CN115017653A - 基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法，属于智能制造领域，所述等几何设计/分析/制造框架包括几何模型模块、设计模块、分析模块、制造模块四个功能模块，本发明基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法包括以下步骤：S1建立几何模型模块、S2设计阶段、S3分析阶段、S4制造阶段。基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法克服了传统的设计、分析、制造各阶段技术中存在的转换误差、模型失真、交互不畅等问题，以等几何思想统一了设计/分析/制造等各阶段的几何模型，提高了模型精度，避免了不必要的转换误差和近似失真，使设计过程、分析过程、加工过程可以共几何模型平台工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法，具体地说，是基于等几何设计/分析/制造框架(IGDAM,IsoGeometric Design/Analysis/Manufacturing)的产品全生命周期、集成化设计方法，属于智能制造领域。。
背景技术
经典有限元方法(FEM)的发展产生了一类特殊的单元，即等参单元。基于等参单元的思想，又发展出了等几何分析(IGA,IsoGeometric Analysis)方法。等几何设计/分析/制造框架(IGDAM)是对等几何分析(IGA)思想的完备、拓展和进一步发展。
等几何分析(IGA)由美国科学院院士、著名力学专家Hughes教授在2005年提出，其基本思想是：在产品周期的设计阶段和分析阶段采用相同的几何描述。等几何分析的优点主要包括：在经典有限元中，网格划分是分析过程中最耗时的环节，且网格模型是对原几何模型的近似，不可避免的引入了模型转换误差；等几何分析采用样条模型参数域的划分以及参数域到物理模型的映射，避免了有限元中网格划分的复杂过程；等几何分析中，几何模型与分析网格模型采用同一表达方式，避免了网格细化过程中与几何模型数据的频繁交互，有利于实现自适应网格细化；等几何分析的结果精度更高，其分析使用的多项式直接来源于几何模型数据，避免了经典有限元中采用分段多项式逼近的方式而引入的误差；由于几何和分析采用统一的数学描述，因此可以直接利用几何模型进行分析，有望实现分析、设计和优化的一体化。由于等几何分析本身所具有的上述优点，使得等几何分析在结构力学、流体力学及流固耦合问题、拓扑优化、叶片/翼型、接触问题等领域得到了广泛关注。
目前国内外文献中，关于等几何分析(IGA)的文献较多，但鲜有文献考虑零件的加工制造过程，更没有文献从统一的数学角度综合考虑产品全生命周期的设计、分析、制造问题，截至目前未见等几何设计/分析/制造框架(IGDAM)的相关研究工作和报道。
发明内容
本发明面向具有复杂空间曲面结构的机械零部件精密数控加工问题，克服了传统的设计、分析、制造各阶段技术中存在的转换误差、模型失真、交互不畅等问题，以等几何分析(IGA)思想贯穿设计/分析/制造全产品周期的理念，提出等几何设计/分析/制造框架(IGDAM)，提供了一种基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法。基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法以等几何思想统一了设计/分析/制造等各阶段的几何模型，提高了模型精度，避免了不必要的转换误差和近似失真，使设计过程、分析过程、加工过程可以共几何模型平台工作。
传统的机械零部件设计、分析、制造分阶段流程示意图如图1所示，其存在的不足之处主要包括：
传统的几何设计与力学分析之间存在转换误差、模型失真、交互不畅等问题，如图2所示。在几何设计、力学分析、加工制造三个环节之间传统的交互方式是通过通用数据格式的中性文件来实现。商业CAD软件通过几何模型文件格式的转换可以将几何设计结果传递给商业CAE软件进行力学计算和优化，如图2(a)所示，但是CAE软件计算和优化的结果却无法直接反馈给CAD软件的几何模型，如图2(b)所示。若要修改设计，只能在CAD软件中修改原始几何模型。并且，在几何模型文件格式的多次转换过程中，不可避免的存在转换误差，生成CAE模型时还会存在近似误差造成的模型失真。所以，传统的几何设计与力学分析之间存在转换误差、模型失真、交互不畅等问题，本发明所提出的基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法恰能解决此问题。
传统的几何设计与加工制造之间存在转换误差、模型失真、交互不畅等问题，如图3所示。商业CAD软件通过几何模型文件格式的转换可以将几何设计结果传递给商业CAM软件进行数控加工，如图3(a)所示，但是CAM软件的加工结果和修改建议却无法直接反馈给CAD软件的几何模型，如图3(b)所示。若要修改设计，则只能在CAD软件中修改原始几何模型。在几何模型文件格式的多次转换过程中，也不可避免的存在转换误差，生成数控加工刀具轨迹时还会由于拟合和插补操作导致存在近似误差，造成加工模型失真。所以，传统的几何设计与加工制造之间存在转换误差、模型失真、交互不畅等问题，本发明所提出的基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法恰能解决此问题。
传统的CAD/CAE/CAM集成属于形式上的集成，传统的CAD/CAE/CAM集成通常是通过通用数据格式的中性文件实现的，如图1—图3所示，其更像是形式上、流程上的集成。若要实现真正意义上的CAD/CAE/CAM集成，则CAD软件、CAE软件、CAM软件应该基于一套统一的几何模型，在几何设计、力学分析、加工制造任何一个阶段的优化和修改，都能直接在该共用的几何模型上完成。本发明所提出的基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法恰能实现这一功能。
