起重机械计算机辅助概念设计的方法

作者：西南交通大学 濮德章

欢迎访问e展厅 展厅 3 起重机展厅 卷扬机, 升降机, 塔式起重机, 汽车起重机/随车吊, 二手汽车吊, ... 1.前言 概念设计(conceptual design）是指在满足约束的条件下由功能确定出形式的设计过程，也是一系列的决策过程。有研究表明，概念设计是决定一个项目或产品设计方案，节约投资和富有创造性的一个重要设计环节。 传统的概念设计完全是由人来完成的，它受到设计者的知识水平、经验，甚至情绪等多方面因素的影响，因此，设计过程具有很大的盲目性，而设计结果具有很大的随机性。 随着计算机技术的发展和设计方法的不断完善，形成了计算机辅助概念设计这一新的研究领域，并在土木、电子电路等工程设计中得到了应用，在机械工程领域中也有一些可喜的应用成果，如智能加工中心的设计，汽车的设计以及在机构学中的应用等。 本文将基于功能、约束、结构的概念设计方法应用于起重机械的设计中，重点讨论系统设计的方法，绘出总体框架，本研究对于利用计算重机械智能型设计方案，形成完整的起重机辅助设计系统具有重要的意义。 2.计算机辅助概念设计及其方法 2.1概念设计的定义 主要要注意2个概念：功能和结构。功能是指所要满足的最主要的特性；结构是一种构型或一种属性，或产品目录中的一种产品、一个元件。实际上，在设计的各个阶段，设计者都会遇到诸如采用何种结构来满足设计的功能要求之类的问题，解决这样的问题并得到一些设计结果的过程就称为念设计。因此，概括地说，概念设计具有以下4个特点： （1）概念设计以满足设计的功能要求为目的，这也说明了概念设计的内容，即概念设计以功能要求为主要研究内容。 （2）概念设计得到的结果应具有多样性即概念设计应能够得到一些，也不是一个结构组成方案。 （3）概念设计应是多层次的，只有这样才能实现设计结果的多样性及功能与结构的—一对应关系。 （4）概念设计应有利于创新，这是概念设计的灵魂。 2.2计算机辅助概念设计的方法 应用计算机来进行概念设计是近些年工程设计中的一个研究热点问题，已有各种方法，比较常用的是基于功能、结构和约束的概念设计方法，这 种方法可分为以下3个步骤： (1)将设计要求抽象为功能，并分解为主要功和次要功能。主要功能必须无条件地满足，而次功能是在设计约束容许的条件下尽可能地满足，与设计要求发生冲突时，可放宽要求，甚至可完；放弃。 (2)实现功能与结构之间的映射。 (3)由评价准则或评价方法评出最佳方案或较佳方案。 在上述步骤中，功能的分解和推理一般以符号进行，以使设计过程更加理性化，便于产生新的设一方案。而且在每一步骤中都应考虑设计约束，并随着设计过程的不断深人，又有新的设计约束加人其中。 通常，计算机辅助概念设计系统主要由功能模块、结构模块和评价模块组成。功能模块仅仅考虑主要功能，而不考虑约束、物理描述及制造过程。构模块既要描述实现主要功能的物理结构，还要包括功能模块所略去的所有信息。当功能模块和结构模块确定之后，便要建立能够表达设计要求路径抽象层次结构，根据输入/输出条件选择适当的功能模块，进而形成功能网络。评价模块用来对设得出的各种方案进行评价。 3 起重机械的概念设计 3.1 二起直机械的功能网络 起重机械是一种重要的搬运机械，无论在车站、码头还是在工厂车间，到处都可以看到各式各的起重机械。起重机械的主要功能应是起吊重物，并将其置于所期望的空间位置。这一功能又可分解为3个操作动作：取物、起升、定位。取物是指将起重机械与被起吊的重物联系在一起；起升和定位是将被起吊的重物移动到所期望的空间位置，即改变重物的空间位置，其中起升指重物在垂直地面方向上的运动，而定位指重物在平行于地面的平面内的运动。这3个操作动作可各自独立完成，也可将起升和定位2个动作组合在一起完成。图1给出了功能网络中的功能层和行为层，图中操作动作之间的连线表示可以组合实现。 至此，还不能实现功能与结构之间的映射，因为二者之间的关系还不是—一对应的，如完成取物这一动作就有许多装置可以采用。有研究表明，功能分解的最佳状态是功能与结构的—一对应。如果功能分解得过细，则求解所需的时间将增加很多，而分解过粗，则有可能丢掉一些好的设计方案。因此，有必要将功能继续向下分解，直到功能与结构有—一对应的关系为止。 根据完成各种操作动作的物理原理和方式不同，可以将功能进一步分解。现仅以取物为例加以说明。取物行为层以下的部分功能网络如图2所示。起升和定位或二者组合动作也有类似的功能网络结构。 系统根据输人的设计约束进行抉择．从而形成各种不同的求解路径，得到不同的设计方案。如重物为散粒状物料则应选用抓取作业方式，即使用抓斗；而当重物的尺寸范围变化较大，且需远距离操纵时应选用夹紧取物方式，夹紧取物又有支架一钳式、杠杆一钳式、杠杆一绳索式、偏心轮式等各种形式。若选定了某一种部件形式，进一步就是设计各个零件的结构和尺寸。如此这般，便实现了从功能到结构的映射，完成了概念设计阶段。 3.2方案的评价 起重机械是一种复杂的机械设备，基于功能。约束、结构的计算机辅助概念设计方法所得到的众多方案，还需要在考虑安全性、可靠性、通用性及性能价格比等诸多重要因素的基础上进行方案评价。评价方案的方法可采用模糊综合评价法或灰色综合评价法，这些方法在机械工程中已有不少应用，本文不再赘述。 4.结论 本文提出了起重机械计算机辅助概念设计的方法，利用这种方法可以使起重机械方案设计过程更加理性化，减少设计者对设计结果的影响。通过计算机辅助概念设计得到的许多设计方案，在方案评价的基础上，将得出最佳方案或较佳方案，甚至可能具有一定的创新性。基于起重机械计算机辅助概念设计方法而形成的起重机械智能。家系统值得进一步深人研究。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/10/2004)