1、软件说明书挖掘机动臂结构智能优化设计软件（包含方案设计）说明书闫二乐福州大学机械工程及自动化学院福州大学科技园北702室版本4.0 2017 年 5月目 录第一章 挖掘机动臂结构智能优化设计软件整体概况 41.1动臂结构智能优化设计中方案设计概况 41.1.1 动臂结构智能优化设计中方案设计功能需求分析 41.1.2 动臂结构智能优化设计软件架构 41.1.3动臂结构方案设计任务及基本流程 61.1.4方案设计软件模块框架 81.2 软件的开发平台及软件支撑 91.3 软件的基本设置 91.3.1 方案智能设计模块编程实现 91.3.2 VC+6.0软件开发环境设置 11第二章 动臂结构方案设
2、计模块实现 122.1方案智能设计模块 122.2初始方案设计子模块 132.3详细方案设计子模块 142.4方案评价子模块 152.5知识库的完善和管理 162.6参数化建模 172.7 动臂结构有限元批处理分析功能模块 182.8可视化输出功能模块 202.9 动臂结构智能遗传寻优功能模块 21第三章 动臂结构智能优化设计工程模块构成分析 243.1 动臂结构智能优化工程的类构成分析 243.2 动臂结构初始方案设计模块构成关系 243.2.1 结构初始方案设计模块上层函数构成及调用关系 243.2.2 结构方案设计模块底层实现源程序 533.2.3 结构方案知识库模块实现源程序 573.
3、3 动臂参数化建模模块构成关系 693.3.1 参数化建模模块上层函数构成及调用关系 693.3.2 新方案参数化建模模块底层实现源程序 873.4 有限元批处理分析模块构成关系 1033.4.1 有限元批处理分析模块上层函数构成及调用关系 1033.4.2 新方案anasys有限元批处理分析命令流 1133.5 动臂结构智能遗传寻优模块构成关系 1323.5.1 动臂结构智能遗传寻优模块上层函数构成及调用关系 1323.5.2 新方案智能遗传寻优模块底层实现源程序 151第一章 挖掘机动臂结构智能优化设计软件整体概况1.1动臂结构智能优化设计中方案设计概况1.1.1 动臂结构智能优化设计中方
4、案设计功能需求分析方案设计是一项复杂的创造性思维活动，是整个设计进程中最富创造性的阶段，并且方案设计阶段的设计质量很大程度上决定了产品的性能、质量、价格等。虽然这一阶段的实际投入为产品开发总成本的5%，但是却决定了产品总成本的70%。研究智能设计方法减少设计人员的劳动，充分利用已有产品实例和专家经验知识，对提高设计质量和效果有重要的意义。机械产品设计主要包括两个大类：一类是数学模型和数值处理的工作，如挖掘机动臂CAD/CAE部分，建立以动臂结构体积最小为目标函数对动臂进行优化设计。另一类就是在产品方案设计的确定、模型的建立、主要参数的决策等过程，涉及到多学科知识和设计规范，分析模型、运筹决策、
5、建立评价函数，选择出满意的设计方案。传统的CAD系统对这类问题是无法求解的，因此传统CAD系统有必要扩充为智能设计系统。工程机械产品对智能设计系统需求较大。随着人工智能的逐渐受人追捧，智能设计得到了快速的发展，为本文以智能设计方法实现对动臂结构的方案设计带来可行性。智能设计是将设计的原理和知识保存到电脑软件中，使装有智能设计系统的计算机也能像人一样处理知识和对知识进行操作，从而设计出高质量的产品。简而言之，智能设计就是计算机化的人类设计，是CAD重要组成部分。近几年智能设计方法在机械产品设计领域中应用比较广，特别是近几年专家系统和智能优化系统在机械产品设计中的应用。本章首先介绍智能设计系统的原
