（机械电子工程专业论文）基于虚拟样机技术的平行折线绳槽卷筒智能设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文所研究的课题是根据传统螺旋绳槽卷筒不能满足大扬程、大起重量的起 重机卷筒多层卷绕的实际需要，且多层卷绕卷筒产品的设计、开发周期长而提出 的。在全面地了解国内外卷筒应用发展现状，掌握基于神经网络的智能设计发展 现状的基础上，论文深入探讨了平行折线卷筒的结构特点及其设计计算，应用了 b p 神经网络简化了平行折线绳槽卷筒的设计计算量，实现了智能设计的目的， 并利用了虚拟样机设计技术对卷筒的结构和动作进行了较为深入的仿真研究。 首先根据平行折线绳槽卷筒对普通螺旋绳稽卷筒的优缺点，研究设计了平行 折线绳槽卷简的一般结构。并根据大吨位、高扬程的起重机起升技术性能参数， 研究出对应系列的平行折线绳槽卷筒的结构参数的计算公式，然后编制了平行折 线绳槽卷筒钢丝绳偏角的计算可视化程序，并以此得到了作用于神经网络的所必 需的训i 练样本和检验样本。 其次，本文重点分析了b p 神经网络理论，对改进的b p 神经网络算法进行 了探讨与分析，并且论述了在m a t l a b 环境下样本数据的预处理方法、神经网络 各项结构参数的确定方法和基本原则，最后确定出最佳的神经网络结构参数。首 先用设计好了的训练样本对改进的b p 神经网络进行训练，优化选择网络结构， 然后利用检验样本对该网络结构进行检验，最终检验结果表明该网络结构达到了 智能化设计要求。 接着，本文具体介绍了虚拟样机技术概念，探讨了虚拟样机的技术难点及其 标准化，分析了虚拟样机的一般开发过程，并研究了3 d 模型在虚拟样机协同设 计过程中的作用及其实现。以此为基础，本文第6 章把虚拟样机技术应用到平行 折线绳槽卷筒的设计上，结合p r o e n g i n e e r 软件，利用参数化设计的方法，对卷 筒进行了三维建模，建立了平行折线绳槽卷筒的零部件库。最后论文研究了 o p e n g l 语言在v i s u a lc + + 环境下的具体应用，并完成了平行折线绳槽卷筒可交 互式的动画仿真。 关键字：平行折线卷筒神经网络智能设计虚拟样机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi sp u tf o r w a r db e c a u s et h et r a d i t i o ns p i r a lr o p es l o tr e e lc a nn o t s a t i s f ys e v e r a ll a y e r so f r e a ln e e d s w i n d i n gu pi nt h eb i g l i f ta n d h e a v yl o a dh o i s t ，a n d t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fr e e l p r o d u c t a r e g r o w n t o p u t f o r w a r d p e r i o d c o m p l e t e l yu n d e r s t a n d i n gt h er e e la p p l i c a t i o np r e s e n ts i t u a t i o ni nh o m e a n da b r o a d ， a n dg r a s p i n go nt h ef o u n d a t i o no fi n t e l l i g e n td e s i g ns t u d i e sp r e s e n ts i t u a t i o n ，t h e s i s w a st h o r o u g h l ys t u d i e do fe q u a lr a n kt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fb r o k e nl i n er e e l a n di t sd e s i g na n dw a sc o u n t e d ，a n dh a sb e e ni np r o g r e s st h o r o u g h l ys t u d y i n gw i t h u s i n go p e n g li n w i n d o w st os i m u l a t i o nt o p a r a l l e l t h eb a s e do nb p sn e r v e c r o s s d o m a i nc o m m u n i c a t i o nb r o k e nl i n er e e li n t e l l e c td e s i g n f i r s t l ya c c o r d i n gt o t h em e r i ta n ds h o r t c o m i n gb e t w e e np a r a l l e lf o l dl i n er o p e s l o tr e e la n ds p i r a lr o p es l o t