劉子建 徐曉亮　艾彥迪　張坤鵬

摘要：針對復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)過程中流程無驅(qū)動、數(shù)據(jù)無載體等問題，提出了基于一致性產(chǎn)品信息模型和全設(shè)計(jì)流程理論的多平臺產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)新方法.基于骨架模型的Top-Down參數(shù)化建模原理，詳細(xì)闡述包括規(guī)范計(jì)算、分析優(yōu)化、參數(shù)化模型驅(qū)動及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)的多平臺軟件無縫集成技術(shù)以及數(shù)據(jù)模型規(guī)劃方法.構(gòu)建了產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)平臺軟件架構(gòu).最后運(yùn)用該方法構(gòu)建了塔式起重機(jī)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺，完成了某塔機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例.實(shí)例表明，該塔機(jī)的研發(fā)周期大幅縮短，輕量化效果明顯，驗(yàn)證了本文提出的多平臺產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性.

關(guān)鍵詞：快速設(shè)計(jì)方法；參數(shù)化模型；優(yōu)化設(shè)計(jì)；軟件集成技術(shù)；塔式起重機(jī)

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）02-0048-08

21世紀(jì)市場需求多樣化、個(gè)性化和快速變化的特點(diǎn)使得產(chǎn)品投放市場的時(shí)間及質(zhì)量日益成為贏得客戶的關(guān)鍵因素，有力地促進(jìn)了以縮短開發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量為特色的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展[1].因此，適應(yīng)市場需求，采用有效的快速設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建集成化的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)平臺，對于提升企業(yè)市場競爭力具有重要意義.

近年來，產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法和軟件技術(shù)的研究取得了明顯進(jìn)展.如陳永亮等[2]提出了模塊化的機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)，側(cè)重于設(shè)計(jì)過程分析，對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的完備性及數(shù)據(jù)共享問題則較少討論；Liu等[3]研究用建立信息本體模型（Ontology Model）的方法解決機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中復(fù)雜的數(shù)據(jù)表述和存儲問題，理論意義明顯，實(shí)用技術(shù)需要進(jìn)一步完善；Penoyer等[4]提出了一種基于知識工程（KBE）的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)理論，在對產(chǎn)品研發(fā)提供良好設(shè)計(jì)規(guī)則支持的同時(shí)，構(gòu)建知識庫的要求也就更高；劉子建等[5-6]提出用多層多體方式構(gòu)建產(chǎn)品統(tǒng)一信息模型，并用包含語義、數(shù)據(jù)、時(shí)序和行為四元素的全設(shè)計(jì)流程理論驅(qū)動設(shè)計(jì)流程.然而，上述研究較少涉及與產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)密切相關(guān)的流程驅(qū)動方法、以產(chǎn)品模型為載體的數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法，致使用于產(chǎn)品研發(fā)實(shí)際的CAx多軟件平臺快速集成方法仍然沒有形成完善的方案，企業(yè)中信息化單元技術(shù)和設(shè)計(jì)人才相對豐富，卻無法形成高效實(shí)用的快速設(shè)計(jì)能力的現(xiàn)象依舊十分普遍，制約了企業(yè)核心競爭力的提升.

本文基于文獻(xiàn)[5-6]提出的產(chǎn)品全設(shè)計(jì)流程理論，針對全設(shè)計(jì)流程的語義、數(shù)據(jù)、時(shí)序、行為四大要素，以及一致性產(chǎn)品信息建模的原理，結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本流程（規(guī)范計(jì)算→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→優(yōu)化分析→三維建?！こ虉D設(shè)計(jì)） [7]，討論了CAx多平臺環(huán)境下一致性產(chǎn)品參數(shù)化快速建模方法、模型規(guī)劃和數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)、軟件架構(gòu)和平臺集成技術(shù)，并以塔式起重機(jī)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺為實(shí)例，驗(yàn)證了基于統(tǒng)一信息建模和全設(shè)計(jì)流程原理構(gòu)建產(chǎn)品多平臺快速設(shè)計(jì)方法的可行性.

