機械系統(tǒng)虛擬設計平臺

1、摘 要為解決地面發(fā)射裝置方案優(yōu)化迭代過程中，參數(shù)化仿真分析能力有限，以及行業(yè)內無地面發(fā)射裝置動力學參數(shù)化仿真專用軟件的問題，本文系統(tǒng)地研究了設計多體動力學參數(shù)化軟件的理論與技術，并開發(fā)了地面發(fā)射裝置動力學參數(shù)化仿真與分析軟件，集建模、求解、可視化功能于一體，實現(xiàn)了CAD/CAE一體化和仿真數(shù)據(jù)源同一化，解決了CAD和CAE雙向參數(shù)驅動，實現(xiàn)了參數(shù)共享，為地面發(fā)射裝置方案論證、詳細技術設計、方案優(yōu)化、試驗規(guī)劃、故障診斷等各個階段提供全方位、高精度的計算分析結果支持。主要研究成果如下：（1）應用面向對象技術、組件技術、虛擬樣機技術、CAD技術、接口技術，集成Open CASCADE、Python、

2、QT、Qwt等開源組件，由輸入或由前處理自動生成ADAMS求解器所需的CMD文件，從而便于動力學參數(shù)定義、讀取、修改，建立了面向服務的動力學參數(shù)化仿真軟件體系結構框架，因組成模塊的組件具有統(tǒng)一接口定義并且使得模塊間松耦合，從而軟件靈活性高。（2）設計UG文件直接調用、編輯、轉換，ADMAS求解器的自動進行多體系統(tǒng)動力學計算、柔性中性文件的自動生成，動力學計算所需參數(shù)和計算結果自動生成、數(shù)據(jù)分析后處理、動力學仿真流程可視化等功能。為地面發(fā)射裝置的動力學快速計算、設計、分析、優(yōu)化提供了有效的數(shù)字化平臺。（3）應用多體動力學可視化軟件建立地面發(fā)射裝置動力學仿真設計平臺，實現(xiàn)地面發(fā)射裝置動力學仿真的參

3、數(shù)化、流程化、可視化。包括：地面發(fā)射裝置動力學仿真流程的固化；地面發(fā)射裝置動力學參數(shù)化建模的可視化；地面發(fā)射裝置動力學仿真結果的動畫、曲線、圖表可視化顯示。 關鍵詞： 參數(shù)化，動力學，可視化IIAbstractIn order to solve the problems of optimizing scheme of launch vehicle, settled parametric simulation, and there is no special software for launch dynamics vehicle, this thesis is systematically s

4、tudied on designing many theorieses and techniques of multi-body dynamics parameterized simulation software, and developing ground launch vehicle dynamics parameter simulation analytical software which gathered modeling, solving, and visual simulation at the integral equip. Carried out CAD/CAE the i

5、ntegral whole and simulation data in the same source, solved CAD and CAE double to drive to the parameter, carried out a parameter share, provided the calculations analysis of all-directions and high accuracy and support for scheme argument, technique design, scheme optimizing and break down diagnos

6、is etc, in each stage. The innovative points of this thesis are as follows:(1) Object-oriented technology, component technology, virtual prototyping, CAD technology, integrated Open CASCADE, QT, Coin3D, Qwt and other open source components are used to build an service-oriented architecture of visual

7、 dynamics software for multi-body system. The module components interfaces of the software which is highly flexible are defined unified and loosely coupled.(2) The software can achieve rapid calculation of multi-body system dynamics, calling CAD files directly, automatically generating calculation p

8、arameters and results, data analysis and processing, visualization of dynamic process and so on. The software provides an effective digital platform for the dynamic fast calculation, design, analysis and optimization of all types of complex mechanical systems.(3) The multi-body dynamics are applied

9、to realize the visual dynamics simulation and design for a type of launch vehicle. A 3D solid model and the multi-body system dynamics model of launch vehicle are built. Simulation process of launch dynamics is summarized, the animations, curves and chart of the system vibration characteristic, and

10、dynamics response is showed in the thesis.Key word: Parameterized, Multibody system dynamics, Visual simulation目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1課題背景及意義11.2國內外研究進展21.3論文主要研究內容31.4論文創(chuàng)新點4第二章 CAD/CAE模型參數(shù)化建模技術研究52.1概述52.2關聯(lián)參數(shù)模型的建立52.2.1主驅動參數(shù)的選取及參數(shù)關系建立52.2.2知識融合和工程規(guī)則62.3參數(shù)化建模方法72.3.1三維建模軟件UG參數(shù)化二次開發(fā)92.3.2有限元分析軟件

11、ANSYS參數(shù)化二次開發(fā)102.3.3動力學分析軟件ADAMS參數(shù)化二次開發(fā)152.4本章小結19第三章 參數(shù)化動力學仿真軟件技術設計203.1概述203.2參數(shù)化動力學仿真軟件組成和流程203.3面向服務的參數(shù)化動力學仿真軟件架構和總體設計223.3.1面向對象技術與組件技術223.3.2面向對象的參數(shù)化動力學軟件架構233.3.3基于組件的參數(shù)化動力學軟件總體設計253.4參數(shù)化動力學軟件前處理功能模塊設計273.4.1軟件界面設計273.4.2幾何建模庫設計293.4.3建模數(shù)據(jù)交換設計303.5參數(shù)化動力學仿真軟件后處理功能模塊設計353.5.1仿真結果數(shù)據(jù)存儲353.5.2仿真結果動

12、畫及曲線的輸出363.6本章小結37第四章 地面發(fā)射裝置參數(shù)化動力學仿真軟件應用394.1概述394.2地面發(fā)射裝置參數(shù)化動力學仿真軟件394.1.1主界面設計說明414.1.2三維幾何實體參數(shù)化建模424.1.3動力學建模和仿真參數(shù)化464.1.4柔性體建模474.1.5仿真結果474.3本章小結48第五章 結 論495.1本文主要研究成果495.2下一步研究工作展望49參考文獻50發(fā)表論文和參加科研情況說明54致謝55IV第一章 緒論第一章 緒論1.1 課題背景及意義隨著國民經(jīng)濟和國防技術的發(fā)展，地面發(fā)射系統(tǒng)結構越來越復雜、規(guī)模越來越大，產(chǎn)品設計往往需要進行多次重復、復雜且費時的動力學建模