r e e l ，t h et o p i cd e s i g n st h eg e n e r a lc o n s t r u c t i o no ft h e p a r a l l e l f o l dl i n e r o p e s l o tr e e l a n dt h e n a c c o r d i n g t ot h e t e c h n i q u e f u n c t i o n p a r a m e t e ro ft h ed e r r i c ko ft h eb i gl i f t a n dh e a v y ，t h et o p i cs t u d y st h ec a l c u l a t i o n f o r m u l ao fc o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r t o s e r i e so f p a r a l l e l f o l dl i n e r o p e s l o t r e e l ，f o l l o w i n g i te s t a b l i s h m e n t st h e h o r n yc a l c u l a t i o no fs t e e lw i r er o p eo ft h ep a r a l l e l ：t o l dl i n er o p es l o tr e e l ，a n dg e t st h ee s s e n t i a lt r a i n i n gs a m p l ea n dt h ee x a m i n e s a m p l e f u n c t i o n i n gn e r v en e t w o r k s e c o n d l yb p l sn e r v en e t w o r kt h e o r yw a ss t r e s s l ya n a l y s e di nt h i st e x t ，a n db e i n g i n p r o g r e s si n q u i r i n g i n t ow i t h a n a l y s i n g t o i m p r o v i n gb p s n e r v ec r o s s d o m a i n c o m m u n i c a t i o na l g o r i t h m ，a n dd i s c u s s e dd e f i n i t em e t h o da n dt h e p r i n c i p l e o ft h e p r e t r e a t m e n t m e t h o do f s a m p l e d a t aa n dn e r v ea l i s t r u c t u r e p a r a m e t e r s o f c r o s s d o m a i nc o m m u n i c a t i o ni nm a t l a b a n dc o m p a r e da n d a n a l y s e st h ec r o s s d o m a i n c o m m u n i c a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n t p a r a m e t e r ss e n d i n go u tt h er e s u l t ，a n df i n a l l y d e f i n i n gt h eo p t i m u m n e r v en e t w o r ka r c h i t e c t u r e p a r a m e t e r i nt h ef o l l o w i n g ，t h ea r t i c li n t r o d u c e sd e t a l l l yt h ec o n c e p to fv i r t u a lp r o t o t y p e i n q u i r y si n t o t h ed i f f i c u l t ya n ds t a n d a r d i z et ov i r t u a lp r o t o t y p ea n da n a l y s i s e st h e g e n e r a lp r o c e s so fd e v e l o p m e n to fv i r t u a lp r o t o t y p e ，a n ds t u d i e dt h ef u n c t i o na n dt h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 m e t h o do fa3 dm o d e li nt h ep r o c e s so fc o l l a b o r a t i v ev i s u a lp r o t o t y p i n g r e g a r d t h e s ea sf o u