1基于多平臺的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法

基于多平臺的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法是借助于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、CAx和數(shù)據(jù)庫等先進(jìn)信息技術(shù)，以產(chǎn)品一致性結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型為信息載體，以全設(shè)計(jì)流程為驅(qū)動機(jī)制，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期為目的的新型多平臺集成設(shè)計(jì)方法.

1.1參數(shù)化建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于商用CAD/CAM軟件系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)主要有3種實(shí)現(xiàn)途徑，其一是通過編程語言建立設(shè)計(jì)對象的數(shù)學(xué)模型；其二是利用系統(tǒng)提供的特征設(shè)計(jì)表達(dá)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)建模；其三是使用骨架模型（Pro/E）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的Top-Down參數(shù)化設(shè)計(jì)建模.骨架模型可較好地支持設(shè)計(jì)流程和傳遞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，便于維持結(jié)構(gòu)信息模型的一致性.

基于骨架模型的Top-Down參數(shù)化建模的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)對象的模塊化分解及設(shè)計(jì)參數(shù)的層次化定義，即由產(chǎn)品到部件到零件再到特征逐層分解設(shè)計(jì)對象，分級建立骨架模型，再從頂部骨架模型傳遞數(shù)據(jù)給底部零件模型，從而保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性.用Pro/E等軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述過程的主要步驟包括：定義產(chǎn)品各層級的骨架參數(shù)—建立描述產(chǎn)品整體性能和部件性能的約束條件—構(gòu)建部件、零件的各類基準(zhǔn)—確定零部件結(jié)構(gòu)定形和定位尺寸的關(guān)系—選擇Sweep或CSG等方法生成三維模型.上述每一步驟均可根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)，并通過骨架關(guān)系和幾何發(fā)布等功能在各層級模型間傳遞和共享數(shù)據(jù).

遵循Top-Down思想的參數(shù)化建模最終生成的是具備柔性特征的一族模型，用戶可以通過變更參數(shù)來修改設(shè)計(jì)意圖.參數(shù)化模型使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期（此時(shí)，零部件的形狀尺寸均具有一定模糊性）即可規(guī)劃零部件之間的位置關(guān)系及形狀特征，根據(jù)設(shè)計(jì)流程的推進(jìn)，通過控制參數(shù)快速有效地完成尺寸、基準(zhǔn)等設(shè)計(jì)要素的修改，以幾乎是全自動的形式完成三維模型的生成，與此同時(shí)還能夠保持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性.顯然，Top-Down參數(shù)化設(shè)計(jì)建模方法具有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法比擬的靈活性、高效率，以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和模型修改的一致性.

1.2多平臺軟件無縫集成

Top-Down參數(shù)化設(shè)計(jì)建模的意義在于提供了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)快速表達(dá)方法，形成了設(shè)計(jì)信息的載體.復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品要求的性能設(shè)計(jì)優(yōu)化、復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算和管理等，則需要利用模型載體，集成多個(gè)軟件平臺共同完成，因而產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于多平臺軟件的高效集成.下面針對圖1所示的流程驅(qū)動需求，討論圍繞產(chǎn)品研發(fā)目標(biāo)，使用Matlab， Ansys， Pro/E及Access等常用軟件系統(tǒng)完成產(chǎn)品規(guī)范計(jì)算、分析優(yōu)化、結(jié)構(gòu)建模、數(shù)據(jù)存儲和管理等功能的多平臺集成原理，以及接口實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)，從而將快速設(shè)計(jì)不可或缺的快速流程驅(qū)動、自動計(jì)算、參數(shù)化優(yōu)化分析、Top-Down快速建模、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)規(guī)范管理融為一體，構(gòu)建高效實(shí)用的多平臺快速設(shè)計(jì)方法和軟件系統(tǒng).