6、理以及特点，建立挖掘机动臂结构智能优化中方案设计整体思路；其次明确本文各个部分主要的研究思路，建立初始方案设计机制、详细方案设计机制、方案评价分析方法。1.1.2 动臂结构智能优化设计软件架构智能设计就是把传统的专家系统、知识工程等人工智能技术和优化设计、CAD /CAE、有限元分析等技术结合起来，让设计者从产品设计的活动中解放出来，而是让计算机参与到方案设计、方案决策、结构设计、结构优化、性能分析等产品设计全过程。完善后的挖掘机智能优化设计系统整体框架如图2-1所示。由于前期课题组实现了在固定机构参数的情况下实现对动臂结构智能优化，为了扩大软件的使用范围本文提出动臂结构智能方案设计，从而实现
7、了方案设计到优化设计一体化和智能化，提高了软件的实用性和智能化水平。图2-1 动臂智能优化设计系统基本结构从图中可以看出智能设计系统主要包括人机界面、设计需求采集、初始方案设计、详细方案设计、优化设计、CADCAE和结果可视化模块。其详细的功能和原理介绍如下：（1）人机界面：实现设计者和智能设计系统的命令流和显示各个模块进程的结果，而且控制产品的设计流程。（2）设计需求模块：主要是对客户需求的动臂结构进行采集，为方案设计提供设计参数。（3）方案设计模块：实现挖掘机工作装置的方案设计，通过此模块实现动臂结构的初始方案设计和详细方案设计，方案设计模块是为方案评价和结构优化提供可行性方案。（4）方案
8、评价模块：对方案设计的结果进行评价，为进一步的结构优化提供最优方案结果。（5）优化设计：课题组前期已经实现了基于某一机型的工作装置，对动臂、斗杆以质量最轻、截面应力差最小建立动臂结构优化模型。为了扩大智能优化设计软件的适用范围，方案设计是必要的一个模块。（6）CAD/CAE模块：将动臂结构方案设计的动臂结构尺寸传递给方案CAD/CAE模块，对动臂结构构建三维模型和力学特性分析。对动臂进行特征截面的应力和固有频率的分析，以验证动臂结构方案的可靠性。（7）结果可视化模块：对方案设计的结果和优化后的结果以及CAD/CAE分析结果进行可视化，方便设计者对设计过程的监控。（8）知识库模块：知识库是智能设
9、计的核心部分，知识库里存储着挖掘机工作装置的设计原理、行业标准、专家经验知识等。（9）实例库：主要在初始方案设计阶段和详细方案设计阶段应用产品实例，通过对现有挖掘机产品的设计进行表示、归类、分析，以算法的形式对挖掘机动臂的设计方案进行相似归类，然后通过规则库对动臂的详细设计方案进行推理分析。智能设计将产品实例知识、设计知识应用到机械产品的方案设计和结构优化中，将设计人员的大部分工作转移到计算机智能优化设计系统中来，随着智能设计在机械产品设计领域的广泛应用，其优点慢慢地被人们所认可，本文提出的智能设计系统具有以下特点：（1）集成软件智能化：机械产品的全过程都可以运用智能设计系统完全实现，而且可以
10、提供统一数据模型和设计参数的接口，实现从方案设计到结构优化、三维模型和有限元分析一体化。（2）利用传统的CAD/CAE技术：将三维模型的生成和有限元分析以及以数值优化为主的优化设计集成到知识库可以引导各个步骤的实现。（3）强大的人机交互界面：设计师可以根据设计的需求灵活的设计产品，并且可以全程监视软件的设计过程。（4）设计任务可以划分多层次、多目标、多样性：智能设计可以根据设计的具体问题将任务分解为多个目标和多个层次，求解更加简单。并且可以合理的利用产品实例和设计经验知识等。1.1.3动臂结构方案设计任务及基本流程为了缩短设计周期、降低设计任务的复杂性。动臂结构方案设计主要内容包括设计初始方案
11、设计、详细方案设计、方案评价三个阶段。其中初始方案的设计内容包括原始设计参数选择、结构特征编码规则、建立检索模型以及实例库管理。详细方案设计是根据专家经验知识和设计规范知识以规则推理（RBR）的方法进一步设计详细方案，方案评价主要是对初始方案设计和详细方案的设计得到的多个可行备选方案选择出最优方案，运用模糊数学理论方法建立评价函数计算备选方案的相对优越度，量化各个方案的优越程度。完善后挖掘机工作装置智能优化设计的流程图如下2-3图所示。从图2-3中可知，动臂结构方案设计的流程主要包括初始方案设计、详细方案设计、方案评价。每个模块的功能详细如下：动臂结构方案设计要实现动臂结构的配置类型和基本结构