13、工作，進行運動學、動力學和控制性能的數(shù)值計算和大量數(shù)據(jù)分析0。復雜機械多體系統(tǒng)通用的程式化動力學建模、計算、設計軟件方法，成為世界各國現(xiàn)代兵器、船舶、航空、航天、交通、機械工業(yè)發(fā)展和攻關解決的重大理論與技術問題0。目前眾多的商業(yè)動力學軟件可以對車輛、民用航天發(fā)射、船舶等復雜系統(tǒng)進行動力學仿真，為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展提供了重要技術支撐。多體動力學仿真提出快速建模、高效仿真、高置信度、高仿真精度的要求，普通的商業(yè)多體動力學仿真軟件已經(jīng)無法滿足多體動力學的需求。機械系統(tǒng)不同的研制階段使用不同的方法解決不同的問題。對于新研制產(chǎn)品，針對各種工況下的機械系統(tǒng)建立多體動力學模型并用此模型進行計算機仿真，尋找系統(tǒng)動態(tài)

14、性能最優(yōu)的結構；對于正在使用或試驗中的產(chǎn)品，應用理論與試驗相結合的方法進行動力學分析，控制使用及試驗中不恰當?shù)恼駝犹岣弋a(chǎn)品系統(tǒng)性能。在產(chǎn)品設計過程中，經(jīng)常采用“先設計，再分析，若不滿足要求，再設計，再分析”的迭代研制模式3-5，在迭代過程中，研究對象參數(shù)化仿真分析能力有限，在開展新一輪迭代時，或者針對不同工況進行動力學仿真分析時，往往需要人工重新建立新的計算模型進行分析，重復工作量大，大大影響了研究進度0。在建模仿真分析過程中涉及結構件物理參數(shù)改變、構件間約束關系改變、載荷改變、邊界條件等單個或多個改變，大部分不需要改變的約束關系、邊界條件、網(wǎng)格劃分也會跟著現(xiàn)丟失，需要重新建模或者重新加載，重

15、復工作量大。目前三維造型CAD軟件與有限元分析軟件、動力學仿真軟件等CAE軟件接口之間存在不足，由CAD所建立的機械系統(tǒng)的模型導入動力學仿真軟件ADAMS、ANSYS后無法進行尺寸修改，若設計結構參數(shù)、發(fā)射載荷、發(fā)射工況、邊界條件發(fā)生變化則需要重新建立模型0。雖然現(xiàn)有某些工程軟件都在一定程度上具備參數(shù)化設計或參數(shù)化仿真分析的能力，但是幾何特征的參數(shù)化模型只是把結構設計變量與產(chǎn)品幾何外形建立聯(lián)系，并不能把產(chǎn)品結構設計與其動力學性能分析聯(lián)系起來，造成了發(fā)射裝置優(yōu)化設計工作量大。所以為了解決重復建模、重復仿真、降低優(yōu)化設計工作量的問題，需要具備發(fā)射裝置參數(shù)化高效仿真設計手段。通過本論文的研究，開發(fā)具

16、有自主知識產(chǎn)權的能夠快速進行發(fā)射動力學仿真的專用軟件，為地面發(fā)射裝置研制提供一種高精度仿真和方案快速優(yōu)化設計的研究手段，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高復雜機械系統(tǒng)動力學仿真精度和可信度，滿足我國地面發(fā)射裝置長遠發(fā)展和現(xiàn)實需求，具有十分重要的意義。1.2 國內外研究進展動力學仿真也多使用商業(yè)多體動力學軟件，國內外學者在建立穩(wěn)定、高效參數(shù)化動力學仿真方面進行了大量研究。例如：采用拉格朗日動力學模型，建立支持閉環(huán)多剛體系統(tǒng)的虛擬樣機仿真分析平臺，并通過力/力矩隱喻工具簡化虛擬環(huán)境的交互建模，實現(xiàn)虛擬樣機的直觀激勵與驅動0；采用凱恩/休斯敦方法，基于面向對象的分析與設計技術，實現(xiàn)多剛體機械系統(tǒng)虛擬樣機原型平

17、臺0。國內軟件由于起步晚，缺乏完善的多體系統(tǒng)仿真分析前、后處理平臺，多數(shù)停留在實驗室建模分析階段。國外已涌現(xiàn)一批多體動力學仿真分析軟件0。例如：MSC.ADAMS采用表達式、幾何點和設計變量參數(shù)化，改變設計變量改變關聯(lián)模型元素屬性，輔助模型進行實驗設計和靈敏分析0；Motion View將參數(shù)化功能與建模語言結合，實現(xiàn)向導式模型選擇和面板式參數(shù)設置，構建用戶自定義模型庫0；RecurDyn采用參數(shù)值、參數(shù)點和設計變量，基于表達式約束實現(xiàn)建模參數(shù)化0；ABAQUS具備基于特征的參數(shù)化建模前處理模塊0。選用合適的前處理仿真平臺(或仿真軟件)是進行參數(shù)化仿真的前提，國內外學者應用參數(shù)化的思想來進行仿

