（机械制造及其自动化专业论文）钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究.pdf

钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 摘要 本文主要内容是对钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研 究工作展开论述。其主要研究工作是在建立钢圈系列产品三维c a d 模型和有限元分析模型的基础上，对产品模型进行参数化设计，对相 ，关模型进行进一步的有限元分析，并通过试验来检测与验证仿真分析 的可靠性；并以此为前提，在v i s u a lc + + 语言开发环境下，以虚拟技术 为基础，以钢圈系列产品为原型，融合p r o e 和a n s y s 等三维建模 和分析软件，开发与构建从参数化建模、有限元分析、试验检测到优 化设计为一体的智能化的钢圈系列产品虚拟设计开发平台。 本平台完成了在企业的成功应用，可以用来解决钢圈系列产品设 计过程中涉及的结构、强度、寿命及优化问题，即在产品开始制造之 前就能预测其应力分布、变形情况、使用寿命等，降低产品成本、提 高产品性能和市场竞争能力；此外，由于分析提取的方案可行性的提 高，还可以缩短产品设计周期，提高产品设计的成功率，加快了对市 场需求的响应速度，并得到了企业相关领导和设计人员的认可。 另外，此平台的开发和研究工作获取了一项自主知识产权计算 机软件著作权；而且此平台还可应用在其它产品的开发上，形成若 干个产品开发的示范基地。 测 关键词：钢圈产品虚拟设计平台参数化有限元试验检 d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fv i i u a l d e s i g na n de x p o i t u r ep l a t f o r mf o rs e r i e s o f s t e e lw h e e lp r o d u c t s a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st oe x p a t i a t et h ed e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c ho fv i r t u a ld e s i g na n de x p l o i t u r ep l a t f o r mf o rs e r i e so fs t e e lw h e e l p r o d u c t s t h em a i nr e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i si st od os o m ep a r a m e t r i c d e s i g na n df e ma n a l y s ef o rr e l a t i v ep r o d u c tm o d e l s ，t h e ni n s p e c ta n d v a l i d a t et h er e l i a b i l i t yo fp r o d u c t st h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h a ti so nt h e b a s i so fc o n s t r u c t i n gt h e3 一dc a dm o d e l so fw h e e lp r o d u c t sa n dd o s o m ef e ma n a l y s ef o rp a r t i a lm o d e l s ；t h e n ，i nt h ep r e c o n d i t i o no ft h i s ， e x p l o i t a n dc o n s t r u c ti n t e l l i g e n t i z e dv i r t u a l d e s i g n a n de x p l o t u r e p l a t f o r mf o r s e r i e so fs t e e lw h e e lp r o d u c t s ，w h i c hi sc o m p o s e do f p a r a m e t r i cd e s i g n 、f e ma n a l y s e 、e x p e r i m e n t a li n s p e c ta n do p t i m i z e d e s i g n ，t h a ti si nt h el a n g u a g ee x p l o i t u r a le n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + ，o n t h eb a s i co fv i r t u a lt e c h n o l o g y , i nt h ep r o t o t y p eo fs e r i e so fs t e e lw h e e l