12、特征、详细结构特征的设计以及结构变量取值范围，初始方案设计主要是确定动臂结构的配置类型，如普通型动臂、整体式、下置式、弯动臂、双液压缸、与机身的连接方式和与斗杆的连接方式等，动臂结构的配置类型决定了动臂的性能。为了实现快速方案设计，本文提出一种基于实例推理的初始方案设计方法。其中实例推理中关键的一个步骤就是原始设计参数选择，合理的原始设计参数选择是实例推理的关键。动臂结构详细方案设计是在动臂结构配置类型确定的基础上，进一步设计其基本结构特征、局部结构特征。本文运用规则推理的方法进行详细方案设计，其中还可以根据产品实例总结经验公式得到动臂结构尺寸参数。详细方案设计为方案评价提供多个可行方案。方案
13、评价：动臂结构的初始方案设计和详细方案设计可以得到多个备选方案，如何实现从多个备选方案中选择出最优方案，本文运用模型层次评价方法建立方案评价机制，从而实现方案定量化择优。方案评价主要是难点在于如何建立评价函数以及设置权重，实现备选方案的定量化择优。图2-3 动臂结构方案设计的整体流程图1.1.4方案设计软件模块框架 挖掘机工作装置智能优化软件的框架如图6-1所示，其核心的内容分为四个层次人机界面、应用层、管理层和资源层。本文主要将动臂结构方案设计相关模块集成到智能优化中，实现从方案设计到结构优化、方案分析，实现人机界面主菜单、各功能模块和对话框的开发，设计人员可以实时的对智能软件的初始方案设计
14、、详细方案设计、方案评价、CAD/CAE、结构优化等进行监控和实现信息的传递。应用层：方案设计主要有初始方案设计、详细方案设计、方案评价和方案分析四个模块。初始方案设计主要是根据第三章的设计方法，建立初始方案的动臂结构配置方案的检索模型，实现对原始设计参数快速检索出相似的实例，并将初始方案的配置结果传递给详细设计模块。详细设计模块依据专家经验知识和设计规范知识，依据RBR技术实现对动臂的基本结构特征和局部结构特征进行推理设计，得到多个备选方案，并依据CAD/CAE模块实现对动臂尺寸参数化模型到三维模型转化。依据模糊分层次综合评价方法对备选方案进行择优。将方案实例导入到结构优化模块，实现动臂方案
15、的智能优化。最后将评价的最优方案导入到CAE模块进行ANSYS分析，验证方案设计的结果的应力分布以及最大应力情况。管理层：扩充原来的知识库，将专家知识和设计规范知识整理出来，第四章对专家经验者知识和设计规范知识进行了整理和分析，将表格性知识存放在知识库。将公式性和文字性的知识写入在函数中，如第四章规则推理的类的建立，实现知识的管理和维护。资源层：增加实例库模块，将本文第三章收集得到的现有挖掘机工作装置的实例保存在实例库。智能方案设计每次设计的最优结果也保存到实例库中，不断扩充完善实例库。图6-1 挖掘机工作装置结构智能优化设计软件框架1.2 软件的开发平台及软件支撑挖掘机动臂结构智能优化设计软
16、件是在windowsXP系统环境下，以VC+6.0为平台，采用面向对象编程方法，利用MFC类库进行主要功能模块及人机界面的开发。在应用该软件时，系统需正确安装Pro/Engineer 2.0、ANSYS10.0、SQL2005、Matlab7.0软件。1.3 软件的基本设置1.3.1 方案智能设计模块编程实现本文的挖掘机动臂结构智能优化设计软件，是基于Pro/Engineer、ANSYS、SQL、Matlab软件，在VC+6.0平台上集成调用各个软件，实现复杂的数值计算和规则推理、三维图像的生成以及有限元分析。完善后的智能优化设计软件可以实现对设计需求的快速方案设计、方案评价、方案分析以及智能
