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轴承知识
回转支承CAD研究与开发
2009-11-25 倪其民 吴光琳
（上海交通大学模具CAD国家工程研究中心）
（上海交通大学模具CAD国家工程研究中心）
1 引言
回转支承广泛应用于汽车起重机、挖掘机和矿山机械等工程机械和雷达、自动跟踪火炮等军工产品上。我国对回转支承设计理论开展的研究较少，目前基本上采用传统的设计方法，设计水平与台架试验都落后于德国、日本等发达国家。
回转支承有多种型式，它的设计既有类型的选择，又有受力和结构尺寸的计算，集非数值性的专家策划、推理过程和数值性的科学计算于一体。因此，在回转支承的设计中应用专家系统技术，具有重大工程应用价值。调查表明，回转支承一般在低速重载条件下工作，造成其失效的原因多是由于结构薄弱部分的强度不足。因此，对回转支承进行有限元静力结构分析，可有效预测回转支承的承载能力及其薄弱环节，为再设计的进行和工艺措施的采用指引方向。参数化绘图技术在CAD系统的设计开发上有着越来越广泛的应用，其优越性在系统化产品的工程图绘制方面尤为突出。本文在充分收集和分析回转支承设计资料和设计经验的基础上，研究开发集设计、结构分析和自动绘图于一体的回转支承CAD系统。
2 系统结构与设计
回转支承CAD系统汇集了数据库技术、知识库技术、计算与推理技术、有限元分析技术和参数化绘图技术。整个系统由设计型专家系统、有限元分析和参数化绘图三个部分组成。各部分之间既组合、协作，又功能独立，每个模块都可单独作为一个子系统来使用，通过系统框架将各模块的功能有机结合起来，以满足用户的需要，系统总体结构如图1所示。
回转支承广泛应用于汽车起重机、挖掘机和矿山机械等工程机械和雷达、自动跟踪火炮等军工产品上。我国对回转支承设计理论开展的研究较少，目前基本上采用传统的设计方法，设计水平与台架试验都落后于德国、日本等发达国家。
回转支承有多种型式，它的设计既有类型的选择，又有受力和结构尺寸的计算，集非数值性的专家策划、推理过程和数值性的科学计算于一体。因此，在回转支承的设计中应用专家系统技术，具有重大工程应用价值。调查表明，回转支承一般在低速重载条件下工作，造成其失效的原因多是由于结构薄弱部分的强度不足。因此，对回转支承进行有限元静力结构分析，可有效预测回转支承的承载能力及其薄弱环节，为再设计的进行和工艺措施的采用指引方向。参数化绘图技术在CAD系统的设计开发上有着越来越广泛的应用，其优越性在系统化产品的工程图绘制方面尤为突出。本文在充分收集和分析回转支承设计资料和设计经验的基础上，研究开发集设计、结构分析和自动绘图于一体的回转支承CAD系统。
2 系统结构与设计
回转支承CAD系统汇集了数据库技术、知识库技术、计算与推理技术、有限元分析技术和参数化绘图技术。整个系统由设计型专家系统、有限元分析和参数化绘图三个部分组成。各部分之间既组合、协作，又功能独立，每个模块都可单独作为一个子系统来使用，通过系统框架将各模块的功能有机结合起来，以满足用户的需要，系统总体结构如图1所示。
图1 回转支承CAD系统总体结构
2.1 设计型专家系统
设计型专家系统可针对用户提出的设计要求和使用条件，完成回转支承的选型和结构设计工作，提供几个设计方案供用户选择，并可根据用户对设计结果的评价进行再设计。
2.1.1 专家系统的模块结构
回转支承设计型专家系统结构如图2所示，由四个子模块组成：
设计型专家系统可针对用户提出的设计要求和使用条件，完成回转支承的选型和结构设计工作，提供几个设计方案供用户选择，并可根据用户对设计结果的评价进行再设计。
2.1.1 专家系统的模块结构
回转支承设计型专家系统结构如图2所示，由四个子模块组成：
图2 回转支承设计型专家系统结构
设计知识获取模块：把回转支承设计中所涉及的专门知识从某些知识源中提炼出来，并把它们转换成计算机可执行代码。知识的获取需要知识工程师和领域专家的共同努力与合作。SRBCADW系统采用自动获取和人工获取相结合的方法。人工获取是由系统设计者归纳总结专家的经验知识和设计书刊中的公开知识，自动获取是从大量的设计实例中自动生成知识。
