基于高级体系结构的大型岸桥结构设计系统研究

张 氢,翟金金,洪 颖,秦仙蓉,孙远韬

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

岸边集装箱起重机(简称“岸桥”)是港口用于装卸集装箱的主要机械设备,对该类机械的设计[1]一般是根据主要设计参数,凭借设计人员自身的工程经验,完成其总体布局、主要金属结构选型计算、截面设计计算、载荷校核、岸桥性能分析等工作,在此基础上可以建立三维模型,查看结构的整体布局并检查干涉情况,最后输出二维图纸.随着全球市场竞争的加剧,岸桥制造企业对岸桥的设计周期大大缩短[2].为了保证设计质量,缩短设计周期,目前形成了诸如快速设计系统的平台,类似系统也在装船机等大型结构件上得以应用[3],其流程如图1所示.

由图1可见:岸桥结构快速设计的设计平台往往是一个“串行”过程[4],主要依托的是各设计小组知识水平和经验,但由于各设计小组或领域专家在设计目标、领域知识和评价标准上存在认识差异,一个领域的知识和信息难以被正确传达给另一个领域的设计者,在设计过程中难免发生冲突[5],从而对当前设计造成了阻碍.此外,在串行过程中涉及的结构设计、优化以及整体评估等往往需要多次循环方能得到最终理想结果,此过程中彼此之间存在大量的数据传输需求,同时也要求大型独立软件系统,既增加了产品研发成本,也降低了设计研发效率.

图1 设计流程图Fig.1 The design flow chart

所以要解决复杂产品设计的难题,仅靠研究各组成元素的行为是不够的,需要采用总体论的观点看待这一问题.现今,高层体系结构(High Level Architecture,HLA)作为一个通用的体系结构,不仅应用于军事领域,而且已经应用于工程设计领域,利用它建立强实时、松耦合的协同设计系统以实现复杂产品的设计与仿真[6].国内清华大学的CIMS研究中心肖田元等[7-10]从复杂产品开发和平台规范化的需要出发,研究了协同设计、仿真与优化的集成方法相关实现技术.

本文以岸桥起重机结构设计系统为对象,以Visual Basic 6.0作为集成开发环境搭建HLA岸桥结构设计平台,对其中数据交换技术进行了探索和研究,基于RTI软总线的方式,使得不同的设计信息以及异构的CAD之间能够达到数据的一致;并结合发言控制策略消解设计冲突使得岸桥起重机结构设计系统可以很好地协调各个设计之间的信息交换,并对不同的设计进行协调,提高设计效率,缩短产品研制周期,从而使开发变得较为可靠而简单.

1 基于HLA的岸桥结构设计系统框架的构建

1.1 HLA简介岸桥设计系统基本架构

HLA是一种高级体系结构,优势在于仿真部件和仿真系统之间在高层次上具有较好的可重用性、互操作性.HLA主要包含以下3部分:规则(rules)、对象模型模板(Object Model Template,OMT)和运行支撑环境(Run-Time Infrastructure,RTI)的接口规范.HLA接口规范以服务的方式定义了联邦中成员间进行信息交互的方式,包括可调用服务和应提供的回调服务,分为联邦管理、声明管理、对象管理、时间管理、所有权管理和数据分发管理6类服务[11].OMT分为联邦对象模型(Federation Object Model,FOM)和仿真对象模型(Simulation Object Model,SOM).FOM说明的是联邦内各成员间用于交互的数据,而SOM则针对每个联邦成员能提供给联邦的数据.HLA接口规范依靠RTI来实现,因此，RTI是HLA仿真的核心要素,在联邦执行过程中,联邦成员间的交互都通过RTI来实现.

本岸桥设计系统的3大模块使用了如ANSYS,SolidWorks,AutoCad等各个CAX软件对设计信息进行处理.但是,各个设计信息却因软件的异构、设计人员的不同步而出现信息孤岛,若没有一个统一的管理协调机制,即便拥有强大的设计软件技术,还是会出现结果数据难处理、设计性能欠优化的问题.因此,本系统为了建立双大梁岸桥结构这样的复杂产品,需要通过HLA集成各个设计信息.

如图2所示,该设计系统的HLA的架构围绕着RTI建立,并要设计联邦剧情,作为RTI运行的主线,同时制定各个联邦成员与RTI通信的规则,才能使得基于HLA的系统通信得以进行.

本设计系统的联邦剧情即为双大梁岸桥设计流程,即通过参数设置、力学分析及干涉检查的反复判断校核后输出模型、图纸.而联邦信息交互规则是通过设定使得不同模块的输入输出信息储存方式统一,所有信息都通过OMT所统一的信息格式进行交互,并将接口函数封装入RTI中.

