（机械设计及理论专业论文）基于物理模型的产品设计过程管理.pdf

山东大学硕 士 学位 论文 捅姜 随着经济的全球化和制造的全球化，制造企业为了在激烈的市场竞争中占有 一席之地，必须在保证质量的前提下，尽量缩短产品研发周期。现有的产品建模 和设计方法在以下方面存在不足：1 仅仅能描述几何信息，而产品设计过程受到诸 多非几何因素的制约；2 忽视了设计过程经验的利用。在研究了国内外现有的建模 理论后，我们提出了产品物理模型的概念。它不仅可以描述和记录机械零、部件 的几何信息、拓扑信息、装配信息而且还能描述产品的载荷、强度、刚度等物理 信息。在物理模型基础上进行设计过程的管理则是对产品设计理论的一个突破。 本文旨在建立一个基于产品物理模型的设计过程管理体系，通过对产品设计过程 中的相关设计信息全程记录与有效管理，实现设计经验的利用。课题在c a d 软件 p r o e n g i n e e r 平台上进行开发。通过对系统的开发和工程实例的应用，可以证明 基于物理模型的设计过程管理体系有助于实现设计经验重用，有助于缩短产品研 发周期，提高企业的市场竞争能力。 本文分六章层层展开。详细介绍了产品物理模型，设计过程中物理模型的工 作原理以及物理模型设计过程的管理利用。并通过工程实例介绍了原型系统的实， 现。第一章主要介绍了课题提出的背景，分析了现有设计理论和方法的不足，指 出了它们在信息集成、利用方面存在的缺陷，明确了产品物理模型方法的优点， 在此基础上提出了课题研究的主要问题设计过程的管理利用，并安排了全文 的工作；第二章介绍了产品物理模型，包括物理模型的定义、体系结构、数据结 构、模块化组织和基于物理模型的产品设计流程；第三章介绍了产品设计过程中 物理模型的工作原理，包括初始模型的建立，附加关系的定义，初始信息的读取， 零部件的设计和装配替换，其中重点是设计信息的读取；第四章介绍了物理模型 设计过程管理利用，重点放在了设计过程的存储，另外对设计过程的查询以及基 于设计过程管理的产品再设计问题也进行了研究；第五章通过原型系统在工程实 例减速箱设计中的应用介绍了基于物理模型的产品设计过程及设计过程的管 理利用，进一步验证了课题的可行性。论文的最后对课题进行了总结和展望。 关键字：物理模型，设计过程，装配树，过程标识 山 东大学硕 士 学 位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i ca n dm a n u f a c t u r i n gg i 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 e sm u s t e n s u r eq u a l i t yi nt h ec o n t e x to fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt os h o r t e np r o d u c tc y c l ef o r f i e r c ec o m p e t i t i o ni nt h em a r k e tp l a c e b u tt h ep r o d u c td e s i g n i n gm e t h o d sa n dm o d e l i n gi i l e x i s t e n c eh a v es o m cd e f i c i e n c i e s ，s u c ha s ，1 t h e yc a l lo n l yd e s c r i b eg e o m e t r i ci n f o r m a t i o n , b u tt h e d e s i g n i n gp r o c e s si s i n f e c t e db ym a n yn o n - g e o m e t r i c a lf a c t o r s ；2 t h e yi g n o r et h eu t i l i z a t i o no f d e s i g n i n ge x p e r i e n c ew h i c hj sg a i n e dd u r i n gp r o d u c td e s i g n i n gp r o c e s s h a v i n gs t u d i e da tt h e e x i s t i n gm o d e l l i n gt h e o r y , w ep u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fp r o d u c tp h y s i c a lm o d e l s i t w i l ln o to n l yd e s c r i b ea n dr e c o r dm e c h a n i c a lp a r t s ，t h eg e o m e t r i cc o m p o n e n t so f i n f o r m a t i o n ，o r d e ri n f o r m a t i o n ，p