复杂产品数字样机多性能耦合分析与仿真的若干关键技术研究及其应用

论文摘要

现代复杂产品通常涵盖了多个学科领域的知识,其性能主要体现在机械场(运动轨迹)、位移场(应力应变)、温度场、电磁场、流场等物理场的变化中。产品性能分析技术越来越重视将多种不同的物理场计算方法综合起来,对产品进行多性能耦合分析已成为当前工程领域的热点研究问题。与此同时,产品客户对产品的功能、性能、规格和品种不断提出新的要求。如何采用多元化、个性化、多品种的产品定制设计开发出符合客户需求且性能指标优良的产品是目前企业亟待解决的问题。本文系统地研究了复杂产品数字样机多性能耦合分析与仿真的若干关键技术,根据研究成果进行了原型系统的开发,并应用到有关的科研项目中。第一章首先综述了将数字样机技术应用到产品多性能耦合分析与仿真的若干关键使能技术,介绍了这些技术的研究及应用发展现状,讨论了目前存在的问题。提出了方法研究的意义及研究内容。第二章提出了面向客户多性能模糊需求的产品定制设计技术。针对客户需求多样性、模糊性的特点,采用结构化方式表达模糊需求。建立“客户需求—技术参数—设计参数”之间的映射关联,快速构建出大致满足客户需求的产品定制设计参数表,用于指导定制产品的配置,为建立产品数字样机模型进行性能仿真验证打下基础;第三章提出了面向多性能仿真的产品数字样机组件化建模及重用技术。根据产品的定制设计参数,提出基于仿真组件的方法用于快速构建出产品数字样机仿真模型。在此基础上,建立产品设计参数与技术参数之间的互驱动关联,用于提高仿真模型的可重用性第四章介绍了产品数字样机人机交互性能仿真中高保真度力反馈生成方法。通过动力学预计算、快速反馈力拟合生成、多更新率伺服之间耦合与同步、基于计算负载平衡模型的计算资源动态分配、动力学积分步长优化等方式,增强了触觉交互控制下产品数字样机动力学仿真的反馈力生成的稳定性、实时性与精确性;第五章对多物理场异构有限元网格与结果数据的耦合方法及其集成仿真可视化技术进行了研究.通过网格信息拓扑关联、过渡网格模型的三维重构、异构有限元仿真结果与几何特征的关联映射等方式,实现了多物理异构有限元数据的信息交换及其在虚拟环境中的集成可视化仿真;第六章介绍了开发的复杂产品数字样机多性能耦合分析仿真平台,阐述了平台中的核心功能模块和开发技术。以多种实际产品作为应用实例。第七章,总结了本文的研究成果,并给出了今后研究工作的方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数字样机技术研究进展综述
• 1.2.1 数字样机技术的概念
• 1.2.2 数字样机技术的发展历程
• 1.2.3 数字样机多性能仿真的主要内容
• 1.3 数字样机仿真建模技术综述
• 1.3.1 单领域仿真建模方法
• 1.3.2 多领域仿真建模方法
• 1.4 数字样机触觉交互技术综述
• 1.5 数字样机仿真求解技术综述
• 1.5.1 多物理场耦合求解方法综述
• 1.5.2 刚柔混合机构多体动力学与有限元耦合求解方法综述
• 1.6 数字样机仿真结果可视化技术综述
• 1.7 本文拟解决的问题
• 1.8 本文研究内容与组织结构
• 2 面向多性能模糊需求的复杂产品定制设计技术
• 2.1 引言
• 2.2 产品多性能模糊需求的结构化表达
• 2.2.1 产品客户的多性能模糊需求
• 2.2.2 需求语义分解与层级分类
• 2.2.3 需求的结构化表达方法
• 2.3 模糊需求的技术参数域到设计参数域的映射
• 2.3.1 产品性能评价指标的技术参数域
• 2.3.2 技术参数域到设计参数域映射方法
• 2.4 多性能模糊需求设计参数域的耦合
• 2.5 基于设计参数域的产品结构层级配置
• 2.6 本章小结
• 3 面向多性能耦合分析的产品数字样机组件化仿真模型构建与重用技术
• 3.1 引言
• 3.2 面向产品性能仿真的组件化技术
• 3.2.1 传统的组件化技术
• 3.2.2 面向多性能耦合仿真组件化技术
• 3.3 仿真模型的组件化表达
• 3.4 基于组件的仿真模型构建过程
• 3.4.1 机构数字样机几何和物理模型的建立
• 3.4.2 机构数字样机与仿真组件的映射建立
• 3.5 机构多性能耦合数学模型的建立与分析求解
• 3.5.1 机构仿真组件运动学数学模型的建立
• 3.5.2 机构仿真组件动力学数学模型的建立
• 3.5.3 柔性件弹性变形数学模型的建立
• 3.5.4 机构多性能耦合数学模型的分析求解
• 3.6 基于组件的仿真模型可重用分析
• 3.7 仿真实例
• 3.8 本章小结
• 4 含人机交互的产品数字样机性能仿真中高保真度力反馈生成方法
• 4.1 引言
• 4.2 触觉交互绘制模型
• 4.3 多更新率伺服间的耦合方法
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 触觉设备运动趋势预估
• 4.3.3 快速反馈力拟合生成
• 4.4 多更新率伺服间的同步方法
• 4.4.1 多更新率伺服的计算负载平衡模型
• 4.4.2 多更新率伺服的强制同步
• 4.5 仿真实例
• 4.6 本章小结
• 5 基于多物理场异构网格耦合的产品有限元分析数据集成与仿真可视化技术
• 5.1 引言
• 5.2 多物理场有限元数据的集成表达
• 5.3 异构网格模型拓扑信息的耦合
• 5.3.1 网格模型拓扑信息的提取
• 5.3.2 构建过渡网格模型信息
• 5.3.3 异构模型节点的耦合映射
• 5.4 基于过渡网格模型的有限元数据映射
• 5.4.1 过渡网格模型的几何重构
• 5.4.2 耦合节点的仿真结果插值
• 5.4.3 节点插值误差分析
• 5.5 有限元仿真结果数据的集成可视化
• 5.5.1 表面网格节点的仿真结果可视化
• 5.5.2 内部网格节点的仿真结果可视化
• 5.6 本章小结
• 6 产品数字样机多性能耦合分析平台及其仿真应用
• 6.1 引言
• 6.2 平台的系统架构
• 6.2.1 系统总线模块
• 6.2.2 场景管理与人机交互模块
• 6.2.3 数据管理模块
• 6.2.4 仿真建模模块
• 6.2.5 仿真求解模块
• 6.2.6 结果可视化模块
• 6.3 仿真应用实例
• 6.3.1 杭申HS-160E低压断路器的工作性能仿真
• 6.3.2 吉利JL1731型号汽车底盘工作性能仿真
• 6.3.3 汽车发动机运动学、动力学与结构有限元耦合仿真
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来研究展望
• 参考文献
• 附录一:攻读博士学位期间发表（录用）学术论文
• 附录二:攻读博士学位期间参加科研项目
• 附录三:个人简历