基于CAD/CAE混合模板库的锻压机床快速设计、优化方法研究

论文摘要

随着市场需求的分化和买方市场的形成,市场竞争中消费者需求呈现多样化、差异化和个性化。部分领域的客户已经开始要求能够完全定制产品.如何利用快速设计、优化来解决这一类个性化产品定制问题,降低产品成本,提高企业响应速度成为众多学者关注的问题,也是本文的主要研究内容。论文首先分析了目前锻压机床企业面临的问题,结合国内外快速设计、优化方法的研究情况,指出了目前锻压机床设计、优化中的一些不足之处,最后提出了论文解决的关键问题和研究意义。针对目前锻压机床设计过程与优化过程集成度不高的问题,本文尝试建立了能同时兼容设计与优化这两个环节所需要的锻压机床CAD/CAE混合模板库。将快速高效的参数化方法从一般的模型设计深入到有限元结构仿真分析,以实现在调整设计参数之后能够迅速得到新的设计模型,并迅速得到对新的设计模型的分析结果。在此基础上,提出了基于混合模板库的锻压机床产品快速设计、优化的技术体系结构.随后,本文结合基于特征的有限元模型的抽象与简化原理,并基于Pro/Engineer阐述了从CAD模型到CAE模型建立过程.以仿蜂窝结构的锻压机床横梁为例,论述了利用APDL建立了其参数化有限元分析模型的方法。然后使用XML语言描述了基于APDL的参数化有限元分析模型,并采用XSD定义了其前处理,后处理的过程,为结合客户需求快速建立有限元分析模型提供了基础。作为混合模型库的锻压机床产品快速设计、优化方法的一种具体实现,本文提出了一种新的产品设计模式-客户需求驱动的锻压机床产品快速设计系统。该系统从客户需求出发,得到产品设计需求目标,并采用设计结构矩阵（DSM）来进行设计活动的协调安排。然后通过模板匹配,提取混合模型库中的CAD模板信息,再根据设计知识快速求解设计参数。对于这种新型设计模式采用到的各项技术,结合Pro/Engineer平台的强大三维建模功能,利用Pro/Toolkit开发工具在Pro/Engineer中给出了系统的实现,提供了成功的具体应用实例。然后本文阐述了利用混合模板库,结合客户需求快速建立有限元分析模型。为此首先介绍了产品CAE有限元模型的快速建立过程中的数据流向、有限元分析特征的确定以及从混合模板库中CAE模板信息的提取方法。其次介绍了基于XML的通用数据交换技术,CAD/CAE模型数据XML表达,最后介绍了锻压机床典型产品CAD/CAE模型快速设计、优化系统实现。应用前文建立的有限元分析模板,本文尝试将Kagome和Triangle蜂窝结构应用于液压机横梁,进行结构创新性设计。其中针对由于Kagome结构突变导致优化过程不收敛的情况,采用动态搜索轨迹的混合遗传算法实现结构参数的随机优化,取得了较好的实际效果。本课题得到国家高技术研究发展计划（863计划）资助（No.2007AA04Z1A2）,是其研究内容的一部分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本文研究背景
• 1.3 快速响应设计技术的研究综述
• 1.3.1 快速响应设计技术研究的现状
• 1.3.2 锻压机床快速响应设计研究概况
• 1.4 锻压机床CAE模型快速建立与优化方法
• 1.4.1 有限元模型快速建立技术
• 1.4.2 锻压机床有限元结构优化设计应用
• 1.4.3 多孔轻质结构在机床上的应用现状
• 1.5 锻压机床快速响应设计、优化的研究评述
• 1.5.1 锻压机床快速响应设计方面
• 1.5.2 有限元模型快速建立技术方面
• 1.6 论文选题及主要研究内容
• 1.6.1 论文的选题
• 1.6.2 论文拟解决的关键问题
• 1.6.3 论文的研究意义
• 1.6.4 论文的组织与结构
• 第2章 锻压机床产品的CAD/CAE混合模板库建立
• 2.1 引言
• 2.2 非流形概念与锻压机床CAD/CAE混合模板库
• 2.2.1 CAE有限元分析建模中的非流形问题
• 2.2.2 建立锻压机床混合模板库的意义
