CN110728082B - 一种产品的结构与机构联合设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种产品的结构与机构联合设计方法，包括：产品结构三维设计数字化；产品机构运动仿真可视化；产品性能评估预知化。本发明实施例运用三维数字化设计、数字化预装配、机构运动分析等技术进行产品的结构和机构综合设计，实现了产品设计中结构与机构的空间协调和运动协调，能够在产品的设计阶段预知并解决潜在的缺陷，并借助有限元模拟仿真技术对产品性能进行分析和优化，促进产品的迭代设计，直到所设计产品的各项性能最优。本发明提供的联合设计方法使产品的研发成本降低、周期缩短，并同时实现了产品的研发过程可视化、流程化、规范化和高效化，研发成果精细化。
Description
技术领域
本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种产品的结构与机构联合设计方法。
背景技术
传统产品设计的方法是基于多年的工作经验手绘草图和二维工程图来展示设计成果，并通过图纸标注的尺寸、精度等信息完成加工制造和装配，这种方式难以保证产品的使用性能，而且需要大量的试验来验证结构的可靠性和机构的合理性，费时费力还费钱。
随着计算机图形学技术和虚拟现实技术的快速发展，计算机辅助设计CAD、分析CAE和制造CAM技术已经越来越多的应用到产品全生命周期的研发中，尤其在航空航天、轨道交通和城建规划行业已大展身手。先进虚拟设计和仿真技术的应用使产品的性能更加优越，功能更加完善，研发周期缩短，研发成本降低，使产品的研发可视化，信息的存储和检索便捷化。近年来，计算机辅助设计技术已逐渐成为产品设计的主流技术。因此，有必要提供一种产品的结构与机构联合设计方法，以实现一般性能要求的产品设计工作。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种研发成本低、周期短的产品的结构与机构联合设计方法，实现产品设计中结构与机构的空间协调和运动协调。
本发明实施例提供的一种产品的结构与机构联合设计方法，该方法包括：
1)产品结构三维设计数字化；
2)产品机构运动仿真可视化；
3)产品性能评估预知化。
进一步地，上述方法中，所述产品结构三维设计数字化流程如下：
1)根据产品的市场调研和定位，结合产品设计输入的参考信息和基准元素，确定产品整个设计周期的顶层数据；
2)以顶层数据为后续设计工作的输入，确定各个零部件的初步结构；
3)根据产品的使用环境和受载情况确定零部件的连接形式；
4)运用三维设计预装配技术判断产品各零部件是否配合，若配合，即进入下一阶段的机构设计工作，否则，返回零部件设计阶段，重新设计。
进一步地，上述方法中，所述产品机构运动仿真可视化流程如下：
1)根据上一阶段产品结构设计数据和机构运动原理确定机构的运动关系和机构零部件的基本形式、材料选择；
2)将组成产品运动机构的各个零部件定位、固定和约束到产品的结构上；
3)进入机构运动学分析阶段，分析产品机构的运动轨迹、位移、速度和加速度信息；
4)进入产品人机工程学分析阶段，通过建立人体模型，设置操作姿势，分析人对产品的可操作性，人与产品的匹配性；
5)结合以上分析结果对产品的动态性能做出评估，若动态性能科学合理即进入下一阶段的工作，否则，返回上一阶段的结构设计工作或本阶段的机构设计重新设计。
进一步地，上述方法中，所述产品性能评估预知化流程如下：
1)以前期的结构和机构数据为载体，通过建立有限元模型、设置属性和模型连接，分别对产品的结构进行分析和校核，对机构的动力学特性进行仿真和优化；
2)评估产品整体结构的可靠性和机构运动的合理性，以仿真优化结果指导产品各个零部件的详细设计，进入产品的迭代设计阶段，直到满足产品设计的各项性能指标。
进一步地，上述方法中，所述顶层数据包括但不限于产品外形轮廓、重量重心、结构布局和目标功能。
