面向復(fù)雜機(jī)械設(shè)計(jì)的數(shù)字樣機(jī)模型驅(qū)動(dòng)方法研究

朱文越, 劉伊華, 王永娟

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所, 北京 100081)

數(shù)字樣機(jī)是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模型來(lái)代替產(chǎn)品，以減少實(shí)際物理樣機(jī)的試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)復(fù)雜機(jī)械數(shù)字樣機(jī)的構(gòu)建展開(kāi)研究。趙森森等[1]建立了槍械閉鎖機(jī)構(gòu)的有限元模型，并基于相關(guān)定律與理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到了某自動(dòng)步槍閉鎖機(jī)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度；張麗平[2]建立某自動(dòng)武器發(fā)射機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并在尺寸鏈約束的基礎(chǔ)上，不斷改變關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的尺寸以完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。萬(wàn)畢樂(lè)等[3]通過(guò)建立工藝數(shù)字樣機(jī)完成了航天器功能與工藝屬性的繼承，實(shí)現(xiàn)了在三維模型中展示裝配、產(chǎn)品制造等信息。以上研究通過(guò)構(gòu)建幾何數(shù)字樣機(jī)和性能數(shù)字樣機(jī)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證及性能指標(biāo)考核，涉及不同的軟件平臺(tái)，而在異構(gòu)軟件模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中，信息丟失及特征失真的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；此外，模型轉(zhuǎn)換效率低，轉(zhuǎn)換文件格式不統(tǒng)一等問(wèn)題，也將嚴(yán)重阻礙機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中不同部門之間的協(xié)同[4]。

復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件繁多，實(shí)現(xiàn)功能多，動(dòng)作精度要求高，涉及幾何模型、仿真模型、軟件代碼等多領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法難以高效地管理研發(fā)過(guò)程中各階段的模型信息及相關(guān)代碼。因此，應(yīng)用模型驅(qū)動(dòng)的思想指導(dǎo)機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)，可在數(shù)字樣機(jī)模型與各軟件平臺(tái)之間建立聯(lián)系，保持轉(zhuǎn)換過(guò)程中模型的一致性。

本文對(duì)復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行梳理與分析，構(gòu)建了復(fù)雜機(jī)械數(shù)字樣機(jī)的模型驅(qū)動(dòng)體系架構(gòu)，形成了模型層、平臺(tái)層、軟件層和數(shù)據(jù)層的分層結(jié)構(gòu)[5]。其中，模型層基于狀態(tài)模型、幾何要素、結(jié)構(gòu)要素3個(gè)維度構(gòu)建復(fù)雜機(jī)械數(shù)字樣機(jī)PIM；平臺(tái)層通過(guò)制定轉(zhuǎn)換規(guī)則，應(yīng)用相關(guān)輔助工具實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械數(shù)字樣機(jī)的模型轉(zhuǎn)換，即PIM到目標(biāo)平臺(tái)PSM的轉(zhuǎn)換；軟件層對(duì)數(shù)字樣機(jī)模型驅(qū)動(dòng)專用軟件(UG、Adams、Abaqus)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，形成一種快速建模并及時(shí)輸出分析結(jié)果的工具；數(shù)據(jù)層主要存儲(chǔ)復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中各類模型文件，并適時(shí)管理模型驅(qū)動(dòng)體系建設(shè)過(guò)程中各類軟件平臺(tái)代碼，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)。

1 復(fù)雜機(jī)械數(shù)字樣機(jī)PIM構(gòu)建

機(jī)械數(shù)字樣機(jī)通常包括幾何數(shù)字樣機(jī)、性能數(shù)字樣機(jī)和工藝數(shù)字樣機(jī)。目前，由于異構(gòu)軟件系統(tǒng)間的不可移植性，數(shù)字樣機(jī)模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)上游的幾何數(shù)字樣機(jī)發(fā)生變化時(shí)，下游的性能數(shù)字樣機(jī)也必須進(jìn)行修改，這將嚴(yán)重浪費(fèi)機(jī)械產(chǎn)品的模型資源，帶來(lái)大量的重復(fù)性工作。本節(jié)將應(yīng)用模型驅(qū)動(dòng)的思想指導(dǎo)機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)，通過(guò)機(jī)械數(shù)字樣機(jī)PIM建立幾何數(shù)字樣機(jī)與仿真平臺(tái)之間的映射關(guān)系，促使機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用邏輯與底層變化相分離，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新性能數(shù)字樣機(jī)模型信息和不同仿真平臺(tái)的代碼[6-7]。

