关于机械CAD系统中物理信息模型的探讨

系统中物理信息模型的探讨侯晓林，李京河，张立强，刘爱华山东大学机械工程学院CIMS技术研究室（250061）[e-mail]摘要：本文分析了现有CAD系统中，由于其数学模型的存在问题和不足，表现在现有的CAD系统的数学模型，只有几何参数、拓扑和装配等几何模型，不存在任何处理非几何问题的数据和数学模型，因而没有解决产品设计过程中对物理问题的处理能力，不能进行完整意义上的产品设计，而只能进行产品几何造型或建模。为了解决这一问题，本文提出了应用物理信息数学模型，进行包含传统几何造型和非几何内容的机械设计的全新的机械设计方法。以此技术开发出来的新型CAD系统可以极大地方便产品的设计和分析处理，极大地缩短产品开发和设计周期，确保产品设计质量和正确性。关键词：产品设计产品信息模型产品物理模型CAD1.引言在目前应用的CAD系统的产品信息模型中，产品参数模型、拓扑模型和装配模型仅具有对机械零部件的几何参数、拓扑结构和几何装配进行描述和显示的能力[1,2,3]。只能进行零件的几何建模、部件的几何建模工作。仅能够进行几何参数的描述和显示是远远不够的，产品的几何形态、参数的设计过程受到很多因素的制约，如强度条件、刚度条件、变形条件、可靠性条件等等。不能满足这些条件，产品开发设计就无从谈起。如：产品的工作条件因素；产品内部各部件、零件的受载荷情况；产品中，部件、零件的强度分析方法，包括各种类零件的解析分析模型；产品零件的材料情况等。目前，产品设计开发人员面临着诸多困惑和不便，主要表现在：产品开发设计人员在进行产品设计时，必须进行强度设计和分析。在当前的大型CAD/CAM系统中集成有有限元分析系统，可以用来进行与应力、应变、强度、刚度等相关的分析，但是，有限元分析要求很高的分析技术条件，强大的对比实验条件，复杂的分析过程和很长的计算周期，使得在产品开发周期、开发成本、开发工作量等制因素的约下，不可能靠有限元分析方法对产品的所有零、部件都进行有限元分析计算；对于不必进行有限元分析的零件、部件的强度分析计算，为了省时、省力，绝大多数产品开发设计人员都采用类比的经验推理的方法进行估计而并不进行认真的计算分析。这就造成了严重的后果：许多产品的设计失误来源于此；对于进行有限元分析计算的零件、部件，其载荷情况，边界条件，等物理信息，则必须由设计人员和分析人员用人工的方法确定，花费大量的时间、精力进行重复性工作。这一切都在制约着产品开发设计工作的顺利进行和工作效率。为了解决这一目前CAD系统对真正意义上的产品设计支持能力的严重不足的现状，我们认为，创造一种新的，能够描述机械零、部件之间物理信息的计算机内部模型，与现有CAD系统的几何模型、拓扑模型，特别是装配模型综合起来，形成可以进行产品动力分析、载荷分析、强度分析、刚度分析等功能的新系统，与原先的只能进行几何参数的描述和显示的CAD系统结合起来，便可以描述和记录机械零、部件的几何信息、拓扑信息、装配信息以及产品的载荷等物理、力学信息等。这种新型的CAD系统就可以支持对产品或装配体（Assembly)的描述和记录，支持产品中部件、零件的强度设计及分析。2.非几何分析处理的基础－产品物理模型2.1产品物理模型概念定义产品物理模型为：描述机械产品各装配体及零、部件的动力、载荷、使用工况、强度、刚度分析方法模型及其他物理信息的计算机内部数学模型。即描述和记录机械装配体中零、部件所传递的动力、各受载荷点的位置、载荷的性质、大小和分析方法等信息的数据结构。2.2产品物理模型的内容产品是一组相互关联的部件和零件的组合，由于其相互关联的性质和结构的原因，产品物理模型信息和产品装配模型信息是息息相关的。