（机械设计及理论专业论文）基于广义优化的特征建模与有限元静态分析研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 内容摘要 p3 6 8 5 6 本文在分析了当前机械产品c a d 技术发展现状的基础上，( 针对其中存在的 一些问题，同时也是为了国家自然科学基金重点项目“机械系统广义优化设计理 论、方法和技术的研究”的需要j 主要进行了以下的几个方面的探索： ， 探求在广义优化软件系统的设计环境中，采用何种策略建立液压挖掘机工作 装置子部件的特征模型，以满足广义优化设计全系统、全过程与全性能的需 要。 概述了有限元特征建模中的四个重要方面：面向有限元的特征几何造型技 术、非几何特征建模技术、几何设计域到有限元分析域的特征映射技术以及 有限元修正与评价技术；在此基础上，提出了基于特征模型的有限元局部细 化分析方法。以液压挖掘机工作装置为研究对象，在 m s c p a t r a n n a s t r a n 有限元平台上，利用p c l ( m s c p a t r a nc o m m a n d l a n g u a g e ) 语言进行二次开发，实现了基于特征模型的有限元局部分析自动 化，可方便的集成到广义优化设计中。 一 提出了特征有限元子基准工况方法只需进行少量的有限元分析即可判断 出任意多组工况下的危险工况，利用有限元特征建模技术，实现分析的自动 化。以液压挖掘机的工作装置子部件为研究对象，详细探讨了此方法的实现 过程。本文提出的方法在工程实践中具有一定普适性，有广泛的应用前景。 提出了在广义优化平台与有限元分析平台上的多计算机分布式协同优化集 成框架；阐述了多机之间的一些协同策略：最后详细阐述了多机之间的集成 与协同的实现过程。溪间对提高集成效率问题以及自动化集成等关键技术问 题做了详细的探讨。目前，这种集成方法已用在液压挖掘机广义优化模型上， 优化的效率与结果都较为满意。， ，一 、 关键词：广义优化设计结构优化。 特征建模。优化建模 局部分析集成策略协同优化液压挖掘机 塑坚查兰堡主兰堡堡壅 一 a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gt h el a t e s td e v e l o p m e n to fc a di n t h er e a l mo fm e c h a n i c a l p r o d u c td e s i g na n dp o i n t i n go u tu n s o l v e dp r o b l e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o n i sf o c u s e do n t h o s ew h i c ha r ev e r yi m p o r t a n ti nt h er e s e a r c hp r o j e c t “r e s e a r c ho nt h et h e o r i e s ， m e t h o d sa n dt e c h n i q u e so fm e c h a n i c a ls y s t e mg e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o n ”t h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o ns u p p o r t st h i sp r o j e c t t h em a i nr e s e a r c hw o r k s i nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： t h er e s e a r c hi sf o c u s e do nh o wt oc o n s t r u c tt h ef e a t u r eo p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r s s u b p a r t s s u c ha sb o o m 、s t i c ko nt h e p l a t f o r m o f g e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o ns y s t e mi no r d e rt or e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no fe n t i r e s y s t e m ，o v e r a l lp e r f o r m a n c e a n dw h o l e p r o c e s s o f t h e c o m p l e xp r o d u c t f o u ri m p o r t a n t p r o b l e m so f t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g o nt h ef e a t u r ea r es t u d i e d t h e ya r e ：t h ef e a t u r eg e o m e t r ym o d e l i n gt e c h n i q u eo r i e n t e d t o t h ef e a ；t h e f e a t