樊新華，林貴瑜，陳憲民

(1.東北大學(xué) 計(jì)算中心，沈陽 110004;2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽 110004;3.遼寧撫挖重工機(jī)械股份有限公司，遼寧 撫順 113126)

大型履帶起重機(jī)設(shè)計(jì)涉及多方面知識(shí)和多種行業(yè)，其設(shè)計(jì)水平標(biāo)志著一個(gè)國家的工業(yè)水平和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平.起重機(jī)總體設(shè)計(jì)是在源頭上把握產(chǎn)品的性能，直接影響起重機(jī)的性能，也是企業(yè)自主設(shè)計(jì)能力和水平的反映.目前，我國履帶起重機(jī)行業(yè)在初步設(shè)計(jì)中，確立總體參數(shù)還采用繁重的手工和半手工計(jì)算方式.由于起重機(jī)的用途廣泛，產(chǎn)品的規(guī)格多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，設(shè)計(jì)工作量大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長，遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)今高質(zhì)量、高速度、高效益的發(fā)展趨勢(shì)［1］，采用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段勢(shì)在必行.

在大型履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)過程中，涉及大量的、復(fù)雜的計(jì)算工作和先進(jìn)的計(jì)算方法，并且還要對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化工作.雖然我國已開發(fā)了履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但只是針對(duì)履帶起重機(jī)的四大機(jī)構(gòu)的計(jì)算或某些關(guān)鍵件的可靠性分析功能.針對(duì)這種設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算方法和軟件開發(fā)工具(如 VB.NET、Matlab、ANSYS 和SQL Server軟件)等技術(shù)，開發(fā)了大型履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)計(jì)算的自動(dòng)化、科學(xué)化.

1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求分析的制定要著眼于企業(yè)的現(xiàn)狀，還要顧及到企業(yè)未來的發(fā)展，并適當(dāng)留出接口，實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的擴(kuò)展.根據(jù)企業(yè)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，確定履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)的目標(biāo)和內(nèi)容.

1.1 履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)

軟件系統(tǒng)應(yīng)涵蓋整個(gè)設(shè)計(jì)過程，形成完整的計(jì)算體系.據(jù)此可以確定履帶起重機(jī)的關(guān)鍵的幾何參數(shù)及整機(jī)參數(shù)，完成對(duì)關(guān)鍵件進(jìn)行可靠性分析等功能，滿足企業(yè)對(duì)大型履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)的要求，還要具有用戶界面友好、操作簡便方便等特點(diǎn).

1.2 履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容

履帶起重機(jī)設(shè)計(jì)的核心部分是總體設(shè)計(jì)，主要包括方案選擇、技術(shù)參數(shù)確定、總體布局、大型構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定、整機(jī)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)受力等方面［2］.對(duì)履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)的問題進(jìn)行研究，根據(jù)企業(yè)的現(xiàn)行設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，應(yīng)滿足以下需求:

(1)履帶起重機(jī)總體參數(shù)及臂架的主要幾何參數(shù)確定;

(2)履帶起重機(jī)四大機(jī)構(gòu)(提升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu))的傳動(dòng)系統(tǒng)形式、最佳速度參數(shù)、力能參數(shù)的確定;

(3)根據(jù)總體參數(shù)樣本建立回歸方程和繪制曲線的功能;

(4)起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性分析計(jì)算;

(5)重要零部件受力形式研究;

(6)安全性和保密性，即可滿足不同人員的操作和對(duì)信息的需求;

(7)操作簡便，界面友好.

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)履帶起重機(jī)設(shè)計(jì)流程、使用要求及其安全性，參考國內(nèi)外同類標(biāo)準(zhǔn)，遵循起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T3811－2008)，參照起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)、起重設(shè)計(jì)計(jì)算等資料，對(duì)履帶起重機(jī)設(shè)計(jì)流程和計(jì)算過程進(jìn)行優(yōu)化整合，并結(jié)合軟件工程、計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作.該軟件系統(tǒng)分為總體設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算、總體設(shè)計(jì)參數(shù)分析和系統(tǒng)輔助功能3部分，其中總體設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算部分又分為初步設(shè)計(jì)參數(shù)和詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算.具體包括功能模塊如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)模塊圖Fig.1 The system module chart

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 編程語言選擇

VB.NET是目前較流行的面向?qū)ο蟮?、可視化的?yīng)用程序開發(fā)工具，提供了很多快速開發(fā)程序的新功能，大大地提高了編程效率和易用性.Matlab是國際上最流行的科學(xué)和工程計(jì)算的軟件工具，提供了豐富的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、連接其他編程語言的程序等功能，廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工程計(jì)算、模擬仿真等方面.ANSYS是目前應(yīng)用較多的大型通用有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的前處理、分析計(jì)算和后處理功能.通過參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(ANSYS Parameter Design Language，APDL)的參數(shù)化變量方式建立分析模型，可以完成多次分析，從而減少修改模型后重新分析時(shí)的所需時(shí)間.SQL Server是廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)庫引擎可對(duì)數(shù)據(jù)庫里的大量記錄進(jìn)行更新、檢索、管理等操作.

