基于广义模块化的半挂油罐车快速设计系统的开发研究

王金刚，崔志成，刘立忠，赵 娴

WANG Jin-gang，CUI Zhi-cheng，LIU Li-zhong，ZHAO Xian

（河北工业大学，天津 300130）

0 引言

近年来，专用车特别是半挂车产业发展迅速，无论是企业数量还是半挂车产量同比都有很大提高，而新产品研发方面却发展缓慢，迫切需要一种新技术。在这种背景下，“快速响应工程”[1]的概念被提了出来，其中包括：快速获取市场动态需求信息并做出决策，对产品进行快速响应设计，加快新产品的快速试制定型，并建立快速响应制造的生产体系，其中快速设计是最重要的环节。快速设计已经成为现代设计理论的热点问题。目前开展快速设计的技术主要有：快速原型技术、并行设计技术、变形设计技术、虚拟设计技术、模块化设计技术等[2]。其中，模块化设计技术是当前运用的主流技术。

传统的模块化设计方法如图1所示。这种方法通过设定已有模板中各项参数，建立三维模型，从而实现快速设计。这种方法的优点是开发周期短，研发成本低，可以迅速完成单一产品的设计，缺点是设计产品结构单一，产品结构同质化，新模块开发缓慢，研发周期长，成本高。但对于半挂车这类特种机械产品，其结构没有明显的系列化的分级特性，且模块结构不同使用工况，在不同载荷情况下都会有所不同，在设计时应采用一种模糊的广义的模块化设计方法。

1 半挂油罐车模块化设计

广义模块化设计的基本思想是把优化设计和模块化设计相结合，引入参数化设计和变量化分析技术，使传统模块成为具有参数化结构模型和接口特征的广义模块，使广义模块组合技术下的整机CAE分析实现产品快速设计的一种方法。

图1 基于模型样板的参数化建模

广义模块化设计目的是使产品设计能根据市场需要进行快速响应，修改参数得到最优的模块结构，并通过模块组合产生最优的产品。因此，广义模块的划分、模块参数的选择和模块数据库的建立是影响广义模块化设计的一个重要因素[3]。广义模块化与传统模块化相比，具有更好的兼容性，可以把具有相同模块接口和相关功能的部分划分为一个模块，如果内部在结构上有冲突，可以在模块模板的实例化时再进行考虑。

1.1 设计特点

由于半挂油罐车必须满足一定的使用要求，尤其是对罐体的质量有严格的要求。因此半挂车的设计要达到一定的精度，以确保在使用过程中罐体不会出现大幅度的低频振动，从而影响使用寿命，这需要进行严格的理论计算和后期的有限元分析[4]。在保证半挂油罐车质量的同时，还要达到对半挂油罐车的产品系列化、分级化，这就需要改进传统意义上的模块化，以适应产品的互换性要求。因此，在半挂油罐车的模块化设计中，需要解决一下问题：1）如何解决模块划分，以及通用性问题；2）如何让不同模块相互组合，已达到效能最大化的问题；3）如何解决模块接口问题，已达到各部件无缝连接问题。针对以上问题，本文在快速设计系统开发过程中，主要应用广义模块化设计理论。

1.2 结构划分

根据半挂油罐车的结构特点，在模块划分对其进行结构分类，可以让快速设计系统在模块划分时更精确[5]，如图2对半挂油罐车的主要部件进行分类，并使之参数化，得到各个部件的典型参数，在以后进行模块化设计是能提供方便。

图2 半挂油罐车模型结构划分

1.3 模块划分

由于半挂油罐车结构的特殊性，很难实现模块的完全通用化。所以模块划分时应遵循以下原则：1）在同一半挂油罐车产品平台下，模块的划分应有相对统一的标准规范；2）适量减少产品所包含的模块数，简化模块本身的复杂程度，避免混乱；3）以有限的模块数获得尽可能多的产品组合方案，已达到用户需求；4）模块本身具有一定的独立功能且结构完整；5）模块间的链接部件应便于组装和拆卸。6）模块划分时应考虑部件精度和刚度要求；7）模块划分时应考虑制造工艺性和经济型。