p r o d u c t sa n dt os y n c r e t i z et h ep r o ea n d a n s y ss o f t w a r e s t h i s p l a t f o r m h a v eb e e nf i n i s h e d a p p l y i n g i nt h e e n t e r p r i s e s u c c e s s f u l l y , w h i c hc a ns o l v et h ep r o b l e m o fs t r u c t u r e 、i n t e n s i t y ，l i f ea n d o p t i m i z ei n v o l v e di nt h ep r o c e s so fd e s i g nf o rs e r i e s o fs t e e lw h e e l p r o d u c t s ，t h a ti st os a yi t c a nf o r e c a s tt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s 、t h e c o n d i t i o no fd i s t o r t i o n 、u s e - l i f e ，e t c ；i tc a nr e d u c et h ec o s to fp r o d u c t s 、 i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp r o d u c t sa n dc a p a b i l i t yo fc o m p e t i t i o ni nt h e m a r k e t ；f u r t h e r m o r e ，b e c a u s e o ft h e i m p r o v e m e n t o f f e a s i b i l i t y i n a n a l y z i n ga n dd i s t i l l i n gt h es c h e m e ，i tc a na l s os h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e a n di n c r e a s et h er a t eo fs u c c e s so ft h ep r o d u c ta n de x p e d i t et h er e s p o n s e s p e e df o rm a r d e t sd e m a n d ，i ta l s og e t st h ea p p r o b a t i o no ft h ec o n c e m e d l e a d e r sa n dd e s i g n e r si nt h ee n t e r p r i s e i na d d i t i o n , t h i sp l a t f o r mg e t sai n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t t h ec o p y r i g h to fc o m p u t e rs o f e w a r e i n t h e p r o c e s so f d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h ；a n dt h a t ，t h i sp l a t f o r mc a na l s oa p p l yi nt h e d e v e l o p m e n to fo t h e rp r o d u c t s ，a n df o r mt h ed e m o n s t r a t i o nb a s ef o r d e v e l o p i n gs o m eo t h e rp r o d u c t s k e yw o r d s ：w h e e lp r o d u c t ；v i r t u a ld e s i g n ；p l a t f o r m ；p a r a m e t r i c ； f e m ；e x p e r i m e n t a li n s p e c t i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经 发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 做储虢缱啤 矽留年石月弦日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提卞，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囤即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 做储签名j 黏啤吲雠：痞岛育滞，删日 广西大学硕士学位论文 钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 第一章绪论 本章节的主要内容是针对广西壮族自治区科技攻关项目钢圈系列产品虚拟 设计开发平台研究的背景和意义作简要的概述，并对此项目所需展开的研究工 作的内容和方法作初步的介绍。 