面向快速产品开发的智能设计／fea耦合系统初探

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2、毒尊■t....《≥≥.一I_一一【}一引言市场竞争的不断IIII使得产品开发速度日益成为最具挑战性的因素.设计制造体系结构相应随之逐步发展为快速反应制造与快速产品开发(RapidProductDevelopment,RPD).这对于作为结构及多自由度体系分析有力工具的有限元分析技术(FiniteElementAn

3、alysis,FEA)产生了深刻影响.传统制造体系下,将FEA看作一种孤立的分析手段,主要注重有限元技术解决问题的能力和精度;RPD则一方面注重有限元分析本身的速度,另一方面还要求从系统的角度来分析FEA在8择计算方法和策略.有限元分析存在着众多的计算方法,对某一给定的问题,设计者应选择相应的计算方法.在时变问题中设计者要选择合理的时间步长,在非线性问题中要选择合理的载荷步长.②错误自动监测与处理.包括:提供错误处理对策;在非线性时变分析发散时,给出获得收敛性的建议:及时终止病态求解等.(3)后处

4、理包括:①辅助分析信息的计算(应力,应变等).②通过特殊后处理技术以获得比基本解的更高的精度.③求解误差的估计.④分析结果的可视化.⑤自动进行结果判断分析.耦合的智能操作模式,对其体系构成与相应技术支持等问题进行了初步探讨.二,智能设计/FEA耦合系统的结构设计该耦合系统结构流程如图l所示,这一结构由三个反馈环(回路)及高级策略交互四部分组成.1产品分析反馈环的组成与自动实现在产品分析反馈环中,处理的对象是一个结构,尺寸,力学边界(载荷,边界条件及物性)完全确定的模型,反馈控制条件是有限元分析精度

5、.它由下几个部分组成.(i)离散化有限元模型的自动建立即把一个空间域离散为由结点和单元构成的网状体,相应地进行载荷和边界条件的离散化并将之与结点关联.设计/FEA耦合系统将在专家系统的辅助下,由系统自动产生优化的网格模型.(2)自动求解主要解决两个问题:①自动选数通过求解机制驱动产品模型,即可得到一个定义完全的初始分析模型.(2)模型修正及分析模型的建立设计者视域下的设计模型从分析的角度看来往往是需要修正的由CAD得到的模型对有限元分析来说可能是不台适甚至是不正确的.例如,一条微小边会造成网格划分

6、的”敏摩陆”问题.另外,一些对产品承载能力影响极微的细小特征也应被压缩(subptess),获得更为可靠的分析.并减少计算时间.但一些对应力分布起重要作用的细微特征则应予以保留,如卸载圆角等.(3)调用自动分析反馈环当模型被修正后,即可确定分析精度,而后调用自动分析反馈环进行分析.(4)校验和参数自动修正将分析结果与设计目标进行比较,当分析得到的结果不满足要求时,根据差值得到对初始设计变量的修正集,反馈回系统人口,重新驱动产品模型,进行新一轮的分析.,.鼋/”10.,;一:..j*.no产品实例分

7、析结果图1设计/FEA耦台系统体系结构一3.产品结构反馈环(1)结构合理性分析系统应具有良好的判断能力,在发现不可能得到期望的设计目标时,应从产品的本身结构(几何结构及受力结构)上寻求原因,并给出结构合理性分析意见,供设计人员参考,并由设计者提出修改策略.(2)结构自动修正系统根据设计者的修改策略,进行模型的自动结构修正.4高级策略交互在智能设计/FEA耦合系统中,存在着许多决策问题.分析反馈环中包括:网格单元选择及密度确定,分析策略与方法选择,错误监测与控制,自适应分析:参数反馈环中包括特征压缩

8、,参数自动修正,分析精度的设定及反馈修正函数序列的正确选择;结构反馈环中包括结构合理性分析和结构修改.从面向产品的角度来看,特征压缩,参数修正,结构合理性分析,结构修改等属高级策略,而其它决策则属低级策略.前者采用专家系统辅助下的设计者决策而后者由专家系统自动得出.三智能设计/FEA耦合系统的技术支持这一结构流程的实现有赖于多种先进技术的综合运用.主要有特征技术,网格自动剖分技术,自适应分析算法,人工智能四个方面.1特征技术(Feature—basedTechnique)——面向产品设计分析的基础

9、特征技术使面向产品设计成为可能.在统一的特征模型下,有限元分析的几何,边界,物性信息在用户视域上是一次完备的.网格模型在传统分析模式下作为载荷,边界条件和物性信息接收中介的地位得以避免.完整的分析信息直接由特征模型映射至有限元分析模型,网格划分仅仅是为了产生有限元分析需要的单元和节点信息.有限元分析被“黑箱化”了.设计人员无须关心有限元分析的具体过程,而将注意力集中在模型的合理构造,参数的合理组合上.特征技术使自动反馈修正模型参数成为可能.所有几何,载荷,边界,物性信息均可参数化变