樊新華，林貴瑜，陳憲民

(1.東北大學(xué) 計算中心，沈陽 110004;2.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110004;3.遼寧撫挖重工機械股份有限公司，遼寧 撫順 113126)

大型履帶起重機設(shè)計涉及多方面知識和多種行業(yè)，其設(shè)計水平標志著一個國家的工業(yè)水平和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平.起重機總體設(shè)計是在源頭上把握產(chǎn)品的性能，直接影響起重機的性能，也是企業(yè)自主設(shè)計能力和水平的反映.目前，我國履帶起重機行業(yè)在初步設(shè)計中，確立總體參數(shù)還采用繁重的手工和半手工計算方式.由于起重機的用途廣泛，產(chǎn)品的規(guī)格多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，設(shè)計工作量大，導(dǎo)致設(shè)計周期長，遠不能適應(yīng)現(xiàn)今高質(zhì)量、高速度、高效益的發(fā)展趨勢［1］，采用更先進的設(shè)計方法和設(shè)計手段勢在必行.

在大型履帶起重機總體設(shè)計過程中，涉及大量的、復(fù)雜的計算工作和先進的計算方法，并且還要對設(shè)計結(jié)果進行優(yōu)化工作.雖然我國已開發(fā)了履帶起重機總體設(shè)計系統(tǒng)，但只是針對履帶起重機的四大機構(gòu)的計算或某些關(guān)鍵件的可靠性分析功能.針對這種設(shè)計現(xiàn)狀，應(yīng)用先進的計算方法和軟件開發(fā)工具(如 VB.NET、Matlab、ANSYS 和SQL Server軟件)等技術(shù)，開發(fā)了大型履帶起重機總體設(shè)計軟件，實現(xiàn)參數(shù)計算的自動化、科學(xué)化.

1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求分析的制定要著眼于企業(yè)的現(xiàn)狀，還要顧及到企業(yè)未來的發(fā)展，并適當(dāng)留出接口，實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的擴展.根據(jù)企業(yè)現(xiàn)行的設(shè)計現(xiàn)狀，確定履帶起重機總體設(shè)計的目標和內(nèi)容.

1.1 履帶起重機總體設(shè)計的總體目標

軟件系統(tǒng)應(yīng)涵蓋整個設(shè)計過程，形成完整的計算體系.據(jù)此可以確定履帶起重機的關(guān)鍵的幾何參數(shù)及整機參數(shù)，完成對關(guān)鍵件進行可靠性分析等功能，滿足企業(yè)對大型履帶起重機總體設(shè)計的要求，還要具有用戶界面友好、操作簡便方便等特點.

1.2 履帶起重機總體設(shè)計的內(nèi)容

履帶起重機設(shè)計的核心部分是總體設(shè)計，主要包括方案選擇、技術(shù)參數(shù)確定、總體布局、大型構(gòu)件強度和穩(wěn)定、整機穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)機構(gòu)受力等方面［2］.對履帶起重機總體設(shè)計的問題進行研究，根據(jù)企業(yè)的現(xiàn)行設(shè)計現(xiàn)狀，應(yīng)滿足以下需求:

(1)履帶起重機總體參數(shù)及臂架的主要幾何參數(shù)確定;

(2)履帶起重機四大機構(gòu)(提升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走機構(gòu))的傳動系統(tǒng)形式、最佳速度參數(shù)、力能參數(shù)的確定;

(3)根據(jù)總體參數(shù)樣本建立回歸方程和繪制曲線的功能;

(4)起重機臂架結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性分析計算;

(5)重要零部件受力形式研究;

(6)安全性和保密性，即可滿足不同人員的操作和對信息的需求;

(7)操作簡便，界面友好.

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

依據(jù)履帶起重機設(shè)計流程、使用要求及其安全性，參考國內(nèi)外同類標準，遵循起重機設(shè)計規(guī)范(GB/T3811－2008)，參照起重機設(shè)計手冊、起重設(shè)計計算等資料，對履帶起重機設(shè)計流程和計算過程進行優(yōu)化整合，并結(jié)合軟件工程、計算機相關(guān)知識，進行了系統(tǒng)的設(shè)計工作.該軟件系統(tǒng)分為總體設(shè)計參數(shù)計算、總體設(shè)計參數(shù)分析和系統(tǒng)輔助功能3部分，其中總體設(shè)計參數(shù)計算部分又分為初步設(shè)計參數(shù)和詳細設(shè)計參數(shù)計算.具體包括功能模塊如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)模塊圖Fig.1 The system module chart