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 课题研究的背景 随着汽车生产技术向自动化、智能化方向的发展，世界汽车生产能力也越来 越大，2 0 0 1 年全世界生产汽车7 5 0 0 万辆，2 0 0 2 年突破8 0 0 0 万辆，2 0 0 3 年则更 是向亿辆大关迈进。同时，汽车的持有量也急剧增加，据统计，现在全球汽车持 有量已达到8 亿辆，平均每8 人拥有1 辆汽车，发达国家平均每2 人拥有l 辆汽 车【l 】 卞。 近年来，世界汽车产量在5 5 0 0 - - 6 5 0 0 万辆之间徘徊。2 0 0 4 年，世界汽车总 产量为6 4 6 1 6 万辆。而我国汽车保有量在2 0 0 5 年达到3 3 5 6 万辆，并预计在2 0 1 0 年达到5 6 6 9 万辆【2 1 。 按照世界汽车总产量及钢轮和铝轮的配置情况作粗略的估算，全球汽车的 o e m 车轮配套量约为3 4 亿只( 其中：美洲1 2 亿只，欧洲1 1 亿只，亚太地区1 亿只左右) ，市场价值约8 0 亿美元( 其中：钢制车轮约3 5 亿美元，铝合金车轮约 4 5 亿美元) 。 目前，全球钢轮原始设备制造商( o e m ) 市场钢材消耗量大约为每年4 0 0 万吨，其中轿车车轮的钢材消耗量约1 5 0 万吨。而在中国，2 0 0 4 年钢轮行业总 体钢材消耗量大约为3 6 万吨，其中乘用车车轮的钢材消耗量大约1 0 万吨。根据 中国汽车行业的发展前景预测，到2 0 1 0 年，预计全国车轮行业原始设备制造商 ( o e m ) 钢材用量可达6 0 万吨，其中，乘用车车轮用钢3 0 万吨，卡客车车轮 用钢量3 0 万吨；全国汽车车轮o e m 配套需求量为5 9 2 0 万只，其中乘用车车轮 4 4 5 0 万只，商用车车轮1 4 7 0 万只；全国车轮行业的o e m 车轮的市场价值可望 达到1 3 5 亿元左右，其中，乘用车钢轮2 0 亿元，乘用车铝轮6 0 亿元，商用车车 轮5 5 亿元左右。 随着汽车行业的逐渐繁荣，市场竞争也日益激烈，产品的质量则成为关键。 广西大学硕士掌位论文 钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 由于车轮工作在随机载荷之下，所以在其研制当中最关心的问题之一就是车轮的 疲劳寿命，即保证车轮在使用寿命期间内不发生疲劳破坏。如果在新产品设计初 期，能够预测出车轮的疲劳寿命，则可以缩短设计周期，减少时间消耗。如果仅 仅依靠疲劳试验来获得车轮的疲劳寿命数据，则需要在不同的加载条件下进行试 验，这需要花费很长的一段周期，在经济和效率上都不合算。所以在设计阶段预 测出车轮的疲劳寿命是及其必要的，也是商家节约成本的一个有效手段。 汽车车轮是固定轮胎内缘、支承轮胎共同承受整车负荷的刚性轮子、是汽车 的重要组成部件。汽车与地面之间的所有相互作用力以及力矩( 例如驱动力、侧 向力、制动力、垂直力、回转力矩等) 都是通过车轮传递的，所以车轮对汽车的 多种性能有重要影响。特别是安全性和可靠性。另外，车轮还是汽车外观的重要 组成部分。车轮的技术发展和研究方向就是在保证足够强度和可靠性的前提下， 尽可能减轻质量以及美化外观。 而且，汽车车轮是汽车行驶系统的重要部件，如果在汽车行驶中出现车轮破 坏，将会产生严重的行车事故。车轮最主要的失效形式是疲劳破坏，因此车轮的 疲劳寿命是衡量车轮质量的最重要的指标，我国汽车车轮有关标准规定钢制车轮 和铝合金车轮都要进行动态弯曲和径向疲劳试验。 根据大量试验结果来看，车轮因弯曲疲劳试验造成失效的比例比径向疲劳试 验要高得多，因此弯曲疲劳试验是检验车轮疲劳寿命的最主要指标。但是只有在 车轮试制出来后才能进行弯曲疲劳试验，如果出现问题和缺陷就需要重新调整生 产车轮的材料、模具和生产线等，势必造成极大浪费和车轮开发周期的延长。 国外对于汽车轮辋的研究大都是对生产过程中出现的缺陷、以及对失效原因 进行事后分析。尤其重点放在铁路轮毂( r a i l r o a dw h e e l s ) 方面。 2 0 0 0 年j o h nc s t e a r n s 在t h eu n i v e r s i t yo fa k r o n 发表的博士论文中用 a l g o r 软件对汽车铝合金制轮辋进行建模、有限元分析以及疲劳分析。 2 0 0 1 年台湾y u a nz eu n i v e r s i t y 的y e h - l i a n gh s u 和m i n g - s h oh s u 在 c o m p u t e ra n di n d u s t r y 上发表文章介绍铝合金制轮辋的智能设计系统。并同时简 要介绍了一些其它关于钢制车轮的智能设计系统【3 】。 2 0 0 3 年g a n e s hb a b ut h i y a g a r a j a n 在t h eu n i v e r s i t yo ft e x a sa ta r l i n g t o n 发表 的硕士毕业论文中用a n s y s 对汽车钢圈进行建模以及疲劳分析。 