基于廣義模塊化的半掛油罐車快速設計系統的開發研究

王金剛，崔志成，劉立忠，趙 嫻

WANG Jin-gang，CUI Zhi-cheng，LIU Li-zhong，ZHAO Xian

（河北工業大學，天津 300130）

0 引言

近年來，專用車特別是半掛車產業發展迅速，無論是企業數量還是半掛車產量同比都有很大提高，而新產品研發方面卻發展緩慢，迫切需要一種新技術。在這種背景下，“快速響應工程”[1]的概念被提了出來，其中包括：快速獲取市場動態需求信息并做出決策，對產品進行快速響應設計，加快新產品的快速試制定型，并建立快速響應制造的生產體系，其中快速設計是最重要的環節。快速設計已經成為現代設計理論的熱點問題。目前開展快速設計的技術主要有：快速原型技術、并行設計技術、變形設計技術、虛擬設計技術、模塊化設計技術等[2]。其中，模塊化設計技術是當前運用的主流技術。

傳統的模塊化設計方法如圖1所示。這種方法通過設定已有模板中各項參數，建立三維模型，從而實現快速設計。這種方法的優點是開發周期短，研發成本低，可以迅速完成單一產品的設計，缺點是設計產品結構單一，產品結構同質化，新模塊開發緩慢，研發周期長，成本高。但對于半掛車這類特種機械產品，其結構沒有明顯的系列化的分級特性，且模塊結構不同使用工況，在不同載荷情況下都會有所不同，在設計時應采用一種模糊的廣義的模塊化設計方法。

1 半掛油罐車模塊化設計

廣義模塊化設計的基本思想是把優化設計和模塊化設計相結合，引入參數化設計和變量化分析技術，使傳統模塊成為具有參數化結構模型和接口特征的廣義模塊，使廣義模塊組合技術下的整機CAE分析實現產品快速設計的一種方法。

圖1 基于模型樣板的參數化建模

廣義模塊化設計目的是使產品設計能根據市場需要進行快速響應，修改參數得到最優的模塊結構，并通過模塊組合產生最優的產品。因此，廣義模塊的劃分、模塊參數的選擇和模塊數據庫的建立是影響廣義模塊化設計的一個重要因素[3]。廣義模塊化與傳統模塊化相比，具有更好的兼容性，可以把具有相同模塊接口和相關功能的部分劃分為一個模塊，如果內部在結構上有沖突，可以在模塊模板的實例化時再進行考慮。

1.1 設計特點

由于半掛油罐車必須滿足一定的使用要求，尤其是對罐體的質量有嚴格的要求。因此半掛車的設計要達到一定的精度，以確保在使用過程中罐體不會出現大幅度的低頻振動，從而影響使用壽命，這需要進行嚴格的理論計算和后期的有限元分析[4]。在保證半掛油罐車質量的同時，還要達到對半掛油罐車的產品系列化、分級化，這就需要改進傳統意義上的模塊化，以適應產品的互換性要求。因此，在半掛油罐車的模塊化設計中，需要解決一下問題：1）如何解決模塊劃分，以及通用性問題；2）如何讓不同模塊相互組合，已達到效能最大化的問題；3）如何解決模塊接口問題，已達到各部件無縫連接問題。針對以上問題，本文在快速設計系統開發過程中，主要應用廣義模塊化設計理論。

1.2 結構劃分

根據半掛油罐車的結構特點，在模塊劃分對其進行結構分類，可以讓快速設計系統在模塊劃分時更精確[5]，如圖2對半掛油罐車的主要部件進行分類，并使之參數化，得到各個部件的典型參數，在以后進行模塊化設計是能提供方便。

圖2 半掛油罐車模型結構劃分

1.3 模塊劃分

由于半掛油罐車結構的特殊性，很難實現模塊的完全通用化。所以模塊劃分時應遵循以下原則：1）在同一半掛油罐車產品平臺下，模塊的劃分應有相對統一的標準規范；2）適量減少產品所包含的模塊數，簡化模塊本身的復雜程度，避免混亂；3）以有限的模塊數獲得盡可能多的產品組合方案，已達到用戶需求；4）模塊本身具有一定的獨立功能且結構完整；5）模塊間的鏈接部件應便于組裝和拆卸。6）模塊劃分時應考慮部件精度和剛度要求；7）模塊劃分時應考慮制造工藝性和經濟型。

