針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法
2023-12-07 12:28:56 1
專利名稱：針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法
技術領域：
本發明涉及一種機械裝備的動態設計平臺的構建方法，特別涉及CAX/PDM —體化技術及可適應性設計理念，屬於機械工程技術領域。
背景技術：
1.機械結構動態設計的研究概述隨著機械動力學這一綜合學科的迅猛發展，衍生出了一種針對機械裝備的新型設計理論方法——機械動態設計。上世紀30年代，機械結構的動態性能就已經引起了人們高度的重視。隨著模態實驗技術的發展，機械阻抗測試技術和相關的分析計算軟硬體的問世，結構響應函數的測試已經可以實現。在70年代逐步得到發展的快速傅立葉變換和有限元分析技術，為機械結構的數學理論建模和實驗動態建模奠定了基礎。在上世紀80年代末，機械動態設計理論得到了空前的發展，在多個領域得到了廣泛的應用，包括航空航天、交通運輸、裝備製造業等重要領域都已成為不可或缺的重要環節。機械動態設計是一個非常複雜的耦合設計過程，至今尚未形成科學、完整的理論體系，仍處於初步探索階段。基於機械動力學的機械動態設計主要包括三大支撐技術有限元技術，實驗模態技術，結構優化設計。機械結構動態設計的主體流程為針對目標裝備機械動態性能建立相適應的動力學模型，修正動力學模型，模型的動態性能分析及參數識別，基於一定的優化理論對目標機械系統進行參數、結構、拓撲優化。機械產品的動態性能分析涉及到許多相關學科，如機械動力學，剛體動力學，多體動力學，振動力學，實驗模態分析理論，有限元理論等，針對不同的機械裝備選用不同的分析方法對其結構動態性能進行分析，同時依據目標產品的動態性能對產品作進一步優化，從而保證並提高目標機械裝備的工作性能參數。目前，國內大多數裝備製造企業的設計、製造手段落後，同時，機械裝備的動態性能分析研究還停留在反饋性質的實驗驗證階段，很少能在產品設計之初就引入動態性能分析驗證過程，大大制約了產品質量的發展。步入21世紀，機械裝備逐漸向超大型化和超小型化的趨勢發展，這使得機械裝備產品的設計製造成本逐漸增大，如何確保產品具有良好的動態性能已經成為一個關鍵問題。本發明結合可適應設計理念，全面的規劃了針對目標機械裝備的動態設計流程，研究開發出的平臺服務體系能夠快速響應市場需求，並進行科學的動態驗證和優化，能夠有效提升裝備製造企業生廣效率和廣品的綜合性能，提聞企業核心競爭力。2.基於廣義模塊化思想的可適應性設計理念所謂適應性，是指主體適應客觀條件和約束變化的能力；可適應性是一個主體在構造系統中可以適應客觀條件和約束變化的能力；自適應性是主體所具備的一種機能，當環境或約束條件變化時，主體能夠主動適應客觀條件和約束變化，從而進行正常的活動。可適應設計的最終目就是使設計出的產品具有可適應性。可適應設計最早由加拿大工程院院士 P.⑶教授提出，他率先論述了可適應設計理念的目的不應僅局限在企業是否成功，也應該包括對資源環境的保護，並將可適應性定義為產品的服務和功能的延伸。P. GU最早提出了可適應產品的一般概念，並指出了可適應設計的三個核心要素可適應性度量、功能獨立和設計過程模型函數。P.⑶對可適應設計的基本概念方法及其工程應用進行了系統的論述，研究比對了可適應設計與其他設計理論的區別和聯繫。吳秦明等研究了產品可適應性的實現過程，包括可適應模塊化設計、可適應平臺設計以和可適應接口設計，並且對於每種方法的具體流程做了較為詳盡的闡述。可適應設計理念的核心是參數驅動的廣義模塊化思想。十九世紀五十年代，模塊化技術和模塊化設計作為專業術語首次問世，不同工程領域對其定義也各不相同，一般認為對於具有不同功能的多類別產品開發，不需要對每種產品都進行單獨設計，而是創建功能模塊，依據市場、客戶需求分析通過組合相應模塊建立目標產品，從而解決功能、規格多樣化和生產周期、成本之間的矛盾關係，這就是功能模塊化設計理念。