1.1 STEP文件解析

STEP文件是按照純正文進(jìn)行編碼的順序文件集合，作為STEP標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換形式之一，通過(guò)一種不依賴具體系統(tǒng)的中性表達(dá)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)的交換和共享。STEP文件從結(jié)構(gòu)上可分為頭部段和數(shù)據(jù)段兩部分，每部分都有固定的開(kāi)始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志。頭部段涵蓋了整個(gè)交換文件結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，例如作者、單位、日期、軟件版本等；數(shù)據(jù)段包括模型的幾何數(shù)據(jù)信息與拓?fù)潢P(guān)系，而且支持顏色、裝配、應(yīng)用協(xié)議、軟件屬性等其他產(chǎn)品的非幾何信息[8]。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息通過(guò)STEP文件數(shù)據(jù)段內(nèi)的實(shí)體實(shí)例進(jìn)行表達(dá)，每條實(shí)體實(shí)例具有標(biāo)準(zhǔn)化的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，可分為ID號(hào)、關(guān)鍵字、屬性值以及各類分割標(biāo)識(shí)符4個(gè)部分[9]。其中，ID號(hào)是純正的阿拉伯?dāng)?shù)字，并按照從小到大的順序編碼；關(guān)鍵字由大寫的英文單詞組合而成，與產(chǎn)品的具體信息存在一定的映射

圖1 STEP文件實(shí)體實(shí)例信息關(guān)鍵字

關(guān)系，STEP文件中部分實(shí)體實(shí)例的關(guān)鍵字如圖1所示；屬性值位于末尾，包含位置信息并將其他實(shí)體實(shí)例信息連接起來(lái)形成完整的模型信息樹。

1.2 基于STEP文件的數(shù)字樣機(jī)PIM

PIM的設(shè)計(jì)不需要考慮具體平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，也不需要考慮仿真平臺(tái)的代碼運(yùn)行情況，它是高度抽象的模型，依據(jù)產(chǎn)品需求描述數(shù)字樣機(jī)的功能與結(jié)構(gòu)，是模型驅(qū)動(dòng)體系建設(shè)過(guò)程中承前啟后的關(guān)鍵一步。

STEP文件中模型實(shí)體的幾何信息與拓?fù)潢P(guān)系基于邊界表示法(B-rep)進(jìn)行描述，并通過(guò)樹狀結(jié)構(gòu)的方式將數(shù)據(jù)段內(nèi)實(shí)體實(shí)例信息緊密連接在一起，信息樹中的各層級(jí)(體層、面層、邊層、點(diǎn)層)均存在相應(yīng)的根節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。幾何模型作為一個(gè)封閉的實(shí)體，最頂層的實(shí)體實(shí)例為Closed shell，而最底層實(shí)體實(shí)例為Cartesian point和Direction[10]。

圖2 STEP文件幾何模型的實(shí)體信息表達(dá)

通過(guò)對(duì)STEP文件的解析發(fā)現(xiàn)，STEP文件中的幾何信息與拓?fù)潢P(guān)系作為數(shù)字樣機(jī)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，完整描述了機(jī)械數(shù)字樣機(jī)的功能與結(jié)構(gòu)，不僅是數(shù)字樣機(jī)模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中不可缺少的組成部分，而且與數(shù)字樣機(jī)專用軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)，符合數(shù)字樣機(jī)PIM的構(gòu)建條件。此外，STEP文件中軟件屬性、應(yīng)用協(xié)議等非幾何信息針對(duì)不同平臺(tái)發(fā)揮作用，可用于后續(xù)數(shù)字樣機(jī)模型轉(zhuǎn)換過(guò)程。