1.2.1規(guī)范計(jì)算

規(guī)范計(jì)算的主要任務(wù)是獲取初步正確的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足工程理論和規(guī)范意義上的基本設(shè)計(jì)要求.不同產(chǎn)品的規(guī)范計(jì)算必須嚴(yán)格按照對應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算規(guī)范進(jìn)行，如GB/T 3811—2008（《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》）就是工程機(jī)械中塔機(jī)規(guī)范計(jì)算的依據(jù)之一.

規(guī)范計(jì)算通常使用的Matlab以工具箱形式提供功能豐富的計(jì)算函數(shù)庫，使得產(chǎn)品開發(fā)人員無需研究具體的算法結(jié)構(gòu)以及求解機(jī)理，通過簡單的程序語句就可以調(diào)用函數(shù)，完成指定的工程計(jì)算[8]，或借助于API（應(yīng)用程序接口）與其他應(yīng)用程序建立客戶/服務(wù)器（C/S）關(guān)系.

VC++與Matlab混合編程主要有如下幾種方式：1）通過Matlab Engine方式；2）調(diào)用Matlab的C/C++函數(shù)庫；3）用Matlab自帶的Compiler編譯器；4）使用Matlab的Combuilder工具；5）使用Matcom工具等[9].下面以Compiler工具為例討論C/S結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，如圖2所示.

如圖2所示，以Matlab或MCRInstaller作為服務(wù)端， 由VC++開發(fā)的應(yīng)用程序作為客戶端，通過Matlab提供的Compiler工具將規(guī)范計(jì)算函數(shù)編譯為.dll，.lib，.h等文件（使用mcc命令），供客戶端程序調(diào)用.通常是先依據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求將規(guī)范計(jì)算分為若干模塊，定義模塊的接口參數(shù)作為規(guī)范計(jì)算函數(shù)的調(diào)用參數(shù)，形成滿足產(chǎn)品規(guī)范計(jì)算要求的專業(yè)計(jì)算函數(shù)庫，供客戶端程序根據(jù)快速設(shè)計(jì)要求隨時(shí)調(diào)用.

1.2.2分析優(yōu)化

在規(guī)范計(jì)算基礎(chǔ)之上進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)的分析優(yōu)化，是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低成本的關(guān)鍵途徑，已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)必不可少的步驟.基于數(shù)值計(jì)算發(fā)展起來的分析優(yōu)化方法和軟件技術(shù)是機(jī)械產(chǎn)品快速優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).

ANSYS提供的二次開發(fā)途徑有參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL（Ansys Parametric Design Language）、用戶圖形界面設(shè)計(jì)語言UIDL（User Interface Design Language）、用戶可編程特征UPFS（User Programmable Features）等[10].其中，APDL是一種通用性強(qiáng)、功能強(qiáng)大的參數(shù)化有限元建模和分析語言，APDL模型可以讀取規(guī)范計(jì)算的結(jié)果生成參數(shù)化有限元模型，并完成有限元分析和參數(shù)優(yōu)化，還可以向骨架模型傳遞數(shù)據(jù)，驅(qū)動結(jié)構(gòu)模型自動生成，是特別適用于產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的產(chǎn)品一致性建模、分析和流程驅(qū)動的工具.

依據(jù)產(chǎn)品規(guī)范計(jì)算所得結(jié)構(gòu)參數(shù)快速建立參數(shù)化有限元模型的第一步是實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞.鑒于ANSYS沒有提供C++程序接口和API函數(shù)，圖3給出了基于VC++開發(fā)的Win32應(yīng)用程序與ANSYS集成通信的解決方案.具體做法， 其一是建立以規(guī)范計(jì)算結(jié)果為輸入，以關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為分析對象的APDL參數(shù)化有限元優(yōu)化模型；其二是在VC++中創(chuàng)建進(jìn)程，后臺運(yùn)行ANSYS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享；其三是以APDL模型文件及.opt優(yōu)化結(jié)果文件等為操作對象，將進(jìn)程創(chuàng)建、文件讀寫等操作以類成員函數(shù)的形式進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化參數(shù)的傳遞和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的交換.