Y.1TO等最早研究了模塊化設計理念，通過對系列化產品的一般結構的分析，他們於1979年提出了分層模塊化結構的概念，並指出針對工具機結構，功能模塊化具有十分重要的實際意義。他們提出了利用力流和GT碼來表描述並創建工具機的結構模式。Shinno和Ito採用上述結構模式成功評價了工具機結構的相似性，並將共同度、相似度和相同度的概念引入到模塊化設計中。國內最早對模塊化理論進行研究的是賈延林和童時中，他們詳細論述了模塊化的基本理念和發展現狀，系統總結了模塊化的基本原理和設計方法，為了深化理解模塊化設計列舉了各種工程案例。針對傳統模塊化設計方法的不足之處，天津大學徐燕申教授深入研究了傳統的模塊化設計理論，並在此基礎上提出了廣義模塊化設計理念，成功解決了分級特性不明顯，結構不易標準化、系列化和通用化產品的模塊化設計等難題。廣義模塊化設計藉助變量化和參數化技術，可以實現非標產品的模塊化設計。綜上所述，國內外已有許多學者對可適應性設計進行了深入的探討，作為一種先進的設計理論和方法，可適應設計可充分發揮模塊化設計、產品平臺設計、可重構設計、並行設計的優勢，使目標產品隨時適應經濟、技術和環境的要求，契合了當今低碳環保、綠色設計的時代主題。但是，可適應設計理論的工程實踐與應用還處在初步探索階段，隨著科學與社會的飛速發展和人們需求的不斷提高，可適應設計在裝備製造領域應用必將愈加的廣泛，深入。許多裝備製造企業仍然採用單件定製的生產模式來滿足用戶和市場需求，設計重用少，單臺造價高，交貨期延長等問題尤其明顯。因此，本發明針對典型機械裝備製造企業提出了具有針對性的可適應創新服務平臺，並與動態設計理念完美耦合，以期實現產品的大規模定製生產模式，滿足最佳的產品性能要求，並適應產品的個性化需求。3.機械裝備製造業的發展現狀機械裝備製造業是國民經濟發展的重要物質基礎，是一個國家綜合國力的重要體現。當前我國裝備製造業的總體規模雖然已經位於世界前列，但總體態勢「大而不強」，製造企業基礎薄弱，特別是在信息化、先進的設計優化理念等方面，主要表現在(I)設計手段落後，當前許多企業還停留在二維製圖，甚至手工繪圖模式；傳統的紙介質傳遞，信息交換效率低下，準確率更加沒有保障。(2)設計理念、設計方式陳舊，動態設計理論的工程應用還處在萌芽階段，結構優化理論的工程應用不具有系統性，設計人員各自為戰，協同能力、合作能力差。(3)有些企業雖然已經採用計算機輔助設計，但數據管理手段落後，數據安全性、共享性差，彼此之間缺少有效的信息共享和利用，造成「信息孤島」。(4)裝備製造企業數據種類繁多，數據冗餘，檢索困難。數據管理呆板，任務協調差、進度失控，版本管理混亂，多層借用防不勝防。在製造業信息化技術中，數位化設計仿真和數位化生產管理是其中非常關鍵和重要的核心技術。面向製造業的CAX/PDM信息化集成系統，以CAX技術提供先進的設計手段和設計理念，以PDM管理信息數據並提供共享平臺，而且以PDM作為集成媒介，將CAX/PDM的過程、功能和信息耦合在一起，能夠有效提高企業的信息化。
發明內容
高精度、高效率、自動化、信息化和微小化已經成為現代製造技術的發展趨勢，對現代製造裝備的要求也越來越高。目前我國裝備製造業產品的設計、優化水平落後，動態設計理論還遠遠沒有達到工程實用化階段，另一方面，大部分企業仍然不能快速及時地設計出高性能產品響應市場需求。為了提高產品動態性能指標及設計的效率，在分析機械結構靜、動態特性及動態設計原理的基礎上，針對上述現有技術，本發明提供一種針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法。基於CAX/PDM的可適應性研究與開發是提升裝備製造業創新能力的重大課題，本發明可以廣泛應用於裝備製造業的各個領域，包括航空航天、汽車、工程機械、工具機工具冶金、紡織等。本發明提供了一種創新設計的共性技術體系，設計方法針對不同行業的產品加以針對性的修改和調整即可應用，因此，市場應用廣闊。