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 編程語言選擇

VB.NET是目前較流行的面向?qū)ο蟮?、可視化的?yīng)用程序開發(fā)工具，提供了很多快速開發(fā)程序的新功能，大大地提高了編程效率和易用性.Matlab是國際上最流行的科學(xué)和工程計算的軟件工具，提供了豐富的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、連接其他編程語言的程序等功能，廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工程計算、模擬仿真等方面.ANSYS是目前應(yīng)用較多的大型通用有限元分析軟件，具有強大的前處理、分析計算和后處理功能.通過參數(shù)化設(shè)計語言(ANSYS Parameter Design Language，APDL)的參數(shù)化變量方式建立分析模型，可以完成多次分析，從而減少修改模型后重新分析時的所需時間.SQL Server是廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)庫引擎可對數(shù)據(jù)庫里的大量記錄進行更新、檢索、管理等操作.

本軟件系統(tǒng)使用 VB.NET 2005、Matlab R2007、ANSYS 11.0和SQL Server 2000軟件進行開發(fā).其中，VB.NET主要開發(fā)系統(tǒng)用戶界面和簡單計算功能;Matlab主要進行復(fù)雜計算及回歸分析等功能;ANSYS主要對臂架、關(guān)鍵件進行可靠性分析功能;SQL Server主要用于保存計算過程的數(shù)據(jù)及最終結(jié)果.最后通過VB.NET分別調(diào)用Matlab、ANSYS、SQL Server等技術(shù)，將這些功能整合在一起.

3.2 程序運行及界面介紹

初次使用本軟件系統(tǒng)，要通過默認的系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)進行初始化工作，即在“系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理”模塊中，進行初始數(shù)據(jù)設(shè)置，主要包括用戶基本信息、機型基本信息和基本數(shù)據(jù)信息設(shè)置.在初始數(shù)據(jù)設(shè)置后，用戶就可以對指定的機型進行相關(guān)的計算、分析等工作，也可以輸出計算分析結(jié)果.

以計算“基本臂架幾何參數(shù)”為例，說明軟件系統(tǒng)的使用過程，具體過程如下:

啟動軟件系統(tǒng)，首先會出現(xiàn)用戶登錄界面，如圖2所示.用戶根據(jù)提示信息輸入用戶名、密碼數(shù)據(jù)，并選擇用戶權(quán)限和機器型號數(shù)據(jù).其中，用戶權(quán)限分為系統(tǒng)操作員和操作員二類.選擇不同的用戶權(quán)限和機器型號，用戶可以使用不同的功能，并且可以進行相應(yīng)的操作.

圖2 用戶登錄界面Fig.2 User login interface

根據(jù)上述選擇不同的用戶權(quán)限和產(chǎn)品型號，進入相應(yīng)操作的主界面.系統(tǒng)管理員所進入的界面如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)的主界面Fig.3 The main interface of the system

在主界面的“臂架系統(tǒng)”菜單中，選擇“基本臂架幾何參數(shù)”子菜單，會出現(xiàn)如圖4所示，分為“試算基本臂架幾何參數(shù)”和“確定基本臂架幾何參數(shù)”兩個選項卡.在“試算基本臂架幾何參數(shù)”選項卡頁面中(圖4所示即為此選項卡內(nèi)容)，根據(jù)提示輸入不同的參數(shù)，可以得到不同的試算結(jié)果，并將這些試算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中.在“確定基本臂架幾何參數(shù)”選項卡頁面中，比較上述試算的多組結(jié)果，設(shè)計者可根據(jù)自己的知識選擇一個合適的結(jié)果作為最終設(shè)計的結(jié)果.

圖4 試算基本臂架幾何參數(shù)的界面Fig.4 The interface of the basic arm geometric parameters

在主界面(圖3)中，選擇“查詢輸出”菜單，可以顯示和輸出總體設(shè)計的相關(guān)參數(shù)和最終結(jié)果.選擇“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”子菜單，顯示試算的中間結(jié)果，帶顏色記錄是選定的最終結(jié)果;選擇“整機結(jié)果”子菜單，會顯示起重機設(shè)計的最終設(shè)計結(jié)果(如圖5所示)，這些結(jié)果也可以通過文件形式保存或打印輸出.