根据上述原则，把半挂油罐车的结构特点和基本功能作为模块划分的第一考虑因素，划分时保证同一产品平台下零部件分类要保持一致，再利用半挂油罐车的辅助分类方法，进行模块化的划分，如表1所示。

2 快速设计系统的开发

2.1 总体结构

在对半挂油罐车进行模块化分以后，就要对车的每个零部件进行参数化设计。在快速设计系统中，参数化模型可以表现整体和各个部件的典型特征，只需改变摸个参数，就可以得到所需要的模型，所以建立一个参数化的模型数据库，并在此基础上进行设计，就可以提高设计的速度[6]。对半挂油罐车快速设计系统的设计流程图如图3所示。

图3 半挂油罐车快速设计系统流程图

图4 半挂油罐车快速设计系统体系结构图

2.2 系统框架结构

半挂油罐车快速设计系统的体系结构如图4所示。系统分为三个层，处于上层的是与用户进行交流的用户界面；中策的系统功能层，有三位模型分系统、材料选择分系统、零件选择相似性判别分系统、质量可行性检验分系统四部分组成；底层是以模板库和部件库组成的半挂油罐车参数化数据库，提供资源调取、储存、查询服务。

2.3 系统开发

半挂油罐车快速设计系统采用UG软件的二次开发功能。UG/OPEN包括四种接口：UG/OPEN API、UG/OPEN UIStyler、UG/OPEN Grip和UG/OPEN MenuScript，其中UG/OPEN API是UG与外部应用程序间的接口，功能很强大，通过编程用户几乎能实现所有UG功能，通过C语言编程，使用户能够控制和访问UG，让应用程序模块和UG程序无缝连接。如图5是快速设计系统的系统界面。

图5 快速设计系统界面

在开发程序时，在C++下建立UG/OPEN的模块接口的开发环境，在UG/OPEN中设定的数据是UF_STYLER_item_value_type_p_t结构体数据类型，对其设定的部分程序代码如下：

3 快速设计系统应用实例

以一个承载40吨运输汽油的半挂油罐车为例，将其划分为油罐、车架、悬挂和防波板布置情况，共四个模块，通过从数据库提取模板和部件，罐体采用数据库中已有模板（如图6a所示），车架按照用户要求输入特征数据：车架大梁参数为腹板厚5mm；下翼板宽度140mm，厚度8mm（如图6b所示）；其余数据由快速设计系统自行计算获得，这里就不列举了（如图6c所示）。

图6 半挂油罐车部件参数化建模

各部件配置完毕后，经过模块组合，生成三维模型（如图7所示），然后最后将模型导入模板库，自定义产生的新部件导入部件库。最后将三维模型导入有限元软件进行检验，检测其是否达到设计要求。

图7 40T半挂油罐车设计完成图

4 结论

本文论证了广义模块化的方法在半挂油罐车中的应用，并以此为基础设计了半挂油罐车快速设计系统，和传统方法相比，简化了设计流程，提高了生产效率，降低了研发成本，使油罐车的设计方法提高了一个理论高度。但由于时间有限，该系统还有很多不足，如数据库中提供的模板较少，零部件自定义设计过于繁琐等，这是在以后的开发中，需要解决的问题。

[1]王永娟,赵军,钟远龙.自动武器广义模块化快速设计研究与系统开发[J].兵工学报,2008,（4）：390-395.

[2]韦俊民,金隼,来新民,林忠钦.面向大规模定制的结构件标准化方法研究[J].中国机械工程,2007,（5）：1047-1051.

[3]吴卫东,廖文和.构建机械类产品快速设计系统的关键技术研究[J].机械设计与制造,2008.（4）：200-202.

[4]徐鸿翔.基于GT的过程机械快速设计系统的开发[J].江苏技术师范学院学报,2006,（6）：57-62。

[5]朱荪珺,王品,刘德仿.机械产品开发中的设计知识表示及应用研究[J].电器技术与自动化,2005,34（5）：68-71.

[6]N.LLOYD,E.VAICIURGIS and T.A.G.LANGRISH.THE EFFECT OF BAFFLE DESIGN ON LONGITUDINAL LIQUID MOVEMENT IN ROAD TANKERS：An Experimental Investigation.Institution of Chemical Engineers,Trans IChemE,Vol 80,Part B,July 2002.