面向起重機起升機構CAD/CAE設計的知識重用方法研究

王相兵，馬士良，杜全斌，周 航

（1.河南 省超硬材料智能制造裝備集成重點實驗室，河南 鄭州 4511911；2.河南 機電職業學院機電工程學院，河南 鄭州 451191）

1 引言

研究表明，在起重機新產品開發中，約40%是重用已有的部件設計，約40%是對已有的部件設計稍作修改，而新設計僅占20%[1]。因此，起重機企業在產品設計過程中越來越注重設計知識、設計經驗的積累，進行設計資源共享與重用，以提高設計效率。

同時以現代設計方法為支撐的CAD/CAE設計技術，綜合運用各種先進的設計方法能夠很好的融合知識、經驗等設計資源，滿足上述設計要求，可有效縮短產品開發周期，提高企業市場競爭力[2-3]。

文獻[4]研究了知識重用的層次劃分，標準件庫的知識分類和表示方法，采用實例推理的方法實現標準件檢索、自動裝配；文獻[5]在CBR方法的基礎上，采用參數化設計和有限元分析相結合的方法，開發了起重機結構的快速設計系統；文獻[6]研究了基于粗糙集理論的實例檢索方法，提高了檢索的準確性，實現門式起重機設計過程中的知識重用。

上述文獻采用不同的知識重用方法在知識重用的實例檢索、修改、推理等方面進行了深入的研究，不同程度上提高了產品設計重用效率。

起升機構是起重機中用于升降重物的機構，主要由吊鉤組、電機、減速器、卷筒組件、鋼絲繩、等零部件構成。起升機構產品開發中不同系列的零部件結構設計過程繁瑣，重復性大，效率低。為此，研究起升機構知識重用技術，開發起升機構CAD/CAE設計系統，將大大提高其產品設計效率，縮短產品開發周期，快速響應市場需求，對起重機企業具有重要意義。因此，本文將在上述研究文獻的基礎上結合起重機起升機構產品設計特點研究知識重用的實現方法，研究規則推理RBR和實例推理CBR相結合的混合推理技術、研究基于知識重用的參數化CAD/CAE設計過程，最后以起重機起升機構CAD/CAE開發實例進行驗證。

2 起升機構的設計知識重用技術

2.1 起升機構設計重用的知識概念與表達

設計知識是指人們在產品設計中用于產品設計與決策的各種設計方法、原理、過程、規則、經驗、實驗數據以及已存在的產品及模型等。起重機起升機構的設計知識首先依照起重機械設計標準，結合設計人員經驗，研究參照已開發的產品，將設計知識按照一定的規則存入數據庫；然后，通過合適的知識表達方式在新產品設計中加以運用。

知識的表達是知識重用的關鍵技術，知識的表達方式有以下幾種：產生式規則表示法、過程表示法、文件表示法和數據庫表示法等[7]。

2.1.1 設計中參數知識的數據表示

在進行起升機構參數化設計過程中，需要用到大量的設計參數，設計知識的重用很大一部分是設計參數的重用，采用數據庫將設計中用到的參數數據進行合理規范的管理和存儲，方便后期檢索、重用與維護。

2.1.2 起升機構模塊知識編碼表示

在進行起升機構的設計時，我們需對要其進行模塊劃分，因為其構造復雜，劃分的模塊也相對較多，設計人員常用編碼的方式對模塊知識進行描述，以便于對信息的檢索與重用。在設計起重機的過程中所用到的編碼知識包括起重機類型的代號、起重量、跨度及工作級別四個主要的參數。起重機起升機構，如圖1所示。

圖1 起升機構模塊知識編碼表示規則Fig.1 Knowledge Coding Representation Rules for Lifting Mechanism Modules

