CN103324803A - 旋压机的建模方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋压机的建模方法和装置，其中，该方法包括：通过拓扑优化得到旋压机的计算机辅助设计CAD模型，其中，所述CAD模型中绘制旋压机中多个零件的结构和旋压机的空洞筋格结构；将所述CAD模型转换为参数化的计算机辅助工程CAE面结构模型；通过所述参数化的CAE面结构模型的参数，建立所述旋压机的有限元参数化模型；对所述有限元参数化模型进行参数优化，得到优化后的旋压机结构。通过上述方式实现了通过参数化有限元对旋压机进行设计的目的，提高了旋压机的优化效率和产品性能。

Description

旋压机的建模方法和装置

技术领域

本发明涉及机械领域，具体的说，涉及一种旋压机的建模方法和装置。

背景技术

参数化设计方法的本质是基于约束的产品描述方法，与传统的设计方法相比，参数化设计方法最大的区别在于：参数化设计方法通过基于约束的产品描述方法存储了产品的设计过程，因而通过参数化设计方法可以设计出一族而不是某个单一的产品。另外，参数化设计能够通过局部修改或者是变动某些约束参数而不必对产品设计的全过程进行重新设计。有限元法是最常用的计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）分析方法，是在虚拟制造过程中最重要的仿真工具，它通过参数化与有限元分析技术的结合，可以快速实现新产品多方案多工况条件下的有限元计算。

在复杂产品的现代设计中，根据所设计零件完成的功能，定义零件的初始空间和工况条件，采用拓扑优化技术得到零件概念模型，对概念模型参数化得到产品参数化模型，最后通过参数优化得到性能最佳的零件，在这一设计流程中有限元计算贯穿其中。然而，目前还没有通过参数化有限元对整体大型复杂的产品进行设计的方法。

旋压机作为一种大型的机器，其零部件的数量较多而且部件之间的连接关系也较为复杂。如何通过参数化有限元来对旋压机进行设计目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种旋压机的建模方法和装置，以通过参数化有限元对旋压机进行设计，从而达到良好的设计效果。

本发明实施例提供了一种旋压机的建模方法，包括：通过拓扑优化得到旋压机的计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）模型，其中，所述CAD模型中绘制了旋压机中多个零件的结构和旋压机的空洞筋格结构；将所述CAD模型转换为参数化的CAE面结构模型；通过所述参数化的CAE面结构模型的参数，建立所述旋压机的有限元参数化模型；对所述有限元参数化模型进行参数优化，得到优化后的旋压机结构。

在一个实施例中，所述参数化的CAE面结构模型的参数，包括以下至少之一：所述多个零件中各个零件的外形尺寸参数、所述多个零件中各个零件的厚度参数、所述多个零件中各个零件之间的连接关系、所述旋压机的空洞筋格结构的结构参数。

在一个实施例中，通过所述拓扑优化方式得到所述旋压机的CAD模型包括：对多种工况下的旋压机的初始结构进行材料密度拓扑优化，使材料向所述旋压机的一个或多个位置转移，在所述旋压机的内部形成空洞，以形成对应于多种工况的空洞模型；通过概率模型拓扑优化，对多种工况的空洞模型进行分析，得到所述旋压机的CAD模型。

在一个实施例中，将所述CAD模型转换为参数化的CAE面结构模型包括：根据以下至少之一的信息对所述CAD模型进行分析，得到参数化的CAE面结构模型：旋压机的结构信息、旋压机的设计参数、旋压机的设计理论、及旋压机设计过程中的经验信息。

在一个实施例中，所述参数优化包括：形质灵敏度参数优化，和/或频质灵敏度参数优化。

本发明实施例还提供了一种旋压机的建模装置，包括：获取单元，用于通过拓扑优化得到旋压机的计算机辅助设计CAD模型，其中，所述CAD模型中绘制旋压机中多个零件的结构和旋压机的空洞筋格结构；转换单元，用于将所述CAD模型转换为参数化的计算机辅助工程CAE面结构模型；建立单元，用于通过所述参数化的CAE面结构模型的参数，建立所述旋压机的有限元参数化模型；处理单元，用于对所述有限元参数化模型进行参数优化，得到优化后的旋压机结构。

