張 氫,翟金金,洪 穎,秦仙蓉,孫遠(yuǎn)韜

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

岸邊集裝箱起重機(jī)(簡稱“岸橋”)是港口用于裝卸集裝箱的主要機(jī)械設(shè)備,對該類機(jī)械的設(shè)計(jì)[1]一般是根據(jù)主要設(shè)計(jì)參數(shù),憑借設(shè)計(jì)人員自身的工程經(jīng)驗(yàn),完成其總體布局、主要金屬結(jié)構(gòu)選型計(jì)算、截面設(shè)計(jì)計(jì)算、載荷校核、岸橋性能分析等工作,在此基礎(chǔ)上可以建立三維模型,查看結(jié)構(gòu)的整體布局并檢查干涉情況,最后輸出二維圖紙.隨著全球市場競爭的加劇,岸橋制造企業(yè)對岸橋的設(shè)計(jì)周期大大縮短[2].為了保證設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短設(shè)計(jì)周期,目前形成了諸如快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的平臺(tái),類似系統(tǒng)也在裝船機(jī)等大型結(jié)構(gòu)件上得以應(yīng)用[3],其流程如圖1所示.

由圖1可見:岸橋結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)平臺(tái)往往是一個(gè)“串行”過程[4],主要依托的是各設(shè)計(jì)小組知識(shí)水平和經(jīng)驗(yàn),但由于各設(shè)計(jì)小組或領(lǐng)域?qū)＜以谠O(shè)計(jì)目標(biāo)、領(lǐng)域知識(shí)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上存在認(rèn)識(shí)差異,一個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和信息難以被正確傳達(dá)給另一個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者,在設(shè)計(jì)過程中難免發(fā)生沖突[5],從而對當(dāng)前設(shè)計(jì)造成了阻礙.此外,在串行過程中涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及整體評(píng)估等往往需要多次循環(huán)方能得到最終理想結(jié)果,此過程中彼此之間存在大量的數(shù)據(jù)傳輸需求,同時(shí)也要求大型獨(dú)立軟件系統(tǒng),既增加了產(chǎn)品研發(fā)成本,也降低了設(shè)計(jì)研發(fā)效率.

圖1 設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 The design flow chart

所以要解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難題,僅靠研究各組成元素的行為是不夠的,需要采用總體論的觀點(diǎn)看待這一問題.現(xiàn)今,高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture,HLA)作為一個(gè)通用的體系結(jié)構(gòu),不僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,而且已經(jīng)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,利用它建立強(qiáng)實(shí)時(shí)、松耦合的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與仿真[6].國內(nèi)清華大學(xué)的CIMS研究中心肖田元等[7-10]從復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)和平臺(tái)規(guī)范化的需要出發(fā),研究了協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化的集成方法相關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù).

本文以岸橋起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)為對象,以Visual Basic 6.0作為集成開發(fā)環(huán)境搭建HLA岸橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái),對其中數(shù)據(jù)交換技術(shù)進(jìn)行了探索和研究,基于RTI軟總線的方式,使得不同的設(shè)計(jì)信息以及異構(gòu)的CAD之間能夠達(dá)到數(shù)據(jù)的一致;并結(jié)合發(fā)言控制策略消解設(shè)計(jì)沖突使得岸橋起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以很好地協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)計(jì)之間的信息交換,并對不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行協(xié)調(diào),提高設(shè)計(jì)效率,縮短產(chǎn)品研制周期,從而使開發(fā)變得較為可靠而簡單.