1.2.3參數(shù)化模型驅(qū)動

利用分析優(yōu)化所得結(jié)果快速生成設(shè)計(jì)對象三維模型的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)對CAD/CAM參數(shù)化模型的直接驅(qū)動，如果后者是一致性Top-Down參數(shù)化模型，將獲得最佳的建模效率和質(zhì)量.

Pro/E異步模式下的二次開發(fā)技術(shù)無需前臺運(yùn)行系統(tǒng)即可以參數(shù)驅(qū)動骨架模型的重建，從而大大提高設(shè)計(jì)效率[11-12].下面以Pro/Toolkit開發(fā)技術(shù)為例講述參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型驅(qū)動過程.基于.NET和VS2010平臺的Pro/E異步開發(fā)模式的基本流程如圖4所示.

1.2.4設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲面向全設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)語義及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)流在設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生中間數(shù)據(jù)文件或結(jié)果數(shù)據(jù)文件的過程.數(shù)據(jù)流代表系統(tǒng)中流動的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲則反映系統(tǒng)中相對靜止的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)存儲機(jī)制的選擇與數(shù)據(jù)的讀寫效率、數(shù)據(jù)與工程語義的一致性、數(shù)據(jù)可重用性等密切相關(guān)，是產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)必須解決的關(guān)鍵問題之一.

大型機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)參數(shù)眾多且相互關(guān)聯(lián)，采用數(shù)據(jù)庫尤其是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)是較好的選擇.以Access數(shù)據(jù)庫為例討論相關(guān)技術(shù).

常用的數(shù)據(jù)庫接口技術(shù)有ODBC（Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)）、DAO（Data Access Object，數(shù)據(jù)訪問對象）、RDO（Remote Data Objects，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)對象）、OLE DB（Object Linking and Embedding， Database，對象連接嵌入數(shù)據(jù)庫）、ADO（ActiveX Data Object，活動數(shù)據(jù)對象）等.其中ADO是基于OLE DB數(shù)據(jù)訪問模式的高層接口，是ODBC， DAO， RDO三種方式的擴(kuò)展，因其簡單易用、運(yùn)行效率高、可擴(kuò)展性好等優(yōu)勢而備受青睞.

ADO是Microsoft提供的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)訪問接口，主要由3個(gè)對象成員Connection，Command，Recordset，以及Properties，Errors，F(xiàn)ields，Parameters等集合對象組成.圖5描述了VC++利用ADO模型對象的智能指針訪問Access數(shù)據(jù)庫的基本方法，具體包含如下步驟：

1）初始化COM環(huán)境，導(dǎo)入ADO庫；

2）創(chuàng)建ADO對象并連接數(shù)據(jù)庫；

3）利用ADO對象執(zhí)行SQL命令；

4）關(guān)閉連接并釋放對象.

在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)產(chǎn)品具體的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)視圖等對ADO對象的底層操作進(jìn)行封裝，屏蔽實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，精簡代碼，以方便快速調(diào)用.

1.3數(shù)據(jù)模型規(guī)劃

所謂數(shù)據(jù)模型規(guī)劃是通過對現(xiàn)實(shí)世界的事與物主要特征的分析、抽象，為信息系統(tǒng)的實(shí)施提供數(shù)據(jù)存取的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的操作[13].數(shù)據(jù)模型規(guī)劃的合理與否，關(guān)系到數(shù)據(jù)冗余度大小、一致性高低及傳遞效率等，是快速設(shè)計(jì)技術(shù)的重要環(huán)節(jié).

數(shù)據(jù)模型的規(guī)劃方法如下：

1） 將對象抽象為實(shí)體，確定實(shí)體屬性及關(guān)系，建立概念模型；

2） 依據(jù)范式理論等標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，將概念模型轉(zhuǎn)化為邏輯模型；

3）將邏輯模型轉(zhuǎn)化為物理模型.

