面向起重机起升机构CAD/CAE设计的知识重用方法研究

王相兵，马士良，杜全斌，周 航

（1.河南 省超硬材料智能制造装备集成重点实验室，河南 郑州 4511911；2.河南 机电职业学院机电工程学院，河南 郑州 451191）

1 引言

研究表明，在起重机新产品开发中，约40%是重用已有的部件设计，约40%是对已有的部件设计稍作修改，而新设计仅占20%[1]。因此，起重机企业在产品设计过程中越来越注重设计知识、设计经验的积累，进行设计资源共享与重用，以提高设计效率。

同时以现代设计方法为支撑的CAD/CAE设计技术，综合运用各种先进的设计方法能够很好的融合知识、经验等设计资源，满足上述设计要求，可有效缩短产品开发周期，提高企业市场竞争力[2-3]。

文献[4]研究了知识重用的层次划分，标准件库的知识分类和表示方法，采用实例推理的方法实现标准件检索、自动装配；文献[5]在CBR方法的基础上，采用参数化设计和有限元分析相结合的方法，开发了起重机结构的快速设计系统；文献[6]研究了基于粗糙集理论的实例检索方法，提高了检索的准确性，实现门式起重机设计过程中的知识重用。

上述文献采用不同的知识重用方法在知识重用的实例检索、修改、推理等方面进行了深入的研究，不同程度上提高了产品设计重用效率。

起升机构是起重机中用于升降重物的机构，主要由吊钩组、电机、减速器、卷筒组件、钢丝绳、等零部件构成。起升机构产品开发中不同系列的零部件结构设计过程繁琐，重复性大，效率低。为此，研究起升机构知识重用技术，开发起升机构CAD/CAE设计系统，将大大提高其产品设计效率，缩短产品开发周期，快速响应市场需求，对起重机企业具有重要意义。因此，本文将在上述研究文献的基础上结合起重机起升机构产品设计特点研究知识重用的实现方法，研究规则推理RBR和实例推理CBR相结合的混合推理技术、研究基于知识重用的参数化CAD/CAE设计过程，最后以起重机起升机构CAD/CAE开发实例进行验证。

2 起升机构的设计知识重用技术

2.1 起升机构设计重用的知识概念与表达

设计知识是指人们在产品设计中用于产品设计与决策的各种设计方法、原理、过程、规则、经验、实验数据以及已存在的产品及模型等。起重机起升机构的设计知识首先依照起重机械设计标准，结合设计人员经验，研究参照已开发的产品，将设计知识按照一定的规则存入数据库；然后，通过合适的知识表达方式在新产品设计中加以运用。

知识的表达是知识重用的关键技术，知识的表达方式有以下几种：产生式规则表示法、过程表示法、文件表示法和数据库表示法等[7]。

2.1.1 设计中参数知识的数据表示

在进行起升机构参数化设计过程中，需要用到大量的设计参数，设计知识的重用很大一部分是设计参数的重用，采用数据库将设计中用到的参数数据进行合理规范的管理和存储，方便后期检索、重用与维护。

2.1.2 起升机构模块知识编码表示

在进行起升机构的设计时，我们需对要其进行模块划分，因为其构造复杂，划分的模块也相对较多，设计人员常用编码的方式对模块知识进行描述，以便于对信息的检索与重用。在设计起重机的过程中所用到的编码知识包括起重机类型的代号、起重量、跨度及工作级别四个主要的参数。起重机起升机构，如图1所示。

图1 起升机构模块知识编码表示规则Fig.1 Knowledge Coding Representation Rules for Lifting Mechanism Modules

模块知识编码表示规则。

例如，Q-20t-8m-M5-DB02-B01-L01 表示桥式起重机20吨额定起重量8m跨度M5级的工作级别起升机构卷筒组的L01号零件卷筒体。

2.1.3 产生式的规则形式存在的设计知识表示

一般由设计师从设计经验中获取此类知识，此类知识最大特点是由相应前提映射出相应结果。在进行起升机构设计中存在大量的此类知识，例如在进行卷筒长度的设计中，卷筒有单联卷筒和双联卷筒之分，卷筒长度的计算需要不同的类型选取卷筒的计算公式。以if-then的设计规则来表示卷筒长度的计算方法：

if卷筒类型=“单联卷筒”then 卷筒长度L=L0+L1+L2；if卷筒类型=“双联卷筒”then卷筒长度L=2（L0+L1+L2）+L3。

产生式规则知识有助于实现设计的一致性，使设计过程有统一标准，避免个人经验因素产生的错误。

2.1.4 设计信息的文件表示

在起升机构的设计过程中，建立储存设计信息的文件表示法管理庞大复杂的设计信息是保证设计工作快速有效进行的重要手段。所涉及的设计信息文件主要包含零部件的特征建模驱动信息文件、工程图的设计信息文件和各类技术要求类的设计信息文件三类。

