起重機械計算機輔助概念設計的方法

 

    概念設計(conceptualdesign）是指在滿足約束的條件下由功能確定出形式的設計過程，也是一系列的決策過程。有研究表明，概念設計是決定一個項目或產品設計方案，節約投資和富有創造性的一個重要設計環節。

 

    傳統的概念設計完全是由人來完成的，它受到設計者的知識水平、經驗，甚至情緒等多方面因素的影響，因此，設計過程具有很大的盲目性，而設計結果具有很大的隨機性。

 

    隨著計算機技術的發展和設計方法的不斷完善，形成了計算機輔助概念設計這一新的研究領域，并在土木、電子電路等工程設計中得到了應用，在機械工程領域中也有一些可喜的應用成果，如智能加工中心的設計，汽車的設計以及在機構學中的應用等。

 

    本文將基于功能、約束、結構的概念設計方法應用于起重機械的設計中，重點討論系統設計的方法，繪出總體框架，本研究對于利用計算重機械智能型設計方案，形成完整的起重機輔助設計系統具有重要的意義。

 

    2.計算機輔助概念設計及其方法

 

    2.1概念設計的定義

 

    主要要注意2個概念：功能和結構。功能是指所要滿足的最主要的特性；結構是一種構型或一種屬性，或產品目錄中的一種產品、一個元件。實際上，在設計的各個階段，設計者都會遇到諸如采用何種結構來滿足設計的功能要求之類的問題，解決這樣的問題并得到一些設計結果的過程就稱為念設計。因此，概括地說，概念設計具有以下4個特點：

 

    （1）概念設計以滿足設計的功能要求為目的，這也說明了概念設計的內容，即概念設計以功能要求為主要研究內容。

 

    （2）概念設計得到的結果應具有多樣性即概念設計應能夠得到一些，也不是一個結構組成方案。

 

    （3）概念設計應是多層次的，只有這樣才能實現設計結果的多樣性及功能與結構的—一對應關系。

 

    （4）概念設計應有利于創新，這是概念設計的靈魂。

 

    2.2計算機輔助概念設計的方法

 

    應用計算機來進行概念設計是近些年工程設計中的一個研究熱點問題，已有各種方法，比較常用的是基于功能、結構和約束的概念設計方法，這

 

    種方法可分為以下3個步驟：

 

    (1)將設計要求抽象為功能，并分解為主要功和次要功能。主要功能必須無條件地滿足，而次功能是在設計約束容許的條件下盡可能地滿足，與設計要求發生沖突時，可放寬要求，甚至可完；放棄。

 

    (2)實現功能與結構之間的映射。

 

    (3)由評價準則或評價方法評出最佳方案或較佳方案。

 

    在上述步驟中，功能的分解和推理一般以符號進行，以使設計過程更加理性化，便于產生新的設一方案。而且在每一步驟中都應考慮設計約束，并隨著設計過程的不斷深人，又有新的設計約束加人其中。

 

    通常，計算機輔助概念設計系統主要由功能模塊、結構模塊和評價模塊組成。功能模塊僅僅考慮主要功能，而不考慮約束、物理描述及制造過程。構模塊既要描述實現主要功能的物理結構，還要包括功能模塊所略去的所有信息。當功能模塊和結構模塊確定之后，便要建立能夠表達設計要求路徑抽象層次結構，根據輸入/輸出條件選擇適當的功能模塊，進而形成功能網絡。評價模塊用來對設得出的各種方案進行評價。

 

    3起重機械的概念設計

 

    3.1二起直機械的功能網絡

 

    起重機械是一種重要的搬運機械，無論在車站、碼頭還是在工廠車間，到處都可以看到各式各的起重機械。起重機械的主要功能應是起吊重物，并將其置于所期望的空間位置。這一功能又可分解為3個操作動作：取物、起升、定位。取物是指將起重機械與被起吊的重物聯系在一起；起升和定位是將被起吊的重物移動到所期望的空間位置，即改變重物的空間位置，其中起升指重物在垂直地面方向上的運動，而定位指重物在平行于地面的平面內的運動。這3個操作動作可各自獨立完成，也可將起升和定位2個動作組合在一起完成。圖1給出了功能網絡中的功能層和行為層，圖中操作動作之間的連線表示可以組合實現。

 

    至此，還不能實現功能與結構之間的映射，因為二者之間的關系還不是—一對應的，如完成取物這一動作就有許多裝置可以采用。有研究表明，功能分解的最佳狀態是功能與結構的—一對應。如果功能分解得過細，則求解所需的時間將增加很多，而分解過粗，則有可能丟掉一些好的設計方案。因此，有必要將功能繼續向下分解，直到功能與結構有—一對應的關系為止。

 

    根據完成各種操作動作的物理原理和方式不同，可以將功能進一步分解。現僅以取物為例加以說明。取物行為層以下的部分功能網絡如圖2所示。起升和定位或二者組合動作也有類似的功能網絡結構。

 

    系統根據輸人的設計約束進行抉擇．從而形成各種不同的求解路徑，得到不同的設計方案。如重物為散粒狀物料則應選用抓取作業方式，即使用抓斗；而當重物的尺寸范圍變化較大，且需遠距離操縱時應選用夾緊取物方式，夾緊取物又有支架一鉗式、杠桿一鉗式、杠桿一繩索式、偏心輪式等各種形式。若選定了某一種部件形式，進一步就是設計各個零件的結構和尺寸。如此這般，便實現了從功能到結構的映射，完成了概念設計階段。

 

    3.2方案的評價

 

    起重機械是一種復雜的機械設備，基于功能。約束、結構的計算機輔助概念設計方法所得到的眾多方案，還需要在考慮安全性、可靠性、通用性及性能價格比等諸多重要因素的基礎上進行方案評價。評價方案的方法可采用模糊綜合評價法或灰色綜合評價法，這些方法在機械工程中已有不少應用，本文不再贅述。

 

    4.結論

 

    本文提出了起重機械計算機輔助概念設計的方法，利用這種方法可以使起重機械方案設計過程更加理性化，減少設計者對設計結果的影響。通過計算機輔助概念設計得到的許多設計方案，在方案評價的基礎上，將得出最佳方案或較佳方案，甚至可能具有一定的創新性。基于起重機械計算機輔助概念設計方法而形成的起重機械智能。家系統值得進一步深人研究。

 

    (end)