17、结构优化等。1.3.1.1 环境变量设置搭建智能设计软件，需要在Windows系统上正确的安装Pro/Engineer、ANSYS、SQL、Matlab软件，并且需要修改Windows环境变量。具体的环境变量修改如下：搭建智能优化设计软件需要修改Windows系统中的用户变量，如图6-2所示。图6-2 环境变量设置具体设置方法为：变量名：PRO_COMM_MSG_EXE变量值：i486_ntobjpro_comm_msg.exe其中：是指Pro/E2.0安装根目录。同理ANSYS、SQL、Matlab软件都需要将启动路径添加到用户变量中。1.3.1.2 VC+6.0相关设置（1）添加头文件和库
18、文件路径为了在VC+6.0中调用Pro/Engineer、ANSYS、SQL、Matlab软件，还需要在VC+6.0中添加以上软件的头文件路径和库文件路径，其具体的设置方法如下：图6-3添加相关软件头文件路径 图6-4添加相关软件库文件路径从6-3、6-4可知，运行VC+6.0，单击主菜单工具/选项（Tools/Options），在目录（Directions）选项卡中添加头文件路径和库文件路径。需要正确的添加Pro/Engineer、SQL、Matlab的头文件和库文件地址，为实现集成软件能够正确的调用软件做准备。1.3.2 VC+6.0软件开发环境设置1）VC+中添加库文件，搭建智能优化设计
19、软件需要调用Pro/Engineer、ANSYS、SQL、Matla软件，由此需要将这些软件的库文件添加到VC+中，如错误!未找到引用源。6-5，在Object/library modules“对象/库模块”中添加下列库文件：protoolkit.lib; protk_dll.lib; libc.lib; libcd.lib; wsock32.lib; mpr.lib; protkmd.lib; msvcrtd.lib; pt_asynchronous.lib。2）点击工程设置，打开Project/Settings对话框，点击C/C+选项卡，在分类中选“常规”，在工程选项中将Zm后的数字改为“
20、1000”，如图6-6所示。图6-5添加库文件步骤 图6-6修改工程选项3）在运用挖掘机智能优化设计软件时，还需要首先检验相关软件是否能正常调用，具体的测试方法为，首先配置软件，对PROE、ANSYS、MATLAB的启动路径进行设置，并且点击查看配置信息，就可以查看新建的文件路径以及软件的配置，系统设置结果如图6-7所示。图6-7 智能设计系统配置信息只有在建立新的设计需求的时候才需要将相关软件进行配置，并且每次打开设计工程文件时路径可以直接保存在设计文件中。第二章 动臂结构方案设计模块实现2.1方案智能设计模块本文将方案智能设计模块集成到课题组已研发的液压挖掘机动臂结构智能优化设计软件中，实
21、现动臂结构智能方案设计模块的开发，智能方案设计模块主要包括设计需求采集、初始方案设计、详细方案设计、方案评价、方案CAD/CAE五个个子模块，更新后的版本软件如图6-8所示。图6-8 动臂结构智能方案设计模块其中初始方案设计子模块用于实现动臂结构配置方案的的选择，其主要的包括设计需求采集，并依据设计需求（原始设计参数）检索产品实例，以最相似的实例动臂结构配置方案作为设计需求的动臂配置方案。其主要的代码程序是推理规则和经验知识，其中建立BP神经网络在MATLAB程序中实现，并实现在C+程序下调用MATLAB引擎实现神经网络训练，并且依据最近邻法实现动臂结构配置方案。运用搭建的方案智能设计模块，实
