（机械电子工程专业论文）产品全生命周期物理模型中分析模型的研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的全球化和制造的全球化，制造企业为了在竞争中求生存，必须尽力缩短产品 开发周期，提高产品质量，降低产品成本，其中产品的设计是关键环节。而目前的c a d 系统存 在以下方面的不足：仅能对零件结构的几何信息进行描述和显示，而不是进行设计；设计参 数与几何模型分离：装配关系的描述只限于几何元素间的低级关联信息，零件之间缺乏内在 的联系和装配约束。这造成了c a d 系统支持信息集成、产品创新设计能力的严重不足的现状。 物理模型是在研究了国内外相关理论进展后提出的，是一种新的，能够描述机械零、部件之 间物理信息的计算机内部模型，与现有c a d 系统的几何模型、拓扑模型，特别是装配模型结 合起来，便可以描述和记录机械零、部件的几何信息、拓扑信息、装配信息以及产品的载荷 等物理、力学信息。 分析模型作为物理模型的一部分，起着分析产品的物理特性，支持设计过程的作用。我 们提出了基于有向图和逻辑规则的层次性分析模型，使得产品定义不仅具有良好的可视化表 现形式，又有严格的形式化描述，能描述真实世界存在的多种复杂关系，且形成的模型可以 方便地在计算机环境中实现。由于分析模型采用了基于图论的统一的数据结构和建模方法， 实现了设计过程和信息的集成；针对目前功构映射的不足，提出了基于功能面和功能联结结 合的映射方法，并以功能目录辅助设计的展开：针对设计过程中频繁修改的问题，我们提出 了动态调整的理论和方法；提出了层次化的基于图匹配的约束求解策略，建立了设计参数的 传播与继承机制、约束网络的搜索与作用机制，既支持c a d 几何建模也支持分析模型的约束 求解。 本文以c a d 软件p r o e n g i n e e r 为平台进行开发设计。通过对产品信息模型中物理模型的 研究与实例开发应用，可以证明物理模型可以弥补c a d 系统的不足，更好的进行数据管理和 数据集成，由于在这一过程中对典型零件的设计过程计算机化，使得产品的设计周期大大的 缩短，设计精确度大大提高，从而保证了产品的设计质量，能够全面提高产品的市场竞争能 力。 关键字：集成：有向图；功构映射；约束求解：分析模型 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n g l yr a p i d e c o n o m i c g l o b a l i z a t i o n a n d m a n u f a c t u r i n gg l o b a l i z a t i o n ， m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s eh a v et os u r v i v ei nc o m p e t i t i v ee n v i r o n m e n t ，a n dm u s t s h o r t e nt h ec y c l eo f p r o d u c td e v e l o p m e n t ，e n h a n c et h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c t ，l o w e rt h ec o s to f p r o d u c t o n ek e ys u c c e s s f a c t o ri sp r o d u c t d e s i g n b u t t h ep r e s e n tc a d s y s t e m sh a v et h ef o l l o w i n gd r a w b a c k s f o rc u r r e n tu s e ： i tc a no n l ya c c o m p l i s ht h ed e s c r i p t i o na n dd i s p l a yo fg e o m e t r yi n f o r m a t i o n ，n o tt h et r u ed e s i g n p r o c e s s ；t h ed e s i g np a r a m e t e r ss e p a r a t ew i t hg e o m e t r ym o d e l ；t h ea s s e m b l yr e l a t i o nd e s c r i p t i o ni s r e s t r i c t e dt ol o w - l e v e la s s o c i a t i v ei n f o r m a t i o n ，a n dv e r yl a c ko fi n t e r n a l r e l a t i o n sa n da s s e m b l y c o n s t r a i n t sa l lt h e s ec a u s ec a ds y s t e mf a l ls h o r to ft h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n