关于系列起重机焊接卷筒模块化类继承设计的研究

作者：郑晓敏

  为了适应不同使用情况、不同作业环境的要求，需要生产具有类似机械结构、不同尺寸规格，并且在结构局部有些许差别的不同结构形式的系列化卷筒。针对这种情况，起重机生产厂家急需采用现代设计方法和高效设计模式，以达到节约生产原料、提高设计效率、缩减开发设计成本的目的。

  起重机卷筒的结构形式和受力特征类似，使设计人员在每次设计新产品时，都需要进行相同或相似的受力分析和校核，其设计过程具有很强的重复性，浪费了时间、降低了设计效率。为此，本文对系列起重机卷筒模块化类继承设计进行研究。

1  起重机卷简结构特征分类设计

1.1  软件开发需求及特点

  卷筒的结构设计主要表现出以下几个特征：①功能要求较为单一，均为实现钢丝绳的牵引及卷绕功能，故具有相似程度高的结构特征和受力特征；②由于各个工厂的厂房尺寸规格不同以及对起吊货物重量的要求不同，使得不同产品的尺寸特征具有较大差异；③产品设计人员为了更高效地进行设计计算，同时为后续的加工制造提供便利，对产品具有相同或相似功能特性的部分逐渐采用企业内标准化、模块化的设计方式。

  目前大中型机械制造企业广泛采用VC、VB等编程方法对产品结构进行优化设计及参数化力学性能建模分析，采用计算机解决问题时需要用程序设计语言对问题进行描述，因此在解决实际工程问题时要求编写出的软件产品便于人们理解和接受，易于维护和改进，并且要求软件产品具有高可靠性。这就要求软件开发人员在程序设计时应采用设计工程师通常的思维方式来建立被描述问题的模型，以提高机械设计领域中软件模块化和代码重用的可能性。

1.2  面向对象编程理念的应用

为实现上述目的采用如下技术方案：运用面向对象的编程理念，将分析单元类型和材料属性的设置、几何模型建立、载荷和约束施加、求解方式设置及计算结果后处理等分析过程抽象成各基本类，在各基本类中分别添加各类所需要完成的功能，不同类之间仅允许接口数据的传递而避免方法功能的交叉使用。不同的模块编写可以分别分配给不同的技术人员，约定好各模块的输入输出接口规则就能够达到协同工作的目的，同时也能够提高软件的设计效率，并为后续的系列化产品设计搭建好基本的设计平台。通过面向对象技术中对现有功能类模块进行派生，能够很好地对现有设计模块进行功能的升级和修改，并且不影响现有功能的实现，同时还能够体现设计的层次性，为设计人员提供明确的设计思路，满足系列化设计的修改要求。图1为模块化设计系统框架。

2卷筒模块化类继承建模

2.1  卷筒受力分析程序框架建立

  实现该技术方案是一个系统性工程，需要编制软件设计框架、约定各数据结构的传递规则、实现模块内部具体功能及规划功能模块类的派生结构等。其各模块的编制方法与实施应符合以下规则：

  (1)首先建立最底层最基本的各模块基类，其接口交换参数、内部成员函数及成员变量需适应所有的系列化产品要求，即编写具有最基本、最普遍的功能函数及交换、存储变量作为各模块的基类。基类不直接作为函数的具体功能实现部分，所有的具体功能实现模块均应当从各自相应的基类中派生。  

(2)各模块类的派生类层次及派生数量应该充分考虑设计产品的实际特性。图2为层次结构中每一层产生的派生类个数对应于实际建模分析的产品几何、受力特征变化种类。

  (3)在修改或更新系列化产品特征时，首先需要明确产生新特征的产品类型，以确定在基类或是某一派生类进行成员函数或成员变量的修改。若在基类中增加了新特征的代码实现部分，则该变动适用于整个系列化的产品设计；若在该基类的某一个派生类中增加该部分，则变动仅作用于该派生类及其派生的类族。

  (4)不同的有限元建模分析软件（如ANSYS、SolidWorks等）具有不同的驱动软件功能的输人命令的格式要求。须将程序内分析计算的每一个子模块最终转化为适应商业分析软件输入格式的文件，以达到驱动该分析软件进行分析计算的目的。并且这一步骤应在软件模型、数据计算处理等一切预处理过程结束之后，在驱动有限元分析软件进行分析计算之前进行，且一旦转化完成就不再对转化后的命令文件进行修改。因此，应当在不同的分析计算模块内部编写格式转化函数或格式转化类，将几何模型、载荷及边界条件等软件内部参数转化为商业分析软件所要求的文件格式。

  (5)为避免由于软件编写的不同模块使用相同名称的变量或函数而导致的软件功能和结构上的混乱，同时考虑到现有模块以后的可扩展性（即继承性），各类成员变量和成员函数除接口函数采用公共型(Public)外，尽量采用保护型(Protect)。

  模块间的连接方式应满足以下要求：①由于系统的各模块之间有明显的层次关系，为了保证数据传递的准确性和规范性，模块间的数据交换应仅限于上下层之间，同一层之间或没有直接层次关系的模块之间应尽量避免数据的直接相互调用，防止出现数据重复引用或引用出错的问题；②由于卷筒的整体结构是由大量几何形状特征极其类似的钢板和型钢等接合而成，故而系列化产品的开发常常是之前产品的某些钢板或型钢的重新组合，因此需要在功能函数的参数列表中设置标志位，用以判断应当调用何种几何特征的模型类。

2.2  卷筒模块化分类设计与分析建模实例

为体现系列化设计方法的高效特点，我们对3种不同结构形式、不同受力特点的卷筒进行了受力分析程序的编制。载荷及边界条件施加完毕后的有限元模型如图3所示。

3种卷筒几何形式相似，总体结构尺寸相同．其不同特征如下：①为双联卷筒无肋板线性分析，②为双联卷筒增加中间肋板非线性分析，③为单联卷筒无肋板线性分析。我们在完成①分析之后，只需增加肋板类并将线性分析类替换为非线性分析类即可完成②分析；将①分析受力加载类的双绳卷绕修改为单绳卷绕加载方式即可完成③分析。其应力云图分别如图4～图6所示。

  由以上实例可以看到，针对系列化卷筒设计，采用类继承的模块化设计方法，能够快速完成同系列产品的各种性能测试，而无需对新的产品开发任务进行全新的方案设计，只需修改特定模块内容，或对现有各模块重新进行排列组合即可完成设计任务。

3结论

  (1)针对整个卷筒的受力分析过程，采用类继承的方式将各个模块层次化，使设计的几何特征、材料特征和受载特征等分层次抽象出来，有利于设计人员认识和操作整个设计过程。

(2)对于与之前的设计产品有明显共同特征的结构设计，采用模块类继承设计减少了设计者重复设计的工作量，缩短了设计时间。

4摘要：起重机起升机构焊接卷筒是具有相似构造、不同尺寸规格的系列化产品。讨论了提取起重机卷筒结构及受力特征的模块化编程类设计方法；在进行新产品开发时，对相同或相似功能采用标准化、模块化的设计方式。通过建立统一的编程设计框架，对模块内采用类继承的方式，对模块间的接口数据传递进行约定，提高了代码利用效率，规范了数据传递的准确性，对提高起升卷筒结构设计合理化和设计效率具有重要意义。