為了解決上述技術問題，本發明針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法，包括以下步驟步驟一搭建適用於目標機械裝備製造的可適應服務平臺，包括1-1.以市場調研為準繩，根據用戶對於產品規格尺寸、功能、性能的不同要求進行產品細分，從而建立客戶需求模型；1-2.對目標機械裝備進行產品族規劃，從而得到產品族型譜系列，並對產品族型譜系列進行擴展；1-3.功能模塊劃分，模型創建對目標機械裝備進行功能模塊劃分；然後，對功能模塊進行CAD建模，考慮惡劣工況，對各功能模塊單件進行CAE靜剛度校驗；1-4建立柔性編碼系統結合目標機械裝備的特點，遵循編碼規則將複雜的產品信息轉化成由字符組成的編碼，對功能模塊的規格、工藝、功能信息進行描述；1-5.建立產品族模塊結構庫，並據此建立典型大類虛擬樣機整機模型；至此，搭建起可適應服務平臺，為下一步中的循跡動態設計做好基礎；步驟二 對目標產品進行循跡動態設計，包括2-1.針對具體客戶的實際需求，調用步驟一中搭建好的產品族模塊結構庫，建立起虛擬樣機整機模型，並進行幹涉檢查；2-2.虛擬樣機整機模型CAE靜剛度分析驗證其靜剛度參數是否滿足實際功能要求，若不滿足，則修正虛擬樣機整機模型，若滿足，進入下一步；2-3.虛擬樣機整機模型CAE動態分析、運動分析通過CAE動態分析，計算得到虛擬樣機整機模型前6階模態振型和相應的模態頻率；通過運動分析，驗證虛擬樣機整機模型的裝配方案，並輸出關鍵部位的速度，位移，加速度時間曲線；
2-4.對客戶原始樣機和各關鍵結構進行動力學建模，綜合考慮原始樣機的實際情況，採用適用於目標樣機的激勵、拾振方案，布置測點，進行模態實驗，分析實驗數據，得到實際樣機的前6階振型和相應的頻率；2-5.比對虛擬樣機整機模型有限元計算結果與實際樣機模態實驗結果，如果吻合則進入下一步，否則修正有限元模型，並返回步驟2-2 ；步驟三對目標樣機進行變量化優化設計，包括3-1.變量化分析及優化對上一步中得到的虛擬樣機整機模型進行變量化分析，以虛擬樣機整機結構中的關鍵設計參數為設計變量，根據所述設計變量對結構靜態或動態性能的影響，通過有限元計算，靈敏度分析和變參數分析，修正有限元模型得到虛擬樣機整機優化模型；3-2.工藝性分析及優化驗證虛擬樣機整機模型各關鍵結構是否符合製造和修理方面的工藝性要求，是否和生產條件相適應，通過優化虛擬樣機整機模型，確保其具有良好的加工、裝配可能性和經濟性；3-3.生產實際樣機，實驗驗證在上述變量化分析和工藝性分析的基礎上，生產單臺試驗樣機進行關鍵結構動平衡實驗和實際運行響應實驗，驗證樣機是否能夠滿足預定的功能性能要求，若不滿足，根據實際情況返回3-1或3-2修改模型；若滿足要求，則以步驟一中所建立的客戶需求模型為準繩，對優化樣機進行特定客戶需求校驗，若符合校驗標準，則得到最終優化虛擬樣機整機模型，並將主要功能模塊組分存入產品族模塊結構庫，對原始產品族模塊結構庫進行補充更新，進入下一步；否則，修正有限元模型，並返回步驟2-2 ；3-4. CAM批量化生產將最終優化虛擬樣機整機模型導入到CAM軟體中，交由數控工具機加工，實現批量化生產；還有，通過搭建一 PDM服務平臺將上述可適應服務平臺、循跡動態設計和變量化設計耦合為一個整體；所述PDM服務平臺用於管理其中的CAD和CAE數據，同時，支持CAD和CAE的實時運行；上述所有步驟中涉及到的CAD建模、CAE靜剛度分析、CAE動態分析和變量化優化設計過程均基於SolidWorkS2012軟體平臺實現，無需轉化格式，實現數據傳輸