模塊知識編碼表示規則。

例如，Q-20t-8m-M5-DB02-B01-L01 表示橋式起重機20噸額定起重量8m跨度M5級的工作級別起升機構卷筒組的L01號零件卷筒體。

2.1.3 產生式的規則形式存在的設計知識表示

一般由設計師從設計經驗中獲取此類知識，此類知識最大特點是由相應前提映射出相應結果。在進行起升機構設計中存在大量的此類知識，例如在進行卷筒長度的設計中，卷筒有單聯卷筒和雙聯卷筒之分，卷筒長度的計算需要不同的類型選取卷筒的計算公式。以if-then的設計規則來表示卷筒長度的計算方法：

if卷筒類型=“單聯卷筒”then 卷筒長度L=L0+L1+L2；if卷筒類型=“雙聯卷筒”then卷筒長度L=2（L0+L1+L2）+L3。

產生式規則知識有助于實現設計的一致性，使設計過程有統一標準，避免個人經驗因素產生的錯誤。

2.1.4 設計信息的文件表示

在起升機構的設計過程中，建立儲存設計信息的文件表示法管理龐大復雜的設計信息是保證設計工作快速有效進行的重要手段。所涉及的設計信息文件主要包含零部件的特征建模驅動信息文件、工程圖的設計信息文件和各類技術要求類的設計信息文件三類。

工程圖的設計信息文件，主要包括視圖基本信息、零件的尺寸、比例信息、材料信息及工藝信息，用于參數化設計的模板信息。

技術類的設計信息文件，主要包括設計計算說明書、產品設計目錄、材料明細表及產品設計參數表等，用戶經過這些文件可理解產品的設計信息。

2.1.5 設計經驗的知識表達

起重機起升機構設計中一些零部件需個性化、定制化設計或者用常規設計難以解決的問題，這時經驗設計知識將發揮其靈活的個性化設計作用。設計經驗可分為設計工作流程的經驗、經驗值和選擇決策。設計工作流程的知識，是把握設計先后次序，先整體后局部的參數設置，通過程序代碼，用幾個符合邏輯要求的模塊表達設計過程，引導設計人員按程序引導順序操作；經驗值和選擇決策可以用數據庫的方式進行表達。

2.2 起升機構設計重用過程

為建立開發高效、高質量的滿足不同需求的起重機起升機構產品的設計系統，需要建立完善的知識體系來實現設計知識的獲取、表達、檢索以及修改等[8]。起重機起升機構設計知識重用的框架結構，如圖2所示。設計重用過程就是知識推理的過程，在進行起重機起升機構設計時，為提高其設計效率，采用基于實例和規則的混合推理技術[9]是有效方法和途徑。基于規則和實例的混合推理的方式兼顧規則推理和實例推理兩者的優點，可先采用規則推理技術使符合規則的設計實例范圍得到一定程度的縮小，然后再根據實例的屬性進行相似度計算，并最終獲得已有實例的檢索并進行修改。基于實例和規則的混合推理基本過程，如圖3所示。其過程如下：首先，根據總體參數進行規則推理RBR和實例推理CBR，確定整體方案；其次，進行模塊的實例檢索，可使用規則推理進行標準模塊實例的檢索，以提高效率確保檢索的準確性，利用實例推理進行非標準模塊實例的相似度計算以獲取最為相似的模塊實例。

圖2 起重機起升機構設計知識重用的框架結構Fig.2 Framework Structure of Knowledge Reuse in Crane Hoisting Mechanism Design

圖3 基于實例和規則的混合推理基本過程Fig.3 Process of Hybrid Reasoning Based on Examples and Rule s

再次，對檢索到的相似實例進行修改，采用先模塊后零部件的順序進行修改，對模塊或部件，需要修改其尺寸、配合或者變形，對零件需要修改其尺寸和特征，對于標準件或者通用件，直接替換。最后，對新實例進行更新和保存。

