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)

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)

對于全回轉螺旋槳結構部件數量眾多造成建模效率不高，以及設計者的知識經驗等的限制，提出了將知識工程應用于全回轉螺旋槳設計的方法。該方法以Virtual C++6.0為開發平臺對SolidWorks進行二次開發，獲取全回轉螺旋槳設計的知識庫，在標準化的同時實現全回轉螺旋槳的智能化快速建模，提高設計效率。通過全回轉關鍵部位回轉支承軸承的設計樣例表明，知識工程結合全回轉螺旋槳的二次開發，可建立標準化模型，減少設計中出現的錯誤以及對設計者設計經驗的依賴，提高設計與建模的效率。

知識工程 全回轉機構 SolidWorks二次開發 智能化設計

1 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，利用回轉支承軸承實現，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[1]；張勝文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[2]；孔慧敏等將知識工程與CATIA V5相結合，快速設計出鋼質海船甲板支柱[3]。目前，國內利用知識工程對全回轉螺旋槳的設計研究較少，本文提出了基于知識工程的全回轉螺旋槳的設計，借助SolidWorks平臺的二次開發，將獲取標準知識庫、選型與設計計算、三維實體建模等相結合；通過全回轉槳的關鍵部件回轉支承軸承的設計樣例，說明了知識工程的應用使設計標準化，減少了設計中的錯誤與對設計者知識經驗的依賴，縮短了建模時間，提高了全回轉螺旋槳的設計效率。

2 基本原理

2.1 知識工程技術

知識工程是一種將某領域知識重復利用于新型設計的工程學理論[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，如圖1所示。這些知識以各種形式存在，例如：設計圖表、工程方程式、經驗數據、模糊的規則以及人類直覺等。判斷知識工程系統是否成功，很大程度上取決于它是否能收集、表示知識以及應用于問題解決。

圖1 知識工程基本原理

2.2 ATL技術對SolidWorks的二次開發

從2006版本開始，SolidWorks提供的二次開發向導中，Visual C++ 6.0平臺上的向導就是基于ATL技術構造的[5]。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。

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，彈出的對話框中會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。

2.3 數據庫訪問原理

ADO(Microsoft ActiveX Data Objects)是微軟通用數據訪問的組成之一。利用ADO提供的API，開發人員可以訪問任何數據類型，它不僅支持關系型的數據庫，還支持非關系型的數據庫[6]。ADO封裝了OLE DB，但卻屏蔽了OLE DB的復雜性，開發人員通過它可以輕松自如地訪問各種類型的數據庫。本文正是以Access作為回轉支承軸承選型的標準數據庫，利用ADO數據庫訪問技術來連接Access數據庫。

3 全回轉槳關鍵部件回轉支承軸承設計實例

3.1 基于知識工程回轉支承軸承的基本設計流程

基于知識工程回轉支承軸承的基本設計流程如圖2所示。首先輸入所需的已知參數，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承承受能力曲線圖，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，讀取各數據，然后進入SolidWorks環境生成三維實體模型。

圖2 基于知識工程回轉支承軸承的基本設計流程

3.2 回轉支承軸承的設計

(1) 基于知識工程的回轉支承軸承的設計步驟。經過計算，舵槳重量為35 t，根據設計要求，正車拖力不少于80 t。回轉支承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，動態工況下安全系數為1.36。

根據《機械設計手冊》中單排四點接觸球式(01系列)回轉支承軸承的選型計算公式[7]：

Ⅰ靜態工況選型

① 承載角α=60°

Fα′=(Fα+5.046Fr)fs

M′=Mfs

② 承載角α=45°

Fα′=(1.225Fα+2.676Fr)fs

M′=1.225Mfs

Ⅱ動態工況選型

① 承載角α=60°

Fα′=(Fα+5.046Fr)fd

M′=Mfd

② 承載角α=45°

Fα′=(1.225Fα+2.676Fr)fd

M′=1.225Mfd

式中：Fα′為回轉支承當量中心軸向力，104N；M′為回轉支承當量傾翻力矩，104N；fs為回轉支承靜態工況下的安全系數；fd為回轉支承動態工況下的安全系數。

根據上式，將已知參數和所要得出的參數編輯成對話框，并集成回轉支承軸承的選型計算公式，制定查看回轉支承承受能力的參考曲線圖和回轉支承型號的標準參數按鈕，設置單排四點接觸式(01系列)回轉支承軸承的剖面圖，以及各尺寸的編輯框，以供自動建模時編輯，并查看讀出的標準數據。