數(shù)字樣機(jī)PIM基于克努特-莫里斯-普拉特算法(the Knuth-Morris-Pratt algorithm，KMP)實(shí)現(xiàn)，該算法通過(guò)在next()函數(shù)中添加字符串的匹配信息，盡可能減少模式串與主串的匹配次數(shù)，從而大大提高了匹配速度，具體的算法流程如圖3所示。

圖3 機(jī)械數(shù)字樣機(jī)PIM建模流程

2 基于模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)字樣機(jī)轉(zhuǎn)換

基于模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)字樣機(jī)模型轉(zhuǎn)換指的是PIM到PSM的轉(zhuǎn)換。此過(guò)程是模型驅(qū)動(dòng)的核心，以PIM為源模型，借助具體平臺(tái)的特有屬性信息，依賴平臺(tái)所提供的功能和服務(wù)，得到不同平臺(tái)的PSM，最終完成整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程。PIM到PSM的轉(zhuǎn)換依據(jù)特定的規(guī)則進(jìn)行，具體的轉(zhuǎn)換方法有很多種，例如基于關(guān)系代數(shù)的轉(zhuǎn)換方法、基于圖形的轉(zhuǎn)換方法等，上述方法均需采用相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換工具，技術(shù)要求較高，轉(zhuǎn)換難度較大。因此，本文選擇直接的轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)各軟件平臺(tái)的應(yīng)用程序接口實(shí)現(xiàn)PIM到目標(biāo)平臺(tái)PSM的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，模型轉(zhuǎn)換示意圖如圖4所示。

圖4 模型轉(zhuǎn)換示意圖

所提出的模型轉(zhuǎn)換方法可適用于絕大多數(shù)幾何樣機(jī)與性能樣機(jī)構(gòu)建平臺(tái)，可提高異構(gòu)軟件系統(tǒng)之間模型信息的可重用性，實(shí)現(xiàn)幾何數(shù)字樣機(jī)到性能數(shù)字樣機(jī)的無(wú)損模型轉(zhuǎn)換。下文僅以UG平臺(tái)、Adams平臺(tái)、Abaqus平臺(tái)為例，驗(yàn)證該方法的可行性及實(shí)用性。

2.1 數(shù)字樣機(jī)PIM到UG平臺(tái)PSM的轉(zhuǎn)換

UG平臺(tái)作為重要的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以描述機(jī)械產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)并建立機(jī)械零件之間的裝配關(guān)系。基于UG平臺(tái)的PSM應(yīng)在PIM的基礎(chǔ)上融合UG平臺(tái)所特有的屬性信息，形成UG應(yīng)用程序接口可以讀取的STEP文件；然后，借助UG軟件平臺(tái)所開(kāi)發(fā)的模型驅(qū)動(dòng)模塊添加模型的非幾何信息，形成機(jī)械產(chǎn)品的幾何數(shù)字樣機(jī)。UG平臺(tái)的PSM所包含的信息如圖5所示。

圖5 基于UG平臺(tái)PSM的設(shè)計(jì)

基于UG平臺(tái)PSM的建立需要借助C/C++編程技術(shù)、UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)、Visual Studio軟件和NX UG軟件，具體的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 PIM到UG平臺(tái)PSM的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)流程

1) 外部可執(zhí)行程序。基于關(guān)鍵字匹配機(jī)制編寫程序，將STEP文件數(shù)據(jù)段內(nèi)代表UG軟件屬性信息添加至PIM，形成UG軟件可以讀取的STEP文件[11]。

2) 模型轉(zhuǎn)換引擎。基于UG/Open API模塊中的UF-PART-open函數(shù)，設(shè)置文件類型及文件路徑后，即可直接打開(kāi)UG平臺(tái)的PSM，便于后續(xù)開(kāi)展三維設(shè)計(jì)、裝配分析等[12]。