• 2.2.3 锻压机床混合模板库的建立与管理
• 2.3 CAD/CAE混合模板库的建立
• 2.3.1 模板的选择原则
• 2.3.2 参数化CAD模板的创建
• 2.3.3 参数化CAE模板的创建
• 2.3.4 锻压机床CAD/CAE混合模板库的实例
• 2.4 基于混合模板库的锻压机床快速设计、优化技术体系框架
• 2.5 本章小结
• 第3章 CAE有限元分析模板的建立
• 3.1 引言
• 3.2 基于有限元模型特征的CAE模型
• 3.2.1 有限元模型特征
• 3.2.2 有限元分析特征的数据结构
• 3.3 有限元模型的建立过程
• 3.3.1 求解产品有限元模型的几何构成特征
• 3.3.2 Pro/Engineer系统的特征信息提取技术
• 3.3.3 Pro/Engineer系统的特征简化抽象技术
• 3.3.4 基于特征转换规则的CAE分析特征获取
• 3.4 基于APDL的CAE模板建立
• 3.4.1 ANSYSZ二次开发语言APDL
• 3.4.2 参数化有限元模型的建立
• 3.4.3 基于XML的CAE模板的描述
• 3.5 本章小结
• 第4章 客户需求驱动的锻压机床产品快速设计系统
• 4.1 引言
• 4.2 客户需求驱动的产品设计模式分析
• 4.3 客户需求的量化分析
• 4.3.1 客户需求的获取与规范
• 4.3.2 客户需求的分析转换
• 4.4 产品设计活动的解耦
• 4.4.1 DSM表示的产品设计活动分类
• 4.4.2 DSM表示的产品设计活动化简
• 4.4.3 设计活动解耦实例
• 4.5 面向对象的模块化产品的知识模型
• 4.5.1 知识框架的结构
• 4.5.2 面向对象的知识框架数据模型
• 4.5.3 模块知识框架的层次结构
• 4.5.4 规则与方法的表示
• 4.6 基于知识框架的产品设计参数求解
• 4.6.1 模板的匹配性判别
• 4.6.2 基于知识框架的模块参数求解
• 4.7 客户需求驱动产品设计系统在Pro/E中的实现
• 4.7.1 客户需求驱动产品设计系统模块划分
• 4.7.2 设计模板匹配过程
• 4.7.3 产品设计计算
• 4.7.4 Pro/E应用程序开发技术
• 4.7.5 产品建模
• 4.7.6 客户需求驱动产品设计系统应用实例介绍
• 4.8 本章小结
• 第5章 客户需求驱动的锻压机床产品CAE模型快速建立及系统实现
• 5.1 引言
• 5.2 产品CAE有限元模型的快速建立过程
• 5.2.1 快速建立过程的数据流向
• 5.2.2 有限元分析特征的确定
• 5.2.3 混合模板库中CAE模板信息的提取
• 5.2.4 产品有限元分析模型的生成
• 5.3 基于XML的通用数据交换技术
• 5.3.1 CAD模型数据XML表达
• 5.3.2 优化后CAE模型数据表达
• 5.4 锻压机床产品CAD/CAE模型快速设计系统实现
• 5.4.1 系统设计功能
• 5.4.2 软件系统结构
• 5.4.3 实例分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 仿蜂窝结构的锻压机床横梁优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 二维胞元材料力学性能比较
• 6.3 仿蜂窝结构的液压机横梁结构优化设计
• 6.3.1 应用有限元模板生成分析模型
• 6.3.2 初始参数计算结果和优化参数灵敏度分析
• 6.4 仿蜂窝结构应用于横梁的参数优化设计
• 6.4.1 混合遗传算法实现结构参数的随机优化
• 6.4.2 优化结果与分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 主要研究工作
• 7.2 论文的主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 在读期间获得的主要荣誉和参与的项目