利用知識工程進行自行車車架設計

2013-06-02 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

在競爭激烈的市場化要求下,自行車的設計出現(xiàn)了以下兩個特點:速度快、造型美觀適用.在當代制造工藝已比較成熟的情況下,自行車的造型設計變得相當重要.知識工程(Knowledge Based Engineering,KBE)具有多種知識表示和推理決策的能力,將其運用于快速處理自行車車架的工藝結構設計、造型設計過程及決策過程,可有效處理復雜的工藝知識和各種圖形知識,達到快速設計的目的.
耿忠林;張祥林來源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化
關鍵字:KBE 知識工程自行車 AutoCAD

在競爭激烈的市場化要求下,自行車的設計出現(xiàn)了以下兩個特點:速度快、造型美觀適用。在當代制造工藝已比較成熟的情況下,自行車的造型設計變得相當重要。知識工程(Knowledge Based Engineering,KBE)具有多種知識表示和推理決策的能力,將其運用于快速處理自行車車架的工藝結構設計、造型設計過程及決策過程,可有效處理復雜的工藝知識和各種圖形知識,達到快速設計的目的。

一、KBE技術的內涵和關鍵技術

KBE的基本思想是在工程設計中重復利用已有的知識和經(jīng)驗。這些知識和經(jīng)驗以各種形式存在,如設計手冊、工程公式、經(jīng)驗數(shù)據(jù)表格和專家設計經(jīng)驗等。KBE系統(tǒng)是一個知識處理系統(tǒng),知識表示、知識利用和知識獲取是KBE系統(tǒng)的三個關鍵技術。知識表示即怎樣系統(tǒng)地陳述問題并使它們易于求解;知識利用中最主要的是搜索技術,怎樣聰明地控制解的查找,使其不至于使用太多的時間和花費過多的計算機存儲空間;知識的獲取和編碼則是KBE系統(tǒng)最重要的方面之一。

二、自行車設計概況

1.國內外自行車設計概況

有前人用AutoCAD二次開發(fā)技術在自行車車架設計上做過研究,但是成果并不明顯。其中一種實現(xiàn)方式是:用AutoCAD內部嵌入的一種程序設計語言AutoLisp來完成常用的科學計算和數(shù)據(jù)分析,同時又能調用幾乎全部的繪圖命令。使用該程序能自動完成車架簡圖的繪制,然后自動提取關鍵參數(shù)進行分析判別并反饋出最后結果,以實現(xiàn)優(yōu)化設計的目的。

還有人在自行車CAD技術上做過參數(shù)化設計方面的研究。建立參數(shù)化設計系統(tǒng)的關鍵是建立一套描述參數(shù)和尺寸之間關系的約束方程,然后根據(jù)一組尺寸參數(shù)求解出新的設計參數(shù)。采用這種方法進行設計,僅需輸入必要的參數(shù),計算機就可自動生產(chǎn)出所需部件的圖樣。這種方案只適用于結構變化不大或按一定規(guī)律變化部件的設計與繪圖。結合自行車設計的特點,這種方法有一定的可取之處。但對于造型設計復雜、變化多樣的情況,則是不能滿足實際設計要求的。

采用三維軟件進行設計可達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低設計成本的效果,還能使二維平面設計軟件不容易表達的曲線和曲面在三維設計上變得容易實現(xiàn),且效果直觀,有利于設計人員和客戶之間的直接溝通。

2 .自行車基本結構及工廠設計流程

自行車由九大部分組成,如圖1所示。其中最主要的部分是車體。車體由車架、前叉、車頭組件、中軸組件、鞍管組件和貼花等組成。

利用知識工程進行自行車車架設計+應用技術圖片圖片1

圖1 自行車組件圖

車架設計是自行車設計中最關鍵和核心的部分,其設計主要分為前三角的設計、后叉片的設計和后三角的設計。前三角的設計包括五通、立管、頭管、上管和下管的設計。后三角的設計包括平叉和立叉的設計。后叉片主要用來連接后軸、平叉和立叉。后叉片的設計應在前三角完成以后,后三角設計之前完成。車架結構如圖2所示。

