一種面向產品級仿真的零部件模型降階方法

2023-04-23 05:57:46

專利名稱：一種面向產品級仿真的零部件模型降階方法
技術領域：
本發明屬於計算機輔助協同產品仿真技術領域。
技術背景複雜機電產品，如工具機、汽車、機器人以及航空航天飛行器等，通常是一個複雜的大系 統，包含大量的零部件或者子系統、涉及多個物理場，各部分之間的性能相互影響，耦合緊 密。在產品設計過程中，需要眾多領域的設計專家，針對產品的性能要求，開展設計工作。 為了在產品設計的早期階段就發現零部件設計中的問題，減少設計變更，從而降低設計成本、 加速設計過程，在複雜產品設計過程的各個環節引入仿真技術顯得尤為重要。然而，由於許多複雜產品的各部分之間耦合緊密，單純依靠對零部件性能進行單物理場 的仿真已經無法確保產品滿足設計要求，因此，對整個產品進行產品級仿真己經成為驗證產 品性能、進行設計優化的重要手段。所謂產品級仿真，是指將零部件或子系統的模型進行組 合，構成產品的整體模型，並利用整體模型進行產品性能仿真的方法。但是，由於組成產品 整體的零部件數量多且互相約束，產品級仿真實現起來難度大。一種有效的解決方法是在產品級仿真之前，對各零部件進行降階處理，然後利用降階後 的零部件模型進行產品級仿真-因此，建立合理有效的零部件降階模型是實現產品級仿真的 關鍵。目前模型降階算法主要集中在複雜控制系統方面，比較經典的方法有集結法、奇異 攝動法、模態近似法、Pade逼近法等等。在機械方面研究主要針對於流場模型仿真方面，尤 其是POD降階算法在流場中的應用，對零部件結構本身的降階算法很少。發明內容本發明的目的在於為實現產品級仿真提供一種快速、準確的簡化計算方法，在理論分析 的基礎上基於精確仿真結果對產品零部件模型進行降階，即降低仿真模型的自由度，從而降 低對計算機軟硬體條件的要求，加快計算速度，從而保證產品級仿真能夠快速、準確地進行。本發明的特徵在於1. 一種面向產品級仿真的零部件模型降階方法，其特徵在於，所述方法是在計算機中依 次按以下步驟實現的步驟(1).在所述計算機中建立零部件建模模塊，零部件模型詳細仿真結果提取模塊，以及零部件模型降階模塊；步驟(2).按以下步驟用零部件建模模塊建立零部件的三維模型步驟(2.1)輸入零部件的實際尺寸及相關參數，用ANSYS軟體建立零部件的三維模型，並保存；步驟(2.2)用所述ANSYS軟體把步驟2.1建立的三維模型進行四面體網格劃分，並保存步驟(2.3)用所述ANSYS軟體對步驟2.2建立的零部件三維網格模型根據零部件運行 的實際情況，添加相應的約束，並保存；步驟(3).用所述ANSYS軟體的求解模塊Solution,對所述零部件建模模塊所建的零 部件模型進行仿真，若滿足要求，則執行下一步驟，否則返回步驟2.1，修改零部件參數，直 到滿足設計要求；步驟(4).依次按以下步驟提取步驟3中得到的仿真結果步驟(4.1)用所述求解模塊Solution中的模態分析(Modal)，選擇分塊藍佐斯(Block Lanczos)方法計算模態，並保存；步驟(4.2)根據步驟4.1得到的零部件模型的模態，用所述ANSYS軟體提取零部件模 型的剛度矩陣和質量矩陣；步驟(5).讀入所述質量矩陣和剛度矩陣，調用Mathematica軟體，按以下算法對零部 件進行降階運算所述零部件三維網格模型在設定的典型載荷條件下結構最大變形時的狀態用"維向量X隨表示'"為自由度數；定義X。^二X隨-X申'《=|0^.仍)||—,||2;其中"維向量X，為已知系統平衡狀態，^為一組設定的"維線性無關向量基(即模態向量)，1(;c。fP,.)l表示將向 量^與向量w點乘後得出的數值絕對值，1^4為向量基A的2-範數，將a,從大到小排列， 選用前m個a,對應的m個模態編程構建零部件降階模型，則零部件自由度從"降低至w。這種面向產品級仿真的零部件模型降階方法的優點在於(1) 採用基於JSP的網絡化手段實現模型降階算法，為實現多人協同共享仿真結果，實現 仿真流程、數據、結果的規範化管理提供了必要準備，提高了複雜產品的產品級仿真 速度，有效縮短了產品開發周期。(2) 提高了仿真數據的重用度。降階模型是在零部件精確仿真結果的基礎上構建的，提高 了零部件精確仿真結果的重用度，降低了降階建模的成本。(3) 操作簡單，易於實現。零部件模型精確仿真採用成熟的商用軟體，降階模型的構建採 用高級語言通過簡單編程即可實現。


