混凝土攪拌站快速設(shè)計平臺開發(fā)

（武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院 湖北 武漢 430072）

　　摘要：為了使混凝土攪拌站生產(chǎn)企業(yè)可以快速響應(yīng)市場，提高產(chǎn)品的設(shè)計速度和設(shè)計質(zhì)量，開發(fā)了混凝土攪拌站快速設(shè)計平臺。該平臺以模塊化設(shè)計為基礎(chǔ)，使用參數(shù)化、變量化分析優(yōu)化方法，實現(xiàn)了產(chǎn)品快速設(shè)計的目的。設(shè)計人員向平臺輸入設(shè)計需求后，系統(tǒng)會自動生成產(chǎn)品的有限元分析模型，并對模型進行有限元分析，如果分析結(jié)果不符合設(shè)計的需要，可以再次輸入?yún)?shù)進行分析，直到產(chǎn)生合適的結(jié)果，然后平臺會自動生成該產(chǎn)品的三維模型和工程圖紙。

　　關(guān)鍵詞：快速設(shè)計，混凝土攪拌站，產(chǎn)品族，APDL，CATIA/CAA

前言

　　近年來，隨著全球化經(jīng)濟競爭的愈演愈烈，產(chǎn)品客戶化、快速交貨要求的不斷加強，迫切要求企業(yè)具有快速響應(yīng)市場能力。企業(yè)對市場響應(yīng)速度的快慢、產(chǎn)品開發(fā)一次成功率的高低，不僅決定了企業(yè)在市場上所占份額的大小，而且決定了企業(yè)能否立足市場的命運。如何在短期內(nèi)設(shè)計出符合客戶的個性化要求、質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良、成本低廉的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，是企業(yè)在市場競爭中占據(jù)有利地位的關(guān)鍵。為了達到快速響應(yīng)市場的目的，我們開發(fā)了針對專門產(chǎn)品的快速設(shè)計平臺。該平臺集成了ANSYS、CATIA、SQL Server數(shù)據(jù)庫、零件庫、部件庫和產(chǎn)品庫等，綜合利用已設(shè)計的產(chǎn)品族和各種CAD/CAE軟件的強大功能，極大地縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量。在第一期中，首先開發(fā)了混凝土攪拌站快速設(shè)計平臺。

快速設(shè)計技術(shù)簡介

　　快速設(shè)計（Rapid Design，RD）也稱快速響應(yīng)設(shè)計（Rapid Response Design，RRD）、敏捷設(shè)計(Agile Design，AD)。快速設(shè)計技術(shù)是當(dāng)前市場在對產(chǎn)品多樣化、瞬變性等需求的形勢下提出并發(fā)展起來的?？焖僭O(shè)計是指在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，針對市場和顧客需求，運用面向具體產(chǎn)品專用設(shè)計工具和設(shè)計知識，快速制定可以用于制造的方案，并使方案快速付諸實施的技術(shù)。

　　當(dāng)前國際市場需求快速變化的特點和21世紀(jì)更加個性化的市場趨勢，使產(chǎn)品投放市場的時間日益成為決定產(chǎn)品競爭力的重要因素，促進了快速設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。1992年6月，在 CIRP 國際會議(International Institution for Production Engineering Research，CIRP)上正式提出并行工程技術(shù)[1]，在此基礎(chǔ)上發(fā)展成旨在縮短產(chǎn)品設(shè)計周期的快速設(shè)計技術(shù)[2]（Rapid Design Technology，RDT）。美國 AUTOFACT96 以 “快速設(shè)計與制造”為主題進行了專題討論[3]，同時，各國紛紛掀起了“快速設(shè)計”理論、方法研究的熱潮。1998 年，我國機械工程科學(xué)基金會開始對“快速設(shè)計”進行立項，一些大學(xué)與研究機構(gòu)開始了對“快速設(shè)計”理論的研究。