在一个实施例中，所述参数化的CAE面结构模型的参数包括以下至少之一：所述多个零件中各个零件的外形尺寸参数、所述多个零件中各个零件的厚度参数、所述多个零件中各个零件之间的连接关系，所述旋压机的空洞筋格结构的结构参数。

在一个实施例中，所述获取单元包括：生成模块，用于对多种工况下的旋压机的初始结构进行材料密度拓扑优化，使材料向所述旋压机的一个或多个位置转移，在所述旋压机的内部形成空洞，以形成对应于多种工况的空洞模型；分析模块，用于通过概率模型拓扑优化，对多种工况的空洞模型进行分析，得到所述旋压机的CAD模型。

在一个实施例中，转换单元具体用于根据以下至少之一的信息对所述CAD模型进行分析，得到参数化的CAE面结构模型：旋压机的结构信息、旋压机的设计参数、旋压机的设计理论、及旋压机设计过程中的经验信息。

在一个实施例中，所述处理单元包括：第一处理模块，用于采用形质灵敏度参数优化方式对所述有限元参数化模型进行参数优化得到优化后的旋压机结构；和/或第二处理模块，用于采用频质灵敏度参数优化方式对所述有限元参数化模型进行参数优化得到优化后的旋压机结构。

在本发明实施例中，通过拓扑优化得到绘制有旋压机中各个零件的结构和旋压机自身的空洞筋格结构的CAD模型，然后将CAD模型转换为CAE面结构模型，获取到旋压机各个部分的参数，根据这些参数建立旋压机的有限元参数化模型，对建立的有限元参数化模型进行有限元的参数优化便可以实现对旋压机的建模优化，最终便可以得到优化后的旋压机结构。通过上述方式实现了通过参数化有限元对旋压机进行设计的目的，提高了旋压机的优化效率和产品性能，达到了提高旋压机的产品性能的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的旋压机的建模方法的一种流程图；

图2是本发明实施例的旋压机在不同工况下的示意图；

图3是本发明实施例的旋压机的建模装置的结构框图；

图4是本发明实施例的旋压机的建模装置的具体实例的结构框图；

图5是本发明实施例的旋压机的CAD模型示意图；

图6是本发明实施例的旋压机的CAE面结构模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供了一种旋压机的建模方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤101：通过拓扑优化得到旋压机的CAD模型，其中，所述CAD模型中绘制旋压机中多个零件的结构和旋压机的空洞筋格结构；

步骤102：将上述CAD模型转换为参数化的CAE面结构模型；

步骤103：通过上述参数化的CAE面结构模型的参数，建立旋压机的有限元参数化模型；

步骤104：对上述有限元参数化模型进行参数优化，得到优化后的旋压机结构。

在上述实施方式中，通过拓扑优化得到绘制有旋压机中各个零件的结构和旋压机自身的空洞筋格结构的CAD模型，然后将CAD模型转换为CAE面结构模型，获取到旋压机各个部分的参数，根据这些参数建立旋压机的有限元参数化模型，对建立的有限元参数化模型进行有限元的参数优化便可以实现对旋压机的建模优化，最终便可以得到优化后的旋压机结构。通过上述方式实现了通过参数化有限元对旋压机进行设计的目的，提高了旋压机的优化效率和产品性能。

在上述步骤102中，将CAD模型转换为CAE面结构模型，转换得到的参数化的CAE面结构模型的参数可以包括以下至少之一：多个零件中各个零件的外形尺寸参数、所述多个零件中各个零件的厚度参数、所述多个零件中各个零件之间的连接关系、所述旋压机的空洞筋格结构的结构参数。其中，CAE面结构模型的参数就是在CAD模型到CAE面结构参数化模型转换的过程是将CAD模型转换为由一个个面组成的CAE模型，其中的CAE面结构模型的参数就是指代这一个个面所对应的参数。即，获得的参数化的CAE面结构模型是通过一个个参数来描述旋压机的结构的。然而，上述所列举的参数仅是CAE面结构模型所对应的旋压机的参数的一个示例并不构成对本发明实施例的不当限定，CAE面结构模型的参数中还可以有旋压机的其它参数，在此不再一一说明。

