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橡胶机械的数字化功能样机技术
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  摘要:橡胶机械的数字化设计与制造是橡胶机械产品市场需求和科学技术发展的必然,本文描述了面向橡胶机械设计的数字化功能样机技术的概念、内涵,数字化功能样机系统的体系结构,以及所涉及的多领域统一建模、多体动力学、多学科设计优化等支撑技术,并先容了相关橡胶机械产品设计中的一个典型应用案例。最后,对橡胶机械的数字化功能样机技术进一步研究工作做了展望。

 

  主题词:数字化功能样机 多领域统一建模 多体动力学 多学科设计优化

 

引言


 

  橡胶机械是橡胶产品生产的关键设备。先进的橡胶机械为发展橡胶工业提供了所需的先进工艺设备,它的开发和设计是发展橡胶工业的主要技术措施。随着橡胶工业技术革命的进一步深化和市场对橡胶产品的高品质要求,最优化设计和快速设计成为橡胶机械现代化设计的基本要求。数字化技术为此提供了良好的解决方案,因此,开展橡胶硫化机现代化设计和制造技术研究势在必行。橡胶硫化机的数字化设计与制造是橡胶工业现代化和科学技术发展的必然趋势。

 

数字化功能样机技术


 

  现代先进的橡胶机械系统通常都是由机械、电子、App及控制等多个子系统组成的复杂系统,其新型号研制往往涉及多学科、多领域专业常识,是一项复杂的系统工程,传统的方法和技术很难实现系统的快速整体综合优化设计。现代设计及制造技术的典型特征是数字化。近年来,在CAX等技术基础上,数字化技术已经开始应用于橡胶机械的全生命周期活动中,其中数字化功能样机技术在整个橡胶机械的设计中占有重要地位,如图1所示。

 

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  数字化功能样机技术在一些较发达国家,如美国、德国、日本等已得到广泛的应用,应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。美国波音飞机企业波音777飞机,是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机,其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟功能样机技术。美国国防部先进研究计划局正在致力于将数字化环境与物理建模、分散离散性模拟等技术结合,为数字化武器设计提供先进的技术;Caterpillar企业是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间,并耗资数百万美金,为了提高竞争力,大幅度削减产品的设计、制造成本。  Caterpillar企业采用了虚拟样机技术,从根本上改进了设计和试验步骤,实现了快速虚拟试验多种设计方案,从而使其产品成本降低,性能更加优越。


  概括地说,数字化功能样机技术(FDP–Functional Digital Prototyping)是在CAD/CAM/ CAE技术和一般虚拟样机技术(VP–Virtual Prototyping)基础上发展起来的,其理论基础为多体系统动力学(Multibody Dynamics)、结构有限元理论,以及多领域物理系统(Multi-Domain Physical Systems)混合建模与仿真理论和多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization)技术与方法,简称之为3M理论。数字化功能样机技术侧重于系统层次的性能分析与优化设计,通过虚拟试验,精确、快捷地预测橡胶机械的系统性能。基于多体系统动力学和有限元理论,可以解决产品的运动学、动力学、变形、结构、强度、寿命等问题;基于多领域物理系统理论,可以解决复杂橡胶机械产品中的机-电-液-控等多领域能量流和信号流的传递与控制问题;基于多学科设计优化理论,可以快速解决复杂橡胶机械产品的整体综合优化问题。


  利用3M理论,以及现代系统仿真技术和系统工程方法建立全系统的模型,通过构造橡胶机械的数字化功能样机来代替物理样机,对产品进行创新设计、测试和评估,缩短开发周期降低成本、改进产品设计质量,用于橡胶机械的新产品开发工作。因此,开展橡胶机械的数字化功能样机技术的研究、开发与应用具有十分重要的意义。

 

数字化功能样机设计环境


 

  为了实现数字化功能样机的功能,橡胶机械的数字化功能样机系统一般由多个功能模块组成,并通过一定的协议和接口集成为一个有机整体。本文在桂林橡胶机械厂相关技术项目研究基础上,提出了如图2所示的橡胶机械数字化功能样机设计分析环境。该设计环境主要包括多体系统可视化建模/仿真扩展、多领域统一建模/仿真环境、多学科设计优化等三大功能模块。