n d a t i o n ，c h a p t e r6o ft h et e x ta p p l y st ot h ev i r t u a lp r o t o t y p et od e s i g n i n g t h er e e lw i t hp a r a l l e lb r o k e nl i n e sr o p es l o t ，c o m b i n a t e sp r o e n g i n e e rs o f t w a r e ，m a k e u s eo ft h em e t h o do fp a r a m e t e r s d e s i g n ，p r o c e e d s t of i n i s ha3 dm o d e lo fr e e l ， e s t a b l i s h i n gt h ep a n sf a m l i yo f t h er e e lw i t h p a r a l l e lb r o k e nl i n e sr o p es l o t f i n a l l yt h e t h e s i s s t u d y s t h e a p p l i c a t i o n o ft h e o p e n g ll a n g u a g e u n d e rt h ev i s u a lc + + e n v i r o n m e n t ，a n dc o m p l e t st h ei n t e r a c t i v ea n i m a t i o ni m i t a t eo ft h er e e lw i t hp a r a l l e l b r o k e ni i n e sr o p es l o t k e yw o r d s ：t h er e e lw i t hp a r a l l e lb r o k e nl i n e s r o p es l o t ，n e r v en e t w o r k ， i n t e l l i g e n c ed e s i g n ，v i r t u a lp r o t o t y p e 1 】 茎堡堡三查堂堡主堂垡丝苎一一 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的与意义 进入2 1 世纪以来，我国经济增长的强劲势头促进了基础建设的飞跃式发 展，大型港口、大型水电站以及跨江、跨海大桥的建设需求不断增加。这拉动 了在这些基础建设中不可缺少的大吨位( 1 0 0 t 3 0 0 0 t ) 、高扬程( 3 0 m l o o m ) 的大型起重机的需求。而卷筒是起重机钢丝绳卷绕系统中关键的典型零部件， 在设计这些大吨位、高扬程的大型起重机的起升机构时，发现传统的螺旋型卷 筒已不满足需要了。原因是大的起升高度和大的起升重量决定了卷绕于起升卷 筒上的绳索缠绕量很大，在采用传统的螺旋型卷筒多层卷绕时，缠绕过程中会 产生乱绳现象，而且绳索之间磨损严重，降低了钢丝绳的使用寿命，并还需要 增加排绳装置。因此，适合多层卷绕的卷筒结构型式的研究成为近年来国内外 超重机行业竞相研究和开发的课题。 在中小吨位、低扬程起重机的起升机构中用得最多的仍然是螺旋绳槽缠绕 方式，其优点是单层缠绕时钢丝绳可以沿螺旋槽平滑地缠绕，其最大缺点是当 需要多层缠绕时，上下层钢丝绳的卷绕旋向相反，上层钢丝绳不能很好地落入 下层钢丝绳形成的螺旋槽内，乱绳现象比较严重，而且绳间摩擦造成的磨损严 重影响钢丝绳的使用寿命。另外，钢丝绳与卷筒之间的偏角越大，乱绳现象越 严重。 所以必须采用一种新型结构的卷筒来满足多层卷绕的需要，而平行折线绳 槽卷筒是现在国内外研究并使用的最多的一种新型结构的卷筒，这种卷筒的表 面有绳槽，但绳槽的走向不同于普通螺旋绳槽卷筒。平行折线绳槽卷筒分单折 线绳槽卷筒和双折线绳槽卷筒，本文主要讨论后者。在双折线绳槽卷简的每一 周长范围内，有两段直线段和两段斜线段。在卷筒表面绳槽的一个节距长度内， 钢丝绳走向为直线段斜线段直线段斜线段第二个节距的直线段，其中 大约7 5 8 0 的绳槽为直线段，其余为斜线段。钢丝绳在进行多层卷绕时， 通过斜线绳槽来固定上层钢丝绳与下层钢丝绳交叉过渡的位置。在绳槽直线段， 上层钢丝绳完全落入下层钢丝绳两相邻的绳圈形成的绳槽内，使上下层钢丝绳 之间的接触改善，提高了钢丝绳的使用寿命。再配合卷筒两端带有返回凸缘的 武汉理工大学硕士学位论文 阶梯挡环，引导钢丝绳顺利爬升和返回，避免钢丝绳由于相互切入挤压而造成 的乱绳，且减少磨损，使钢丝绳卷绕按设计者的意图一层层的整齐排列，这样 解决了多层卷绕时的乱绳现象、减少钢丝绳间磨损，提高钢丝绳的使用寿命。 并且这种卷简还有钢丝绳输出扭矩小，机构布置排列简单、紧凑，占地空间小， 重量减轻等特点。1 1 1 相对于普通螺旋绳槽卷筒而言，平行折线卷筒的结构较为复杂，其设计和 制造存在一定的难度，与国外先进水平相比，在设计开发方面还有一定的差距， 而且因为计算量很大使得开发的质量无法得到保证，开发的周期也很长。那么 有一个设想，如果能够把平行折线绳槽卷筒进行标准化和系列化，这将会带来 一定的经济效益和社会效益，而标准化和系列化各种类型的平行折线绳槽卷筒 是一项工作量很大的工程。