u r e n o n g e o m e t r ym o d e l i n gt e c h n i q u e o r i e n t e d - t ot h ef e a ；t h ef e a t u r e m a p p i n g sf r o m t h eg e o m e t r y d e s i g nd o m a i n t ot h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sd o m a i n ； t h em o d i f i c a t i o na n de v a l u a t i o n t e c h n i q u eo f t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b a s e do n t h ea b o v er e s e a r c h ，t h ea u t h o rp r e s e n t st h el o c a ls t r u c t u r a la n a l y s i sm e t h o db a s e d o nf e a t u r em o d e l m sm e t h o dh a sb e e np u tj n t op r a c t i c ei nt h eo p t i m i z a t i o no f t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e so ft h ee x c a v a t o re q u i p m e n ta n di t ss u b - p a r t s ，w h i c ha r e a u t o m a t i c a l l yp e r f o r m e d ，b a s e do nt h em s c p a t r a n 小a s t r a ns y s t e mw i t l l p c l ( m s c p a t r a nc o m m a n d l a n g u a g e ) 一t h e m e t h o do nt h ef e a t u r ef i n i t ee l e m e n ts t a n d a r dc a s e si sp r e s e n t e d ，w h i c ho n l y d o e sf e wf e at og e tt h ec r i t i c a lc a s ei nt h em a n yc a s e sa n dr e a l i z e st h ea n a l y s i s a u t o m a t i c a l l yb y t h et e c h n i q u eo ft h ef e a t u r ef i n i t ee l e m e n t m o d e l i n g t h ew h o l e p r o c e s si si nd e t a i ld i s c u s s e dt a k i n gt h es u b - p a r t so ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rf o r e x a m p l e t h i sm e t h o dw i l lh a v eaw i d e l ye n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n p r o s p e c t m u l t i c o m p u t e rd i s t r i b u t e dc o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g ya n di t ss y s t e m i c f r a m e w o r kh a sb e e np r o p o s e di nt h i s p a p e ri no r d e rt or e a l i z et h eo p t i m i z i n g i n t e g r a t i o n o ft h e c o m p l i c a t e d m e c h a n i cs t r u c t u r e b e t w e e n g e n e r a l i z e d 一 塑竖查兰堡主兰垡堡兰 o p t i m i z a t i o np l a t f o r ma n df e ap t a t f o r m s o m ek e yp r o b l e m ss u c ha sh o wt o i m p r o v et h ei n t e g r a t i o ne f f i c i e n t l ya n da u t o m a t i c a l l yh a v eb e e nd i s c u s s e di n d e p t ha n ds o m ee f f i c i e n ts o l v i n gm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e d t h i ss t r a t e g yh a s b e e nr e a l i z e di nc o n j u n c t i o