家標準和行業標準進行全方位驗收和考核，提出問題和改進措施，針對生產過程中可能涉及到的工藝問題給出適當的對策。對系統的資源庫可以通過接口隨時補充和修改，以便于掌握行業動態，適應行業發展和標準更新，吸納國內外其他產品優點，保持系統的先進性。

 

    1.3　接口

 

    圖形的輸入和輸出功能可向系統錄入圖形模型、外購件模型等，也可與繪圖機相連以輸出產品的設計文件和工藝文件圖等。計算軟件包的調用可在設計過程中的任一時刻進行，既有大型的有限元計算分析程序，也有塔式起重機設計計算中涉及到的各種專門化計算軟件。同時，可對最終設計的產品進行模擬試驗和產品性能測試。試驗結果可直接輸出，也可送至專家庫進行分析、審定。

 

    2　系統建模技術問題

 

    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對塔式起重機設計、生產制造的信息資料分析對比，合理歸類，列出每一任務之間的流向清單，建立整體模型；②由各種任務抽象出整機布局，確立功能設計、造型設計的技術路線，定義零部件自身的設計特征和設計變量；③劃分信息實體、確立信息實體之間的關系，這一部分除了用語言描述外，應盡可能實現量化計算；④定義信息屬性；⑤排列出信息的空間結構。

 

    信息空間在縱向平面內的層次采用塔型結構：最低層為各種信息層；節點層為各階段各層次結構模型層；最高層為塔式起重機CAD整體信息模型（見圖2）。

 

    圖2　縱向平面信息塔型結構圖

 

    2.2　系統信息分解與綜合

 

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

 

    系統信息用信息相關系數來區分控制信息與相關信息：全相關時為1，獨立時為0，其他情況用0～1之間的相關系數表示。

 

    (2)信息綜合關系　在塔式起重機CAD過程中，信息綜合主要是處理各種信息的制約關系，以分清主次，尤其是出現在某一約束下，一部分設計任務與另一部分設計任務存在矛盾或干涉時而決定取舍，從而達到整體設計的高度協調。為了保證這種信息協調關系，在信息關系確定后，獨立信息可直接處理，相關信息則按信息關系取大原則從大到小，順序處理設計流程中的信息，取大原則優先考慮重要的、相關系數大的信息。

 

    令塔式起重機CAD整體信息中全部信息的總體論域為U，論域U的元素分別用x1,x2，…，xn表示塔式起重機設計過程中的各種信息。信息相關重要性分為“極重要、非常重要、相當重要、比較重要、略重要、稍微重要、不重要”。對應的系數分別為1、0.9、0.8、0.7、0.5、0.3、0。由此，可用關系矩陣來處理信息［2］。

 

    建立關系矩陣便于信息的查詢。信息處理控制規則由條件語句來描述。最終按“取大原則”，優先考慮相關系數大的情況。這種模糊控制的思想比較符合設計人員的傳統習慣。

 

    3　軟件研制與應用

 

    塔式起重機CAD整體信息模型以計算機為核心，硬件配置選用現行的通用設備。軟件包括圖形處理、數據計算、信息處理、優化設計及專家系統等。對于塔式起重機這種專業產品，除了采用有限元分析程序、常用的優化程序、CAG等軟件外，大多數軟件是結合塔式起重機產品專門開發和研制的，由各部分程序匯集成整體系統。

 

    本課題的開發應用首先選擇了QTZ200型塔式起重機作為應用研究對象。考慮到數據共享及其適應性，系統設計時，主系統、接口以及資源庫部分內容并不局限于QTZ200型塔式起重機，同樣適用于同類型其他系列產品的開發應用。模型庫中建立了4種塔式起重機模型，圖形豐富。根據設計要求，QTZ200型塔式起重機性能參數可通過人機界面以對話方式錄入，部分基本參數見表1。

 

    在總體性能參數要求下，設計過程中錄入系統所需其它結構參數變量。系統運行后的結果與行業標準JG/T5037《塔式起重機分類》中對該機型要求相比，具有明顯的優越性。按國標GB9462《塔式起重機技術條件》中分等規定，其自重系數、能耗系數和作業空間系數3項考核指標均優于現有優等品的規定。其主要性能指標優于處于國內領先水平的同類機型，接近QTZ250型塔式起重機性能指標。