無縫連接。進一步講，本發明針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法，其中步驟1-2中對產品族型譜系列進行擴展包括橫系列擴展和縱系列擴展，橫系列擴展是對功能結構的擴展，縱系列擴展是對規格尺寸的擴展。步驟2-5中所述修正有限元模型及步驟3-1中所述關鍵設計參數視不同機械裝備結構而確定。機械設備為大型數控落地鏜銑床，該大型數控落地鏜銑床的立柱的靜、動態參數指標對工具機加工性能影響很大，關鍵設計參數為立柱內部橫縱向筋板排布密度、厚度和高度參數，修正有限元模型即對這些關鍵設計參數進行離散取值以得到最優解。與現有技術相比，本發明的有益效果是面向裝備製造業產品的CAX/PDM—體化集成製造平臺以可適應性理論為設計基礎，採用模塊化、標準化、系列化、虛擬化方法進行新產品的研發，所以能增強產品可定製性，快速響應用戶需求，實現資源和能源的優化利用。
企業從接受訂單到產品模塊化快速配置、變型設計、數位化預裝配、數位化分析和優化等產品開發全過程均能清晰準確地監控和把握，能充分利用三維數學模型進行產品的設計、評估、修改和優化。採用虛擬樣機儘可能多地代替實物樣機進行試驗，在數字狀態下仿真計算，然後再對原設計重新進行組合或改進，因此，基本可使新產品開發獲得一次成功。企業能對客戶的需求變化做出快速、靈活的反應，並且完全按照規定的時間、成本和質量要求快速地將產品推向市場需求。產品數位化模型和信息，設計數據和設計資源不僅能在企業部門之間共享和重用，又便於企業今後數位化製造和管理，為CAM、CAPP, ERP信息全面集成打下基礎。本發明綜合應用可適應設計技術，現代設計技術、數位化技術和信息技術等多項先進技術，對產品開發過程進行產品需求分析、快速配置、有限元分析、結構優化設計和面向全生命周期的數據管理。同時，本發明可推廣應用於其它設計製造行業，解決普遍存在的設計周期長，設計質量不穩定，設計人員重複勞動量大，生產周期長，成本高等突出問題，可積累重用設計製造經驗，實現可重構、再製造，減少資源浪費，突出低碳環保，具有很好的社會效益。本發明預期完成目標為縮短產品設計周期50%以上，降低設計與製造成本20%以上，並切實提升目標機械裝備產品的質量和性能。
圖1是本發明基於CAX/PDM的機械裝備可適應性動態設計平臺的總體流程圖；圖2是本發明中廣義化功能模塊矩陣規劃流程示意圖；圖3是本發明實施例工具機企業工具機模塊機型系列編碼表示意圖；圖4是本發明實施例整機前6階模態振型有限元計算結果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，進一步詳細說明本發明所述的可適應性動態設計平臺的構建方法的具體實施方式
，以及各主要步驟所要完成的具體任務和他們之間的關係。本發明技術方案主要包括三大流程可適應服務平臺創建，基於機械動力學的循跡動態設計，基於對目標樣機進行變量化優化設計。特別的，構建起PDM伺服器對整體平臺的數據信息進行科學管理和控制，該PDM伺服器是各部分連接通信的紐帶。如圖1所示，本發明一種針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法，包括以下步驟步驟一搭建適用於目標機械裝備製造的可適應服務平臺，包括1-1.以市場調研為準繩，根據用戶對於產品規格尺寸、功能、性能的不同要求進行產品細分，從而建立客戶需求模型；即，對目標行業領域進行需求分析，開發新產品之前，企業首先要對具體用戶進行需求進行，這裡的用戶是從統計學角度進行考慮的，不同用戶所需產品的目的、環境和期望也各不相同，通過市場細分和產品細分，構建立目標機械製造裝備需求模型。1-2.在需求分析的基礎上對目標機械裝備進行產品族規劃，從而得到產品族型譜系列，並對產品族型譜系列進行擴展，對產品族型譜系列進行擴展包括橫系列擴展和縱系列擴展，橫系列擴展是對功能結構的擴展，縱系列擴展是對規格尺寸的擴展。圖2.為廣義化的功能模塊矩陣規劃流程示意圖。1-3.基於產品功能分析劃分模塊，首先分析產品的總體功能，然後對其進行逐層分解和細化。對各主要模塊和分模塊進行CAD建模，對各主要結構單件進行CAE靜剛度校驗，考慮最大負荷工況。1-4.根據目標機械裝備的特點，遵循編碼規則將複雜的產品信息轉化成由字符組成的編碼，制定適用於該可適應服務平臺的柔性編碼系統，對功能模塊的規格、工藝、功能信息進行描述；模塊化編碼的實質是用統一的字符代號來代替冗長的文字敘述，清晰準確的表述大量複雜的層次關係和複合概念，編碼可以容納多樣化元素、多義性表述和非標準化層次；圖3為實際應用工具機企業模塊機型系列編碼表示例。