工程图的设计信息文件，主要包括视图基本信息、零件的尺寸、比例信息、材料信息及工艺信息，用于参数化设计的模板信息。

技术类的设计信息文件，主要包括设计计算说明书、产品设计目录、材料明细表及产品设计参数表等，用户经过这些文件可理解产品的设计信息。

2.1.5 设计经验的知识表达

起重机起升机构设计中一些零部件需个性化、定制化设计或者用常规设计难以解决的问题，这时经验设计知识将发挥其灵活的个性化设计作用。设计经验可分为设计工作流程的经验、经验值和选择决策。设计工作流程的知识，是把握设计先后次序，先整体后局部的参数设置，通过程序代码，用几个符合逻辑要求的模块表达设计过程，引导设计人员按程序引导顺序操作；经验值和选择决策可以用数据库的方式进行表达。

2.2 起升机构设计重用过程

为建立开发高效、高质量的满足不同需求的起重机起升机构产品的设计系统，需要建立完善的知识体系来实现设计知识的获取、表达、检索以及修改等[8]。起重机起升机构设计知识重用的框架结构，如图2所示。设计重用过程就是知识推理的过程，在进行起重机起升机构设计时，为提高其设计效率，采用基于实例和规则的混合推理技术[9]是有效方法和途径。基于规则和实例的混合推理的方式兼顾规则推理和实例推理两者的优点，可先采用规则推理技术使符合规则的设计实例范围得到一定程度的缩小，然后再根据实例的属性进行相似度计算，并最终获得已有实例的检索并进行修改。基于实例和规则的混合推理基本过程，如图3所示。其过程如下：首先，根据总体参数进行规则推理RBR和实例推理CBR，确定整体方案；其次，进行模块的实例检索，可使用规则推理进行标准模块实例的检索，以提高效率确保检索的准确性，利用实例推理进行非标准模块实例的相似度计算以获取最为相似的模块实例。

图2 起重机起升机构设计知识重用的框架结构Fig.2 Framework Structure of Knowledge Reuse in Crane Hoisting Mechanism Design

图3 基于实例和规则的混合推理基本过程Fig.3 Process of Hybrid Reasoning Based on Examples and Rule s

再次，对检索到的相似实例进行修改，采用先模块后零部件的顺序进行修改，对模块或部件，需要修改其尺寸、配合或者变形，对零件需要修改其尺寸和特征，对于标准件或者通用件，直接替换。最后，对新实例进行更新和保存。

2.3 起升机构知识重用系统的知识库、规则库、模型库的构建

起升机构知识库构建要能融入起重机起升机构产品的设计经验、零件的尺寸规范、计算标准、部件的装配原则以及标准件的选择规范等，起升机构知识库信息结构，主要包括参数信息、几何信息及选型信息，如图4所示。

图4 起升机构知识库信息结构Fig.4 Information Sstructure of Lifting Mechanism Knowledge Base

设计重用的过程需要实现设计过程的推理求解，因此就需要建立规则库，规则库主要包括公式库、零部件装配原则、选型原则等，规则表示方法很多，如谓词逻辑表示、产生式规则、面向对象的表示等。例如，减速器模块知识库的主要关系和推理有sub-ClassOf，EquivalentClass，disjointWith 及if-then ... elseif-then等。例如if齿轮圆周速度低于15m/s，输入轴转速不大于1500r/min，then减速器选型为QJ型减速器。

实例库应构建方便快速调用的标准系列产品模型，使设计人员通过适当更改即达到新设计的要求。为方便实例的检索和调用，实例库实例模型，如图5所示。

图5 实例库实例的模型表达Fig.5 Information Structure of Lifting Mechanism Knowledge Base

2.4 模块实例的检索与修改

实例相似度是判别实例间相似性的度量，用于判定新设计与实例库中最相似的程度[10]。实例的相似度采用加权平均相似度，为整体相似度，而实例中某个属性的相似度为局部相似度。

查询实例的加权平均相似度计算公式为［11］：

式中：sim（Pi，Ci）—单个属性的相似度；Pj，0—第j个查询实例；Pi—该查询实例的第i个属性；m—参数的属性个数；Wi—该实例第i个属性的相似度权重；Cj，k—实例库中的具体实例Ci代表该实例第i个属性。

相似度值代表两实例之间属性的差异值，其中，值位于区间[0，1]之间。实例的属性取值通常有三种：数值、范围和模糊语。而模糊语通过转化最终可以转化为数值型和范围型的取值。

数值与数值型［11］：执行检索算法，搜索实例库，逐个实例计算，先计算实例JT01属性相似度，四个属性约束条件分别进行计算。

表1 起重机卷筒模块设计实例属性表Tab. 1 Attribute Table for Design Example of Crane Drum Module

（1）材料属性，属于数值与数值型。该类型起重机

卷筒长度范围3m/min≤L≤18m/min。则：

即实例JT01的整体相似度为0.873，同理可计算JT02、JT03、JT04 的整体相似度分别为0.747、0.820、0.695，设定相似度阈值0.75，可确定相似实例JT01，JT03符合要求且JT01是最佳实例。