具体的说，产品物理模型的信息包括如下几个方面：ü产品工作状况信息模型和动力信息模型ü产品零、部件载荷分析特征模型ü产品载荷状况模型ü产品零、部件强度分析特征模型ü产品零、部件刚度分析特征模型ü产品零、部件有限元分析特征模型ü特定物理场的分析模型ü大变形零件的变形分析方法模型ü零件材料及特性模型产品物理模型是一个包括支持产品从概念设计直到零件设计，并能完整正确传递不同装配体和不同零部件的设计参数、各层次载荷等物理参数的信息模型。2.3产品物理模型中各模型参数的描述方法[4]产品物理模型中部分分析特征的描述如下（因为篇幅所限，不能完整描述）：ü分析特征是指与零件结构强度与刚度分析计算有关的特征，包括诸如验算传动轴强度与刚度的分析特征、验算齿轮强度的分析特征等。ü分析特征中的部分信息可直接从装配节点零部件的几何模型信息（如轴径、轴承跨距等）、设计参数信息（如齿轮模数、齿数等）中提出，部分信息可从节点参数中提出。也可交互输入部分信息。节点的分析特征用集合A={AAAAshaftgeartbeltpbelt|||...__}表示。其中：装配体广义键广义键广义键广义键广义键装配特征装配特征子装配体装配特征零件子装配体参数规则分析特征等参数规则分析特征等参数规则分析特征等参数规则分析特征等零件图1产品物理模型结构表示传动轴分析特征，包括传动轴所受横向力及作用点坐标，所受力偶矩及其作用点坐标，所受转矩及其作用位置，传动轴的轴段直径及其长度，传动轴轴承支点位置，传动轴的材料及其力学性能指标以及其它有关的计算参数等信息。传动轴分析特征可以向传动轴强度及刚度分析计算agent提供必要的信息。Agear表示齿轮分析特征，包括齿轮的模数、齿数、传动比、传递的扭矩及其它设计参数等信息。齿轮分析特征可向齿轮分析计算agent提供必要的信息。Atbelt_表示带传动分析特征，包括传递的功率、输入速度、传动比及其它计算参数等信息。根据需要可以设置其它各种分析计算特征，这里从略。产品物理模型的描述[5,6]：定义：产品物理模型PM（PhysicsModel）是产品中分析物理属性的一种数据描述。产品物理模型表示为：PM＝Object,GL,P,R,A，W，M；Object={object1,object2,...,objectn}；Object是产品的装配对象集GL={GL(1),GL(2),...,GL(n)}；GL是产品的广义键集P={P(1),P(2),...P(n)}；P是产品的节点设计参数集R={R(1),R(2),...R(n)}；R是产品的载荷特征集A={A(1),A(2),...A(n)}；A是产品的节点分析特征集W={K1，K2，K3，…}；W是产品的工况分析特征集M={M(1),M(2),...M(n)}；M是产品的材料分析特征集3.能处理非几何信息的新型CAD系统中的物理信息工程数据库应用传统的CAD系统设计一个零件，比如设计一个齿轮，在给定齿轮的齿数、模数、齿宽以及其它结构数据后，在系统特定功能的支持下，很快就可以完成这个齿轮的几何设计。在这一过程中，不需要其它的参数更不需要专门的工程数据库支持。图2产品物理模型在产品设计过程中的作用系统完成真正意义上的一个零件设计，比如设计一个齿轮，已知条件就应该包括该齿轮所在传动轴的转速、传递的扭距、传送的功率、动力源的性质、载荷的平稳性、所采用的齿轮材料，齿轮材料的性质，齿芯材料的性质、齿轮齿廓表面的热处理方式及其金相组织结构和硬度及硬化层深度、齿轮在传动轴上的所在位置、可能的应力集中状况、齿形系数等等参数。这些都是齿轮的非几何设计过程中需要的设计参数。是几何设计过程所不需要的，也是旧系统提供不了的参数，而前面几何设计过程中所需的参数，只是强度设计的设计结果。传统的CAD系统没有强度设计的能力，更没有其要求的原始数据。因而工程设计人员，只能用人工的方法，在纸面上进行该齿轮的强度计算，或进行强度校核，或者干脆进行类比分析、判断，然后应用传统的CAD系统完成其几何造型的工作，形成齿轮设计模型。