綜合設計法與工程應用.ppt

,綜合設計法與工程應用,東北大學機械工程與自動化學院劉楊,綜合設計法與工程應用,1引言2可視優(yōu)化設計的內(nèi)涵3可視優(yōu)化設計的理論框架4可視優(yōu)化設計的技術流程5可視優(yōu)化設計的關鍵技術6主要研發(fā)軟件7實例分析8結語,1引言,可視優(yōu)化設計法是一種數(shù)字化設計方法，強調(diào)在整個設計過程中全面應用計算機技術，對機器及系統(tǒng)進行模型構建、功能模擬和過程仿真等。為了有效實施可視優(yōu)化設計技術，裝備制造企業(yè)通常需要搭建設計平臺，將該法應用于實際設計工作中。,可視優(yōu)化設計法可以對機械產(chǎn)品的結構性能、工作性能和工藝性能進行模擬，從而在產(chǎn)品被制造加工之前，盡早發(fā)現(xiàn)由于設計不當所導致的各種缺陷，甚至包括一些嚴重的錯誤，進而對發(fā)現(xiàn)的問題進行及時修改。此外，進行可視優(yōu)化設計在某種程度上可以代替實物試驗，并可以通過相應的優(yōu)化方法，尋求最佳的結構參數(shù)、工作參數(shù)和控制參數(shù)及機器的設計方案等。,2.可視優(yōu)化設計的內(nèi)涵,定義：,可視優(yōu)化設計是綜合設計法的重要組成部分，它是以“可視”為手段，以預測產(chǎn)品各方面性能，進而獲得“最優(yōu)”產(chǎn)品質(zhì)量為設計目標的一種方法。,內(nèi)容：,在可視化的操作環(huán)境中，通過采用建模仿真、動態(tài)優(yōu)化分析等技術，對整個產(chǎn)品的各種性能進行仿真，達到優(yōu)化產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品設計質(zhì)量的目的。可視優(yōu)化設計法具有可視性、預測性和優(yōu)化性等特點。,意義：,通過可視優(yōu)化設計，可以使產(chǎn)品獲得優(yōu)良的功能和性能，進而達到提高產(chǎn)品設計質(zhì)量、降低研發(fā)成本，加快設計進度和縮短生產(chǎn)周期的目的。,3.可視優(yōu)化設計的理論框架,4.可視優(yōu)化設計的技術流程,5.可視優(yōu)化設計的關鍵技術,5.可視優(yōu)化設計的關鍵技術,三維CAD建模理論三維CAD建模理論是可視化仿真的基礎，三維幾何形體的創(chuàng)建、零件裝配等均靠三維CAD技術來保證。三維模型與二維模型或框圖相比具有更直觀、更形象的特點，可以方便非專業(yè)人士參與到專業(yè)產(chǎn)品的設計中來。可以說正是由于三維CAD建模理論的成熟，才使對機械領域進行可視化仿真研究蓬勃發(fā)展起來?？上驳氖钱斍叭SCAD技術已經(jīng)相當成熟，可以創(chuàng)建具有復雜形狀機械零件的實體模型。另外由于CAD技術中引入了參數(shù)化和變量化技術，使產(chǎn)品幾何要素的優(yōu)化修改變?yōu)榭赡?。還有，現(xiàn)有的CAD建模軟件一般都可以與工程模擬類軟件進行數(shù)據(jù)交換。,5.可視優(yōu)化設計的關鍵技術,機械領域基礎理論機械領域的基礎理論是保證將可視化技術應用到機械產(chǎn)品設計的理論基礎。進行機械領域可視化仿真研究，要求設計者對機械制圖、原理、零件、力學等基礎知識熟練掌握。以對機械產(chǎn)品進行運動學和動力學可視化研究為例，可能要用到多剛體動力學、多柔體動力學、機械振動等相關基礎知識。只有具備以上基礎理論才能對所創(chuàng)建的模型進行初步驗證，而模型驗證正是可視化仿真研究的關鍵。,5.可視優(yōu)化設計的關鍵技術,優(yōu)化理論、有限元技術工程數(shù)學的發(fā)展也給機械產(chǎn)品進行可視化研究帶來很大的推動，而在眾多工程數(shù)學理論中優(yōu)化理論及有限元技術與可視化仿真聯(lián)系最為緊密。