r o d u c ta s s e m b l yi n f o r m a t i o nb u ta l s od e s c r i b e dt h e l o a d , i n t e n s i t y , r i g i d i t y , a n do t h e rp h y s i c a li n f o r m a t i o n i nt h ep h y s i c a ld e s i g np r o c e s s b a s e dm o d e l so fm a n a g e m e n tt h e o r yi sab r e a k t h r o u g hi np r o d u c td e s i g n t h i sa r t i c l e a i m st oe s t a b l i s hap h y s i c a lm o d e lb a s e do nt h ep r o d u c td e s i g np r o c e s sm a n a g e m e n t s y s t e m ，t h r o u g ht h ee f f e c t i v em a n a g e m e n to fr e c o r d sf o rp r o d u c td e s i g ni n f o r m a t i o n r e l a t e dt ot h ed e s i g np r o c e s s ，i tw i l lr e a l i z et h eu s eo fd e s i g ne x p e r i e n c e p r o j e c ti s s d u d i e do nt h ep l a t f o r mo fc a ds o f t w a r e p r o e n 舀n e e re n v i e n r e n m e n t t h r o u g h e x a m p l e so ft h es y s t e md e v e l o p m e n ta n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，w ec a n a t t e s tt ot h e d e s i g np r o c e s sb a s e do nt h ep h y s i c a lm o d e lm a n a g e m e n ts y s t e mc o n t r i b u t et ot h e a c h i e v e m e n to fd e s i g ne x p e r i e n c ei ni m p o r t a n tp o s i t i o n s s h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l e s ，a n dt h e i rm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s si si m p r o v e d t h i sp a p e ri s d e v e l o p e di n6c h a p t e r s t h ed e t a i l e dp h y s i c a lm o d e l s ，p r o d u c td e s i g n p r o c e s sa n dt h em a n a g e m e n to fd e s i g np r o c e s sf o rp h y s i c sm o d e l si si n t r o d u c e d t h e r e a l i z a t i o no fp r o t o t y p es y s t e mi si n t r o d u c e db ye x a m p l e so fp 凇- t s c h a p t e rl i n t r o d u c e st h es u b j e c tb yt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d s i n a d e q u a t e ，a n dp o i n t so u tt h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n , u t i l i z a t i o ns h o r t c o m i n g s ，a n da p r o d u c to fp h y s i c a lm o d e l l i n gm e t h o d sm e r i t so nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hp r e s e n t e d m a j o rp r o b l e m s t h em a n a g e m e n ta n d u t