3) 基于UG平臺(tái)的模型驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊功能基于C/C++編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。首先，選擇版本對(duì)應(yīng)的Visual Studio軟件與UG軟件建立鏈接關(guān)系，新建NX12 Open Wizard項(xiàng)目設(shè)定入口函數(shù)、項(xiàng)目屬性及相關(guān)配置文件，系統(tǒng)選擇ufstr函數(shù)作為入口函數(shù)，并選擇生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)*.dll；然后，基于UG/Open Menu Script語(yǔ)法規(guī)則編寫*.men菜單文件并放置在UG二次開(kāi)發(fā)目錄啟動(dòng)文件夾Startup中，基于UG/Open UI Styler設(shè)計(jì)對(duì)話框，將生成的*.dlg對(duì)話框文件放置文件夾Application中，將設(shè)計(jì)產(chǎn)生的*.hpp頭文件與*.cpp源文件添加至NX12 Open Wizard工程目錄；最后，設(shè)定UF-terninate()和UF-initialize()保證程序的初始化及結(jié)束進(jìn)程，此外，在主程序中內(nèi)嵌相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)非幾何信息的添加，并使用UG/Open API模塊中與Menu Script相關(guān)的UF-MB系列函數(shù)，完成菜單、對(duì)話框與用戶程序的關(guān)聯(lián)[13-14]。

2.2 數(shù)字樣機(jī)PIM到Adams平臺(tái)PSM的轉(zhuǎn)換

Adams平臺(tái)作為機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程重要的動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果輸出及機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性和動(dòng)作可靠性的結(jié)論輸出。PIM轉(zhuǎn)換至滿足Adams平臺(tái)規(guī)約的PSM，首先需要添加Adams軟件特有的屬性信息，形成滿足Adams軟件應(yīng)用協(xié)議的STEP文件；然后，基于模型轉(zhuǎn)換引擎?zhèn)鬟f幾何模型至Adams平臺(tái)；最后，基于Adams平臺(tái)所開(kāi)發(fā)的模型驅(qū)動(dòng)模塊添加動(dòng)力學(xué)模型所需的相關(guān)信息，Adams平臺(tái)的PSM所包含的信息如圖7所示。

圖7 基于Adams平臺(tái)PSM的設(shè)計(jì)

Adams平臺(tái)PSM的設(shè)計(jì)主要包括三部分：外部可執(zhí)行程序、模型轉(zhuǎn)換引擎和模型驅(qū)動(dòng)模塊，需要借助windows腳本編程技術(shù)、Adams二次開(kāi)發(fā)技術(shù)、Notepad++編程工具和Adams View軟件，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。

圖8 PIM到Adams平臺(tái)PSM的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)流程

1) 外部可執(zhí)行程序。基于關(guān)鍵字匹配機(jī)制編寫程序，將STEP文件數(shù)據(jù)段內(nèi)代表Adams軟件屬性信息添加至PIM，形成Adams軟件可以讀取的STEP文件。

2) 模型轉(zhuǎn)換引擎。基于Windows命令腳本實(shí)現(xiàn)STEP文件自動(dòng)導(dǎo)入Adams平臺(tái)，該模型轉(zhuǎn)換引擎能夠讀取并傳遞PIM環(huán)境下已給定的模型命名信息，實(shí)現(xiàn)零部件名稱的一致性；除此之外，還能自動(dòng)添加動(dòng)力學(xué)模型的質(zhì)心信息，保證后續(xù)仿真的順利進(jìn)行[15]。

3) 基于Adams平臺(tái)的模型驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊的功能基于Adams命令流實(shí)現(xiàn)，具體語(yǔ)法規(guī)則可查詢Adams CMD本地幫助文檔。首先，利用Adams軟件內(nèi)置窗口Command Window錄制相關(guān)操作的命令流形成腳本文件；然后，將腳本文件中的命令流添加至Adams Menu Builder設(shè)計(jì)的對(duì)話框中進(jìn)行編譯；最后，借助Adams Dialog-Box Builder設(shè)計(jì)菜單，提高用戶的可視化的同時(shí)完成與自定義對(duì)話框的交互，并自動(dòng)執(zhí)行腳本文件的各項(xiàng)功能，從而快速地完成整個(gè)動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程，得到求解結(jié)果[16]。