根據上述原則，把半掛油罐車的結構特點和基本功能作為模塊劃分的第一考慮因素，劃分時保證同一產品平臺下零部件分類要保持一致，再利用半掛油罐車的輔助分類方法，進行模塊化的劃分，如表1所示。

2 快速設計系統的開發

2.1 總體結構

在對半掛油罐車進行模塊化分以后，就要對車的每個零部件進行參數化設計。在快速設計系統中，參數化模型可以表現整體和各個部件的典型特征，只需改變摸個參數，就可以得到所需要的模型，所以建立一個參數化的模型數據庫，并在此基礎上進行設計，就可以提高設計的速度[6]。對半掛油罐車快速設計系統的設計流程圖如圖3所示。

圖3 半掛油罐車快速設計系統流程圖

圖4 半掛油罐車快速設計系統體系結構圖

2.2 系統框架結構

半掛油罐車快速設計系統的體系結構如圖4所示。系統分為三個層，處于上層的是與用戶進行交流的用戶界面；中策的系統功能層，有三位模型分系統、材料選擇分系統、零件選擇相似性判別分系統、質量可行性檢驗分系統四部分組成；底層是以模板庫和部件庫組成的半掛油罐車參數化數據庫，提供資源調取、儲存、查詢服務。

2.3 系統開發

半掛油罐車快速設計系統采用UG軟件的二次開發功能。UG/OPEN包括四種接口：UG/OPEN API、UG/OPEN UIStyler、UG/OPEN Grip和UG/OPEN MenuScript，其中UG/OPEN API是UG與外部應用程序間的接口，功能很強大，通過編程用戶幾乎能實現所有UG功能，通過C語言編程，使用戶能夠控制和訪問UG，讓應用程序模塊和UG程序無縫連接。如圖5是快速設計系統的系統界面。

圖5 快速設計系統界面

在開發程序時，在C++下建立UG/OPEN的模塊接口的開發環境，在UG/OPEN中設定的數據是UF_STYLER_item_value_type_p_t結構體數據類型，對其設定的部分程序代碼如下：

3 快速設計系統應用實例

以一個承載40噸運輸汽油的半掛油罐車為例，將其劃分為油罐、車架、懸掛和防波板布置情況，共四個模塊，通過從數據庫提取模板和部件，罐體采用數據庫中已有模板（如圖6a所示），車架按照用戶要求輸入特征數據：車架大梁參數為腹板厚5mm；下翼板寬度140mm，厚度8mm（如圖6b所示）；其余數據由快速設計系統自行計算獲得，這里就不列舉了（如圖6c所示）。

圖6 半掛油罐車部件參數化建模

各部件配置完畢后，經過模塊組合，生成三維模型（如圖7所示），然后最后將模型導入模板庫，自定義產生的新部件導入部件庫。最后將三維模型導入有限元軟件進行檢驗，檢測其是否達到設計要求。

圖7 40T半掛油罐車設計完成圖

4 結論

本文論證了廣義模塊化的方法在半掛油罐車中的應用，并以此為基礎設計了半掛油罐車快速設計系統，和傳統方法相比，簡化了設計流程，提高了生產效率，降低了研發成本，使油罐車的設計方法提高了一個理論高度。但由于時間有限，該系統還有很多不足，如數據庫中提供的模板較少，零部件自定義設計過于繁瑣等，這是在以后的開發中，需要解決的問題。

[1]王永娟,趙軍,鐘遠龍.自動武器廣義模塊化快速設計研究與系統開發[J].兵工學報,2008,（4）：390-395.

[2]韋俊民,金隼,來新民,林忠欽.面向大規模定制的結構件標準化方法研究[J].中國機械工程,2007,（5）：1047-1051.

[3]吳衛東,廖文和.構建機械類產品快速設計系統的關鍵技術研究[J].機械設計與制造,2008.（4）：200-202.

[4]徐鴻翔.基于GT的過程機械快速設計系統的開發[J].江蘇技術師范學院學報,2006,（6）：57-62。

[5]朱蓀珺,王品,劉德仿.機械產品開發中的設計知識表示及應用研究[J].電器技術與自動化,2005,34（5）：68-71.

[6]N.LLOYD,E.VAICIURGIS and T.A.G.LANGRISH.THE EFFECT OF BAFFLE DESIGN ON LONGITUDINAL LIQUID MOVEMENT IN ROAD TANKERS：An Experimental Investigation.Institution of Chemical Engineers,Trans IChemE,Vol 80,Part B,July 2002.