i l i z eo fd e s i g np r o c e s sa n do r g a n i z a t i o no ft h e t e x t ；c h a p t e ri ii n t r o d u c e dp r o d u c t sp h y s i c a lm o d e l s ，i n c l u d i n gp h y s i c a lm o d e l s d e f i n i t i o n , a r c h i t e c t u r e ，d a t as t r u c t u r e ，o r g a n i z a t i o na n dm o d u l a rp r o d u c td e s i g np r o c e s s b a s e do np h y s i c sm o d e l s ；c h a p t e rl l ii n t r o d u c e dt h eo p c r a t i n gp r i n c i p l e so fp h y s i c s m o d e l si nt h ep r o d u c td e s i g np r o c e s s ，i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ei n i t i a lm o d e l s ， a d d i t i o n a lr e l a t i o n sd e f i n i t i o n ，t h ei n i t i a li n f o r m a t i o nr e t r i e v a l ，t h ed e s i g na n da s s e m b l y l l 山东大学硕 士 学位论文 o fr e p l a c e m e n tp a r t s ，w h i c hf o c u s e so nt h ed e s i g no fi n f o r m a t i o nr e t r i e v a l ；c h a p t e ri v i n t r o d u c e dt h eu t i l i z ea n dm a n a g e m e n to fp h y s i c a lm o d e l l i n gp r o c e s s ，f o c u s i n go nt h e s t o r a g eo f t h ed e s i g np r o c e s s ，a s i d et h ei n q u i r yo fd e s i g np r o c e s sa n dp r o d u c tr e - d e s i g n b a s e do nt h ed e s i g np r o c e s sm a n a g e m e n ti sa l s oc o n d u c t e d ；c h a p t e rvi n t r o d u c e dt h e d e s i g no ft h ep r o d u c td e s i g np r o c e s sa n dt h ed e s i g np r o c e s su t i l i z ea n dm a n a g e m e n tt h e o fp h y s i c a lm o d e lt h r o u g hp r o t o t y p es y s t e mi nt h ew o r k s ，v a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo f s u b j e c t f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e sas u m m a r i z a t i o n t ot h et h e m ea n d g i v e sa n e x p e c t a t i o n k e y w o r d s ：p h y s i c a lm o d e l ，t h ed e s i g np r o c e s s ，t h ea s s e m b l yt r c c ，t h es i g no fp r o c e s s 1 1 1 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：1 蛰盛纽 日 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：酱啦导师签名：趟日期：塑羞上! 夕 山 东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题提出的背景 “一个国家的人民要生活的好，就必须生产的好”【1 l 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。