18、真研究。例如：應用ProEngineer、SolidWorks、UG等進行機械結構的參數(shù)化建模、利用ADAMS等軟件對該機械的關鍵部件進行運動仿真研究。前述這些商業(yè)多體動力學軟件功能比較強大，不僅提供了多體系統(tǒng)動力學通用求解模塊和多種行業(yè)專用模塊，而且商業(yè)多體系統(tǒng)動力學軟件提供了大量的工程實例和技術支持，為用戶使用軟件提供了方便。目前，在地面發(fā)射裝置動力學仿真領域，所用商業(yè)多體系統(tǒng)動力學軟件都有如下缺點：一是國外商業(yè)軟件中沒有針對地面發(fā)射裝置動力學仿真專用模塊；二是在方案優(yōu)化迭代過程中，商業(yè)軟件參數(shù)化仿真分析能力有限，在開展新一輪迭代時，往往需要人工重新建立新的計算模型進行分析，人工工作量大，

19、嚴重影響仿真分析進度。產(chǎn)品設計時往往發(fā)生盲目性，盲目性的原因是由于目前產(chǎn)品設計中嚴重缺乏可供指導設計實踐的相應產(chǎn)品的動力學分析和設計的理論和技術，缺乏決定產(chǎn)品性能的動態(tài)特性的測試手段與數(shù)據(jù)庫。國外由于進行了多年系統(tǒng)深入的基礎研究，基本掌握了地面發(fā)射裝置發(fā)射動力學機理，形成了先進的發(fā)射動力學理論0。在分析計算、結構設計和試驗測試方面積累了大量、系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)庫，為研制新型地面發(fā)射裝置奠定了堅實的基礎技術支撐。國外地面發(fā)射裝置發(fā)射動力學的研究較國內先進之處：一是具有正確的理論指導，二是系統(tǒng)的建立了經(jīng)試驗數(shù)據(jù)驗證的基礎數(shù)據(jù)庫，由于掌握了地面發(fā)射裝置發(fā)射規(guī)律和機理，用計算機仿真時真正起到了理論指導設計

20、的作用。當前地面發(fā)射裝置動力學仿真的發(fā)展趨勢為開發(fā)具有專用性的地面發(fā)射裝置動力學仿真軟件。1.3 論文主要研究內容本文的研究工作作為某科研項目研究的重要組成部分，針對目前國內缺乏地面發(fā)射裝置發(fā)射動力學專用高效仿真軟件的情況，為了滿足方案迭代優(yōu)化的參數(shù)化需求，通過應用多體動力學計算方法、面向對象技術、組件技術、虛擬樣機技術、CAD技術，集成QT、Qwt、Open CASCADE、Python等開源組件，建立了面向發(fā)射動力學仿真服務的專用軟件，本文的主要研究工作如下：第一章，緒論簡要說明了本文的研究目的和主要內容，概述了多體系統(tǒng)動力學國內外研究現(xiàn)狀，介紹了可視化多體系統(tǒng)動力學軟件的研究現(xiàn)狀，分別分

21、析了幾種應用較多的商業(yè)及開源多體系統(tǒng)可視化動力學軟件的功能、優(yōu)缺點及實現(xiàn)過程，為開發(fā)地面發(fā)射裝置可視化動力學參數(shù)化軟件提供了解決思路。第二章，CAD/CAE模型參數(shù)化建模針對地面發(fā)射裝置這樣的復雜系統(tǒng)方案優(yōu)化和多工況帶來的重復建模問題，以設計參數(shù)來驅動動力模型的創(chuàng)建與更新，實現(xiàn)設計參數(shù)、幾何模型和網(wǎng)格模型、約束關系、載荷、邊界條件之間的高效率參數(shù)聯(lián)動，通過編程實現(xiàn)剛柔耦合動力學模型的自動建立和參數(shù)的自動修改，打通各CAD和CAE模型之間數(shù)據(jù)傳遞接口問題，實現(xiàn)動力學模型與幾何模型同步更新、剛體動力學模型參數(shù)自動更新、柔體模型參數(shù)的自動更新和剛柔耦合動力學模型自動建模以及參數(shù)的更新。第三章，多體動

22、力學參數(shù)化仿真軟件設計應用Open CASCADE三維幾何圖形生成功能，設計了多體動力學可視化軟件。該軟件實現(xiàn)了直接調用各種CAD文件、自動生成多體系統(tǒng)動力學計算所需參數(shù)、可視化靈活建模、快速計算、數(shù)據(jù)處理、動畫仿真等功能。動力學仿真算例表明：軟件界面友好、計算速度快、可視化程度高、運用范圍廣，為各類復雜機械系統(tǒng)動力學快速可視化仿真、設計、分析提供了重要平臺。第四章，某地面發(fā)射裝置發(fā)射動力學參數(shù)化仿真軟件應用建立了某地面發(fā)射裝置動力學設計平臺，針對所涉及的動力學設計問題，按照虛擬樣機的思想，實現(xiàn)了參數(shù)化動力學仿真和設計，即通過改變裝置的設計參數(shù)，軟件自動進行動力學計算。第五章，結論對論文的主要

23、工作進行了概括性總結，提出了本文的創(chuàng)新點和主要貢獻，并對后續(xù)的研究工作進行了展望。1.4 論文創(chuàng)新點本文創(chuàng)新點：（1）參數(shù)化建模不僅把設計變量與幾何外形建立聯(lián)系，而且建立設計變量與動力學模型的驅動關系，從而使設計變量與動力學性能分析聯(lián)系起來。（2）集建模、求解、可視化功能于一體，實現(xiàn)CAD/CAE一體化和仿真數(shù)據(jù)源同一化，解決了CAD和CAE雙向參數(shù)驅動，實現(xiàn)參數(shù)共享。（3）建立了地面發(fā)射裝置參數(shù)化動力學仿真與分析軟件，為地面發(fā)射裝置方案論證、詳細技術設計、方案優(yōu)化、試驗規(guī)劃、故障診斷等各個階段提供全方位、高精度的仿真計算分析結果支持。55第二章 發(fā)射裝置CAD/CAE模型參數(shù)化建模第二章 C

