三维虚拟设计复习提纲简化.doc

三维设计及虚拟试验应用技术（提纲）中国矿业大学（北京）机电工程系2011.5第一部分 虚拟设计方法1.1 机械部件计算机三维几何模型表达方法 (Pro/Engineer) 及机械系统三维模型中尺寸约束及装配关系的表达(SolidWorks)1.2 机械系统三维装配模型中构件运动学关系的定义及验证(ABAQUS) 1.3 机械系统部件三维模型运动学特征可视化(3ds MAX,SolidWorks)第二部分 虚拟试验方法 2.1 有限元基本原理及常用有限元分析软件功能介绍 2.1 机械零件静力学分析的有限元方法 (ANSYS, ABAQUS) 2.3 机械系统工作动力学特征的有限元模拟方法(ANSYS, ABAQUS) 第三部分 机械系统振动特性的虚拟分析方法 3.1 机械系统动力学模拟的模态分析方法 (ANSYS, ABAQUS) 3.2 机械系统振动问题的有限元分析 (ANSYS, ABAQUS) 第四部分 矿山机械系统虚拟试验设计实例 4.1 矿山机械常见工作载荷类型虚拟模型的建立(ANSYS, ABAQUS) 4.2 液压支架运动机构特性虚拟试验方法 (ABAQUS，Matlab) 第一章 机械零部件的计算机建模1. 机械部件计算机三维几何模型表达方法1.1 计算机辅助设计现代机械产品开发及性能评价的必备工具(1) 运筹帷幄，产品竞争决胜在设计之时计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件性能的日益成熟和完善，计算机硬件价格的不断下降，使辅助设计软件变成现代机械产品设计的必用工具。而高质量、高效率的产品开发需求，更使计算机辅助分析工具在一系列企业产品设计手段中占据重要位置。（2）产品需求复杂变幻，市场竞争呼唤设计利器现代机械产品，特别是煤矿机械，不但广泛地采用机、电、液压系统一体化集成技术，而且需求也是千变万化。以2007年11月发布的“十一五”国家科技支撑计划重大项目“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备研发” 项目为例，支撑煤矿生产的主要机械设备的性能需求正不断提高，例如： 高效高可靠性电牵引采煤机(总功率18152215kW)； 大采高综放液压支架(支架工作阻力15000kN，支护高度3.27.0 m，大修周期达到2000万吨以上)； 大采高综放工作面后部刮板运输机(需要矿用重载行星传动装置, 高可靠性、长寿命输煤槽支持) ； 大运量长距离顺槽带式输送机(多机功率平衡精度95%,托辊寿命40000h)； 大断面煤巷快速掘进技术及装备(截割功率300kW,整机三年无大修)； 大采高综放工作面快速搬家工艺和关键设备(最大载重50t,防爆发动机功率200kW)。 美国久益(Joy)采矿机械公司的理念计算机虚拟设计可用于：* 将车间变更减到最少 * 降低费用，加速产品上市 * 更快探索创新设计理念 * 将数字化样机数据重复用于制造、营销等活动。设计的每台机器都必须满足严格的安全要求、能经受严酷采矿环境的考验。与此同时，这些机器体型庞大、构造复杂，零部件数量最多可达40,000个，所以无论是新机器还是改造机器，在开始制造前，Joy采矿机械公司必须确保其设计符合所有要求。例如，工程师可以查看操作空间是否够大，是否具备充分的防尘能力。该公司还进行应力分析、模拟机器运动，以找出实际制造前可能无法发现的冲突和其他错误。Joy采矿机械公司工程系统总监Chris Flynn解释说：“钢材很贵，除非所有利益相关方对设计完全满意，否则我们不会冒然开始焊接和切割。” 其他领域的机械设备性能需求也在不断更新，再举例：位于北京朝阳公园游乐设备“摩天轮”的推力滚子轴承。摩天轮安装在距地108米的转轴处，一次可载客1920人。轴承外径 3,200 mm,内圈 2,600 mm, 宽630 mm，含 118个滚子，每个滚子重 20 kg。一对轴承用钢总重超过 11 t。这样的产品，不论是设计校核，还是加工制造阶段，都很难离开计算机辅助手段。再如已经于2010年5月27日下线，将投入京沪高铁使用的新一代高速列车和谐号380A，要求解决高安全低磨耗复合制动、高气密强度气密性车体, 大承载高安全性转向架, 先进隔声减振技术, 控制诊断监视智能化等多项关键技术难题，离开了计算机辅助分析工具，很难想象它能短时间内研制成功。在自主知识产权的电子产品制造领域，对机械结构的分析也有很高要求。如果是仅仅是组装和拼装这样的低端制造业肯定是用不上高性能计算的，但自主设计研发必然会用到高性能计算。