进一步地，上述方法中，所述初步结构包括但不限于基本形式，截面形状和材料信息。
与现有技术相比，本发明实施例产品的结构与机构联合设计方法，包括：产品结构三维设计数字化；产品机构运动仿真可视化；产品性能评估预知化。本发明实施例运用三维数字化设计、数字化预装配、机构运动分析等技术进行产品的结构和机构综合设计，实现了产品设计中结构与机构的空间协调和运动协调，能够在产品的设计阶段预知并解决潜在的缺陷，并借助有限元模拟仿真技术对产品性能进行分析和优化，促进产品的迭代设计，直到所设计产品的各项性能最优。本发明提供的联合设计方法使产品的研发成本降低、周期缩短，并同时实现了产品的研发过程可视化、流程化、规范化和高效化，研发成果精细化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种产品的结构与机构联合设计方法流程图；
图2为本发明提供的产品结构三维设计数字化流程示意图
图3为本发明提供的产品机构运动仿真可视化流程示意图；
图4为本发明提供的产品性能评估预知化流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明实施例公开了一种产品的结构与机构联合设计方法，该方法包括：
S101，产品结构三维设计数字化；
S102，产品机构运动仿真可视化；
S103，产品性能评估预知化。
本发明实施例运用三维数字化设计、数字化预装配、机构运动分析等技术进行产品的结构和机构综合设计，实现了产品设计中结构与机构的空间协调和运动协调。本发明提供的联合设计方法使产品的研发成本降低、周期缩短，并同时实现了产品的研发过程可视化、流程化、规范化和高效化，研发成果精细化。
进一步地，如图2所示，所述产品结构三维设计数字化流程如下：
S201，根据产品的市场调研和定位，结合产品设计输入的参考信息和基准元素，确定产品整个设计周期的顶层数据；
S202，以顶层数据为后续设计工作的输入，确定各个零部件的初步结构；
S203，根据产品的使用环境和受载情况确定零部件的连接形式；
S204，运用三维设计预装配技术判断产品各零部件是否配合，若配合，即进入下一阶段的机构设计工作，否则，返回零部件设计阶段，重新设计。
优选地，上述方法中，所述顶层数据包括但不限于产品外形轮廓、重量重心、结构布局和目标功能。
优选地，上述方法中，所述初步结构包括但不限于基本形式，截面形状和材料信息。
实施中，首先，根据产品的市场调研和定位，结合产品设计输入的参考信息和基准元素，进入产品的总体设计阶段，即确定贯穿产品整个设计周期的的顶层数据，顶层数据一般包括产品外形轮廓、重量重心、结构布局和目标功能等；然后，以顶层数据为后续设计工作的输入，确定各个零部件的基本形式，截面形状，材料信息等初步结构；最后，根据产品的使用环境和受载情况确定零部件的连接形式，运用三维设计预装配技术检查产品各零部件的配合情况，配合合理即可进去下一阶段的机构设计工作，否则，返回零件设计阶段，重新设计。
进一步地，如图3所示，所述产品机构运动仿真可视化流程如下：
S301，根据上一阶段产品结构设计数据和机构运动原理确定机构的运动关系和机构零部件的基本形式、材料选择；
S302，将组成产品运动机构的各个零部件定位、固定和约束到产品的结构上；
S303，进入机构运动学分析阶段，分析产品机构的运动轨迹、位移、速度和加速度信息；
S304，进入产品人机工程学分析阶段，通过建立人体模型，设置操作姿势，分析人对产品的可操作性，人与产品的匹配性；
S305，结合以上分析结果对产品的动态性能做出评估，若动态性能科学合理即进入下一阶段的工作，否则，返回上一阶段的结构设计工作或本阶段的机构设计重新设计。
