（武漢大學動力與機械學院 湖北 武漢 430072）

　　摘要：為了使混凝土攪拌站生產企業可以快速響應市場，提高產品的設計速度和設計質量，開發了混凝土攪拌站快速設計平臺。該平臺以模塊化設計為基礎，使用參數化、變量化分析優化方法，實現了產品快速設計的目的。設計人員向平臺輸入設計需求后，系統會自動生成產品的有限元分析模型，并對模型進行有限元分析，如果分析結果不符合設計的需要，可以再次輸入參數進行分析，直到產生合適的結果，然后平臺會自動生成該產品的三維模型和工程圖紙。

　　關鍵詞：快速設計，混凝土攪拌站，產品族，APDL，CATIA/CAA

前言

　　近年來，隨著全球化經濟競爭的愈演愈烈，產品客戶化、快速交貨要求的不斷加強，迫切要求企業具有快速響應市場能力。企業對市場響應速度的快慢、產品開發一次成功率的高低，不僅決定了企業在市場上所占份額的大小，而且決定了企業能否立足市場的命運。如何在短期內設計出符合客戶的個性化要求、質量可靠、性能優良、成本低廉的優質產品，是企業在市場競爭中占據有利地位的關鍵。為了達到快速響應市場的目的，我們開發了針對專門產品的快速設計平臺。該平臺集成了ANSYS、CATIA、SQL Server數據庫、零件庫、部件庫和產品庫等，綜合利用已設計的產品族和各種CAD/CAE軟件的強大功能，極大地縮短了產品的設計周期，提高了設計質量。在第一期中，首先開發了混凝土攪拌站快速設計平臺。

快速設計技術簡介

　　快速設計（Rapid Design，RD）也稱快速響應設計（Rapid Response Design，RRD）、敏捷設計(Agile Design，AD)。快速設計技術是當前市場在對產品多樣化、瞬變性等需求的形勢下提出并發展起來的。快速設計是指在產品的概念設計階段，針對市場和顧客需求，運用面向具體產品專用設計工具和設計知識，快速制定可以用于制造的方案，并使方案快速付諸實施的技術。

　　當前國際市場需求快速變化的特點和21世紀更加個性化的市場趨勢，使產品投放市場的時間日益成為決定產品競爭力的重要因素，促進了快速設計技術的發展。1992年6月，在 CIRP 國際會議(International Institution for Production Engineering Research，CIRP)上正式提出并行工程技術[1]，在此基礎上發展成旨在縮短產品設計周期的快速設計技術[2]（Rapid Design Technology，RDT）。美國 AUTOFACT96 以 “快速設計與制造”為主題進行了專題討論[3]，同時，各國紛紛掀起了“快速設計”理論、方法研究的熱潮。1998 年，我國機械工程科學基金會開始對“快速設計”進行立項，一些大學與研究機構開始了對“快速設計”理論的研究。

　　產品快速設計是一種新的哲理，與計算機集成制造（CIM），精良工程（LP），并行工程（CE）和敏捷制造（AM）相比，產品快速設計與制造的主要目的是縮短產品的設計周期，提高產品設計質量，以及提高企業對市場的快速響應能力。與 CIM、LP 等不同，產品快速設計與制造并沒有將其解決問題的范圍擴大到企業的整個生產領域，而只是將重點放在縮短產品的設計開發周期上，尤其是總體結構和工藝設計方案階段，以提高產品一次開發成功和快速響應市場的能力。之所以如此，主要原因在于以下兩個方面。

　　（1）制造企業的許多產品須按照客戶的特殊要求進行開發，據統計，有些企業的設計開發周期甚至超過產品整個生產周期的 60％，造成產品的交貨期過長，使企業失去了很多客戶。如果為了保證產品交貨期的要求而壓縮制造時間，將會影響產品的制造質量。

　　（2）產品設計開發階段是降低成本的重要環節。根據德國機械工程師協會（VDI）對企業的調查，雖然產品的設計開發成本通常僅占產品生產成本的 6％，但對產品總成本的影響卻在 60％以上[4]，原因在于，制造必須依據設計來進行，產品的設計決定了產品的工作原理、結構、尺寸、材料及性能要求等，這些因素都對產品的成本有很大影響。

系統總體框架設計

　　系統總體框架如圖1所示。設計人員首先將產品所需的各種參數輸入到系統中，直觀參數可以直接輸入；有些參數是非直觀的，可以通過系統配置平臺輸入。當所需參數輸入集成管理平臺上后，系統分析、判斷輸入的參數和用戶的需求，然后確定產品所需的零件和部件，并確定系統各部分參數大小。

[Page]

