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【摘 要】在传统的钢丝绳设计中,产品的生产成本大,且设计的周期较长,而市场竞争逐日激烈,生产企业需要寻觅新的设计手法.本章介绍一种较新的钢丝绳结构设计方法――计算机辅助设计,主要对设计系统的思想、实现方法以及它的功能做出一些浅谈.
【关 键 词 】钢丝绳结构,计算机辅助设计CAD技术,数学模型
对于钢丝绳结构设计,以往传统的方法是手工计算,这样颇为复杂,且计算误差大.目前市场对于钢丝绳的品种、规格的要求越来越多,钢丝绳的品种、结构已经发展到上种,而他的规格更是上千种.传统的手算难以适应社会发展的需要.在这一社会背景下,计算机辅助设计的广泛应用和推广,为提高钢丝绳结构设计的效率,解决精度低的问题做出了贡献,在该领域中有着十分重要的意义.
计算机辅助设计的基本概念
计算机辅助设计是采用的CAD（Computer Aided Design）技术,也是指用计算机辅助设计并建立、修改、分析和优化的一项高科技技术.采用CAD技术设计之所以能提高产品设计的周期、提高设计质量及降低成本,是因为它把蕴含着计算机精准、快速、形象、直观的优点,结合设计者充分分析和思考,并运用自己的设计经验作为导向,加速和优化设计的进程,解决设计问题亦不是难事.
中国市场经济逐日激烈,生产厂家需要寻求新的设计办法以节俭成本、提高效益,才能在市场竞争中占据一定优势.也就是在这一背景下,改善产品的设计手段逐步发展,CAD技术作为其中一种方法得到了广泛的发展和应用.就目前对该技术的运用的一些实例,在产品设计缩短周期,提高质量及降低成本等方面来看,CAD技术起到了很大的作用.该技术涉及的技术方面十分多,例如信息管理及处理、结构的设计手段、数据的分析和处理、某些图型的显示问题等诸多方面.
目前的钢丝绳的生产正在由以往的普通点接触向线,甚至面接触、异形股方向发展.这些新开发的结构钢丝绳有有高强度、抗疲劳磨损等优点,使用的寿命明显比传统的钢丝高1~3倍.所以对于生产这种优质的钢丝绳,传统的方法即人工手算这种计算量大,精度低,耗时间长是远不能满足设计的要求.CAD的开发和运用就很好的解决了这一问题.
一、系统设计的一般思路
钢丝绳的结构设计的理论设计和电脑编程方面工作量很大,CAD设计系统需要建立通用的计算型模型以及设计中的直观化和计算机化.所以系统的设计思路尤为重要,下面是设计的一般思路.
(1)系统的设计自顶向下.首先需要全面和系统的了解整个设计的系统,然后再针对其可行性进行详细的论证,最后从最上层逐步向下分解,直到系统的板块都足够小,以便于掌握,同事还需要保证它的独立性.这种整体的设计方法容易发现错误便于更改,也易于扩展,这样系统通过容易通过测试.
(2)系统的设计逐步细化.在有了整个设计板块后,再对系统中分解出来的模块进行再分解细化.在细化的过程中需注意一步一步逐步进行,这样才能使相邻的两步之间的变化较小,以便设计后的检验.逐步分解细化是设计问题中的通用技术被,也是上一步设计过程的具体实现.
(3)建立联系,并完善系统.上一步分解细化好的模块需要建立一定的联系,采用数据的传输的调用关系的方法来实现,才能构成一个完整的有机的设计系统,系统应具备的功能才能得以实现,并满足设计的要求.
(4)开发语言的选择.根据系统的实现和设计者个人对开发语言的偏好可以选择不同的开发语言,笔者选择C语言,C语言发展迅速,它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的使用性结合起起来,具有高级语言优点和低级语言的某些特点,易于编写系统软件.用C语言编制软件能解决设计软件与其它软件的接口编程的问题,保证系统的稳定.