所開(kāi)發(fā)的模型驅(qū)動(dòng)模塊很好地解決了幾何模型到動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換過(guò)程效率低下、信息丟失等問(wèn)題，同時(shí)該模塊具有較高的普適性，即當(dāng)上游的機(jī)械設(shè)計(jì)部門在整體模型裝配拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下對(duì)模型的尺寸進(jìn)行修改或?qū)嵤┝悴考奶鎿Q時(shí)，下游的動(dòng)力學(xué)仿真部門依然可使用該系統(tǒng)快速進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，減少了大量的重復(fù)勞動(dòng)，極大地提高了工作效率，降低了工作強(qiáng)度。

2.3 數(shù)字樣機(jī)PIM到Abaqus平臺(tái)PSM的轉(zhuǎn)換

Abaqus平臺(tái)作為復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程重要的有限元仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品主承力件的強(qiáng)度分析以及主運(yùn)動(dòng)件的疲勞分析。PIM轉(zhuǎn)換至滿足Abaqus平臺(tái)規(guī)約的PSM，要求PIM添加Abaqus平臺(tái)規(guī)定的軟件特有屬性信息形成滿足Abaqus軟件應(yīng)用協(xié)議的STEP文件；然后，基于模型轉(zhuǎn)換引擎?zhèn)鬟f幾何模型至Abaqus平臺(tái)；最后，基于Abaqus平臺(tái)所開(kāi)發(fā)的模型驅(qū)動(dòng)模塊添加有限元模型所需的相關(guān)信息，Abaqus平臺(tái)的PSM所包含的信息如圖9所示。

圖9 基于Abaqus平臺(tái)PSM的設(shè)計(jì)

與Adams平臺(tái)PSM的設(shè)計(jì)類似，Abaqus平臺(tái)PSM的設(shè)計(jì)主要包括三部分：外部可執(zhí)行程序、模型轉(zhuǎn)換引擎和模型驅(qū)動(dòng)模塊，需要借助Windows腳本編程技術(shù)、Abaqus二次開(kāi)發(fā)技術(shù)、Notepad++編程工具和Abaqus CAE軟件，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖10所示。

1) 外部可執(zhí)行程序。基于關(guān)鍵字匹配機(jī)制編寫程序，將STEP文件數(shù)據(jù)段內(nèi)代表Abaqus軟件屬性信息添加至PIM，形成Abaqus軟件可以讀取的STEP文件。

2) 模型轉(zhuǎn)換引擎。該轉(zhuǎn)換引擎實(shí)現(xiàn)STEP文件自動(dòng)導(dǎo)入Abaqus平臺(tái)，并能夠根據(jù)PIM環(huán)境下的模型信息對(duì)Abaqus平臺(tái)內(nèi)的有限元模型進(jìn)行修補(bǔ)，保證后續(xù)仿真的順利進(jìn)行。

3) 基于Abaqus平臺(tái)的模型驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊的功能基于Abaqus/Python腳本實(shí)現(xiàn)，具體語(yǔ)法規(guī)則可查詢Abaqus軟件的腳本手冊(cè)Abaqus Scripting Reference Manual。首先，利用Abaqus軟件工作目錄下.rpy文件錄制相關(guān)操作的腳本形成日志文件；然后借助Windows命令和Abaqus內(nèi)置的腳本文件讀取接口，即通過(guò)Windows命令中加入Python腳本文件的本機(jī)路徑，自動(dòng)執(zhí)行日志文件的各項(xiàng)功能，從而快速地完成整個(gè)有限元分析過(guò)程，得到求解結(jié)果[17]。

圖10 PIM到Abaqus平臺(tái)PSM的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)流程

所開(kāi)發(fā)的模型驅(qū)動(dòng)模塊很好地解決了幾何模型到有限元模型轉(zhuǎn)換過(guò)程特征失真的問(wèn)題， 此外，由于Abaqus/Python腳本模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，當(dāng)整體模型裝配拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下發(fā)生零件的修改或替換時(shí)，依然可通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)仿真前處理的自動(dòng)加載及仿真結(jié)果的快速查看。