nw i t hg e n e r a l o p t i m i z i n gm o d e l i n go ft h eh y d r a u l i c e x c a v a t o r t h eo p t i m i z i n gr e s u l ta n d e f f i c i e n c yi ss a t i s f i e d k e y w o r d s ： g e n e r a l i z e d o p t i m i z a t i o nd e s i g ns t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i r ea 1 ：u r em o d e l o p t i m i z a t i o nm o d e ll o c a lf e a i n t e g r a t i v es t r a t e g y c o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o n h y d r a u l i ce x c a v a t o r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：在参考了大量文献的基础上，首先对现代机械c a d 领域的相关技术如参数化、变量 化、特征建模、面向对象、有限元分析、优化设计、广义优化设计等技术以及相应的c a d 软件发展现状进行了概述：其次分析了我国液压挖掘机生产现状以及工作装置的研究现状及 存在的问题：最后提出了本论文的主要研究内容。 1 1 概述 1 1 1 机械产品设计进程 产品开发的过程通常要经历方案设计、技术( 结构) 设计、施工设计等阶段 【3 】，各阶段之间是层次细化、互相影响、互相重叠的关系，其中结构设计阶段是 连接方案设计与施工设计的桥梁，结构设计的过程与结果，结构是产品功能与原 理的载体，它的首要作用是满足产品及其零部件在功能与原理上的需要【4 】，是实 现产品性能指标的基础。要考虑和满足在施工设计中低成本与高质量的生产制造 要求。 机械设计有如下四种类型【l 】： 开发性设计：按照需求目标设计过去从未有过的新型机型。 适应性设计：在已有的原理方案基础上，为适应一变化的工作要求，对产品 的局部作适当的变更，或增加某种新部件，使产品扩大功能而满足新的使用 要求。 变型设计：保持已有的工作原理和功能结构不变的基础上，仅改变结构配置 和尺寸，按新的需要作新的布局或变更尺寸参数。 组合选型设计：根据原理方案要求，或在已有的部分结构基础上，按市场或 企业现有的零部件作选取，进行有效的组合，从而得到新的组合结构形式。 以上四种类型设计中，开发性设计难度最大，设计周期较长，其他三种设计 周期较短，开发中要根据实际情况，灵活选择设计类型。 机械产品的设计过程大致可以分为四个阶段： 可行性研究阶段：对产品的预期需要、工作条件和关键技术进行详尽分析， 明确任务要求，提出功能性设计的主要设计参数，并提出可行性方案。此阶 段对后面的设计过程起着指导性作用。 初步设计阶段：在确定设计任务后，根据任务要求寻求功能原理解，并作原 理方案的构思。此过程往往通过问题的抽象化，找出功能关系，拟定功能结 构，确定解决的途径。此阶段应从几种可行性方案中优选出最佳方案。 技术设计阶段：在设计方案的目标下，完成总体设计及零部件的结构设计， 即方案的结构化。 改进设计阶段：根据加工制造、样机试验、技术检测、使用操作、鉴定分析 和市场反馈信息等各个环节所反映出的问题，进一步对产品作技术改进或技 术处理，以确保产品质量与完善前期设计的不足。 1 1 2 现代机械c a d 技术发展现状 现代的计算机技术已经渗透到工业产品设计的每一个阶段，这使得传统的 设计方法发生了巨大的变化，计算机辅助设计( c a d ) 将计算机高速而精确的 运算功能，大容量的存储与数据处理能力，灵活的图形及文字处理功能与工程技 术人员的创造性思维能力及分析判断能力结合起来，大大改善了设计的质量，加 快了设计绘图过程，缩短了设计的周期。目前，设计中的大部分活动都可以用 c a d 技术来实现，但也有一些活动尚难用c a d 技术来实现，例如设计中的需求 分析与可行性研究等【3 3 】，设计过程与c a d 过程如图1 1 所示： 图1 - 1 设计过程与c a d 过程的关系 经过三十多年的努力，c a d 技术的广泛应用已经引起了一场工程设计领域 的技术革命，特别是近二十年来，由于计算机硬件性能的不断提高，c a d 技术 有了长足的发展。目前c a d 技术已经应用于许多行业，如机械、汽车、飞机、 船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。其中c a d 技术应用于机械类 产品设计的比例最大。当前机械c a d 技术中的几个最重要的研究领域为下面几 种。 1 1 2 1 参数化技术 参数化设计( p a r a m e t r i c ) 也叫尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) 不仅使c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。利用参数化设计手段开发的 专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，提 高设计速度，减少信息的存储量【2 】o 参数化技术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 浙江大学硕士学位论文 的关系。