本書所提的可視化方法就定義為可視優(yōu)化方法，可見無論進行哪種可視化研究都要用到優(yōu)化理論，都伴隨著“優(yōu)化”的思想。有限元技術與可視化仿真更是緊密聯(lián)系，尤其以動力學可視化研究，在很多方面應用了有限元技術，例如在求解零件或整機的各種動態(tài)特性、動響應等，就可以應用有限元技術，利用有限元軟件求解，可以獲得零件或整機的應力、應變分布、位移以及固有頻率和振型等。,5.可視優(yōu)化設計的關鍵技術,工程仿真技術工程仿真技術是進行可視化仿真研究的重要核心技術，對所設計產(chǎn)品的各種性能的動態(tài)模擬以及創(chuàng)建相似的工作環(huán)境都要用到工程仿真技術。仿真技術是以相似原理、信息技術及其應用領域相關技術為基礎，以計算機和各種專用物理效應設備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實的或假想的系統(tǒng)進行動態(tài)模擬的一門多學科的綜合性技術。在機械領域進行可視化仿真研究涉及的工程仿真技術，包括對機器的運動狀況、動力學特性、工作過程、控制過程等進行模擬?，F(xiàn)在，已有大量的工程仿真分析軟件可實現(xiàn)上述功能。,6.主要研發(fā)軟件,7.實例分析,（1）問題描述,車輪懸架系統(tǒng)如圖所示，它由上支柱、下支柱、上橫臂、下橫臂、轉(zhuǎn)向拉桿、齒條等組成。仿真目標：求解當車輪上下跳動達80mm時，前束角變化情況，并繪制車輪上下跳動位移與前束角的關系。,1上支柱；2下支柱；3上橫臂；4下橫臂；5轉(zhuǎn)向拉桿；6齒條；7車輪,（2）解決步驟,（3）可視化仿真過程,整個仿真過程用ADAMS軟件來完成，零件的三維幾何模型利用CAD軟件創(chuàng)建，通過ADAMS/Exchange模塊導入到ADAMS/View交化仿真模塊進行樣機模型的具體構建。包括加入材料特性等物理參數(shù)、加上約束副、加上驅(qū)動等，約束及驅(qū)動具體情況見表，從而完成樣機模型的構建。為模擬車輪在行進中的跳動，在車輪中心添加驅(qū)動，設車輪按正弦規(guī)律跳動，使用的函數(shù)如下：Displacement(time)=80*sin(360d*time)建完模型后，對模型進行驗證，沒有錯誤后可進行仿真。仿真中測量車輪跳動情況和前束角隨時間變化情況，仿真過程中檢測的兩個數(shù)據(jù)與仿真同步變化。,（3）可視化仿真過程,（3）可視化仿真過程,車輪垂直跳動曲線,前束角變化曲線位移與前束角的關系,（4）仿真結果分析,仿真結束后，進入ADAMS/PostProcessor進行仿真結果分析，輸出各種結果曲線和仿真動畫，對懸架系統(tǒng)工作狀況及前束角隨位移變化情況做出評價。從仿真中可清楚地看到懸架系統(tǒng)的工作情況，可以看到車輪在行駛中前束角變化情況。本實例中主要輸出兩個檢測曲線，既由所獲得的數(shù)據(jù)繪制的位移與前束角變化的關系曲線。車輪的前束角隨位移的增加而增加，但正位移和負位移增加的速度不一樣，負位移增加緩慢。我們可以進一步模擬，當車輪跳動量幅值達到100mm時，前束角達到的極限值是多少，這正是工作過程可視化仿真的優(yōu)勢。,近年來國內(nèi)外對虛擬技術的研究在不斷加深，與機械產(chǎn)品開發(fā)相關的術語也正在不斷出現(xiàn)，其中有虛擬設計、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬樣機等。虛擬技術與可視化技術有不相同的概念，虛擬技術通常以虛擬現(xiàn)實作為支撐技術，它不僅強調(diào)可視，而且包括可聽、可聞、可觸等?？梢晝?yōu)化設計僅強調(diào)可視，可以說是有限范圍內(nèi)的虛擬技術。另外，虛擬技術與可視化技術相比，通常需要更多的軟件及硬件支持，例如，進行虛擬設計研究通常需要頭盔顯示