本发明以具有复杂空间曲面结构的机械零部件为应用对象，解决此类机械零部件在加工制造过程中出现的几何设计、力学分析、加工制造等环节存在的严重脱节、交互不畅等问题。
本发明的特征在于，一种基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法，所述等几何设计/分析/制造框架包括几何模型模块1、设计模块2、分析模块3、制造模块4四个功能模块(如图4所示)，所述基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法包括以下步骤(如图5所示)：
S1、建立几何模型模块：针对广义的目标产品，建立统一的、精确的、完备的数学语言几何描述；全部几何模型构成几何模型模块；所述几何模型模块是设计模块、分析模块、制造模块的共同基础；
S2、设计阶段：设计阶段的工作在设计模块内完成；根据目标产品设计需求或迭代优化需求，基于步骤S1所建立的几何模型模块，实现目标产品的全部设计需求和全部设计过程的数学化，建立满足设计要求的目标产品的几何模型；所述设计阶段的工作的实施方式是直接操作所述目标产品的几何模型；
S21、若需步骤S3分析阶段对目标产品进行分析，则步骤S2输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S3；
S22、若需步骤S4制造阶段对目标产品加工制造，则步骤S2输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S4；
S3、分析阶段：分析阶段的工作在分析模块内完成；输入目标产品的几何模型，直接在所述目标产品的几何模型上进行所需要的分析工作，没有模型转换步骤；输出经过分析之后的目标产品的几何模型；
S31、若需步骤S2设计阶段迭代修改目标产品，则步骤S3输出的目标产品的几何模型，可以直接返回步骤S2；
S32、若需步骤S4制造阶段对目标产品加工制造，则步骤S3输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S4；
S4、制造阶段：制造阶段的工作在制造模块内完成；输入目标产品的几何模型，直接在所述目标产品的几何模型上进行数字化加工制造工作，没有模型转换步骤；输出经过数字化加工制造完成的目标产品；
S41、若需步骤S2设计阶段迭代修改目标产品，则步骤S4输出的目标产品的几何模型，可以直接返回步骤S2；
S42、若需步骤S3分析阶段迭代优化目标产品，则步骤S4输出的目标产品的几何模型，可以直接返回步骤S3。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法克服了传统的设计、分析、制造各阶段技术中存在的转换误差、模型失真、交互不畅等问题，以等几何思想统一了设计/分析/制造等各阶段的几何模型，提高了模型精度，避免了不必要的转换误差和近似失真，使设计过程、分析过程、加工过程可以共几何模型平台工作。
本发明为高端制造业提供了全产品周期解决方案，其应用领域包括高端装备、医疗器械、汽车工业、航空航天等。
附图说明
图1传统的机械零部件设计、分析、制造分阶段流程示意图。
图2传统的几何设计与力学分析之间存在转换误差、模型失真、交互不畅等问题。
图2(a)模型数据交互通畅。
图2(b)模型数据交互不通畅。
图3传统的几何设计与加工制造之间存在转换误差、模型失真、交互不畅等问题。
图3(a)模型数据交互通畅。
图3(b)模型数据交互不通畅。
图4等几何设计/分析/制造框架(IGDAM)。
图5基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法。
图6基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法的一则实施例。
图中：1：几何模型模块；2：设计模块；3：分析模块；4：制造模块。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步详细说明：
图6所示为基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法的一则实施例，等几何设计/分析/制造框架包括几何模型模块1、设计模块2、分析模块3、制造模块4四个功能模块，其中，几何模型模块是基础和纽带；设计模块最贴近工程实际，需要将目标产品的设计进行数学化，使其完全由数学语言描述和定义，进而得到所设计产品的几何模型；分析模块与设计模块之间的交互和迭代优化，直接在统一的几何模型上进行，不存在转换误差和精度损失；制造模块与设计模块(也可以包括分析模块)之间的交互和迭代优化，也是直接在统一的几何模型上进行，不存在转换误差和精度损失。
再结合图5所示基于等几何设计/分析/制造框架的设计步骤，输入目标产品的设计需求，则按照本发明的设计方法可以得到满足要求的加工制造完成的目标产品，具体步骤如下：