24、AD/CAE模型參數(shù)化建模技術研究2.1 概述針對地面發(fā)射裝置這樣的復雜系統(tǒng)方案優(yōu)化和多工況帶來的重復建模問題，以設計參數(shù)來驅動動力學模型的創(chuàng)建與更新，實現(xiàn)設計參數(shù)、幾何模型和網(wǎng)格模型、約束關系、載荷、邊界條件之間的高效率參數(shù)聯(lián)動，分析對象的動力學模型隨著幾何模型參數(shù)的變化而協(xié)同變化，建立發(fā)射系統(tǒng)關鍵參數(shù)與動力學模型及仿真的映射關系，實現(xiàn)基于關鍵參數(shù)的動力學模型自動重構與仿真分析。通過編程實現(xiàn)剛柔耦合動力學模型的自動建立和參數(shù)的自動修改，打通各CAD和CAE模型之間數(shù)據(jù)傳遞接口問題，實現(xiàn)動力學模型與幾何模型同步更新、剛體動力學模型參數(shù)自動更新、柔體模型參數(shù)的自動更新和剛柔耦合動力學模型自動建模

25、以及參數(shù)的更新，避免了結構尺寸、連接關系、發(fā)射環(huán)境、材料特性、拓撲關系、載荷等發(fā)生變化所帶來的重復建模，提高動力學仿真優(yōu)化效率。2.2 關聯(lián)參數(shù)模型的建立關聯(lián)參數(shù)模型的核心是參數(shù)化描述主驅動參數(shù)與功能參數(shù)間關系以及參數(shù)間的相互關系，關聯(lián)參數(shù)模型是基于幾何模型的關系表達。關聯(lián)參數(shù)模型包括幾何參數(shù)信息和邏輯信息，邏輯信息通過KF 和Expression兩種規(guī)則添加工程知識來實現(xiàn)，工程知識要轉化成計算機可識別的、可對動力學參數(shù)進行修改的形式，而產(chǎn)品的功能最終是通過模型來具體實現(xiàn)的，因此模型參數(shù)的變化是基本。本課題中主要通過工程經(jīng)驗和幾何關系建立參數(shù)關系式，通過這些表達式實現(xiàn)工程知識向動力學模型轉換。

26、2.2.1 主驅動參數(shù)的選取及參數(shù)關系建立地面發(fā)射裝置參數(shù)化設計，要求的不僅僅是簡單的三維參數(shù)模型，同時還要能反映出設計產(chǎn)品設計應具有的功能到結構的特點，表現(xiàn)為由功能而采取的設計方法、設計知識等。幾何模型的參數(shù)處理需考慮幾何模型所受的功能約束，地面發(fā)射裝置的主要功能是將導彈裝入發(fā)射箱中去，地面發(fā)射裝置設計均以導彈為基本依據(jù)，因此選取導彈的直徑、長度和發(fā)射箱直徑、長度等參數(shù)為功能參數(shù)，選取這些參數(shù)即滿足自上而下的設計順序，也可以與產(chǎn)品參數(shù)化模型的大多數(shù)參數(shù)取得直接或間接的聯(lián)系。根據(jù)產(chǎn)品設計過程自頂向下或自底向上設計模式，設計參數(shù)也應具有層的特點，首先對模型的參數(shù)進行分層，分為組件參數(shù)、零件參數(shù)、

27、特征參數(shù)等三層。將各個層的主驅動參數(shù)進行抽取。使得對抽取的參數(shù)進行修改能夠引起其它參數(shù)的隨動，經(jīng)過上述參數(shù)層次化模型的建立，產(chǎn)品各個層次參數(shù)信息都得以完整的表達，一個以主驅動參數(shù)為驅動的模型就建立了。參數(shù)關系建立必須要滿足一定的設計要求，該產(chǎn)品的設計模型才是正確有效的，這就要求在建立參數(shù)間關系式的時候，不能只是簡單的比例關系，要確保模型不同的設計輸入之間是合理的。地面發(fā)射裝置整個關系式建立采用工程法和幾何法。工程法主要是零部件的主驅動參數(shù)由產(chǎn)品的功能參數(shù)設計計算而來，計算依據(jù)于該產(chǎn)品設計領域的專業(yè)知識；幾何法主要是完成零部件結構詳細的參數(shù)關系式，該關系式的確立要滿足接口關系、裝配關系、運動不發(fā)

28、生干涉等條件。2.2.2 知識融合和工程規(guī)則知識工程（KE，Knowledge Engineering）的概念和技術產(chǎn)生于20世紀70年代中期，它是借用工程化的思想將知識作為處理對象，研究如何用人工智能的原理、方法、技術來設計、構造和維護知識系統(tǒng)的一門學科0。知識工程由知識的獲取、知識的表示和知識的推理三大要素構成。知識型系統(tǒng)的功能大致體現(xiàn)為識別感知、預測擬合、故障診斷、優(yōu)化設計和機器學習等方面。知識工程包括基礎理論研究、實用技術的開發(fā)、知識型系統(tǒng)工具等研究內容。目前，國內外專家和學者已在更多的專業(yè)領域中對知識型系統(tǒng)的開發(fā)作了許多有益的嘗試，如醫(yī)療方面的MYCIN系統(tǒng)0；數(shù)學方面的MACSYM

29、A系統(tǒng)0；力學方面的MECHO系統(tǒng)；遺傳學方面的SPEX系統(tǒng)0?；谥R的工程（KBE，Knowledge-Based Engineering），目前尚無統(tǒng)一的定義，但從產(chǎn)品開發(fā)角度可以理解為：KBE體現(xiàn)為知識工程在各個領域中的應用，它能夠自動地誘導產(chǎn)品設計人員進行產(chǎn)品的設計活動，如規(guī)劃、造型和評價等。它將人工智能（包括知識庫、知識規(guī)則、邏輯推理等）與CAX系統(tǒng)有機結合為一體，知識的獲取、積累、融合、提高、共享、交流、和應用是最基本的，也是最重要的，它是產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新設計的基礎0。UG環(huán)境下進行設計是一個能夠記錄、重復使用工程知識并用來驅動、建立、裝配相應幾何模型的系統(tǒng)，利用UG的KF（知識熔

