超變量設計的機械設計自動化研究

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摘要：當前在機械設計的過程中呈現出了非常強的自動化趨勢，CAD技術也是在機械設計自動化基礎上進行處理的，但其在應用的過程中也存在著某些方面的不足。為此人們提出了超變量設計技術的MDA系統。VGX技術主要是以混合求解的策略為主要的內容，在這一過程中其支持超越歷史的設計，同時還采用了交互性是比較強的技術。主要分析了基于超變量設計的機械設計自動化系統，以供參考和借鑒。

關鍵詞：約束；超變量設計；設計自動化

現代的CAD技術在很多因素的影響下出現了很大的改善,在傳統CAD技術基礎之上發展起來的新技術也逐漸的得到了應用,設計工作的自動化水平在這一過程中也得到了非常顯著的提升。工程設計是一個逐漸改善的過程,在設計的過程中需要根據相關的要求進行靈活的修改,所以也在這一過程中改善了設計的效率和水平,在設計自動化的過程中,一個非常重要的環節就是要創建一個完善的設計機制。但是在當前的設計工作中還存在著比較大的困擾,我們需要對其加以改進。

1基于約束設計的研究

1.1基于約束設計的原理

約束網絡由幾何元素、幾何約束、尺寸值和工程約束組成。約束管理處理約束的確認,約束自由度的分析,和過約束的檢測,以確保約束網絡的有效性。約束分解將系統分解為小的可有效求解的子系統。約束求解負責處理奇異、病態、多解、大擾動問題,以求解整個系統。

1.2約束求解方法

近年來,基于約束的設計一直是CAD研究的熱點。先后出現了純參數法,數值或變量幾何法,基于圖論的結點-邊圖分解法,基于機構分析的剛體自由度分析法,基于人工智能幾何推理的約束傳遞法,以及基于剛體分裂的約束分解法等。

1.3基于歷史的設計

現在主流的MDA系統都基于順序的歷史過程。圖1是一個零件及其設計歷史樹的示意。圖1零件設計歷史樹圖2VGX約束求解原理圖這種設計方式主要是借助有先后順序零件數量的變化而產生裝配零件或者是裝配體的,如果參數出現了明顯的變化,零件或者是裝配體就可以借助設計歷史樹對其進行及時的調整和更新。但是它也存在著一定的不足,特征之間的一來關系不具有雙向性,后生成的特征會受到一個或者是幾個因素的影響,如果要改變這種狀況,必須要重新建模。

2基于VGX技術的MDA系統

2.1VGX約束求解原理

VGX技術約束求解的原理如圖2所示。它將混合求解策略當成一個重要的內容,建立了一個安全性和可靠性相對較強的3D約束求解系統,這樣也就可以充分的滿足,MDA系統運行的基本要求。VGX技術在應用的過程中可以很好的體現出數值法和代數法的優勢,同時在這一過程中也可以保證其運行測狀態。在該系統當中,設計者要可以將大量的時間放在設計方案的制定和選擇上,也不需要關心軟件中相關機制和設計規則的限制,這也能很好的展現出工程師們創造性思維的基本規律。

2.2超越歷史的設計

為了更好的保證歷史設計的效果,必須要對裝配體進行幾何展示和描述,在VGX技術的前提下還需要使用MDA系統對零件以及裝配體作為半空間體。約束系統在運行的過程中可以用一組非線性方程進行描述:在這個式子當中矢量q是Rn空間的廣義坐標,這個方程組和時間并沒有非常密切的聯系。零件當中的特征或者是裝配體當中的零件可以被聲明為固定的形式,同時它也可以被當做是變量。只要能夠保證各個成分之間的關聯定義有充分的正確性,求解器就會借助方程組的求解來確定模型中具體的幾何參數,這樣也就能夠對整個設計進行更新處理。超越歷史的設計中,設計人員可以對3D的實體特征加以控制和處理,這樣也就不需要回到對應的2D框線草圖當中。

2.3拖放造型技術

VGX技術具有非常好的性能,同時其還有非常好的智能求解能力,同時在欠約束的情況下更加直接的執行設計者的具體意圖,這樣也就為拖放造型創造了非常好的條件。拖放造型也可以為設計模型提供一個動態性交互性比較強,操作比較便捷的界面。拖放造型的原理如圖3所示:圖3拖放技術示意圖在使用的過程中用戶可以先使用光標選中一個實體,之后將光標移動在一個相對比較合理的位置,同時,系統還要將檢測光標的位置進行固定,此外在這一過程中還要對VGX求解器進行激發處理。求解器在這一過程中也可以為用戶提供一個更加有效的反饋。用拖動的方式對3D模型進行修改的時候,拖動過程中會顯示出不同的設計方案,用戶可以在這一過程中更加直觀的對模型的改變方向進行有效的控制。被拖動的實體也可以在這一過程中借助一定的約束來對實體進行捕捉。在拖放造型當中還可以使用多媒體技術對用戶和約束的方式加以識別。拖放造型技術的使用也給3D模型的設計工作和調整過程帶來了非常大的便利。

2.4VGX技術在設計分析中的應用

設計分析,如應力分析、公差分析和機構分析等,在產品設計中有重要的地位,對產品質量和成本都有著直接的影響。而常規的MDA系統由于缺乏完全的數學描述,不能用普通的模型進行這些分析,而需要專門為分析重建特殊的模型。模型的重建既花費時間,又容易引起錯誤。基于VGX技術的MDA系統則不同,它不需為工程分析單獨建模,從而大大提高了產品開發的效率。例如在3D公差分析中,由于VGX用尺寸變量、約束變量及其方程式來描述設計模型,因而任何被分析的尺寸d都可以看成是設計模型中其他約束或尺寸(Ci)的函數,即d=f(C1,C2,…,Cn)這樣,該尺寸的公差Td的統計值就可以用其他尺寸Ci的公差值Ti和函數f(Ci)的偏導數來表示在變量設計中,這些偏導數是變量求解過程的副產品。因此公差分析也就變得非常容易了。

3結論

基于VGX技術的MDA系統在運行的過程中可以對設計說明書的確定、概念設計和詳細的設計等過程進行全面的控制。這一系統在應用的過程中有非常大的優勢,其約束求解的過程和結果具有非常高的可靠性和準確性,此外,其3D模型在設計修改的過程中也相對比較方便面,數學分析過程中也不需要獨立建模就可以非常順利的完成。

作者:李 明 魏長玲 單位:黑龍江建龍鋼鐵有限公司

參考文獻

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