回轉支承CAD研究與開發
2009-11-25 倪其民 吳光琳
（上海交通大學模具CAD國家工程研究中心）
（上海交通大學模具CAD國家工程研究中心）
1 引言
回轉支承廣泛應用于汽車起重機、挖掘機和礦山機械等工程機械和雷達、自動跟蹤火炮等軍工產品上。我國對回轉支承設計理論開展的研究較少，目前基本上采用傳統的設計方法，設計水平與臺架試驗都落后于德國、日本等發達國家。
回轉支承有多種型式，它的設計既有類型的選擇，又有受力和結構尺寸的計算，集非數值性的專家策劃、推理過程和數值性的科學計算于一體。因此，在回轉支承的設計中應用專家系統技術，具有重大工程應用價值。調查表明，回轉支承一般在低速重載條件下工作，造成其失效的原因多是由于結構薄弱部分的強度不足。因此，對回轉支承進行有限元靜力結構分析，可有效預測回轉支承的承載能力及其薄弱環節，為再設計的進行和工藝措施的采用指引方向。參數化繪圖技術在CAD系統的設計開發上有著越來越廣泛的應用，其優越性在系統化產品的工程圖繪制方面尤為突出。本文在充分收集和分析回轉支承設計資料和設計經驗的基礎上，研究開發集設計、結構分析和自動繪圖于一體的回轉支承CAD系統。
2 系統結構與設計
回轉支承CAD系統匯集了數據庫技術、知識庫技術、計算與推理技術、有限元分析技術和參數化繪圖技術。整個系統由設計型專家系統、有限元分析和參數化繪圖三個部分組成。各部分之間既組合、協作，又功能獨立，每個模塊都可單獨作為一個子系統來使用，通過系統框架將各模塊的功能有機結合起來，以滿足用戶的需要，系統總體結構如圖1所示。
回轉支承廣泛應用于汽車起重機、挖掘機和礦山機械等工程機械和雷達、自動跟蹤火炮等軍工產品上。我國對回轉支承設計理論開展的研究較少，目前基本上采用傳統的設計方法，設計水平與臺架試驗都落后于德國、日本等發達國家。
回轉支承有多種型式，它的設計既有類型的選擇，又有受力和結構尺寸的計算，集非數值性的專家策劃、推理過程和數值性的科學計算于一體。因此，在回轉支承的設計中應用專家系統技術，具有重大工程應用價值。調查表明，回轉支承一般在低速重載條件下工作，造成其失效的原因多是由于結構薄弱部分的強度不足。因此，對回轉支承進行有限元靜力結構分析，可有效預測回轉支承的承載能力及其薄弱環節，為再設計的進行和工藝措施的采用指引方向。參數化繪圖技術在CAD系統的設計開發上有著越來越廣泛的應用，其優越性在系統化產品的工程圖繪制方面尤為突出。本文在充分收集和分析回轉支承設計資料和設計經驗的基礎上，研究開發集設計、結構分析和自動繪圖于一體的回轉支承CAD系統。
2 系統結構與設計
回轉支承CAD系統匯集了數據庫技術、知識庫技術、計算與推理技術、有限元分析技術和參數化繪圖技術。整個系統由設計型專家系統、有限元分析和參數化繪圖三個部分組成。各部分之間既組合、協作，又功能獨立，每個模塊都可單獨作為一個子系統來使用，通過系統框架將各模塊的功能有機結合起來，以滿足用戶的需要，系統總體結構如圖1所示。
圖1 回轉支承CAD系統總體結構
2.1 設計型專家系統
設計型專家系統可針對用戶提出的設計要求和使用條件，完成回轉支承的選型和結構設計工作，提供幾個設計方案供用戶選擇，并可根據用戶對設計結果的評價進行再設計。
2.1.1 專家系統的模塊結構
回轉支承設計型專家系統結構如圖2所示，由四個子模塊組成：
設計型專家系統可針對用戶提出的設計要求和使用條件，完成回轉支承的選型和結構設計工作，提供幾個設計方案供用戶選擇，并可根據用戶對設計結果的評價進行再設計。
2.1.1 專家系統的模塊結構
回轉支承設計型專家系統結構如圖2所示，由四個子模塊組成：
圖2 回轉支承設計型專家系統結構
設計知識獲取模塊：把回轉支承設計中所涉及的專門知識從某些知識源中提煉出來，并把它們轉換成計算機可執行代碼。知識的獲取需要知識工程師和領域專家的共同努力與合作。SRBCADW系統采用自動獲取和人工獲取相結合的方法。人工獲取是由系統設計者歸納總結專家的經驗知識和設計書刊中的公開知識，自動獲取是從大量的設計實例中自動生成知識。