双大梁岸桥起重机需要实现的功能较为繁杂,本文在岸桥设计系统中定义了管理联邦成员、设计联邦成员和监测联邦成员3种联邦成员,并利用功能模块化的方法表示了3种联邦成员的系统结构.通信层中应用RTI实现底层通信服务,以实现联邦成员的具体功能与系统的运行管理、底层通信传输之间的分离,如此设计系统具备了很好的扩充性,方便各联邦成员进行动态注册,有利于团队进行协同设计工作.

1.2 联邦成员设计信息交互的关键问题

若某个联邦成员设计过程中欲注册对象、更新实例属性值或者发送交互信息,在此之前该联邦成员应先调用合适的声明管理服务.与此类似,若联邦成员发现对象实例、反射实例属性值和接收交互信息,其在此之前也应该首先调用适当的声明管理服务.利用声明管理服务功能各联邦成员能够在联邦内建立公布和订购关系.

图2 基于HLA的双大梁设计系统的通信框架Fig.2 Communication framework of double girder design system based on HLA

在本设计系统中,需要创造3种类型的联邦成员进行通讯,即管理联邦成员、设计联邦成员及检测联邦成员.统筹管理联邦成员可以打开用户参数设计模块,对双大梁岸桥起重机的总体参数、各部件尺寸参数进行设定及修改.没有设定的参数则会由系统计算的初始值给出.设计联邦成员会得到各个管理联邦成员给出的尺寸信息进行模型及图纸的输出,在必要情况下也可打开模型或图纸进行修改,修改的信息会报告给管理联邦成员及检测联邦成员.检测联邦成员主要负责产品设计过程中的数据合理性验证和优化,需要被验证的对象参数都记录到数据库中,系统通过数据接口读取数据进行稳定性、结构强度等计算,对于设计不合理的数据反馈到对应的设计联邦成员修改.

在双大梁岸桥设计过程中,最新的产品对象类属性和交互类信息由各个联邦成员通过P/S关系触发事件发送,并同时响应其他联邦成员事件.RTI根据P/S关系对收发双方的数据进行过滤,确定各联邦成员数据流发送和接收的流向,实现将信息从数据的发布者直接传递给数据的订购者的功能,从而达到减少网络中冗余数据的目的,确保了联邦成员数据的及时高效更新.表1展示了部分双大梁岸桥设计系统联邦成员间的角色及订购关系.图3则为本系统设计邦员发布/订购关系设置图.

表1 双大梁设计系统联邦成员角色及订购关系表Tab.1 List of roles and ordering relationships of federal members of double girder design system

图3 邦员发布/订购关系设置图Fig.3 Federal member release/order relationship setting diagram

同时,在双大梁岸桥结构这样的复杂产品设计中,会出现2个或2个以上的联邦成员同时对同一对象的同一属性参数,如尺寸、强度、位置和材料等进行修改,即在联邦成员中同时有多个联邦成员对同一个参数都有公布的权限,此时就会造成并发冲突.为了避免冲突操作的发生,本设计系统采取的是对不同职能邦员设置不同级别的项目权限的方法.

通常项目管理者拥有最高的项目权限,区域总体方案负责人次之,普通设计者的权限最低.如图4所示,作为总体方案负责人的F1.0拥有比零件布置的F1.2,F1.3,F1.4等联邦成员更高的项目权限,即F1.0拥有优先的操作权.

图4 联邦成员级别分布Fig.4 The level distribution of federal members

建立RTI框架的目的,就是希望建立一套软总线,能将异构软件间的数据进行无障碍地传递.由于本设计系统是基于Visual Basic 6.0作为平台进行开发的,因此,所有软件输出的信息格式,必须能够使得通过VB语言能够识别并读取成为系统变量的一部分,如图5所示.

但对于同一级别的邦员,仍存在信息交互冲突的可能性.因此，在同一级别邦员之间,本系统采用邦员之间沟通的方法解决这一问题,即利用HLA中所有权管理和设计引擎的权限管理服务功能,使在系统运行的任一时刻只能由一个联邦成员对某一对象拥有设计权,以此避免联邦成员冲突操作的发生.根据设计邦员的项目权限和请求事件的时间戳,发言权控制策略决定了发言权的请求和准许,并决定了发言权的分配顺序,系统从其分配模式来看,分为抢占模式和放弃模式[12].如图6所示,针对轨距不同的设计邦员间通过权限转让和抢占权限两种方式对参数进行协调,当邦员选择权限转让,则系统自动判断设计信息按照订购邦员信息进行处理,若选择抢占权限,则通过订购邦员进行确认后,则可得到设计信息的处理权利,对设计信息进行修改.