圖1.本發明的結構框架圖；圖2.求解耗時與降階後自由度關係圖；圖3.機翼模型的網格劃分圖；圖4.機翼模型降階解與非降階解比較圖；圖5.機翼模型降階解誤差棒圖。
具體實施方式
所述仿真方法是一種針對零部件結構的模型降階方法，該方法包含以下3個模塊，如圖l所示，分別為一、零部件建模模塊這個模塊主要是建立零部件的三維網格模型，為其他模塊提供基本模型完成詳細仿真、 降階等計算，包含的步驟如下步驟1.1建立零部件的三維實體模型。根據零部件的實際尺寸、材質，通過滑鼠、鍵盤等輸入設備，運用ANSYS軟體來手動建立它的模型，建立的三維模型保存為modd.sat格式。 步驟1.2對零部件模型進行網格劃分。在ANSYS軟體中，對步驟1.1所建立的零部件三 維實體造型，按照由線到面、由面到體的順序通過滑鼠、鍵盤等輸入設備來對三維模型劃分 四面體網格，達到連續系統離散化的目的，得到零部件的網格模型，保存為modd.db格式文件。步驟1.3對零部件模型添加約束。在ANSYS軟體中，對步驟1.2所建立的零部件三維網格模型根據零部件運行的實際情況添加相應的約束，保存為model.db格式文件，約束情況由 ANSYS軟體導出，保存為Forces.txt。二、 零部件模型詳細仿真結果提取模塊這個模塊主要是運用ANSYS軟體的求解Solution模塊，對零部件建模模塊所建零部件 模型進行詳細仿真，如果滿足設計要求，則依次按以下步驟提取零部件模型的詳細仿真結果， 以便零部件模型的降階運算，如果不滿足則返回零部件建模模塊，修改零部件參數直至詳細 仿真後滿足設計要求步驟2.1計算零部件模型的模態。模態是振動系統的一種固有振動特性， 一般包含頻率、 振型、阻尼等。零部件由於在進行有限元分析時被劃分為多個小單元，因此出現了多個自由 度，故可出現多種振型(又叫模態向量)，同時有多個自振頻率(又叫模態頻率)，結構的模 態只和結構本身的參數有關，而和外力及阻尼無關。在ANSYS軟體中，對步驟l所建立的 零部件模型應用"Solution"功能模塊中的"Modal"分析，選擇"BlockLanczos"方法計算模 態，ANSYS對模態分析的結果都存儲在model.foll文件中。步驟2.2提取零部件模型的剛度矩陣。選擇ANSYS軟體中"List/Files/Binary Files"命 令，在彈出對話框中選擇-"Matrix-"，-導大步驟2.1所得modafoll文件，"Matrix to write"框中 選擇"Stiffness",點擊確定，提取零部件模型的剛度矩陣為Stiff.txt文件。步驟2.3提取零部件模型的質量矩陣。選擇ANSYS軟體中"List/Files/Binary Files"命 令，在彈出對話框中選擇"Matrix",導入步驟2.1所得model.full文件，"Matrix to write"框中 選擇"Mass",點擊確定，提取零部件模型的質量矩陣為Mass.txt文件。三、 零部件模型降階模塊這個模塊通過編程調用Mathematica軟體的相關函數，對零部件進行降階求解運算，是 本方法的核心模塊。步驟3.1確定模型降階的算法。降階原理如下對固體結構進行分析時，常用方法是有 限元分析法。假設某結構劃分網格後有"個自由度，則系統狀態可由"維向量;c表示。通常 情況下，為了真實模擬結構的性能，劃分的網格會比較細，相應的"會非常大。為了用較少 的自由度進行比較精確的模擬，可做如下近似變換其中"維向量x，為系統平衡狀態，a (/=l 2，''' ，w)為 一組己知的w維線性無關向量基，仏為相應迭加係數，如此系統自由度便可從w降階到w，當附《"時，仿真過程便可大大加快。由以上分析可知，模型降階過程中一個非常關鍵的問題就是如何尋找適當的向量基^。彈性體由於在進行有限元分析時被劃分為多個小單元，出現多種振型(模態向量)，同時 有多個自振頻率(模態頻率)，所有模態向量組成了零部件的精確模型，採取下述基於最大變形的模態影響評價法選取對結構性能影響最大的模態A，在保證計算精度的前提下，利用這 些選取的模態來進一步構建零部件的降階模型，從而降低模型的自由度。