關(guān)于系列起重機(jī)焊接卷筒模塊化類繼承設(shè)計的研究
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作者：鄭曉敏
為了適應(yīng)不同使用情況、不同作業(yè)環(huán)境的要求，需要生產(chǎn)具有類似機(jī)械結(jié)構(gòu)、不同尺寸規(guī)格，并且在結(jié)構(gòu)局部有些許差別的不同結(jié)構(gòu)形式的系列化卷筒。針對這種情況，起重機(jī)生產(chǎn)廠家急需采用現(xiàn)代設(shè)計方法和高效設(shè)計模式，以達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)原料、提高設(shè)計效率、縮減開發(fā)設(shè)計成本的目的。
起重機(jī)卷筒的結(jié)構(gòu)形式和受力特征類似，使設(shè)計人員在每次設(shè)計新產(chǎn)品時，都需要進(jìn)行相同或相似的受力分析和校核，其設(shè)計過程具有很強(qiáng)的重復(fù)性，浪費了時間、降低了設(shè)計效率。為此，本文對系列起重機(jī)卷筒模塊化類繼承設(shè)計進(jìn)行研究。
1 起重機(jī)卷簡結(jié)構(gòu)特征分類設(shè)計
1.1 軟件開發(fā)需求及特點
卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要表現(xiàn)出以下幾個特征：①功能要求較為單一，均為實現(xiàn)鋼絲繩的牽引及卷繞功能，故具有相似程度高的結(jié)構(gòu)特征和受力特征；②由于各個工廠的廠房尺寸規(guī)格不同以及對起吊貨物重量的要求不同，使得不同產(chǎn)品的尺寸特征具有較大差異；③產(chǎn)品設(shè)計人員為了更高效地進(jìn)行設(shè)計計算，同時為后續(xù)的加工制造提供便利，對產(chǎn)品具有相同或相似功能特性的部分逐漸采用企業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計方式。
目前大中型機(jī)械制造企業(yè)廣泛采用VC、VB等編程方法對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及參數(shù)化力學(xué)性能建模分析，采用計算機(jī)解決問題時需要用程序設(shè)計語言對問題進(jìn)行描述，因此在解決實際工程問題時要求編寫出的軟件產(chǎn)品便于人們理解和接受，易于維護(hù)和改進(jìn)，并且要求軟件產(chǎn)品具有高可靠性。這就要求軟件開發(fā)人員在程序設(shè)計時應(yīng)采用設(shè)計工程師通常的思維方式來建立被描述問題的模型，以提高機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中軟件模塊化和代碼重用的可能性。
1.2 面向?qū)ο缶幊汤砟畹膽?yīng)用
為實現(xiàn)上述目的采用如下技術(shù)方案：運用面向?qū)ο蟮木幊汤砟�，將分析單元類型和材料屬性的設(shè)置、幾何模型建立、載荷和約束施加、求解方式設(shè)置及計算結(jié)果后處理等分析過程抽象成各基本類，在各基本類中分別添加各類所需要完成的功能，不同類之間僅允許接口數(shù)據(jù)的傳遞而避免方法功能的交叉使用。不同的模塊編寫可以分別分配給不同的技術(shù)人員，約定好各模塊的輸入輸出接口規(guī)則就能夠達(dá)到協(xié)同工作的目的，同時也能夠提高軟件的設(shè)計效率，并為后續(xù)的系列化產(chǎn)品設(shè)計搭建好基本的設(shè)計平臺。通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)中對現(xiàn)有功能類模塊進(jìn)行派生，能夠很好地對現(xiàn)有設(shè)計模塊進(jìn)行功能的升級和修改，并且不影響現(xiàn)有功能的實現(xiàn)，同時還能夠體現(xiàn)設(shè)計的層次性，為設(shè)計人員提供明確的設(shè)計思路，滿足系列化設(shè)計的修改要求。圖1為模塊化設(shè)計系統(tǒng)框架。
2卷筒模塊化類繼承建模
2.1 卷筒受力分析程序框架建立
實現(xiàn)該技術(shù)方案是一個系統(tǒng)性工程，需要編制軟件設(shè)計框架、約定各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的傳遞規(guī)則、實現(xiàn)模塊內(nèi)部具體功能及規(guī)劃功能模塊類的派生結(jié)構(gòu)等。其各模塊的編制方法與實施應(yīng)符合以下規(guī)則：
(1)首先建立最底層最基本的各模塊基類，其接口交換參數(shù)、內(nèi)部成員函數(shù)及成員變量需適應(yīng)所有的系列化產(chǎn)品要求，即編寫具有最基本、最普遍的功能函數(shù)及交換、存儲變量作為各模塊的基類。基類不直接作為函數(shù)的具體功能實現(xiàn)部分，所有的具體功能實現(xiàn)模塊均應(yīng)當(dāng)從各自相應(yīng)的基類中派生。
(2)各模塊類的派生類層次及派生數(shù)量應(yīng)該充分考慮設(shè)計產(chǎn)品的實際特性。圖2為層次結(jié)構(gòu)中每一層產(chǎn)生的派生類個數(shù)對應(yīng)于實際建模分析的產(chǎn)品幾何、受力特征變化種類。