30、接技術）和Expression對已存在的幾何對象用簡單或復雜的工程規(guī)則來驅動這些幾何參數(shù)，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品工程知識的構建，這種途徑被稱為幾何采用途徑。幾何采用這種技術可以由UG通用的、高效的交互圖形技術來創(chuàng)建幾何模型，另外，幾何采用技術允許工程知識的規(guī)則獲取被采用的幾何對象所擁有的參數(shù)。這兩種方式是聲明性的，而不是過程性的，因此規(guī)則不存在前后順序，KF和Expression的執(zhí)行順序根據(jù)規(guī)則間的關系順序來判斷。通過KF和Expression控制選取的幾何參數(shù)對象，實現(xiàn)模型的自動驅動。2.3 參數(shù)化建模方法在進行動力學建模時，依據(jù)設備功能和分析需要，確定模型的關鍵變量，并將這些關鍵變量設置為可以改

31、變的設計變量。在分析時，只需要輸入或修改這些設計變量值，動力學模型將會自動更新，可以觀察不同參數(shù)值下系統(tǒng)動態(tài)性能的變化。動力學模型參數(shù)化技術主要包括：一是將機構的基本尺寸以及構件間的相互位置約束關系的參數(shù)化，使計算模型由幾個關鍵參數(shù)值來確定，從而解決繁瑣建模問題；二是將關鍵設計變量與計算模型之間的驅動關系參數(shù)化，使關鍵變量與動力學性能優(yōu)化建立聯(lián)系，在仿真過程中動態(tài)地改變設計變量的參數(shù)值，從而可以在滿足相關約束的條件下，確定最優(yōu)的參數(shù)值。地面發(fā)射裝置CAE/CAD模型參數(shù)化技術途徑如圖2-1所示。圖2-1 參數(shù)化技術途徑基于QT開發(fā)平臺，結合UG/OPEN二次開發(fā)語言、ADAMS/CMD腳本語言

32、、ANSYS/APDL二次開發(fā)語言，打通各軟件間參數(shù)自動傳遞接口，開發(fā)參數(shù)化動力學軟件的參數(shù)輸入、控制人機交互界面，實現(xiàn)機械系統(tǒng)剛柔耦合動力學參數(shù)化建模，整個參數(shù)化建模流程如圖2-2所示。圖2-2 剛柔耦合參數(shù)化建模流程圖依據(jù)實物在UG中建立三維幾何模型，并將設計人員在設計過程中采用的設計思想、經(jīng)驗、企業(yè)標準等總結后，以關系式的形式顯性表示出來，再通過UGKF（知識熔接）、UG/Expression（表達式）和C+語言的綜合應用將工程知識融入到幾何模型中，利用UG/Open MenuScript、UG/Open API、UG/Open UIStyler以及QT編程語言的聯(lián)合開發(fā)，形成設計對象的

33、幾何模型參數(shù)化軟件模塊22。通過軟件操作界面輸入和控制主驅動參數(shù)，實現(xiàn)幾何模型參數(shù)化重構，并以X_T格式自動導出整個裝配體模型以及需要柔性化的單個部件模型文件。通過X_T幾何模型中間格式文件將整個裝配模型自動導入到ADAMS中，建立多剛體動力學仿真模型。ADAMS具有很強的二次開發(fā)功能23，包括ADAMS/View界面的用戶化設計，利用ADAMS/CMD腳本語言結合QT語言開發(fā)多剛體模型參數(shù)化軟件模塊，實現(xiàn)多剛體動力學模型物理參數(shù)、約束關系、載荷自動添加以及仿真控制，關鍵設計變量與計算模型之間的驅動關系實現(xiàn)參數(shù)化，使關鍵變量與動力學性能優(yōu)化建立了聯(lián)系，關鍵設計變量通過編制用戶子程序也可以滿足用

34、戶的某些特定需求，甚至可以拓展ADAMS的功能。需要柔性化的單個部件經(jīng)過中間格式文件自動導入到ANSYS中，建立柔性體有限元模型?；贏NSYS/APDL參數(shù)化設計語言結合QT編程語言，開發(fā)柔性體參數(shù)化軟件模塊，通過軟件操作界面參數(shù)輸入與控制實現(xiàn)網(wǎng)格自動劃分、載荷、邊界條件自動添加、連接點自動創(chuàng)建和模型自動求解，并最終生成ADAMS多體動力學軟件能夠識別的柔性體模態(tài)中性文件。將ANSYS中參數(shù)化生成的柔性體MNF文件自動導入多剛體動力學仿真模型中，替換原剛性體部件，并自動繼承原剛體部件的載荷條件以及約束關系，生成剛柔耦合動力學模型。通過ADAMS/CMD腳本語言結合QT語言，開發(fā)剛柔耦合參數(shù)化

35、軟件模塊，通過軟件操作界面輸入、控制參數(shù)實現(xiàn)剛柔耦合動力學模型的物理參數(shù)、約束關系、載荷的自動重構以及自動化仿真控制。將幾何模型參數(shù)化軟件模塊、多剛體模型參數(shù)化軟件模塊、柔性體參數(shù)化軟件模塊以及剛柔耦合參數(shù)化軟件模塊基于QT開發(fā)的參數(shù)化軟件平臺和共同的數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫傳遞，最終實現(xiàn)仿真流程自動化。2.3.1 三維建模軟件UG參數(shù)化二次開發(fā)UG作為機械領域的三維CAD/CAM/CAE軟件，因其強大的工程實用能力、良好的售后服務以及技術支持，在國內，越來越多的用戶正在使用UG作為設計工具。在為企業(yè)提供服務的過程中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)希望通過對UG的進一步開發(fā)滿足本企業(yè)的專門設計要求，進而提高設計人員的設