4 軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

本軟件主要使用 VB.NET調(diào)用 Matlab、ANSYS、SQL Server等編程技術(shù)，下面詳細介紹調(diào)用方法.

4.1 VB.NET程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用Matlab的方法

VB.NET程序調(diào)用Matlab的接口方法很多，主要有兩種方法:使用COM組件(動態(tài)鏈接庫.dll)和使用ActiveX(OLE)自動化技術(shù).

4.1.1 使用動態(tài)鏈接庫的方法

由于Matlab編寫的M文件不能被VB.NET程序直接調(diào)用，因此首先利用 Matlab自帶的deploytool工具將編寫的M文件編譯成可執(zhí)行文件(EXE)或動態(tài)鏈接庫文件(DLL);然后在VB.NET程序中通過訪問該動態(tài)鏈接庫來調(diào)用它的各個封裝函數(shù)，以實現(xiàn)所需的各種功能［3～5］.這種方法不需要安裝Matlab軟件，就可以正常的運行Matlab程序.

4.1.1.1 使用Matlab創(chuàng)建COM組件

在Matlab的Command Window窗口中，輸入命令mbuild－setup，并根據(jù)Matlab的提示選擇合適的編譯器，用 Matlab內(nèi)部的 Matlab Builder for.Net組件便可以生成M文件的DLL組件，獨立地集成到 VB.NET中.其中，Matlab Builder for.Net組件的使用方法主要包括:編譯M函數(shù)文件、創(chuàng)建 COM Builder工程、生成和打包 DLL文件.

創(chuàng)建COM組件具體步驟:

步驟1編寫并調(diào)試要完成所需功能的M函數(shù)文件(函數(shù)文件名為mytest);在Matlab命令窗口中，輸入 deploytool命令，會出現(xiàn) Deployment Tool窗口.

步驟 2選擇“File”－＞“New Deployment Project”菜單項，會出現(xiàn)“New Deployment Project”窗口，選擇“MATLAB Builder for.NET”和“Generic COM Component”－＞輸入 Name(文件名為GCOM)并選擇存入路徑，選擇“OK”按鈕.

步驟3在(文件名)class上單擊右鍵－＞Add File，找到已編寫的.M 文件;選擇“Tools”－＞“Build”菜單項，編譯所建項目.

圖5 最終結(jié)果顯示界面Fig.5 The final results showing interface

4.1.1.2 注冊并使用COM組件

在使用COM組件之前，必須先對其進行注冊，然后就可以使用COM組件.具體步驟如下:

步驟1創(chuàng)建一個應(yīng)用程序.在Visual Basic.NET中選擇菜單“文件”－＞“新建”－＞“項目”－＞“Visual Basic”－＞“Windows應(yīng)用程序”，在打開的對話框中填入工程文件名稱，并且選擇文件要存放的目錄.

步驟2注冊DLL文件.在Visual Basic.NET中選擇菜單“項目”－＞“添加引用”－＞“瀏覽”，找到生成的DLL文件，然后按“OK”按鈕.

步驟3在應(yīng)用程序中使用DLL文件.在程序代碼中，生成對象并調(diào)用相應(yīng)的M文件中的方法.VB.NET代碼如下:

4.1.2 使用ActiveX自動化技術(shù)

Matlab支持ActiveX自動化技術(shù).因此Matlab可以作為自動化服務(wù)器，VB.NET作為一個客戶端程序.在VB.NET程序中調(diào)用Matlab服務(wù)功能的步驟:在VB.NET應(yīng)用程序中，首先創(chuàng)建Matlab的ActiveX應(yīng)用對象;然后通過這個對象提供的方 法 (函 數(shù))(如 Excute、GetFullMatrix、PutFullMatrix、MaximizeCommandWindow、Minimize CommandWindow 等［6～7］)來實現(xiàn)對 Matlab 的調(diào)用;最后釋放ActiveX應(yīng)用對象.這種方法需要安裝Matlab軟件，但無需啟動就可以運行Matlab程序.