dp r o d u c t c r e a t i v ed e s i g ns u p p o r tc a p a b i l i t ya f t e rs t u d y i n gt h ep r o d u c tm o d e l i n gt h e o r yo ft h ei n t e r n a la n d a b r o a d ，w eb r i n gf o r w a r dt h ec o n c e p to fp h y s i c a lm o d e lt os u p p o r ti n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n ds o l v e t h ed e f i c i e n c yo ft h ea b i l i t yt h a tc a d s y s t e ms u p p o a s t h ep r o d u c td e s i g n p h y s i c a lm o d e li san e w i n t e r i o rm o d e lo f c o m p u t e rt h a tc o u l dd e s c r i b et h ep h y s i c a li n f o r m a t i o na m o n g t h em e c h a n i c a lp a r t s c o m b i n i n g w i t hg e o m e t r y m o d e i 、t o p o l o g i c a lm o d e l t h ea s s e m b l ym o d e lo f t h ep r e s e n tc a d s y s t e m ， p h y s i c a lm o d e lc o u l dd e s c r i b ea n dr e c o r dt h eg e o m e t r yi n f o r m a t i o n 、t o p o l o g i c a li n f o r m a t i o na n d a s s e m b l y i n f o r m a t i o no fm e c h a n i c a l p a r t 、t h e l o a do fp r o d u c ta n do t h e rp h y s i c a lm e c h a n i c s i n f o r m a t i o n a s p a r to f t h ep h y s i c a lm o d e l ，a n a l 【y t i c a lm o d e lt a k eo nt h et a s ko f a n a l y z i n gp h y s i c a lf e a t u r eo f p r o d u c t ，s u p p o r t i n gd e s i g np r o c e s s t h i sd i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h ec o n t e n ta n dd e f i n i t i o n so f h i e r a r c h i c a la n a l y t i c a lm o d e lb a s e do ng r a p ht h e o r ya n dl o g i cr u l e ，m a k i n gw e l lv i s u a ld e f i n i t i o no f p r o d u c ta n ds t r i c tf o r m a l i z ed e s c r i p t i o n i tc a nd e s c r i b em a n yc o m p l e xr e l a t i o n so fp h y s i c a lw o r l d o b j e c t ，i m p l e m e n tt h em o d e lw i t hc o m p u t e rl a n g u a g ew i t ht h eu n i f i e dd a t as t r u c t u r ea n dm o d e l i n g m e t h o db a s e do ng r a p ht h e o r y , w ep r o v i d eg o o dd e s i g np r o c e s sa n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ；f o rt h e c u r r e n tl a c ko ff u n c t i o nt of o r mm a p p i n gm e t h o d ，w ep r o v i d et h e m a p p i n gm e t h o db a s e do n f u n c t i o