設計知識表達模塊：由數據庫、知識庫和方法庫組成。數據庫用來存放材料特性、尺寸公差等圖表數據以及計算公式中的經驗數據，知識庫存貯回轉支承設計過程所需的各種經驗知識：方法庫為設計人員提供了不同結構型式回轉支承的常用計算公式。
設計知識管理模塊：由數據庫管理模塊、知識庫管理模塊和方法庫管理模塊組成。通過設計知識管理模塊可對數據庫、知識庫、方法庫進行增加、修改、刪除、檢查和維護等操作。
設計處理模塊：包括推理機、黑板和解釋器。推理機根據回轉支承的設計要求和使用條件，調用相應知識模塊，對設計問題進行求解。黑板用于存放設計要求、中間結果和Z終結果。解釋器負責向用戶解釋設計的推理過程。
2.1.2 知識的組織
由于問題本身的復雜性，回轉支承設計型專家系統所用的知識量較大。為了克服大系統而引起的效率不高的問題，我們對知識進行了有效的組織。首先是知識的分層表示，每一層知識均能控制調用它的下一層知識。分層表示使系統能通過相應的知識處理單元完成求解任務的分解，并有效地完成該子任務；其次是將伺服型的框架知識與主導推理的產生式知識分離，放于不同的知識庫中；三是在知識庫中存貯了元規則供推理機使用。
2.2 有限元分析
有限元分析可用來對設計結果提供的回轉支承進行結構分析，為再設計提供依據。
2.2.1 數據來源
回轉支承幾何建模所需的數據可由設計結果傳來，載荷參數是初始輸入數據，材料特性從數據庫中調入。如單獨使用本模塊對已有設計進行結構分析，則需要在用戶界面下完成主要幾何尺寸、承載條件等參數的輸入。在Windows環境下開發的對話框，使用戶很容易完成這個工作。
2.2.2 前處理
本文針對回轉支承的結構和承載特點，開發了功能完善的有限元前處理系統，包括網格自動劃分、載荷移置、邊界條件處理等,其工作流程如圖3所示。
設計知識表達模塊：由數據庫、知識庫和方法庫組成。數據庫用來存放材料特性、尺寸公差等圖表數據以及計算公式中的經驗數據，知識庫存貯回轉支承設計過程所需的各種經驗知識：方法庫為設計人員提供了不同結構型式回轉支承的常用計算公式。
設計知識管理模塊：由數據庫管理模塊、知識庫管理模塊和方法庫管理模塊組成。通過設計知識管理模塊可對數據庫、知識庫、方法庫進行增加、修改、刪除、檢查和維護等操作。
設計處理模塊：包括推理機、黑板和解釋器。推理機根據回轉支承的設計要求和使用條件，調用相應知識模塊，對設計問題進行求解。黑板用于存放設計要求、中間結果和Z終結果。解釋器負責向用戶解釋設計的推理過程。
2.1.2 知識的組織
由于問題本身的復雜性，回轉支承設計型專家系統所用的知識量較大。為了克服大系統而引起的效率不高的問題，我們對知識進行了有效的組織。首先是知識的分層表示，每一層知識均能控制調用它的下一層知識。分層表示使系統能通過相應的知識處理單元完成求解任務的分解，并有效地完成該子任務；其次是將伺服型的框架知識與主導推理的產生式知識分離，放于不同的知識庫中；三是在知識庫中存貯了元規則供推理機使用。
2.2 有限元分析
有限元分析可用來對設計結果提供的回轉支承進行結構分析，為再設計提供依據。
2.2.1 數據來源
回轉支承幾何建模所需的數據可由設計結果傳來，載荷參數是初始輸入數據，材料特性從數據庫中調入。如單獨使用本模塊對已有設計進行結構分析，則需要在用戶界面下完成主要幾何尺寸、承載條件等參數的輸入。在Windows環境下開發的對話框，使用戶很容易完成這個工作。
2.2.2 前處理
本文針對回轉支承的結構和承載特點，開發了功能完善的有限元前處理系統，包括網格自動劃分、載荷移置、邊界條件處理等,其工作流程如圖3所示。
圖3
單元類型選擇三維八節點等參數單元。網格劃分沿徑向、周向和豎向進行，網格疏密可由程序自動確定，用戶也可通過交互的方法進行調節和控制。
為便于用戶直觀觀察網格劃分情況，本文采用文獻的算法，對生成的三維有限元網格進行了消隱處理。
2.2.3 有限元計算和后處理
有限元計算可根據前處理所生成的數據文件，直接調用通用有限元分析軟件（SRBCADW系統選用ALGOR）來完成。