設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大致可分為3類，即標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù).型材數(shù)據(jù)屬于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如規(guī)劃方鋼的型材數(shù)據(jù)模型可以首先將方鋼抽象為一個(gè)材料實(shí)體，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，方鋼包含邊長、壁厚、理論重量、截面面積、慣性矩、慣性半徑等屬性，其概念模型可采用圖6所示的E-R圖描述.

由于材料與設(shè)計(jì)過程相對獨(dú)立，材料實(shí)體與其他實(shí)體間不存在“關(guān)系”，所以方鋼的實(shí)體屬性即為邏輯模型屬性：

方鋼（邊長，壁厚，慣性矩，慣性半徑，理論重量，截面面積），下劃線表示方鋼邏輯模型的主鍵.

最后確定數(shù)據(jù)庫存儲的記錄結(jié)構(gòu)，將邏輯模型轉(zhuǎn)化為物理模型：

1.4快速設(shè)計(jì)平臺軟件架構(gòu)

以規(guī)范計(jì)算、分析優(yōu)化、參數(shù)化模型驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲四大模塊為服務(wù)端，以VC++應(yīng)用程序模塊為客戶端構(gòu)成的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)平臺Client/Server軟件架構(gòu)如圖7所示.

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)語義存儲于服務(wù)端，設(shè)計(jì)行為由人機(jī)用戶界面、各類接口配合數(shù)據(jù)存儲方法控制.

產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)在于構(gòu)建規(guī)范計(jì)算、分析優(yōu)化、參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等模型，核心在于規(guī)劃一致性產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)處理方法，關(guān)鍵在于多平臺集成技術(shù).通過合理的數(shù)據(jù)模型規(guī)劃、面向?qū)ο蟮慕涌谠O(shè)計(jì)以及高效可靠的軟件平臺集成，使各個(gè)部分統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)行，有效驅(qū)動快速設(shè)計(jì)流程，高質(zhì)量、高效率地完成產(chǎn)品研發(fā).

2塔式起重機(jī)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)

塔式起重機(jī)（簡稱塔機(jī)）是一種應(yīng)用廣泛的大型建筑施工機(jī)械.塔機(jī)工作空域廣，運(yùn)行環(huán)境和工況復(fù)雜，對安全性、穩(wěn)定性和可靠性要求都很高，是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機(jī)電一體化產(chǎn)品.設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、開發(fā)周期長、難以獲得技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性均佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案是塔機(jī)研發(fā)面臨的主要問題，因此，特別需要一種專業(yè)化的塔機(jī)快速設(shè)計(jì)方法和軟件平臺.本文遵照塔機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以降低成本為目標(biāo)，以安全性、穩(wěn)定性和可靠性為約束條件，以塔機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以一致性產(chǎn)品信息模型和全設(shè)計(jì)流程原理和前述快速設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，開發(fā)了如圖8所示集規(guī)范計(jì)算、分析優(yōu)化、一致性骨架模型驅(qū)動三維建模及二維圖紙生成于一體的塔機(jī)快速設(shè)計(jì)平臺，并成功應(yīng)用于企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)際.

2.1塔機(jī)規(guī)范計(jì)算

塔機(jī)快速設(shè)計(jì)的初始參數(shù)是用戶的QR曲線、起重臂和平衡臂長度、臂尖吊重、最大吊重、噸米級等基本參數(shù)，通過如圖9所示界面輸入.圖中按鈕1～5對應(yīng)于起重臂、平衡臂、塔帽（包括回轉(zhuǎn)塔身、回轉(zhuǎn)總成）、爬升套架、塔身的規(guī)范計(jì)算.