n s u r f a c ea n df u n c t i o n - c o n n e c t i o n ，a n du s ef u n c t i o nc a t a l o gt of a c i l i t a t et h ed e s i g np r o c e s s ； w eo f f e rd y n a m i ca d j u s tm e t h o df o rt h ef r e q u e n t l ym o d i f i c a t i o ni nt h ed e s i g np r o c e s s ；a l s ow e p u t f o r w a r dh i e r a r c h i c a lc o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o n s t r a t e g i e s b a s e do ng r a p hm a t c h i n g ，t h e ne s t a b l i s ha m e c h a n i s mt op r o m o t ed e s i g np a r a m e t e rp r o p a g a t ea n di n h e r i t ，a n dt os e a r c ha n do p e r a t ec o n s t r a i n t 山东大学硕士学位论文 n e t w o r k t h em e c h a n i s ms u p p o a sb o t hc a d g e o m e t r ym o d e l i n ga n da n a l y t i c a lm o d e lc o n s t r a i n t s o l v i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n tc a r r yo np m e n g i n e e lt h e d e f i c i e n c yo fp r e s e n tc a d s y s t e mc o u l db er e m e d i e db yp h y s i c a lm o d e la n dc a nb ep r o v e dt h o u g h s t u d y i n ga n dd e v e l o p i n ga p p l i c a t i o n so fp h y s i c a lm o d e li np r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d e l t h ep h y s i c a l m o d e lc o u l dm a k et h ed a t am a n a g e m e n ta n di n t e g r a t i o nm u c hb e t t e r 、c o n d e n s et h ep r o d u c td e s i g n c y c l ea n dr i s et h ed e s i g np r e c i s i o nt h o u g hd e s i g n i n gr e p r e s e n t a t i v ep a r t i nc o m p u t e r i tc o u l da t s o g u a r a n t e e t h e d e s i g nq u a l i t y o fp r o d u c ta n de n h a n c et h em a r k e tc o m p e t i t i v ea b i l i t yo fp r o d u c t c o m p r e h e n s i v e l y k e yw o r d s ：i n t e g r a t i o md i g r a p h ：f u n c t i o n f o r mm a p p i n g ：c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o n , a n a l y t i c a lm o d e l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：盘至翌 日 期：2 ：! 笠：8 ： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盐n 导师签名：僻日 期：鲢l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 制造业是现代国家经济和综合国力的基础，是一个国家经济发展的重要支柱，是国民收 入的重要来源，龋方发达国家所走过的工业现代化历程充分证明了这一点 “。近年来，信息技 术的飞速发展，市场的全球化，结果导致了激烈的市场竞争，主要表现在客户需求不断变化、 产品生命周期越来越短、产品更新换代越来越快、产品质量更高、价格越来越便宜、技术含 量越来越高、服务越来越好。