能处理非几何信息的新型CAD系统必须具有处理上述非几何参数，进行非几何分析和计算的能力，这就要求新系统必须能够应用计算机的海量存储和快速的分析计算能力来代替人的手工事务性的有固定计算和分析方法的设计工作。3.1物理参数工程数据库因而，能处理非几何信息的新型CAD系统必须具有处理上述非几何参数的能力。因为非几何信息的分析处理、计算，必须要有这些支持非几何计算分析的参数的支持，这些参数，形成了机械设计手册的主要内容。要计算机能够处理这些参数，就必须在新的，能处理非几何信息的新型CAD系统中，建立一个能够将设计手册上有关分析、计算、设计的全部数据表格、数据曲线图等等全部应用工程数据库技术在新系统中形成对所有分析、计算、设计过程的支持。与传统的CAD系统中标准件数据库不同的是，这一工程数据库是物理分析模型能够完成分析职能的基础，是新型CAD整体的核心和不可分割一部分。与工程设计结果文件无关。3.2非几何设计过程和结果数据库处理非几何信息的新型CAD系统的主要功能是进行机械产品设计和开发，这就要求新系统具备Up-down的设计和设计信息的组织能力，这就要求新系统同时具有协同设计的能力。因之，非几何设计必须采用设计系统非几何主模型的协同数据共享机制和工程数据库的信息组织和处理方式，处理设计结果中的非几何信息。该数据库采用与CAD文档相同的文件名称而不同文件名后缀的方式，生成该产品的府几何设计结果和过程的模式文档，是产品设计结果的一个组成部分。产品非几何设计的设计结果和过程数据，与其装配结构相关，产品及其零部件分别具有各自的载荷以及分析处理结果，其分析处理结果也同样是分别按装配层次及零件组织其数据库数据的数据结构。4.新型CAD系统的设计工作流程处理非几何信息的新型CAD系统与传统CAD系统在工作过程上是不同的，它不但需要进行几何造型，也必须进行府几何设计、分析，因此必须有其特定的工作流程。主要的工作方式如下：ü草图设计：就是进行产品的概念设计，即不管产品的非几何因素，只考虑几何结构，完成产品装配及其零部件的几何建模，称其为草图设计阶段。这一设计阶段的主要目的是确定产品及其零部件的装配关系、装配层次、零部件数量以及零部件的设计特征。ü确定动力和载荷：就是加入动力和载荷信息，即在产品动力源的装配层次上，描述所设计产品所采用的动力源的形式和功率的大小；设计产品的负载的性质、大小。ü确定工况信息：就是加入所设计产品的工作状况，即每天的工作时数，设计的工作寿命，工作环境要求等。ü分析零部件的载荷：就是形成各个装配层次装配体的动力和载荷分布状况等。ü确定材料：就是确定各个零件的材料及其热处理方法，材料的性质，热处理的性能参数等。ü有限元分析：就是关键的零件根据已形成的载荷分布、几何造型、材料进行有限元分析。ü强度、刚度分析：就是其他各个零部件，依据其设计特征、载荷信息、材料及其热处理参数信息，按照设计人员确定的强度或刚度等分析方法进行分析计算。ü计算参数的处理：就是根据国家标准，将计算得出的参数进行标准化圆整处理。ü形成零部件设计模型：就是应用分析得到的参数，形成满足各项要求的零部件设计模型。形成产品装配：就是以新形成的零部件，替代原草图设计阶段的装配模型，形成产品整体设计模型。ü产品设计模型分析调整：就是对产品设计模型进行可加工性、可装配性分析，及进行不合适部分的调整，形成最终产品设计模型。5.新型CAD系统的设计工作实例5.1减速箱初始设计活动以减速箱为例来显示新系统的设计过程。这一过程包括以下活动：建立减速箱初始概念几何模型，其中减速箱的轴系由简化的轴零件表示，减速箱箱体也由简化的几何模型代替，待后续过程细化后进行替换；建立减速箱的初始装配模型和物理模型，即根据初始几何模型产生减速箱的初始装配层次，定义轴系与箱体、轴系与轴系之间的装配约束关系，增加诸如传动比、输入轴转速、输入功率等