設某典型載荷條件下，結構最大變形時的狀態為JC^，其中"維向量x，為已知系統平衡狀態，外為一組設定的w維線性無關向量基(即模態 向量)，|0^1,)|表示將向量~與向量^,點乘後得出的數值取絕對值，|—,||2為向量基A的2-範數， 將a,從大到小排列，則前附個a,對應的模態對結構的變形影響最大，選擇這附個模態構建零部件降階模型，模型自由度則從w降至m。步驟3.2建立零部件模型降階模塊的業務邏輯處理類。利用Java語言編寫業務邏輯處理 類，通過調用Mathematica軟體中的相關函數，實現步驟3.1中的降階算法。其中主要包括 writeModel，讀入模態分析結果；writeMassMatrixGif，讀入質量矩陣，並作簡單分析； writeSti腹atrixGif,讀入剛度矩陣，並作簡單分析；eigenSystem，求解特徵值和特徵向量； nSolve2，用降階方法數值求解零初始條件問題；nSolveWithoutReduction3，用不降階方法數 值求解零初始條件問題；error,比較降階與不降階情況下的誤差。步驟3.3建立零部件模型降階模塊的頁面顯示。利用Java語言編寫JSP的頁面顯示，封 裝在包"ROM"中，通過編寫程序實現在網頁上導入步驟3.2完成的零部件模型降階模塊的 業務邏輯處理類和來自零部件建模模塊、零部件模型詳細仿真結果提取模塊的載荷、質量矩 陣、剛度矩陣輸入，實現零部件模型降階功能。其中，InputMatrix.jsp為程序入口，負責把詳 細仿真的結果數據上傳到伺服器端；ShowGmph.jsp為形象地顯示上傳的數據，並讓用戶選擇 一些選項，這些選項將影響降階分析的算法處理；Solution.jsp為根據上面的求解選項，顯示相應的求解結果。可以顯示的求解結果包括降階解析解(當問題複雜的時候不應計算解析解)、非降階解析解(當問題複雜的時候不應計算解析解)、零初始條件下的降階數值解、零初始條件下的非降階數值解、比較降階後所帶來的誤差；CloseMath.jsp為關閉伺服器端後臺 運行的Mathematica引擎，以節省伺服器資源，為下一個用戶的仿真提供更多的CPU資源。 步驟3.4利用Eclipse軟體將步驟3.2和步驟3.3建立的業務邏輯處理類和頁面顯示打成war格式的包，命名為ROM.war。為更好地理解本發明的技術方案，將以上算法應用於航天領域常見的零部件機翼模型分 析，作進一步描述。步驟1建立機翼的三維實體模型。根據零部件的實際尺寸、材質，通過滑鼠、鍵盤等輸 入設備，運用ANSYS軟體來手動建立它的模型，建立的三維模型保存為wing.sat格式。步驟2對機翼模型進行網格劃分。在ANSYS軟體中，對步驟1所建立的機翼三維實體 造型，按照由線到面、由面到體的順序通過滑鼠、鍵盤等輸入設備來對三維模型劃分四面體 網格，將其劃分為460個可動節點，得到零部件的網格模型，如圖3所示，保存為wing.db 格式文件。步驟3對機翼模型添加約束。在ANSYS軟體中，對步驟2所建立的機翼三維網格模型 根據零部件運行的實際情況添加相應的約束，保存為wing.db格式文件，約束情況由ANSYS 軟體導出，保存為Forces.txt。步驟4計算機翼模型的模態。在ANSYS軟體中，對步驟3所建立的零部件模型應用 "Solution"功能模塊中的"Modal"分析，選擇"Block Lanczos"方法計算模態，ANSYS對 模態分析的結果都存儲在wing.foU文件中。步驟5提取機翼模型的剛度矩陣。選擇ANSYS軟體中"List/Files/Binaiy Files"命令， 在彈出對話框中選擇"Matrix",導入步驟4所得wing.fiill文件，"Matrix to write"框中選擇 "Stiffness",點擊確定，提取機翼模型的剛度矩陣為Stiff.txt文件。步驟6提取機翼模型的質量矩陣。選擇ANSYS軟體中"List/Files/Binaiy Files"命令， 在彈出對話框中選擇"Matrix",導入步驟4所得wing.fiill文件，"Matrix to write"框中選擇 "Mass",點擊確定，提取機翼模型的剛度矩陣為Mass.txt文件。步驟7零部件模型降階模塊的安裝。伺服器電腦啟動J2SDK軟體，將ROM.war文件導 入Apache Tomcat軟體安裝路徑下的webapps文件夾中，重新啟動Apache Tomcat就可以直接 應用所述建立的零部件模型降階模塊。