特别是中国在加入了w t o 以后所面临的挑战将更加激烈。当 今的市场竞争激烈、变化迅速，制造企业为了在竞争中求生存，必须尽力缩短产品开发周明 和提高产品质量【2 1 。如何使中国的制造业提升一个档次，制造业的信息化是必然的出路，也是 必须的出路，以信息化带动工业化，是具有中国特色的工业化发展道路。 1 2 课题的提出 制造业信息化的过程中产品的数字化设计是关键环节，主要是进一步强化二维c a d 的 推，。普及和三维c a d 的应用。实施二维c a d ，只是甩掉绘图板，而真正产品的创新设计需要 三维c a d 因为三维c a d 能进行结构设计、强度设计、外形设计以及优化设计等，没有= ：二维 c a d 就没有创新设计。但是，在三维c a d 也就是产品创新设计方面还比较薄弱。在三维 c a d 的推广应用方面，不够深入广泛。 目前应用的机械三维c a d 系统，就其功能确切地说，只支持机械零、部件几何形体的描 述和显示。即仅能描述零件结构的几何信息。对于设计意图、功能要求、装配关系等非几何 信息则无法表达，因此c a d 系统存在以下方面的不足【3 】： 仅能对零件结构的几何信息进行描述和显示，而不是进行设计【4 】； 设计参数与几何模型分离： 装配关系的描述只限于几何元素间的低级关联信息，零件之间缺乏内在的联系和装 配约束； 即目前的c a d 系统的产品参数模型、拓扑模型和装配模型仅具有对机械零部件的几何参 数、拓扑结构和几何装配进行描述和显示的能力。只能进行零件的几何建模、部件的几何建 模工作。在进行产品设计、部件设计或零件设计时，仅能进行几何参数的描述和显示是远远 不够的，产品的几何形态、参数的设计过程受到很多因素的制约，如工作条件、强度条件、 山东大学硕士学位论文 刚度条件、材料情况、可靠性条件等等，不能够满足这些条件，产品开发设计就无从谈起。 由于并行设计数据间关系复杂、修改频繁，c a d 系统的上述缺陷难以满足并行设计中对 修改的快速响应要求，更难以保证设计资料的完整性和一致性。 目前，产品设计开发人员面临诸多困惑和不便，主要表现在： 1 产品开发设计人员在进行产品设计时，必须进行强度设计和分析。目前一般采用有限 元分析的方法。但是，在产品开发周期、开发成本、开发工作量等因素的制约下，不可能对 产品的所有需要进行强度计算和分析的零件、部件都进行有限元分析计算。 2 对于不进行有限元分析的零件、部件的强度分析计算，绝大多数产品开发设计人员 都采用类比的经验推理的方法进行估计而并不进行认真的计算分析。这就造成了严重的后果， 许多产品的设计失误来源于此。 3 对于进行有限元分析计算的零件、部件，其载荷情况，边界条件等物理信息，是由 设计人员和分析人员用人工的方法确定的，为了确定力学模型数据，设计人员必须进行一系 列的力学计算分析，才能够确定零件或部件的载荷情况，边界条件，支撑条件等信息。对于 应用解析法解析强度计算和分析的零件来说，同样也必须进行载荷条件的确定分析计算。 这一切都在制约着产品开发设计工作的顺利进行和工作效率。 随着信息集成技术的不断发展，出现了很多种的集成方法，如c a d c a p p c a m 的集成， e r p 与c a d c a p p c a m 的集成及p d m 对多种数据的管理等。值的指出的是，无论是哪一种 集成，都不能够实现产品从设计到制造的所有信息的集成，都存在一定的缺陷。在产品的设 计阶段即用c a d 进行产品概念设计的阶段，由于c a d 系统自身的缺陷，即在零件的设计时， 没有考虑单个零件在产品中的受载荷情况及工程中非常关心的零件的强度、刚度等问题也没 有涉及。因此设计出的零件的设计应该说不能够完整的表达零件的信息，这样设计出的零件 是不正确的。 1 3 产品建模理论及研究现状 产品模型( p r o d u c tm o d e l ) 例是指给定产品在整个产品生命周期内所有各相关信息的逻辑 积累，它以产品数据的形式存储所有信息并提供存取和管理或操作这些数据的算法。这里 产品数据是指覆盖产品整个生命周期中的应用而全面定义的所有数据，包括为进行设计、分 析、制造、装配、检测和产品支持而全面定义零部件所需要的几何、拓扑、公差、关系、属 性、和性能等数据。产品建模就是要生成这些支持整个产品生命周期的产品数据，是产品开 第一章绪论 发节点的核心。目前，产品建模理论仍存在诸多不足，如如何支持创新设计的设计方法( 如 t o p d o w n 设计) ，如何建立与创新设计方法相应的约束求解机制等。 1 31 t o p - d o w n 及b o t t o m - u p 设计方法 t o p d o w n ( 自顶向下) 设计首先建立产品的概念描述，采用系统的约束描述或者与功能 对应的设计隐式描述，然后对这种描述进行分析，检查是否满足产品的设计要求；在此基础 上没计者利用c a d 系统不断细化零件的几何结构，从而保证零件结构满足产品的功能要求， 形成产品模型。模块化设计【6 】就是一种自项向下的建模设计方法。模块( m o d u l e ) 是一组同时具 有相同功能的相同结合要素( 如连接部位的形状、尺寸和联接件之间的配合或接触参数等) ， 而具有不同性能或用途甚至不同结构特征但能互换的单元( 如联结组件、部件或系统) 。