因为 现代社会的大部分物质财富都是制造出来的，西方发达国家所走过的工业现代化 历程充分证明了这一点【2 1 。近年来，信息技术的飞速发展，促使形成了一个统一的 全球市场，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。信息化时代来临之后，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和提高产品质量，以优良的性能价格比参与 竞争1 3 】。而利用先进的理念和技术的指导，开发出适合企业应用的设计系统。成了 解决问题关键之所在，产品全生命周期物理模型这一先进的产品设计理念就是在 这个背景下提出的。而基于产品物理模型的设计过程的管理必将推动这一理论发 展与完善。 1 2 目前主要的产品设计理论及不足 为了更好地了解课题的提出，现在对目前产品的主要设计理论及其存在的不 足介绍一下： 1 2 1 模块化设计 模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同而性能用途不同的各模块的 互联组合而实现各种基型产品和变型产品。 模块化设计包括模块的创建和模块的综合两个过程。模块创建包括功能模块 的划分过程和功能模块的结构设计过程；模块综合则是根据具体设计要求，进行 功能分解，并从模块集中选择合适的模块实现分解功能，并最终将分功能模块组 山东大学硕士学位论文 合形成产品。 模块化设计可以使产品的设计、制造周期大大缩短，降低成本且提高产品的 质量，并可使产品具有很大的灵活性和适应性；能快速响应用户的多品种、小批 量的需求，使产品具有很强的市场竞争力。 但是，模块化设计是建立在模块的定义和组织管理基础之上的，其对特定产 品的模块的划分不是随意的，而且一模块与另一模块之间的装配关系是预先确定 的，也不能随意改变，因而这也就限制了其使用范围。它适用于机床等行业中产 品功能基本相同，但多品种的产品设计。使用这种设计方法不可能建立一种通用 统一的设计环境或适应于较大范围的产品设计 4 - s l 。 1 2 2 特征设计 特征技术是为克服传统c a d 系统的缺陷，为了c a d c a m 集成的需要提出 的l “。 传统的c a d 系统的产品建模方法是几何建型，是基于形体的几何尺寸的造型 方法，它们的模型都不包括诸如定位基准、公差、表面粗糙度、加工装配精度及 材料等工程信息，因而只是产品的几何表达，不能满足产品设计及加工的要求。 特征设计是面向设计和制造的全过程，它是以几何模型为基础并包括零件设 计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。它允许设计者通过组合常见 形体，如：槽、筋、凸台、键槽等来完成产品的设计，而不是使用抽象的几何点、 线、面。系统提供了用不同属性值实例化特征的能力，而且一般常用的形状特征 由系统设计者以特征库的形式提供给用户，且许多系统允许用户用自定义特征扩 展系统特征库。 特征技术的发展给产品的设计提供了一种手段，用户通过对一系列特征的实 例化和特征的自动维护达到产品的设计的目的川。 但特征技术存在许多问题：设计人员在设计时必须采用系统预定义的特征来 设计产品；特征设计使概念设计、技术设计完全受制造方法的限制；特征设计用 于变型设计时，一般和参数化设计方法结合，但特征间的交互作用对特征的影响 和设计过程中特征的有效性的维护，都是这种变型设计方法的致命缺陷。从根本 上讲特征设计是零件级的设计，特征设计无法支持概念设计和自顶向下的设计方 山东大学 硕 士 学位 论 文 法，不支持产品设计的全过程。 1 2 3 参数设计和变量设计 参数设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺 寸关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设 计结果的修改受到尺寸驱动。生产中最常用的系列化、标准化设计就是属于这一 类型。 变量设计中，设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程组 来确定产品的尺寸和形状。约束可以是几何关系，也可以是工程约束，约束结果 的修改受到约束方程驱动。 参数设计和变量设计适用于产品的初始设计和定型产品系列设计，使产品的 设计图纸可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改i i 。 在变量设计中必需着重考虑的是约束满足问题f c s p _ c 0 n s t r a i n ts a t i s f a c t i o n p r o b l e m ) ，而设计一个高效的约束求解器则是变量设计的难点。目前国内外基于约 束的变量设计方法的实现方案主要有：数值约束求解方法迭代法、基于规则的几 何推理方法、基于图论的约束求解方法和基于构造过程的方法【埘。 目前变量设计是c a d 系统研究的重点，其目的是为快速修改设计结果提供一 个强有力的工具，但因为表达的信息量小、约束的多样性和处理工程约束的复杂 性，使目前的变量设计系统无法完全解决设计中存在的问题。 