22、现对已有实例的推理，可以大大的减少设计人员的重复工作，提高设计人员的设计效率。2.2初始方案设计子模块初始方案设计，首先将客户设计需求（原始设计参数）输入到初始方案设计需求采集对话框中，编程实现时对每个参数设置一个变量，初始方案设计核心参数主要有斗容、最大挖掘力等十三个参数作为实例检索的主要输入变量，同时还可以对设计需求进行存储，推理完成后将目标方案同时保存在实例库中扩充实例库。其界面的主要结构如图6-9所示。图6-9 初始方案设计需求信息采集界面本章以设计斗容1.6立方米、工作质量30000Kg、最大挖掘力200KN、最大挖掘半径为10000mm、最大卸载高度8000mm最大挖掘高度1000
23、0mm、最大挖掘深度6000mm、使用环境为石方挖掘为验证实例，选择机构参数为lCD=3200mm，lCF=5691mm,lBF=3500mm,lCB=2600mm,lDF=3000mm。从图6-9可知，初始方案设计需求信息采集界面，主要包括“整体设计参数”、“挖掘范围”、“机构参数”的选择和配置，本文研究开发的方案智能设计模块适合开发斗容在3m3以内整体式动臂的挖掘机，由此对设计参数的输入都有限制范围，以免出现输入设计需求范围不在范围内。同时当设计者输入有误时可以点击“重置参数”，这些需求参数以及动臂结构配置方案还可以保存到数据库中。后期出现相同的设计需求就是就可以直接调用此次的设计方案。设
24、计需求信息采集完成后，就要首先对实例库中的产品实例进行神经网络分类，分类的主要目的就是缩小最近邻法的检索范围，提高检索效率。导入设计需求信息，确定目标实例属于三大类中的哪一个类别。将神经网络的分类结果输出到设计需求类别中，并显示出该类别的实例标号数量，设计者可以根据实例编号直接查看实例库中的实例。最近邻法检索，确定各个参数的权重，然后在神经网络推理得到的类别内检索实例，从而得到动臂最终的计算结果，如图6-10所示。图6-10 初始方案设计界面2.3详细方案设计子模块动臂结构详细方案设计是在初始方案设计的结果下进一步设计具体的基本结构特征和局部结构特征，其首先导入初始方案设计结果，然后配置知识库
25、，选择对应的结构特征，然后点击详细方案推理，程序会调取推理函数，实现对结构特征的推理，得到多个备选方案。详细方案设计界面还可以实现对三维模型的显示和配置相应的知识库，其操作界面如图6-11所示。图6-11 详细方案设计界面详细方案设计实现对动臂基本结构特征和局部结构特征的推理设计，详细推理可以得到多个备选方案，本文仅取三个进行评价和分析。详细方案设计截面可以得到三个备选方案的特征编码，可以实现对详细方案设计结果实体模型的显示。2.4方案评价子模块动臂结构方案评价子模块主要包括评价标准的划分、权重的设置、评价函数。本文在第五章已经阐述了分层评价的流程。方案评价的核心是权重的设置，本文依据设计者经
26、验来设定评价系数，整体式鹅颈式的动臂结构类型主要以界面中的计算系数为主。导入备选方案后，进入模糊分层次综合评价的模块，依据相对优越度的函数（详见公式5-14），设计者可以依据计算的结果轻易的得到相对优越度较大的方案。方案评价模块主要分为评价权重的确定和指标的评语值，相对优越度值得显示具体如图6-12所示。评价权重设置方式主要有两种：其一，设计者可以直接调用知识库中的专家经验权重；其二设计者可以根据具体的设计需求设置评价权重。设计者依据详细方案设计的模型直接对备选的三个方案进行评价，输入各个评价指标的评分值。“点击计算相对优越度”直接根据建立的综合评价函数对备选计算各个备选方案的相对优越度值。设
27、计者根据输出的结果可以直接得到最优备选方案。图6-12 方案评价界面2.5知识库的完善和管理知识库是规则推理的核心，本文涉及很多类型的知识，其中主要分为神经网络检索模型知识、初始方案设计分类编码、专家经验知识和设计规范设计知识、和产品实例库。为了减少重复劳动，本文在文献错误!未找到引用源。提出知识库的基础上，将初始方案设计、详细方案设计和方案评价的知识扩充到原来知识库。（1）产品实例库：本文收集了中小型挖掘机动臂产品实例，产品实例库保存有各个产品实例的方案编码以及斗容、挖掘范围、液压缸数量等参数。其次新的设计需求设计得到的最优方案也将保存到实例库中。依据3.3小节方法将实例库的管理，运用分层次