2.3 起升機構知識重用系統的知識庫、規則庫、模型庫的構建

起升機構知識庫構建要能融入起重機起升機構產品的設計經驗、零件的尺寸規范、計算標準、部件的裝配原則以及標準件的選擇規范等，起升機構知識庫信息結構，主要包括參數信息、幾何信息及選型信息，如圖4所示。

圖4 起升機構知識庫信息結構Fig.4 Information Sstructure of Lifting Mechanism Knowledge Base

設計重用的過程需要實現設計過程的推理求解，因此就需要建立規則庫，規則庫主要包括公式庫、零部件裝配原則、選型原則等，規則表示方法很多，如謂詞邏輯表示、產生式規則、面向對象的表示等。例如，減速器模塊知識庫的主要關系和推理有sub-ClassOf，EquivalentClass，disjointWith 及if-then ... elseif-then等。例如if齒輪圓周速度低于15m/s，輸入軸轉速不大于1500r/min，then減速器選型為QJ型減速器。

實例庫應構建方便快速調用的標準系列產品模型，使設計人員通過適當更改即達到新設計的要求。為方便實例的檢索和調用，實例庫實例模型，如圖5所示。

圖5 實例庫實例的模型表達Fig.5 Information Structure of Lifting Mechanism Knowledge Base

2.4 模塊實例的檢索與修改

實例相似度是判別實例間相似性的度量，用于判定新設計與實例庫中最相似的程度[10]。實例的相似度采用加權平均相似度，為整體相似度，而實例中某個屬性的相似度為局部相似度。

查詢實例的加權平均相似度計算公式為［11］：

式中：sim（Pi，Ci）—單個屬性的相似度；Pj，0—第j個查詢實例；Pi—該查詢實例的第i個屬性；m—參數的屬性個數；Wi—該實例第i個屬性的相似度權重；Cj，k—實例庫中的具體實例Ci代表該實例第i個屬性。

相似度值代表兩實例之間屬性的差異值，其中，值位于區間[0，1]之間。實例的屬性取值通常有三種：數值、范圍和模糊語。而模糊語通過轉化最終可以轉化為數值型和范圍型的取值。

數值與數值型［11］：執行檢索算法，搜索實例庫，逐個實例計算，先計算實例JT01屬性相似度，四個屬性約束條件分別進行計算。

表1 起重機卷筒模塊設計實例屬性表Tab. 1 Attribute Table for Design Example of Crane Drum Module

（1）材料屬性，屬于數值與數值型。該類型起重機

卷筒長度范圍3m/min≤L≤18m/min。則：

即實例JT01的整體相似度為0.873，同理可計算JT02、JT03、JT04 的整體相似度分別為0.747、0.820、0.695，設定相似度閾值0.75，可確定相似實例JT01，JT03符合要求且JT01是最佳實例。

檢索出的相似實例當某些設計參數不滿足設計要求式，需要對這些參數進行修正。實例的修正即變型設計，可以調用規則庫相應規則依據設計規范、規則對參數進行推理，使新修改的設計參數滿足新產品尺寸的約束條件。

3 起升機構基于知識重用的參數化CAD/CAE設計的實現過程

基于知識重用的起升機構CAD/CAE 設計系統的基本功能流程，如圖6所示。其設計過程主要包括設計需求分析，建立模型庫、知識庫、規則庫，參數化CAD系統、參數化CAE系統四個階段。設計需求是依據用戶需求分析轉化獲取設計參數并存入數據庫。模型庫的建立主要利用參數化設計技術和模型的特征建立標準產品的參數化模型；知識庫、規則庫則基于已有的設計經驗、設計準則、設計參數以及產品零部件的配合關系，建立起升機構的知識庫、規則庫。CAD系統首先利用RBR和CBR的推理混合技術檢索、修改已有的模型、參數，完成新型號產品的參數化CAD設計，再根據知識重用設計結果，進行參數設置、計算，通過軟件接口驅動更新參數化CAD 模型得到新型號產品的三維模型、工程圖等CAD參數化設計結果文件。CAE系統通過轉換零部件的CAD模型格式，建立有限元分析的相關前處理文本文件，然后調用文本文件實現模型的網格劃分，載荷、約束的自動加載及自動求解分析，模擬出應力和變形云圖等結果文件資料，分析設計缺陷，優化結構參數，CAE設計階段可以重用有限元模型和前處理文件及命令流程序等。