　　集成管理平臺根據已經確定的產品零件、部件和參數，自動生成產品主要受力部件的ANSYS模型，并進行有限元分析，如果滿足要求，則通過CATIA模型接口，自動生成產品的三維模型和工程圖。如果不滿足要求，則調整部件的參數，比如型鋼型號，再次進行有限元分析，直到得到滿足需求的產品參數和配置。

　　本系統基于局域網運行，平臺各組成部分在局域網上的分布如圖2所示。

　　在服務器上分布有系統集成管理平臺、系統配置平臺、數據庫、模型庫和新建實例的模型等。在各客戶端則是產品總體的設計人員和各部件的設計人員。當產品總體設計人員完成總體設計后，如果各部件還需要細部的修改，那么負責相應部件的設計人員，就可以在各個客戶端對各部件進行協同設計。

系統各子模塊設計

　　集成管理平臺是本系統的核心模塊，其主要功能為：通過相似度檢索實例；將用戶輸入的各種參數轉化為最終產品的參數和產品的配置；自動生成APDL代碼；自動生成操作CATIA模型的宏腳本代碼；將新實例存為模板；將所有提取的參數存入數據庫等。

　　本系統和ANSYS的接口是通過APDL語言實現的。APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫，即ANSYS參數化設計語言，它是一種類似FORTRAN的解釋性語言，提供一般程序語言的功能，如參數、宏、標量、向量及矩陣運算、分支、循環、重復以及訪問ANSYS的有限元數據庫等，另外還提供簡單界面定制功能，實現參數交互輸入、消息機制、界面驅動和運行相應程序等[5]。

　　本系統和CATIA的接口是通過CATIA的二次開發工具CAA實現的。 CAA(Component Application Architecture)是Dassault Systems產品擴展和客戶進行二次開發的強有力工具。它可以進行從簡單到復雜的二次開發工作，和原系統的結合非常緊密，對于用戶的使用和系統的集成都很有利。CAA 的實現，是通過提供的快速應用研發環境 RADE 和不同的應用編程接口(Application Programming Interface ,API)程序來完成的。

　　模型庫中包括了CATIA模型和ANSYS模型。最終生成產品的模型是在現有模型的基礎上重新生成的。CATIA的模型包括產品的零件庫、部件庫和產品庫。

系統實現

　　系統采用VC#.NET2005開發。C# 是一種簡潔、類型安全的面向對象的語言，開發人員可以使用它來構建在 .NET Framework 上運行的各種安全、可靠的應用程序。使用 C#，您可以創建傳統的 Windows 客戶端應用程序、XML Web services、分布式組件、客戶端 -服務器應用程序、數據庫應用程序以及很多其他類型的程序。Microsoft Visual C# 2005 提供高級代碼編輯器、方便的用戶界面設計器、集成調試器和許多其他工具，以在 C# 語言版本 2.0 和 .NET Framework 的基礎上加快應用程序的開發[6]。

[Page]

　　數據庫采用SQL Server2005。SQL Server 是一個全面的、集成的數據解決方案，它為組織中的用戶提供了一個更安全可靠和更高效的平臺，用于企業數據和 BI 應用。SQL Server 2005 為 IT 專家和信息工作者帶來了強大的、熟悉的工具，同時降低了在從移動設備到企業數據系統的多平臺上創建、部署、管理和使用企業數據和分析應用程序的復雜性。通過全面的功能集成、與現有系統的互操作性以及對日常任務的自動化管理能力，SQL Server 2005 為不同規模的企業提供了一個完整的數據解決方案[7]。

結論

　　通過構建零件庫、部件庫、產品庫和對CATIA、ANSYS進行二次開發，并將它們和數據庫集成，本文構建了混凝土攪拌站快速設計平臺，實現了混凝土攪拌站的快速設計，提高了產品的質量和企業快速相應市場的能力。今后還應該對產品的模型庫做更大的擴充，以適應更多產品的快速設計。

　　參考文獻：

　　[1] G. Sohlenius. Concurrent engineering. Annals of the CIRP. 1992, 41(2):645~655.
　　[2] 陳子辰,唐任仲,21 世紀制造業面臨的挑戰和對策,機電工程,1998,（1）:25~30
　　[3] 方昀,機械產品快速設計技術,計算機輔助設計與制造,1999.5:5~6
　　[4] 顧佩華,設計理論與方法學研究方面的最新進展,機械與電子,1998.5:15~19
　　[5] 博弈創作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2004
　　[6] http://msdn2.microsoft.com/zh-cn/library/z1zx9t92(vs.80).aspx
　　[7] http://www.microsoft.com/china/sql/prodinfo/overview/default.mspx