　　產(chǎn)品快速設(shè)計是一種新的哲理，與計算機集成制造（CIM），精良工程（LP），并行工程（CE）和敏捷制造（AM）相比，產(chǎn)品快速設(shè)計與制造的主要目的是縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，以及提高企業(yè)對市場的快速響應(yīng)能力。與 CIM、LP 等不同，產(chǎn)品快速設(shè)計與制造并沒有將其解決問題的范圍擴大到企業(yè)的整個生產(chǎn)領(lǐng)域，而只是將重點放在縮短產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期上，尤其是總體結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計方案階段，以提高產(chǎn)品一次開發(fā)成功和快速響應(yīng)市場的能力。之所以如此，主要原因在于以下兩個方面。

　　（1）制造企業(yè)的許多產(chǎn)品須按照客戶的特殊要求進行開發(fā)，據(jù)統(tǒng)計，有些企業(yè)的設(shè)計開發(fā)周期甚至超過產(chǎn)品整個生產(chǎn)周期的 60％，造成產(chǎn)品的交貨期過長，使企業(yè)失去了很多客戶。如果為了保證產(chǎn)品交貨期的要求而壓縮制造時間，將會影響產(chǎn)品的制造質(zhì)量。

　?。?）產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段是降低成本的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)德國機械工程師協(xié)會（VDI）對企業(yè)的調(diào)查，雖然產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)成本通常僅占產(chǎn)品生產(chǎn)成本的 6％，但對產(chǎn)品總成本的影響卻在 60％以上[4]，原因在于，制造必須依據(jù)設(shè)計來進行，產(chǎn)品的設(shè)計決定了產(chǎn)品的工作原理、結(jié)構(gòu)、尺寸、材料及性能要求等，這些因素都對產(chǎn)品的成本有很大影響。

系統(tǒng)總體框架設(shè)計

　　系統(tǒng)總體框架如圖1所示。設(shè)計人員首先將產(chǎn)品所需的各種參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，直觀參數(shù)可以直接輸入；有些參數(shù)是非直觀的，可以通過系統(tǒng)配置平臺輸入。當(dāng)所需參數(shù)輸入集成管理平臺上后，系統(tǒng)分析、判斷輸入的參數(shù)和用戶的需求，然后確定產(chǎn)品所需的零件和部件，并確定系統(tǒng)各部分參數(shù)大小。

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　　集成管理平臺根據(jù)已經(jīng)確定的產(chǎn)品零件、部件和參數(shù)，自動生成產(chǎn)品主要受力部件的ANSYS模型，并進行有限元分析，如果滿足要求，則通過CATIA模型接口，自動生成產(chǎn)品的三維模型和工程圖。如果不滿足要求，則調(diào)整部件的參數(shù)，比如型鋼型號，再次進行有限元分析，直到得到滿足需求的產(chǎn)品參數(shù)和配置。

　　本系統(tǒng)基于局域網(wǎng)運行，平臺各組成部分在局域網(wǎng)上的分布如圖2所示。

　　在服務(wù)器上分布有系統(tǒng)集成管理平臺、系統(tǒng)配置平臺、數(shù)據(jù)庫、模型庫和新建實例的模型等。在各客戶端則是產(chǎn)品總體的設(shè)計人員和各部件的設(shè)計人員。當(dāng)產(chǎn)品總體設(shè)計人員完成總體設(shè)計后，如果各部件還需要細部的修改，那么負責(zé)相應(yīng)部件的設(shè)計人員，就可以在各個客戶端對各部件進行協(xié)同設(shè)計。

系統(tǒng)各子模塊設(shè)計

　　集成管理平臺是本系統(tǒng)的核心模塊，其主要功能為：通過相似度檢索實例；將用戶輸入的各種參數(shù)轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的參數(shù)和產(chǎn)品的配置；自動生成APDL代碼；自動生成操作CATIA模型的宏腳本代碼；將新實例存為模板；將所有提取的參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫等。

　　本系統(tǒng)和ANSYS的接口是通過APDL語言實現(xiàn)的。APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言，它是一種類似FORTRAN的解釋性語言，提供一般程序語言的功能，如參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量及矩陣運算、分支、循環(huán)、重復(fù)以及訪問ANSYS的有限元數(shù)據(jù)庫等，另外還提供簡單界面定制功能，實現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機制、界面驅(qū)動和運行相應(yīng)程序等[5]。