  多领域统一建模/仿真环境基于多领域物理系统统一建模理论,应用可重用的机械、电子、液压、控制等领域库,实现对不同领域构件组成的复杂橡胶机械系统的统一建模与整体性能分析。其组成模块包括面向功能单元的多领域可视化建模环境和多领域统一模型求解引擎。


  多体系统可视化建模/仿真扩展采用CAD技术和多体系统理论,针对复杂橡胶机械的机械子系统进行可视化建模和有限元集成的扩展,实现对橡胶机械系统中刚柔混合机械系统整体运动学和动力学的可视化分析仿真。


  多学科优化模块主要包括产品建模、规划、耦合处理、协同寻优、评价决策等功能项,其中建模是建立产品设计模型的工具;规划分解是对产品设计模型进行层次化或非层次化的规划分解,并形成任务的优化数学模型;协同寻优模块利用一定的协同机制使子任务的求解结果与整体任务求解结果保持一致;评价决策模块通过网络得到有关专家的意见,对优化设计方案进行评价。


  在利用该环境进行橡胶机械系统设计的过程中,分析仿真的前一阶段一般是机械结构设计,要进行分析仿真,首先是继承结构设计信息,在多体系统可视化建模环境中完成机械子系统的功能样机建模,然后在多领域统一建模环境下,应用平台提供的可重用领域库,完成其他领域,如控制、电子、液压、热动力学等子系统的建模,生成橡胶机械系统完整的数字化功能样机,这是数字化功能样机建模阶段。


  对橡胶机械系统进行系统级或部件级仿真分析时,平台先将数字化功能样机的多领域统一模型进行映射,生成系统的数学模型。由于采用多领域统一建模技术,将会使数学模型的方程规模庞大,可达100,000个,而且具有微分-代数混合和连续-离散混合的特点。所以接着需要调用专门的多领域求解器进行求解。求解结果反馈到交互环境,通过集成的后处理器进行动画仿真或曲线研究。

 

2

 

工程应用实例——橡胶硫化机设计平台


 

  轮胎硫化机是影响轮胎制造质量的关键设备,尤其是制造适用于高等级的子午线轮胎,必须采用高精度、高可靠性的硫化机。为了设计这样的硫化机,保证其较高的性能指标和降低成本,需要对硫化机系统进行整体性能的综合优化设计。


  为了实现上述对硫化机系统的整体优化设计,桂林橡胶机械厂采用本文所提出的橡胶机械数字化功能样机开发环境开发出了硫化机设计平台。该平台主要为橡胶硫化机设计人员提供一个方便的设计工具,支撑和帮助硫化机设计人员进行硫化机械整体系统设计,对整个硫化机械系统进行多学科优化,在保障方案可行的前提下综合考虑方案的各项性能指标,求得一个相对最优的方案。该平台还能够支撑CAD三维模型和模型参数的直接导入,并将优化的结果自动返回给CAD系统完成三维模型的自动更新,而且能够完成和PDM系统的集成。该系统对提高我国橡胶机械系统设计水平,促进橡胶工业的发展,实现整个制造业的技术革新都具有重要意义。该系统采用多学科综合优化设计方法,通过充分利用各个子系统之间相互作用所产生的协同效应,获得系统的整体最优解。


  图3所示为某液压式橡胶硫化机设计实例。

 

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结论与进一步工作展望


 

  本文讨论了面向橡胶机械系统设计的数字化功能样机技术的概念、内涵,以及该技术所涉及的多体动力学、多领域物理理论和多学科优化等关键技术,并讨论了协调这些关键技术所构成的集成设计平台的体系结构等问题。该技术已经应用于桂林橡胶机械厂的橡胶机械系统数字化设计平台开发等项目中,初步实践表明,数字化功能样机技术为我国橡胶机械系统的创新设计提供一个有效的手段,可以缩短高质量现代化橡胶机械系统的研制周期,提高设计质量,减少试验费用,降低开发成本、规避研制风险以及提高系统效费比。


  下一步的研究工作将结合各种具体橡胶机械系统,将数字化概念设计、数字化详细设计、数字化功能样机、数字化生产规划、数字化产品数据管理和仿真等技术集成起来,研制自主的橡胶机械系统数字化设计和制造的平台,为我国橡胶工业的发展和制造业技术的进步做出应有的贡献。

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