基于CAD-CAE集成技術(shù)的開(kāi)放式參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái).pdf

1、作為計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering，簡(jiǎn)稱CAE)技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在核心算法和數(shù)值理論上均取得了豐碩的研究成果，而在工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用仍然存在相當(dāng)大的差距。結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在應(yīng)用方面還存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致工程、設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的認(rèn)識(shí)和了解不足，這些都阻礙了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。 CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer

2、Aided Design，簡(jiǎn)稱CAD)技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)改造和高新技術(shù)發(fā)展中具有重要的地位和作用。將CAE與CAD緊密集成在一起，協(xié)同工作，已經(jīng)成為支持工程和制造企業(yè)信息化的重要技術(shù)之一，它將促進(jìn)CAE技術(shù)更廣泛和深入地應(yīng)用于工程實(shí)際，并能在提高工程/產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低研究開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期等方面發(fā)揮重要作用，從而成為實(shí)現(xiàn)工程/產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐技術(shù)。 用計(jì)算機(jī)對(duì)工程結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的物理力學(xué)性能進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，是工業(yè)裝

3、備和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，也是國(guó)防和軍工裝備研制的戰(zhàn)略技術(shù)。以有限元為代表的數(shù)值計(jì)算方法是解決工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)等眾多工程問(wèn)題中具有廣泛共性的科學(xué)計(jì)算問(wèn)題的重要手段。為保證我國(guó)自主創(chuàng)新能力、集成創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)能力和維護(hù)國(guó)家安全，必須發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAE軟件從而避免形成CAE軟件核心技術(shù)受制于人的局面。本文的主要工作就是基于這一背景，將CAE的結(jié)構(gòu)有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與專業(yè)的CAD軟件工具集成在一起。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，一方面借

4、助于專業(yè)的CAD軟件推廣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的理論研究與實(shí)際應(yīng)用差距較大的問(wèn)題。對(duì)于多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不同學(xué)科的分析計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何模型和有限元模型都有不同的要求，通過(guò)系統(tǒng)集成，借助于專業(yè)的集成建模工具將能夠滿足多學(xué)科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需求。另一方面，利用結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)為工程和設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)實(shí)用的、設(shè)計(jì)分析集成的工具，幫助他們?cè)诋a(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段更好、更全面地了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能

5、，從而提高設(shè)效率。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度來(lái)說(shuō)，參數(shù)化造型技術(shù)能夠提供更直觀、更便捷的幾何模型形狀描述和修改手段。 目前大部分現(xiàn)有CAD/CAE集成研究主要是各系統(tǒng)在外部相互集成，彼此通過(guò)系統(tǒng)外的數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)行通訊。這類集成方法較容易實(shí)現(xiàn)，但是效率較低。本文工作的主要內(nèi)容是基于造型數(shù)據(jù)庫(kù)和高級(jí)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的集成手段，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分析功能嵌入到CAD系統(tǒng)中，結(jié)合CAD中的參數(shù)化實(shí)體造型功能，研究開(kāi)發(fā)基于參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)參數(shù)化形狀優(yōu)

6、化設(shè)計(jì)平臺(tái)POSHAPE。經(jīng)過(guò)不斷的完善，POSHAPE作為一個(gè)通用的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體結(jié)構(gòu)、空間殼體結(jié)構(gòu)以及材料設(shè)計(jì)等問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在整個(gè)系統(tǒng)中，集成是程序的核心內(nèi)容，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)將處理不同物理問(wèn)題的分析功能與結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)集成到一起，協(xié)助更深入地了解結(jié)構(gòu)形狀與結(jié)構(gòu)各物理響應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)系；2)通過(guò)基于邊界描述樹(shù)(Boundary Representation Tree，簡(jiǎn)稱為B-Rep樹(shù))的

7、實(shí)體幾何模型描述方法，將有限元分析模型與幾何模型的建模過(guò)程集成在一起，實(shí)現(xiàn)了模型之間的一體化，借助于CAD系統(tǒng)的參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)，提出參數(shù)化的有限元建模方法；3)基于B-Rep樹(shù)和參數(shù)化技術(shù)，提出了空間殼體結(jié)構(gòu)的幾何曲面模型和三維實(shí)體幾何模型之間的建模集成，籍此實(shí)現(xiàn)了殼體結(jié)構(gòu)有限元模型的參數(shù)化建模方法；4)將參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)，提出了一種基于單胞形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)方法。 本文各章節(jié)內(nèi)容安排如下：

8、 第一章，圍繞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先講述結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的主要內(nèi)容和它們之間的相互關(guān)系，其中著重介紹結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和發(fā)展歷史。其次，分析結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題和導(dǎo)致問(wèn)題的主要原因，本文的研究工作正是基于這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)POSHAPE。接下來(lái)，介紹復(fù)合材料設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀。參數(shù)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在這里將對(duì)該技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。最后，對(duì)本文工作的研究意義和框架進(jìn)行概述。 第二章，

9、本文方法是基于CAD/CAE集成開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的，在第二部分將主要對(duì)CAD/CAE集成技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)論述。參數(shù)化特征造型技術(shù)是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元方法的基本條件，首先對(duì)其進(jìn)行介紹。CAD與CAE系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞方式和集成框架分別是實(shí)現(xiàn)CAD/CAE集成的關(guān)鍵內(nèi)容，其次將列出現(xiàn)有的不同技術(shù)手段并對(duì)它們分別進(jìn)行討論和對(duì)比。最后介紹CAD/CAE集成實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)，包括網(wǎng)格剖分算法、靈敏度分析、優(yōu)化算法。 第三章，主要介紹

10、參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)POSHAPE，重點(diǎn)放在整個(gè)平臺(tái)的集成開(kāi)發(fā)過(guò)程；由幾何造型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和集成平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)出發(fā)，介紹參數(shù)化有限元模型與幾何模型之間的建模集成。此外，還給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)POSHAPE的系統(tǒng)集成框架以及在此平臺(tái)上建立的通用優(yōu)化模型。對(duì)于該系統(tǒng)中存在的問(wèn)題也將一并說(shuō)明。 第四章，POSHAPE可以對(duì)工程中常見(jiàn)的、復(fù)雜三維機(jī)械零件進(jìn)行參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。本章介紹三維實(shí)體結(jié)構(gòu)參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

11、方法。通過(guò)若干工程實(shí)例驗(yàn)證本文方法的實(shí)效。 第五章，對(duì)于空間殼體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的方法大都是基于自由曲面建模技術(shù)。對(duì)比傳統(tǒng)方法，詳細(xì)介紹本文提出的基于參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)的參數(shù)化曲面建模方法，以及此類參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)若干算例，驗(yàn)證本文方法的可行性、有效性。 第六章，除了實(shí)體和殼體結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，POSHAPE還可以用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)。對(duì)于周期性復(fù)合材料單胞結(jié)構(gòu)，通過(guò)參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)手段可

12、以獲取具有指定材料屬性的復(fù)合材料。這里將介紹通過(guò)形狀優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)指定材料屬性的復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò)程。針對(duì)兩相的蜂窩型骨架單胞結(jié)構(gòu)和空心結(jié)構(gòu)，給出了數(shù)值算例。 第七章，對(duì)前文工作進(jìn)行總結(jié)和展望。作為通用的參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，POSHAPE不僅可以進(jìn)行三維實(shí)體結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料單胞結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)還有良好的可擴(kuò)展性。在這部分將對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)有的功能進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)以后的發(fā)展方向和可行進(jìn)行論述。 附錄A中列出了參數(shù)化