關鍵詞　塔式起重機　CAD　整體信息模型　整體協(xié)調(diào)性

 

    建筑機械CAD技術(shù)在國內(nèi)正逐步得到應用。對塔式起重機來說，其產(chǎn)品開發(fā)目前仍以傳統(tǒng)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(yōu)化、整機性能規(guī)劃、各主要部件優(yōu)化、運動的約束分析、結(jié)構(gòu)強度和剛度優(yōu)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(shù)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(jié)構(gòu)與功能

 

    根據(jù)廣義優(yōu)化設計理論，筆者構(gòu)造的塔式起重機設計軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

 

    圖1　塔式起重機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(shù)輸入后，訪問模型庫，獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式；通過接口調(diào)用計算軟件包（有限元計算等），或當過程設計結(jié)果出現(xiàn)矛盾時，根據(jù)重要性等級進行判別和合理取舍；在外觀設計或結(jié)構(gòu)設計時，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，服從性能參數(shù)作用的結(jié)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(shù)據(jù)調(diào)用，以保證設計的合理性，減少設計失誤，節(jié)約時間，提高設計質(zhì)量。

 

    1.2　資源庫

 

    資源庫向系統(tǒng)提供塔式起重機產(chǎn)品信息和數(shù)據(jù)。模型庫貯存塔式起重機的結(jié)構(gòu)型式和現(xiàn)有產(chǎn)品的成套設計圖形與技術(shù)文件；數(shù)據(jù)庫儲存塔式起重機產(chǎn)品的相關數(shù)據(jù)，如國家標準、設計用標準數(shù)據(jù)、常用外購件數(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)；知識庫是為了便于設計人員掌握塔式起重機行業(yè)發(fā)展動態(tài)建立的產(chǎn)品信息庫，如塔式起重機各部分工作原理、結(jié)構(gòu)組成、名詞術(shù)語、行業(yè)技術(shù)情報資料等；優(yōu)化方法庫提供常用的優(yōu)化設計方法，用于產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)、運動分析及局部模型等的優(yōu)化；專家系統(tǒng)庫對開發(fā)的產(chǎn)品進行高層次評價，計算出設計產(chǎn)品的可靠性指標，按國家標準和行業(yè)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(chǎn)過程中可能涉及到的工藝問題給出適當?shù)膶Σ摺ο到y(tǒng)的資源庫可以通過接口隨時補充和修改，以便于掌握行業(yè)動態(tài)，適應行業(yè)發(fā)展和標準更新，吸納國內(nèi)外其他產(chǎn)品優(yōu)點，保持系統(tǒng)的先進性。

 

    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、外購件模型等，也可與繪圖機相連以輸出產(chǎn)品的設計文件和工藝文件圖等。計算軟件包的調(diào)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(chǎn)品進行模擬試驗和產(chǎn)品性能測試。試驗結(jié)果可直接輸出，也可送至專家?guī)爝M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對塔式起重機設計、生產(chǎn)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(shù)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(xiàn)量化計算；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)點層為各階段各層次結(jié)構(gòu)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(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，將所有信息分解為獨立信息和關聯(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,……，一級功能塊信息分別用一位數(shù)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(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)信息用信息相關系數(shù)來區(qū)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(shù)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(xiàn)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(xié)調(diào)。為了保證這種信息協(xié)調(diào)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(yōu)先考慮重要的、相關系數(shù)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(shù)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(guī)則由條件語句來描述。最終按“取大原則”，優(yōu)先考慮相關系數(shù)大的情況。這種模糊控制的思想比較符合設計人員的傳統(tǒng)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(xiàn)行的通用設備。軟件包括圖形處理、數(shù)據(jù)計算、信息處理、優(yōu)化設計及專家系統(tǒng)等。對于塔式起重機這種專業(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)應用首先選擇了QTZ200型塔式起重機作為應用研究對象?？紤]到數(shù)據(jù)共享及其適應性，系統(tǒng)設計時，主系統(tǒng)、接口以及資源庫部分內(nèi)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(chǎn)品的開發(fā)應用。模型庫中建立了4種塔式起重機模型，圖形豐富。根據(jù)設計要求，QTZ200型塔式起重機性能參數(shù)可通過人機界面以對話方式錄入，部分基本參數(shù)見表1。

 

    在總體性能參數(shù)要求下，設計過程中錄入系統(tǒng)所需其它結(jié)構(gòu)參數(shù)變量。系統(tǒng)運行后的結(jié)果與行業(yè)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(yōu)越性。按國標GB9462《塔式起重機技術(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項考核指標均優(yōu)于現(xiàn)有優(yōu)等品的規(guī)定。其主要性能指標優(yōu)于處于國內(nèi)領先水平的同類機型，接近QTZ250型塔式起重機性能指標。