一種一體化快速產(chǎn)品迭代成形裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種一體化快速產(chǎn)品迭代成形裝置及其方法，尤其涉及一種多級成熟度下機械結(jié)構(gòu)一體化快速產(chǎn)品迭代成形裝置、及所述裝置的一體化快速產(chǎn)品迭代成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計算機的飛速發(fā)展，個人計算機的數(shù)據(jù)處理計算能力不斷提升，使得數(shù)字化設(shè)計、分析技術(shù)得以實現(xiàn)并不斷增強。利用計算機進行產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)成為機械制造業(yè)發(fā)展的重要推動力，計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)以及計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)是由此而發(fā)展起來的數(shù)字化技術(shù)的兩個重要應用方向，并且隨著計算機硬件的發(fā)展，各自的功能性、操作性和擴展性也不斷豐富和提升，成為現(xiàn)今制造業(yè)不可或缺的重要技術(shù)。由于計算機輔助設(shè)計(CAD)的模型是利用邊界(B-Rep)或構(gòu)造實體幾何(CSG)等方式精確表達，而計算機輔助工程(CAE)大多是利用離散的網(wǎng)格單元近似表達模型，通過有限單元法(FEA)分析計算。這種不同平臺數(shù)據(jù)格式的不兼容導致CAD軟件設(shè)計模型導入CAE軟件進行分析計算前，需要進行大量的前處理操作，比如:小特征移除、模型裂縫處理、特征簡化、模型轉(zhuǎn)換等。之后需要在CAE平臺上進行三維網(wǎng)格單元生成以及數(shù)值分析計算過程。得到分析結(jié)果后依照設(shè)計要求更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，成形過程需要不斷在結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析中迭代進行。
[0003]目前，主流的CAD 結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件包括 AutoCAD、PTC Creo、SpaceClaim、Solidwork等，均具有強大的三維模型構(gòu)建能力；主流的CAE平臺軟件基本基于有限單元方法，包括Ansys、Abqus、Hyperworks等，均可以對模型獲得可靠的數(shù)值分析計算結(jié)果。然而，有限單元法通常采用三維體網(wǎng)格單元擬合得到分析模型，導致幾何與分析模型表達不統(tǒng)一，用戶在數(shù)值分析前需要模型轉(zhuǎn)換及繁瑣前處理交互以得到較高精度計算結(jié)果；此外，由于有限單元法計算的體網(wǎng)格單元對于細小特征的擬合性不夠，在對模型網(wǎng)格單元離散之前需要進行小特征移除、特征修復等復雜操作。這些復雜的交互操作使得機械產(chǎn)品成形迭代過程中非有效工作時間占據(jù)了全部工作時間的40%?80%，工作效率受到了很大影響。
[0004]為了提高實際工程模型設(shè)計效率，避免各自獨立發(fā)展導致二者協(xié)作工作時出現(xiàn)問題，許多學者對CAD/CAE集成化操作進行了深入研究，集成化通常有四種方式:對象鏈接技術(shù)(Object-Linking Technology)，特殊接口法(Special Interface Method)，中間文件轉(zhuǎn)換法(Neutral File Translat1n)，以及等幾何方法(Isogeometric Analysis Method)等。
[0005]集成化通常有四種方式:對象鏈接技術(shù)(Object-Linking Technology)，特殊接口法(Special Interface Method)，中間文件轉(zhuǎn)換法(Neutral File Translat1n)，以及等幾何方法(Isogeometric Analysis Method)等。
[0006]第1種，對象鏈接技術(shù)通過要求其他軟件的授權(quán)，使得在本地軟件可以直接調(diào)用分析軟件的對應接口來達到初步級別的CAD/CAE集成化。這種集成方式僅僅簡單的在建模軟件中添加FEA分析設(shè)計交互界面，鏈接授權(quán)的分析模塊，將原本顯式導入導出過程變?yōu)橥黄脚_內(nèi)隱式數(shù)據(jù)傳輸，并沒有從根本上解決CAD/CAE數(shù)據(jù)不兼容，迭代設(shè)計自動化程度過低等問題。
[0007]第2種，特殊接口法借助于獨立的接口模型文件，使得模型可以在不同平臺間交互轉(zhuǎn)換。此方法確保了幾何建模與性能分析間模型的兼容性，但這些數(shù)據(jù)交換標準可能丟失高層的設(shè)計信息。同時，對于復雜的模型還會產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息的丟失或冗余，后期的幾何模型的修補工作量大，反而影響產(chǎn)品設(shè)計效率。
[0008]第3種，中間文件法通過在CAD建模與CAE分析平臺之上加入集成模型的中間文件，實現(xiàn)CAD/CAE集成化系統(tǒng)的思路。這種中間模型的建立通常需要借助專家經(jīng)驗，所面向的設(shè)計過程并不具有普遍性。同時，由于性能分析模塊采用的是FEA分析方法，因此耗時的前處理網(wǎng)格劃分等操作在這種集成化系統(tǒng)中仍無法避免。
[0009]第4種，等幾何方法利用非均勻有理B樣條(NURBS)參數(shù)體精確表達三維的幾何模型的計算域，因此具有高精度以及模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一的優(yōu)勢，但在復雜拓撲模型中，獲取NURBS三變量參數(shù)體表達十分困難。并且由于NURBS基函數(shù)缺乏插值性，使得邊界條件很難準確施加到邊界面上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種多級成熟度下機械結(jié)構(gòu)一體化快速產(chǎn)品迭代成形裝置、及所述裝置的一體化快速產(chǎn)品迭代成形方法，其解決由于幾何與分析模型表達不統(tǒng)一，機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)迭代成形過程工作效率較低的問題。
[0011]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種多級成熟度下機械結(jié)構(gòu)一體化快速產(chǎn)品迭代成形裝置，其包括結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺、仿真分析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、節(jié)點管理模塊；