1 2 4 装配模型设计理论 目前的c a d 系统建立了产品的完整的几何模型，这种建模方法是从零件的建 模开始的，以完成零件的拼装形成整个产品几何设计为最终目标。这种方法一方 面是一种自底向上的建模方法，同时也难以表达产品的功能信息、装配信息等设 计者的设计意图，因为产品的功能不是由单个零件表现出来的，而是由不同零件 的组合即装配体实现的f 1 1 】。因此装配模型是提供和维护产品功能设计意图的关键。 装配建模即是装配模型的建立过程，旨在建立完整的描述产品装配信息的数据模 型，以期不仅可以表达零件的几何模型，而且可以通过表达零件之间的装配关系， 反映整个产品的功能要求和设计者的设计意图1 1 2 1 。 山 东大学硕 士 学位论文 常用的描述零件及零件之间装配关系的数据模型有两种： 关系模型：主要用联接图方式来表现零件之间装配关系，在联接图中，节点 表示零件，联接弧表示零件间的装配关系( 主要是坐标变换) 【1 3 】。 层次模型：以关系模型为基础，增加零件的安装顺序约束，可得到装配层次 模型，零件子装配体和装配体之间形成层次关系，装配分析和设计分析以子装配 体为研究对象【1 4 】。 但这两种数据模型表达的设计信息仍然十分有限，只表达了零件之间的装配 位置关系，无法从这些关系中获取更多的产品的功能要求和设计者的设计意图。 装配模型是人们为了提高c a d 的智能水平和为支持设计过程的较高层次而提 出的，它比较符合人们的自然设计过程，同时也是一种良好的设计方法，近年来 国内外对装配模型及建模方法进行了深入的研究，但至今仍未形成完整的理论体 系和实用的建模手段，目前的c a d 系统也无法支持装配建模。 1 2 5s t e p 产品模型 国际标准化组织( 1 s o ) 为产品数据交流制定了称为s t e p ( s t a n d a r df o rt h e e x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 的规范。s t e p 是工业自动化中关于产品描述的标 准，用于计算机自动化处理产业部门、商贸部门中有关产品的信息，包括产品的 技术性能、生产制造工艺、结构形状等属于产品全生命周期中全部的相关信剧1 5 i 。 因此，根据s t e p 发展的信息系统技术，将可包容现有的产品概念设计、工程设计、 生产制造、产品维护等全部工程文档的内容。不仅如此，还可以做到使企业内外 各方面人才，根据需要及时准确地获取、交换产品数据信息。也可以对产品数据 的不同版本，甚至不同c a d c a m 系统生成的产品数据进行长期地保管、维护 尽管s t e p 发展的不是很完整，但是s t e p 为计算机辅助工程应用中不同应用系统 之间的数据交换提供了方法。它的目的是为所有的工程应用系统提供完整的信息， 不仅是几何的还由非几何的一些辅助信息。因此，s t e p 是当今信息时代中产业现 代化的一项战略性的基础技术与标准【1 6 l 。一方面，s t e p 提供了计算机可处理的产 品描述规范、方法、工具与信息构成标准部分。另一方面，s t e p 不仅从方法论和 实现技术上提供了不同应用系统间交换共享产品数据的途径，也是开发新一代应 用系统的基础。s t e p 提供了发展新一代c a d c a m 系统以及其他应用系统的方法、 4 山 东大学硕 士 学位 论文 工具和应用协议。可以做到面向数据共享级水平上的信息集成。 但到目前为止，s t e p 还是一个尚在研究和发展中的标准，不少部分还很不成 熟。这一方面是由于s t e p 所涉及的内容复杂，更重要的原因是与标准有关的很多 技术还不成熟，所以，s t e p 的定制工作本身也意味着产品建模和数据交换技术的 研究和发展。 1 2 6 基于实例推理技术的设计理论 在设计中引入实例推理技术( c a s e - b a s e dr e a s o n i i l g _ t b r ) 是势在必行的。近 年来国内外的研究实践也充分地证明了这一点。 c b r 核心思想之一就是重用过去设计中的经验解决新的设计问题。c b r 最早 由s c h a n k & a b e l s o n ( 1 9 7 5 ) 提出【1 7 1 。它是一个包括实例检索( r e t r i e v e ) 、实例重用 ( r e u s e ) 、实例修改( r c v i s c ) 、实例存储( r c t a i l l ) 四个环节循环过程【1 8 】，如图1 - 1 所示。 c b r 先从实例库中检索出与当前问题类似的以往问题的解决方案，称为实例，再 以此为出发点，综合运用领域知识、推理技术帮助设计师不断交互修改该实例直 至产生能够解决当前问题的新方案；最后将评价合格的新方案作为实例存入实例库 中【1 9 1 。 p r o b c o n f i i * l 帕ds o l u t i o np r o p o e e d6 0 l u t i 舶 图1 - 1 基于实例的推理过程 国外在研究c b r 技术应用于设计时，主要集中在建筑设计领域，形成了一些 商用系统，也有应用于机械设计方面的，但至目前仍未有成熟的软件。国内在实 例推理技术的研究应用方面处于引进学习和研究阶段。 