如起重臂重量規(guī)范計(jì)算步驟如下：

1）根據(jù)GB/T 3811—2008編寫起重臂重量計(jì)算的Matlab函數(shù)BoomWeight.m，輸入?yún)?shù)為各臂節(jié)長度及型材規(guī)格，如圖10所示；

2）編譯，運(yùn)行mcc-W cpplib： libBoomWeight-T link：libBoomWeight.m命令，生成對應(yīng)的libBoomWeight.h， libBoomWeight.lib和libBoomWeight.dll等文件，保存在產(chǎn)品工程目錄下；

3）對BoomWeight原函數(shù)進(jìn)行封裝.需注意，調(diào)用DLL中的封裝函數(shù)之前需先調(diào)用libBoomWeight Initialize進(jìn)行初始化，封裝完成后要調(diào)用libBoom WeightTerminate終止進(jìn)程.

塔機(jī)規(guī)范計(jì)算模塊的輸出包含初始設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果.如由圖9和圖10等界面輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)，以及如表1所示的各類設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，均以規(guī)定的格式寫入塔機(jī)規(guī)范計(jì)算說明書，并傳遞給接口類中定義的數(shù)據(jù)模型變量，作為下一步分析優(yōu)化的輸入.

2.2塔機(jī)分析優(yōu)化

以規(guī)范計(jì)算模塊的輸出數(shù)據(jù)作為塔機(jī)APDL參數(shù)化有限元模型的輸入?yún)?shù)，進(jìn)一步進(jìn)行塔機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì).如塔機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)步驟如下：

其一是確定最危險(xiǎn)的3種工況：臂尖承受額定吊重、跨中承受額定吊重、最大額定吊重的最大幅度處的最大吊重，以及自重、起升載荷、回轉(zhuǎn)起動慣性載荷以及風(fēng)載荷等.其二是用APDL命令流建立塔機(jī)參數(shù)化有限元分析模型：鋼結(jié)構(gòu)采用BEAM188梁單元模擬；拉桿采用LINK8桿單元模擬；平衡臂、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)等集中質(zhì)量，通過在相應(yīng)位置處施加MASS21質(zhì)量單元進(jìn)行模擬，并與梁單元進(jìn)行耦合；塔身基礎(chǔ)節(jié)與混凝土基礎(chǔ)連接的4個(gè)約束點(diǎn)處采用固定約束[14].整機(jī)APDL模型總共生成節(jié)點(diǎn)577個(gè)，單元1 273個(gè)，建立的塔機(jī)參數(shù)化有限元模型如圖11所示.

然后針對3種危險(xiǎn)工況下的載荷、約束及邊界條件分別構(gòu)建APDL分析優(yōu)化程序（如以等強(qiáng)度設(shè)計(jì)為目標(biāo)，調(diào)用ANSYS提供的XXXX優(yōu)化算法，求取型材的最佳橫截面等），并對設(shè)計(jì)變量進(jìn)行合理分組以保證計(jì)算結(jié)果收斂 [15].最后根據(jù)參數(shù)分組及規(guī)范計(jì)算的輸出自動修改分析文件，并以ANSYS安裝目錄下的Ansys121.exe（ANSYS 12.1版本）為參數(shù)調(diào)用函數(shù)CreateProcess，創(chuàng)建Ansys進(jìn)程，運(yùn)行對應(yīng)的APDL文件，最終將結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞給接口類中對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型變量.

2.3塔機(jī)參數(shù)化骨架建模及二維圖紙生成

塔機(jī)快速設(shè)計(jì)平臺采用一致性參數(shù)化建模技術(shù)建立了塔機(jī)各部分的骨架模型，并測試了這些模型的準(zhǔn)確性、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可傳遞性和模型可再生性等性能，確保可以實(shí)現(xiàn)塔機(jī)的Top-Down參數(shù)化建模.進(jìn)一步以ANSYS優(yōu)化所得結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸入，調(diào)用Pro/E命令驅(qū)動塔機(jī)骨架模型自動生成三維模型及二維圖紙.實(shí)現(xiàn)步驟如下（以起重臂拉桿為例）：

1）OpenSkeletonModelFile（“E：＼＼＼＼Model ＼＼＼＼QZB_LG.prt”）；//將此模型（含路徑）載入內(nèi)存.