参数与设计对象的控制尺寸有显然的对应，设计结果的修改受到尺寸驱 动，所以也称为参数化尺寸驱动，参数化设计技术以其强有力的草图设计，尺寸 驱动修改图形的功能，成为初始设计、产品建模及修改系列化设计、多方案比较 和动态设计的有效手段p j 。 参数作为设计对象信息的描述，其内涵是非常广泛的，对于一个机械产品的 零部件设计而言，参数可以是： 基本形状特征：尺寸、公差、粗糙度等： 装配信息：装配基准、装配尺寸、装配精度等： 制造信息：加工工序、加工时间、实用机床与工卡量具等。 当前参数化技术的研究主要着眼于两个方面：参数化建模与参数化绘图。 参数化建模是指用一组反映设计对象特征的参数和约束来建立多自由度的 工程设计与绘图的理论模型。它的关键在于对工程约束的描述与求解。工程问题 的约束主要来源于三个方面：功能约束，它是对产品要实现的功能的描述；结构 约束，它是对产品结构的强度、刚度等的要求；制造约束是对加工资源和加工方 法的表达。参数化建模的过程就是如何把几何拓扑关系转化为用设计参数表达 的约束与目标的过程。 参数化绘图是指利用参数化绘图软件，根据设计对象参数化模型中的参数以 及这些参数所满足的几何约束与工程约束，建立参数化图形，通过对设计对象参 数的改变而相应地驱动几何尺寸与形状的改变。 国内外对参数化设计做了大量的研究，目前参数化技术大致可分为如下三种 方法【6 - 8 ： 基于几何约束的数学方法； 基于几何原理的人工智能方法： 基于特征模型的造型方法。 其中数学方法又分为初等方法( p r i m a r ya p p r o a c h ) 和代数方法( a l g e b r a i c a p p r o a c h ) 。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方 法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合：代数法则将几 何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组。该方程组求解较困难，因此实 际应用受到限制；人工智能方法是利用专家系统，对图形中的几何关系和约束进 行理解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性不好：特 征造型方法是三维实体造型技术的发展，目前正在探讨之中。 参数化设计有一种驱动机制即参数驱动，参数驱动机制是基于对图形数据的 操作。通过参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改，但是，在修 改的同时，还要满足图形的约束条件，需要约束间关联性的驱动手段秉约束联动， 约束联动是通过约束间的关系实现的驱动方法。对一个图形，可能的约束十分复 杂，而且数量很大。而实际由用户控制的，即能够独立变化的参数一般只有几个， 称之为主参数或主约束；其他约束可由图形结构特征确定或与主约束有确定关 系，称它们为次约束。对主约束是不能简化的，对次约束的简化可以有图形特征 联动和相关参数联动两种方式。 所谓图形特征联动就是保证在图形拓补关系不变的情况下，对次约束的驱 动，亦即保证连续、相切、垂直、平行等关系不变。反映到参数驱动过程就是要 根据各种几何相关性准则去判识与被动点有上述拓补关系的实体及其几何数据， 在保证原关系不变的前提下，求出新的几何数据。称这些几何数据为从动点。这 样，从动点的约束就与驱动参数有了联系。依靠这一联系，从动点得到了驱动点 的驱动，驱动机制则扩大了其作用范围。 所谓相关参数联动就是建立次约束与主约束在数值上和逻辑上的关系。在参 数驱动过程中，始终要保持这种关系不变。相关参数的联动方法使某些不能用拓 补关系判断的从动点与驱动点建立了联系。使用这种方式时，常引入驱动树，以 建立主动点、从动点等之间的约束关系的树形表示，便于直观地判断图形的驱动 与约束情况。 由于参数驱动是基于对图形数据的操作，因此绘制一张图的过程，就是在建 立一个参数模型。绘图系统将图形映射到图形数据库中，设置出图形实体的数据 结构，参数驱动时在这些结构中填写出不同内容，以生成所需要的图形。参数 驱动可以被看作是沿驱动树操作数据库内容，不同的驱动树，决定了参数驱动不 同的操作。由于驱动树是根据参数模型的图形特征和相关参数构成的，所以绘制 参数模型时，有意识地利用图形特征，并根据实际需要标注相关参数，就能在参 数驱动时，把握对数据库的操作，以控制图形的变化。绘图者不仅可以定义图形 结构，还能控制参数化过程，就象用计算机语言编程一样，定义数据、控制程序 流程。这种建立图形模型，定义图形结构，控制程序流程的手段称作图形编程。 在图形参数化中，图形编程是建立在参数驱动机制、约束联动和驱动树基础上的。 利用参数驱动机制对图形数据进行操作，由约束联动和驱动树控制驱动机制的运 行。这与以往的参数化方法不同，它不把图形转化成其他表达形式，如方程，符 号等；也不问绘图过程，而是着重去理解图形本身，把图形看作是一个模型，一 个参数化的依据，作为与绘图者“交流”信息的媒介。绘图者通过图形把自己的 意图“告诉”参数化程序，参数化程序返回绘图者所需要的图形。它关心的是图 形，也就是图形数据库的内容，边理解，边操作，因此运行起来简洁、明了；实 现起来也较方便。 参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库进行操作。