如果改变传统的设计方式，把智能设计的概念引入 到平行折线卷筒的设计中，将会大大减少工作量，并能显著提高设计的质量。 本文第3 章和第5 章即是研究平行折线绳槽卷筒设计中神经网络的应用方法， 为将平行折线绳槽卷筒的标准化和系列化打下基础。 目前，基于神经网络的智能设计技术已引起了人们的普遍关注，在国内外 有许多政府部门、公司、和研究所正在致力于这方面的研究。从总的方面来看， 基于神经网络的智能设计己经取得了一定的成就，并有一些成功的应用。但作 为一门新兴的技术，基于神经网络的智能设计技术还不是一门成熟的技术，还 有许多问题急待解决，其发展还将依赖于软、硬件两方面技术的进步，需要有 更好的神经网络学习算法。那么在平行折线卷筒的智能设计中选择什么样的神 经网络算法也是一个需要研究的课题。【2 】 机械产品的设计是个复杂的创造过程，需要复杂的论证、检验，以保证产 品的合理性和可靠性。传统上做一个实物模型的方法，耗时耗财。近年来，随 着计算机的广泛应用，计算机虚拟样机技术的提高，我国在仿真系统的建模与 开发方面迅速发展起来，并取得了很大的成就。在机械工程领域，虚拟设计的 应用已扩展到产品的全生命周期：方案论证、设计制造、试验、使用和维护训 练。从而在制造企业产品设计和制造的过程中，计算机虚拟设计已成为不可缺 少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期和提高产品质量等方面发 挥了巨大作用。 当前计算机虚拟样机设计技术在机械工程中的应用已经越来越广泛。机械 设计的最终目的是设计出产品，即设计出一个装配体，传统的装配体设计是 2 武汉理工大学硕士学位论文 个自底向上的设计过程，即先设计出各个零件，并制造出来，再把实实在在的 零件装配起来，形成一个完整的装配体或机械设备。这样很容易出现装配体各 部件的干涉及与设计目的不符等缺陷。虚拟样机设计就是为了克服这些缺陷而 出现的一种新技术手段。【3 】它不仅可以让设计师看到甚至“摸”到自己的设计 成果，还能简化设计流程，缩短设计时间，而且方便随时修改。 随着现代化工业的高速发展，产品的功能、结构日趋复杂，新产品的更新 换代周期不断缩短，设计在产品的整个生命周期中占据了越来越重要的地位。 事实上，虽然开发中设计本身所花的费用仅占产品成本的5 左右，但新产品的 开发费用中的8 0 取决于设计过程，因而产品设计阶段已被视为提高整个生产 率的瓶颈，对于生产系统的整个生产率起着举足轻重的作用。因此，伴随着现 代化工业的发展，计算机辅助设计( c a d ) 也得到了迅速的发展和普及。c a d 软件的主要作用是设计，并在优化设计的基础上完成高质量的工程绘图。c a d 系统用来服务于设计工程师，减少他们在设计工作中的简单重复劳动，帮助他 们把头脑中产生的设计形象迅速准确地在计算机中反映出来，使其将注意力集 中于富有创造性的设计活动中，从而提高设计的效率和质量。为了实现这一目 的，研究者们提出了参数化设计这一概念，那么参数化仿真设计卷筒也是本文 研究的目的之一。 综上所述，以平行折线绳槽卷筒替代螺旋绳槽卷筒，解决大扬程起重机钢 丝绳多层卷绕时的乱绳问题和减少绳间磨损；应用基于神经网络的智能设计， 实现对平行折线卷筒设计的智能化，为将后平行折线绳槽卷筒的标准化和系列 化打下基础；并利用等虚拟样机设计技术，对平行折线绳槽卷筒的结构和动作 进行虚拟设计，使得在设计过程的最初阶段发现可能存在的缺陷和问题，以得 到及时的解决。这些就是本文的研究目的和实际意义。 1 2 论文相关课题的国内外研究发展现状分析 1 2 1 平行折线绳槽卷筒的应用现状和发展趋势 随着卷扬装置的大型化，大型卷筒的应用越来越多，一种能使钢丝绳卷绕 整齐排列的平行折线绳槽卷筒应用越来越广。 平行折线卷筒有单折线绳槽卷筒和双折线绳槽卷筒之分，双折线绳槽卷筒 武汉理工大学硕士学位论文 _ - _ _ _ _ - _ _ - _ - _ 一。 又称利巴斯卷筒，其最早见于国外利巴斯公司专有的利巴斯卷扬装置中，8 0 年 代引入我国，主要在矿山卷扬机和水工起重机械上应用。特别是近年来随着我 国高坝建筑的发展，对数十米到上百米的高扬程大型启闭机的需求，平行折线 绳槽卷筒的应用越来越多，例如在三峡水利枢纽工程的左岸电站尾水部分2 1 2 5 0 2 5 0 k n ( 双向) 门式起闭机的主起升机构的应用，在东风水电站泻洪系统 3 6 0 0 k n 、扬程8 5 m 、斜拉1 0 。的固定式启闭机上的应用，在中铁大桥局研制的 2 5 0 0 t 起重船上的应用，龙羊峡水库5 0 0 0 k n 坝顶门式启闭机回转吊上的应用， 安康水电站卷扬式启闭机中的应用，太原重型机械( 集团) 有限公司在3 2 0 t 坝 顶门式启闭枫上的应用，小浪底枢纽工程5 0 0 0 k n 固定卷扬式启闭机及4 0 0 0k n 门式启闭机主卷扬机构上的应用和漫湾水电站5 0 0 t 坝顶门机中的应用等等。1 2 j 这些新研究并应用的卷筒的共同特点是可以多层缠绕钢丝绳，避免了传统卷筒 只缠绕一层钢丝绳的缺点，而且缩短了卷筒长度，简化了结构，使大型水电站 起重机使用更加安全可靠。【4 】 虽然设计人员们设计出了各种类型的平行折线绳槽卷筒，但还没有在平行 折线绳槽卷筒的系列化和标准化上作出相应研究，或者有些研究者因陷入繁琐 的计算中雨有所退却。