知識工程在全回轉螺旋槳設計中的應用

楊興林，徐天南，陳 寧

( 江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

全回轉螺旋槳是一種可以在360°范圍內回轉，在各方向產生推力的全方位推進裝置，具有良好的操縱性和靈活性，廣泛應用于拖船及各類工程作業船。全回轉機構是根據行星齒輪傳動的原理，利用回轉支撐軸承實現的，因此，為確保能夠承載巨大軸向力與傾翻力矩，必須根據船級標準對其進行大量的選型與設計計算。隨著知識工程技術在造船業的發展，國內外把知識工程技術作為研究的熱點，陳金鋒［1］等將知識工程應用于船舶構件的設計研究，顯著提高了船舶構件的設計標準與效率;張勝文［2］等將知識工程應用于船用柴油機復雜零件數控編程中，使編程知識得到重復利用，數控程序得到優化?？谆勖簦?］等將知識工程與CATIA V5 相結合，快速設計出鋼質海船甲板支柱。目前，國內在全回轉螺旋槳的設計中運用知識工程技術的研究還較少，本文提出了知識工程技術的全回轉螺旋槳的設計，運用SolidWorks的二次開發技術獲取標準知識庫，然后根據設計流程進行選型與設計計算，最后進行三維實體建模;知識工程技術的應用不僅能夠使得全回轉螺旋槳的設計標準化，同時也能夠減少設計中的錯誤與對設計者知識經驗的依賴，縮短了建模周期，提高了效率。

1 知識工程技術與智能化設計

知識工程(Knowledge Based Engineering，KBE)是一種將某領域知識重復利用于新型設計的工程學理論，其本質就是知識的再利用，即工業產品在其生命開發周期的每個階段，是否能夠充分利用各種實踐經驗、專家知識及其他有關信息。它是一種存儲并處理與產品模型有關的知識，且基于產品模型的計算機軟件系統［4］。其核心是將有關學科專業知識、領域知識、用戶成熟的設計經驗、設計參數的選擇依據、試驗數據、材料數據、用戶反饋信息、相關設計標準及規范等知識嵌入設計軟件中，通過知識再利用，實現邏輯判斷和推理，進一步實現產品的智能化設計［1］，如圖1所示。知識獲取、知識表示和知識推理是知識工程的3個關鍵技術，其重點在于根據知識庫中提供的檢索，利用知識的方法實現知識的重新應用，幫助用戶在更短的時間周期內，更準確的完成更多的工作。

2 設計實例

2.1 設計基本流程

用戶需要首先輸入已知參數，然后按照靜態工況與動態工況分別計算軸向力與傾翻力矩，將計算所得的結果參考回轉支撐承受能力曲線圖，對比后選取滿足條件的曲線圖，再調用回轉支承型號標準數據庫，選取滿足條件的曲線圖代號，讀取數據，然后在SolidWorks 環境進行三維實體的快速建模。基于知識工程的回轉支承軸承的設計基本流程如圖2所示。

2.2 全回轉螺旋槳回轉部位的設計

1)ATL 技術

SolidWorks 2012 提供的二次開發向導就是由Visual C++ 6.0 平臺上的ATL 技術構造的。ATL 實質是一套C++模板庫，它采用特定的基本實現技術(包括COM 技術、C++模板類技術及C++多重繼承技術等)，擺脫了大量冗余代碼，開發出來的COM 應用代碼簡潔高效［5］。插件是二次開發的結果，插件對象是一個DLL 文件，可以直接加載到SolidWorks 軟件中使用，它將注冊信息寫入注冊表。注冊成功后，點擊菜單/工具/插件，彈出的對話框中顯示出當前可以加載的插件，以便用戶選擇是否加載該插件。

2)設計的條件與公式

舵槳重量為35 t，根據設計要求，正車拖力不少于80 t。回轉支撐到下水平軸的垂直距離為3.129 m，回轉支承軸承靜態工況下安全系數為1.1，動態工況下系數為1.36。

根據《機械設計手冊》中單排四點接觸球式(01 系列)回轉支撐軸承的選型計算公式［6］:

Ⅰ靜態工況選型

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動態工況選型

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為回轉支承當量中心軸向力，F′a=104N;M′為回轉支撐當量傾翻力矩，M′=104N;fs為回轉支撐靜態工況下的安全系數;fd為回轉支撐動態工況下的安全系數。

3)用戶的設計界面

SolidWorks 2012為開發者提供了基于ATL 技術的二次開發向導，運用ATL 技術并結合回轉支撐模型的設計公式，開發出的用戶界面插件以.DLL的后綴名文件注冊到SolidWorks 系統中。在新建SolidWorks 零件之前，用戶需要加載所生成的回轉支撐模型的模塊以顯示在菜單欄上，然后打開用戶設計界面(見圖3)，界面中用戶只需輸入已知參數，即可計算出靜、動態工況下的軸向力與傾翻力矩，校驗安全系數，在界面上即可參考承載能力曲線圖與型號標準參數數據庫，縮短了設計周期，提高了設計效率。

4)ADO 技術連接數據庫

在計算出靜/動態工況下的軸向力與傾翻力矩后，需要查看回轉支撐承受能力曲線圖，查找滿足靜/動態工況下的承受能力曲線圖;并根據曲線圖所屬的型號來查找該型號下的回轉支承軸承的各個標準參數。SolidWorks 平臺與Access 數據庫的連接是通過ADO 技術［7］來實現的。連接標準數據庫的關鍵代碼如下所示:

回轉支撐承受能力曲線圖與型號標準數據庫如圖4和圖5所示。

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

圖5 回轉支撐型號標準數據庫Fig.5 The database of Full-rotating bearing

5)獲取各個標準外形尺寸數據后，通過點擊下拉菜單(見圖6)即可完成對外環，鋼珠，內環，小齒輪的建模，然后進行裝配(見圖7)。全回轉螺旋槳運行過程中，回轉支撐的內圈固定，機構運行時處于靜止狀態，外圈與3個小齒輪相嚙合，3個小齒輪分別由一個液壓馬達提供動力，因此，為嚙合精確，提高使用壽命，小齒輪的模數與壓力角必須與外圈齒輪一致，齒廓為漸開線齒廓，所以小齒輪的齒數必須大于41，選定小齒輪的齒數為42。齒輪關鍵代碼如下:

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

圖7 三維實體模型Fig.7 The three-dimensional entity model

4 結 語

在基于知識工程(KBE)的全回轉螺旋槳設計方法的研究過程中，將知識利用再利用于全回轉機構的設計與快速建模過程。用戶只需加載SolidWorks 二次開發的模塊，輸入已知參數，即可得出靜態與動態工況下的回轉支撐軸承的承載力，根據承載力的數值選擇滿足條件的回轉支撐承受能力曲線，然后確定標準數據庫中的數據。在SolidWorks 零件界面下，下拉菜單中的外圈、鋼珠、內圈、小齒輪建模的選項會自動調用選定的標準數據庫中的數據，實現標準化回轉支撐軸承的快速建模，降低設計開發成本、設計者勞動強度以及降低對經驗、專業知識的依賴，提高了全回轉螺旋槳設計的效率與質量。

［1］陳金鋒，楊和振，蔣如宏，等.知識工程應用于船舶構件的設計研究［J］.艦船科學技術，2010，32(10):16－20.

［2］張勝文，張亮，方喜峰，等.船用柴油機復雜零件數控編程技術研究［J］.中國造船，2008，49(4):66－72.

［3］孔慧敏，馬曉平，朱駿.基于CATIA V5的知識工程在船舶設計中的應用研究［J］.東華船舶工業學院學報，2005，19(3):84－86.

［4］韓花麗，劉裕，鐘展，等.基于KBE的工程設計［J］.機械研究與應用，2006(1):3－5.

［5］王文波，涂海寧，熊君星.SolidWorks2008 二次開發基礎與實例［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［6］成大先.機械設計手冊(第五版)［M］.北京:化學工業出版社，2010:481－499.

［7］侯其鋒，李曉華，李莎.Visual C + +數據庫通用模塊開發與系統移植［M］.北京:清華大學出版社，2007.