在VB.NET應(yīng)用程序中創(chuàng)建 Matlab的ActiveX對象，其對象名為“Matlab.Application”.VB.NET程序調(diào)用Matlab程序如下:

4.2 VB.NET程序調(diào)用ANSYS的方法

在履帶起重機臂架可靠性分析中，使用ANSYS的ADPL實現(xiàn)臂架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元建模，將需要修改的數(shù)據(jù)設(shè)置成參數(shù).在VB.NET程序中，首先在用戶界面上輸入?yún)?shù)，并將輸入?yún)?shù)與APDL編寫的命令流中的參數(shù)進行關(guān)聯(lián)形成APDL宏文件;然后通過后臺調(diào)用ANSYS進行分析;最后提取計算結(jié)果并顯示到界面上.至此，用戶可以根據(jù)不同的參數(shù)變化，查看ANSYS計算結(jié)果［8］.

VB.NET程序后臺調(diào)用 ANSYS有 Shell和ShellExecute等多種方法，其中Shell方式簡單高效、并可帶輸入輸出文件參數(shù)，但是需要判斷ANSYS的批處理操作結(jié)束.VB.NET程序調(diào)用ANSYS 的程序［9～10］如下:

這里的＜Drive＞表示ANSYS 11.0軟件的安裝目錄;－b表示用批處理方式運行ANSYS命令;－p product表示選用ANSYS軟件產(chǎn)品特征碼，此處選擇的產(chǎn)品特征碼是ane3fl;–i標志后面的文件是輸入文件，ADPLFile文件是ANSYS的APDL宏文件;－o標志后面的文件是輸出文件，ResultFile文件記錄分析過程中使用的命令流、錯誤信息、計算求解結(jié)果等.如果指定的輸出文件不存在，則會由程序自動生成.

由于ANSYS計算結(jié)束時，會最后生成file.err文件，因而可在程序中通過檢測file.err文件是否存在來判斷ANSYS計算是否完成.在VB.NET程序中，使用Timer控件的Timer事件判斷ANSYS計算是否完成.在ANSYS計算開始時打開Timer控件，間隔設(shè)為3000ms，如果檢測到生成的文件，提示計算完成.程序代碼如下:

4.3 VB.NET程序訪問SQL Server的方法

ADO.NET是.NET平臺的數(shù)據(jù)訪問標準，是由一組相關(guān)類和接口組成，主要包括兩個核心組件:DataSet和數(shù)據(jù)提供程序.在ADO.NET對象模型中包括5個數(shù)據(jù)庫訪問和操作對象:Connection、Command、DataReader、DataSet 和DataAdapter等對象［11］，見表 1.

表1 ADO.NET的對象功能Table 1 The ADO.NET object function

對于SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問，應(yīng)在對象名前加上Sql前綴，通常需引入命名空間:

Imports system.data

Imports system.data.SqlClient

為了簡化訪問數(shù)據(jù)庫的過程，將常用的數(shù)據(jù)訪問操作(如數(shù)據(jù)庫連接打開和關(guān)閉、SQL語句執(zhí)行等操作)封裝在通用數(shù)據(jù)庫訪問類［12，13］中，通過使用類的方法就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問，也可重復(fù)使用類文件，可以節(jié)省編程并提高效率［14］.

5 結(jié)論

大型履帶起重機總體設(shè)計軟件采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，?jīng)過了企業(yè)實際設(shè)計的多次應(yīng)用，體現(xiàn)了設(shè)計經(jīng)驗與設(shè)計理論的有機結(jié)合，滿足了系統(tǒng)設(shè)計需求，縮短了起重機的設(shè)計周期，為企業(yè)的設(shè)計工作提供強大的輔助工具.由此得出以下結(jié)論:

(1)所采用的多種軟件和不同數(shù)據(jù)集成的方法正確有效;

(2)為保證軟件的容錯性，依據(jù)國標采用在程序中限制輸入數(shù)據(jù)范圍，此方法行之有效;

(3)總體參數(shù)確定和臂架幾何參數(shù)計算采用最小二乘法、回歸分析法等方法［13］，起重機臂架進行可靠度計算采用了蒙特卡洛方法，這些方法通過實際驗證是正確的;

(4)軟件具有繼承性和擴展性，基本滿足要求;

(5)功能較全面，涵蓋了起重機的總體設(shè)計要求.

另外，該軟件可以同時對不同型號的履帶起重機進行總體設(shè)計，提高了計算的準確性，降低了計算的復(fù)雜性.不熟悉編程的人員也可方便使用，改變了設(shè)計人員的設(shè)計方式，對行業(yè)發(fā)展也會帶來的相應(yīng)的促進和提升.

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