　　本系統(tǒng)和CATIA的接口是通過CATIA的二次開發(fā)工具CAA實現(xiàn)的。 CAA(Component Application Architecture)是Dassault Systems產(chǎn)品擴展和客戶進行二次開發(fā)的強有力工具。它可以進行從簡單到復(fù)雜的二次開發(fā)工作，和原系統(tǒng)的結(jié)合非常緊密，對于用戶的使用和系統(tǒng)的集成都很有利。CAA 的實現(xiàn)，是通過提供的快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境 RADE 和不同的應(yīng)用編程接口(Application Programming Interface ,API)程序來完成的。

　　模型庫中包括了CATIA模型和ANSYS模型。最終生成產(chǎn)品的模型是在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上重新生成的。CATIA的模型包括產(chǎn)品的零件庫、部件庫和產(chǎn)品庫。

系統(tǒng)實現(xiàn)

　　系統(tǒng)采用VC#.NET2005開發(fā)。C# 是一種簡潔、類型安全的面向?qū)ο蟮恼Z言，開發(fā)人員可以使用它來構(gòu)建在 .NET Framework 上運行的各種安全、可靠的應(yīng)用程序。使用 C#，您可以創(chuàng)建傳統(tǒng)的 Windows 客戶端應(yīng)用程序、XML Web services、分布式組件、客戶端 -服務(wù)器應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序以及很多其他類型的程序。Microsoft Visual C# 2005 提供高級代碼編輯器、方便的用戶界面設(shè)計器、集成調(diào)試器和許多其他工具，以在 C# 語言版本 2.0 和 .NET Framework 的基礎(chǔ)上加快應(yīng)用程序的開發(fā)[6]。

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　　數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2005。SQL Server 是一個全面的、集成的數(shù)據(jù)解決方案，它為組織中的用戶提供了一個更安全可靠和更高效的平臺，用于企業(yè)數(shù)據(jù)和 BI 應(yīng)用。SQL Server 2005 為 IT 專家和信息工作者帶來了強大的、熟悉的工具，同時降低了在從移動設(shè)備到企業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的多平臺上創(chuàng)建、部署、管理和使用企業(yè)數(shù)據(jù)和分析應(yīng)用程序的復(fù)雜性。通過全面的功能集成、與現(xiàn)有系統(tǒng)的互操作性以及對日常任務(wù)的自動化管理能力，SQL Server 2005 為不同規(guī)模的企業(yè)提供了一個完整的數(shù)據(jù)解決方案[7]。

結(jié)論

　　通過構(gòu)建零件庫、部件庫、產(chǎn)品庫和對CATIA、ANSYS進行二次開發(fā)，并將它們和數(shù)據(jù)庫集成，本文構(gòu)建了混凝土攪拌站快速設(shè)計平臺，實現(xiàn)了混凝土攪拌站的快速設(shè)計，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)快速相應(yīng)市場的能力。今后還應(yīng)該對產(chǎn)品的模型庫做更大的擴充，以適應(yīng)更多產(chǎn)品的快速設(shè)計。

　　參考文獻：

　　[1] G. Sohlenius. Concurrent engineering. Annals of the CIRP. 1992, 41(2):645~655.
　　[2] 陳子辰,唐任仲,21 世紀(jì)制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和對策,機電工程,1998,（1）:25~30
　　[3] 方昀,機械產(chǎn)品快速設(shè)計技術(shù),計算機輔助設(shè)計與制造,1999.5:5~6
　　[4] 顧佩華,設(shè)計理論與方法學(xué)研究方面的最新進展,機械與電子,1998.5:15~19
　　[5] 博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2004
　　[6] http://msdn2.microsoft.com/zh-cn/library/z1zx9t92(vs.80).aspx
　　[7] http://www.microsoft.com/china/sql/prodinfo/overview/default.mspx