1-5.建立產品族模塊結構庫，並據此建立典型大類虛擬樣機整機模型；在以上工作的基礎上，最終完成目標領域產品族模塊結構庫的整體框架搭建。建立起可適應性虛擬樣機模塊體系庫，為下一步的循跡動態設計打好基礎。步驟二 對目標產品進行循跡動態設計，採用有限元法、模態實驗法、動態分析法三者結合的分析方法對目標機械裝備進行動態性能分析。特別的，本部分以上部分建立的產品族模塊結構庫為設計基礎平臺，緊密結合設計之初的需求分析，隨時響應和驗證市場、用戶需求及產品的功能、性能要求，即循跡動態設計。包括2-1.針對具體客戶的實際需求，調用步驟一中搭建好的產品族模塊結構庫，建立起虛擬樣機整機模型，並整機虛擬樣機模型進行幹涉檢查，2-2.虛擬樣機整機模型CAE靜剛度分析驗證其靜剛度參數是否滿足實際功能要求，若不滿足，則修正虛擬樣機整機模型，若滿足，進入下一步；2-3.虛擬樣機整機模型CAE動態分析、運動分析通過CAE動態分析，採用實驗模態分析方法對原始樣機及各主要結構進行模態實驗，計算得到虛擬樣機整機模型前6階模態振型和相應的模態頻率；通過運動分析，驗證虛擬樣機整機模型的裝配方案，並輸出關鍵部位的速度，位移，加速度時間曲線，圖4為一工具機企業工具機整機的動態有限元計算結果。2-4.對客戶原始樣機和各關鍵結構進行動力學建模，綜合考慮原始樣機的實際情況，採用適用於目標樣機的激勵、拾振方案，布置測點，進行模態實驗，分析實驗數據，得到實際樣機的前6階振型和相應的頻率；2-5.比對虛擬樣機整機模型有限元計算結果與實際樣機模態實驗結果，找出兩者之間的誤差，分析誤差的產生原因，修正有限元模型，得出正確的有限元結果；如果吻合則進入下一步，否則修正有限元模型(修正有限元模型視不同機械裝備結構而確定)，並返回步驟2-2 ；步驟三對目標樣機進行變量化優化設計，對機械產品進行力學結構特性分析和優化設計是整個產品設計過程的主要組成部分之一，包括3-1.變量化分析及優化對上一步中得到的虛擬樣機整機模型進行變量化分析，以虛擬樣機整機結構中的關鍵設計參數為設計變量，根據所述設計變量對結構靜態或動態性能的影響，研究這些設計變量在一定範圍內按照一定規律變化時，結構靜態、動態性能參數的變化情況，通過有限元計算，靈敏度分析和變參數分析，修正有限元模型得到虛擬樣機整機優化模型；所述關鍵設計參數視不同機械裝備結構而確定，例如機械設備為大型數控落地Il統床，該大型數控落地鍵統床的立柱的靜、動態參數指標對工具機加工性能影響很大，關鍵設計參數為立柱內部橫縱向筋板排布密度、厚度和高度參數，修正有限元模型即對這些關鍵設計參數進行離散取值以得到最優解。3-2.工藝性分析及優化驗證虛擬樣機整機模型各關鍵結構是否符合製造和修理方面的工藝性要求，驗證各主要結構大件是否符合製造和修理方面的工藝性要求，目標樣機是否和生產條件相適應，通過優化虛擬樣機整機模型，確保其具有良好的加工、裝配可能性、方便性，準確性和經濟性；3-3.生產實際樣機，實驗驗證在上述變量化分析和工藝性分析的基礎上，生產單臺試驗樣機進行關鍵結構動平衡實驗和實際運行響應實驗，驗證樣機是否能夠滿足預定的功能性能要求，若不滿足，根據實際情況返回3-1或3-2修改模型；若滿足要求，則以步驟一中所建立的客戶需求模型為準繩，對優化樣機進行特定客戶需求校驗，若符合校驗標準，則得到最終優化虛擬樣機整機模型，並將主要功能模塊組分存入產品族模塊結構庫，對原始產品族模塊結構庫進行補充更新，進入下一步；否則，修正有限元模型，並返回步驟2-2 ；3-4. CAM批量化生產將最終優化虛擬樣機整機模型導入到CAM軟體中，交由數控工具機加工，實現批量化生產；本發明採用PDM服務平臺信息集成機制，通過搭建一PDM服務平臺，作為本創新服務集成平臺的紐帶將上述可適應服務平臺、循跡動態設計和變量化設計耦合為一個整體；所述PDM服務平臺不僅管理CAD和CAE系統的數據，提供協同工作環境，而且還要支持CAD和CAE的實時運行。