国内外有关实例推理技术应用于设计中的理论研究和实践，均没有很好地解 5 山东大学硕士学位论文 决实例修改这一难题，所有这样的研究和实践可以分为两类：一是设计支持系统， 这样的系统只是一个浏览器，提供给设计者众多设计实例，并按新的设计要求自 动选择一些实例提供给用户选择，但是实例的修改是由用户和系统交换完成的。 另一类是自动设计系统，希望找到一种系统自动修改实例的方法，这是相当困难 的。 总之，以上述及的设计理论和方法，不同程度地解决了设计中一些重要问题， 但不足之处也是很明显的。归纳起来，存在的缺陷如下： ( 1 ) 缺乏一个能够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、刚度分析方法及其他物理信息的设计方法，仅能对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。 ( 2 ) 不能记录设计意图和设计过程，忽视了设计过程经验的重用。基于实例 推理技术强调了知识重用，但这一过程中，开发人员面对的仅仅是设计结果，至 于为什么是这个结果，产品的设计过程是怎样的，再设计过程中如何避免以往设 计过程中所犯的错误，c b r 就无能无力了。 ( 3 ) 无法充分利用企业的现有资源，设计的结果往往使企业的资源空间呈膨胀 趋势，这必将造成资源的浪费、成本的增加和生产效率的低下。模块化设计和基 于实例推理技术的交型设计方法有解决这个问题的可能性，但尚缺少行之有效的 实施手段： ( 4 ) 缺少一个有效的支持设计的人机协作的环境。 1 3 本课题主要工作及提出的意义 1 3 1 课题的提出 为了解决当前设计理论及方法的不足，为了更有效地支持产品的设计，并对 产品的数据和设计经验进行有效管理及利用，以物理模型为基础，我们提出了基 于物理模型的设计过程管理这一理念，并在物理模型数据管理的基础上建立了设 计过程管理体系。 本课题以大型c a d 软件p r o e n g i n e e r 为开发平台，利用v c + + 、p r o t o o l k i t 山 东大学硕 士 学位 论 文 等强有力的开发工具，结合先进的数据库技术s q ls e r v e r ，对课题的主要工作进 行了研究。 1 3 2 课题的主要内容及工作 课题的开展基于产品全生命周期的物理模型，本课题是我们在研究当前产 品设计理论和方法缺陷后，充分利用物理模型的强大的功能模块提出的。本课 题的主要内容有： 1 ) 研究国内外产品建模理论的研究现状，分析各种建模理论的贡献和不足， 提出了一种新型的产品信息组织模型一物理模型。研究和分析物理模型数据 结构、内容、功能，确立物理模型的设计目标，建立物理模型的组织方式、 总体结构及系统实现方式等。 2 ) 提出将产品的整个设计过程进行管理利用，建立产品设计过程管理系统， 设计过程数据的存储结构； 3 ) 对基于产品物理模型设计过程管理的设计重用问题进行了探讨； 在整个课题的研究过程中，主要做了以下工作： 1 ) 对物理模型进行了深入的研究工作，完善了其数据结构，实现了与三维设 计软件p r o e n g i n e e r 的高度集成，充分利用了p r o e n g i n e e r 内部数据信息。 2 ) 对物理模型的典型零件设计模块进行了完善。 3 ) 完成了物理模型各个模块的集成，实现了设计过程的有效利用。 4 ) 完成了物理模型产品设计过程管理系统的开发。 5 ) 开发出可以用于工程实例的原型系统。 1 3 3 课题研究的意义 在信息化受到全球重视的环境下，产品设计过程的管理利用作为制造企业实施 信息化的重要组成部分，既具有战略意义，又具有现实意义。产品全生命周期物理模 型的提出有效解决了现有设计理论的不足。而基于物理模型的设计过程管理理念 7 山东大学硕士学位论文 的提出，丰富了物理模型的内涵，它能使开发者从一次次选择、推理、计算的重 复劳动中解放出来，大大提高产品开发的效率，缩短研发周期，并能实现产品开 发经验的积累。这一设计方法是综合了当今先进设计方法的优点，在先进的设计 模型产品物理模型的基础上提出的，将大大推动机械设计领域的发展。 8 山东大学硕士 学位 论 文 第2 章产品物理模型 2 1 产品物理模型的产生 目前的c a d 系统只能对零部件进行几何建模，只能描述和显示几何参数，拓 扑结构和几何建模，这对于产品设计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，材料，可靠性等物理信息。基于装配的产 品物理模型的提出能够从根本上解决这一问题它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。 在介绍产品物理模型之前，先介绍一下装配模型的层次和装配关系。 2 2 装配模型的层次和装配关系 大多数的商业性的模型系统是面向零件的，对装配的信息只是进行了简学性一。靠 的涉及【冽。而物理模型的建立需要由装配的信息作为基础，因此，需要完整地建 立装配模型。我们要求的面向设计的产品装配模型是描述装配体中装配层次、装 配关系的数据结构，它支持产品从概念设计到详细设计的过程，它是物理模型创 建的基础，是产品开发及支持设计灵活变动的强有力工具。