2 钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开衷与研究 上世纪9 0 年代以来，国内研究所、大学学院分别利用各种软件对汽车车轮 进行模拟建模、应力分析、寿命预测等等。这其中有一定成果的有： 1 9 9 9 年哈工大用c a d 软件以及有限元方法对钢圈进行优化设计。经过优化 的车轮，可以减轻质量、降低成本、改善受力状况以及提高使用寿命。 2 0 0 2 年清华大学用有限元分析软件包a l g o r 建立车轮的有限元模型并进 行应力分析以及结构优化等等。可以有效地用来确定车轮结构的危险点，即结构 中计算应力( v o nm i s e s 应力) 比较大的点。结构危险点的计算应力反映该处的应 力集中程度。这为采用局部几何形状修改，降低危险点的应力集中，提高疲劳寿 命提供了依据。 2 0 0 3 年上海大学用m s cn a s t r a n 软件对钢圈进行弯曲工况下的应力分 析，计算该工况下钢圈的强度大小及分布。计算结果与弯曲试验一致。通过对某 型轿车车轮钢圈进行有限元分析，验证了车轮钢圈弯曲试验结果的正确性，用应 力云图形象地表示了车轮钢圈在弯曲工况下的结构应力大小及分布，为车轮的设 计开发提供了有力的依据，从而避免了设计中的盲目性，减少了设计成本，缩短 了设计周期。 2 0 0 4 年上海大学用a n s y s 软件建立钢圈轮辋的计算模型，并模拟轿车的受 力情况对钢圈的力学和机械性能进行计算、分析；计算了用材料不同厚度钢圈轮 辋的强度和钢圈轮辋上不同位置处的最大承载力以及采用新材料时钢圈轮辋的 最大承载力，并进行了冷轧工艺对强度影响的试验，得出了一些对提高钢圈强度 有意义的结论。结果得到了试验验证。 1 1 2 课题研究的意义 本课题是根据柳州市汽配行业产品以及技术创新的需求，以钢圈系列产品为 原型，构建从产品三维建模、有限元分析、实验检测到优化设计融为一体的虚拟 设计开发平台，可以解决钢圈系列产品设计中涉及的结构、强度、寿命及其优化 等问题，在产品开始制造之前就能预测其应力分布、变形情况、使用寿命等，降 低产品成本，提高产品性能和竞争能力；此平台还可以快速适应其它汽车配件或 其它机械产品，开展设计、分析、检测与优化工作，有助于促进柳州市汽配行业 和汽车工业乃至整个机械工业的发展。 此平台首先应用在现有的钢圈产品上，对其进行有限元分析计算，根据计算 g - 西大掌硕士学位论文 钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 结果对钢圈产品进行优化设计，预计减少材料2 0 左右，缩短产品开发周期3 0 ： 然后利用该平台进行新产品开发，不仅可以缩短产品开发周期，提高产品开发的 可靠性，提高经济效益，而且可以减少新产品开发中涉及到的模具设计与制造、 产品试制、测试、材料等方面的大量损失，预计可为企业减少1 5 左右的支出， 经济效益相当可观。 此外，这个平台还可应用在其它产品的开发上，可形成若干个产品开发的示 范基地，在柳州市汽配行业中进行推广应用，降低产品成本，提高产品性能和竞 争能力，提升柳州市汽配行业的整体设计水平，加强产学研结合，促进柳州市汽 车工业区发展。 1 2 课题研究的内容与方法 1 2 1 课题研究的内容 课题研究主要内容是以钢圈系列产品为对象为基础，采用同步模式和异步模 式相结合的方法，开发创建一个完整的虚拟设计开发平台，并将此平台快速应用 到汽车配件与其机械产品行业中，对产品进行设计、分析与检测。 此平台包含以下三个子系统： ( 1 ) 特征参数化c a d 子系统的建立与应用。该子系统的关键在于运用三 维c a d 软件p r 0 】巳n g 心m 删g ，通过其二次开发方法来实现对产品的快速设 计，构建钢圈系列产品参数化设计软件系统； ( 2 ) 产品分析c a e 子系统的建立与应用。该子系统的关键在于建立基于 a n s y s 的钢圈系列产品有限元分析、优化设计体系，以解决在设计中涉及的结 构、强度、寿命与优化等问题，在产品开始制造之前就能够预测其应力分布、变 形情况、使用寿命等，判断其能否达到设计要求，避免不必要的经济损失，降低 产品成本，提高产品性能和市场竞争能力； ( 3 ) 试验测试与检验子系统的建立与应用。该子系统的关键在于建立钢圈 产品测试、分析体系、验证所建立的有限元分析模型的正确性及分析结果的可靠 性，进而确保产品整个设计、分析过程的可靠性。 1 2 2 课题研究的方法 针对该课题所研究的内容，采用以下的方法对平台以及子系统进行了开发与 研究： 4 广西大掌硕士学位论文 钢圈系歹产品虚拟设计开发平台的开发与研究 ( 1 ) 在v c + + 6 0 环境下，运用m f c 对平台框架进行开发，实现同步模式 下的产品浏览、修改与工程图打印； ( 2 ) 运用a c c e s s 为平台构建产品后台数据库； ( 3 ) 在异步模式下启动p r o e n g i n e e r i n g 对产品进行特征参数化建模， 形成平台产品模型库； ( 4 ) 利用a n s y s 对产品模型进行有限元分析与优化计算，初步预测产品 疲劳寿命，形成产品分析案例库； ( 5 ) 利用试验对开发出来的产品进行测试与校验，形成试验检测案例库， 为以后更有效，更快速的开发新的产品模型提供一定的设计参考与依据。 