(2) 在計算出靜/動態工況下的軸向力與傾翻力矩后，查看回轉支承承受能力曲線圖，找出滿足靜/動態工況下的承受能力曲線圖。然后根據曲線圖所屬的型號來查找該型號下的回轉支承軸承各個標準參數，點擊讀取數據即可將所選擇的數據輸入到編輯框中。利用ADO技術連接標準知識庫的關鍵代碼如下所示。

m_pConnection->Open("Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;DataSource=C:huizhuanzhicheng.mdb","","",adModeUnknown);//打開數據庫；

m_pRecordset->Open("SELECT*FROMxinghaobiaozhun",m_pConnection.GetInterfacePtr(),adOpenDynamic,adLockOptimistic,adCmdText);//打開數據表；

……

m_pRecordset->MoveFirst();

m_pRecordset->Move(i);//獲取鼠標點擊的位置；

theValue=m_pRecordset->GetCollect("外齒式");

if(theValue.vt!=VT_NULL);

m_waichishi=(char*)_bstr_t(theValue);//讀取外齒式中的數據。

回轉支承承受能力曲線圖與型號標準數據庫如圖3、圖4所示，對話框與參數如圖5所示。

圖3 回轉支承型號標準數據庫

圖4 回轉支承承受能力曲線圖

圖5 01系列單排四點接觸球式回拳支承模型設計

(3) 新建SolidWorks零件，選擇已注冊的可自動進行三維建模的插件(見圖6)。點擊下拉菜單，根據所選的回轉支承軸承的外形尺寸自動建模，外齒為標準的漸開線齒廓。

圖6 建模插件下拉菜單

(4) 點擊下拉菜單即可完成對外環、鋼珠、內環及小齒輪的建模，然后進行裝配(見圖7)。螺旋槳全回轉運行過程中，回轉支承的內圈固定，機構運行時處于靜止狀態，外圈與三個小齒輪相嚙合，三個小齒輪分別由一個液壓馬達提供動力。因此，為嚙合精確，小齒輪的模數及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：

X=jiyuan*cos(t) +jiyuan*t*sin(t);

Y=jiyuan*sin(t) -jiyuan*t*cos(t);//生成漸開線的點；

m_iModelDoc->SketchSpline((10-i),X/1 000,Y/1 000, 0);// 生成漸開線的樣條曲線；

……

jiao1=(90.0/chishu)*pai/180;//齒形角的一半；

swSketchMgr->CreateCenterLine(0.0,0.0,0.0,chidingyuan*cos(jiao1+jiao3)/1 000,chidingyuan*sin(jiao1+jiao3)/1 000,0.0, &swSkSeg3);///新建中心線；

……

swFeatMgr->FeatureCircularPattern2 (chishu,pai*2/chishu,FALSE,NULL,FALSE,&lpCircularPatt);//陣列齒形；

……

swFeatMgr->InsertCutSwept3(false,true, 0,false,true, 0, 0,false, 0, 0, 0, 0,true,true, 0,true,&swFeat6);//鋼珠槽掃描切除；

m_iModelDoc->ViewZoomtofit()。

圖7 三維實體模型

4 結束語

在基于知識工程技術的全回轉螺旋槳設計過程中，運行SolidWorks二次開發的對話框插件，輸入所需的已知參數，可得出靜態與動態工況下的回轉支承軸承的承載力。根據承載力的數值選擇滿足條件的回轉支承承受能力曲線，然后調用標準數據庫中的數據，選擇并讀取該曲線型號下的參數到編輯框中，利用這些標準外形參數，通過SolidWorks零件界面的下拉菜單自動為外圈、鋼珠、內圈及小齒輪建模，實現了標準化回轉支承軸承的快速建模，降低了設計開發成本、設計者勞動強度以及對經驗、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，2006，19(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] 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.

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

The Application of Knowledge Engineering in Full-revolving Propeller Designing

YANG Xing-lin, XU Tian-nan, CHEN Ning

(School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang Jiangsu 212003， China)

In order to deal with the problems of low modeling efficiency of full-revolving propeller and little knowledge and experience of the designers, the application method of knowledge engineering in full-revolving propeller designing is proposed. Taking the Virtual C++6.0 as a developing platform by secondary development of SolidWorks, the knowledge base of full-revolving propeller designing is obtained, the standardization and intelligent modeling of full-revolving propeller are achieved, which improves the designing efficiency. Taking the axial bearing as a designing example, we proves that combining the knowledge engineering with secondary development of full-revolving propeller，the established standardized model can reduce the designing error and the dependency of designer's experience, and improve the efficiency of designing and modeling.

Knowledge engineering Full-revolving mechanism Second development of SolidWorks Intelligent designing

楊興林(1964-)，男，教授。

U662

A