知識(shí)工程在全回轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊興林，徐天南，陳 寧

( 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

全回轉(zhuǎn)螺旋槳是一種可以在360°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，在各方向產(chǎn)生推力的全方位推進(jìn)裝置，具有良好的操縱性和靈活性，廣泛應(yīng)用于拖船及各類工程作業(yè)船。全回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是根據(jù)行星齒輪傳動(dòng)的原理，利用回轉(zhuǎn)支撐軸承實(shí)現(xiàn)的，因此，為確保能夠承載巨大軸向力與傾翻力矩，必須根據(jù)船級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行大量的選型與設(shè)計(jì)計(jì)算。隨著知識(shí)工程技術(shù)在造船業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外把知識(shí)工程技術(shù)作為研究的熱點(diǎn)，陳金鋒［1］等將知識(shí)工程應(yīng)用于船舶構(gòu)件的設(shè)計(jì)研究，顯著提高了船舶構(gòu)件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與效率;張勝文［2］等將知識(shí)工程應(yīng)用于船用柴油機(jī)復(fù)雜零件數(shù)控編程中，使編程知識(shí)得到重復(fù)利用，數(shù)控程序得到優(yōu)化?？谆勖簦?］等將知識(shí)工程與CATIA V5 相結(jié)合，快速設(shè)計(jì)出鋼質(zhì)海船甲板支柱。目前，國(guó)內(nèi)在全回轉(zhuǎn)螺旋槳的設(shè)計(jì)中運(yùn)用知識(shí)工程技術(shù)的研究還較少，本文提出了知識(shí)工程技術(shù)的全回轉(zhuǎn)螺旋槳的設(shè)計(jì)，運(yùn)用SolidWorks的二次開發(fā)技術(shù)獲取標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)計(jì)算，最后進(jìn)行三維實(shí)體建模;知識(shí)工程技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠使得全回轉(zhuǎn)螺旋槳的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)也能夠減少設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤與對(duì)設(shè)計(jì)者知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的依賴，縮短了建模周期，提高了效率。

1 知識(shí)工程技術(shù)與智能化設(shè)計(jì)

知識(shí)工程(Knowledge Based Engineering，KBE)是一種將某領(lǐng)域知識(shí)重復(fù)利用于新型設(shè)計(jì)的工程學(xué)理論，其本質(zhì)就是知識(shí)的再利用，即工業(yè)產(chǎn)品在其生命開發(fā)周期的每個(gè)階段，是否能夠充分利用各種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、專家知識(shí)及其他有關(guān)信息。它是一種存儲(chǔ)并處理與產(chǎn)品模型有關(guān)的知識(shí)，且基于產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)［4］。其核心是將有關(guān)學(xué)科專業(yè)知識(shí)、領(lǐng)域知識(shí)、用戶成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇依據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、用戶反饋信息、相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范等知識(shí)嵌入設(shè)計(jì)軟件中，通過(guò)知識(shí)再利用，實(shí)現(xiàn)邏輯判斷和推理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)［1］，如圖1所示。知識(shí)獲取、知識(shí)表示和知識(shí)推理是知識(shí)工程的3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其重點(diǎn)在于根據(jù)知識(shí)庫(kù)中提供的檢索，利用知識(shí)的方法實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重新應(yīng)用，幫助用戶在更短的時(shí)間周期內(nèi)，更準(zhǔn)確的完成更多的工作。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 設(shè)計(jì)基本流程

用戶需要首先輸入已知參數(shù)，然后按照靜態(tài)工況與動(dòng)態(tài)工況分別計(jì)算軸向力與傾翻力矩，將計(jì)算所得的結(jié)果參考回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線圖，對(duì)比后選取滿足條件的曲線圖，再調(diào)用回轉(zhuǎn)支承型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，選取滿足條件的曲線圖代號(hào)，讀取數(shù)據(jù)，然后在SolidWorks 環(huán)境進(jìn)行三維實(shí)體的快速建模?；谥R(shí)工程的回轉(zhuǎn)支承軸承的設(shè)計(jì)基本流程如圖2所示。

2.2 全回轉(zhuǎn)螺旋槳回轉(zhuǎn)部位的設(shè)計(jì)

1)ATL 技術(shù)

SolidWorks 2012 提供的二次開發(fā)向?qū)Ь褪怯蒝isual C++ 6.0 平臺(tái)上的ATL 技術(shù)構(gòu)造的。ATL 實(shí)質(zhì)是一套C++模板庫(kù)，它采用特定的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)(包括COM 技術(shù)、C++模板類技術(shù)及C++多重繼承技術(shù)等)，擺脫了大量冗余代碼，開發(fā)出來(lái)的COM 應(yīng)用代碼簡(jiǎn)潔高效［5］。插件是二次開發(fā)的結(jié)果，插件對(duì)象是一個(gè)DLL 文件，可以直接加載到SolidWorks 軟件中使用，它將注冊(cè)信息寫入注冊(cè)表。注冊(cè)成功后，點(diǎn)擊菜單/工具/插件，彈出的對(duì)話框中顯示出當(dāng)前可以加載的插件，以便用戶選擇是否加載該插件。

2)設(shè)計(jì)的條件與公式

舵槳重量為35 t，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，正車拖力不少于80 t?；剞D(zhuǎn)支撐到下水平軸的垂直距離為3.129 m，回轉(zhuǎn)支承軸承靜態(tài)工況下安全系數(shù)為1.1，動(dòng)態(tài)工況下系數(shù)為1.36。