因 此它具有很好的交互性，用户可以利用绘图系统全部的交互功能修改图形及其属 性，进而控制参数化的过程；与其他参数化方法相比较，参数驱动方法具有简单、 4 浙江大学硕士学位论文 方便、易开发和使用的特点，能够在现有的绘图系统基础上进行二次开发。而且 适用面广，对三维问题也同样适用。 1 1 2 2 变量化技术 现有的参数化技术有许多不足：全尺寸约束的硬性规定干扰和制约着设计者 创造力和想象力的发挥；在设计中关键的拓扑关系发生改变，失去了某些约束特 征也会造成系统数据混乱。基于以上的原因，s d r c 的开发人员大胆地提出了一 种更为先进的实体造型技术变量化技术。被业界称为2 1 世纪c a d 领域具 有革命性突破的新技术超变量化几何v g x ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ) 是变量化方法的典型代表。它是由s d r c 公司独家推出的一种c a d 软件的核心 技术。使得设计者在进行机械设计和工艺设计时，可以随心所欲地构建、拆卸零 部件；也能够让设计者在平面的显示器上，构造出三维立体的设计作品，并且保 留每一个中间结果，以备反复设计和优化设计时使用。v g x 技术扩展了变量化 产品结构，允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、设计过程、特征， 到设计约束，都可以进行实时直接操作。对于设计人员而言，采用v g x ，就象 拿捏一个真实的零部件面团一样，可以随意塑造其形状。v g x 为用户提出了一 种交互操作模型的三维环境，设计人员在零部件上定义关系时，不再关心二维设 计信息如何变成三维，从而简化了设计建模的过程。它的优点在于参数化是基于 特征的实体模型，在可编辑性及易编辑性方面得到极大的改善和提高。与传统二 维变量化技术相比，v g x 的技术突破主要表现在以下两个方面。 v g x 提供的三维变量化控制技术，可望成为解决长期悬而未决的尺寸标注 问题的首选技术。因为传统面向设计的实体建模软件，无论是变量化的、参 数化的，还是基于特征的或尺寸驱动的，其尺寸标注方式通常并不是根据实 际加工需要而设，往往是根据软件的规则来确定。而采用v g x 的三维变量 化控制技术，在不必重新生成几何模型的前提下，能够任意改变三维尺寸标 注方式，为寻求面向制造的设计( d f m ) 解决方案提供了一条有效的途径。 v g x 将两种最佳的造型技术即直接几何描述和历史树描述结合起来，从而 提供了更为易学易用的特性。设计人员可以针对零件上的任意特征直接进行 图形化的编辑、修改，这就使得用户对其三维产品的设计更为直观和实时。 用户在一个主模型中，就可以实现动态地捕捉设计、分析和制造的意图。 s d r c 公司的软件自i - d e a sm a s t e rs e r i e s5 起，已经用到了这一技术。而 且，这一产品自宣布之日起，已在全球引起了不小的冲击波。例如福特汽车 公司把i - d e a s 软件应用到开发完整产品的数字样车的各个方面。难怪美国 一家著名的专业咨询评估公司d h b r o w n 这样评价v g x ：“自从1 0 年前第 一次运用参数化基于特征的实体建模技术之后，v g x 可能是最引人注目的 一次革命。”。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 3 特征建模技术 特征技术是c a d c a m 技术发展中的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术 的发展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度的 历史进程中孕育成长起来的。现代设计制造系统的发展趋势是集成化、智能化， 目的是达到高度的自动化。实现上述目标的基础是给系统的各个环节提供能够 共享的产品定义。现有的c a d c a m 系统，因不能用一个完整的产品模型来支 持各工程应用活动，在设计、制造及检验的各个环节中，使用者需要重复地输入 和识别些信息，定义一些新模型，以满足各工程应用子系统的具体需要，各子 系统的概念信息也必须依靠人工来识别和综合处理，从而导致产品自动设计和 制造中信息处理的中断，人为干预量大，数据大量重复处理的后果。其主要原因 是作为当代c a d 系统的核心即实体造型存在下列不足： 产品定义信息不完备。实体造型主要用来定义产品公称几何形状，而许多反 映设计意图和工艺要求的信息，如公差、材料性质等难以在数据库中一起表 达。这里由于工艺信息的表达既与高级的形状特征有关，又与低级的点、 线、面几何要素有关，而实体造型难以提供这些信息。 数据的抽象层次低。实体造型只能以低级的几何拓扑信息来描述几何形状， 而工程师进行思想交流，以及c i m s 智能化处理过程中涉及的信息往往是高 层的概念实体。 支持产品设计的环境较差。传统的几何造型不利于进行创造性设计，这是因 为它不能方便地修改设计模型，并且，即使实体零件的参数已被定义，在每 次零件再生时，也必须重新显示输入所有参数。 特征技术在很大程度上解决了以上的问题。特征造型方法与前一代的几何造 型方法相比较，有以下特点和作用： 过去的c a d 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展 阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力；而特征造型则是着眼于更好表 达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。