1 基于HLA的岸橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架的構(gòu)建

1.1 HLA簡介岸橋設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本架構(gòu)

HLA是一種高級(jí)體系結(jié)構(gòu),優(yōu)勢在于仿真部件和仿真系統(tǒng)之間在高層次上具有較好的可重用性、互操作性.HLA主要包含以下3部分:規(guī)則(rules)、對象模型模板(Object Model Template,OMT)和運(yùn)行支撐環(huán)境(Run-Time Infrastructure,RTI)的接口規(guī)范.HLA接口規(guī)范以服務(wù)的方式定義了聯(lián)邦中成員間進(jìn)行信息交互的方式,包括可調(diào)用服務(wù)和應(yīng)提供的回調(diào)服務(wù),分為聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、時(shí)間管理、所有權(quán)管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理6類服務(wù)[11].OMT分為聯(lián)邦對象模型(Federation Object Model,FOM)和仿真對象模型(Simulation Object Model,SOM).FOM說明的是聯(lián)邦內(nèi)各成員間用于交互的數(shù)據(jù),而SOM則針對每個(gè)聯(lián)邦成員能提供給聯(lián)邦的數(shù)據(jù).HLA接口規(guī)范依靠RTI來實(shí)現(xiàn),因此，RTI是HLA仿真的核心要素,在聯(lián)邦執(zhí)行過程中,聯(lián)邦成員間的交互都通過RTI來實(shí)現(xiàn).

本岸橋設(shè)計(jì)系統(tǒng)的3大模塊使用了如ANSYS,SolidWorks,AutoCad等各個(gè)CAX軟件對設(shè)計(jì)信息進(jìn)行處理.但是,各個(gè)設(shè)計(jì)信息卻因軟件的異構(gòu)、設(shè)計(jì)人員的不同步而出現(xiàn)信息孤島,若沒有一個(gè)統(tǒng)一的管理協(xié)調(diào)機(jī)制,即便擁有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)軟件技術(shù),還是會(huì)出現(xiàn)結(jié)果數(shù)據(jù)難處理、設(shè)計(jì)性能欠優(yōu)化的問題.因此,本系統(tǒng)為了建立雙大梁岸橋結(jié)構(gòu)這樣的復(fù)雜產(chǎn)品,需要通過HLA集成各個(gè)設(shè)計(jì)信息.

如圖2所示,該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的HLA的架構(gòu)圍繞著RTI建立,并要設(shè)計(jì)聯(lián)邦劇情,作為RTI運(yùn)行的主線,同時(shí)制定各個(gè)聯(lián)邦成員與RTI通信的規(guī)則,才能使得基于HLA的系統(tǒng)通信得以進(jìn)行.

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的聯(lián)邦劇情即為雙大梁岸橋設(shè)計(jì)流程,即通過參數(shù)設(shè)置、力學(xué)分析及干涉檢查的反復(fù)判斷校核后輸出模型、圖紙.而聯(lián)邦信息交互規(guī)則是通過設(shè)定使得不同模塊的輸入輸出信息儲(chǔ)存方式統(tǒng)一,所有信息都通過OMT所統(tǒng)一的信息格式進(jìn)行交互,并將接口函數(shù)封裝入RTI中.

雙大梁岸橋起重機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能較為繁雜,本文在岸橋設(shè)計(jì)系統(tǒng)中定義了管理聯(lián)邦成員、設(shè)計(jì)聯(lián)邦成員和監(jiān)測聯(lián)邦成員3種聯(lián)邦成員,并利用功能模塊化的方法表示了3種聯(lián)邦成員的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).通信層中應(yīng)用RTI實(shí)現(xiàn)底層通信服務(wù),以實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦成員的具體功能與系統(tǒng)的運(yùn)行管理、底層通信傳輸之間的分離,如此設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備了很好的擴(kuò)充性,方便各聯(lián)邦成員進(jìn)行動(dòng)態(tài)注冊,有利于團(tuán)隊(duì)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)工作.

1.2 聯(lián)邦成員設(shè)計(jì)信息交互的關(guān)鍵問題

若某個(gè)聯(lián)邦成員設(shè)計(jì)過程中欲注冊對象、更新實(shí)例屬性值或者發(fā)送交互信息,在此之前該聯(lián)邦成員應(yīng)先調(diào)用合適的聲明管理服務(wù).與此類似,若聯(lián)邦成員發(fā)現(xiàn)對象實(shí)例、反射實(shí)例屬性值和接收交互信息,其在此之前也應(yīng)該首先調(diào)用適當(dāng)?shù)穆暶鞴芾矸?wù).利用聲明管理服務(wù)功能各聯(lián)邦成員能夠在聯(lián)邦內(nèi)建立公布和訂購關(guān)系.