S1、建立几何模型模块：针对广义的目标产品，建立统一的、精确的、完备的数学语言几何描述；全部几何模型构成几何模型模块；所述几何模型模块是设计模块、分析模块、制造模块的共同基础。几何模型模块主要包括满足等几何设计/分析/制造框架(IGDAM)需求的数学方法，目前，常用的数学建模工具主要包括非均匀有理B样条(NURBS)、T样条(T-Spline)、细分曲面(Subdivision Surface)等。1991年，国际标准化组织(ISO)颁布的工业产品数据交换标准STEP(ISO-10303)中，把NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法，自此NURBS得到了较广泛地应用。2005年，Hughes教授提出等几何分析(IGA)概念之后，广大科研人员自然而然地首先想到将NURBS用于IGA分析。随着人们对于IGA的研究深入，NURBS的一些先天缺陷逐渐暴露出来，学术界才逐渐开始研究其它的样条函数以及更优秀的几何描述方法，例如：T-Spline、细分曲面等。不失一般性，本实施例仅选择其中较有应用前景的T-Spline作为实施对象，实现基于T-Spline的等几何设计/分析/制造框架(IGDAM)设计方法。如图6所示，在几何模型模块中，建立基于T-Spline的几何模型，提供基于T-Spline的统一的、精确的、完备的数学语言几何描述能力，作为设计模块、分析模块、制造模块的共同基础。
S2、设计阶段：设计阶段的工作在设计模块内完成；根据目标产品设计需求或迭代优化需求，基于步骤S1所建立的几何模型模块，实现目标产品的全部设计需求和全部设计过程的数学化，建立满足设计要求的目标产品的几何模型；所述设计阶段的工作的实施方式是直接操作所述目标产品的几何模型；S21、若需步骤S3分析阶段对目标产品进行分析，则步骤S2输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S3；S22、若需步骤S4制造阶段对目标产品加工制造，则步骤S2输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S4。设计模块针对不同的工程产品，首先将工程产品的设计进行数学化，使其完全由数学语言描述和定义，进而得到产品的精确数学模型。在本实施例中，即指得到工程产品的基于T-Spline的几何模型。设计优化以及分析模块和制造模块的迭代反馈，最终全部体现在产品数学模型的修改，并直接体现在产品的基于T-Spline的几何模型上。
S3、分析阶段：分析阶段的工作在分析模块内完成；输入目标产品的几何模型，直接在所述目标产品的几何模型上进行所需要的分析工作，没有模型转换步骤；输出经过分析之后的目标产品的几何模型；S31、若需步骤S2设计阶段迭代修改目标产品，则步骤S3输出的目标产品的几何模型，可以直接返回步骤S2；S32、若需步骤S4制造阶段对目标产品加工制造，则步骤S3输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S4。分析模块基于目标产品的T-Spline几何模型，开展基于T-Spline的有限元分析、基于T-Spline的流固耦合分析、基于T-Spline的多体动力学分析等，当然并不局限于图6中列举的这三类力学分析，基于产品的T-Spline几何模型可以完成多种仿真分析任务，视目标产品实际需求而定。
S4、制造阶段：制造阶段的工作在制造模块内完成；输入目标产品的几何模型，直接在所述目标产品的几何模型上进行数字化加工制造工作，没有模型转换步骤；输出经过数字化加工制造完成的目标产品；S41、若需步骤S2设计阶段迭代修改目标产品，则步骤S4输出的目标产品的几何模型，可以直接返回步骤S2；S42、若需步骤S3分析阶段迭代优化目标产品，则步骤S4输出的目标产品的几何模型，可以直接返回步骤S3。制造模块在本实施例中主要面向具有复杂空间曲面结构的机械零件的精密数控加工问题，基于产品的T-Spline几何模型，开展基于T-Spline的刀具轨迹生成及优化。得到满意的刀具轨迹以及数控加工代码之后，可以通过模拟仿真的手段检验数控代码的正确性和加工效果，随后即可直接转入数控机床进行加工制造，完成目标产品。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (1)
1.一种基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法，其特征在于，所述等几何设计/分析/制造框架包括几何模型模块(1)、设计模块(2)、分析模块(3)、制造模块(4)四个功能模块，所述基于等几何设计/分析/制造框架的设计方法包括以下步骤：
S1、建立几何模型模块：针对广义的目标产品，建立统一的、精确的、完备的数学语言几何描述；全部几何模型构成几何模型模块；所述几何模型模块是设计模块、分析模块、制造模块的共同基础；
S2、设计阶段：设计阶段的工作在设计模块内完成；根据目标产品设计需求或迭代优化需求，基于步骤S1所建立的几何模型模块，实现目标产品的全部设计需求和全部设计过程的数学化，建立满足设计要求的目标产品的几何模型；所述设计阶段的工作的实施方式是直接操作所述目标产品的几何模型；
S21、若需步骤S3分析阶段对目标产品进行分析，则步骤S2输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S3；
S22、若需步骤S4制造阶段对目标产品加工制造，则步骤S2输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S4；
S3、分析阶段：分析阶段的工作在分析模块内完成；输入目标产品的几何模型，直接在所述目标产品的几何模型上进行所需要的分析工作，没有模型转换步骤；输出经过分析之后的目标产品的几何模型；
S31、若需步骤S2设计阶段迭代修改目标产品，则步骤S3输出的目标产品的几何模型，可以直接返回步骤S2；
S32、若需步骤S4制造阶段对目标产品加工制造，则步骤S3输出的目标产品的几何模型，可以直接进入步骤S4；
S4、制造阶段：制造阶段的工作在制造模块内完成；输入目标产品的几何模型，直接在所述目标产品的几何模型上进行数字化加工制造工作，没有模型转换步骤；输出经过数字化加工制造完成的目标产品；
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