36、計效率，降低設計人員使用UG過程中繁瑣的重復操作。UG的二次開發(fā)程序有二種執(zhí)行方式：一是在UG內部運行程序，二是在UG外部運行程序24。內部程序和外部程序二次開發(fā)方法基本相同，只是入口程序和某些API函數(shù)有區(qū)別，一般用戶所開發(fā)的程序都希望能在UG環(huán)境下運行。UG內部應用程序的開發(fā)步驟主要由四個部分組成：（1）設置環(huán)境變量；（2）建立與激活對話框；（3）設置和讀取對話框對象數(shù)據(jù)；（3）編寫執(zhí)行代碼。應用知識工程原理和計算機輔助設計理論相結合來完成，依據(jù)實物建立幾何三維模型，并將設計人員在設計過程中采用的設計思想、經(jīng)驗、企業(yè)標準等總結后，以關系式的形式顯性表示出來，再通過UGKF（知識熔接）、UG

37、/Expression（表達式）和C+語言的綜合應用將工程知識融入到幾何模型中，具體的實施步驟如下：（1） 總結出合理的工程參數(shù)，以及與其相關聯(lián)的組件、部件、零件在功能上層的劃分；（2） 給出以知識為驅動設計UG環(huán)境下，選用的使用UGKF（知識熔接）和 UG/Expression（表達式）兩種方法，實現(xiàn)了將工程知識融入到模型中；（3） 給出工程知識庫，抽取出零部件當中的主驅動參數(shù)和主驅動參數(shù)與功能參數(shù)轉換關系式，給出主驅動參數(shù)與相關參數(shù)轉換關系式，實現(xiàn)幾何模型的聯(lián)動；（4） 給出使用UGKF（知識熔接）和UG/Expression（表達式）兩種工程規(guī)則，將工程知識寫入模型中，將地面發(fā)射裝置企業(yè)

38、標準、設計人員經(jīng)驗、同類設計以及專家經(jīng)驗轉化為計算機可辨的形式；（5） 采用UG/Open API、UG/Open UIStyler、UG/Open Menu Script和C+三種語言聯(lián)合編程的方法，完成裝置參數(shù)化設計；（6） 實現(xiàn)選取發(fā)射方式后，輸入長度和直徑，地面發(fā)射裝置模型自動重構。本論文選取C+和UG NX 7.5軟件，實現(xiàn)UG的二次開發(fā)。利用C+設計算法程序，得到設計參數(shù)。結合UG和QT進行二次開發(fā)，實現(xiàn)參數(shù)化建模。利用UG/Open API的Internal開發(fā)模式，結合了UG/OPEN UIStyler、UG/OPEN MenuScript、UG/AppWizard和QT的MF

39、C AppWizard（dll）工程25-27。參數(shù)化設計流程如圖2-3。圖2-3 UG參數(shù)化設計流程2.3.2 有限元分析軟件ANSYS參數(shù)化二次開發(fā)有限元分析的標準過程包括：定義模型及載荷、求解和解釋結果，如果求解結果表明有必要修改設計，那么就必須重新修改模型的幾何結構和添加載荷重復上述步驟28。特別當模型較復雜或修改較多時，這個過程浪費時間。建立剛柔耦合動力學參數(shù)化模型進行優(yōu)化分析，實現(xiàn)參數(shù)的自動修改，多剛體模型中的關鍵部件柔性體自動生成、載入替換和建立剛性連接關系，則需基于QT和APDL進行二次開發(fā)實現(xiàn)柔性體模態(tài)中性文件的自動生成，圖2-4為基于QT和APDL的ANSYS二次開發(fā)流程2

40、9-31。圖2-4 基于QT和APDL的ANSYS二次開發(fā)流程創(chuàng)建QT與ANSYS的接口，實現(xiàn)QT自動調用ANSYS并讀取APDL命令流，在后臺進行有限元計算與分析，并可直接輸出MNF文件，由此建立起一個集參數(shù)化建模、數(shù)值計算與結果輸出一體的柔性體參數(shù)化建模平臺，程序系統(tǒng)主要組成有前處理程序、用戶界面程序、接口調用程序。（1）前處理程序前處理程序主要生成和編輯APDL宏命令流文件，APDL宏命令流文件實際上由1000多條ANSYS命令組成，APDL設計語言部分與其他編程語言一樣，具有變量、數(shù)組表達式、函數(shù)、縮寫、流程控制、重復執(zhí)行命令、循環(huán)分支、宏以及用戶程序等。從ANSYS/APDL的命令功

41、能上區(qū)分，分別對應ANSYS軟件仿真分析過程中的幾何模型定義、單元網(wǎng)格劃分、材料定義、載荷邊界條件添加、求解控制和后處理結果處理等命令?；诔绦蛟O計語言將ANSYS命令組織起來，編寫出具有交互功能的參數(shù)化用戶程序，從而實現(xiàn)有限元分析的全過程參數(shù)化，即三維CAD模型參數(shù)化、網(wǎng)格劃分與控制參數(shù)化、材料定義參數(shù)化、載荷添加參數(shù)化、邊界條件定義參數(shù)化、分析控制和求解參數(shù)化以及后處理參數(shù)化。APDL宏命令流文件的生成可以通過以下方法：首先，將發(fā)射裝置中需要柔性處理的構件導入ANSYS，通過單元選擇、網(wǎng)格劃分、材料定義、載荷和邊界條件的施加等一系列工作建立該構件的通用有限元模型；其次，為了建立ADAMS中

42、柔性體與剛體之間的連接關系以及避免應力集中，如圖2-5所示，需在ANSYS中將柔性體與剛性構件的連接區(qū)域（節(jié)點或單元組成的面）建立剛性連接區(qū)域（Rigid Region）32，連接面上的節(jié)點（N個從節(jié)點）與建立的主節(jié)點（1個質量微小的質量單元）通過剛性單元連接，只有主節(jié)點與其他剛體或柔性體間進行信息交換，這樣既保證柔性體與剛體之間建立剛柔連接關系，又使得剛體傳遞過來的載荷能夠均勻分布在柔體連接區(qū)域的每個節(jié)點上。圖2-5 柔性體剛性連接區(qū)域定義最后，對構建的有限元模型進行分析控制和求解，并定義輸出設置。將整個建模、求解和輸出過程生成的log文件拷貝成另一文件，并對文件進行編輯和修改，即生成參數(shù)化