圖2 基于HLA的雙大梁設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通信框架Fig.2 Communication framework of double girder design system based on HLA

在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,需要?jiǎng)?chuàng)造3種類型的聯(lián)邦成員進(jìn)行通訊,即管理聯(lián)邦成員、設(shè)計(jì)聯(lián)邦成員及檢測聯(lián)邦成員.統(tǒng)籌管理聯(lián)邦成員可以打開用戶參數(shù)設(shè)計(jì)模塊,對雙大梁岸橋起重機(jī)的總體參數(shù)、各部件尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及修改.沒有設(shè)定的參數(shù)則會(huì)由系統(tǒng)計(jì)算的初始值給出.設(shè)計(jì)聯(lián)邦成員會(huì)得到各個(gè)管理聯(lián)邦成員給出的尺寸信息進(jìn)行模型及圖紙的輸出,在必要情況下也可打開模型或圖紙進(jìn)行修改,修改的信息會(huì)報(bào)告給管理聯(lián)邦成員及檢測聯(lián)邦成員.檢測聯(lián)邦成員主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)合理性驗(yàn)證和優(yōu)化,需要被驗(yàn)證的對象參數(shù)都記錄到數(shù)據(jù)庫中,系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等計(jì)算,對于設(shè)計(jì)不合理的數(shù)據(jù)反饋到對應(yīng)的設(shè)計(jì)聯(lián)邦成員修改.

在雙大梁岸橋設(shè)計(jì)過程中,最新的產(chǎn)品對象類屬性和交互類信息由各個(gè)聯(lián)邦成員通過P/S關(guān)系觸發(fā)事件發(fā)送,并同時(shí)響應(yīng)其他聯(lián)邦成員事件.RTI根據(jù)P/S關(guān)系對收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾,確定各聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)流發(fā)送和接收的流向,實(shí)現(xiàn)將信息從數(shù)據(jù)的發(fā)布者直接傳遞給數(shù)據(jù)的訂購者的功能,從而達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)中冗余數(shù)據(jù)的目的,確保了聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)的及時(shí)高效更新.表1展示了部分雙大梁岸橋設(shè)計(jì)系統(tǒng)聯(lián)邦成員間的角色及訂購關(guān)系.圖3則為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)邦員發(fā)布/訂購關(guān)系設(shè)置圖.

表1 雙大梁設(shè)計(jì)系統(tǒng)聯(lián)邦成員角色及訂購關(guān)系表Tab.1 List of roles and ordering relationships of federal members of double girder design system

圖3 邦員發(fā)布/訂購關(guān)系設(shè)置圖Fig.3 Federal member release/order relationship setting diagram

同時(shí),在雙大梁岸橋結(jié)構(gòu)這樣的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,會(huì)出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上的聯(lián)邦成員同時(shí)對同一對象的同一屬性參數(shù),如尺寸、強(qiáng)度、位置和材料等進(jìn)行修改,即在聯(lián)邦成員中同時(shí)有多個(gè)聯(lián)邦成員對同一個(gè)參數(shù)都有公布的權(quán)限,此時(shí)就會(huì)造成并發(fā)沖突.為了避免沖突操作的發(fā)生,本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采取的是對不同職能邦員設(shè)置不同級(jí)別的項(xiàng)目權(quán)限的方法.

通常項(xiàng)目管理者擁有最高的項(xiàng)目權(quán)限,區(qū)域總體方案負(fù)責(zé)人次之,普通設(shè)計(jì)者的權(quán)限最低.如圖4所示,作為總體方案負(fù)責(zé)人的F1.0擁有比零件布置的F1.2,F1.3,F1.4等聯(lián)邦成員更高的項(xiàng)目權(quán)限,即F1.0擁有優(yōu)先的操作權(quán).

圖4 聯(lián)邦成員級(jí)別分布Fig.4 The level distribution of federal members

建立RTI框架的目的,就是希望建立一套軟總線,能將異構(gòu)軟件間的數(shù)據(jù)進(jìn)行無障礙地傳遞.由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是基于Visual Basic 6.0作為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的,因此,所有軟件輸出的信息格式,必須能夠使得通過VB語言能夠識(shí)別并讀取成為系統(tǒng)變量的一部分,如圖5所示.