面向设计的产品装配 模型描述的内容： 机械零、部件之间的层次关系( 装配体、部件、零件) 机械零、部件之间的装配关系 2 2 1 装配模型层次关系描述 装配体可以分解成若干个子装配体或零件，子装配体又可以进一步分解成若 干个子装配体或零件，由此表现出层次性。表现在装配次序上就是先由零件组装 成装配体( 部件) ，再参与整机的装配。产品零、部件之间的这种层次关系可以直 观地表示成如图2 - 1 所示的装配树。树的根节点是装配体( 即最终的产品) ，叶节点 是组成产品的各个零件，而中间节点则是子装配体。 9 山东大学硕士学位论文 装配树的层次关系也体现了实际形成产品的装配顺序。另外，装配树形象地 表达了产品、部件、零件之间的父子从属关系，即产品包含部件和零件，部件也 包含部件和零件，零件属于部件和产品、部件属于产品和部件。 装配模型层次关系用e x p r e s s 描述时节点( 即装配体、子装配体和零件) 用一 个实体( e n t i t y ) 描述，装配体和零件作为一般意义上的产品定义的子类，其一般产 品信息定义为一个超类实体。 图2 1 产品的层次结构 2 2 2 装配模型装配关系描述 根据机械知识产品装配关系可以分为三类： ( 1 ) 定位关系。定位关系是两个几何特征之间的约束关系，分为平面贴合、平面对 齐( 同向) 、直线对齐( 共线) 、柱面贴合、相切、点面接触等类型。通过定义零件几何元 素之间的定位关系能够描述装配体中零件的空间位置和配合关系【2 ”。 ( 2 ) 联接关系。联接关系是两个零、部件通过其他零件约束若干个自由度的关系， 分为螺纹联接件、键和花键、销、联轴器等类型。联接件一般是标准件，如果预先建立 其模型库，设计过程中就可以随时提取其模型圈。 ( 3 ) 运动关系。运动关系是零、部件之间可以相对运动的关系，分为相对运动 和传动两类。相对运动关系包括旋转运动( 如轴承) 、平面运动( 如导轨) 等。传动 关系包括齿轮传动、皮带传动、链轮传动和螺旋传动等类型【矧。 图2 2 为装配体中装配关系的示意图。 l o 山东大学硕 士 学位论文 图2 - 2 装配关系 2 2 产品物理模型的定义 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、刚度分析方法及其他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、各受载荷点的位置、载荷的性质、大小和 分析方法等信息的数据结构。 物理模型是在装配模型的基础上建立的，由于装配模型在上述信息的描述不 足，物理模型在结构上和数据信息方面都有很大的改进，并以类型映射关联整个 过程，物理模型利用装配模型的层次结构，可以实现对几何位置、连接关系、运 动关系、传动关系、公差配合、装配操作的合理描述和组织，实现载荷信息的分 配、强度刚度的计算分析、并可以把正确的结果反馈，实现参数驱动和装配替换。 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【2 4 1 ，其中每个阶段的信息是互通 的。我们用装配模型在产品的初始几何模型中提取零件的层次关系、装配关系信 息，导入物理模型进行存储，为以后零件的各种分析进行空间位置定位。设计过 程中所有的信息最终都要读入物理模型进行设计分析校核。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。产品设计每个 阶段的信息与物理模型都有交互，这样能够使产品的并行设计得以实现。 1 1 山东大学硕士学位论文 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，根据设计约束由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。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工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，这一过程是通过与设计人员的交互对话和由c a d 的二 次开发程序收集完成，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，即可替换初始装配模型，重新生成完整的装配体。 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 计和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，直到得到满足功能要求的产品。 2 3 产品物理模型的体系结构 根据上面的论述，可以总结出基于装配模型的物理模型的体系结构，如图2 - 3 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 - 3 产品物理模型的体系结构 图中表示了物理模型设计的大体系统结构图。由于物理模型支持产品设计的 各阶段，而最终体现在支持产品中的所有典型零件的设计过程。