2）ModifyParameter（ d， "QZB_LG_ D"）；//修改模型對應(yīng)參數(shù)（d為尺寸值，QZB_LG_D為對應(yīng)參數(shù)化模型變量）.

3）RefreshParameter（“E：＼＼＼＼Model＼＼＼＼ QZB_LG.prt”）；//驅(qū)動模型再生.

4）SaveSkeletonModelFile（）；//保存再生后模型.

此處，為方便用戶調(diào)用，已將Pro/E底層函數(shù)進(jìn)行封裝，使得用戶在不了解函數(shù)細(xì)節(jié)的情況下也可完成模型更改和再生.

二維工程圖生成模塊采用批量轉(zhuǎn)換技術(shù)，解決塔機(jī)零部件數(shù)量多、轉(zhuǎn)換工作量大的問題.調(diào)用ProDrawingFromTmpltCreate等函數(shù)，將參數(shù)化骨架模型生成對應(yīng)的二維圖模板，得到優(yōu)化數(shù)據(jù)驅(qū)動的與三維模型一一對應(yīng)的二維工程圖，設(shè)置模板還可以完成對工程圖的標(biāo)注.

2.4快速設(shè)計(jì)結(jié)果分析

以市場公認(rèn)成功設(shè)計(jì)的某款60噸米級在用塔機(jī)產(chǎn)品作為測試驗(yàn)證對象，運(yùn)用上述快速設(shè)計(jì)平臺完成同款塔機(jī)的設(shè)計(jì)，采用測試和理論分析相結(jié)合的方法對技術(shù)指標(biāo)逐項(xiàng)進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明，采用快速設(shè)計(jì)方法大幅縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，塔機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和材料分布得到了全面優(yōu)化，總重量降低了7%左右，在保證安全性、穩(wěn)定性、可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)，見表2.

上述測試分析結(jié)果表明，快速設(shè)計(jì)方法大幅縮短了塔機(jī)的設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比具有明顯的優(yōu)越性，受到塔機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的好評.

3結(jié)論

本文針對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)，提出了以一致性產(chǎn)品信息模型和全設(shè)計(jì)流程原理為基礎(chǔ)，以參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型和有限元分析模型為數(shù)據(jù)載體，以集成化軟件平臺和接口技術(shù)為途徑的產(chǎn)品多平臺快速設(shè)計(jì)的新方法.該方法包括產(chǎn)品規(guī)范計(jì)算、APDL參數(shù)化有限元分析優(yōu)化、Top-Down參數(shù)化快速建模等步驟，以及數(shù)據(jù)模型規(guī)劃與存儲、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞和共享、軟件架構(gòu)和接口技術(shù)等，構(gòu)成了完整的多平臺快速設(shè)計(jì)軟件集成技術(shù).最后，將本文研究的方法應(yīng)用于塔式起重機(jī)的研發(fā)中，研制了塔機(jī)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺，并通過設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了本文提出的多平臺產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性.

參考文獻(xiàn)

[1]汪洋.適應(yīng)市場條件的機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)技術(shù)探討[J].中國市場， 2007（1）： 81-82.

WANG Yang. Study on rapid design technology of mechanical products to adapt to market conditions[J]. China Market， 2007（1）： 81-82.（In Chinese）

[2]陳永亮，徐燕申，齊爾麥.機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)平臺的研究與開發(fā)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，35（6）：680-684.

CHEN Yong-liang， XU Yan-shen， QI Er-mai. Research and development of rapid design platform for mechanical products[J]. Journal of Tianjin University： Science and Technology， 2002， 35（6）：680-684. （In Chinese）

[3]LIU Wei-wei， SHAO Wen-da. Research on the knowledge acquirement of rapid design for mechanical products[J]. IERI Procedia， 2014， 7：96-101.

