橡膠機(jī)械的數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)
時(shí)間:2005-07-02
橡膠機(jī)械是橡膠產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。先進(jìn)的橡膠機(jī)械為發(fā)展橡膠工業(yè)提供了所需的先進(jìn)工藝設(shè)備，它的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)是發(fā)展橡膠工業(yè)的主要技術(shù)措施。隨著橡膠工業(yè)技術(shù)革命的進(jìn)一步深化和市場(chǎng)對(duì)橡膠產(chǎn)品的高品質(zhì)要求，最優(yōu)化設(shè)計(jì)和快速設(shè)計(jì)成為橡膠機(jī)械現(xiàn)代化設(shè)計(jì)的基本要求。數(shù)字化技術(shù)為此提供了良好的解決方案，因此，開(kāi)展橡膠硫化機(jī)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究勢(shì)在必行。橡膠硫化機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是橡膠工業(yè)現(xiàn)代化和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
一、數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)
現(xiàn)代先進(jìn)的橡膠機(jī)械系統(tǒng)通常都是由機(jī)械、電子、軟件及控制等多個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其新型號(hào)研制往往涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的方法和技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速整體綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的典型特征是數(shù)字化。近年來(lái)，在 CAX 等技術(shù)基礎(chǔ)上，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于橡膠機(jī)械的全生命周期活動(dòng)中，其中數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)在整個(gè)橡膠機(jī)械的設(shè)計(jì)中占有重要地位。
概括地說(shuō)，數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù) (FDP ， Functional Digital Prototyping) 是在 CAD ／ CAM ／ CAE 技術(shù)和一般虛擬樣機(jī)技術(shù) (VP — Virtual Prototyping) 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其理論基礎(chǔ)為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) (Multibody Dynamics) 、結(jié)構(gòu)有限元理論，以及多領(lǐng)域物理系統(tǒng) (Multi — Domain Physical Systems) 混合建模與仿真理論和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化 (Multidisciplinary Design Optimization) 技術(shù)與方法，簡(jiǎn)稱之為 3M 理論。數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)側(cè)重于系統(tǒng)層次的性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)虛擬試驗(yàn)，精確、快捷地預(yù)測(cè)橡膠機(jī)械的系統(tǒng)性能?；诙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和有限元理論，可以解決產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、變形、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、壽命等問(wèn)題；基于多領(lǐng)域物理系統(tǒng)理論，可以解決復(fù)雜橡膠機(jī)械產(chǎn)品中的機(jī)—電—液—控等多領(lǐng)域能量流和信號(hào)流的傳遞與控制問(wèn)題；基于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論，可以快速解決復(fù)雜橡膠機(jī)械產(chǎn)品的整體綜合優(yōu)化問(wèn)題。
利用 3M 理論，以及現(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)和系統(tǒng)工程方法建立全系統(tǒng)的模型，通過(guò)構(gòu)造橡膠機(jī)械的數(shù)字化功能樣機(jī)來(lái)代替物理樣機(jī)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，用于橡膠機(jī)械的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。因此，開(kāi)展橡膠機(jī)械的數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用具有十分重要的意義。
二、數(shù)字化功能樣機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)境
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化功能樣機(jī)的功能，橡膠機(jī)械的數(shù)字化功能樣機(jī)系統(tǒng)一般由多個(gè)功能模塊組成，并通過(guò)一定的協(xié)議和接口集成為一個(gè)有機(jī)整體。 桂林橡膠機(jī)械廠在相關(guān)技術(shù)項(xiàng)目研究基礎(chǔ)上，提出了橡膠機(jī)械數(shù)字化功能樣機(jī)設(shè)計(jì)分析環(huán)境。 該設(shè)計(jì)環(huán)境主要包括多體系統(tǒng)可視化建模／仿真擴(kuò)展、多領(lǐng)域統(tǒng)一建模／仿真環(huán)境、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化等三大功能模塊。
多領(lǐng)域統(tǒng)一建模／仿真環(huán)境基于多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模理論，應(yīng)用可重用的機(jī)械、電子、液壓、控制等領(lǐng)域庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同領(lǐng)域構(gòu)件組成的復(fù)雜橡膠機(jī)械系統(tǒng)的統(tǒng)一建模與整體性能分析。其組成模塊包括面向功能單元的多領(lǐng)域可視化建模環(huán)境和多領(lǐng)域統(tǒng)一模型求解引擎。
多體系統(tǒng)可視化建模／仿真擴(kuò)展采用 CAD 技術(shù)和多體系統(tǒng)理論，針對(duì)復(fù)雜橡膠機(jī)械的機(jī)械子系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模和有限元集成的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠機(jī)械系統(tǒng)中剛?cè)峄旌蠙C(jī)械系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的可視化分析仿真。