[0012]所述結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺用于機械結(jié)構(gòu)的建模設(shè)計，所述仿真分析模塊、所述數(shù)據(jù)處理模塊、所述節(jié)點管理模塊均基于所述結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺的二次開發(fā)接口進行功能性擴充；
[0013]所述仿真分析模塊采用邊界元算法直接用面單元離散網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析計算，建模過程中的幾何模型利用邊界面離散網(wǎng)格單元算法得到單元數(shù)據(jù)，通過接口函數(shù)傳遞給邊界單元數(shù)值算法計算；
[0014]所述數(shù)據(jù)處理模塊針對所述仿真分析模塊的計算前處理的網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)與載荷數(shù)據(jù)，并針對計算后處理的結(jié)果數(shù)據(jù)、用戶交互數(shù)據(jù)以及多階段仿真分析的數(shù)據(jù)集進行數(shù)據(jù)處理而給出數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)；
[0015]所述節(jié)點管理模塊針對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計建模過程的不同成熟度下的仿真分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計的管理。
[0016]作為上述方案的進一步改進，所述結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺采用PTC Creo三維建模軟件作為支撐平臺。
[0017]作為上述方案的進一步改進，所述仿真分析模塊包括網(wǎng)格單元離散部分、邊界元分析計算部分以及后處理部分；所述網(wǎng)格單元離散部分采用ACIS的Facet模塊劃分得到邊界面三角網(wǎng)格單元，通過數(shù)據(jù)整理得到計算所需要的單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；所述邊界元分析計算是利用邊界元法積分等式，采用快速多極算法，并借助計算機統(tǒng)一計算架構(gòu)，通過離散得到數(shù)值計算等式計算物理問題；所述后處理通過計算得到的結(jié)果數(shù)據(jù)采用Matlab軟件直觀地呈現(xiàn)分析云圖。
[0018]進一步地，所述單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括節(jié)點坐標信息、節(jié)點所屬面標記信息、節(jié)點的鄰接節(jié)點標記信息、節(jié)點的鄰接單元標記信息、單元的三個節(jié)點、單元的載荷信息、單元所屬面標記信息、單元的鄰接單元標記信息。
[0019]進一步地，述后處理在建模過程中直接觸發(fā)邊界元的分析計算得到每個節(jié)點單元的計算數(shù)據(jù)，根據(jù)計算數(shù)據(jù)進行后處理渲染，得到直觀云圖。
[0020]作為上述方案的進一步改進，所述數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用樹狀分支連接，主干支點依賴于建模的各個成熟度節(jié)點；每一個主干支點包括兩項分支節(jié)點:計算前處理數(shù)據(jù)、計算后處理數(shù)據(jù)；所述計算前處理數(shù)據(jù)包含離散單元的節(jié)點、單元數(shù)據(jù)，施加的載荷數(shù)據(jù)，用戶交互數(shù)據(jù)；所述計算后處理數(shù)據(jù)包含計算結(jié)果數(shù)據(jù)以及用戶交互數(shù)據(jù)，這兩個數(shù)據(jù)均不具有可繼承性。
[0021]進一步地，用戶交互數(shù)據(jù)具有可繼承性，載荷數(shù)據(jù)具有半可繼承性，能用于此主干支點的其他后續(xù)主干支點使用。
[0022]進一步地，所述數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)中包含兩個數(shù)據(jù)操作:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作、數(shù)據(jù)傳輸操作；所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作包含兩方面:第一方面是將離散單元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可計算的節(jié)點、單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，第二方面是在用戶交互過程中，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為用戶想要查看的形式；所述數(shù)據(jù)傳輸操作也包括兩方面:第一方面是可繼承性數(shù)據(jù)的傳輸，第二方面是不同主干結(jié)點計算結(jié)果向后處理過程的傳輸。
[0023]作為上述方案的進一步改進，所述節(jié)點管理包括成熟度節(jié)點編輯、迭代模型的保存及調(diào)用、計算結(jié)果數(shù)據(jù)的保存及調(diào)用、當前模型的保存及調(diào)用；所述成熟度節(jié)點編輯是指設(shè)計師改變事前確定的成熟度節(jié)點數(shù)量，或結(jié)合實際情況對已完成的成熟度節(jié)點進行刪除操作，或在歷史樹尾端添加成熟度節(jié)點；所述迭代模型保存及調(diào)用是在成熟度節(jié)點迭代過程中，仿真計算之前需要保存當前模型數(shù)據(jù)，使得設(shè)計師能通過操作歷史樹隨時調(diào)用查看節(jié)點上的模型；所述計算結(jié)果數(shù)據(jù)的保存及調(diào)用是在仿真計算之后保存計算結(jié)果到硬盤上，使得設(shè)計師在操作歷史樹節(jié)點上能隨時查看仿真分析結(jié)果；所述當前模型的保存及調(diào)用是在仿真計算或查看歷史樹節(jié)點數(shù)據(jù)之前保存當前模型，在完成操作之后能恢復之前模型，繼續(xù)進行結(jié)構(gòu)建模設(shè)計過程。
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