图5 邦员交换信息示意图Fig.5 The schematic diagram of federal members exchanging information

图6 邦员协调功能示意图Fig.6 The schematic diagram of federal members’ coordination function

2 实例

由上节可得知,双大梁岸桥设计要基本上完成参数设置、力学分析、三维模型校核与图纸输出的3大基本功能.因此，本设计系统基本分为3个功能独立的模块:参数设置模块、力学分析模块及模型/图纸输出模块,如图7所示.

图7 岸桥结构设计系统模块结构Fig.7 The module structure of ship unloader structure design system

3个独立功能模块的基本情况如下:

(1) 参数设置模块.设计者可通过输入基本参数让系统自动计算生成整机尺寸,以达到初步设计的目的,设计者在基于系统自动生成的初步设计参数上对各部件设计参数进行设计及修改.该模块主要在Visual Basic平台完成参数的输入与计算,并通过Excel将设计参数进行储存,以便查看调用.

首先,设计者通过交互界面将设计所需要的岸桥技术参数输入系统,如:起重量、起升高度、起升速度、跨度、工作级别等,系统根据起重机设计规范及设计经验计算给出各个部件结构的参考值,这些参考值是可以由设计人员的操作被修改的.经过修改后尺寸参数将会经过系统对其尺寸值进行合理性判断.当各个部件结构尺寸确定后,整个岸桥结构将会被系统进行有限元建模，并进行力学分析以判断结构尺寸设计是否符合强度要求.当结构通过力学分析校核后,系统将根据前述得到的尺寸建立参数化模型,设计者可对参数化模型进行查看,同时对其干涉情况进行检查与修改.当设计者对模型进行修改后,系统会将新的尺寸变化反馈回力学分析模块进行检验,检验通过后,对模型进行二维图纸的输出.用户也可以在图形自动生成后结合自身的工艺特点对结构进行修改和再设计,直到得到满意的工程图为止.最后系统将把工程图存储在项目文件夹中,以便设计人员直接调用.图8即为参数设置界面.

图8 参数设置界面Fig.8 The interface of parameter setting

(2) 力学分析模块.经过初步设计后的岸桥结构需要经过有限元模型的校核和验证,以达到强度、刚度等多种设计要求.而由于双大梁结构的特殊性,将有两个起重小车同时工作.为了提高效率,双大梁岸桥起重机设计使两个小车得以同时工作,这会使整个起重机结构的载荷分布更加多变而复杂[13-14],因此，分析两个移动载荷同时运行时对整机的影响是该设计系统的重点之一.通过力学分析模块,用户可以利用之前初步设计后的结构尺寸参数建立相应的有限元模型,并对其进行特定工况的分析,以达到校核的目的.

该模块主要基于有限元仿真软件ANSYS来进行,通过VB与ANSYS的接口[15]对其进行写入命令并进行力学分析计算,并输出计算结果,再由VB所呈现的结果界面对力学结果进行显示.如图9所示,建立岸桥有限元模型进行仿真,并输出最后结果.

图9 岸桥力学分析Fig.9 The mechanical analysis of ship unloader

(3) 模型/图纸输出模块.在经过参数设置模块及力学分析模块中修改校核后,可通过模型输出对双大梁岸桥的装配体进行干涉校核,以复查设计中的缺漏.以大梁铰点设计为例,在大梁铰点设计中,常常出现前后大梁铰点干涉的情况.当设计邦员对干涉检测邦员进行订购时,则干涉量可通过全局变量直接反馈给铰点的设计邦员,使其进行自动修改,完成干涉检查与修正.

当所有尺寸参数达到了相关用户需要,便能够通过模型/图纸输出模块来对用户的设计进行输出,得到三维的可视化模型及二维图纸以供生产之用.

该模块主体软件为SolidWorks,通过VB与SolidWorks的接口,利用API语句对双大梁岸桥进行参数化建模,并在SolidWorks中对二维图纸进行输出.为了使设计者方便编辑,通过VB与AutoCAD的接口,对二维图纸进行接入打开操作[16-17].图10为系统输出的双大梁岸桥模型.

因此,系统需要实现两大功能：一是各个独立功能的模块的建立；二是模块间,设计人员间设计信息的交互平台.第一大功能需要分别对各个软件平台进行参数化的开发并实现信息储存.第二大功能则需要构建以HLA为基础的交互协作框架,并对各个模块进行连接.

图10 岸桥三维模型Fig.10 The three dimensional model of ship unloader

3 结论

本文从工程实际应用角度出发,提出了基于高层体系结构(HLA)的岸桥结构设计系统的搭建方法,建立了岸桥结构设计系统的信息交互框架.通过分析岸桥起重机设计流程,定义了联邦与联邦成员以及各联邦成员间的交互信息所需的发布/订购表;通过建立联邦成员订购窗口以及联邦成员间的交互协调方法实现HLA框架的搭建,实现不同设计人员、不同联邦成员间通过系统进行信息交互.最后通过双大梁岸桥设计过程对该系统各功能进行了检验.