那么怎么简化平行折线绳槽卷筒系列化和标准化的计算 量已摆在研究者的面前，这也是研究平行折线绳槽卷筒的一个重要课题。 1 2 2 智能设计与神经网络理论的现状和发展趋势 产品设计在产品创新中处于上游。由于它对产品的知识含量、成本、质量 等具有预先的决定性作用，因此设计的智能化问题已得到越来越多的重视，各 国的研究计划均将产品设计智能化作为研究的重点内容之一。 早在二战结束后，德国便意识到经济复苏的关键在于产品设计水平的提高， 积极开展设计知识获取与运用的研究，尤其是在设计理论方面成为世界发源地。 以德国为代表的欧洲流派的智能设计方法论者主张将从专业设计人员长期的设 计实践中归纳总结出来的各种方法作为工程设计流程各个环节的手段，贯穿到 整个设计过程中，并且通过实际的再应用加以发扬和完善。同时，将归纳和总 结出来的、大量的工程设计知识经过系统化的整理，以设计目录( d e s i g nc a t a l o g ) 的形式得以保存、传递和运用。比如r o t h 提出的包括功能定义、物理原理、物 理效果等方面的智能设计目录已在智能设计实践中得到普遍使用。同时研究人 员还在试图借用计算机技术建立便于使用的智能设计目录库和检索工具。在美 4 武汉理工大学硕士学位论文 国的t e a m 计划中，将知识管理工具套件作为智能设计领域的研究内容之一。 在i m s 计划中，也将知识系统化列为一项重要的研究内容，目前已开发出一个 信息与知识交互协调的智能设计平台m a d i a t o r 。所有这些研究为智能设计进一 步发展奠定了坚实的理论基础。【l 刮 近几年，随着人工智能研究热潮的再度兴起与发展，智能设计方法和机器 学习方法与技术的应用越来越广泛。这种现象已引起国际设计制造学术界的极 大关注。国际生产工程学会( c l r p ) 连续于1 9 9 6 和1 9 9 7 年的年会上发表关于 设计智能化的研究报告。报告多次指出：我们不仅需要新的计算机技术以生成、 记录、检索信息，而且也需要将信息整理、综合成知识，并采用合适的知识表 达方法来表达知识，以支持设计的智能化和人的正确决策。 从人脑的生理结构出发来研究人的智能行为，模拟人脑信息处理的过程， 即人工神经网络的研究，也经历了一条曲折的路程。大致分为兴起、萧条和兴 盛三个时期。 早在1 9 4 3 年，心理学家m c c u l l o c h 和数学家p i t t s 在数学生物物理学会刊 b u l l e t i no f m a t h e m a t i c a l b i o p h y s i c s 上发表文章，总结了生物神经元的一些基本 生理特性，提出了形式神经元的数学描述与结构方法，即m p 模型。在m p 模型中，赋予形式神经元的功能较弱，但网络的计算能力巨大，这种巨大的计 算潜力在于网络中足够多的神经元以及神经元之间丰富的联系，同时神经元还 具有并行计算的能力。m p 模型的提出兴起了对神经网络的研究。 1 9 4 9 年心理学家d o h e b b 提出神经元之间突触联系强度可变的假设。 他认为学习过程是在突触上发生的，突触的联系强度随其前后神经元的活动而 变化。根据这一假设提出的学习率为神经网络的学习算法奠定了基础。5 0 年代 末，r o s e n b l a t t 提出感知机，第一次把神经网络的研究付诸工程实践。这是一种 学习和自组织的心理学模型，它基本上符合神经生物学的知识，模型的学习环 境是有噪声的、网络构造中存在随机连接，这符合动物学习的自然环境。当时 人们对神经网络研究过于乐观，认为只要将这种神经元互连成一个网络，就可 解决人脑思维的模拟问题，以后碰到了理论上和实现技术上的困难，加上其它 因素的影响，使得对神经网络的研究进入了低潮。 6 0 年代，美国著名人工智能学者m i n s k y 和p a p e r t 对r o s e n b l a t t 的工作进行 了深入的研究。写了很有影响的感知机一书，指出感知机的处理能力有限。 甚至连x o r 这样的问题也不能解决，并指出如果引入隐含神经元，增加神经网 亟竖望三查堂堡圭堂焦堡苎 络的层次，可提高神经网络的处理能力，但是研究对应的学习方法非常困难。 加以当时人工智能的以功能模拟为目标的另一分支出现了转机，产生了以知识 信息处理为基础的知识工程，给人工智能从实验室走向实用带来了希望。”叫 同时，微电子技术的发展，使传统计算机的处理能力有很大提高，数字计 算机的发展使当时科学界普遍认为它能解决一切问题，包括模式识别、机器人 控制等。因而不必去寻找新的计算理论与实现方法。而且，当时的工艺水平还 未能达到制作实用的具有足够规模的神经网络，用分离的电子管即使是晶体管 所制作的神经网络也只能作示教性的表演。这些因素的共同作用，促使人们降 低了对神经网络研究的热情，从而使神经网络进入萧条时期。 不过，还是有不少学者继续对神经网络进行研究，仍取得一些积极的成果。 其中包括a r b i b 的竞争模型，1 9 7 7 年k o h o n e n 的白组织映射模型，g r o s s b e r g 的 自适应谐振模型和f u k u s h i m a 的新认知机等。特别是有的学者提出了连接机制 和并行分布处理概念等，具有较大影响。 