28、管理方法将现有产品实例分为：整体式双液压缸式、整体式单液压缸式、组合式双液压缸式。依据SQL来管理和更新实例库，具体的产品实例如附录A所示。图6-16知识获取和配置主界面（2）设计规则库：在详细方案设计阶段，主要依靠专家经验知识和设计规范知识实现对基本结构特征和局部结构特征进行设计。由于本文主要产生式规则和面向对象语言建立知识规则推理机。在后期管理设计规则知识时依据特征编号来实现对知识的管理和更新，如图6-16所示。（3）模型库：详细方案设计得到的多个尺寸参数化模型，保存在模型库中，为实现异步调用Pro/E生成三维实体的绘制、方案评价以、方案分析和结构优化做准备。模型库的参数化模型逐渐完善，提
29、高新需求的设计效率。2.6参数化建模图2-6 动臂参数化建模界面点击“方案二批量建模”控件，弹出动臂样本文件读取界面，如图2-7所示，以文件的形式读入包含机构和机构动臂的样本参数，实现批量建立不同样本的三维实体模型。图2-7 选择批量建模动臂样本数据文件界面导入的存储结构参数的文件为“*.txt”文件，共两行，各参数的顺序如图2-8所示，第一行为各结构参数名，需保留在文件中，读取样本数据时是从第二行开始的，每行代表一个样本的名称及其各结构变量的取值。所生成的实体模型存储在工程子文件夹的“PROE”文件夹中。若将“关闭PROE”打勾，则生成一个模型后自动关闭PROE软件，否则，手动关闭PROE软
30、件。图2-8 批量实体建模样本文件的格式2.7 动臂结构有限元批处理分析功能模块通过点击软件主界面的“CAD/CAE”菜单，选择“有限元分析”子菜单，并选择结构类型为“创建强度有限元分析”，进入动臂结构有限元批处理分析界面。图2-9 动臂结构有限元批处理分析软件接口图2-10为动臂结构有限元批处理分析界面，集成了两种不同方案下的有限元批处理分析功能，本文主要阐述方案二批处理分析。左侧窗口显示需要处理的模型信息，分析某一个实体模型时，点击对应的模型和方案二单个应力特征提取控件实现，当点击方案二批量应力特征提取时，可实现对所有模型的批处理分析。图2-10 动臂结构有限元批处理分析界面点击主界面上的
31、“数据整理”子菜单中的“关键截面应力数据整理”，将量应力特征分析的数据整理成对应的文件形式，便于后期数据处理。其中经过整理以后的数据以“*.txt”的形式存储在工程文件夹中，其文件格式如图2-8所示。图2-10 关键截面应力数据整理文本格式2.8可视化输出功能模块通过点击软件主界面的“可视化输出”菜单，选择“分析结果可视化”子菜单，进入如图2-11的结果可视化查看界面。可查看APDL文件、模型参数、网格划分（图2-12）、边界条件、应力特征分布（图2-13）等。图2-11 可视化输出模块软件接口图2-12 网格划分可视化图2-13 应力特征分布可视化2.9 动臂结构智能遗传寻优功能模块通过点击软件主界面的“智能优化设计”菜单，选择“新型文化遗传算法”子菜单，进入如图2-14的智能遗传寻优功能模块界面。图2-14 动臂结构智能遗传寻优功能模块软件接口图2-15为动臂结构智能遗传寻优界面，集成了方案一和方案二下的分步寻优和一键优化功能。区别是，方案一下寻优在导入结构详细方案时选择Opt_BDD1.txt文件，方案二时选择Opt_BDD2.txt文件，其他具体操作步骤，可参照课题组前期软件说明书。图2-15动臂结构智能遗传寻优界面第三章 动臂结构智能优化设计工程模块构成分析3.1 动臂结构智能优化工程的类构成分析动臂结构