模 块化设计思想以功能分析为基础，通过功能相同而性能、用途不同的各模块的互换，组合成 各种基型产品和变型产品。然而，模块化设计适应的产品有限，现有的实践工作还缺少有效 的理论指导，实现模块化设计与制造一体化的理论模型和关键技术还没有完全解决。 t o p d o w n 设计存在的主要问题是： _ 从概念设计阶段的功能模型到参数化设计阶段的结构模型的转化，是t o p - d o w n 设计 的最初演化阶段，目前缺少个实现这种演化的有效方法，即缺少实现产品功能到 结构的映射推理方法。 参数化结构模型转化成详细装配模型，是t o p d o w n 设计的第二个演化阶段。在这个 阶段，需要对工件尺寸、装配位置进行调整，以获得最终的理想结构，而目前缺少 一个在对零件尺寸、位置进行调整时，保持装配模型中的工程约束和尺寸约束的有 效方法。 b o t t o m u p ( 自底向上) 的设计方法是在整体方案已经确定的情况下进行的，设计人员在 设计中首先利用c a d 系统分别对各零件进行详细的设计，然后根据整体设计方案定义这些零 件之间的装配关系，形成产品模型。其模型并未包含产品功能和语义信息，因此基于几何模 型的设计方法很难维持几何元素之间的功能关系，它所建立的产品模型是不完善的。现在基 于特征的设计则为白底向上的设计建立完善的产品模型提供了新的基础。然而，现有的基于 特征的设计系统在应用中仍然存在一些局限性。首先系统提供的特征库是有限的，设计者 的设计意图难以充分体现；其次，这些系统所用的特征主要是面向加工制造的，从设计观点 出发构造产品模型的特征应该是产品的功能特征：再者，特征概念及特征表达的不同一页 山东大学硕士学位论文 给建立完善和统一的产品模型造成了困难。白底向上的设计方法不能完全表达产品的功能语 义，是种被动的设计方法，所建立的产品模型是一种静态的产品模型。 1 3 2 约束求解技术 这是目前机械c a d 的关键技术之一。设计本质上是一个约束满足问题，设计过程即是给 定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得满足设计要求的设计对象的细节【7 1 。设计 同时也是一个循环反复、不断渐进的过程，在设计周期中产品的几何模型被反复修改。没有 约束求解技术的传统c a d 系统只记录了产品的坐标和形位信息，没有设计约束信息，亦即只 存储了设计的最后结果而将中间的设计过程丢失。这样，即使一个很小的设计修改也往往会 导致对以前大量设计努力的放弃，因为设计的局部改动常常会引起整个模型的删除和重画， 不仅效率低而且难以保证设计约束的一致性。集成化要求c a d 支持设计的全过程，诸如基于 “t o p - d o w n ”的装配设计、动力学仿真等设计分析功能。约束求解技术解决的是机械c a d 模 型中的关系表达、求解和维护问题。其中，约束是对事物自由度的限制，而机械c a d 系统中 的约束类型有如下两种类型： ( 1 ) 工程约束：主要用于表达设计要求和设计过程，其主要特点是过程式表达。例如变截 距螺杆，它的设计要求是无法用几何约束表达的： ( 2 ) 几何约束：对几何实体自由度的限制，它实质上是几何实体之间关系的表达。 约束求解的主要方法有如下3 种： ( 1 ) 数值求解方法：这是一种面向非线性方程组整体求解的代数方法，也称为变量几何法 ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r y ) 。变量几何方法一般采用n e w t o n r a p h s o n 迭代法求解非线性方程绢。 优点是对所有的约束类型有统一的模型，循环约束可以通过约束方程组的联立求解得到处理， 也可以和工程约束联立求解。缺点是数值方法求解稳定性差，大规模方程组整体求解的速度 很慢，迭代初值与步长的选取影响算法的成败。 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能方法：该方法采用一个基于符号推理和操作的专家系统来 求解约束，建立了一个规则体系，将几何形体的约束关系用一阶逻辑谓词描述，存入知识库 中。系统从知识库中提取出有关信息，通过推理机逐步推导出几何细节。该方法具有基于规 则方法的优点，诸如几何知识清晰的表示，知识和处理的分离，规则库的可扩充性，而且完 全避免了数值算法的不稳定性。缺点是系统庞大、速度慢、无法处理循环约束等。 ( 3 ) 基于图论的约束求解方法：该方法用图来表达几何约束系统。图的顶点代表几何元素， 4 第一章绪论 边代表几何元素之间的约束关系。通过分析约束图推导出一系列构造过程，再根据这些构造 步骤来导出整个几何体。k r a m e r 的研究强调几何约束传播应具备良好的可解释性，指出“几 何约束满足问题的核心是实现约束的最大分解”，并提出某些不同应用领域的几何约束问题应 具有同样的内在机制，如参数化造型、参数化绘图、装配设计和机构仿真。由于推理过程基 于图论算法，因而理论严密，速度快，效率很高。 1 4 产品建模研究现状的总结 目前关于产品建模理论的研究在几何造型、特征造型、参数化设计、产品数据管理等方面 已比较成熟，能够比较好地描述零件级的数据模型，支持零件的设计。