广西大掌硕士学位论文钢圈系罗口产品虚拟设计开发平台的开发与研究 第二章平台方案实施 依照绪论部分介绍的课题研究相关的内容和方法，本章对课题进行展开论 述，主要对平台的总体方案和功能模块进行具体的分析，并对平台在构建和实施 过程中所需使用的一些关键技术和知识作初步的介绍。 2 1 平台总体方案设计与功能模块分析 2 1 1 总体模块设计 钢圈系列产品虚拟设计开发平台是根据企业的设计要求，以钢圈系列产品为 对象的一个集三维建模、有限元分析、试验检测到优化设计为一体的智能化虚拟 设计平台。为了能够很好的实现这些功能，本平台采用了模块化的设计方法，将 整个系统分成若干个功能模块进行设计与开发，其主要的功能模块有：三维设计 模块、有限元分析模块、试验检测模块和数据管理模块。总体功能框架如图2 1 所示： 钢圈系列产品虚拟设计平台 + l 三维设计模块 分析模块试验检测模块数据管理模块 l l l tt，tt 已有新产 结检保工产 产品 品的应强构验 存 程品 的参 设计力度性分 成 图文 数修与开分校能析 功 纸档 改发析核优结 案 管管 化果 例理理 l 工 。 数据库、实例库、案例库 】 图2 - l虚拟设计平台总体功能模块不恿图 f i 9 2 1 t h em a i nf u n c t i o nm o d u l es k e t c ho fv i r t u a ld e s i g np l a t f o r m 2 1 2 总体工作流程分析 钢圈系列产品虚拟设计开发平台按照全新的虚拟设计理念，以虚拟技术为基 础构建的，针对系统的各个功能模块，其具体的工作流程是：首先由用户输入钢 圈产品的基本参数，平台自动在产品数据库中按照产品的拓扑结构进行分类检 6 钢圈系列产品虚拟设- g t 开发平台的开发与研究 索，提取最可行的方案来进行设计与开发。如果该产品型号存在，则可以将产品 的工程图从产品数据库中调出来予以显示预览。然后将其导入三维建模软件 p r 0 e ，进行相关参数的修改，再生生成新的模型，并打印工程图纸，最后将新的 模型保存到产品模型数据库中：如果该产品无需进行参数修改，则可以直接打印 工程图纸；如果该产品型号不存在，就进入三维建模软件p r o e 环境中进行新产 品的设计与开发，完成参数化建模之后，再将模型导入分析软件a n s y s 进行有 限元分析。当分析结果达到设计要求之后，并且在有必要进行试验检测的情况下， 进行试验检测，检测结果与分析结果近似时，说明设计开发成功，就将新产品信 息以成功案例的形式存入产品数据知识库，并打印工程图纸；否则，就返回实体 建模阶段进行重新设计。其系统总体工作流程示意图如图2 2 所示： 7 广西大掌硕士学位论文钢圈系歹产品虚拟设计开发平台的开发与研究 图2 - 2 ：虚拟设计系统总体工作流程示意图 f i g2 - 2t h et o t a lw o r k i n gf l o wo f t h ev i r t u a ld e s i g ns y s t e m 8 f - - 西大掣蟠炙士掌位论文钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 2 1 3 其他功能模块分析 2 1 3 1 三维设计模块 三维设计模块是基于成组技术和p r o e 参数化特征造型技术构建的。通过异 步模式下在平台上直接对参数进行修改和同步模式下在p r o e 中进行参数化特征 建模。参数化造型技术是7 0 年代以来的先进设计思想，是指设计图形拓扑关系 不变，尺寸形状由若干参数约束，参数与图形的控制尺寸有明显的对应，不同的 参数就生成不同大小的图形，主要适用于规格化、系列化的产品【1 2 j 。 钢圈产品正是规格化、系列化的产品，因此就根据其设计图形的拓扑关系， 提取图形特征的主参数，利用成组技术，将它们分为以下几种系列：工程系列、 卡车系列、微型车系列和其他港口系列等。每个系列都有其标准结构，针对每一 系列的钢圈产品构造好其参数化模型，就可以通过更改造型主参数来生成所需的 钢圈产品三维模型。 此模块的具体实现过程如图2 3 所示： 工程系列 钢 圈 叫卡车系列卜_叫建立模型卜- 叫拓朴关系分析卜_ 叫参数关系表达卜_ 系 列 微型车系列 产 存入数据库编制程序 品 i 叫其他系列 图2 - 3 三维设计模块实现过程不恿图 f i g2 - 3t h er e a l i z a t i o np r o c e s so f3 - dd e s i g nm o d u l e 具体实现方法如下：( 1 ) 分析钢圈产品图形的拓扑关系，经过比较产生最可行 方案来构建产品结构参数与几何参数的关系，建立图形的参数化模型。( 2 ) 推导出 参数关系表达式。( 3 ) 将分析结果编制成计算机程序。主要是通过调用 p r o t o o l k i t 函数，使修改尺寸参数、特征参数自动化。