它 的目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型，替代传统的产品设计 和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生 产准备各环节可以并行展开，信息流畅通。 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始 的线条和体素，而是产品的功能要素，如纹孔、定位孔、键槽等。特征的引 用直接体现设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设 计的图样更容易修改。设计人员可以将更多精力用在创造性构思上。 它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，更 好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈， 6 浙江大学硕士学位论文 为开发新一代的基于统一产品信息模型的c a d c a p p c a m 集成系统创造 前提。 它有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化，使 得产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性。 它将推动各行业实践经验的归纳总结，从中提炼更多规律性知识，以丰富各 领域专家的规则库和知识库，促进智能c a d 系统和智能制造系统的逐步实 现。 特征技术研究的萌芽产生于八十年代初，并于八十年代的中后期蓬勃发展 起来。s t e p 标准中将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使特征获得 了国际标准的法定地位。国外许多研究单位和学者对特征技术的发展和应用做出 了贡献。例如，英国c r a n f i e l d 理工学院的p r a t t 和w i l s o n 为c a m i 提出了一个 按形状和构造特点对形状特征分类的模式；美国a r i z o n a 州立大学的s h a h 探讨了 特征表达和解释问题，开发出a s u 特征试验台；芬兰赫尔辛基技术大学的 m a n t y l a 教授研制了特征造型系统e x t d e s i g n ；意大利热亚那应用数学研究所的 f a l c i d i e n o 等人提出了边界模型表示特征对象的描述方法，特征识别方法，并开 发了相应的系统；德国柏林技术大学的b e i t z 开发了基于特征的造型系统g e k o ； d o u g l a s 等人研究了用凸多面体分解法进行加工特征几何推理技术；t u r n e r 等人 研究了公差特征模型建立的问题；r o y 等人研究了尺寸及公差表示处理的问题； j a r o s l a w 等人研究了特征编辑与查询技术；美国p u r d u e 大学的a n d e r s o n 等人研 究了基于特征设计工艺规程的几何推理问题。在国内，北京航空航天大学、清华 大学、华中理工大学、浙江大学、上海交通大学、西北工业大学等，以及其他一 些单位也发表了一些关于特征技术研究的论著，并开发了一些特征造型系统。近 年来，商业c a d 软件及工具基本都融入了特征的思想和方法。例如，p t c 公司的 产品p r o e n g i n e e r ，s d r c 的产品i - d e a sm a s t e rs e r i e s 、u g s 公司的产品 u n i g a p l l i c s 、i b m 公司的产品c a t i a c a d a m 、a u t o d e s k 公司的产品m d t ，中 国广州红地技术有限公司的产品“金银花( l o n i c e r a ) ”系统等。 1 1 2 4 面向对象技术 面向对象方法学的最基本的原则是使描述问题的问题空间和解决问题的方 法空间在结构上尽可能一致，使分析、设计和实现一个系统的方法学原理与认识 客观世界的过程尽可能一致。同时面向对象方法学认为客观世界是由各种“对象” 所组成的，任何事物都是对象，每个对象都有自己的运动规律和内部状态，每个 对象都属于某个对象类，都是该对象类的一个元素。对象建模技术就是将面向对 象的方法理论运用到c a d c a m 建模领域的技术，它的设计思路 5 2 - 5 3 】是从确 定表征客观实体的对象开始，建立对象之间的层次结构，确定反映对象状态的属 性及施加于这些属性之上的操作，对象之间通过消息互相作用和联系( 即描述出 浙江大学硕士学位论文 系统的静态和动态属性) ，从而形成软件结构。用传统方法开发，整个系统庞大、 复杂、代码重用率低，模块间相互耦合、调试、维护困难，系统可靠性差，难以 推广应用。面向对象程序设计是一种试图模仿人们建立现实世界模型的程序设计 方法，它的着眼点是数据而不是功能。可见这种方式符合人们对客观世界的认识 过程。按此方法开发机械c a d 软件可克服传统c a d 的一些缺陷。 文献1 9 】采用面向对象的分析技术，对复杂机械产品c a d 系统进行了研究， 并提炼出6 种基础对象类：设计者、待设计机械产品、待设计机械产品的工程表 达、产品设计过程的工程表达、支持软件和数学与几何运算；文献i lo j 按照从下 到上的设计思路，以加工中心为例，将每一级机械功能模块构成一个构件对象， 并且将模块从低到高的顺序依次继承。