多學(xué)科優(yōu)化模塊主要包括產(chǎn)品建模、規(guī)劃、耦合處理、協(xié)同尋優(yōu)、評(píng)價(jià)決策等功能項(xiàng)，其中建模是建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的工具；規(guī)劃分解是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型進(jìn)行層次化或非層次化的規(guī)劃分解，并形成任務(wù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；協(xié)同尋優(yōu)模塊利用一定的協(xié)同機(jī)制使子任務(wù)的求解結(jié)果與整體任務(wù)求解結(jié)果保持一致；評(píng)價(jià)決策模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)得到有關(guān)專家的意見(jiàn)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。
在利用該環(huán)境進(jìn)行橡膠機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，分析仿真的前一階段一般是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要進(jìn)行分析仿真，首先是繼承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，在多體系統(tǒng)可視化建模環(huán)境中完成機(jī)械子系統(tǒng)的功能樣機(jī)建模，然后在多領(lǐng)域統(tǒng)一建模環(huán)境下，應(yīng)用平臺(tái)提供的可重用領(lǐng)域庫(kù)，完成其他領(lǐng)域，如控制、電子、液壓、熱動(dòng)力學(xué)等子系統(tǒng)的建模，生成橡膠機(jī)械系統(tǒng)完整的數(shù)字化功能樣機(jī)，這是數(shù)字化功能樣機(jī)建模階段。
對(duì)橡膠機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)或部件級(jí)仿真分析時(shí)，平臺(tái)先將數(shù)字化功能樣機(jī)的多領(lǐng)域統(tǒng)一模型進(jìn)行映射，生成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于采用多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)，將會(huì)使數(shù)學(xué)模型的方程規(guī)模龐大，可達(dá) 100000 個(gè)，而且具有微分—代數(shù)混合和連續(xù)—離散混合的特點(diǎn)。所以接著需要調(diào)用專門多領(lǐng)域求解器進(jìn)行求解。求解結(jié)果反饋到交互環(huán)境，通過(guò)集成的后處理器進(jìn)行動(dòng)畫仿真或曲線研究。
三、工程應(yīng)用實(shí)例——橡膠硫化機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)
輪胎硫化機(jī)是影響輪胎制造質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是制造適用于高等級(jí)的子午線輪胎，必須采用高精度、高可靠性的硫化機(jī)。為了設(shè)計(jì)這樣的硫化機(jī)，保證其較高的性能指標(biāo)和降低成本，需要對(duì)硫化機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體性能的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。
為了實(shí)現(xiàn)上述對(duì)硫化機(jī)系統(tǒng)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)， 桂林橡膠機(jī)械廠計(jì)劃根據(jù)所提出的橡膠機(jī)械數(shù)字化功能樣機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)出硫化機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)。 該平臺(tái)主要為橡膠硫化機(jī)設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)方便的設(shè)計(jì)工具，支持和幫助硫化機(jī)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行硫化機(jī)械整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)硫化機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化，在保障方案可行的前提下綜合考慮方案的各項(xiàng)性能指標(biāo)，求得一個(gè)相對(duì)最優(yōu)的方案。該平臺(tái)還能夠支持 CAD 三維模型和模型參數(shù)的直接導(dǎo)入，并將優(yōu)化的結(jié)果自動(dòng)返回給 CAD 系統(tǒng)完成三維模型的自動(dòng)更新，而且能夠完成和 PDM 系統(tǒng)的集成。該系統(tǒng)對(duì)提高我國(guó)橡膠機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)橡膠工業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造業(yè)的技術(shù)革新都具有重要意義。該系統(tǒng)采用多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)充分利用各個(gè)子系統(tǒng)之間相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。
四、結(jié)論與進(jìn)一步工作展望
橡膠機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)的概念、內(nèi)涵，以及該技術(shù)所涉及的多體動(dòng)力學(xué)、多領(lǐng)域物理理論和多學(xué)科優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)， 已經(jīng)應(yīng)用于桂林橡膠機(jī)械廠的橡膠機(jī)械系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)等項(xiàng)目中 ，初步實(shí)踐表明，數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)為我國(guó)橡膠機(jī)械系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供一個(gè)有效的手段，可以縮短高質(zhì)量現(xiàn)代化橡膠機(jī)械系統(tǒng)的研制周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少試驗(yàn)費(fèi)用，降低開(kāi)發(fā)成本、規(guī)避研制風(fēng)險(xiǎn)以及提高系統(tǒng)效費(fèi)比。
下一步的研究工作將結(jié)合各種具體橡膠機(jī)械系統(tǒng)，將數(shù)字化概念設(shè)計(jì)、數(shù)字化詳細(xì)設(shè)計(jì)、數(shù)字化功能樣機(jī)、數(shù)字化生產(chǎn)規(guī)劃、數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和仿真等技術(shù)集成起來(lái)，研制自主開(kāi)發(fā)的橡膠機(jī)械系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造的平臺(tái)，為我國(guó)橡膠工業(yè)的發(fā)展和制造業(yè)技術(shù)的進(jìn)步做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