在这一系统结构 中以物理模型和p r o e 建模为核心，所有典型零件的设计在v c + + 中完成。 整个系统结构是在p r o e 建模系统平台上进行，主要以物理模型各模块在整个 产品设计过程中的应用为主线，为便于数据的互通，数据的存储使用s q l - s e r v e r 数据库，对产品设计过程中的数据采用统一管理。系统的工作方式为，产品设计 的每一过程与物理模型进行适时信息交互，包括数据的存储与读取，这种交互通 过存储数据的数据库来实现。 2 4 产品物理模型的数据结构 产品的物理模型主要记录产品设计中的非几何的设计参数，如产品的工况、 产品零部件载荷分析、产品的强度，刚度分析及产品的材料情况等物理信息。因 此我们可以把物理模型描述为基于装配模型的产品物理模型p m ( p h y s i c a lm o d e l ) ， 它是产品中基于所有零部件之间的装配关系分析物理属性的一种描述l “l 。产品物 理模型表示为： p m = ； 山东大学硕士学位论文 o b j e c t = o b j e c t1 ，o b j e c t2 ，o b j e c t n ) ；o b j e c ti 是产品的装配对象集，也就 是一个产品中的各零、部件。 p = p ( 1 ) ，p ( 2 ) ，p ( n ) ；p ( i ) 是产品的节点设计参数集。 w = k 1 ，k 2 ，k 3 ，) ；k ( i ) 是产品的工况分析特征集。 l = l ( 1 ) ，l ( 2 ) l ( n ) ) ；坳是产品的载荷特征集。 a = a ( 1 ) ，a ( 2 ) a ( n ) ；a ( i ) 是产品的强度、刚度分析特征集。 m = m ( 1 ) ，m ( 2 ) m ( n ) ；m ( i ) 是产品的材料分析特征集。 g l = g l ( 1 ) ，g l ( 2 ) ，g l ( n ) ；g u i ) 是产品的广义键集( g e n e r a l i z e d l i n k ) ，它是描述两个装配对象之间的所有装配关系的信息集。例如：轴承与轴的 装配中，装配时必须保证轴的外表面与轴承的内圈表面贴合、轴承孔轴线与轴的 轴线对齐，有时还必须保证二者的端面对齐，这些就是装配关系的信息集。规定 两个装配对象之间只能有一个广义键。每个广义键必须有相连接的装配对象。每 个广义键的两个装配对象之间可能包含一个或多个装配关系，几多重装配关系， 广义键集是装配模型描述的内容。图2 4 是机械产品物理模型的e x p r e s s g 图。 图2 4 物理模型简化的e x p 砌强s g 图 2 5 产品物理模型的模块化组织 产品物理模型系统运用模块化的组织方法，这样更有利于程序的开发。物理 模型由产品定义模块、装配模型模块、附加关系定义模块、初始信息读取模块、 1 4 山 东大学硕 士 学位论文 典型零件设计模块( 载荷分析、强度刚度分析) 、装配替换模块、参数设计模块和产 品设计总控模块组成，如图2 5 所示。 p r o e n g i n e e r 建模系统 物理模型 且珊鬈件谮廿擅协 阿 网i 鬈l i 警i 曩荷分叠度，喇 i 蓑羹i 刮誊萎ii 互萎鬟磊li 棱块 折 度分析 j 用户 圈2 - 5 物理模型的模块组成 其中产品定义模块由用户定义产品的相关信息，传递给装配模型进行数据记 录，以便数据向后传递分解。 装配模型模块主要是自动产生产品的装配层次，由装配关系形成产品的初始 装配树，形成产品的计算机内部数据框架。 附加关系定义模块对装配模型产生的装配层次进行合理的调整，使其产生更 加合理的设计流程，更加符合工程设计人员的设计习惯。 初始信息读取模块主要读取零件的相关尺寸、位置信息，为以后进行典型零 件的设计提供必需信息。 典型零件设计模块是产品设计的核心部分，因此最能体现物理模型的设计思 想，它主要包括载荷分析与零件的强度、刚度分析两部分。 装配替换模块在产品详细设计结束后运行，主要包括单个零件的替换及零件 替换后参数的逐级传播更新两部分。 参数设计模块主要对产品的参数及约束规则进行管理，在产品设计中设置必 要的约束，形成完整的产品信息模型，此模块是产品能够自动更新的基础。 产品设计总控摸块是物理模型系统设计的总控界面部分，它主要控制产品设 计的流程以及数据库的组织。 山 东大学硕士学位论文 2 6 基于物理模型的产品设计流程 根据前几节的介绍，物理模型支持产品从概念设计到详细设计的并行设计过 程，可以将基于物理模型的设计流程如图2 6 进行表示： 功能、概念设计阶段装配关系、约束建立阶段 设计 总控 模块 2 7 本章小结 i 一：蟊谳赢：夏三塑塑： 图2 6 基于物理模型的设计流程 i 本章首先介绍了物理模型所基于的装配模型包含的层次关系和装配关系，然后 给出了物理模型的定义，实现机理，明确了物理模型的数据结构。根据物理模型 在产品设计过程中要完成的功能，描述了物理模型系统的体系结构及主要功能模 块，在此基础上总结了基于物理模型的产品设计流程。 1 6 山 东大学硕 士 学 位论文 第3 章设计过程中物理模型的工作原理 本章我们主要对产品设计过程中物理模型的工作原理进行介绍。 3 1 初始装配模型的建立 由于物理模型的创建是基于