到了8 0 年代中期，神经网络的研究进入了“柳暗花明又一村”的新境界， 一个竞相研究神经网络和设计构造神经计算机的热潮在世界范围内掀起。产生 这种转折变化的一个重要原因，是美国加州理工学院生物物理学家霍普菲尔德 采用全互连型神经网络模型，利用所定义的计算能量因数，成功地求解了计算 复杂度为n p 完全型的旅行商问题。这项突破性的进展引起了广大学者对神经 网络潜在能力的高度重视，从而掀起了研究神经网络信息处理方法和研制神经 计算机的热潮。m 经过近半个世纪的研究探索，人们开始懂得，人工智能的发展，与对人脑 机理的研究和认识学科的发展密不可分，因而出现包括人工智能( a r t i f i c a l i n t e l l i g e n c e ) ，脑模型( b r a i nm o d e l ) 和认知科学( c o g n i t i v es c i e n c e ) 的所谓a b c 理论。 1 2 3 虚拟样机技术的应用现状和发展趋势。1 随着世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。产品 消耗结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场需 求，企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发 周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本。进行创新性设计，这样才 能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份 武汉理工大学硕士学位论文 额和利润。一种新产品的开发需要考虑诸多因素，同时涉及诸如机械运动学与 动力学、人机工程学、美学等多个相关的学科，而传统的设计方法又无法使各 学科理论的实现达到最优。一种新设备的研发，按照传统的设计模式通常要经 过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产几个步骤。在传统的产 品设计与制造过程中，为验证产品的整体性能，往往采用制造物理样机( p h y s i c a l p r o t o t y p e ) 的方法，用样机来支持具有不同技术背景的人员进行研讨和开发。 由于这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺陷( 成本高、周期长) ，往往使 物理样机的反复性试验不够充分，加上设计人员通常不愿为修改局部而给整机 带来不可欲知的结果。这种基于样机制造、试验的设计方法来增加了新产品的 研发周期和成本，产品结构越复杂，这种人力、物力、财力的浪费越严重，从 而严重地制约了产品质量的提高。传统的物理原型方法已不能满足现代工程产 品开发的需要，因此虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，简称v p ，即虚拟样机) 就是在这种迫切需要的驱动下产生的。虚拟样机是根据产品设计信息或概念描 述产生的在功能、行为以及感观( 视觉、听觉、触觉等) 特性方面与实际产品 尽可能相似的可仿真的数字模型。 虚拟样机和协同虚拟样机技术于九十年代初开始发展，其研究和应用迅速 得到许多研究机构及软件供应商的重视，现已深入到军事、机械、电子、航空 航天、船舶、汽车、通讯等多个领域。 国外对虚拟样机的概念、理论研究己相当深入，技术开发也日趋成熟，九 十年代后西方各国相继取得了很多应用成果。当前国际上虚拟样机技术最成功 的应用集中在机械制造及离散制造业，尤其是汽车工业和飞机工业中。1 9 9 2 年 虚拟样机技术第一次成功应用于b o e i n g7 7 7 飞机的设计以后得到迅速发展， 1 9 9 6 年北美技术基础组织( n a t i b o ) 选择协同虚拟样机( c v p ) 技术用于美 加间军事服务的仿真，1 9 9 7 年美国能源部( d o e ) 和国防部( d o d ) 又提出了 下一代虚拟样机( n g v p ) 技术的体系结构。另外，美国政府己经批准了快速发 展和推广虚拟样机技术的计划，拨给a r p a 和国防部的预算超过十亿美元。美 国s i k o r s k y 和波音公司在开发军队最新最大的航空项目c o m m a n c h e 时，大规模 使用了虚拟样机技术。s i k o r s k y 估计使用c v p ( c o l l a b o r a t i v ev i r t u a ip r o t o t y p i n g ) 技术可使c o m m a n c h e 的单位开销降低2 0 一3 0 。c h r y c l e r 公司与i b m 合作开发 的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样本生产之前，发现其定位系统的控 制及其它许多设计缺陷，缩短了研制周期。美国通用动力电船公司在新型攻击 武汉理工大学硕士学位论文 潜艇项目中应用虚拟样机技术，节约了超过2 5 的制造费用。芬兰v r r 电子公 司正在从事电子产品的v p 研究，己开发了手机的虚拟样机。欧洲空中客车公 司采用虚拟及仿真技术，将空中客车的试制周期从4 年缩短为2 5 年。 