圖6 起升機構CAD/CAE設計系統的基本功能流程Fig.6 Basic Function Flow Chart of Lifting Mechanism CAD/CAE Design

4 起升機構CAD/CAE設計的知識重用應用實例

以某公司50t 雙梁起重機起升機構為產品設計對象，運用VB+SQL 進行GUI 設計，采用SolidWorks 和ANSYS 軟件開發起重機起升機構CAD/CAE 設計系統，如圖7所示。該系統由數據庫系統、知識庫系統、CAD/CAE 系統等構成。該系統首先根據起升機構產品構成、結構特點，利用系統知識庫、規則庫等相關設計資源采用基于RBR 和CBR 混合推理技術將起升機構劃分為電機模塊、減速器模塊、卷筒組模塊等6 個組成模塊，并確定總體設計方案。

圖7 起重機起升機構CAD/CAE設計系統總體界面Fig.7 Overall Interface of Crane Hoisting Mechanism CAD/CAE Design

通過總體界面選擇不同的模塊可分別進行相應模塊零部件的CAD/CAE設計。圖8～圖10表示對起升機構卷筒組模塊零部件CAD/CAE 完整設計過程。其中圖8為實例檢索界面，依據界面條件參數計算實例庫中待查詢實例各屬性的局部相似度及整體相似度，設定閾值，完成實例的查詢匹配，并根據設計準則進行零部件替換或變型設計，變型設計首先應考慮卷筒組模塊內部零部件的變更關系，如卷筒體外徑D的大小直接影響其他零部件的尺寸大小。另外還應考慮對其它模塊的影響，如D改變時，會影響繩輪鉤模塊的選型，設計時可利用規則庫中公式規則調整確定鋼絲繩直徑系列值。然后再根據圖9進行參數化設計得到卷筒組模塊及零部件的參數化CAD模型及工程圖。

圖8 卷筒組模塊的實例查詢設計界面Fig.8 Case Query Design Interface of Drum Group Module

圖9 卷筒組模塊的參數化CAD設計Fig.9 Parametric CAD Design of Drum Group Module

圖10 卷筒模塊零部件的參數化CAE設計Fig.10 Parametric CAE Design for Reel Module Components

完成卷筒組模塊零部件CAD設計后轉換其CAD模型格式，建立有限元分析的相關前處理文本文件及過程分析文本，編制APDL命令流程序，執行程序過程中調用前處理文本等文件，完成卷筒組件的有限元的分析并生成結果文件，如圖10所示。通過有限元分析對卷筒模塊零部件進行強度校核，分析CAD階段是否存在缺陷，優化并最終確定卷筒組模塊零部件相關結構參數。

起升機構其它模塊及零部件的CAD/CAE 設計可以重用與卷筒組模塊相同的實例檢索過程方法、規則及關鍵零部件的CAE命令流模板，但在進行CAE 分析時根據不同零部件的結構、功能、狀態，采用不同的網格劃分方法、載荷和約束添加等。

5 結語

針對系列化程度高的起重機起升機構設計過程中所面臨的重復工作量大等問題，研究利用RBR和CBR相結合的混合推理重用技術建立起升機構產品的知識庫、規則庫，采用模塊化、參數化技術進行分析討論，開發起重機起升機構集參數化CAD和有限元分析為一體的CAD/CAE設計系統，通過實例重用與修改快速實現起升機構產品設計。該方法能夠有效重用企業設計資源，明顯提高設計效率，為起重機等機械產品企業設計資源庫構建與共享，CAD/CAE系統開發提供方法依據。