文献川采用从上而下的思路，将面向对 象技术应用于车用发动机的c a d 系统，将发动机整个系统分成四个模块：总体 设计系统、零部件设计系统、性能预测分析系统与工程计算方法系统。在总体设 计系统中的操作为：总体布局、方案选择、参数确定；零部件设计系统的操作包 括：实体建模、有限元分析、零件装配与工程图输出；文献2 l 提出了面向对象 的机械产品工程图库参数管理方法：视零件参数为部件参数的父类，部件参数由 继承了的所有组成零件参数、零件之间约束参数及其它参数构成，部件参数是产 品参数的父类，产品参数由继承了的所有零件和部件的参数、组成零部件之间的 约束参数及其他参数构成。总的来说，从上到下的设计思路比较符合设计师的思 路。不同的尺寸参数对产品的影响程度不同，产品主参数应影响产品的大部分功 能，部件上的参数影响多个零件，而零件参数主要影响本零件，即低层次的参数 要受到高层次参数的约束。 1 1 2 5 有限元分析技术 在科学技术领域，对于许多力学和物理问题，人们已经得到了它们应遵循的 基本方程( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的定解条件。但能用解析解方法求 出精确解的只是少数性质比较简单、而且形状比较规则的问题。对于大多数问题， 由于方程的某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，而不 能得到解析答案。随着计算机的飞速发展，数值分析方法已经成为解决科学技术 问题的主要工具。数值方法可以分为两大类：一类以有限差分法为代表，其特点 是直接求解基本方程和相应定解条件下的近似解，但当几何形状较为复杂时，它 的精度将降低，甚至发生困难；另一类是首先建立与原问题基本方程及其相应定 解条件相等效的积分提法，然后据之建立近似解法，如配点法、最小二乘法，里 兹法等。但也不适合几何形状复杂的问题。直至有限单元法的出现，才使数值分 析领域出现重大突破。 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、而且按一定 方式相互连接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合， 浙江大学硕士学位论文 而且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有 限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近 似函数来分片的表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未 知场函数或及其导数在单元的各个节点上的数值来表达。这样一来，一个问题的 有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量 ( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。 一经求解出这些未知量，就可以通过差值函数计算出各个单元内场函数的近似 值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸 的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不 断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最终将收敛于精确解【l 。 目前，国际上流行的商品化有限元分析软件如m s c ，n a s t r a n 、a d i n a 、 s a p 、a n s y s 、m a r c 、a s k a 等，可以进行静态分析、热应力分析、瞬态载荷 与随机激振动态响应分析、实特征值与复特征值计算以及稳定性分析等，可用于 各种计算机系统。但尚有很多不完善之处【1 ”，例如固体力学领域的断裂性态、 接触问题与其他领域中的瞬态问题的数值解，虽有进展，但还不十分满意，需要 进一步的研究。 另一个问题是有限元软件的前后处理系统中，虽然增加了不少功能，但还不 能达到全自动化，特别是网格的自适应划分问题，二维平面问题的网格自动生成 技术已经比较成熟，丽三维的网格划分还在探索阶段t 6 8 1 。通常可以分为以下 几种：拓扑分解法、节点连接法、基于栅格法、映射单元法、保形映射法和递推 分割法等。 1 1 2 6 优化设计技术 优化设计就是从一系列方案中找到一个较好的方案，通常包括两个层次：总 体方案优化与设计参数优化。总体方案优化主要是指总体布局、结构或系统类型 的优化。其主要任务是建立和处理知识模型，通过人工智能、专家系统、模糊综 合评判和决策等方法进行符号推理，需要综合运用各个学科的专门知识和丰富的 实践经验才能获得正确、合理的设计。设计参数优化主要任务是建立优化数学模 型并设法求解，属于数值型方面的工作。 现在决大部分的工作集中于结构优化设计方面的研究。它集有限元技术与优 化设计于一体，是现代结构设计领域的重要研究方向。它一方面以有限元等数值 方法作为分析手段，得到力学方面的性态值，又要面向工程设计中的各种实际问 题建立优化设计模型，所以结构优化设计是一门综合性与实用性很强的理论和技 术。 当前结构优化设计从理论与实际应用两个方面并行展开：从相对简单的单元 截面尺寸优化扩展到结构形状优化，以及更高难度的结构拓扑优化；研究对象由 9 浙江大学硕士学位论文 简单结构拓展到大型复杂结构系统，如结构、结构动力学、空气动力学、气动弹 性力学、声学等多学科的集成系统优化等。