而对于描述产品的集 成化信息模型的研究，对于产品从概念设计到详细设计的整个设计过程的管理和控制的研究 等方面，还缺乏共同的理论基础和公认的实现策略，不能满足并行工程对产品建模技术的要 求，具体表现在： 1 缺乏一个能够描述产品的装配约束信息、设计参数及其约束信息、分析特征、装配操 作属性等信息的集成化产品信息模型。 2 缺乏支持自上而下、逐步细化、求解、循环迭代的产品设计过程的机制。 3 不能记录设计意图和设计过程无法通过设计过程的重演来进行复杂产品的变形设计 和修改。 4 产品的几何建模、装配建模与分析计算分离缺乏有效的信息集成。 根据目前产品建模缺陷，我们认为下一步产品建模的目标应满足以下几点： 1 产品信息必须具有唯一性，并且具有统一的语义，在各种设计阶段以“同一种语言” 交流。 2 产品信息要覆盖各应用领域的信息需求，集成的数据必须完整。 3 信息模型必须具有动态管理模式，因为各设计阶段的信息需随时修改，信息模型应能 及时反映动态设计结果。 因此，我们创建产品信息模型中的物理模型的目的在于建立完整的产品模型，并且这种模 型能够描述与产品装配体有关的信息。一方面能对产品设计进行全面的支持；另一方面为后 续的装配自动化和装配工艺规划提供有效的信息源，并对设计进行分析和评价。这样物理模 型能够支持产品设计的各阶段，对各阶段的设计数据进行有效、统一、动态的管理，能够使 设计信息进行更好的集成。 山东大学硕士学位论文 1 5 课题的意义及主要工作 1 5 1 课题的意义 为了解决目前c a d 系统对产品设计支持能力的严重不足的现状，我们认为，创造一种新 的，能够描述机械零、部件之间物理信息的计算机内部模型，与现有c a d 系统的几何模型、 拓扑模型特别是装配模型综合起来，便可以描述和记录机械零、部件的几何信息、拓扑信 患、装配信息以及产品的载荷等物理、力学信息。这种新型的c a d 系统就可以支持对产品 或装配体( a s s e m b l y ) 的描述和记录，支持产品部件、零件的强度设计及分析。基于装配的产 品信息模型中的物理模型这一概念正是为了有利于制造企业更好的进行信息集成而产生的。 通过对产品信息模型中物理模型的研究与开发应用，可以证明物理模型可以弥补c a d 系统的 不足，更好的进行数据管理和数据集成由于在这一过程中对典型零件的设计过程计算机化， 使得产品的设计周期大大的缩短。设计精确度大大提高，从而保证了产品的设计质量，能蟛 全面提高产品的市场竞争能力。 产品物理模型是我们在研究目前c a d 系统的缺陷后，为了解决过去单一结构的自动设计方 法提出，从来没有人从产品信息模型中的物理模型的概念上提出如此的理论和解决方法。 1 5 2 主要工作 i 提出了基于有向图和逻辑规则的层次性分析模型，使得产品定义不仅具有良好的图形 表现形式，又有严格的形式化描述，能描述真实世界存在的各种复杂关系，且形成的 模型可以方便地在计算机环境中实现。由于物理模型的分析模型采用了基于图论的统 一的数据结构和建模方法，实现了设计过程和信息的集成。 2 针对目前功构映射的缺陷，提出了基于功能面和功能联结的映射方法，并以功能目录 辅助设计的展开。 3针对设计过程频繁修改的问题，我们提出了动态调整可视化建模的理论和方法。 4提出了层次化的基于图匹配的约束求解策略，建立了设计参数的传播与继承机制、约 束网络的搜索与作用机制，既支持c a d 几何建模也支持分析模型的约束求解。 1 5 本章小结 本章介绍了产品模型的发展过程和趋势，总结了产品模型和建模理论的国内外研究和发 展现状，着重分析介绍了t o p d o w n 及b o t t o m u p 设计方法以及约束求解技术。通过对现存建 第一章绪论 模方法的研究，找出了现存方法在对产品设计、信息集成支持方面的缺陷，分析了支持产品 自上而下、逐步求精的设计过程对产品模型的信息需求，明确了我们创建产品信息模犁中物 理模型的目标，为物理模型中分析模型的深入研究指明了方向。 山东大学硕士学位论文 第二章基于装配的物理模型 2 1 基于装配的产品自顶向下与自底向上的设计方法 研究物理模型时需要其在功能上支持整个的产品设计过程，而单纯的自下而上的与自上 而下的产品模型在现阶段都无法完成产品的参数化设计。实际中，一方面，简单零件的参数 化三维几何造型和二维工程绘图技术日趋完善，为产品的参数化设计提供了基础，底层的设 计者可以利用现有的三维c a d 系统自下而上直接设计。另一方面，机械产品设计中大量的设 计工作是系列化产品设计或变型设计，企业对所设计的产品有较全面的设计标准、规范，产 品的设计者可以依据经验在原有设计的基础上，自上而下对产品进行总体的设计。因而， 综合概念设计与实体设计的混合模型是一种更合理与实用的模型。由于产品设计本身是一个 反复迭代、逐步求精的过程，因此基于c a d 系统的产品设计中，应该采用t o p d o w n + b o t t o m u p 反馈的设计方法，求解产品的功能方案，并且零件设计与装配设计结合进行。 产品t o p d o w n 设计+ b o t t o m u p 反馈的设计方法一般从功能和结构两个方面进行”。： ( 1 ) 进行功能分解即通过分析将总功能分解成一系列的第一级子功能，确定每个子功能的 参数，以及子功能间的相互关系。 ( 2 ) 进行结构设计即根据总的功能及各个子功能要求，设计出总体结构( 装配) 及确定各个 予部件( 子装配体) 之间的位置关系、联接关系、配合关系。位置关系、联接关系、配合关系 及其它参数( 如子功能参数) 通过几何约束或功能参数约束等求解确定。 ( 3 ) 对各个子部件( 子装配体) 功能进行功能分析，对结构进行装配性、工艺性等分析之后， 返回修改不满意之处，直到得到全局综合指标最优。 ( 4 ) 分别对每个部件进行功能分解和结构设计，直到分解至零件。 称这种设计方法为t o p d o w n + b o t t o m u p 反馈的设计方法，也就是从上到下的( 从上阶段 到下阶段的) 正向设计与下阶段对上阶段提出修改意见的反向设计相结合。这种设计方法完全 支持并行设计的思想。 t o p - d o w n + b o t t o m u p 反馈方法的设计过程一般为”。： ( 1 ) 从产品装配概念出发，根据给定的产品功能要求和设计约束，确定产品的大致组成和 形状，确定备组成零、部件之间的装配关系和相互约束关系。 ( 2 ) 根据装配关系，把产品分成若干部件或零件，在总体装配关系的约束下，同步地对这 些零、部件进行概念设计。其中所有在上一层装配体中的装配约束通过继承关系都将成为下 第二章基于装配的物理模型 一层装配体的设计约束。 ( 3 ) 在完成概念设计之后，根据各层次零、部件的各自装配约束关系，利用参数设计功能 对装配图以及零、部件进行并行的详细设计，如果在设计过程中发现与装配约束有矛盾，则 要调整不合理的装配约束，进行循环迭代设计。 ( 4 ) 产品设计过程结束后，生成产品的整套设计方案，记录设计过程，同时产生产品三维 实体模型和整套工程图纸。 由以上分析可以看出，产品的物理模型应建立在高层语义信息基础上，独立于产品的零 件几何模型。另外需要指出的是产品的设计过程是从概念设计阶段出发，逐阶段确定、求解 设计参数，直到详细设计阶段完全确定零件的设计参数。因此，在设计的过程中，设计参数 具有层次性。在概念设计、系统结构设计阶段主要是确定产品的功能、子功能、装配体间的 位萱、装配、运动关系的参数。这些参数是在这一阶段确定的，并最终体现在某一具体的零 件的参数上。因此进行参数的有效管理是物理模型能够支持t o p d o w n + b o t t o m u p 反馈设计方 法的核心，这种并行的产品设计方法是物理模型设计的主要设计机制。 2 2 基于装配的产品物理模型 目前流行的大部分c a d 软件信息模型功能方面存在很大的不足，只能进行零部件的几何 建模、只能描述和显示几何参数，对于产品开发而言是远远不够的，因为在产品的设过程中 还需要考虑强度条件、刚度条件等物理信息。基于装配的物理模型的提出能够从根本上解决 这一问题，在零件的设计过程中不仅考虑零件自身的设计信息，而且联系装配与约束，建立 零部件的物理信息模型，结合以上提出的设计机制，物理模型大体如图2 1 所示。 左边是产品设计的大体设计过程，机械产品的设计一般要经历用户需求分析、建立原理 方案、初始几何建模和零件详细设计、形成产品最终几何模型几个阶段，其中每个阶段的信 息是互通的。装配模型在产品的初始几何模型中提取零件的层次关系、装配关系等信息。提 交给物理模型进行存储，为以后零件的各种分析进行做准备。由图中可以看出，在设计过程 中所有的信息最终都有物理模型来记录和保存。而在产品的设计过程中有些信息可以由用户 交互输入，也就是属于用户的自定义部分。物理模型在整个的设计过程中作为核心的支持部 分，产品设计每阶段的信息与物理模型都有信息的交互，这样能够使产品的并行设计得以实 现。 山东大学硕士学位论文 图2i 产品的物理模型 产品物理模型的概念和技术，是总结了产品集成信息模型中的产品装配模型结构和实现技 术而提出的。 产品物理模型定义为：描述机械产品各装配体及零、部件的动力、载荷、使用工况、强 度、刚度分析方法模型及其它物理信息的计算机内部模型。即描述和记录机械装配体中零、 部件所传递的动力、备受载荷点的位置、载荷的性质、大小和分析方法等信息的数据结构。 物理模型支持产品设计的各个阶段。物理模型可以根据装配关系记录零、部件之间的约 束关系，根据设计约束上层参数的变化自动调整下层参数，并逐层传播参数的变化，将设计 过程映射成为结点间传递、反馈和调节设计约束的过程。在初始几何建模阶段，设计人员从 产品功能要求出发，在支持库中选用一系列的零件去实现产品的功能。我们可以使用物理模 型的支持库一典型零件库使设计人员快速描绘出产品的大体结构，进而设计出初步方案及 其结构草图，建立约束驱动的产品模型，同时物理模型收集产品的t 作状况信息和动力信息， 以支持后续设计过程。工作状况信息和动力信息有的是在确定了产品的规格参数进入开发设 计阶段就唯一确定了的，不随产品结构的变化而变化，有些则随着产品的结构的层次不同而 变化，这部分是结合产品装配模型中零部件的装配层次来确定的。在形成初始的装配体后， 利用装配模型可以取得产品或装配体( a s s e m b l y ) 的描述和记录，即取得装配层次和装配关 系信息此过程是通过与设计人员的交互对话和由c a d 的二次开发程序完成，进而支持产品 的详细设计。 