浪潮在设计自己的8路、32路高端服务器时就用高性能应用系统做结构仿真，电磁仿真，用来解决散热、电磁干扰方面的问题。在电子工业中，对于产品性能的可靠性分析，由最初的经验预估、理论计算，已经发展到了如今的计算机仿真，产品设计朝着计算机实现虚拟设计、虚拟实验的必然方向前进。1.2 机械系统三维模型中尺寸约束及装配关系的表达（SolidWorks）以Solidworks 为例，在其COSMOS Motion 模块中，提供了基本的机械约束及运动副定义。 探测运动干涉 约束定义 理想约束运动副定义： 接触或凸轮约束： 运动副耦合 运动驱动定义 运动类型定义 运动和力方程定义： 力的定义 将结果输出成Excel或Text文件1.3 机械系统三维装配模型中构件运动学关系的定义及验证（ABAQUS）传统的CAD/CAE软件，分工很细，三维建模、机构分析、部件结构力学分析各有专门软件，但从目前发展趋势，主流的CAD软件都加入了机构运动分析和基本有限元受力分析功能，如Pro/E Mechanica, Solidworks Motion, Autodesk MDT等。而一些大型有限元分析软件，自身也提供良好的三维建模工具（如ABAQUS CAE）,并开始涉足运动副建模分析等专业功能（如ABAQUS，ANSYS等）。甚至一些系统仿真软件也提供运动副建模功能（如Matlab Simechanic, LMS AMESim等）。下面以ABAQUS 软件为例来说明其基本特点。在ABAQUS中，将运动副视为一类特殊的“单元”，称为连接单元（Connector Element）。由于运动副最基本特征就是构件直接接触，因此，将其放在“交互特征”（Interaction）定义模块中。目前ABAQUS 提供的运动副定义功能如下图： 在交互特性（即约束行为）定义方面，“交互特征”模块提供了下面一些典型的机械部件设计特征： 弹性: 弹簧； 阻尼: 阻尼器； 摩擦: 迟滞摩擦力和力矩； 起停位置: 允许的运动范围； 死点: 锁定位置； 许用值: 力、力矩、位置； (ABAQUS/Explicit analyses only). 参考长度: 平衡状态的平移和转动范围。1.4 机械系统部件三维模型运动学特征可视化（代表软件ADAMS）第二章 虚拟试验方法一、工程机械问题的分析和简化1 思路 载荷、几何和材料属性是影响机械系统疲劳强度的三个主要方面 从设计原理分解系统： 运动副-机构-传动系统-连接-支承 从工作机理和逻辑关系将系统分解为部件研究 明确结构简化的合理性：适当简化实际系统，得到适当的分析模型，是实施计算机辅助分析的前提。2 实例：安全气囊设计 （1） 关键性能参数 airbag coverage 覆盖层的力学特性 chamber volume 物体内封闭腔的体积 airbag pressure 内部压力 tether tension 束缚张力 curtain shrinkage 收缩量 airbag module integrity 密封完整性（2） 基于LS-DYNA 建模仿真二、机电液综合仿真软件工具集LMS仿真的概念仿真就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。通常根据模型的种类将仿真分为“物理仿真”和“数学仿真”。计算机仿真的概念在“数学仿真”中，通常利用计算机工具对仿真模型进行“解算”，以对实际系统进行实验研究，因此数学仿真又称“计算机仿真”。仿真的分类：有不同的分类体系 连续系统 / 离散系统仿真；纯软件(SIL) / 半实物(HIL:硬件在环)仿真;实时 / 欠实时 / 超实时仿真LMS 软件组成 1三维设计分析 Virtual.Lab Virtual.Lab Structures通用有限元方案 Virtual.Lab Motion动力学分析方案 Virtual.Lab Durability虚拟疲劳分析 LVirtual.Lab Acoustics声学仿真分析 Virtual.Lab Noise & Vibration振动、噪声分析 Virtual.Lab Correlation试验、仿真的关联方案Virtual.Lab DesktopLMS Virtual.Lab的平台界面Virtual.Lab Optimization优化、可靠性分析2 一维系统仿真 AMESim除了机械传动库，还提供液压系统及控制建模库，机电控制信号库。在液压系统建模中，可提供基本液压组件库（源、孔、口，泵），有阻抗组件库（管路、压力损失）和用于扩充设计的基本液压单元库（物理函数、用于模拟专用的阀和液压部件）。3 振动虚拟试验Test Lab：可接受测试仪器的振动信号，进行模态分析及可视化，振动信号傅立叶分析。