在工业应用中，一方面是应用领域从 航空航天扩展到机械、汽车、土木工程等更为广泛的工业部门，解决的问题从减 轻结构重量扩展到降低应力水平，改进结构性能和提高安全寿命等更多方面；另 一方面是出现大批应用软件，从单一的结构优化软件( 如a c c e s s 、d d d u 、 o a s i s 、s a p o p 、a s t r o s 、g e n e s i s 、c a o s 等) 到实用性更强的集成化的商 品化有限元分析软件( 如：m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 等) 。 1 1 2 7 广义优化设计1 幡 1 1 6 9 l 优化设计与人类历史同步，可把工程优化分为5 个阶段： 人类智能优化阶段：凭借人类的直觉或逻辑思维功能，靠手工实现。如穷举 法、瞎子爬山法等。 数学规划优化阶段：自牛顿发明微积分开始推动了数学规划的发展，但直至 电子计算机的出现才使数学规划方法用于解决少量大规模工程优化成为可 能。 工程优化阶段：近3 0 年来，计算机技术和功能日新月异，但现有的数学规 划方法在处理大量数学性态很不规则的工程问题时却显得软弱无力。于是不 少产品领域专家开发了一些工程优化方法，虽然缺乏严格的数学论证，却解 决了很多传统数学规划方法不能胜任的工程优化问题。在处理多目标工程优 化问题中，基于经验和直觉的方法得到更多的应用。 人工智能优化阶段：近2 0 年来，人工智能技术的迅速发展使得基于知识的 智能优化变为可能，智能寻优策略迅速涌现，计算机辅助设计方案智能优化、 寻优策略的自动选择和优化过程的智能控制成为现实。这些工作开始全面突 破传统优化的观念局限，加速了它向广义优化的发展。 广义优化设计阶段：近l o 年来，传统优化设计已经比较普及，但能解决的 问题依然比较简单，大部分仅为计算结果，并未被工程实际所采用。广义优 化的内涵与外延尚在研究之中。 广义优化与传统优化的局别在于： 优化对象：传统优化往往只适用于简单零部件，而广义优化把对象扩展到复 杂零部件、整机、系列产品和组合产品的整体优化，即全系统优化。 优化准则：传统优化往往只侧重于某一方面性能的优化，处理不同类型时， 一般分先后优化。广义优化把某一方面的性能扩展到各个方面的性能，即实 现技术性、经济性和社会性的综合评估和优化。在技术性能方面，追求实现 目的性能和约束性能、使用性能和结构性能的综合优化：在结构优化方面， 追求静态性能和动态性能的组合优化，即全性能优化。 优化范围：传统优化往往局限于产品技术设计阶段的优化。广义优化则把优 浙江大学硕士学位论文 化范围扩展到包含功能、原理方案和原理参数、结构方案、结构参数、结构 形状和公差优化的全设计过程，进而面向制造、经销、使用和后处理的寿命 周期的设计过程。 搜索策略：传统优化的搜索策略以数学规划方法为主，对模型数学性态要求 比较苛刻，少数直接解法虽然可降低这方面的要求，但其搜索效率对问题的 维数和规模十分敏感，为解决非数值优化问题，还得求助于以手工操作为特 征的人类智能优化方法。广义优化设计注重于开发，综合运用人类智能、人 工智能和各种数学工具的新一代搜索策略，处理大规模复杂性态模型( 包括 部分知识模型) 的能力显著提高，从而为全系统、全性能和全寿命周期优化 模型的综合求解提供了可能。 优化过程：传统优化过程中的计算机支持的自动优化与手工优化，或者数学 规划优化与人类智能优化之间难以结合，而且一般是单学科、单方面性能、 单计算机串行优化过程。广义优化过程则侧重于人机交互与合作，实现多学 科、多方面性能、多计算机分布式并行协同优化，以追求综合优化解。 研究重点：传统优化重点研究寻优算法，往往只提供寻优算法程序。广义优 化研究从规划、建模、搜索，直至评价与决策的全过程，提供软件支持全过 程，特别侧重于规划与建模、过程和结果显示、搜索过程控制、评价和决策 支持等功能。 综上所述，工程广义优化设计以解决工程问题为首要目标，其研究范围主要 包括三个方面： 广义优化设计理论与方法学：主要研究广义优化设计的本质、范畴、进程、 目标、理论框架体系、与其他学科之间的关系、优化规划、建模、搜索、协 同和过程控制的理论及技术基础。 广义优化设计方法与技术：主要研究优化规划、建模、搜索、协同、控制、 评价和决策等环节的具体方法与实现策略。 广义优化设计工具：主要研究广义优化设计的支撑软件和应用软件。 广义优化设计当前目标在于两个方面：一方面要满足复杂机械设计对优化效 率的苛刻要求，另一方面要设计师专心于优化过程中专业内容的规划于决策。 从上面的重点研究领域可以看出，c a d 正经历着从传统技术向现代技术的 转变，现代c a d 技术可以表述为【3 2 】：在复杂的大系统环境下，支持产品自动化 设计的设计理论与方法、设计环境、设计工具各相关技术的总称，它们能使设计 工作实现集成化、网络化和智能化，达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩 短设计周期的目的。 1 1 3 当前工程机械行业中常用的c a d 软件概述 对于当前c a d 软件系统有一个全局的了解，针对不同的需求选用不同的设 浙江大学硕士学位论文 计工具，有助于达到提高设计质量与缩短设计周期的目的拉7 。2 钟。一般可分为三类： ( 1 ) 高档u n i x 的工作站c a d 系统：这类系统一般以u n i x 操作系统为 支撑平台，从5 0 年代发展至今，产生了许多著名软件。 目前国际上比较流行的有：p t c 公司的p r o e n g i n e e r 软件、s d r c 公司的 i - d e a s 软件；e d s 公司的u g i i 软件；c