在上述步骤101中，可以通过以下方式得到旋压机的CAD模型：

1）对多种工况下的旋压机的初始结构进行材料密度拓扑优化，使材料向旋压机的一个或多个位置转移，在旋压机的内部形成空洞，以形成对应于多种工况的空洞模型；

2）通过概率模型拓扑优化，对多种工况的空洞模型进行分析，得到所述旋压机的CAD模型。

也就是说，先对旋压机的初始结构进行材料密度优化，使得材料流向旋压机结构中的关键部分，那么材料流走的部分就会形成一个个空洞，最终可以得到旋压机在不同工况下的空洞模型。同时，考虑到旋压机在旋压的过程中存在多种工况，例如可能存在如图2所示的从左到右的三种工况，旋轮在不同高度承受旋压力，每种工况发生的概率也是不同的，每种工况下都会产生不同的拓扑优化材料密度分布。为了使得旋压机的结构可以满足每一种工况的需求，可以先获得旋压机在各个工况下的空洞模型，然后通过概率模型拓扑优化，提供针对不同工况发生概率的多种材料分布，最后通过综合评价得到结构最佳材料分布规律。在实施时，上述的概率模型拓扑优化的程序可以是在ANSYS的基础上开发的。

上述步骤102：将所述CAD模型转换为参数化的CAE面结构模型，在具体实施时，可以是通过设计的CAD/CAE集成***自动完成的，该CAD/CAE集成***基于知识的快速分析设计，整合了关于旋压机设计的诸多考虑因素，例如：旋压机的设计原理、旋压机的较优设计方案或较优设计参数等，通过调用CAD/CAE集成***中存储的旋压机的参数信息对CAD模型进行转换以形成参数化的CAE面结构模型。在一个实施例中，将CAD模型转换为参数化的CAE面结构模型可以包括：根据以下至少之一的信息对所述CAD模型进行分析，得到参数化的CAE面结构模型：旋压机的结构信息、旋压机的设计参数、旋压机的设计理论、及旋压机设计过程中的经验信息。值得注意的是上面所列举的信息类型仅仅是CAD模型进行转换的信息的一个示例，本发明不限于此，还可以采用其它的旋压机的相关信息进行CAD模型分析，在此不再赘述。

为了使得在不增加材料用量的条件下，通过参数优化使旋压机的产品性能达到最佳状态，可以先计算出旋压机中各个零件以及空洞筋格结构的形状参数和物理特性参数，然后采用形质灵敏度参数优化，和/或频质灵敏度参数优化方式对有限元参数化模型进行参数优化。通过上述方式控制旋压机结构质量的上下波动，在变形极小化的目标控制下使得结构参数不断发生变化，最终在重量不变的情况下提升旋压机的产品性能。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种旋压机的建模装置，如下面的实施例所述。由于旋压机的建模装置解决问题的原理与旋压机的建模方法相似，因此旋压机的建模装置的实施可以参见旋压机的建模方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图3是本发明实施例的旋压机的建模装置的一种结构框图，如图3所示，包括：获取单元301、转换单元302、建立单元303、处理单元304，下面对该结构进行说明。

获取单元301，用于通过拓扑优化得到旋压机的CAD模型，其中，所述CAD模型中绘制旋压机中多个零件的结构和旋压机的空洞筋格结构；

转换单元302，用于将所述CAD模型转换为参数化的CAE面结构模型；

建立单元303，用于通过所述参数化的CAE面结构模型的参数，建立旋压机的有限元参数化模型；

处理单元304，用于对所述有限元参数化模型进行参数优化，得到优化后的旋压机结构。

在一个实施方式中，上述参数化的CAE面结构模型对应的参数可以包括但不限于以下至少之一：所述多个零件中各个零件的外形尺寸参数、所述多个零件中各个零件的厚度参数、所述多个零件中各个零件之间的连接关系，所述旋压机的空洞筋格结构的结构参数。