特別的，本發明搭建起的PDM伺服器還需要對可適應平臺的需求分析，產品編碼，產品族模塊結構庫進行科學的規劃和管理。CAD系統產生的二維圖紙、三維模型、零部件基本屬性、產品明細表以及產品零部件之間的裝配關係等需要由PDM系統進行管理，同時CAD系統需要從PDM系統中獲取設計任務書、技術要求參數以及零部件圖紙模型等信息。在CAE系統中，無論是單個零件還是整機的有限元分析以及機構的運動分析，都需要從PDM系統中獲取CAD系統功能模塊模型和裝配模型的信息及原材料信息等信息，而CAE分析的結果對模型的修改在CAD系統中能夠反映出來，並將分析產生的文件交由PDM管理。搭建PDM服務平臺，包括4-1.構建中間集成平臺。構建中間集成平臺可實現XML文件管理、用戶管理、適配器管理、安全機制、消息機制、日誌管理、協議擴展、映射配置等，科學日誌記錄和消息處理，管理XML文件，以及對不同CAX系統的適配器進行安全驗證並管理。4-2.構建PDM 二次開發系統平臺。通過SolidWorks Enterprise PDM強大的二次開發接口 API以及VB. NET支持，構建PDM 二次開發服務平臺，此平臺為用戶提供了一種安全存取數據的機制，並且在不考慮數據或用戶物理位置的情況下，允許用戶對企業產品的數據和信息實現透明的訪問；實現產品結構和配置管理，工作流管理，項目管理，並提供分類和檢索功能。基於C0M/0LE技術，SolidWorks Enterprise PDM提供了強大的二次開發接口 API，通過調用PDM的API可以對對象進行一些列相關操作。在VB. NET中進行二次開發時，需要包含API對象的類庫文件PDMWorks Enterpri se』 s TypeLibrary04-3.建立PDM資料庫伺服器，PDM FTP伺服器。PDM資料庫伺服器可方便實現在PDM系統中存儲屬性數據。PDM FTP伺服器主要存儲與產品有關的圖文檔等設計文檔，以及CAX/PDM系統上載到中間集成平臺的XML文檔。
本發明中所有步驟中涉及到的CAD建模、CAE靜剛度分析、CAE動態分析和變量化優化設計過程均基於Solidworks2012軟體平臺實現,無需轉化格式,實現數據傳輸無縫連接。儘管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
1.一種針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟一搭建適用於目標機械裝備製造的可適應服務平臺，包括 1-1.以市場調研為準繩，根據用戶對於產品規格尺寸、功能、性能的不同要求進行產品細分，從而建立客戶需求模型； 1-2.對目標機械裝備進行產品族規劃，從而得到產品族型譜系列，並對產品族型譜系列進行擴展； 1-3.功能模塊劃分，模型創建對目標機械裝備進行功能模塊劃分；然後，對功能模塊進行CAD建模，考慮惡劣工況，對各功能模塊單件進行CAE靜剛度校驗； 1-4建立柔性編碼系統結合目標機械裝備的特點，遵循編碼規則將複雜的產品信息轉化成由字符組成的編碼，對功能模塊的規格、工藝、功能信息進行描述； 1-5.建立產品族模塊結構庫，並據此建立典型大類虛擬樣機整機模型； 至此，搭建起可適應服務平臺，為下一步中的循跡動態設計做好基礎； 步驟二 對目標產品進行循跡動態設計，包括 2-1.針對具體客戶的實際需求，調用步驟一中搭建好的產品族模塊結構庫，建立起虛擬樣機整機模型，並進行幹涉檢查； 2-2.虛擬樣機整機模型CAE靜剛度分析驗證其靜剛度參數是否滿足實際功能要求，若不滿足，則修正虛擬樣機整機模型，若滿足，進入下一步； 2-3.虛擬樣機整機模型CAE動態分析、運動分析通過CAE動態分析,計算得到虛擬樣機整機模型前6階模態振型和相應的模態頻率；通過運動分析，驗證虛擬樣機整機模型的裝配方案，並輸出關鍵部位的速度，位移，加速度時間曲線； 2-4.