二、系统的实现
系统设计实现的最主要的问题是合法的算法,通过择选适当的算法,运用数学模型来建立算法的流程控制,然后编写代码,再编译形成执行文件,从而完成设计过程的计算机处理.其中处理的数学问题主要有以下几点：
1.确定计算方法
该设计的有着自己的计算特点,出发点是钢丝绳股的未捻制状态,首先假设未捻制状态的参数组为A0[等]做为初始值,然后求出一组参数组A1[等],再根据A1[等]确定另一组参数组A2[等]等,以此类推逐步逼近结构设计的最终解为Af[等].这种求解方法这的原理与迭代法的计算原理类似,然而在计算机的算法中迭代法是一种效率高的算法.因此在该设计中采用这种跟迭代法类似的算法是比较合适的.在这样的迭代算法过程里,计算原理是由已知量推出未知量,这样一步步地计算下去,基本思路符合递推的计算原则.所以这种迭代过程实际是用递推的方式来实现计算的,并求得所需的所有参数.经过多次实验分析研究,最终将计算定为：以迭代中采用递推的方式来计算参数的方法,迭代循环的出口以误差精度来确定,以上为钢丝绳结构的基本计算.
(1)参数的输入.参数输入指的是在计算设计过程中涉及到的一些数据以及处理过程中,要识别这些数据,就需要外部给计算机提供,并确定怎样提供.系统需要的参数主要是采用商家对钢丝绳的要求和性能参数结合的一组变量,主要有钢丝绳的股数、内径、捻距、股捻距倍数、外层钢丝数5个参数.在具备这几个参数后,建立数学模型,根据所选择的算法来计算生产产品的参数.
(2)参数的输出.参数输出指的是在设计过程中处理某些问题,须让终端用户得到想要的信息,确定如何把这些用户所需信息从计算机里面传递给用户.输出的这些信息主要包括生产钢丝绳的外层股及芯股直径、股捻距、每股钢丝直径、钢丝直径的比例关系.最终在显示器上显示股中钢丝直径的比例关系,同时显示以设计结果为根据的股界面的具体情况,以便设计者比较.
三、系统功能的介绍
运用C语言程序编制系统软件,运行环境是在windows下的,计算的绝对误差必须控制在0.001mm范围之内,结构计算参数的相对误差是0.001/设计尺寸.下面介绍系统的一些主要的功能：
(1)系统的操作简单易懂.该操作系统是是对象多窗口系统,软件系统窗口显示为全汉文的,有最好的人机界面,操作方法简易,用户操作起来得心应手.
(2)钢丝绳设计模版较为齐全.主要包括瓦林吞式、西鲁式、填充式等钢绳模版.开放式的系统决定了系统便于升级和改换其他模版.
(3)计算简单易于操作.用户只需要输入参数5个参数(股数、内径、捻距、股捻距倍数、外层钢丝数),计算自动生成股直径、股丝捻角及股内钢丝直径.
(4)计算钢丝各种相应的长度.在键入钢丝长度后,由计算机自动向用户输入结果,这样可以为用户快速安排生产提供所需的数据.
(5)股绳截面示意图显示.该软件运用了C语言具有编绘图像的功能,所以不需要其他的制图软件,参数更容易修改.在该图形下,用户更能直观的检查钢丝截面的尺寸情况,可以减少实验次数,节约时间.
(6)产品可行性判断.用户进行产品可行性判断的时候,只要将自己计算的结构输入计算机中,通过显示的股绳示意图进行检查,还可以用某一规格的钢丝而改变计算结果的股绳断面,为用户进行可行性判断.
(7)参数的屏幕显示及打印功能.
四、结 论
在经过多次的实验与矫正,本系统的设计技术逐步走向成熟,已可以完全用来进行钢丝绳产品的辅助设计.设计的结果具有精度高、操作简单、人机界面友好、计算速度快、节约设计时间等优点,对设计提供了强大的技术平台.由于设计周期的缩短,使得设计人员的工作强度减少了,也间接的节约了劳动力.
又根据生产的各种需求提供了功能的扩展接口,在生产应用管理这一方面的功能尤其显著,优化系统结构,逐渐使钢丝绳结构辅助设计向专家系统方向发展.