设计知识表达模块：由数据库、知识库和方法库组成。数据库用来存放材料特性、尺寸公差等图表数据以及计算公式中的经验数据，知识库存贮回转支承设计过程所需的各种经验知识：方法库为设计人员提供了不同结构型式回转支承的常用计算公式。
设计知识管理模块：由数据库管理模块、知识库管理模块和方法库管理模块组成。通过设计知识管理模块可对数据库、知识库、方法库进行增加、修改、删除、检查和维护等操作。
设计处理模块：包括推理机、黑板和解释器。推理机根据回转支承的设计要求和使用条件，调用相应知识模块，对设计问题进行求解。黑板用于存放设计要求、中间结果和Z终结果。解释器负责向用户解释设计的推理过程。
2.1.2 知识的组织
由于问题本身的复杂性，回转支承设计型专家系统所用的知识量较大。为了克服大系统而引起的效率不高的问题，我们对知识进行了有效的组织。首先是知识的分层表示，每一层知识均能控制调用它的下一层知识。分层表示使系统能通过相应的知识处理单元完成求解任务的分解，并有效地完成该子任务；其次是将伺服型的框架知识与主导推理的产生式知识分离，放于不同的知识库中；三是在知识库中存贮了元规则供推理机使用。
2.2 有限元分析
有限元分析可用来对设计结果提供的回转支承进行结构分析，为再设计提供依据。
2.2.1 数据来源
回转支承几何建模所需的数据可由设计结果传来，载荷参数是初始输入数据，材料特性从数据库中调入。如单独使用本模块对已有设计进行结构分析，则需要在用户界面下完成主要几何尺寸、承载条件等参数的输入。在Windows环境下开发的对话框，使用户很容易完成这个工作。
2.2.2 前处理
本文针对回转支承的结构和承载特点，开发了功能完善的有限元前处理系统，包括网格自动划分、载荷移置、边界条件处理等,其工作流程如图3所示。
设计知识表达模块：由数据库、知识库和方法库组成。数据库用来存放材料特性、尺寸公差等图表数据以及计算公式中的经验数据，知识库存贮回转支承设计过程所需的各种经验知识：方法库为设计人员提供了不同结构型式回转支承的常用计算公式。
设计知识管理模块：由数据库管理模块、知识库管理模块和方法库管理模块组成。通过设计知识管理模块可对数据库、知识库、方法库进行增加、修改、删除、检查和维护等操作。
设计处理模块：包括推理机、黑板和解释器。推理机根据回转支承的设计要求和使用条件，调用相应知识模块，对设计问题进行求解。黑板用于存放设计要求、中间结果和Z终结果。解释器负责向用户解释设计的推理过程。
2.1.2 知识的组织
由于问题本身的复杂性，回转支承设计型专家系统所用的知识量较大。为了克服大系统而引起的效率不高的问题，我们对知识进行了有效的组织。首先是知识的分层表示，每一层知识均能控制调用它的下一层知识。分层表示使系统能通过相应的知识处理单元完成求解任务的分解，并有效地完成该子任务；其次是将伺服型的框架知识与主导推理的产生式知识分离，放于不同的知识库中；三是在知识库中存贮了元规则供推理机使用。
2.2 有限元分析
有限元分析可用来对设计结果提供的回转支承进行结构分析，为再设计提供依据。
2.2.1 数据来源
回转支承几何建模所需的数据可由设计结果传来，载荷参数是初始输入数据，材料特性从数据库中调入。如单独使用本模块对已有设计进行结构分析，则需要在用户界面下完成主要几何尺寸、承载条件等参数的输入。在Windows环境下开发的对话框，使用户很容易完成这个工作。
2.2.2 前处理
本文针对回转支承的结构和承载特点，开发了功能完善的有限元前处理系统，包括网格自动划分、载荷移置、边界条件处理等,其工作流程如图3所示。
图3
单元类型选择三维八节点等参数单元。网格划分沿径向、周向和竖向进行，网格疏密可由程序自动确定，用户也可通过交互的方法进行调节和控制。
为便于用户直观观察网格划分情况，本文采用文献的算法，对生成的三维有限元网格进行了消隐处理。
2.2.3 有限元计算和后处理
有限元计算可根据前处理所生成的数据文件，直接调用通用有限元分析软件（SRBCADW系统选用ALGOR）来完成。