在详细设计阶段，物理模型利用在装配模型收集到的信息，由用户提供必要的设计依据 0 第二章基于装配的物理模型 参数，产生零件的载荷信息，完成对零部件的强度或刚度分析，并确定在给定的设计条件和 所选择的工程材料及其性能的情况下的强度或刚度或变形的分析结果。详细设计阶段，装配 体被分解为各零部件，设计人员并行的对这些零部件进行细化设计细化设计过程中继承上 层设计的设计约束。各零部件设计完成后，即可替换原来的概念模型和装配模型，产生完整 的装配体。 物理模型特有的参数继承和反馈机制支持各个阶段的逐层反馈设计。装配设计莘u 详细设 计阶段如果发现设计参数不满足要求，则可以向上级申请进行修改，重新进行评定，直到的 得到满足功能要求的产品。 物理模型的支持库包括典型零件库、标准零件库、用户自建库和其它必须的数据库。典 型零件库完成对初始几何设计阶段的支持。标准库即标准零件库，方便设计人员的查询和支 持程序各个设计阶段。用户自建库是在物理模型完成详细记录产品设计信息，设计参数后保 存f 米的具有完整信息的模型为基于实例的设计( c b d ) 部分打r 基础。 2 3 本章小结 装配信息是产品t o p d o w n 设计的重要基础信息，t o p d o w n + b o t t o m u p 反馈的设计方法也 是以装配为基础的。这样的设计方法有效结合了几何模型和装配模型的信息。物理模型以装 配模型为基础引入计算和分析功能。从而实现了几何建模、装配建模与分析计算的信息集成。 山东大学硕士学位论文 第三章产品物理模型的分析模型 3 1 引言 产品设计过程是产品信息从抽象到具体、逐步细化、反复迭代的过程，它从需求分析开 始，经过功能定义、原理求解、结构设计和详细设计，最终得到满足市场需求的产品。在这 一过程中，首先要保证产品的功能要求，产品功能必须贯穿设计过程的始终，任何阶段、任 何部分的设计活动都应该围绕这个主题进行。因此，产品分析过程是一个基于功能的过程， 或者称为由功能驱动的分析过程f 叭。由于物理模型的建立是以对产品的功能分析为基础的， 所以产品的分析的核心是对产品功能的分析。 对产品功能的分析得方法已经有许多的研究成果。h u n d a l 、b y r n e i 0 1 和l y e n g a r “j 建立了基 于功能的设计系统( f u n c t i o nb a s e dd e s i g n ，f b d ) 。f b d 系统对零件的描述依赖于用户指定的 功能( 零件的输入输出量) 。f b d 系统在概念设计阶段是很有用的，但是没有考虑零件在几何 层次的信息交互。s c h m e k e 一2 】提出了符号化功能模型，产品的功能被分解为一些映射到标准 构件的功能的关系上。但是这一方法只能处理标准构件。r i n d e r l e 、h o o v e r 和f i n g e r i t 3 1 提出了 联结图的方法，这一系统优点在于处理混合系统( 如机电液耦台系统) ，使用了统一的符号描 述和数学方法。但是却不能用来表达详细设计后的零件功能，也没有考虑几何因素。g u i 和 m a n t y l a 提出了行为建模理论，用以描述部件之间的关系，着重于描述部件之间的关系。 然而，以上工作都忽视了集成，即应对产品功能的建模、表达和分解为一种实用和统一 的格式，可以用在概念设计和详细设计阶段，解决公差合成，可制造性、可装配性等问题。 而且也没有建立对产品功能多视图特性的支持。这使得已有的系统不能由于对设计支持的真 正推广和使用。总结已有系统的三大缺陷为： 1 缺乏对产品多视图特性的支持。对产品功能的分析需要从多角度进行，如逻辑关系 作用关系、物理关系等； 2 没有把概念设计和详细设计的统一起来，即在概念设计阶段建立的产品功能分析的 结果没有有效应用到装配建模和几何建模上去，即没有实现功能一结构的映射。 3 领域局限性。多数的已有系统不能有效处理耦台系统，如机电液耦合系统。不能适 应设计进展的现状。 3 2 基于功能的产品定义 第三章产品物理模型的分析模型 任何机、电、液及其耦合系统，存在能量、物料或信息流的转换，可表示为图3 1 中， 黑匣子包含了转换输入成为输出必要的所有功能，它与外界通过系统边界来分隔。系统边界 是概念化边界，通常用来确定产品的功能。系统与外界环境通过输入量和输出量而发生联系。 系统又可以分为若干个子系统，其中输入输出量跨越系统边界1 。 图31 能量流、物料流及信息流 功能是一个系统的输入与输出之间，以完成特定用途为目的的相互作用关系。系统的输 入与输出是通过功能转换米完成的。对于一个复杂的系统可以分解为若干复杂程度较低的子 功能单元。功能单元的定义和划分在产品功能模型的建模过程中占有很重要的位置，直接关 系到产品的可扩展性。好的功能单元划分可以实现产品的模块化，系列化，大大延长产品的 生命周期。系统功能单元的划分和设计是不可分割的。 给出产品的e x p r e s s 描述： e n i t t y ：p r o d u c t l d ：i n t e g e r ；幸唯一标识+ n a m e ：s t r i n g ；，幸产品名称+ i n p u t s ：i n p u t = p 产品输入信息