主要的函数如下： p r o d i m e n s i o n v a l u e s e t ( p r o d i m e n s i o n * d i m e n s i o n ，d o u b l e * v a l u e ) ；设置尺寸的值； ( 菖) p r o p a r a m e t e r v a l u e s e t ( p r o p a r a m e t e r + p a r a m ，p r o p a r a m v a l u e p r o v a l ) ；设置自定 义参数的值；( 4 ) 将完成参数化的模型进行分类存储到产品模型数据库中。 2 1 3 2 有限元分析模块 有限元分析模块主要功能是将p r o e 中生成的模型，在需要进行分析时导入 a n s y s 中进行相应的应力分析、疲劳寿命预算和结构性能优化等。当客户需要 9 钢圈系列产品虚拟设计开裳平台的开发与研究 定制一个新的型号的钢圈时，在不知道该型号的钢圈是否能够达到客户所需的承 载要求的情况下，则利用p r o e 与a n s y s 之间的智能化接口，将在p r o e 中的 构建的参数化模型智能地导入到a n s y s 中进行相应的应力分析和寿命估算。在 经过多次分析与修改之后，在能够达到设计要求和客户的需求时，做进一步的性 能和结构优化，使得该产品结构更加合理，性能更加稳定。此外还可能将设计好 的钢圈模型，根据其所加载荷的要求进行结构再优化，最后将分析结果形成案例 保存到性能分析系统的知识库中。 此模块的具体实现过程如图2 4 所示： 图2 4 有限元分析模块实现过程示意图 f i g2 - 4t h er e a l i z a t i o np r o c e s so ff e ma n a l y s i sm o d u l e 具体的操作方法如下：( 1 ) 在p r o e 造型，并简化模型，消去对结果影响不大 的圆角和圆孔特征，通过智能接口导入a n s y s 中；( 2 ) 分析模型的拓扑结构，对 模型子域进行分解，划分网格；( 3 ) 确定模型的边界约束和加载的外力：( 4 ) 在确定 完所有模型前处理方案后，利用v c 编程调用p r o t o o l k i t 函数，使得原本需 要由用户交互式操作的工作由系统自动完成。然后由用户交互式操作完成相应分 析的后处理工作，使得系统分析模块更加智能化。 2 1 3 3 试验检测模块 试验检测模块主要是为了进一步论证分析模块所得的数据的正确性与可靠 性，并将产品试验成功案例分类保存到试验案例库中，为以后做更进一步的分析 推理提供知识依据和实践保证。因为大部分的分析都是在理想状况下进行的，当 分析数据还没有得可靠的证实时，产品的稳定性和可靠性就还存在一定的疑问， 就必须联合企业将分析过程中所加载荷进行试验检测，当试验检验成功以后，才 能将产品投入生产，才能为企业获得更好的经济效益和社会效益；同时将成功案 1 0 广西大掌硕士掌位论文钢圈系列产品窟：拟设计开发平台的开裳与研究 例按照可靠性能程度分类保存，为以后产品设计、分析提供可靠的现实依据，更 新系统知识库，使得系统更加智能可靠。 此模块的具体实现过程如图2 5 所示： 图2 - 5 试验检测模块实现过程示意图 f i g2 - 5t h er e a l i z a t i o np r o c e s so fe x p e r i m e n t a lt e s t i n gm o d u l e 其具体操作方法如下：( 1 ) 将案例在试验操作台上进行试验测试，记录试验数 据；( 2 ) 将分析结果与试验结果进行比较；( 3 ) 将失败案例重新进行设计分析；将成 功案例按可靠性能等级分类存储到知识库中。 2 1 3 4 数据管理模块 数据管理模块包括图纸、文档、零件清单和知识库的管理，主要实现4 大功 能：( 1 ) 工程图纸自动生成，该功能是在p r o e 本身的三维模型映射二维图的功能 基础上，利用p r o t o o l k i t 中的标注函数来实现自动标注的功能，进而实现工 程图纸生成的自动化。( 2 ) 零件清单的生成，该功能主要是把设计过程中生成的零 部件明细表信息记录到产品模型数据库中，在需要的时候从数据库中读取出来。 ( 3 ) 文档、图纸的管理，主要实现的功能是：将生成的三维和二维模型的预览图自 动映射到前台图形显示框内予以显示1 1 3 】。( 4 ) 知识库的管理：知识库包含了设计、 分析、实验案例相关信息。其主要功能是：保存虚拟设计开发过程中相关知识信 数 据 管 理 产品 c a d 模型卜t 叫零件模型 c a e 模型iu 装配模型 1 l 广一 - - - j - i 文档 产品清单 系统文档 知识库h 设计案例、分析案例、试验案例 图2 为数据管理模块功能实现示意图 f i g2 - 6t h e r e a l i z a t i o np r o c e s so fd a t am a n a g e dm o d u l e 息，为以后设计开发过程提供参考依据，并为系统提供一定的知识推理与性能评 广西大学硕士学位论文 钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 价功能，使得整个系统更加合理、可靠。此模块的具体实现过程如图2 6 所示： 2 2 平台的关键技术 开发和创建钢圈系列产品虚拟设计开发平台，必须先要解决好以下几项关键 技术：面向对象技术、工程数据库管理技术、模块化设计技术、特征参数化建模 技术、有限元分析与优化技术、工程图纸生成技术、技术文档管理技术。 