后處理系統采用已有軟件和自主開發相結合的方法，一方面通過調用功能強大的有限元專用后處理模塊SuperView來實現計算的可視化，另一方面又自主開發了一個模塊對計算結果進行數值分析，所得結論和建議可反饋給設計專家系統。
2.3 參數化繪圖
參數化繪圖是相對交互式繪圖而言的。只有實現參數化繪圖，才能充分發揮CAD準確、快速的特點。
SRBCADW系統以AutoCAD R13 for Windows為圖形平臺，C++為編程語言，ADS為開發工具，開發一套完整的回轉支承參數化繪圖程序。在AutoCAD環境下，設置了三個層，分別用于繪圖、標注尺寸、插入標題欄及技術要求。另外，系統還針對繪圖過程中。經常要進行粗糙度、基準面和形位公差等標注，建立了常用標準符號庫和標注子程序庫，從而大大提高了標注的速度和準確性，并可移植到相同開發平臺下機械類其它CAD系統中使用。
SRBCADW系統中的參數化繪圖模塊不僅能根據專家系統的設計結果迅速生成符合規范的工程圖，還允許用戶直接將自己的設計結果輸入系統，生成工程圖，具有很大的靈活性和相對獨立性。此外，本模塊還根據有關資料建立了常用系列回轉支承數據庫，通過ASI函數編程的方法存取數據庫中的數據，以完成常用回轉支承的自動繪圖過程。用戶在使用時只需選擇回轉支承的型號即可。同時，系統還為用戶提供了直觀的對專家系統設計結果或其它已存在設計結果進行查看和修改以及將查看、修改或輸入后的文件以自定義的文件名存入磁盤，以備隨時調用。
3 結束語
SRBCADW系統已經用VisualC+ +語言在586微機上實現，整個系統運行于兩種環境之下，前一部分進行的數據輸入和大量的推理、計算，主要在Win～dows環境下，繪圖部分在AutoCAD13.0下運行，這使前一部分運算速度不受AutoCAD環境約束。試用表明，該系統可大大減輕工程技術人員設計和繪圖的工作量，具有良好的應用前景。
為便于用戶直觀觀察網格劃分情況，本文采用文獻的算法，對生成的三維有限元網格進行了消隱處理。
2.2.3 有限元計算和后處理
有限元計算可根據前處理所生成的數據文件，直接調用通用有限元分析軟件（SRBCADW系統選用ALGOR）來完成。
后處理系統采用已有軟件和自主開發相結合的方法，一方面通過調用功能強大的有限元專用后處理模塊SuperView來實現計算的可視化，另一方面又自主開發了一個模塊對計算結果進行數值分析，所得結論和建議可反饋給設計專家系統。
2.3 參數化繪圖
參數化繪圖是相對交互式繪圖而言的。只有實現參數化繪圖，才能充分發揮CAD準確、快速的特點。
SRBCADW系統以AutoCAD R13 for Windows為圖形平臺，C++為編程語言，ADS為開發工具，開發一套完整的回轉支承參數化繪圖程序。在AutoCAD環境下，設置了三個層，分別用于繪圖、標注尺寸、插入標題欄及技術要求。另外，系統還針對繪圖過程中。經常要進行粗糙度、基準面和形位公差等標注，建立了常用標準符號庫和標注子程序庫，從而大大提高了標注的速度和準確性，并可移植到相同開發平臺下機械類其它CAD系統中使用。
SRBCADW系統中的參數化繪圖模塊不僅能根據專家系統的設計結果迅速生成符合規范的工程圖，還允許用戶直接將自己的設計結果輸入系統，生成工程圖，具有很大的靈活性和相對獨立性。此外，本模塊還根據有關資料建立了常用系列回轉支承數據庫，通過ASI函數編程的方法存取數據庫中的數據，以完成常用回轉支承的自動繪圖過程。用戶在使用時只需選擇回轉支承的型號即可。同時，系統還為用戶提供了直觀的對專家系統設計結果或其它已存在設計結果進行查看和修改以及將查看、修改或輸入后的文件以自定義的文件名存入磁盤，以備隨時調用。
3 結束語
SRBCADW系統已經用VisualC+ +語言在586微機上實現，整個系統運行于兩種環境之下，前一部分進行的數據輸入和大量的推理、計算，主要在Win～dows環境下，繪圖部分在AutoCAD13.0下運行，這使前一部分運算速度不受AutoCAD環境約束。試用表明，該系統可大大減輕工程技術人員設計和繪圖的工作量，具有良好的應用前景。