43、命令流文件，命令流文件也可以直接用APDL編寫。（2）用戶界面程序用戶界面程序主要完成系統(tǒng)和用戶的交互，用戶界面模塊包括計算參數(shù)輸入和編輯修改APDL命令流兩部分功能。采用QT程序編程生成程序對話框，建立用戶輸入界面，具備前處理參數(shù)的輸入功能，能夠實現(xiàn)用戶輸入的參數(shù)修改APDL文件中對應的單元尺寸、材料屬性等參數(shù)值，參數(shù)輸入界面如圖2-6所示。圖26 柔性體參數(shù)輸入界面（3）接口調用程序調用接口程序主要作用是接受用戶界面的參數(shù)輸入，并將輸入?yún)?shù)傳至后臺從而調用APDL語言編寫的命令流，以實現(xiàn)建模、網(wǎng)格劃分、求解等操作。在生成模態(tài)中性文件*.mnf時，利用C+對ANSYS進行封裝，將ANSYS視

44、為C+的子程序調用，在后臺運行。為解決C+與ANSYS兩者的接口問題，將生成的宏命令文件文件提交給ANSYS程序進行批處理操作，在C+中利用CreateProcess函數(shù)創(chuàng)建一個進程，執(zhí)行上述批處理文件。ANSYS提供了一種批處理方式的格式：“ANSYS.bat I InputName O OutName”。其中InputName為輸入文件，即上述生成的柔性體宏命令文件，OutName為輸出文件。程序如下：#include "Winbase.h"#include "afxwin.h"#include "stdio.h"#include

45、 "process.h"Void main（）STARTUPINFO si;PROCESS_INFORMATION pi;ZeroMemory(&si,sizeof(si); ZeroMemory(&pi,sizeof(pi);si.cb=sizeof(si);si.dwFlags=STARTF_USESHOWWINDOW;si.wShowWindow=SW_SHOW;si.lpReserved=NULL; CString s1, s2, s3, s4, s5;s1="/”C:/ProgramFiles/ANSYSInc/v121/ansys/bi

46、n/INTEL/ANSYS121.exe/""s2=" -b -p ane3fl "s3=" -i /"D:/ ANSYS/flex.txt/""s4=" -o /"D:/ ANSYS/out.txt/""s5=s1+s2+s3+s4; bool ret=CreateProcess(NULL, (LPTSTR)(LPCTSTR)(s5), NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, &si, &pi);按照上述方法，以某實驗架為例，

47、自動生成的實驗架柔性體模型如圖2-7Error! Reference source not found.所示，調用ANSYS進行模態(tài)分析，獲取實驗架前10階模態(tài)如表2-1所示，其中，前6階為剛性模態(tài)，頻率大小為零，表中將不再列出。實驗架模態(tài)中性文件包含以下格式文件：*.mnf、genCMS.rst、useCMS.mlv、genCMS.stat，*.mnf格式文件導入動力學軟件ADAMS中建立剛柔耦合模型。圖2-7 實驗架柔性體模型表2-1 實驗架前10階模態(tài)頻率模態(tài)階數(shù)78910111213141516頻率/Hz151.0163.1208.5308.5374.3395.5421.2501.05

48、30.7555.72.3.3 動力學分析軟件ADAMS參數(shù)化二次開發(fā)ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是應用最為廣泛的機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件。目前，己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的設計人員廣泛使用。ADAMS軟件基于CMD宏命令具有很強的二次開發(fā)功能，可實現(xiàn)23 33：（1）自動完成重復性操作；（2）自動建立模型；（3）快速創(chuàng)建模型所需變量。用戶也定制專用的人機交互界面和專用模塊，提高ADAMS的建模和仿真效率，但熟練ADAMS軟件和精通動力學理論是使用這些功能的條件，這對一般的設計人員來說是很困難的。機械系統(tǒng)動力學分析的標

49、準過程包括：建模、定義約束及載荷、求解和解釋結果34，如果求解結果表明有必要修改設計，那么就必須改變模型的幾何結構或約束關系或載荷重復上述步驟。ADAMS/View命令CMD文件以“.cmd”為文件名后綴，是由ADAMS/View命令編寫的模型文件，包含模型的完整拓撲結構信息（包含所有幾何信息）、模型仿真信息，可以進行編程，是ADAMS的二次開發(fā)語言35。ADAMS的各項操作都可通過編輯CMD宏文件來實現(xiàn)，根據(jù)此特點，可利用編程實現(xiàn)后臺封裝ADAMS的建模命令36。直接調用命令文件就可完成相應的建模與求解，無需設計人員通過ADAMS操作實現(xiàn)，即使不了解ADAMS軟件的用戶也實現(xiàn)準確的建模和獲得

50、滿意的仿真結果。QT是一種面向對象的程序設計語言，具有良好的圖形用戶界面，應用其開發(fā)程序可以大大提高軟件設計能力及開發(fā)速度?；赒T開發(fā)出人機交互界面，將ADAMS宏命令在后臺封裝，從而達到使用ADAMS進行地面發(fā)射裝置發(fā)射動力學建模仿真的簡單易用。根據(jù)地面發(fā)射裝置設計任務和系統(tǒng)所要求的功能進行系統(tǒng)的開發(fā)設計，利用QT編程語言的可視化界面優(yōu)勢，引導用戶進入主程序。進行仿真分析首先要建立仿真模型，ADAMS運行后首先讓用戶根據(jù)所要設計的地面發(fā)射裝置動力學特性，進行各種參數(shù)設置，包括各部件質量、質心和轉動慣量、部件間的約束關系以及載荷等。這些參數(shù)會以變量的形式寫入CMD文件，適當?shù)男薷暮吞砑用詈?/p>

