基于仿真分析的复杂机械产品多学科设计优化方法研究

论文摘要

高效精密化、智能集成化、虚拟数字化是现代机械产品设计的发展方向,为了以尽可能高的效率获得复杂机械产品尽可能优的设计方案,提出将航空领域发展起来的多学科设计优化方法应用于复杂机械产品设计领域,探索并研究出一种基于虚拟样机技术,融合多学科设计优化方法的现代产品数字化设计方法。深入研究并归纳总结了多学科设计优化的技术要素,形成面向机械设计领域比较完善的多学科设计优化技术应用体系。针对多领域CAD/CAE建模中存在的视图一致性难题,提出以主模型视图为导向的多学科视图建模技术。探讨多学科视图模型之间协调一致的保证体系,消除多学科视图模型的动态冲突,保证多学科视图模型之间动态交互与信息共享。通过创立支撑产品设计的参数化模型以及可对产品性能进行优化设计的虚拟样机,来实现对国外产品及专利的引进、消化、吸收和再创新。应用共享网格技术,解决数字化环境下多学科CAE视图模型耦合仿真的难题。探索将多学科设计优化方法具体融入复杂机械产品的数字化设计流程,分析了产品设计不同阶段多学科设计优化的应用特征。通过将多学科设计优化方法与虚拟样机设计流程融合,提出一种新的虚拟样机多学科优化设计模式,构建了以虚拟样机为核心的产品多学科设计优化集成平台,给出虚拟样机多学科设计优化的集成分析流程,实现机械产品的多学科集成自动化设计,解决复杂机械产品多性能动态优化问题,为产品的数字化设计提供了更高层次的应用平台。通过商用软件集成化组装,提出复杂机械产品多学科设计优化的集成平台解决方案,实现通用软件专业化应用的目的,为现代产品的一体化设计提供了比较完善的实施方案,使传统设计模式向并行化、一体化的先进模式转化。提出应用多学科设计优化方法设计汽车这一新思想。研究将多学科设计优化方法具体应用到汽车设计的不同阶段,给出汽车多学科集成分析与优化流程,实现汽车多性能的集成全分析与优化仿真。对照传统的螺杆压缩机经验设计,提出基于多学科设计优化的新型螺杆制冷压缩机多学科集成化设计模式。通过建立工作过程的流场仿真模型、结构有限元分析模型和流固耦合分析的多学科数字化仿真模型,创立可以全面分析螺杆压缩机工作特性的多学科模型系统,进一步研究并实施新型螺杆制冷压缩机产品的设计、分析与优化、仿真相集成的一体化,为实现复杂机械产品的传统设计向预测设计的转变进行了有意义的尝试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 现代机械产品设计面临的挑战
• 1.2 机械产品设计技术发展现状
• 1.2.1 计算机辅助设计技术的发展历程
• 1.2.2 基于虚拟样机的仿真技术应用现状
• 1.2.3 优化设计技术的发展趋势
• 1.3 MDO研究现状
• 1.3.1 MDO技术研究现状
• 1.3.2 MDO方法应用现状
• 1.4 复杂机械产品设计MDO应用的必要性
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 面向复杂机械产品设计的MDO技术体系及应用方案
• 2.1 MDO技术定义及实施思想
• 2.2 面向复杂机械产品设计的MDO技术体系
• 2.2.1 MDO技术要素细化拓展
• 2.2.2 MDO的优化方法演化
• 2.3 MDO软件集成平台及应用框架
• 2.3.1 面向MDO的软件框架需求
• 2.3.2 多学科软件集成技术
• 2.3.3 基于MPCCI的集成平台及应用框架
• 2.3.4 CMIDOS集成平台应用方案
• 2.4 本章小结
• 3 复杂机械产品多学科视图建模技术
• 3.1 面向设计的产品模型分析
• 3.2 产品设计的多学科性
• 3.3 产品设计过程的多层次描述模型
• 3.4 产品多学科视图模型的有关定义
• 3.4.1 产品设计的语言表达
• 3.4.2 多学科视图模型有关定义
• 3.5 复杂机械产品多学科视图建模方法
• 3.5.1 面向多设计阶段的产品多学科建模方法
• 3.5.2 面向多设计性能的产品多学科建模方法
• 3.5.3 产品多学科视图建模方法分析
• 3.6 多学科视图模型的实现技术
• 3.6.1 视图模型的商用软件支撑
• 3.6.2 面向对象设计方法的实施
• 3.6.3 全域产品信息模型的形成
• 3.7 多学科视图模型一致性保证体系
• 3.8 多学科视图模型协同优化策略
• 3.8.1 多学科视图模型动态冲突及约束关系
• 3.8.2 基于协同优化的冲突消解
• 3.8.3 工程应用的视图模型协同运行策略
• 3.9 本章小结
• 4 基于虚拟样机的复杂机械产品多学科设计优化
• 4.1 复杂机械产品并行设计过程
• 4.2 产品设计过程的数学表达
• 4.3 产品设计不同阶段MDO应用特征
• 4.4 设计初期产品总体方案的多学科优化
• 4.5 设计中期产品虚拟样机的多学科优化模式
• 4.5.1 融入MDO的复杂机械产品集成设计平台
• 4.5.2 产品虚拟样机的多学科优化过程
• 4.5.3 虚拟样机多学科应用模型集成仿真
• 4.6 虚拟样机多学科优化模式应用研究
• 4.6.1 汽车碰撞与NVH两学科优化
• 4.6.2 汽车NVH系统仿真
• 4.6.3 整车碰撞仿真
• 4.7 设计后期产品结构的局部优化改进
• 4.8 本章小结
• 5 基于多学科模型的新型螺杆压缩机结构分析与优化
• 5.1 新型压缩机多学科开发流程
• 5.1.1 CMIDOS集成解决方案的工程应用
• 5.1.2 新型压缩机集成化开发流程
• 5.2 新型压缩机多学科视图建模
• 5.2.1 多学科模型耦合分析解决方法
• 5.2.2 新型压缩机结构主模型构建
• 5.2.3 虚拟样机内部流场CFD仿真模型
• 5.3 新型压缩机工作特性理论分析
• 5.3.1 整机间隙与气密性分析
• 5.3.2 绝热效率影响因素分析
• 5.4 新型压缩机结构的多学科分析
• 5.4.1 结构有限元模型
• 5.4.2 结构模态分析
• 5.4.3 结构静力学分析
• 5.4.4 整机动力学仿真
• 5.4.5 结构热力学分析
• 5.4.6 热结构耦合分析
• 5.4.7 整机结构间隙设计
• 5.5 新型压缩机多学科设计优化
• 5.5.1 基于有限元法的设计灵敏度分析
• 5.5.2 新型压缩机多学科优化数学模型
• 5.5.3 优化后压缩机性能计算与分析
• 5.5.4 优化后整机装配间隙设计
• 5.6 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