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圖2 車架結構示意圖

充分了解工廠工作流程將有助于在設計系統(tǒng)時充分考慮各部門間的配合、設計人員操作習慣和經(jīng)驗的積累,并有利于達到知識工程重復利用已有知識和經(jīng)驗的目的,圖3所示為某自行車公司的工作流程。

利用知識工程進行自行車車架設計+有限元項目服務資料圖圖片3

圖3 工作流程圖

三、知識工程在車架設計時的應用

車架CAD設計共分為選擇查詢、結構優(yōu)化設計和快速建模造型設計三部分。整體思路是先將車架各管的中心線畫出,制作成各式模版,然后進行結構調整并對設計參數(shù)進行優(yōu)化修改,最后再進行管件造型設計。三部分分別采用了不同的KBE技術,取得了良好的應用效果,下面將進一步介紹各部分采用的不同KBE技術,并分析其使用原因。

1.選擇查詢

選擇查詢采用了基于實例的知識表示,在工程設計領域,它有著廣泛的應用。實例蘊涵著豐富的專家知識,可以為當前的設計提供有價值的參考。

自行車車架的設計相對自由,樣式多種多樣,共分為11種款式。各款式中部分管件的搭接形式又不相同,因此衍生出各式不同的車架外形。從車架設計條件描述中抽取出共同的特征及特殊特征并建立篩選條件,根據(jù)這些條件能從實例庫中搜索并選擇出與設計要求最接近的實例,進行改進設計。實例包括骨架實例(既中心線模版)和成品實例兩部分,可根據(jù)不同的用戶需求選用不同的實例。

2.結構優(yōu)化設計

結構優(yōu)化設計包括參數(shù)化驅動、參數(shù)的程序優(yōu)化求解和結構優(yōu)化三部分。

(1)參數(shù)化驅動。近似實例調出后,接下來將進行參數(shù)優(yōu)化修改。對結構相似的實例,只需修改其參數(shù)具體數(shù)值。參數(shù)分為關鍵結構參數(shù)和普通結構參數(shù),關鍵結構參數(shù)用統(tǒng)一規(guī)劃的表達式記錄并保存于數(shù)據(jù)庫中,普通參數(shù)則采用自動分配的表達式。參數(shù)修改通過修改表達式的值來實現(xiàn)參數(shù)化驅動。系統(tǒng)設計則能夠讀出實例中的關鍵結構參數(shù)并提供了修改工具。常用的關鍵結構參數(shù)主要來源于自行車行業(yè)設計標準、專家設計知識經(jīng)驗和生產(chǎn)經(jīng)驗,并用數(shù)據(jù)庫進行管理。數(shù)據(jù)庫中主要記錄了部分車架關鍵結構參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)及實例數(shù)據(jù)。

普通結構參數(shù)的修改則提供了專用的修改拾取工具,能夠拾取實體對象并讀取相應的表達式,關鍵結構參數(shù)的修改亦可用其實現(xiàn)。普通結構參數(shù)通常根據(jù)客戶的實際訂單需要來確定。

(2)參數(shù)的程序優(yōu)化求解。優(yōu)化計算時,由于未知參數(shù)很多,部分設計參數(shù)采用逆運算的方法,即將未知量按設計經(jīng)驗假定為已知量,然后以微量增量的方式進行迭代試算,直至算出符合要求的參數(shù)為止。例如,在計算五通下垂量及已知毛坯圓管直徑計算變截面管的相關參數(shù)時就采用了這種方法。以變形后截面是水滴型為例,如圖4所示,在假設變形后截面周長和原截面周長保持不變的條件下,其求解方程如下所示:

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圖4 圓形管變形為水滴管

其中抱歉!圖片加載失敗。（有限元培訓學習，請到1CAE.com學習中心),D為毛坯管直徑,R1為水滴管大半圓半徑,R2為水滴管小半圓半徑,β為大半圓半徑與豎直中心線交角。將此方程的解看作是正切曲線和一條直線的交點,循環(huán)給出β的一個初值,直至使等式兩邊滿足一定的條件為止。代入公式:

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即可求得水滴管的軸向高度B。此方法并未直接以水滴管的軸向高度B為未知參數(shù)求解,而采用了過渡未知參數(shù)β進行方程求解。第二種方法是采用試算法,即一些參數(shù)必須給出,但是又不能確定,用另外一些已知的參數(shù)試算出這些參數(shù),但這個參數(shù)以后可能還是會修改的,并且要能和其相關的對象實現(xiàn)關聯(lián)設計。

(3)結構優(yōu)化。車架設計中,后叉片是一個關鍵部件,如圖5所示。

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圖5 后叉片及平、立叉裝配圖

由于本身設計較為復雜,為了使后叉片的設計不影響后面工序的設計,將后叉片的造型設計與選用和定位設計分開進行,舉例采用了自頂向下設計、自動裝配和關聯(lián)設計相結合的方法。首先將設計好的后叉片放入指定目錄下,并采用數(shù)據(jù)庫進行分類數(shù)據(jù)管理。然后將后叉片與主模版的對應裝配關系抽取為一個矢量平面和兩個矢量軸,這樣在進行車架設計時只需按要求選用適合的后叉片即可裝配到位,而位置的調整也可通過界面調整參數(shù)達到設計要求。最后的關聯(lián)設計主要采用了Smart point(智能點)和UDO(用戶自定義)兩項技術實現(xiàn)。智能點用來連接后叉片和平、立叉的關鍵接觸點,能夠在后叉片位置改變或所選用后叉片改變時,實現(xiàn)關聯(lián)對象的自動變化,并能夠在一些參數(shù)不滿足基本要求時自動給出提示。

3.快速建模造型設計

造型設計主要指管件的造型設計。其具體實現(xiàn)方式如下。

(1)在管件導引線(中心線)的不同位置按要求給出截面的輪廓形狀(截面形狀導引線)。車架截面形狀有圓形、橢圓形、水滴型(又分正水滴、反水滴)、方形、菱形和8字形等,可以先基于KF規(guī)則創(chuàng)建幾何建模特征和知識表達式的特性,然后采用UDF(User Defined Feature)用戶定義特征建立裝配件,即將截面形狀畫好作為一個裝配件,做截面時只需將相應的截面調出即可,截面的形狀參數(shù)則通過讀取相應的知識表達式達到快速修改的目的。

(2)通過掃描將管件外形做出。掃描中心法矢的運動軌跡是管截面形狀引導線,此引導線不做成整個的封閉曲線,而是將各位置上的引導線分割為同段數(shù)的曲線且使對應曲線的切線方向一致,否則掃描出的管件容易扭曲。此時做出的是一薄壁管。

(3)加厚形成管件的厚度。

(4)連接管件間相交部分的剪切。當用戶拖動管件導引線時,管件能夠關聯(lián)變化。

采用此實現(xiàn)方法充分體現(xiàn)了對知識和規(guī)則的重用性。對象間的關聯(lián)設計用UDO的方法,將管件的一些列數(shù)據(jù)記錄到UDO中,實現(xiàn)完成了管件的自動剪切、自動標注、尺寸檢查、BOM表的自動生成和模具查詢等關聯(lián)設計。圖6所示是用開發(fā)的車架CAD模塊設計出的減震自行車車架圖。

利用知識工程進行自行車車架設計+有限元項目服務資料圖圖片9

圖6 減震自行車車架圖

四、結束語

運用知識工程,使自行車車架設計工作從原來需兩天時間,縮短到目前的兩個小時,大大縮短了車架設計的開發(fā)時間,方便了設計方案的交互設計、修改和驗證,更有利于二次利用時縮短設計再修改的時間,使企業(yè)在激烈的市場競爭中贏得主動。本例的成功同時也表明了知識工程在中小型企業(yè)內應用已成為可能,知識工程將使企業(yè)具有更大的競爭力。此外,知識工程還允許用戶保存那些在實際應用中有用的工程知識,當需要時能很快找出并重復利用。

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