但對于同一級(jí)別的邦員,仍存在信息交互沖突的可能性.因此，在同一級(jí)別邦員之間,本系統(tǒng)采用邦員之間溝通的方法解決這一問題,即利用HLA中所有權(quán)管理和設(shè)計(jì)引擎的權(quán)限管理服務(wù)功能,使在系統(tǒng)運(yùn)行的任一時(shí)刻只能由一個(gè)聯(lián)邦成員對某一對象擁有設(shè)計(jì)權(quán),以此避免聯(lián)邦成員沖突操作的發(fā)生.根據(jù)設(shè)計(jì)邦員的項(xiàng)目權(quán)限和請求事件的時(shí)間戳,發(fā)言權(quán)控制策略決定了發(fā)言權(quán)的請求和準(zhǔn)許,并決定了發(fā)言權(quán)的分配順序,系統(tǒng)從其分配模式來看,分為搶占模式和放棄模式[12].如圖6所示,針對軌距不同的設(shè)計(jì)邦員間通過權(quán)限轉(zhuǎn)讓和搶占權(quán)限兩種方式對參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào),當(dāng)邦員選擇權(quán)限轉(zhuǎn)讓,則系統(tǒng)自動(dòng)判斷設(shè)計(jì)信息按照訂購邦員信息進(jìn)行處理,若選擇搶占權(quán)限,則通過訂購邦員進(jìn)行確認(rèn)后,則可得到設(shè)計(jì)信息的處理權(quán)利,對設(shè)計(jì)信息進(jìn)行修改.

圖5 邦員交換信息示意圖Fig.5 The schematic diagram of federal members exchanging information

圖6 邦員協(xié)調(diào)功能示意圖Fig.6 The schematic diagram of federal members’ coordination function

2 實(shí)例

由上節(jié)可得知,雙大梁岸橋設(shè)計(jì)要基本上完成參數(shù)設(shè)置、力學(xué)分析、三維模型校核與圖紙輸出的3大基本功能.因此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本分為3個(gè)功能獨(dú)立的模塊:參數(shù)設(shè)置模塊、力學(xué)分析模塊及模型/圖紙輸出模塊,如圖7所示.

圖7 岸橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)Fig.7 The module structure of ship unloader structure design system

3個(gè)獨(dú)立功能模塊的基本情況如下:

(1) 參數(shù)設(shè)置模塊.設(shè)計(jì)者可通過輸入基本參數(shù)讓系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算生成整機(jī)尺寸,以達(dá)到初步設(shè)計(jì)的目的,設(shè)計(jì)者在基于系統(tǒng)自動(dòng)生成的初步設(shè)計(jì)參數(shù)上對各部件設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)及修改.該模塊主要在Visual Basic平臺(tái)完成參數(shù)的輸入與計(jì)算,并通過Excel將設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存,以便查看調(diào)用.

首先,設(shè)計(jì)者通過交互界面將設(shè)計(jì)所需要的岸橋技術(shù)參數(shù)輸入系統(tǒng),如:起重量、起升高度、起升速度、跨度、工作級(jí)別等,系統(tǒng)根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算給出各個(gè)部件結(jié)構(gòu)的參考值,這些參考值是可以由設(shè)計(jì)人員的操作被修改的.經(jīng)過修改后尺寸參數(shù)將會(huì)經(jīng)過系統(tǒng)對其尺寸值進(jìn)行合理性判斷.當(dāng)各個(gè)部件結(jié)構(gòu)尺寸確定后,整個(gè)岸橋結(jié)構(gòu)將會(huì)被系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行力學(xué)分析以判斷結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)是否符合強(qiáng)度要求.當(dāng)結(jié)構(gòu)通過力學(xué)分析校核后,系統(tǒng)將根據(jù)前述得到的尺寸建立參數(shù)化模型,設(shè)計(jì)者可對參數(shù)化模型進(jìn)行查看,同時(shí)對其干涉情況進(jìn)行檢查與修改.當(dāng)設(shè)計(jì)者對模型進(jìn)行修改后,系統(tǒng)會(huì)將新的尺寸變化反饋回力學(xué)分析模塊進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)通過后,對模型進(jìn)行二維圖紙的輸出.用戶也可以在圖形自動(dòng)生成后結(jié)合自身的工藝特點(diǎn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和再設(shè)計(jì),直到得到滿意的工程圖為止.最后系統(tǒng)將把工程圖存儲(chǔ)在項(xiàng)目文件夾中,以便設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用.圖8即為參數(shù)設(shè)置界面.

