隨著市場競爭的日趨激烈，能夠在最短的時間內設計出滿足客戶個性化需求、性能優良、質量可靠的產品已成為企業制勝的關鍵。Meyer和Alvin等人指出在實際產品設計生產過程中，約有70%的產品設計是在已有的產品基礎上，根據用戶新的需求做局部的結構變化或參數調整來完成的，即屬于變型設計的范疇。變型設計一般基于已有的工作原理，按照實際功能需求對結構等進行重新調整布局，以產生適應新產品的設計技術，它可以充分利用企業已有的設計資源和設計人員良好的經驗，提高產品的設計效率，降低成本，保證產品質量。變型設計在滿足客戶個性化需求，特別是產品多樣化的需求有顯著的優勢。
門式啟閉機是一種專用于啟閉水工建筑物、閘門、發電廠與攔污柵用的起重機械，門式啟閉機作為一種典型的非標準結構類產品，針對不同的工況，其結構中關鍵承載部件，例如小車架結構型式多變，具有很強的設計隨意性和靈活性。而且門式啟閉機的設計一般是在已有的產品基礎上進行變型設計，知識重用度極高，然而現階段門式啟閉機相關設計制造部門缺乏專用的工具，難以數字化保存和重用已有的設計知識和經驗，造成每一次新的設計只能重新設計計算和繪圖，延長開發周期，增加開發成本。因此，現階段構建門式啟閉機快速變型設計平臺意義重大。
1 基于模塊化的產品變型設計
1.1 模塊化設計
模塊化設計是在對一定范圍內功能相同但性能、規格不同的產品進行分析的基礎上，劃分構建出一系列模塊，通過模塊的選擇和組合迅速構成滿足不同需求產品的一種設計方法，模塊化設計一般分為以下3個步驟。
1.1.1 模塊的劃分
根據設計要求對產品進行功能分析，分解抽象出設計模塊。具體是將一套復雜機械產品分解成若干個一級模塊，一級模塊又可以分解成若干個二級模塊，依次類推，每個模塊下包含了多個具有某種共同性質的零部件，這些零部件具有較強的互換性，便于設計時替換，如圖1所示。
圖1 產品的模塊劃分
模塊劃分時一般要考慮以下幾方面問題：
(1)模塊在功能和結構上具有獨立性和完整性。模塊劃分是對產品的總體功能及結構進行分析、分解后得到若干個基本模塊，每個模塊應具有一定的獨立性和完整性，這樣有利于模塊之間的組合，可以構成多樣化的產品。
(2)零部件之間的相關度。產品所有零部件之間的相關度計算是模塊劃分的重要依據。假設零部件之間的相關類型有n種，第k種相關對相關度的影響因子為rk，則零部件mi和mj之間的相關度為：
相關度
式中：當mi和mj之間不滿足第k種相關時，mi，j=0；當mi和mj之間滿足第七種相關時，mi，j=1。
(3)零部件聚合成模塊。將分解得到的零部件與各個模塊進行比較，判斷其是否滿足該模塊的結構和功能要求，據此可以將所有零部件劃分到相應的模塊中，完成初步劃分模塊。
(4)模塊劃分的級數。模塊劃分的級數越多，單個模塊的成本會下降，但模塊之間的接口會更加復雜，接口成本也會急劇上升；相反如果模塊的級數過少，則單個模塊的成本較高，且不利于設計的靈活性。因此，在劃分模塊時需要根據產品自身的特點及實際設計需求來確定合理的級數。
文中以門式啟閉機為例對其進行模塊劃分，根據門式啟閉機各部分的功能特點可將其劃分成起升機構、金屬結構和運行機構等3大部分組成，再依次向下劃分，結構如圖2所示。
圖2 門式啟閉機的模塊劃分
1.1.2 模塊的構建
模塊劃分完成后，要對各個模塊進行具體的構建，主要包括以下4方面的內容：
(1)模塊管理。主要確定各模塊的名稱、功能及零部件數目等。
(2)模塊構成。確定各模塊內部包含的零部件名稱、特點及性能等。
(3)幾何造型。確定描述零部件結構的幾何形狀和尺寸參數，并根據設計需求將部分參數設為驅動參數。
(4)接口處理。產品設計過程中，各模塊的零部件要根據設計需求的不同而替換，模塊之間并不是獨立的，而是有一定的約束聯系，因此，必須定義好模塊之間的接口關系以解決好裝配問題。例如圖3所示，若產品設計時，在一級模塊下選擇“零件11”，由于模塊1對模塊3有一定的約束，會使得模塊3只能選擇“零件32”而不能選擇“零件31”等。
圖3 模塊之間的約束關系
1.1.3 模塊的重組
這一步是模塊劃分和構建的目的，體現在具體的設計階段，設計人員根據具體要求在各個模塊下選擇滿足條件的零部件組合成新的產品。
1.2 門式啟閉機小車架的變型設計
門式啟閉機的小車架結構形式多變，設計較靈活，文中系統采用了基于模塊化的變型設計方法，首先根據功能將小車架劃分成7個模塊，用戶可以通過以下兩種方式實現小車架的變型設計。
(1)產品庫中存在相似模板的情況下，設計人員可以通過調用模板并對其進行修改以得到目標產品，原理如圖4所示。
圖4 小車架模塊化變型原理圖1
