随着市场竞争的日趋激烈，能够在最短的时间内设计出满足客户个性化需求、性能优良、质量可靠的产品已成为企业制胜的关键。Meyer和Alvin等人指出在实际产品设计生产过程中，约有70%的产品设计是在已有的产品基础上，根据用户新的需求做局部的结构变化或参数调整来完成的，即属于变型设计的范畴。变型设计一般基于已有的工作原理，按照实际功能需求对结构等进行重新调整布局，以产生适应新产品的设计技术，它可以充分利用企业已有的设计资源和设计人员良好的经验，提高产品的设计效率，降低成本，保证产品质量。变型设计在满足客户个性化需求，特别是产品多样化的需求有显著的优势。
门式启闭机是一种专用于启闭水工建筑物、闸门、发电厂与拦污栅用的起重机械，门式启闭机作为一种典型的非标准结构类产品，针对不同的工况，其结构中关键承载部件，例如小车架结构型式多变，具有很强的设计随意性和灵活性。而且门式启闭机的设计一般是在已有的产品基础上进行变型设计，知识重用度极高，然而现阶段门式启闭机相关设计制造部门缺乏专用的工具，难以数字化保存和重用已有的设计知识和经验，造成每一次新的设计只能重新设计计算和绘图，延长开发周期，增加开发成本。因此，现阶段构建门式启闭机快速变型设计平台意义重大。
1 基于模块化的产品变型设计
1.1 模块化设计
模块化设计是在对一定范围内功能相同但性能、规格不同的产品进行分析的基础上，划分构建出一系列模块，通过模块的选择和组合迅速构成满足不同需求产品的一种设计方法，模块化设计一般分为以下3个步骤。
1.1.1 模块的划分
根据设计要求对产品进行功能分析，分解抽象出设计模块。具体是将一套复杂机械产品分解成若干个一级模块，一级模块又可以分解成若干个二级模块，依次类推，每个模块下包含了多个具有某种共同性质的零部件，这些零部件具有较强的互换性，便于设计时替换，如图1所示。
图1 产品的模块划分
模块划分时一般要考虑以下几方面问题：
(1)模块在功能和结构上具有独立性和完整性。模块划分是对产品的总体功能及结构进行分析、分解后得到若干个基本模块，每个模块应具有一定的独立性和完整性，这样有利于模块之间的组合，可以构成多样化的产品。
(2)零部件之间的相关度。产品所有零部件之间的相关度计算是模块划分的重要依据。假设零部件之间的相关类型有n种，第k种相关对相关度的影响因子为rk，则零部件mi和mj之间的相关度为：
相关度
式中：当mi和mj之间不满足第k种相关时，mi，j=0；当mi和mj之间满足第七种相关时，mi，j=1。
(3)零部件聚合成模块。将分解得到的零部件与各个模块进行比较，判断其是否满足该模块的结构和功能要求，据此可以将所有零部件划分到相应的模块中，完成初步划分模块。
(4)模块划分的级数。模块划分的级数越多，单个模块的成本会下降，但模块之间的接口会更加复杂，接口成本也会急剧上升；相反如果模块的级数过少，则单个模块的成本较高，且不利于设计的灵活性。因此，在划分模块时需要根据产品自身的特点及实际设计需求来确定合理的级数。
文中以门式启闭机为例对其进行模块划分，根据门式启闭机各部分的功能特点可将其划分成起升机构、金属结构和运行机构等3大部分组成，再依次向下划分，结构如图2所示。
图2 门式启闭机的模块划分
1.1.2 模块的构建
模块划分完成后，要对各个模块进行具体的构建，主要包括以下4方面的内容：
(1)模块管理。主要确定各模块的名称、功能及零部件数目等。
(2)模块构成。确定各模块内部包含的零部件名称、特点及性能等。
(3)几何造型。确定描述零部件结构的几何形状和尺寸参数，并根据设计需求将部分参数设为驱动参数。
(4)接口处理。产品设计过程中，各模块的零部件要根据设计需求的不同而替换，模块之间并不是独立的，而是有一定的约束联系，因此，必须定义好模块之间的接口关系以解决好装配问题。例如图3所示，若产品设计时，在一级模块下选择“零件11”，由于模块1对模块3有一定的约束，会使得模块3只能选择“零件32”而不能选择“零件31”等。
图3 模块之间的约束关系
1.1.3 模块的重组
这一步是模块划分和构建的目的，体现在具体的设计阶段，设计人员根据具体要求在各个模块下选择满足条件的零部件组合成新的产品。
1.2 门式启闭机小车架的变型设计
门式启闭机的小车架结构形式多变，设计较灵活，文中系统采用了基于模块化的变型设计方法，首先根据功能将小车架划分成7个模块，用户可以通过以下两种方式实现小车架的变型设计。
(1)产品库中存在相似模板的情况下，设计人员可以通过调用模板并对其进行修改以得到目标产品，原理如图4所示。
图4 小车架模块化变型原理图1