三、“云计算”概念云计算(cloud computing)，分布式计算技术的一种，其最基本的概念，是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。最简单的云计算技术在网络服务中已经随处可见，例如搜寻引擎、网络信箱等，使用者只要输入简单指令即能得到大量信息。未来如手机、GPS等行动装置都可以透过云计算技术，发展出更多的应用服务。进一步的云计算不仅只做资料搜寻、分析的功能，未来如分析DNA结构、基因图谱定序、解析癌症细胞等，都可以透过这项技术实现。原有“大规模分布式计算技术”，即为“云计算”的概念起源 云计算时代，可以抛弃U盘等移动设备，只需要进入Google Docs页面，新建文档，编辑内容，然后，直接将文档的URL分享给你的朋友或者上司，他可以直接打开浏览器访问URL。我们再也不用担心因PC硬盘的损坏而发生资料丢失事件。附录机械零部件计算机三维表达技术发展简述计算机辅助设计的技术支撑体系计算机辅助设计技术的根本意义在于：将人的创造性与组织作用和计算机的优势结合起来，使设计方法产生巨大变革，设计质量和效率大大提高。CAD软件的发展依赖于三个因素：计算机软件开发技术及硬件性能提高；计算机图形学数学表达方法的发展；最后是对特定工程领域设计过程的准确把握和对设计关键控制参数变化规律的研究。CAD软件的技术构成层次如下图所示：数学机械/建筑 图形技术 三维建模 制造拓扑电子电路节点网络拓扑结构微波电路数学模型矩阵方程自动控制多变量图解系统动态仿真计算机微型机电系统MEMSCADfuture? 如上图所示，面向机械零部件的CAD软件，要求在零件几何形体三维表达方面提供日趋完善的解决方案；同时，为实现产品零部件工作性能的早期评估，有限元分析（FEA, Finite Element Analysis）等计算机辅助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering） 的需求也日益增加；其次，为满足对机械产品设计方案的生动表达，在机构运动学建模、产品真实感形象的准确描摹方面也有越来越多的需求。这些关键算法建立的基础就是计算机图形学（Computer Graphics）。下面对这一学科的关键概念概括介绍。（1） 计算机图形学计算机图形学，是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科；是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一。1962年，MIT林肯实验室, I. E. Sutherland在其博士论文 “Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”中，提出了利用计算机外设，在计算机硬件系统上有效地研究图形表达的一整套解决方案，被誉为“图形学之父”。如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。具体研究内容可细分为：图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、虚拟现实等。（2） 几何造型技术是研究在计算机中，如何表达物体模型形状的技术。利用计算机软件描述形体的三维表达数学模型有三种：线框模型、表面模型和实体模型。其各自特点列表对比如下。目前流行的商品化软件都提供基于线框、曲面、实体、特征（此概念介绍后）统一表示的造型设计系统。三维模型类型表达特征实例线框模型（Frame）用顶点和棱边来表示物体。AutoCAD 早期版本。表面模型（Surface）用面的集合来表示物体，而用环来定义面的边界。AutoCAD 14.0 版本。实体模型（Solid）能完整表示物体的所有形状信息。Pro/E ，UG，CATIA, SolidWorks，AutoCAD 11.0以上。（3） 计算机几何造型 集合运算（又称逻辑或布尔运算。包括并、交、差）是构造形体的基本方法。集合运算既可对三维几何对象操作，也可对二维对象操作。三维集合运算是建立一些机械零件加工特征的必备方法。（4） 几何造型中实体模型的进一步说明在计算机中对实体模型进行形体表示时，有几种策略，表示方法基本上可以分为分解表示、构造表示和边界表示三大类。其中构造表示与边界表示目前是商用CAD软件的两大主流表示方法。a) 分解表示将形体按某种规则分解为小的更易于描述的部分，每一小部分又可分为更小的部分，这种分解过程直至每一小部分都能够直接描述为止。