[4]PENOYER J A， BURNETT G， FAWCETT D J， et al. Knowledge based product life cycle systems： principles of integration of KBE and C3P[J]. Computer Aided Design， 2000， 32（S5/6）：311-320.

[5]劉子建，王平，艾彥迪.面向過程的產(chǎn)品信息虛擬裝配建模技術(shù)研究[J].中國機(jī)械工程，2011，22（1）：60-64.

LIU Zi-jian， WANG Ping， AI Yan-di. Research on process-oriented virtual assembly modeling technology for product information[J]. China Mechanical Engineering， 2011， 22（1）：60-64. （In Chinese）

[6]劉子建，董思科，王平，等.設(shè)計(jì)行為意義上的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)特性評價(jià)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2011， 38（11）： 47-53.

LIU Zi-jian， DONG Si-ke， WANG Ping， et al. Characteristic evaluation of the sense of design behavior for digital design system[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2011， 38（11）：47-53. （In Chinese）

[7]陳祝權(quán)，梁曉合，林粵科，等.六自由度串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2013（23）：97-101.

CHEN Zhu-quan， LIANG Xiao-he， LIN Yue-ke， et al. Structural design and optimization of 6 axes serial robot[J]. Machine Tool & Hydraulics， 2013（23）：97-101. （In Chinese）

[8]牟彧清，王汝霖，李國新.MATLAB與VC接口技術(shù)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（21）：275-277.

MU Yu-qing， WANG Ru-lin， LI Guo-xin. The research of the interface technology between MATLAB and VC[J]. Control & Automation， 2006， 22（21）：275-277. （In Chinese）

[9]楊文臣，張輪，何兆成，等.Matlab與VC++混合編程及其在交通信號兩級模糊控制中的應(yīng)用[J].公路交通科技，2012，29（9）：123-128.

YANG Wen-chen， ZHANG Lun， HE Zhao-cheng， et al. Matlab & VC++ hybrid programming and its application in two-stage fuzzy control for urban traffic signals[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2012， 29（9）：123-128. （In Chinese）

[10]林能輝，彭凌云，劉杰. ANSYS二次開發(fā)技術(shù)及其在土木工程中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（8）：34-37.

LIN Neng-hui， PENG Ling-yun， LIU Jie. The secondary-development of ANSYS and its application in civil engineering[J]. Computer Applications and Software， 2012， 29（8）：34-37. （In Chinese）

[11]沈斌，陳驍，姚秀卿.產(chǎn)品參數(shù)化在Pro/E二次開發(fā)中的應(yīng)用[J].機(jī)電一體化，2012，18（6）：73-76.

SHEN Bin， CHEN Xiao， YAO Xiu-qing. The application of product parameterization in Pro/E secondary development[J]. Mechatronics， 2012， 18（6）：73-76. （In Chinese）

[12]繆燕平， 何柏林. Pro/TOOLKIT對Pro/E二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2008（9）： 185-187.

MIAO Yan-ping， HE Bo-lin. Study on parametric design system based on secondary development of Pro/Toolkit[J]. Machinery Design & Manufacture， 2008（9）：185-187. （In Chinese）

[13]苗德成，奚建清，蘇錦鈿.一種數(shù)據(jù)模型的范疇論建模方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013，30（9）：2744-2747.

MIAO De-cheng， XI Jian-qing， SU Jin-dian. Categorical approach for making model of data model[J]. Application Research of Computers， 2013， 30（9）：2744-2747. （In Chinese）

[14]苗明，高原.起重機(jī)伸縮臂的ANSYS二次開發(fā)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械， 2011（3）：53-55.

MIAO Ming， GAO Yuan. ANSYS secondary development of crane telescopic boom[J]. Hoisting and Conveying Machinery， 2011（3）：53-55. （In Chinese）

[15]ZHAO W T， GUO F， LI X， et al. Reliability analysis of composite structure using ANSYS software[J]. Advanced Materials Research， 2014， 945/949：1155-1158.