51、，通過人機交互界面即可直接調用CMD文件即可完成建模、仿真分析以及結果輸出等操作。基于QT以及CMD語言ADAMS的二次開發(fā)流程如圖2-8所示。圖2-8 基于QT和CMD語言的ADAMS二次開發(fā)流程通過QT開發(fā)出專門的用戶界面引導用戶操作，把與地面發(fā)射裝置性能相關的主驅動參數(shù)定制成便捷的對話框。各種建模參數(shù)、仿真控制條件以及結果顯示全部以對話框的形式體現(xiàn)，用戶只需根據(jù)優(yōu)化設計需要，輸入或改變參數(shù)、選擇仿真模式等簡單操作即可完成任務。系統(tǒng)程序主要組成有用戶界面程序、CMD命令編輯程序、接口調用程序。（1）用戶界面程序圖2-9為利用QT的MFC開發(fā)的動力學參數(shù)化仿真對話框，在ADAMS后臺運行的情

52、況下（即不運行ADAMS界面），實現(xiàn)剛柔耦合動力學模型的自動生成、動力學參數(shù)和仿真參數(shù)的自動修改、自動仿真計算以及自動輸出仿真結果。圖2-9 動力學仿真參數(shù)輸入對話框（2）CMD命令編輯程序CMD文件實際上是一組命令集，它可以執(zhí)行一連串的ADAMS/View命令。創(chuàng)建CMD文件時，首先按順序列出想執(zhí)行的ADAMS/View命令的清單，然后就可以將這些命令寫成CMD文件的形式。通常可以通過二種方式創(chuàng)建CMD文件：記錄方式和使用宏編輯器來編輯創(chuàng)建CMD文件。模型比較復雜的情況下采用記錄方式生成CMD文件比較方便，具體實施過程如下：1）在UG中參數(shù)化構件模型和裝配體模型，輸出*.X_T文件導入ADA

53、MS；2）ADAMS環(huán)境下，根據(jù)實際情況賦予各構件質量、質心和轉動慣量，并在各構件之間添加約束副、載荷等參數(shù)；3）導入ANSYS生成的柔性體替換原多剛體模型中的對應剛體模型，并繼承原剛體模型的連接關系和載荷參數(shù)；4）在執(zhí)行上述步驟的過程中錄制CMD文件，以記錄約束副（constraint）、力（Forces）、柔性體替換剛體以及其它動力學參數(shù)的建立過程，最后導出整個動力學建模過程的完整CMD文件。通過CMD文件的傳遞來實現(xiàn)動力學模型參數(shù)化建模，實現(xiàn)這一過程的關鍵在于CMD的生成和修改。在C+中編輯動力學建模所需的CMD文件，使用UpdataData函數(shù)獲取輸入到Edit控件里的數(shù)值，提取控件中

54、所輸入的數(shù)值，傳遞給CMD文件中的可變參數(shù)，應用CFile類控制命令流的輸出。程序代碼如下：CStdioFile file,fileout;char *pszFileName1="D:UGGF_LD_V03Debugyj62.cmd"char *pszFileName2="D:UGGF_LD_V03Debugaview.cmd"file.Open(pszFileName1,CFile:modeRead);fileout.Open(pszFileName2,CFile:modeNoTruncate|CFile:modeCreate|CFile:modeWr

55、ite);CString strin, strout;char newbuf1256;char newbuf2256;while(file.ReadString(strin)if(strin.Find("end_time=5")!=-1) sprintf(newbuf1, "end_time=%s", m_time); strin.Replace("end_time=5",newbuf1); if(strin.Find("number_of_steps=500")!=-1)sprintf(newbuf2, &quo

56、t;number_of_steps=%s", m_step);strin.Replace("number_of_steps=500",newbuf2); strout=strin+'n' fileout.WriteString(strout);file.Close();fileout.Close();（3）接口調用程序為解決C+與ADAMS兩者的接口問題，將生成的MNF文件提交給ADAMS程序進行處理，在 C+中利用system函數(shù)創(chuàng)建一個進程，執(zhí)行上述文件。程序如下：CString str;str="C:MSC.SoftwareMD_A

57、dams2010commonmdi.bat aview ru-st i aview.cmd"if(0 = system(str)AfxMessageBox("執(zhí)行了aview.cmd");return;以典型地面發(fā)射裝置為例，通過定制的動力學模型對話框輸入修改后的參數(shù)，則程序會自動修改CMD文件，實現(xiàn)動力學模型與幾何模型同步更新、動力學模型中構件的物理參數(shù)更新、載荷和約束副的更新、柔性體模型的更新以及其他模型參數(shù)的更新。執(zhí)行動力學仿真，則程序自動調用ADAMS求解器對地面發(fā)射裝置動力學模型進行求解計算，輸出仿真結果。圖2-10為某地面發(fā)射裝置剛柔耦合發(fā)射動力學模型。圖2-10地面發(fā)射裝置剛柔耦合發(fā)射動力學模型2.4 本章小結針對地面發(fā)射裝置這樣的復雜系統(tǒng)方案優(yōu)化和多工況帶來的重復建模問題，以設計參數(shù)來驅動動力模型的創(chuàng)建與更新，實現(xiàn)設計參數(shù)、幾何模型和網(wǎng)格模型、約束關系、載荷、邊界條件之間的高效率參數(shù)聯(lián)動，通過編程實現(xiàn)剛柔耦合動力學模型的自動建立和參數(shù)的自動修改，打通各CAD和CAE模型之間數(shù)據(jù)傳遞接口問題，實現(xiàn)動力學模型與幾何模型同步更新、剛體動力學模型參數(shù)自動更新、柔體模型參數(shù)的自動更新和剛柔耦合動力學模型自動建模以及參數(shù)的更新。第三章 多體動力學參數(shù)