本軟件系統(tǒng)使用 VB.NET 2005、Matlab R2007、ANSYS 11.0和SQL Server 2000軟件進(jìn)行開發(fā).其中，VB.NET主要開發(fā)系統(tǒng)用戶界面和簡單計(jì)算功能;Matlab主要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算及回歸分析等功能;ANSYS主要對(duì)臂架、關(guān)鍵件進(jìn)行可靠性分析功能;SQL Server主要用于保存計(jì)算過程的數(shù)據(jù)及最終結(jié)果.最后通過VB.NET分別調(diào)用Matlab、ANSYS、SQL Server等技術(shù)，將這些功能整合在一起.

3.2 程序運(yùn)行及界面介紹

初次使用本軟件系統(tǒng)，要通過默認(rèn)的系統(tǒng)管理員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，即在“系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理”模塊中，進(jìn)行初始數(shù)據(jù)設(shè)置，主要包括用戶基本信息、機(jī)型基本信息和基本數(shù)據(jù)信息設(shè)置.在初始數(shù)據(jù)設(shè)置后，用戶就可以對(duì)指定的機(jī)型進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算、分析等工作，也可以輸出計(jì)算分析結(jié)果.

以計(jì)算“基本臂架幾何參數(shù)”為例，說明軟件系統(tǒng)的使用過程，具體過程如下:

啟動(dòng)軟件系統(tǒng)，首先會(huì)出現(xiàn)用戶登錄界面，如圖2所示.用戶根據(jù)提示信息輸入用戶名、密碼數(shù)據(jù)，并選擇用戶權(quán)限和機(jī)器型號(hào)數(shù)據(jù).其中，用戶權(quán)限分為系統(tǒng)操作員和操作員二類.選擇不同的用戶權(quán)限和機(jī)器型號(hào)，用戶可以使用不同的功能，并且可以進(jìn)行相應(yīng)的操作.

圖2 用戶登錄界面Fig.2 User login interface

根據(jù)上述選擇不同的用戶權(quán)限和產(chǎn)品型號(hào)，進(jìn)入相應(yīng)操作的主界面.系統(tǒng)管理員所進(jìn)入的界面如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)的主界面Fig.3 The main interface of the system

在主界面的“臂架系統(tǒng)”菜單中，選擇“基本臂架幾何參數(shù)”子菜單，會(huì)出現(xiàn)如圖4所示，分為“試算基本臂架幾何參數(shù)”和“確定基本臂架幾何參數(shù)”兩個(gè)選項(xiàng)卡.在“試算基本臂架幾何參數(shù)”選項(xiàng)卡頁面中(圖4所示即為此選項(xiàng)卡內(nèi)容)，根據(jù)提示輸入不同的參數(shù)，可以得到不同的試算結(jié)果，并將這些試算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中.在“確定基本臂架幾何參數(shù)”選項(xiàng)卡頁面中，比較上述試算的多組結(jié)果，設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己的知識(shí)選擇一個(gè)合適的結(jié)果作為最終設(shè)計(jì)的結(jié)果.

圖4 試算基本臂架幾何參數(shù)的界面Fig.4 The interface of the basic arm geometric parameters

在主界面(圖3)中，選擇“查詢輸出”菜單，可以顯示和輸出總體設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)和最終結(jié)果.選擇“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”子菜單，顯示試算的中間結(jié)果，帶顏色記錄是選定的最終結(jié)果;選擇“整機(jī)結(jié)果”子菜單，會(huì)顯示起重機(jī)設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)結(jié)果(如圖5所示)，這些結(jié)果也可以通過文件形式保存或打印輸出.

4 軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

本軟件主要使用 VB.NET調(diào)用 Matlab、ANSYS、SQL Server等編程技術(shù)，下面詳細(xì)介紹調(diào)用方法.

4.1 VB.NET程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用Matlab的方法

VB.NET程序調(diào)用Matlab的接口方法很多，主要有兩種方法:使用COM組件(動(dòng)態(tài)鏈接庫.dll)和使用ActiveX(OLE)自動(dòng)化技術(shù).