无论是美国，还是其它国家，包括中国在内，现代国防工业部门对新型号 武器系统的研制过程、研制方法和效能评估手段等都提出了更高的指标，缩短 新产品研制开发周期、降低开发费用、提高效费比已成为研制武器系统的先决 条件。因而国防工业部门对新型号产品的研制开发过程同样需要利用虚拟样机 技术来提高开发效率。技术的推动和需求牵引使得武器系统虚拟样机技术得以 迅速应用与分展。 在电子产品的研制中，虚拟样机技术也有相当地应用。如美国m c c 公司( 微 电子和计算机技术公司) 推出的针对消费类电子产品的虚拟样机软件，可以连 接产品仿真和产品实现，在验证产品概念功能正确的同时，迅速执行决策；h a r r i s 电子设计自动化公司推出的针对p c b 的虚拟原型软件：e d a n a v i g a t o r 可在设计 早期通过对关键性能指标的快速反馈减少设计迭代次数。 虚拟样机技术的成功应用，促进了专业化虚拟样机工具软件的开发。虚拟 样机技术己成功应用于大型工程项目中的样机软件，包括：罗斯一罗伊斯公司 在对引擎制造及维护可行性评估中所使用的i s s 虚拟现实试验检测器，波音公 司在b o e i n g7 7 7 设计中应用的高性能工程可视化系统；此外，1 9 9 5 年，法国太 空署( c n e s ) 为了满足其人造卫星设计人员运用数字样机开发、操作和研究设 计模型，联合c s s i 发起的名为p r o v i s 的研究计划。以解决样机开发的软件 问题；同时，c r s 4 同c e r n 共同开发出了1 3 d 系统以支持c e r n 的h a d r o n 大 型对撞机设计。近年来，研究和开发虚拟样机系统的重心开始不局限于具体项 目，例如：f r a u n h o f e r 中心计算机图形研究部门对现有工具集成技术的研究，目 的是为现有c a d 系统提供虚拟样机的功能。现在的一些c a d 产品的附带软件 如：p r o e n g i n e e r ，p t cp r o f l y t h r o u g h ，m e c h a n i c a ld y n a m i c s 的a d m s ，m a t r a d a t a v i s i o n 的m e g a v i s i o n ，p r o s o l v i ac l a r o s 的r e a l t i m el i n k ，e d su n i g r a p h i c s ， 建模模块，均为工程设计提供了实时虚拟的性能。 3 7 1 1 3 8 】 相对而言，国内协同虚拟样机技术的研究尚处于起步阶段，主要是对虚拟 样机概念和结构的研究，对虚拟样机要求的相关技术，如数据库技术、c a d c a m 技术、网络技术、分布交互仿真技术等已经有一定的基础，但尚未开发出支持 虚拟样机的工具与环境。总体上看来，与国外相比还有很大差距。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文主要的研究内容 基于单个平行折线绳槽卷筒设计计算上的繁琐，那么系列化、标准化平行 折线绳槽卷筒的设计计算难题可想而知，本文运用基于神经网络的智能设计理 论和虚拟样机技术，对平行折线绳槽卷筒进行结构设计计算、虚拟样机设计， 具体的研究内容如下： ( 1 ) 根据平行折线绳槽卷筒和普通螺旋绳槽卷筒的优缺点，研究设计平行 折线绳槽卷筒的一般结构。并根据大吨位、高扬程的起重机起升技术性能参数， 研究设计出对应该系列的平行折线绳槽卷筒的结构参数，以作为神经网络计算 的训练样本和检验样本。 ( 2 ) 分析b p 神经网络及其改进的一些算法理论，探讨b p 神经网络在m a t l a b 中的实现过程。把改进的神经网络应用到已有的平行折线绳槽卷筒结构参数的 训练样本中去，并研究最佳的网络结构以达到最快、最有效的训练效果。 ( 3 ) 研究虚拟样机设计的般技术和方法，在p r o e n g i n e e r 下完成平行 折线绳槽卷筒的虚拟样机仿真设计，并在o p e n g l 环境下完成平行折线绳槽卷筒 三维实体动态仿真。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章平行折线绳槽卷简的结构设计 起重机起升机构用的卷筒，其作用是起吊重物时缠绕钢丝绳，要求能满足 一定的起升高度，而多层缠绕的卷筒尺寸小、绕绳量大。通常卷筒是光面或螺 旋绳槽，只能单层缠绕，多层缠绕时容易产生乱绳现象。应用平行折线绳槽卷 筒，多层缠绕钢丝绳时可使排绳整齐有序，不乱绳，并可以延长钢丝绳使用寿 命。 2 1 螺旋绳槽卷筒多层卷绕的咬绳现象3 起重机钢丝绳多层缠绕的突出问题是第二层和第二层以上各层钢丝绳在缠 绕过程中的咬绳现象和缠绕过程中的绳间磨损严重。传统的螺旋绳槽缠绕方式 的优点是单层缠绕时钢丝绳可以沿螺旋槽平滑地缠绕，其最大缺点是多层缠绕 时咬绳现象比较严重。内偏角越大，咬绳现象越严重。螺旋绳槽多层缠绕时出 现咬绳现象的原因主要有两个，即在由第一层向第二层的过渡处挤压咬绳和第 二层的每一圈在缠绕过程中跨越咬绳，参见图2 1 所示传统的螺旋绳槽多层缠 绕时的咬绳现象。 yvist ； iii | 1 1j11j i 77 f |i| 1 + 1 f1 1 j 一v 一卜书一 l ii 一一门 、 ； ：| | ：s| 1 jl 。 