关 键 技 术 面向对象技术 = = = = o 纠系统平台的实现 工程数据库管理技术 = = = = = ：纠系统数据库实现 模块化设计技术 特征参数化建模技术 工程图纸生成技术 有限元分析与优化技术 c a d 子系统的 实现 c a e 子系统的 实现 技术文档管理技术 = = = 爿试验检测子系统的实现 图2 7 平台关键技术示意图 f i g2 - 7t h es k e t c hm a po fk e yt e c h n o l o g yo fs y s t e m 2 2 1 面向对象技术 一般而言，采用面向对象的技术具有可视化特性、类库资源、事件驱动机制 以及全面的数据查询、浏览、维护等功能，可真正实现用户交互式操作。钢圈系 列产品虚拟设计开发平台采用了高级语言v i s u a lc + + ，以及与p r o e 和a n s y s 的数据接口技术。 2 2 1 1 面向对象的概念与意义1 4 1 。面向对象的概念主要由对象、类、封装、继承、消息、结构、连接等要素构 成，这些要素本身蕴含了人类认识事物的某种思想。所谓面向对象，就是基于上 述要素的系统分析、设计和实施的思想、方法、技术体系【5 】。 面向对象的设计应用分两个过程：一是面向对象设计，它脱离具体程序系统 而独立存在；二是面向对象程序设计，它具体解决程序设计中各项操作的具体实 1 2 钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 现，并与一种具体程序系统相联系，面向对象设计则是一种良好选择，因为其核 心就是建模与分析。 面向对象设计方法将数据( 数据成员) 以及处理这些数据的相应函数( 成员 函数) 封装到类( c l a s s ) ，使用类的变量则称为对象。在对象内，只有该对象的 成员函数才可以存取该对象的数据成员，这样其他函数就不会无意中破坏其内 容，从而达到保护和隐藏数据的效果。面向对象编程突破了原来的结构化编程模 式，将被操作的数据和操作函数作为对象的属性和行为，当对象接受一个信息， 就引用对象的行为( 动作) 。这样一个应用程序乃至整个计算机都成为一个对象 的集合体，对象彼此之间通过消息相互作用，程序具有更好的模块化结构，维护 更具方便性。 2 2 1 2 面向对象方法的特征 面向对象开发方法是以对象为中心的开发方法，是从客观世界中抽象出来的 软件开发的新的思维方法。面向对象开发方法可以促进软件工作者在应用领域中 最限度地发挥他的才能和思维能力。面向对象方法有如下的基本特征【6 】： ( 1 ) 封装性( e n c a p s u l a t i o n ) 封装是一种信息隐蔽技术，其定义为： 一个清楚的边界，对象的内部构件的作用被限制在一个区域范围内。 一个接口，这个接口描述这个对象和其他对象之间的相互作用。 受保护的内部实现，这个实现给出了由构件对象提供的功能细节，实现 细节不能再定义这个对象的外面访问。 由于对象的封装性，用户只能见到对象封装界面上的信息，对象内部对用户 来说是不透明的，其目的是将对象的使用者与设计者分开。使用者不必知道对象 的行为实现的细节，而只需用设计者提供的信息来访问对象。 ( 2 ) 继承性( i n h e r i t a n c e ) 继承性是自动地共享超类、子类和对象中的方法、数据的机制。由于每对象 都是某个类的实例，一个系统中的各类对象都是各自封闭的，因此如果没有继承 机制，则类对象中的数据和方法就可能出现大量的重复。采用继承的机制也是人 们思考问题、处理问题的基本原则之一。 ( 3 ) 多态性( p o l y m o r p h i s m ) 钢圈系罗9 产品虚拟设计开发平台的开发与研究 多态性允许每个对象以适合自身的方式去响应共同的信息。增强了操作的透 明性、可理解性和维护性。用户不必为相同的功能操作作用于不同类型的对象而 费心去识别，采用虚函数与动态联编机制使用用户可以以更明确易懂的方式建立 通用软件，从而使软件具有更好的重用性和扩充性。 ( 4 ) 抽象性( a b s t r a c t i o n ) 抽象是对象复杂的现实世界的简明表示。它强调了研究者所关心的信息，而 将不重要的信息予以忽略。面向对象方法采用对象来表达一切事物。对象不仅可 以表达传统的结构化数据，也可以表达一些非结构化数据。它允许我们表示事物 是如何相似的，并忽略它们是如何不同的，让我们考虑一般性而不是具体细节， 并明白事物是什么，可以为了特定目的抽象对象的重要特点，忽略所有其它方面。 2 2 2 数据库管理技术1 7 1 m i c r o s o f ta c c e s s 提供了表生成器、查询设计器、报表设计器等许多便捷的 可视化操作工具和数据库向导、表向导、查询向导、报表向导等，以便数据库用 户能快捷地构造一个简单的信息管理系统。还提供了v i s u a lc + + 程序设计接口， 以利于数据库开发人员构造比较复杂的信息管理系统。而本平台采用a c c e s s 作 为开发数据库软件。 本平台在设计过程中既要查询大量的数表，又要保存各阶段的设计结果，因 此良好的数据库管理是高效和可靠地完成本系统设计的重要保证。本平台采用 a d o 技术进行数据库的管理。 