(2)当产品库中没有任何相似模板的情况下，设计人员按照规定的顺序依次选择每个模块下某种结构形式的零部件，将不同模块组合在一起，得到满足要求的产品。原理如图5所示。
图5 小车架模块化变型原理图2
通过上述方法，设计人员可以很灵活地根据设计需求，合理地利用已有的设计资源和经验，快速实现小车架的变型设计。
2 复杂机械产品变型设计平台
2.1 平台的体系
复杂机械产品快速变型设计平台是一个支持虚拟设计和评价，支持产品变型与分析集成应用系统。文中系统在AutoCAD和ANSYS软件平台基础上，以Access为后台数据库统一管理。运用Visual C++开发环境，综合ARX编程技术、人机交互技术和数据库操作技术等，实现了设计模型和分析模型的无缝集成，最终实现门式启闭机可视化、数字化的快速响应变型设计。设计人员在平台引导下，按照规范的设计流程，在交互界面下输入设计参数、选择零部件类型，系统通过参数关联、传递和判断，驱动生成产品CAD与CAE模型，完成模型的变型设计与分析，并将产品实例的三维虚拟原型、主要技术参数、有限元分析结果及零部件的二维图信息全部保存。系统所包含的功能如图6所示。
图6 系统的功能模块构成
2.2 平台的设计流程
平台的流程如图7所示。设计人员首先根据用户需求和设计经验判断产品库中是否已经存在相似的产品，如果有则调用相似产品在CAD模块下对其进行修改，接着进入CAE模块中进行有限元分析；如果没有则新建产品，根据初始条件的参数在CAD模块中依次设计出门式启闭机的起升机构、小车架和门架，然后进入CAE模块对设计的产品进行有限元分析。通过上述两种方法，用户根据CAE模块分析的结果做出判断并反馈设计，直至分析结果满足设计需求，即得到目标产品，并将本次设计产品存入产品库，供下次设计调用，提高了知识的重用度。
图7 平台的设计系统流程图
2.3 关键技术
2.3.1 参数化设计
参数化技术是变型设计中重要的技术之一。运用ObjectARX技术和APDL语言分别对AutoCAD和ANSYS进行二次开发，构建了完整的门式启闭机三维参数化CAD和CAE模型，并开发出了友好的设计界面，设计人员不用具体建模，只需要在相应的界面下输入合理的设计参数即可生产相应的模型，极大地提高了设计效率。
2.3.2 CAD/CAE集成
CAD/CAE系统集成分为专用数据接口集成、中性文件集成、基于统一产品模型的集成等方式，其中前两种方法难以消除模型转换“理想化”处理过程。文中采用了第3种方式实现CAD/CAE集成，原理如图8所示。
图8 CAD/CAE集成原理图
运用ObjectARX语言和APDL语言分别编写出各零部件的CAD模型和CAE模型，并基于特征转换的原理，将两种模型的参数一一对应关联，通过数据库统一管理，设计人员在输人参数后，程序会通过ARX命令流构建CAD模型，并将参数写入数据库中保存，同时修改APDL命令流中对应的参数，实现参数的传递和共享，从而实现系统CAD/CAE集成。
例如，定义小车架总体结构的APDL命令流中“宽度”与“跨距”参数的赋值代码为：
图9所示为输入小车架宽度和跨距界面。当用户通过系统设计产品输入参数值时，单击“确定”后，后台程序会将数据写入数据库保存，然后再读取出将APDL命令流中的chejia_kuaju及chejia_kuan改成用户输入的值，主要编程代码如下：
图9 用户输入宽度与跨距参数
代码中changeWord()函数为自定义函数，作用是让程序读APDL命令流时找到需要修改的代码标识，例如“chejia_kuaju=”，并将其后面的值修改为用户输入的参数，函数原型如下：
3 应用实例
文中开发的平台实现了变结构小车架模型的设计与分析，如图10和图11分别为一种结构形式的双吊点小车架的三维设计模型和有限元分析模型，其宽度为5.2m，跨距为7.6m，起重量为2×630kN，设计人员通过平台进一步进行验证计算、修改等，最终得到符合要求的产品实例，导出零件的二维工程图，并将产品保存到平台的实例库中，供下次设计时调用。
图10 启闭机小车架三维设计模型
图11 启闭机小车架有限元模型
4 结束语
给出了一种基于模块化的复杂机械产品变型设计与分析的方法，在此基础上，以门式启闭机为例，以AutoCAD为图形平台，ANSYS为分析平台，并融入启闭机设计流程，开发出了门式启闭机变型设计平台。实践证明，该平台满足启闭机设计多样化的需求，缩短了设计周期，提高了知识重用度和设计人员的效率，具有推广应用价值。
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本文标题：基于模块化方法的复杂机械产品变型设计
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