后处理系统采用已有软件和自主开发相结合的方法，一方面通过调用功能强大的有限元专用后处理模块SuperView来实现计算的可视化，另一方面又自主开发了一个模块对计算结果进行数值分析，所得结论和建议可反馈给设计专家系统。
2.3 参数化绘图
参数化绘图是相对交互式绘图而言的。只有实现参数化绘图，才能充分发挥CAD准确、快速的特点。
SRBCADW系统以AutoCAD R13 for Windows为图形平台，C++为编程语言，ADS为开发工具，开发一套完整的回转支承参数化绘图程序。在AutoCAD环境下，设置了三个层，分别用于绘图、标注尺寸、插入标题栏及技术要求。另外，系统还针对绘图过程中。经常要进行粗糙度、基准面和形位公差等标注，建立了常用标准符号库和标注子程序库，从而大大提高了标注的速度和准确性，并可移植到相同开发平台下机械类其它CAD系统中使用。
SRBCADW系统中的参数化绘图模块不仅能根据专家系统的设计结果迅速生成符合规范的工程图，还允许用户直接将自己的设计结果输入系统，生成工程图，具有很大的灵活性和相对独立性。此外，本模块还根据有关资料建立了常用系列回转支承数据库，通过ASI函数编程的方法存取数据库中的数据，以完成常用回转支承的自动绘图过程。用户在使用时只需选择回转支承的型号即可。同时，系统还为用户提供了直观的对专家系统设计结果或其它已存在设计结果进行查看和修改以及将查看、修改或输入后的文件以自定义的文件名存入磁盘，以备随时调用。
3 结束语
SRBCADW系统已经用VisualC+ +语言在586微机上实现，整个系统运行于两种环境之下，前一部分进行的数据输入和大量的推理、计算，主要在Win～dows环境下，绘图部分在AutoCAD13.0下运行，这使前一部分运算速度不受AutoCAD环境约束。试用表明，该系统可大大减轻工程技术人员设计和绘图的工作量，具有良好的应用前景。
为便于用户直观观察网格划分情况，本文采用文献的算法，对生成的三维有限元网格进行了消隐处理。
2.2.3 有限元计算和后处理
有限元计算可根据前处理所生成的数据文件，直接调用通用有限元分析软件（SRBCADW系统选用ALGOR）来完成。
后处理系统采用已有软件和自主开发相结合的方法，一方面通过调用功能强大的有限元专用后处理模块SuperView来实现计算的可视化，另一方面又自主开发了一个模块对计算结果进行数值分析，所得结论和建议可反馈给设计专家系统。
2.3 参数化绘图
参数化绘图是相对交互式绘图而言的。只有实现参数化绘图，才能充分发挥CAD准确、快速的特点。
SRBCADW系统以AutoCAD R13 for Windows为图形平台，C++为编程语言，ADS为开发工具，开发一套完整的回转支承参数化绘图程序。在AutoCAD环境下，设置了三个层，分别用于绘图、标注尺寸、插入标题栏及技术要求。另外，系统还针对绘图过程中。经常要进行粗糙度、基准面和形位公差等标注，建立了常用标准符号库和标注子程序库，从而大大提高了标注的速度和准确性，并可移植到相同开发平台下机械类其它CAD系统中使用。
SRBCADW系统中的参数化绘图模块不仅能根据专家系统的设计结果迅速生成符合规范的工程图，还允许用户直接将自己的设计结果输入系统，生成工程图，具有很大的灵活性和相对独立性。此外，本模块还根据有关资料建立了常用系列回转支承数据库，通过ASI函数编程的方法存取数据库中的数据，以完成常用回转支承的自动绘图过程。用户在使用时只需选择回转支承的型号即可。同时，系统还为用户提供了直观的对专家系统设计结果或其它已存在设计结果进行查看和修改以及将查看、修改或输入后的文件以自定义的文件名存入磁盘，以备随时调用。
3 结束语
SRBCADW系统已经用VisualC+ +语言在586微机上实现，整个系统运行于两种环境之下，前一部分进行的数据输入和大量的推理、计算，主要在Win～dows环境下，绘图部分在AutoCAD13.0下运行，这使前一部分运算速度不受AutoCAD环境约束。试用表明，该系统可大大减轻工程技术人员设计和绘图的工作量，具有良好的应用前景。