m i c r o s o f ta c t i v e xd a t ao b j e c t s ( a d o ) 使得客户端应用程序能够通过任何 o l ed b 提供者来访问和操作数据库服务器中的数据。a d o 最主要的优点是易 于使用、速度快、内存支出少和磁盘遗迹小。o l ed b 是新底层接口，它定义了 一种通用的数据访问范例。a d o 封装并且实现了o l ed b 能够实现的所有功能， 其访问数据库结构如图2 8 所示： 结构化查询语言s q l 是定义和操作关系型数据库的标准语言，是数据库管 理中的通用语言，现在市场上的所有关系数据库产品几乎都支持s q l 、j e t 数据 库引擎是v c 和a c c e s s 数据库的核心，它把s q l 作为主要的定义和操作方法。 而且s q l 很容易掌握，只需要很少的基本s q l 知识就可以进行一系列复杂的操 作。 1 4 钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 ，、 关系数据库 t 文本 i r 目录数据 - o r 主机数据 ：应用程序】 a d o1 l j e r 非结构化数据 d r 电子邮件 b 地理信息 图形信息 图2 8a d o 访问数据库的结构 f i 9 8 - 1 s t r u c t u r eo f a d oa c c e s sd a t a b a s e 此外，a d o 对象模型如图2 - 9 所示： 图2 9a d o 对象模型 f i 9 2 9m o d e l i n go f a d oo b j e c t 本平台运用了a d o 与s q l 语句的结合，简便安全地解决了数据库操作的问 题。因为a d o 是通过o l e d b 提供者来访问a c c e s s 数据库的，因而必须把那个 提供者放入o p e n 0 方法中，紧跟o l 】e n o 方法之后的字符可以存放在 c o n n e c t i o n s t d n g 属性之中。 其系统访问数据库的流程如图2 一l o 所示： 3 - - 西大学硕士学位论文 钢圈系歹9 产品虚拟设计开发平台的开发与研究 开始 创建数据库连接集 打开数据库 是否打开 成功 v 具l 肥l 一 访问与操作数据库 关闭数据库及对象 否 创建访问集 与命令集 l竺窭j 2 1 0 系统数据库操作流程图 f i g2 - 1 0t h ep r o c e s sp l a no f o p e r a t i n gs y s t e m i cd a t a b a s e 本平台的数据库连接如下： c d b c o n n e c t i o n * mc o n n ； 定义数据库连接集对象 打开数据库 i f ( ! m _ e o n n - o p e n ( ”p r o v i d e r = m i c r o s o f t j e t o l e d b 4 o ；d a t a s o u r c e = c ：s t e e l w h e e l d a t a b a s e s t e e l w h e e l m d b ；p e r s i s ts e c u r i t yi n f o = f a l s e ”) ) m e s s a g e b o x ( ”打开数据库失败! ”) ； r e t u r n - 1 ； ) 2 2 3 模块化技术 针对企业需求和平台开发的要求，钢圈系列产品虚拟设计开发平台采用了模 块化设计的方法，将整个系统的设计过程分成若干个功能模块( 三维设计模块、 有限元分析模块、试验检测模块、数据管理模块) ，使得这些模块在设计过程中 可以相对独立完成，但是在应用过程中通过工程数据库达到信息流的集成，在主 控模块的控制之下，各司其职，协调一致地工作，使得系统在设计和应用过程中 1 6 广西大掌硕士学位论文 钢圈系列产品虚拟设计开发平台的开发与研究 既有较高的自动化程度，又具有良好的人机交互性能。 2 2 4 特征参数化建模技术 本平台主要采用特征建模技术，利用p r o e 对各种钢圈系列产品进行参数化 设计与建模。机械产品几何徒刑技术经历了线框造型、表面造型、实体造型三个 阶段，目前正向特征造型、参数化和变量化方向发展。利用参数化设计手段开发 的产品设计系统，可使设计人员从大量繁琐的绘图工作中解脱出来，从而大大提 高了设计效率。 2 2 5 有限元技术 2 2 5 1 有限元理论 有限元法在工程技术领域研究的弹性连续体可以看作是由无限个微元体组 成，有限元离散化是假想把弹性连续体分隔成数目有限的单元，并认为相邻单元 之间仅在节点处相连。根据物体的几何形状特性、载荷特性、边界约束特性等的 不同，可以把单元分为各种类型。但是不论何种单元其节点一般都是在单元边界 上，并把节点的位移分量视作为结构的基本未知量，这样组成的有限单元体并引 进等效节点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为有限多自由度的连续 体，在此基础上对每一单元根据分块相似的思想，假设每一个简单的函数近似模 拟其位移分量的分布规律，即选择位移模式，在通过虚功原理求得每个单元的平 衡方程就是建立单元节点力与节点位移之间的关