4.1.1 使用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方法

由于Matlab編寫的M文件不能被VB.NET程序直接調(diào)用，因此首先利用 Matlab自帶的deploytool工具將編寫的M文件編譯成可執(zhí)行文件(EXE)或動(dòng)態(tài)鏈接庫文件(DLL);然后在VB.NET程序中通過訪問該動(dòng)態(tài)鏈接庫來調(diào)用它的各個(gè)封裝函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)所需的各種功能［3～5］.這種方法不需要安裝Matlab軟件，就可以正常的運(yùn)行Matlab程序.

4.1.1.1 使用Matlab創(chuàng)建COM組件

在Matlab的Command Window窗口中，輸入命令mbuild－setup，并根據(jù)Matlab的提示選擇合適的編譯器，用 Matlab內(nèi)部的 Matlab Builder for.Net組件便可以生成M文件的DLL組件，獨(dú)立地集成到 VB.NET中.其中，Matlab Builder for.Net組件的使用方法主要包括:編譯M函數(shù)文件、創(chuàng)建 COM Builder工程、生成和打包 DLL文件.

創(chuàng)建COM組件具體步驟:

步驟1編寫并調(diào)試要完成所需功能的M函數(shù)文件(函數(shù)文件名為mytest);在Matlab命令窗口中，輸入 deploytool命令，會(huì)出現(xiàn) Deployment Tool窗口.

步驟 2選擇“File”－＞“New Deployment Project”菜單項(xiàng)，會(huì)出現(xiàn)“New Deployment Project”窗口，選擇“MATLAB Builder for.NET”和“Generic COM Component”－＞輸入 Name(文件名為GCOM)并選擇存入路徑，選擇“OK”按鈕.

步驟3在(文件名)class上單擊右鍵－＞Add File，找到已編寫的.M 文件;選擇“Tools”－＞“Build”菜單項(xiàng)，編譯所建項(xiàng)目.

圖5 最終結(jié)果顯示界面Fig.5 The final results showing interface

4.1.1.2 注冊(cè)并使用COM組件

在使用COM組件之前，必須先對(duì)其進(jìn)行注冊(cè)，然后就可以使用COM組件.具體步驟如下:

步驟1創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用程序.在Visual Basic.NET中選擇菜單“文件”－＞“新建”－＞“項(xiàng)目”－＞“Visual Basic”－＞“Windows應(yīng)用程序”，在打開的對(duì)話框中填入工程文件名稱，并且選擇文件要存放的目錄.

步驟2注冊(cè)DLL文件.在Visual Basic.NET中選擇菜單“項(xiàng)目”－＞“添加引用”－＞“瀏覽”，找到生成的DLL文件，然后按“OK”按鈕.

步驟3在應(yīng)用程序中使用DLL文件.在程序代碼中，生成對(duì)象并調(diào)用相應(yīng)的M文件中的方法.VB.NET代碼如下:

4.1.2 使用ActiveX自動(dòng)化技術(shù)

Matlab支持ActiveX自動(dòng)化技術(shù).因此Matlab可以作為自動(dòng)化服務(wù)器，VB.NET作為一個(gè)客戶端程序.在VB.NET程序中調(diào)用Matlab服務(wù)功能的步驟:在VB.NET應(yīng)用程序中，首先創(chuàng)建Matlab的ActiveX應(yīng)用對(duì)象;然后通過這個(gè)對(duì)象提供的方 法 (函 數(shù))(如 Excute、GetFullMatrix、PutFullMatrix、MaximizeCommandWindow、Minimize CommandWindow 等［6～7］)來實(shí)現(xiàn)對(duì) Matlab 的調(diào)用;最后釋放ActiveX應(yīng)用對(duì)象.這種方法需要安裝Matlab軟件，但無需啟動(dòng)就可以運(yùn)行Matlab程序.

在VB.NET應(yīng)用程序中創(chuàng)建 Matlab的ActiveX對(duì)象，其對(duì)象名為“Matlab.Application”.VB.NET程序調(diào)用Matlab程序如下:

4.2 VB.NET程序調(diào)用ANSYS的方法

在履帶起重機(jī)臂架可靠性分析中，使用ANSYS的ADPL實(shí)現(xiàn)臂架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元建模，將需要修改的數(shù)據(jù)設(shè)置成參數(shù).在VB.NET程序中，首先在用戶界面上輸入?yún)?shù)，并將輸入?yún)?shù)與APDL編寫的命令流中的參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)形成APDL宏文件;然后通過后臺(tái)調(diào)用ANSYS進(jìn)行分析;最后提取計(jì)算結(jié)果并顯示到界面上.至此，用戶可以根據(jù)不同的參數(shù)變化，查看ANSYS計(jì)算結(jié)果［8］.

