面向设计与分析集成的复杂机械系统产品信息模型研究

摘要

在复杂机械产品的研发中，往往需要在设计阶段采用“设计-仿真-再设计”的闭环设计方法，以提高研发效率，并获得更轻便可靠的产品结构。其中，需要进行CAD建模和CAE仿真两个重要环节。
　　CAD软件偏重产品的二维和三维建模;CAE仿真通常由两个或两个以上分析子系统组成，例如动力学分析、强度分析、疲劳分析、安全性分析、人机工程学分析等。需要不同的CAE子系统之间进行协作分析，但各子系统间往往是相对独立的，用不同的分析工具进行建模和仿真，再将分析结果和修改建议反馈给设计模型，用于设计修改。但是，由于不同工程分析领域的信息存在不一致性，所以产生了隔离的信息模型孤岛，系统级的分析集成协作难以实现，尤其是当模型复杂和所涉及的仿真子系统比较多的时候。目前对于设计与分析集成方面的研究，缺乏面向全局性能分析的集成信息模型。
　　本论文在分析、总结前人研究工作和成果的基础上，对面向设计与分析集成的复杂机械系统产品信息模型进行了研究，提出了基于多描述架构的设计与分析集成信息模型和产品全息模型，主要研究工作和成果如下:
　　(1)分析了产品模型和分析模型的表达，CAD信息源及CAE信息需求之间的数据模型差距;以复杂机械系统——铲运机的设计为例，阐述了其CAE（动力学、强度、疲劳、人机工程学和安全性）分析过程中所涉及的信息模型，对现有设计与分析集成中存在的问题进行了剖析，给出了当前设计与分析集成中存在的问题，以及复杂机电产品数字化研究中存在的挑战与难点。
　　(2)针对铲运机研发以及复杂机电产品研发中存在的数据模型问题，扩展了现有MBD数据集，提出了适用于复杂机械系统设计与分析全方位集成的全息模型，即扩展CAD数据模型，此模型是指导设计与分析集成的主模型，描述复杂机械系统有关的所有信息。
　　(3)提出了基于多描述架构MRA的设计与分析集成信息模型DACM，它不仅是设计与分析工具之间的集成，更是在语义上的集成。并提出了采用多模型映射的方法，将产品全息模型信息映射到各子分析系统中。创建了复杂机械系统从概念设计到施工设计过程中，设计模型与主要分析模型（动力学、FEA、疲劳分析）之间的信息框架模型及信息传递路线。
　　(4)以某型号铲运机的设计为例，进行了基于多描述架构的设计与分析集成信息模型研究，阐述了面向整机性能的铲运机设计与分析思路。验证了所提出的信息模型框架和信息传递过程。并以工作装置的具体设计为实例，采用现有的商业软件，详细解释了采用所提出的信息集成模型进行设计与分析集成的过程，实现了基于MRA的语义集成框架。
　　(5)提出了面向整机性能的铲运机设计与分析集成研发体系。基于自顶向下和面向驱动设计的虚拟样机理念，将铲运机的整机性能设计、面向多体动力学的性能分析和仿真、整机装配及总参数校验与铲运机各个子系统有机结合起来，形成了一个全新的铲运机创新设计研发体系。
　　(6)给出了系统开发框架及实现技术，通过二次开发的方式，基于CAXA、CAXA-Vehicle和Simpack编制集成原型系统，开发了一个简单实例，实现了基于MRA的铲运机工作装置CAD/CAE集成原型系统。
　　(7)采用本体论的方法，对面向以上信息框架和广义CAD数据模型的本体描述进行了探讨。重点针对三维建模与机械多体动力学的集成部分，在主模型的基础上，探讨了复杂机械系统设计与分析集成化交互模型及操作技术和实现技术。
　　通过上述研究，建立了基于多描述架构的设计与分析集成信息模型和产品全息模型，并以复杂复杂机械系统——铲运机的设计与分析为例，验证了该信息集成模型的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景

1．2 论文相关领域的研究现状

1．2．1 三维CAD系统中产品模型的表达

1．2．2 CAE系统中分析模型的表达

1．2．3 设计与分析集成框架的研究现状

1．2．4 设计与分析集成方法的研究现状

1．2．5 设计与分析集成数据表达与数据流研究现状

1．3 论文的主要内容和工作

1．4 本论文的结构

第2章 复杂机械系统CAD／CAE及信息分析--以铲运机为例

2．1 铲运机虚拟样机设计体系

2．1．1 CAD模型-铲运机的数字模型

2．1．2 CAE运动学分析

2．1．3 CAE动力学分析

2．1．4 CAE强度分析

2．1．5 CAE疲劳分析

2．1．6 CAE人机工程学分析

2．1．7 CAE安全性分析

2．2 CAD与CAE集成的问题剖析

2．3 本章小结

第3章 复杂机械系统产品设计与分析集成信息模型

3．1 广义CAD数据模型(即产品全息模型)

3．2 多描述架构MRA

3．3 面向多描述架构的设计与分析集成信息模型(DACM)

3．4 基于全息模型的多模型映射

3．5 机械系统设计与分析集成信息模型的框架模型

3．6 本章小结

第4章 DACM信息模型的应用实例

4．1 铲运机的集成信息模型

4．1．1 整机动力学分析子系统

4．1．2 强度分析子系统

4．1．3 疲劳分析子系统

4．1．4 人机工程学分析子系统

4．1．5 安全性分析子系统

4．2 基于集成信息模型的工作装置设计实例

4．2．1 动力学分析子系统

4．2．2 强度分析子系统

4．2．3 疲劳分析子系统

4．3 本章小结

第5章 基于DACM的集成原型系统开发

5．1 系统开发框架

5．2 原型系统的实现关键技术

5．2．1 ABM信息定义及提取

5．2．2 多模型映射

5．3 集成系统开发实例

5．3．1 系统开发环境

5．3．2 系统运行流程

5．3．3 原型系统运行实例

5．4 本章小结

第6章 基于本体方法的设计与分析集成模型表达探索

6．1 本体方法

6．2 基于本体的设计与分析集成模型

6．2．1 基于本体的设计与分析集成模型探索

6．2．2 OntoInfo的构建

6．2．3 实现技术难点探讨

6．3 本章小结

第7章 总结及展望

7．1 论文的主要工作及成果

7．2 论文的主要创新点

7．3 今后研究工作的展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

攻读博士学位期间所参与的科研项目