知识工程在全回转螺旋桨设计中的应用

杨兴林，徐天南，陈 宁

( 江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

全回转螺旋桨是一种可以在360°范围内回转，在各方向产生推力的全方位推进装置，具有良好的操纵性和灵活性，广泛应用于拖船及各类工程作业船。全回转机构是根据行星齿轮传动的原理，利用回转支撑轴承实现的，因此，为确保能够承载巨大轴向力与倾翻力矩，必须根据船级标准对其进行大量的选型与设计计算。随着知识工程技术在造船业的发展，国内外把知识工程技术作为研究的热点，陈金锋［1］等将知识工程应用于船舶构件的设计研究，显著提高了船舶构件的设计标准与效率;张胜文［2］等将知识工程应用于船用柴油机复杂零件数控编程中，使编程知识得到重复利用，数控程序得到优化。孔慧敏［3］等将知识工程与CATIA V5 相结合，快速设计出钢质海船甲板支柱。目前，国内在全回转螺旋桨的设计中运用知识工程技术的研究还较少，本文提出了知识工程技术的全回转螺旋桨的设计，运用SolidWorks的二次开发技术获取标准知识库，然后根据设计流程进行选型与设计计算，最后进行三维实体建模;知识工程技术的应用不仅能够使得全回转螺旋桨的设计标准化，同时也能够减少设计中的错误与对设计者知识经验的依赖，缩短了建模周期，提高了效率。

1 知识工程技术与智能化设计

知识工程(Knowledge Based Engineering，KBE)是一种将某领域知识重复利用于新型设计的工程学理论，其本质就是知识的再利用，即工业产品在其生命开发周期的每个阶段，是否能够充分利用各种实践经验、专家知识及其他有关信息。它是一种存储并处理与产品模型有关的知识，且基于产品模型的计算机软件系统［4］。其核心是将有关学科专业知识、领域知识、用户成熟的设计经验、设计参数的选择依据、试验数据、材料数据、用户反馈信息、相关设计标准及规范等知识嵌入设计软件中，通过知识再利用，实现逻辑判断和推理，进一步实现产品的智能化设计［1］，如图1所示。知识获取、知识表示和知识推理是知识工程的3个关键技术，其重点在于根据知识库中提供的检索，利用知识的方法实现知识的重新应用，帮助用户在更短的时间周期内，更准确的完成更多的工作。

2 设计实例

2.1 设计基本流程

用户需要首先输入已知参数，然后按照静态工况与动态工况分别计算轴向力与倾翻力矩，将计算所得的结果参考回转支撑承受能力曲线图，对比后选取满足条件的曲线图，再调用回转支承型号标准数据库，选取满足条件的曲线图代号，读取数据，然后在SolidWorks 环境进行三维实体的快速建模。基于知识工程的回转支承轴承的设计基本流程如图2所示。

2.2 全回转螺旋桨回转部位的设计

1)ATL 技术

SolidWorks 2012 提供的二次开发向导就是由Visual C++ 6.0 平台上的ATL 技术构造的。ATL 实质是一套C++模板库，它采用特定的基本实现技术(包括COM 技术、C++模板类技术及C++多重继承技术等)，摆脱了大量冗余代码，开发出来的COM 应用代码简洁高效［5］。插件是二次开发的结果，插件对象是一个DLL 文件，可以直接加载到SolidWorks 软件中使用，它将注册信息写入注册表。注册成功后，点击菜单/工具/插件，弹出的对话框中显示出当前可以加载的插件，以便用户选择是否加载该插件。

2)设计的条件与公式

舵桨重量为35 t，根据设计要求，正车拖力不少于80 t。回转支撑到下水平轴的垂直距离为3.129 m，回转支承轴承静态工况下安全系数为1.1，动态工况下系数为1.36。

根据《机械设计手册》中单排四点接触球式(01 系列)回转支撑轴承的选型计算公式［6］:

Ⅰ静态工况选型

①承载角α=60°，

F′a=(1.225Fa+2.676Fr)fs，

M′ = 1.225Mfs。

②承载角α=45°，

F′a= (Fa+5.046Fr)fs，

M′ = Mfs。

Ⅱ动态工况选型

①承载角α=60°，

F′a= (Fa+5.046Fr)fd，

M′ = Mfd。

②承载角α=45°，

F′a= (1.225Fa+2.676Fr)fd，

M′ = 1.225Mfd。

式中:F′a为回转支承当量中心轴向力，F′a=104N;M′为回转支撑当量倾翻力矩，M′=104N;fs为回转支撑静态工况下的安全系数;fd为回转支撑动态工况下的安全系数。

3)用户的设计界面

SolidWorks 2012为开发者提供了基于ATL 技术的二次开发向导，运用ATL 技术并结合回转支撑模型的设计公式，开发出的用户界面插件以.DLL的后缀名文件注册到SolidWorks 系统中。在新建SolidWorks 零件之前，用户需要加载所生成的回转支撑模型的模块以显示在菜单栏上，然后打开用户设计界面(见图3)，界面中用户只需输入已知参数，即可计算出静、动态工况下的轴向力与倾翻力矩，校验安全系数，在界面上即可参考承载能力曲线图与型号标准参数数据库，缩短了设计周期，提高了设计效率。

4)ADO 技术连接数据库

在计算出静/动态工况下的轴向力与倾翻力矩后，需要查看回转支撑承受能力曲线图，查找满足静/动态工况下的承受能力曲线图;并根据曲线图所属的型号来查找该型号下的回转支承轴承的各个标准参数。SolidWorks 平台与Access 数据库的连接是通过ADO 技术［7］来实现的。连接标准数据库的关键代码如下所示:

回转支撑承受能力曲线图与型号标准数据库如图4和图5所示。

图4 回转支撑承受能力曲线图Fig.4 The graph of Full-rotating bearing standing capacity

图5 回转支撑型号标准数据库Fig.5 The database of Full-rotating bearing

5)获取各个标准外形尺寸数据后，通过点击下拉菜单(见图6)即可完成对外环，钢珠，内环，小齿轮的建模，然后进行装配(见图7)。全回转螺旋桨运行过程中，回转支撑的内圈固定，机构运行时处于静止状态，外圈与3个小齿轮相啮合，3个小齿轮分别由一个液压马达提供动力，因此，为啮合精确，提高使用寿命，小齿轮的模数与压力角必须与外圈齿轮一致，齿廓为渐开线齿廓，所以小齿轮的齿数必须大于41，选定小齿轮的齿数为42。齿轮关键代码如下:

图6 建模插件下拉菜单Fig.6 The drop-down menu of modeling

图7 三维实体模型Fig.7 The three-dimensional entity model

4 结 语

在基于知识工程(KBE)的全回转螺旋桨设计方法的研究过程中，将知识利用再利用于全回转机构的设计与快速建模过程。用户只需加载SolidWorks 二次开发的模块，输入已知参数，即可得出静态与动态工况下的回转支撑轴承的承载力，根据承载力的数值选择满足条件的回转支撑承受能力曲线，然后确定标准数据库中的数据。在SolidWorks 零件界面下，下拉菜单中的外圈、钢珠、内圈、小齿轮建模的选项会自动调用选定的标准数据库中的数据，实现标准化回转支撑轴承的快速建模，降低设计开发成本、设计者劳动强度以及降低对经验、专业知识的依赖，提高了全回转螺旋桨设计的效率与质量。

［1］陈金锋，杨和振，蒋如宏，等.知识工程应用于船舶构件的设计研究［J］.舰船科学技术，2010，32(10):16－20.

［2］张胜文，张亮，方喜峰，等.船用柴油机复杂零件数控编程技术研究［J］.中国造船，2008，49(4):66－72.

［3］孔慧敏，马晓平，朱骏.基于CATIA V5的知识工程在船舶设计中的应用研究［J］.东华船舶工业学院学报，2005，19(3):84－86.

［4］韩花丽，刘裕，钟展，等.基于KBE的工程设计［J］.机械研究与应用，2006(1):3－5.

［5］王文波，涂海宁，熊君星.SolidWorks2008 二次开发基础与实例［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［6］成大先.机械设计手册(第五版)［M］.北京:化学工业出版社，2010:481－499.

［7］侯其锋，李晓华，李莎.Visual C + +数据库通用模块开发与系统移植［M］.北京:清华大学出版社，2007.