实施中，首先，根据上一阶段产品结构设计数据和机构运动原理确定机构的运动关系和机构零部件的基本形式、材料选择等；然后，将组成产品运动机构的各个零部件定位、固定和约束到产品的结构上；其次，进入机构运动学分析阶段，分析机构的运动轨迹、位移、速度和加速度等信息；再次，进入产品人机工程学分析阶段，建立人体模型，设置操作姿势，分析人对产品的可操作性，人与产品的匹配性等；最后结合以上分析结果对产品的动态性能做出评估，动态性能科学合理即可进入下一阶段的工作，否则，返回上一阶段的结构设计工作或本阶段的机构设计重新设计。
进一步地，如图4所示，所述产品性能评估预知化流程如下：
S401，以前期的结构和机构数据为载体，通过建立有限元模型、设置属性和模型连接，分别对产品的结构进行分析和校核，对机构的动力学特性进行仿真和优化；
S402，评估产品整体结构的可靠性和机构运动的合理性，以仿真优化结果指导产品各个零部件的详细设计，进入产品的迭代设计阶段，直到满足产品设计的各项性能指标。
具体实施中，本发明实施例以前期的结构和机构数据为载体，建立有限元模型、设置属性和模型连接，分别对产品的结构进行分析和校核，对机构的动力学特性进行仿真和优化，从而评估产品整体结构的可靠性和机构运动的合理性，以仿真优化结果指导产品各个零部件的详细设计，即进入产品的迭代设计阶段，直到满足产品设计的各项性能指标。本发明实施例能够在产品的设计阶段预知并解决潜在的缺陷，并借助有限元模拟仿真技术对产品性能进行分析和优化，促进产品的迭代设计，直到所设计产品的各项性能最优。
综上，本发明实施例集三维数字化设计技术、装配技术、运动分析技术、人机工程技术和尺寸标注技术等先进虚拟设计技术为一体，以有限元分析技术、优化技术、多体动力学等仿真技术为依据，为高精尖产品的设计提供了一种多方位、全流程的综合设计方法，能够有效保证产品的可靠性，优化性，经济性和安全性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种产品的结构与机构联合设计方法，其特征在于，该方法包括：
1)产品结构三维设计数字化；
2)产品机构运动仿真可视化；
3)产品性能评估预知化，
所述产品结构三维设计数字化流程如下：
1)根据产品的市场调研和定位，结合产品设计输入的参考信息和基准元素，确定产品整个设计周期的顶层数据；
2)以顶层数据为后续设计工作的输入，确定各个零部件的初步结构；
3)根据产品的使用环境和受载情况确定零部件的连接形式；
4)运用三维设计预装配技术判断产品各零部件是否配合，若配合，即进入下一阶段的机构设计工作，否则，返回零部件设计阶段，重新设计，
所述产品机构运动仿真可视化流程如下：
1)根据上一阶段产品结构设计数据和机构运动原理确定机构的运动关系和机构零部件的基本形式、材料选择；
2)将组成产品运动机构的各个零部件定位、固定和约束到产品的结构上；
3)进入机构运动学分析阶段，分析产品机构的运动轨迹、位移、速度和加速度信息；
4)进入产品人机工程学分析阶段，通过建立人体模型，设置操作姿势，分析人对产品的可操作性，人与产品的匹配性；
5)结合以上分析结果对产品的动态性能做出评估，若动态性能科学合理即进入下一阶段的工作，否则，返回上一阶段的结构设计工作或本阶段的机构设计重新设计，
所述产品性能评估预知化流程如下：
1)以前期的结构和机构数据为载体，通过建立有限元模型、设置属性和模型连接，分别对产品的结构进行分析和校核，对机构的动力学特性进行仿真和优化；
2)评估产品整体结构的可靠性和机构运动的合理性，以仿真优化结果指导产品各个零部件的详细设计，进入产品的迭代设计阶段，直到满足产品设计的各项性能指标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶层数据包括但不限于产品外形轮廓、重量重心、结构布局和目标功能。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初步结构包括但不限于基本形式，截面形状和材料信息。
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