對客戶原始樣機和各關鍵結構進行動力學建模，綜合考慮原始樣機的實際情況，採用適用於目標樣機的激勵、拾振方案，布置測點，進行模態實驗，分析實驗數據，得到實際樣機的前6階振型和相應的頻率； 2-5.比對虛擬樣機整機模型有限元計算結果與實際樣機模態實驗結果，如果吻合則進入下一步，否則修正有限元模型，並返回步驟2-2 ； 步驟三對目標樣機進行變量化優化設計，包括 3-1.變量化分析及優化對上一步中得到的虛擬樣機整機模型進行變量化分析，以虛擬樣機整機結構中的關鍵設計參數為設計變量，根據所述設計變量對結構靜態或動態性能的影響，通過有限元計算，靈敏度分析和變參數分析，修正有限元模型得到虛擬樣機整機優化模型； 3-2.工藝性分析及優化驗證虛擬樣機整機模型各關鍵結構是否符合製造和修理方面的工藝性要求，是否和生產條件相適應，通過優化虛擬樣機整機模型，確保其具有良好的加工、裝配可能性和經濟性； 3-3.生產實際樣機，實驗驗證在上述變量化分析和工藝性分析的基礎上，生產單臺試驗樣機進行關鍵結構動平衡實驗和實際運行響應實驗，驗證樣機是否能夠滿足預定的功能性能要求，若不滿足，根據實際情況返回3-1或3-2修改模型； 若滿足要求，則以步驟一中所建立的客戶需求模型為準繩，對優化樣機進行特定客戶需求校驗，若符合校驗標準，則得到最終優化虛擬樣機整機模型，並將主要功能模塊組分存入產品族模塊結構庫，對原始產品族模塊結構庫進行補充更新，進入下一步；否則，修正有限元模型，並返回步驟2-2; 3-4. CAM批量化生產將最終優化虛擬樣機整機模型導入到CAM軟體中，交由數控工具機加工，實現批量化生產； 還有，通過搭建一 PDM服務平臺將上述可適應服務平臺、循跡動態設計和變量化設計耦合為一個整體；所述PDM服務平臺用於管理其中的CAD和CAE數據，同時，支持CAD和CAE的實時運行；上述所有步驟中涉及到的CAD建模、CAE靜剛度分析、CAE動態分析和變量化優化設計過程均基於Solidworks2012軟體平臺實現,無需轉化格式,實現數據傳輸無縫連接。
2.根據權利要求1所述一種針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法，其特徵在於步驟1-2中對產品族型譜系列進行擴展包括橫系列擴展和縱系列擴展，橫系列擴展是對功能結構的擴展，縱系列擴展是對規格尺寸的擴展。
3.根據權利要求1所述一種針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法，其特徵在於步驟2-5中所述修正有限元模型及步驟3-1中所述關鍵設計參數視不同機械裝備結構而確定。
4.根據權利要求3所述一種針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法，其特徵在於機械設備為大型數控落地鏜銑床，該大型數控落地鏜銑床的立柱的靜、動態參數指標對工具機加工性能影響很大，關鍵設計參數為立柱內部橫縱向筋板排布密度、厚度和高度參數，修正有限元模型即對這些關鍵設計參數進行離散取值以得到最優解。
全文摘要
本發明公開了一種針對機械裝備的可適應性動態設計平臺構建方法，主要包括搭建適用於目標機械裝備的可適應服務平臺、對目標產品進行循跡動態設計和對目標樣機進行變量化優化設計；並通過搭建一PDM服務平臺，作為本創新服務集成平臺的紐帶將上述可適應服務平臺、循跡動態設計和變量化設計耦合為一個整體。本發明可推廣應用於其它設計製造行業，解決普遍存在的設計生產周期長，設計質量不穩定，人員重複勞動量大，成本高等突出問題，並可積累重用設計製造經驗，實現可重構、再製造，減少資源浪費，最終實現需求轉化、產品設計、分析、仿真、製造無縫集成，使目標產品結構優化，性能穩定，變型快速，從而增強企業的核心競爭力。
文檔編號G06F17/50GK103020358SQ20121054321
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者王太勇, 李煜 申請人:天津大學