在客戶端電腦網址欄只用輸入伺服器ip:埠號/ROM， 即可使用。步驟8零部件模型降階模塊的輸入。將步驟3得到的Forces.txt文件、步驟4得到的 wing.fiill文件，步驟5得到的Stiff.txt文件、步驟6得到的Mass.txt文件輸入零部件模型降階 模塊相應的對話框，並根據需求選擇相應的計算選項，如零初始條件降階數值解、零初始條 件非降階數值解以及誤差分析等，點擊確定提交輸入。步驟9零部件模型降階模塊的輸出。依據步驟8的輸入，零部件模型降階模塊給出相應計算結果輸出，最後彈出CloseMath頁面，用戶可選擇關閉伺服器端後臺運行的Mathematica 引擎，以節省伺服器資源，為下一個用戶的仿真提供更多的CPU資源。圖2為機翼模型所降至的階數從1到100之間的計算耗時，該曲線近似為一拋物線，說 明問題求解的難度大致與所降至階數成二次曲線的關係，且隨階數增大，耗時變長；圖4為 兩種模型所求得的數值解(即各點的位移)中一個解隨時間變化的圖像，兩者吻合度較好； 圖5為機翼模型降至40階後對應的誤差棒圖，可以看出相對誤差均小於3%。；另外，從時間 對比來說未降階計算時間為97.41秒，降階後計算時間為4.86秒。
權利要求
1.一種面向產品級仿真的零部件模型降階方法，其特徵在於，所述方法是在計算機中依次按以下步驟實現的步驟(1).在所述計算機中建立零部件建模模塊，零部件模型詳細仿真結果提取模塊，以及零部件模型降階模塊；步驟(2).按以下步驟用零部件建模模塊建立零部件的三維模型步驟(2.1)輸入零部件的實際尺寸及相關參數，用ANSYS軟體建立零部件的三維模型，並保存；步驟(2.2)用所述ANSYS軟體把步驟(2.1)建立的三維模型進行四面體網格劃分，並保存；步驟(2.3)用所述ANSYS軟體對步驟(2.2)建立的零部件三維網格模型根據零部件運行的實際情況，添加相應的約束，並保存；步驟(3).用所述ANSYS軟體的求解模塊Solution，對所述零部件建模模塊所建的零部件模型進行仿真，若滿足要求，則執行下一步驟，否則返回步驟(2.1)，修改零部件參數，直到滿足設計要求；步驟(4).依次按以下步驟提取步驟(3)中得到的仿真結果步驟(4.1)用所述求解模塊Solution中的模態分析(Modal)，選擇分塊藍佐斯(BlockLanczos)方法計算模態，並保存；步驟(4.2)根據步驟(4.1)得到的零部件模型的模態，用所述ANSYS軟體提取零部件模型的剛度矩陣和質量矩陣；步驟(5).讀入所述質量矩陣和剛度矩陣，調用Mathematica軟體，按以下算法對零部件進行降階運算所述零部件三維網格模型在設定的典型載荷條件下結構最大變形時的狀態用n維向量xmax表示，n為自由度數；定義xoff＝xmax-xeqm，id="icf0001" top= "228" left = "124" top= "239" left = "64" top= "236" left = "164" top= "248" left = "50" top= "246" left = "106" top= "247" left = "133"/>的2-範數，將ai從大到小排列，選用前m個ai對應的m個模態編程構建零部件降階模型，則零部件自由度從n降低至m。
全文摘要
一種面向產品級仿真的零部件模型降階方法屬於CAD計算機輔助協同產品仿真技術領域，其特徵在於，含有以下步驟用ANSYS軟體建立零部件的三維網格模型並計算模態，提取零部件模型的質量矩陣和剛度矩陣，再用Mathematica軟體並結合有限元分析中的降階算法，根據所得到的剛度矩陣、質量矩陣，以及在設定的典型載荷下的結構最大變形時的狀態，系統平衡時的狀態，把具有n維向量的零部件模型降到m個模態構成的零部件模型。本發明提高了複雜產品的產品級仿真速度，提高了仿真數據的重用度，而且操作簡單，易於實現。
文檔編號G06F17/50GK101266632SQ200810104408
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月18日 優先權日2008年4月18日
發明者凌 田, 範燦升, 蓮 薛 申請人:清華大學