具体实现：b) 构造表示计算机中对实体模型进行形体表达的第二种方法是构造表示。通常有扫描表示、构造实体几何表示和特征表示三种。列表介绍如下：实体几何造型构造表示方法表达特征实现扫描表示（Sweep）基于一个基体（一般是一个封闭的平面轮廓）沿某一路径运动而产生形体。分拉伸(extrude) 扫描（垂直拉伸、倾斜拉伸和变截面积拉伸）和回转(revolute) 扫描。构造实体几何表示(CSG:Computer Solid Construction)通过对体素定义运算而得到新的形体的一种表示方法。体素可以是立方体、圆柱、圆锥等，也可以是半空间，其运算为变换或正则集合运算并、交、差。基于集合运算，通常是CAD系统的辅助的表示方法。特征表示（Feature）从应用层来定义形体，因而可以较好的表达设计者的意图。从功能上可分为形状、精度、材料和技术特征。特征模型的表示仍然要借助传统的几何造型系统来实现。不同的应用领域，具有不同的应用特征。c) 边界表示英文为“BR (Boundary Representative)” 或“B-Rep”。边界表示法按照“体面环边点”的层次，详细记录构成形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接的拓扑关系。边界表示的优点是：表示形体的点、边、面等几何元素是显式表示的，使得绘制Brep表示的形体的速度较快，而且比较容易确定几何元素间的连接关系；容易支持对物体的各种局部操作，比如进行倒角。便于在数据结构上附加各种非几何信息，如精度、表面粗糙度等。Brep表示的缺点是：数据结构复杂，需要大量的存储空间，维护内部数据结构的程序比较复杂。（5） 真实感图形生成技术简介现代CAD软件（如Pro/E, SolidWorks Photoworks，Inventor）和三维动画设计软件（如3ds Max）中，都提供了对所建三维几何模型进行后续视觉处理的工具，使所建形体基于特定的工程应用，呈现相应的材料构成和表面属性，在特殊观察视角，特定光照环境下展现逼真的静态或动态视觉效果，这些处理手段可统一定义为真实感图形绘制技术。这些手段可帮助用户对新产品设计特点、关键细节和潜在功能加深了解仍有重要意义。对实现原理加以简单介绍。a) 光源的定义真实感图形绘制过程的研究主要针对两类光：由光源发出的光称为直接光 (Diffuse)，物体对直接光的反射或折射称为直接反射和直接折射；相对的，把物体表面间对光的反射特性、反射现象和折射称为间接光 (Ambient)、间接反射，间接折射。c) 颜色的基本特征在表现真实机械模型时，少不了对颜色进行定义。这里简单介绍有关概念：从心理学度量，颜色的三个视觉特性是：色调(Hue)：一种颜色区别于其他颜色的因素，如：红、绿、蓝RGB体系。还可能是青、品红、黄CMY体系；饱和度(Saturation)：即颜色的纯度；亮度(Lightness)：即光给人的刺激的强度。在CAD系统中，经常是用色调体系（Hue）定义基本色，用饱和度(Saturation)和明度(Luminance) 调整深浅浓淡。d) 三维模型光照效果的初步实现1975年，Phong提出图形学中第一个有影响的光照明模型（Phong模型）。该模型最初只是简单光照明模型，模拟物体表面对光的反射作用。研究的光源为点光源，算法将光反射作用分为镜面反射(Specular Reflection)和漫反射(Diffuse Reflection)，物体间作用用环境光(Ambient Light)表示。镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑，称为高光现象 (Specular)，这在表示金属形体时尤为常见。为解决不同法向的多边形邻接处有光强突变的问题，Phong 又提出了“明暗处理”模型。e) 局部光照明模型上述模型都属于简单光照明模型，不足之处在于计算镜面反射项时认为与物体表面的材质无关，因此存在误差。局部光照明模型的优势是反映了物体表面的粗糙度（引入微平面概念）对反射光强的影响，认为高光颜色与材料的物理性质有关，改进了入射角很大时的失真现象，考虑了物体材质对光照的影响。f ) 纹理映射局部光照明模型虽在一定程度反映了几何形体所代表的工程材料材质所引起的特殊光照效果，但还是过于光滑单调，未能具体反映借助计算机生成真实感图象时现实物体表面的细节。如金属的锈迹、涂漆效果，以及木材等非金属材料的特殊表面纹路。纹理类型包括颜色纹理和几何纹理。颜色纹理可细分为二维纹理（物体表面花纹、图案）和三维纹理（如木材纹理）。几何纹理是指基于物体表面的微观几何形状，也就是微表面法向量的各种分布和变化。