塔式起重机CAD整体信息模型体系研究

摘要建立塔式起重机CAD整体信息模型，在整机性能参数的统一控制下完成总体布局、外观造型设计、整机稳定性计算、钢结构强度和刚度优化设计、零部件的结构优化、可靠性分析、整机模型动态试验等设计过程，并对设计结果进行计算机评价，结合运用资源库、绘图CAD等，绘制塔式起重机的整套设计文件，自动生成产品的工艺文件。这些过程基于对塔式起重机设计时CAD信息空间进行分析，构造出整机的CAD信息模型，为设计过程中的信息交换、数据共享提供基础。

关键词塔式起重机CAD整体信息模型整体协调性

建筑机械CAD技术在国内正逐步得到应用。对塔式起重机来说，其产品开发目前仍以传统设计方法为主。虽然塔式起重机局部设计已采用CAD方法，但其总体布局优化、整机性能规划、各主要部件优化、运动的约束分析、结构强度和刚度优化设计与计算、可靠性分析与计算、人机工程及模型试验等总体性问题，CAD技术研究尚较少。笔者对塔式起重机CAD整体信息模型进行研究。

1整体信息模型结构与功能

根据广义优化设计理论，笔者构造的塔式起重机设计软件系统结构见图1。

图1塔式起重机CAC整体信息模型软件系统结构

1.1主系统

主系统用于整体信息模型的管理与控制，对各部分信息中相关信息进行处理与传输。如在塔式起重机的性能参数输入后，访问模型库，获得产品结构型式；通过接口调用计算软件包（有限元计算等），或当过程设计结果出现矛盾时，根据重要性等级进行判别和合理取舍；在外观设计或结构设计时，出现与性能参数控制下的配套件选择结果相矛盾时，服从性能参数作用的结果，或提出改进意见。在设计过程中，随时可进行相关访问和数据调用，以保证设计的合理性，减少设计失误，节约时间，提高设计质量。

1.2资源库

资源库向系统提供塔式起重机产品信息和数据。模型库贮存塔式起重机的结构型式和现有产品的成套设计图形与技术文件；数据库储存塔式起重机产品的相关数据，如国家标准、设计用标准数据、常用外购件数据等，以及已开发产品和正在开发产品所需的各种基本数据；知识库是为了便于设计人员掌握塔式起重机行业发展动态建立的产品信息库，如塔式起重机各部分工作原理、结构组成、名词术语、行业技术情报资料等；优化方法库提供常用的优化设计方法，用于产品的造型、结构、运动分析及局部模型等的优化；专家系统库对开发的产品进行高层次评价，计算出设计产品的可靠性指标，按国家标准和行业标准进行全方位验收和考核，提出问题和改进措施，针对生产过程中可能涉及到的工艺问题给出适当的对策。对系统的资源库可以通过接口随时补充和修改，以便于掌握行业动态，适应行业发展和标准更新，吸纳国内外其他产品优点，保持系统的先进性。

1.3接口

图形的输入和输出功能可向系统录入图形模型、外购件模型等，也可与绘图机相连以输出产品的设计文件和工艺文件图等。计算软件包的调用可在设计过程中的任一时刻进行，既有大型的有限元计算分析程序，也有塔式起重机设计计算中涉及到的各种专门化计算软件。同时，可对最终设计的产品进行模拟试验和产品性能测试。试验结果可直接输出，也可送至专家库进行分析、审定。

2系统建模技术问题

2.1整体信息模型的建立

采用IDEF1x方法建立信息模型。具体方法如下：①对塔式起重机设计、生产制造的信息资料分析对比，合理归类，列出每一任务之间的流向清单，建立整体模型；②由各种任务抽象出整机布局，确立功能设计、造型设计的技术路线，定义零部件自身的设计特征和设计变量；③划分信息实体、确立信息实体之间的关系，这一部分除了用语言描述外，应尽可能实现量化计算；④定义信息属性；⑤排列出信息的空间结构。

信息空间在纵向平面内的层次采用塔型结构：最低层为各种信息层；节点层为各阶段各层次结构模型层；最高层为塔式起重机CAD整体信息模型（见图2）。

图2纵向平面信息塔型结构图

2.2系统信息分解与综合

(1)系统信息分解根据塔式起重机CAD整体信息的功能要求，首先将信息分解为系统信息和功能块信息。然后将功能块信息分解为子系统信息和子功能块信息，如此划分直至最小功能块信息。同时，将所有信息分解为独立信息和关联信息。按一定的规则，给各种信息以编码。如系统信息代码为a,b,c,……，一级功能块信息分别用一位数字编为1,2,3,……， 二级子功能块分别在前一级功能块代码后后缀一位数码，如功能块3的第5子功能块，其编码为35，以此类推。

系统信息用信息相关系数来区分控制信息与相关信息：全相关时为1，独立时为0，其他情况用0～1之间的相关系数表示。

(2)信息综合关系在塔式起重机CAD过程中，信息综合主要是处理各种信息的制约关系，以分清主次，尤其是出现在某一约束下，一部分设计任务与另一部分设计任务存在矛盾或干涉时而决定取舍，从而达到整体设计的高度协调。为了保证这种信息协调关系，在信息关系确定后，独立信息可直接处理，相关信息则按信息关系取大原则从大到小，顺序处理设计流程中的信息，取大原则优先考虑重要的、相关系数大的信息。

令塔式起重机CAD整体信息中全部信息的总体论域为U，论域U的元素分别用x1,x2，…，xn表示塔式起重机设计过程中的各种信息。信息相关重要性分为“极重要、非常重要、相当重要、比较重要、略重要、稍微重要、不重要”。对应的系数分别为1、0.9、0.8、0.7、0.5、0.3、0。由此，可用关系矩阵来处理信息〔2〕。

建立关系矩阵便于信息的查询。信息处理控制规则由条件语句来描述。最终按“取大原则”，优先考虑相关系数大的情况。这种模糊控制的思想比较符合设计人员的传统习惯。

3软件研制与应用

塔式起重机CAD整体信息模型以计算机为核心，硬件配置选用现行的通用设备。软件包括图形处理、数据计算、信息处理、优化设计及专家系统等。对于塔式起重机这种专业产品，除了采用有限元分析程序、常用的优化程序、CAG等软件外，大多数软件是结合塔式起重机产品专门开发和研制的，由各部分程序汇集成整体系统。

本课题的开发应用首先选择了QTZ200型塔式起重机作为应用研究对象。考虑到数据共享及其适应性，系统设计时，主系统、接口以及资源库部分内容并不局限于QTZ200型塔式起重机，同样适用于同类型其他系列产品的开发应用。模型库中建立了4种塔式起重机模型，图形丰富。根据设计要求，QTZ200型塔式起重机性能参数可通过人机界面以对话方式录入，部分基本参数见表1。

在总体性能参数要求下，设计过程中录入系统所需其它结构参数变量。系统运行后的结果与行业标准JG/T5037《塔式起重机分类》中对该机型要求相比，具有明显的优越性。按国标 GB9462《塔式起重机技术条件》中分等规定，其自重系数、能耗系数和作业空间系数3项考核指标均优于现有优等品的规定。其主要性能指标优于处于国内领先水平的同类机型，接近QTZ250型塔式起重机性能指标。