(2)當產品庫中沒有任何相似模板的情況下，設計人員按照規定的順序依次選擇每個模塊下某種結構形式的零部件，將不同模塊組合在一起，得到滿足要求的產品。原理如圖5所示。
圖5 小車架模塊化變型原理圖2
通過上述方法，設計人員可以很靈活地根據設計需求，合理地利用已有的設計資源和經驗，快速實現小車架的變型設計。
2 復雜機械產品變型設計平臺
2.1 平臺的體系
復雜機械產品快速變型設計平臺是一個支持虛擬設計和評價，支持產品變型與分析集成應用系統。文中系統在AutoCAD和ANSYS軟件平臺基礎上，以Access為后臺數據庫統一管理。運用Visual C++開發環境，綜合ARX編程技術、人機交互技術和數據庫操作技術等，實現了設計模型和分析模型的無縫集成，最終實現門式啟閉機可視化、數字化的快速響應變型設計。設計人員在平臺引導下，按照規范的設計流程，在交互界面下輸入設計參數、選擇零部件類型，系統通過參數關聯、傳遞和判斷，驅動生成產品CAD與CAE模型，完成模型的變型設計與分析，并將產品實例的三維虛擬原型、主要技術參數、有限元分析結果及零部件的二維圖信息全部保存。系統所包含的功能如圖6所示。
圖6 系統的功能模塊構成
2.2 平臺的設計流程
平臺的流程如圖7所示。設計人員首先根據用戶需求和設計經驗判斷產品庫中是否已經存在相似的產品，如果有則調用相似產品在CAD模塊下對其進行修改，接著進入CAE模塊中進行有限元分析；如果沒有則新建產品，根據初始條件的參數在CAD模塊中依次設計出門式啟閉機的起升機構、小車架和門架，然后進入CAE模塊對設計的產品進行有限元分析。通過上述兩種方法，用戶根據CAE模塊分析的結果做出判斷并反饋設計，直至分析結果滿足設計需求，即得到目標產品，并將本次設計產品存入產品庫，供下次設計調用，提高了知識的重用度。
圖7 平臺的設計系統流程圖
2.3 關鍵技術
2.3.1 參數化設計
參數化技術是變型設計中重要的技術之一。運用ObjectARX技術和APDL語言分別對AutoCAD和ANSYS進行二次開發，構建了完整的門式啟閉機三維參數化CAD和CAE模型，并開發出了友好的設計界面，設計人員不用具體建模，只需要在相應的界面下輸入合理的設計參數即可生產相應的模型，極大地提高了設計效率。
2.3.2 CAD/CAE集成
CAD/CAE系統集成分為專用數據接口集成、中性文件集成、基于統一產品模型的集成等方式，其中前兩種方法難以消除模型轉換“理想化”處理過程。文中采用了第3種方式實現CAD/CAE集成，原理如圖8所示。
圖8 CAD/CAE集成原理圖
運用ObjectARX語言和APDL語言分別編寫出各零部件的CAD模型和CAE模型，并基于特征轉換的原理，將兩種模型的參數一一對應關聯，通過數據庫統一管理，設計人員在輸人參數后，程序會通過ARX命令流構建CAD模型，并將參數寫入數據庫中保存，同時修改APDL命令流中對應的參數，實現參數的傳遞和共享，從而實現系統CAD/CAE集成。
例如，定義小車架總體結構的APDL命令流中“寬度”與“跨距”參數的賦值代碼為：
圖9所示為輸入小車架寬度和跨距界面。當用戶通過系統設計產品輸入參數值時，單擊“確定”后，后臺程序會將數據寫入數據庫保存，然后再讀取出將APDL命令流中的chejia_kuaju及chejia_kuan改成用戶輸入的值，主要編程代碼如下：
圖9 用戶輸入寬度與跨距參數
代碼中changeWord()函數為自定義函數，作用是讓程序讀APDL命令流時找到需要修改的代碼標識，例如“chejia_kuaju=”，并將其后面的值修改為用戶輸入的參數，函數原型如下：
3 應用實例
文中開發的平臺實現了變結構小車架模型的設計與分析，如圖10和圖11分別為一種結構形式的雙吊點小車架的三維設計模型和有限元分析模型，其寬度為5.2m，跨距為7.6m，起重量為2×630kN，設計人員通過平臺進一步進行驗證計算、修改等，最終得到符合要求的產品實例，導出零件的二維工程圖，并將產品保存到平臺的實例庫中，供下次設計時調用。
圖10 啟閉機小車架三維設計模型
圖11 啟閉機小車架有限元模型
4 結束語
給出了一種基于模塊化的復雜機械產品變型設計與分析的方法，在此基礎上，以門式啟閉機為例，以AutoCAD為圖形平臺，ANSYS為分析平臺，并融入啟閉機設計流程，開發出了門式啟閉機變型設計平臺。實踐證明，該平臺滿足啟閉機設計多樣化的需求，縮短了設計周期，提高了知識重用度和設計人員的效率，具有推廣應用價值。
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