1 引言
在市场需求不断快速变化、技术迅速更新的趋势之下,企业产品研制是否具备快速、高质量、低成本的特点,已成为决定企业成败与否的关键。能否在最短的时间内开发出功能、性能满足客户需求的产品,并在最短的时间内将产品上市已成为企业产品研制能力的重要标志。因此,传统的产品开发流程已越来越不难以满足产品开发的要求。传统的产品开发流程,如图1所示。
从图中可以看出,传统的产品开发过程主要依靠产品开发人员的经验,而且产品的性能只有在样机制造完成后才能够通过产品一系列的性能试验对设计结果进行评判。试验中发现的问题,也必须等到下一次设计中才可能修改,因此传统的设计过程一般都需要通过反复多次才能最终满足设计要求。最为糟糕的是有些致命的设计缺陷甚至导致必须放弃现有方案重新设计产品。所以传统方法开发产品,产品开发周期较长产品质量差。
采用多软件联合仿真的现行产品开发流程,如图2所示。
从上面的产品开发流程图我们可以很明显的看出,与传统的产品的开发流程相比,采用多软件联合仿真的产品开发流程,由于在设计阶段就可以对各种方案进行分析、对比和优化,并且通过多软件联合仿真技术可以在物理样机制造之前预计产品的各项性能指标,从而很好的克服了传统设计流程的弊端,提高了产品的开发效率,达到产品开发的最优目标。
2 联合仿真技术
2.1模型的建立
一个完整的模型的建模过程主要包括几何建模,单元划分以及属性定义三大部分。同一产品由于处于不同的分析阶段,模型的建立也有很大差别。一般来说用于加工的模型最为精细,必须按照要求表达所有的设计细节。用于静力学分析的模型相对制造模型来说可以稍作简化。而用于运动学、动力学和控制分析的模型则可更粗一些。但随着计算机技术的发展,人们在进行运动学、动力学和控制分析分析时所采用的模型也越来越精细。
目前可用于三维造型的软件有法国达索(Dassault Systemes)公司推出的CATIA、美国PTC公司Pro/ENGINEER以及SOLIDWORKS、UG等等。
CATIA源于航空航天工业,是业界无可争辩的领袖。在航空航天业的多个项目中,CATIA被应用于开发虚拟的原型机,其中包括Boeing飞机公司(美国)的Boeing 777和Boeing 737,Dassault飞机公司(法国)的阵风(Rafale)战斗机、Bombardier飞机公司(加拿大)的Global Express公务机、以及Lockheed Martin飞机公司(美国)的Darkstar无人驾驶侦察机。CATIA的后参数化处理功能在Boeing777的设计中也显示出了其优越性和强大功能。由于波音公司用CATIA软件实现了Boeing777飞机全过程无纸质图纸生产的成功,使得CATIA软件成为目前世界上应用规模最大,模块最全的三维CAD软件。
2.2零部件级的有限元分析及结构优化
2.2.1有限元分析
零部件级的有限元分析及结构优化工作是一项难度较大的工作。由于建模和分析工具的多样性以及不同软件系统对模型的描述不同,因此在多软件联合仿真时最大的困难在于不同软件间数据的交换。在有了三维实体模型以后,还需要做大量的模型转换和修改工作才可能得到正确的分析模型,这项工作通常占到工作量的70%以上,情况复杂时可能需要更长的时间。
目前可用于结构强度分析的软件主要有:ANSYS、MSCNASTRAN、ABAQUS、MARC、RASNA、SAP、ADINA、COSMOS等。
由美国ANSYS公司开发的ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换。软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。可进行结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;更为重要的是,10.0版本的ANSYS软件还可以在多个机群进行并行处理解决超大模型。
零部件级的有限元分析的基本步骤,如图3所示。
2.2.2结构优化
零件的优化主要包括尺寸优化、形状优化以及拓扑优化三类。尺寸优化是在给定的形状和拓扑结构下,通过改变结构的尺寸来求得零件的设计优化。如板壳单元的厚度优化,梁杆单元的截面优化等。尺寸优化一般在迭代过程中不需要重复的剖分,直接调用FEM软件如ANSYS、NASTRAN、COSMOS等即可。形状优化是在不改变零件拓扑结构的前提下,通过改变结构的尺寸和表面形状达到零件的设计优化。形状优化在优化过程中需要反复修改原始模型和不断的重复剖分,需要把CAD软件和FEM软件集成起来。如:ANSYS+INVENTER、ISIGHT+PRO/E+NASTRAN等。拓扑优化是在满足边界条件的情况下,确定设计空间内最优材料分布状态。专用软件有:ALTAIR公司的OPTISTRUCT、FE-DESIGN公司的TOSTA。
设计优化的基本步骤,如图4所示。
图4 设计优化的基本步骤
2.3机构运动学和动力学仿真及机构优化
对于复杂的机构,人们都希望能在产品生产以前对机构的设计方案进行精确的试验、分析和论证,从产品的设计阶段开始,按实际条件进行机构动力学和运动分析,以便从多个方案中选择最佳方案,或者直接进行机构设计优化。
由于ADAMS软件ANSYS软件和PRO/E软件之间有良好的双向接口程序,因此为了实现机构的运动学和动力学分析我们通常采用ADAMS、ANSYS和PRO/E软件实现机构动力学和运动学的联合仿真。
利用ANSYS、ADAMS和PRO/E接口,对机构进行运动学和动力学分析的步骤如下:
(1)在PRO/E软件中建立机构模型通过接口倒入ANSYS软件中建立机构的有限元模型;
(2)利用adams.mac宏文件生成ADAMS软件所需要的机构模态中性文件(jobname.mnf);
(3)将PRO/E软件中建立的机构模型通过接口倒入ADAMS软件中,读入模态中性文件,指定好部件之间的连结方式,施加必要的载荷进行系统动力学仿真,在分析完成后输出ANSYS所需要的载荷文件(.lod文件),此文件记录了运动过程中机构的运动状态和受到的载荷;
(4)在ANSYS程序中,将载荷文件中对应时刻的载荷施加到机构进行应力应变分析。
2.4控制系统仿真
在进行系统控制仿真时,我们通过ADAMS/Control提供与MATLAB/Simulink的双向控制接口,MATLAB/Simulink提供了友好的图形用户界面,摆脱了深奥的数学推理。不仅能让用户知道各系统中具体环节的动态细节,而且能让用户清晰地了解各器件、各系统的信息交换,掌握各部分的交互影响。ADAMS、PRO/E及ANSYS软件两两间的双向接口可以实现数据交换,通过这些接口将各软件结合起来,就可构成完整的机械系统与控制系统仿真,从而实现产品设计的联合仿真。
3 小结
在产品设计的过程中,应用CAD、CAM、CAT技术在设计阶段就可以对各种方案进行分析对比和优化,并且通过多软件联合仿真技术可以在物理样机制造之前预计产品的各项性能指标,从而很好的克服了传统设计流程的弊端,提高了产品的开发效率,达到产品开发的最优目标,因此对现代产品开发设计有一定的指导意义。(end)
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