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中單排四點(diǎn)接觸球式(01 系列)回轉(zhuǎn)支撐軸承的選型計(jì)算公式［6］:

Ⅰ靜態(tài)工況選型

①承載角α=60°，

F′a=(1.225Fa+2.676Fr)fs，

M′ = 1.225Mfs。

②承載角α=45°，

F′a= (Fa+5.046Fr)fs，

M′ = Mfs。

Ⅱ動(dòng)態(tài)工況選型

①承載角α=60°，

F′a= (Fa+5.046Fr)fd，

M′ = Mfd。

②承載角α=45°，

F′a= (1.225Fa+2.676Fr)fd，

M′ = 1.225Mfd。

式中:F′a為回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量中心軸向力，F(xiàn)′a=104N;M′為回轉(zhuǎn)支撐當(dāng)量?jī)A翻力矩，M′=104N;fs為回轉(zhuǎn)支撐靜態(tài)工況下的安全系數(shù);fd為回轉(zhuǎn)支撐動(dòng)態(tài)工況下的安全系數(shù)。

3)用戶的設(shè)計(jì)界面

SolidWorks 2012為開發(fā)者提供了基于ATL 技術(shù)的二次開發(fā)向?qū)?，運(yùn)用ATL 技術(shù)并結(jié)合回轉(zhuǎn)支撐模型的設(shè)計(jì)公式，開發(fā)出的用戶界面插件以.DLL的后綴名文件注冊(cè)到SolidWorks 系統(tǒng)中。在新建SolidWorks 零件之前，用戶需要加載所生成的回轉(zhuǎn)支撐模型的模塊以顯示在菜單欄上，然后打開用戶設(shè)計(jì)界面(見圖3)，界面中用戶只需輸入已知參數(shù)，即可計(jì)算出靜、動(dòng)態(tài)工況下的軸向力與傾翻力矩，校驗(yàn)安全系數(shù)，在界面上即可參考承載能力曲線圖與型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。

4)ADO 技術(shù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)

在計(jì)算出靜/動(dòng)態(tài)工況下的軸向力與傾翻力矩后，需要查看回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線圖，查找滿足靜/動(dòng)態(tài)工況下的承受能力曲線圖;并根據(jù)曲線圖所屬的型號(hào)來(lái)查找該型號(hào)下的回轉(zhuǎn)支承軸承的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。SolidWorks 平臺(tái)與Access 數(shù)據(jù)庫(kù)的連接是通過(guò)ADO 技術(shù)［7］來(lái)實(shí)現(xiàn)的。連接標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵代碼如下所示:

回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線圖與型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)如圖4和圖5所示。

圖4 回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線圖Fig.4 The graph of Full-rotating bearing standing capacity

圖5 回轉(zhuǎn)支撐型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.5 The database of Full-rotating bearing

5)獲取各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸數(shù)據(jù)后，通過(guò)點(diǎn)擊下拉菜單(見圖6)即可完成對(duì)外環(huán)，鋼珠，內(nèi)環(huán)，小齒輪的建模，然后進(jìn)行裝配(見圖7)。全回轉(zhuǎn)螺旋槳運(yùn)行過(guò)程中，回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)圈固定，機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，外圈與3個(gè)小齒輪相嚙合，3個(gè)小齒輪分別由一個(gè)液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，因此，為嚙合精確，提高使用壽命，小齒輪的模數(shù)與壓力角必須與外圈齒輪一致，齒廓為漸開線齒廓，所以小齒輪的齒數(shù)必須大于41，選定小齒輪的齒數(shù)為42。齒輪關(guān)鍵代碼如下:

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

圖7 三維實(shí)體模型Fig.7 The three-dimensional entity model

4 結(jié) 語(yǔ)

在基于知識(shí)工程(KBE)的全回轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計(jì)方法的研究過(guò)程中，將知識(shí)利用再利用于全回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與快速建模過(guò)程。用戶只需加載SolidWorks 二次開發(fā)的模塊，輸入已知參數(shù)，即可得出靜態(tài)與動(dòng)態(tài)工況下的回轉(zhuǎn)支撐軸承的承載力，根據(jù)承載力的數(shù)值選擇滿足條件的回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線，然后確定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。在SolidWorks 零件界面下，下拉菜單中的外圈、鋼珠、內(nèi)圈、小齒輪建模的選項(xiàng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用選定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化回轉(zhuǎn)支撐軸承的快速建模，降低設(shè)計(jì)開發(fā)成本、設(shè)計(jì)者勞動(dòng)強(qiáng)度以及降低對(duì)經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)知識(shí)的依賴，提高了全回轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。

［1］陳金鋒，楊和振，蔣如宏，等.知識(shí)工程應(yīng)用于船舶構(gòu)件的設(shè)計(jì)研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32(10):16－20.

［2］張勝文，張亮，方喜峰，等.船用柴油機(jī)復(fù)雜零件數(shù)控編程技術(shù)研究［J］.中國(guó)造船，2008，49(4):66－72.

［3］孔慧敏，馬曉平，朱駿.基于CATIA V5的知識(shí)工程在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.東華船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19(3):84－86.

［4］韓花麗，劉裕，鐘展，等.基于KBE的工程設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2006(1):3－5.

［5］王文波，涂海寧，熊君星.SolidWorks2008 二次開發(fā)基礎(chǔ)與實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［6］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五版)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:481－499.

［7］侯其鋒，李曉華，李莎.Visual C + +數(shù)據(jù)庫(kù)通用模塊開發(fā)與系統(tǒng)移植［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.