圖8 參數(shù)設(shè)置界面Fig.8 The interface of parameter setting

(2) 力學(xué)分析模塊.經(jīng)過初步設(shè)計(jì)后的岸橋結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過有限元模型的校核和驗(yàn)證,以達(dá)到強(qiáng)度、剛度等多種設(shè)計(jì)要求.而由于雙大梁結(jié)構(gòu)的特殊性,將有兩個(gè)起重小車同時(shí)工作.為了提高效率,雙大梁岸橋起重機(jī)設(shè)計(jì)使兩個(gè)小車得以同時(shí)工作,這會(huì)使整個(gè)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的載荷分布更加多變而復(fù)雜[13-14],因此，分析兩個(gè)移動(dòng)載荷同時(shí)運(yùn)行時(shí)對整機(jī)的影響是該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重點(diǎn)之一.通過力學(xué)分析模塊,用戶可以利用之前初步設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)建立相應(yīng)的有限元模型,并對其進(jìn)行特定工況的分析,以達(dá)到校核的目的.

該模塊主要基于有限元仿真軟件ANSYS來進(jìn)行,通過VB與ANSYS的接口[15]對其進(jìn)行寫入命令并進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算,并輸出計(jì)算結(jié)果,再由VB所呈現(xiàn)的結(jié)果界面對力學(xué)結(jié)果進(jìn)行顯示.如圖9所示,建立岸橋有限元模型進(jìn)行仿真,并輸出最后結(jié)果.

圖9 岸橋力學(xué)分析Fig.9 The mechanical analysis of ship unloader

(3) 模型/圖紙輸出模塊.在經(jīng)過參數(shù)設(shè)置模塊及力學(xué)分析模塊中修改校核后,可通過模型輸出對雙大梁岸橋的裝配體進(jìn)行干涉校核,以復(fù)查設(shè)計(jì)中的缺漏.以大梁鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)為例,在大梁鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)中,常常出現(xiàn)前后大梁鉸點(diǎn)干涉的情況.當(dāng)設(shè)計(jì)邦員對干涉檢測邦員進(jìn)行訂購時(shí),則干涉量可通過全局變量直接反饋給鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)邦員,使其進(jìn)行自動(dòng)修改,完成干涉檢查與修正.

當(dāng)所有尺寸參數(shù)達(dá)到了相關(guān)用戶需要,便能夠通過模型/圖紙輸出模塊來對用戶的設(shè)計(jì)進(jìn)行輸出,得到三維的可視化模型及二維圖紙以供生產(chǎn)之用.

該模塊主體軟件為SolidWorks,通過VB與SolidWorks的接口,利用API語句對雙大梁岸橋進(jìn)行參數(shù)化建模,并在SolidWorks中對二維圖紙進(jìn)行輸出.為了使設(shè)計(jì)者方便編輯,通過VB與AutoCAD的接口,對二維圖紙進(jìn)行接入打開操作[16-17].圖10為系統(tǒng)輸出的雙大梁岸橋模型.

因此,系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是各個(gè)獨(dú)立功能的模塊的建立；二是模塊間,設(shè)計(jì)人員間設(shè)計(jì)信息的交互平臺(tái).第一大功能需要分別對各個(gè)軟件平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)化的開發(fā)并實(shí)現(xiàn)信息儲(chǔ)存.第二大功能則需要構(gòu)建以HLA為基礎(chǔ)的交互協(xié)作框架,并對各個(gè)模塊進(jìn)行連接.

圖10 岸橋三維模型Fig.10 The three dimensional model of ship unloader

3 結(jié)論

本文從工程實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā),提出了基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)的岸橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的搭建方法,建立了岸橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信息交互框架.通過分析岸橋起重機(jī)設(shè)計(jì)流程,定義了聯(lián)邦與聯(lián)邦成員以及各聯(lián)邦成員間的交互信息所需的發(fā)布/訂購表;通過建立聯(lián)邦成員訂購窗口以及聯(lián)邦成員間的交互協(xié)調(diào)方法實(shí)現(xiàn)HLA框架的搭建,實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)人員、不同聯(lián)邦成員間通過系統(tǒng)進(jìn)行信息交互.最后通過雙大梁岸橋設(shè)計(jì)過程對該系統(tǒng)各功能進(jìn)行了檢驗(yàn).