3 模型驅(qū)動(dòng)模塊的開(kāi)發(fā)與實(shí)例驗(yàn)證

本文引入模型驅(qū)動(dòng)的思想指導(dǎo)機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)，通過(guò)分析數(shù)字樣機(jī)模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)中PIM及PSM的具體內(nèi)容及各軟件平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)，采取直接的轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)PIM到基于UG、Adams、Abaqus平臺(tái)PSM的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，完成了幾何數(shù)字樣機(jī)到性能數(shù)字樣機(jī)的無(wú)損轉(zhuǎn)換，形成了基于模型驅(qū)動(dòng)的機(jī)械產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)流程，如圖11所示，并以典型的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品——某槍械組件為例，驗(yàn)證了數(shù)字樣機(jī)專用軟件模型驅(qū)動(dòng)模塊的功能性能。

圖11 基于模型驅(qū)動(dòng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

1) PIM到Adams平臺(tái)PSM轉(zhuǎn)換驗(yàn)證

基于前文所提到的模型轉(zhuǎn)換方法可實(shí)現(xiàn)PIM到Adams平臺(tái)PSM的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。此外,為提升用戶的操作體驗(yàn)及人機(jī)交互性, 基于UG軟件開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的菜單欄，如圖12所示。在此基礎(chǔ)上，以某型號(hào)槍械的拋殼機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行驗(yàn)證，如圖13a)所示，拋殼機(jī)構(gòu)順利完成了抓殼、抱殼、拋殼等一系列動(dòng)作。在保持拋殼機(jī)構(gòu)整體裝配關(guān)系不變的情況下對(duì)機(jī)匣的長(zhǎng)度進(jìn)行修改后，通過(guò)Adams平臺(tái)的模型驅(qū)動(dòng)模塊可實(shí)現(xiàn)幾何模型信息的完整傳遞及動(dòng)力學(xué)仿真前處理的自動(dòng)加載，實(shí)現(xiàn)快速仿真并及時(shí)輸出分析結(jié)果，極大提高了研發(fā)效率，如圖13b)所示。

圖12 菜單及對(duì)話框設(shè)計(jì)

圖13 PIM到Adams平臺(tái)PSM轉(zhuǎn)換驗(yàn)證

2) PIM到Abaqus平臺(tái)PSM轉(zhuǎn)換驗(yàn)證

基于外部可執(zhí)行程序、模型轉(zhuǎn)換引擎可實(shí)現(xiàn)PIM到Abaqus平臺(tái)PSM的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，僅以某型號(hào)槍械的零件——槍管尺寸的模態(tài)分析為例進(jìn)行驗(yàn)證。如圖14a)所示，對(duì)槍管進(jìn)行了模態(tài)分析并得到了槍管的前四階模態(tài)云圖；當(dāng)槍管的尺寸發(fā)生變化時(shí)，即在不改變槍管的直徑而增加其長(zhǎng)度的情況下，依然可通過(guò)Abaqus平臺(tái)的模型驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行有限元仿真并輸出分析結(jié)果，分別如圖14b)所示。

圖14 PIM到Abaqus平臺(tái)PSM轉(zhuǎn)換驗(yàn)證

4 結(jié) 論

1) 本文將模型驅(qū)動(dòng)思想引入機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提出了一種基于模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)械數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，形成了基于模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)械設(shè)計(jì)流程，確保了從設(shè)計(jì)到仿真模型的一致性。

2) 通過(guò)解析STEP文件建立了數(shù)字化機(jī)械信息模型，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了復(fù)雜機(jī)械數(shù)字樣機(jī)的PIM，提出了基于模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)字樣機(jī)模型轉(zhuǎn)換方法。

3) 研究并開(kāi)發(fā)了機(jī)械數(shù)字樣機(jī)專用軟件的特有功能模塊，并以典型復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品——某型號(hào)槍械組件為例進(jìn)行了驗(yàn)證。應(yīng)用表明，所開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件的模型驅(qū)動(dòng)模塊可輔助設(shè)計(jì)人員快速完成機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)仿真分析和有限元仿真分析，極大地縮短設(shè)計(jì)與仿真分析之間數(shù)據(jù)交換的時(shí)間，提高了機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)效率。