VB.NET程序后臺(tái)調(diào)用 ANSYS有 Shell和ShellExecute等多種方法，其中Shell方式簡單高效、并可帶輸入輸出文件參數(shù)，但是需要判斷ANSYS的批處理操作結(jié)束.VB.NET程序調(diào)用ANSYS 的程序［9～10］如下:

這里的＜Drive＞表示ANSYS 11.0軟件的安裝目錄;－b表示用批處理方式運(yùn)行ANSYS命令;－p product表示選用ANSYS軟件產(chǎn)品特征碼，此處選擇的產(chǎn)品特征碼是ane3fl;–i標(biāo)志后面的文件是輸入文件，ADPLFile文件是ANSYS的APDL宏文件;－o標(biāo)志后面的文件是輸出文件，ResultFile文件記錄分析過程中使用的命令流、錯(cuò)誤信息、計(jì)算求解結(jié)果等.如果指定的輸出文件不存在，則會(huì)由程序自動(dòng)生成.

由于ANSYS計(jì)算結(jié)束時(shí)，會(huì)最后生成file.err文件，因而可在程序中通過檢測(cè)file.err文件是否存在來判斷ANSYS計(jì)算是否完成.在VB.NET程序中，使用Timer控件的Timer事件判斷ANSYS計(jì)算是否完成.在ANSYS計(jì)算開始時(shí)打開Timer控件，間隔設(shè)為3000ms，如果檢測(cè)到生成的文件，提示計(jì)算完成.程序代碼如下:

4.3 VB.NET程序訪問SQL Server的方法

ADO.NET是.NET平臺(tái)的數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)，是由一組相關(guān)類和接口組成，主要包括兩個(gè)核心組件:DataSet和數(shù)據(jù)提供程序.在ADO.NET對(duì)象模型中包括5個(gè)數(shù)據(jù)庫訪問和操作對(duì)象:Connection、Command、DataReader、DataSet 和DataAdapter等對(duì)象［11］，見表 1.

表1 ADO.NET的對(duì)象功能Table 1 The ADO.NET object function

對(duì)于SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問，應(yīng)在對(duì)象名前加上Sql前綴，通常需引入命名空間:

Imports system.data

Imports system.data.SqlClient

為了簡化訪問數(shù)據(jù)庫的過程，將常用的數(shù)據(jù)訪問操作(如數(shù)據(jù)庫連接打開和關(guān)閉、SQL語句執(zhí)行等操作)封裝在通用數(shù)據(jù)庫訪問類［12，13］中，通過使用類的方法就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問，也可重復(fù)使用類文件，可以節(jié)省編程并提高效率［14］.

5 結(jié)論

大型履帶起重機(jī)總體設(shè)計(jì)軟件采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ?jīng)過了企業(yè)實(shí)際設(shè)計(jì)的多次應(yīng)用，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)理論的有機(jī)結(jié)合，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，縮短了起重機(jī)的設(shè)計(jì)周期，為企業(yè)的設(shè)計(jì)工作提供強(qiáng)大的輔助工具.由此得出以下結(jié)論:

(1)所采用的多種軟件和不同數(shù)據(jù)集成的方法正確有效;

(2)為保證軟件的容錯(cuò)性，依據(jù)國標(biāo)采用在程序中限制輸入數(shù)據(jù)范圍，此方法行之有效;

(3)總體參數(shù)確定和臂架幾何參數(shù)計(jì)算采用最小二乘法、回歸分析法等方法［13］，起重機(jī)臂架進(jìn)行可靠度計(jì)算采用了蒙特卡洛方法，這些方法通過實(shí)際驗(yàn)證是正確的;

(4)軟件具有繼承性和擴(kuò)展性，基本滿足要求;

(5)功能較全面，涵蓋了起重機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求.

另外，該軟件可以同時(shí)對(duì)不同型號(hào)的履帶起重機(jī)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性，降低了計(jì)算的復(fù)雜性.不熟悉編程的人員也可方便使用，改變了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)方式，對(duì)行業(yè)發(fā)展也會(huì)帶來的相應(yīng)的促進(jìn)和提升.

［1］方增強(qiáng).履帶起重機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算程序的開發(fā)［D］.吉林大學(xué)碩士論文，2009.

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