检索出的相似实例当某些设计参数不满足设计要求式，需要对这些参数进行修正。实例的修正即变型设计，可以调用规则库相应规则依据设计规范、规则对参数进行推理，使新修改的设计参数满足新产品尺寸的约束条件。

3 起升机构基于知识重用的参数化CAD/CAE设计的实现过程

基于知识重用的起升机构CAD/CAE 设计系统的基本功能流程，如图6所示。其设计过程主要包括设计需求分析，建立模型库、知识库、规则库，参数化CAD系统、参数化CAE系统四个阶段。设计需求是依据用户需求分析转化获取设计参数并存入数据库。模型库的建立主要利用参数化设计技术和模型的特征建立标准产品的参数化模型；知识库、规则库则基于已有的设计经验、设计准则、设计参数以及产品零部件的配合关系，建立起升机构的知识库、规则库。CAD系统首先利用RBR和CBR的推理混合技术检索、修改已有的模型、参数，完成新型号产品的参数化CAD设计，再根据知识重用设计结果，进行参数设置、计算，通过软件接口驱动更新参数化CAD 模型得到新型号产品的三维模型、工程图等CAD参数化设计结果文件。CAE系统通过转换零部件的CAD模型格式，建立有限元分析的相关前处理文本文件，然后调用文本文件实现模型的网格划分，载荷、约束的自动加载及自动求解分析，模拟出应力和变形云图等结果文件资料，分析设计缺陷，优化结构参数，CAE设计阶段可以重用有限元模型和前处理文件及命令流程序等。

图6 起升机构CAD/CAE设计系统的基本功能流程Fig.6 Basic Function Flow Chart of Lifting Mechanism CAD/CAE Design

4 起升机构CAD/CAE设计的知识重用应用实例

以某公司50t 双梁起重机起升机构为产品设计对象，运用VB+SQL 进行GUI 设计，采用SolidWorks 和ANSYS 软件开发起重机起升机构CAD/CAE 设计系统，如图7所示。该系统由数据库系统、知识库系统、CAD/CAE 系统等构成。该系统首先根据起升机构产品构成、结构特点，利用系统知识库、规则库等相关设计资源采用基于RBR 和CBR 混合推理技术将起升机构划分为电机模块、减速器模块、卷筒组模块等6 个组成模块，并确定总体设计方案。

图7 起重机起升机构CAD/CAE设计系统总体界面Fig.7 Overall Interface of Crane Hoisting Mechanism CAD/CAE Design

通过总体界面选择不同的模块可分别进行相应模块零部件的CAD/CAE设计。图8～图10表示对起升机构卷筒组模块零部件CAD/CAE 完整设计过程。其中图8为实例检索界面，依据界面条件参数计算实例库中待查询实例各属性的局部相似度及整体相似度，设定阈值，完成实例的查询匹配，并根据设计准则进行零部件替换或变型设计，变型设计首先应考虑卷筒组模块内部零部件的变更关系，如卷筒体外径D的大小直接影响其他零部件的尺寸大小。另外还应考虑对其它模块的影响，如D改变时，会影响绳轮钩模块的选型，设计时可利用规则库中公式规则调整确定钢丝绳直径系列值。然后再根据图9进行参数化设计得到卷筒组模块及零部件的参数化CAD模型及工程图。

图8 卷筒组模块的实例查询设计界面Fig.8 Case Query Design Interface of Drum Group Module

图9 卷筒组模块的参数化CAD设计Fig.9 Parametric CAD Design of Drum Group Module

图10 卷筒模块零部件的参数化CAE设计Fig.10 Parametric CAE Design for Reel Module Components

完成卷筒组模块零部件CAD设计后转换其CAD模型格式，建立有限元分析的相关前处理文本文件及过程分析文本，编制APDL命令流程序，执行程序过程中调用前处理文本等文件，完成卷筒组件的有限元的分析并生成结果文件，如图10所示。通过有限元分析对卷筒模块零部件进行强度校核，分析CAD阶段是否存在缺陷，优化并最终确定卷筒组模块零部件相关结构参数。

起升机构其它模块及零部件的CAD/CAE 设计可以重用与卷筒组模块相同的实例检索过程方法、规则及关键零部件的CAE命令流模板，但在进行CAE 分析时根据不同零部件的结构、功能、状态，采用不同的网格划分方法、载荷和约束添加等。

5 结语

针对系列化程度高的起重机起升机构设计过程中所面临的重复工作量大等问题，研究利用RBR和CBR相结合的混合推理重用技术建立起升机构产品的知识库、规则库，采用模块化、参数化技术进行分析讨论，开发起重机起升机构集参数化CAD和有限元分析为一体的CAD/CAE设计系统，通过实例重用与修改快速实现起升机构产品设计。该方法能够有效重用企业设计资源，明显提高设计效率，为起重机等机械产品企业设计资源库构建与共享，CAD/CAE系统开发提供方法依据。