(3)在修改或更新系列化產(chǎn)品特征時，首先需要明確產(chǎn)生新特征的產(chǎn)品類型，以確定在基類或是某一派生類進(jìn)行成員函數(shù)或成員變量的修改。若在基類中增加了新特征的代碼實現(xiàn)部分，則該變動適用于整個系列化的產(chǎn)品設(shè)計；若在該基類的某一個派生類中增加該部分，則變動僅作用于該派生類及其派生的類族。
(4)不同的有限元建模分析軟件（如ANSYS、SolidWorks等）具有不同的驅(qū)動軟件功能的輸人命令的格式要求。須將程序內(nèi)分析計算的每一個子模塊最終轉(zhuǎn)化為適應(yīng)商業(yè)分析軟件輸入格式的文件，以達(dá)到驅(qū)動該分析軟件進(jìn)行分析計算的目的。并且這一步驟應(yīng)在軟件模型、數(shù)據(jù)計算處理等一切預(yù)處理過程結(jié)束之后，在驅(qū)動有限元分析軟件進(jìn)行分析計算之前進(jìn)行，且一旦轉(zhuǎn)化完成就不再對轉(zhuǎn)化后的命令文件進(jìn)行修改。因此，應(yīng)當(dāng)在不同的分析計算模塊內(nèi)部編寫格式轉(zhuǎn)化函數(shù)或格式轉(zhuǎn)化類，將幾何模型、載荷及邊界條件等軟件內(nèi)部參數(shù)轉(zhuǎn)化為商業(yè)分析軟件所要求的文件格式。
(5)為避免由于軟件編寫的不同模塊使用相同名稱的變量或函數(shù)而導(dǎo)致的軟件功能和結(jié)構(gòu)上的混亂，同時考慮到現(xiàn)有模塊以后的可擴(kuò)展性（即繼承性），各類成員變量和成員函數(shù)除接口函數(shù)采用公共型(Public)外，盡量采用保護(hù)型(Protect)。
模塊間的連接方式應(yīng)滿足以下要求：①由于系統(tǒng)的各模塊之間有明顯的層次關(guān)系，為了保證數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性和規(guī)范性，模塊間的數(shù)據(jù)交換應(yīng)僅限于上下層之間，同一層之間或沒有直接層次關(guān)系的模塊之間應(yīng)盡量避免數(shù)據(jù)的直接相互調(diào)用，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)引用或引用出錯的問題；②由于卷筒的整體結(jié)構(gòu)是由大量幾何形狀特征極其類似的鋼板和型鋼等接合而成，故而系列化產(chǎn)品的開發(fā)常常是之前產(chǎn)品的某些鋼板或型鋼的重新組合，因此需要在功能函數(shù)的參數(shù)列表中設(shè)置標(biāo)志位，用以判斷應(yīng)當(dāng)調(diào)用何種幾何特征的模型類。
2.2 卷筒模塊化分類設(shè)計與分析建模實例
為體現(xiàn)系列化設(shè)計方法的高效特點，我們對3種不同結(jié)構(gòu)形式、不同受力特點的卷筒進(jìn)行了受力分析程序的編制。載荷及邊界條件施加完畢后的有限元模型如圖3所示。
3種卷筒幾何形式相似，總體結(jié)構(gòu)尺寸相同．其不同特征如下：①為雙聯(lián)卷筒無肋板線性分析，②為雙聯(lián)卷筒增加中間肋板非線性分析，③為單聯(lián)卷筒無肋板線性分析。我們在完成①分析之后，只需增加肋板類并將線性分析類替換為非線性分析類即可完成②分析；將①分析受力加載類的雙繩卷繞修改為單繩卷繞加載方式即可完成③分析。其應(yīng)力云圖分別如圖4～圖6所示。
由以上實例可以看到，針對系列化卷筒設(shè)計，采用類繼承的模塊化設(shè)計方法，能夠快速完成同系列產(chǎn)品的各種性能測試，而無需對新的產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)進(jìn)行全新的方案設(shè)計，只需修改特定模塊內(nèi)容，或?qū)ΜF(xiàn)有各模塊重新進(jìn)行排列組合即可完成設(shè)計任務(wù)。
3結(jié)論
(1)針對整個卷筒的受力分析過程，采用類繼承的方式將各個模塊層次化，使設(shè)計的幾何特征、材料特征和受載特征等分層次抽象出來，有利于設(shè)計人員認(rèn)識和操作整個設(shè)計過程。
(2)對于與之前的設(shè)計產(chǎn)品有明顯共同特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用模塊類繼承設(shè)計減少了設(shè)計者重復(fù)設(shè)計的工作量，縮短了設(shè)計時間。
4摘要：起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)焊接卷筒是具有相似構(gòu)造、不同尺寸規(guī)格的系列化產(chǎn)品。討論了提取起重機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)及受力特征的模塊化編程類設(shè)計方法；在進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)時，對相同或相似功能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計方式。通過建立統(tǒng)一的編程設(shè)計框架，對模塊內(nèi)采用類繼承的方式，對模塊間的接口數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)行約定，提高了代碼利用效率，規(guī)范了數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性，對提高起升卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化和設(shè)計效率具有重要意義。