1 j r! r jrjr r r rrrrrrrrrr j r yiy f_ |1 1_ _ f 。 r 1 _ i qq 图2 1 传统的螺旋绳槽多层缠绕时的咬绳现象 】o 武汉理：【大学硕士学位论文 从图2 1 中可见，第一层钢丝绳是由右向左缠绕，其螺旋升角口偏在垂直轴y 左方，第二层钢丝绳由左向右缠绕，其螺旋升角。偏在垂直轴y 的右方。第一层 和第二层钢丝绳绳圈在空间形成一个2 a 的交角，这个空间2 a 的交角在卷筒圆周 展开平面上的投影面长度和宽度就是第二层绳圈跨越段的长度和宽度。在跨越段 中，第二层绳的每一圈因缠绕需要跨越第一层绳的两个绳圈。 2 2 平行折线绳槽卷筒的结构特点n 儿鲫 要解决钢丝绳多层缠绕的咬绳现象，主要采取两种措施；一是采用平行折 线绳槽卷筒的缠绕，二是合理地设置挡圈和垫块。 平行折线绳槽卷筒( 如图2 2 所示) 起源于国外利巴斯公司专有的利巴斯 装置中，主要在矿山卷扬机和水工起重机械上应用。图2 3 为平行折线绳槽卷 筒展开图，平行折线绳槽卷简上每一圈绳槽分成四段，包括两个直线段和两个 斜线段绳槽。利巴斯卷筒又称双阶折线绳槽卷筒，它的挡环结构是仅在第一层 绳槽末端填充楔块，其余第二层、第三层则没有了楔块，如图2 4 所示。 近年来，国内起重机行业在利巴斯卷筒挡环结构的基础上进行了改进，即在多 层卷绕卷筒侧面挡环上增加了多层引导槽结构，卷筒两侧都有引导槽，这样就 使得钢丝绳更好地缠绕于卷筒上，更好地爬坡和返回，如图2 5 所示。 平行折线绳槽卷筒就是把跨越段合理的分区，用以过渡，可以把它做成一个 过渡区或两个过渡区( 即半个节距绳槽过渡) 。两个过渡区的位置可以做成对称， 也可以做成不对称，经比较以具有两个过渡区的半节距绳槽形式较好。 平行折线绳槽卷筒上每一圈绳槽分成四段，包括两个直线段和两个斜线段 绳槽，斜绳槽段的长度由绳槽的升角卢( 如图2 3 所示) 决定。为了使钢丝绳从 平行段能顺利进入折线段，斜绳槽升角的选取十分重要。升角过大，受载钢丝 绳由于自身刚性较大，不能从平行段j j 颐, n 进入折线段，可能产生跳槽现象；另 一方面，升角又受钢丝绳在卷筒和动滑轮之间偏角。的限制。 亟堡垄三查兰堡主堂笪堡苎一一 绳槽钥越绳 挡环 再串蔫辨手 t丁丌t ii 、 - 1 l l“+此山雌lk g熬效麓凌揪 图2 2 平行折线绳槽卷筒 | i ；l ；| ii ! f i i ! i t li llil 【il 【l llii j f i ijfi ； lf 卜他 【j _ l 一广【一l l u1t 1 i 下1 1t _ 广1 啊 图2 3 平行折线绳槽卷筒展开图 图2 4 利巴斯卷简图2 5 平行折线绳槽卷筒 卷筒最不利缠绕位置是钢丝绳处在卷筒最左端或最右端。为了保证正常工 作，钢丝绳偏角应控制在1 5 。之内。卷筒的平行段长度l i 和斜线段长度l 1 f 一 般应分别控制在卷筒周长l 的7 0 8 0 和3 0 2 0 之内( 图2 3 中的折线段是 卷筒周长的2 5 ) 。由于以上原因，折线型卷筒与钢丝绳的直径比e 应比普通螺 旋绳槽卷筒与钢丝绳的直径比大一些，即折线型卷筒的直径也应略大些。由于 是多层缠绕，绳槽节距t 不能选标准绳节距，应比标淮绳节距小。设钢丝绳的 詈竺艄酢孵h 多f 、0 用示意图。h h 。 ，i ，一7 i 、 牡iii：。二25：一。，45。1 1 | 图2 6挡圈作用示意图 由图2 6 结合图2 3 折线式卷筒展开图可以看出，在4 5 。至0 。之间，钢 丝绳应完成从第一层高度爬升到第二层高度，这就要求挡圈p 1 处高为卷筒外圆， p 2 处为钢丝绳第二层高度，p 1 至p 2 为这一高度的均速渐升线凸台，才能保证 钢丝绳平稳上升至第二层高度。因为卷筒绳槽在4 5 。至o 。这一段为折线( 折 1 2 绳槽距) ，所以挡圈渐升线凸台在4 5 。处宽为一绳槽距。折线至0 。时只有 1 2 绳槽距。只有这样，挡圈装入卷筒上时才不会将4 5 。至0 。、3 1 5 。、2 7 0 。、 2 2 5 。这段第一层钢丝绳挡住。因为钢丝绳从4 5 。爬升开始，至o 。爬升到第二 层高度，在第二层高度运行。经3 1 5 。、2 7 0 。至2 2 5 。，这段中挡圈垂面与第 一层钢丝绳之间只有1 2 绳槽距，所以挡圈凸台与挡圈垂直面之间必须有r 绳 槽。从2 2 5 。至1 8 0 。卷筒绳槽与挡圈凸台再次折线( 1 2 绳槽距) ，这时第一层 钢丝绳与挡圈垂直面之间的距离从1 2 绳槽距逐渐减少到零。这时钢丝绳就自 然与折线段上的第一层钢丝绳交叉而过，进入第一层钢丝绳形成的沟槽中，至 此完成了钢丝绳的返向运动。然而在第二层钢丝绳开始卷绕第一次与第一层钢 丝绳交叉过渡后，接下来在对应圆周角1 3 5 。的绳槽直线段，第二层钢丝绳与阶 梯挡环间会形成一宽度为半个绳径的空挡，这里就需要设置光滑的垫块以抬高 钢丝绳。f 1 1 】 武汉理工大学硕士学位论文 折线卷筒的两端设置了这种特殊的挡圈和垫块，保证了钢丝绳平稳地上升 到第二层，并将钢丝绳折送反向，开始有序的二层卷绕，同样道理也可设置相 应的挡环和垫块上升到第三层。 2 3 平行折线绳槽卷筒的设计 平行折线绳槽卷筒的设计与一般的螺旋绳槽卷筒的设计不同，除了结构上 的不同之外，平行折线绳槽卷筒中控制钢丝绳的偏角在1 5