在一个实施例中，如图4所示：

1）获取单元301可以包括：生成模块401，用于对多种工况下的旋压机的初始结构进行材料密度拓扑优化，使材料向所述旋压机的一个或多个位置转移，在所述旋压机的内部形成空洞，以形成对应于多种工况的空洞模型；分析模块402，用于通过概率模型拓扑优化，对多种工况的空洞模型进行分析，得到所述旋压机的CAD模型。

2）转换单元302具体用于根据以下至少之一的信息对所述CAD模型进行分析，得到参数化的CAE面结构模型：旋压机产品的结构信息、旋压机产品的设计参数、旋压机产品的设计理论、及旋压机产品设计过程中的经验信息。

3）处理单元304包括：第一处理模块403，用于采用形质灵敏度参数优化方式对所述有限元参数化模型进行参数优化得到优化后的旋压机结构；和/或第二处理模块404，用于采用频质灵敏度参数优化方式对所述有限元参数化模型进行参数优化得到优化后的旋压机结构。

下面结合一个具体的实施例对本发明实施例上述的旋压机的建模方法和装置进行说明，在本例中以大型立式强力旋压机作为旋压机的一个具体示例。

针对大型立式强力旋压机的建模过程，将知识工程与CAD和CAE技术集成起来，例如可以是将Unigraphics NX和Ansys这两个常用的绘图和分析软件平台进行整合以及流程再造，从而开发出基于知识的CAD/CAE集成***，实现了旋压机从概念设计阶段到全参数性能优化阶段的自动化程序化控制。

在大型立式强力旋压机的设计过程中，首先通过拓扑优化技术得到如图5所示的主要零件的外观结构和空洞筋格结构，CAD模型到CAE面结构模型的转换可以通过CAD/CAE集成***自动完成。在实施时，该CAD/CAE集成***可以由以下3层结构组成：

1）处于最底层的基础层，基础层由CAD平台和CAE平台构成，CAD设计环境可以选用Unigraphics NX软件，CAE分析环境可以选用ANSYS软件；

2）处于第二层的支撑层，支撑层主要包括：旋压机设计知识库、旋压机分析知识库、旋压机分析载荷库、旋压机参数化产品库。作为***的数据库支撑环境，需要对CAD/CAE***进行二次开发，将专家知识和经验数据集成到CAD/CAE***中最终形成CAD/CAE集成***。其中，CAD开发工具可以使用UG/Open、UG/Open++API、UG/KF、UG高级装配、UG/WAVE等，CAE软件的二次开发工具可以使用ANSYS APDL开发语言；

3）处于最上层的应用层，应用层的主要作用是为设计人员提供CAD设计环境和CAE分析环境。其中，CAD设计环境可以由：参数预设值模块、CAD模型简化模块、CAE模型生成模块、材料特性设置模块、网格划分设置模块、载荷施加设置模块组成；CAE分析环境可以由结构静强度分析、结构模态分析、拓扑优化分析、瞬态动力分析等组成，应用层面向的是用户。

在通过上述CAD/CAE集成***进行模型转化的过程中，CAD/CAE集成***首先需要对旋压机模型的每个零件进行分析，提取旋压机模型的中面（即，确定旋压机的参考面）并以参考面为中心记录各个零件的外形尺寸及厚度参数等形成旋压机设计知识库的一部分。随着被分析产品的增加，设计知识库的内容是动态变化的，根据设计知识库中的信息可以最终自动形成如图6所示的参数化的CAE面结构模型。对转换而来的面结构模型参数进行归纳，将其定义为：外形尺寸参数（形状参数）和厚度参数（物性参数），旋压机通过400多个参数就可以完全被控制。在实施过程中，可以借助于ANSYS/APDL开发建立参数输入模块，通过菜单的形式输入参数以便最终完成有限元参数化模型的快速建立。

在进行旋压机设计的过程中，一般旋压机要完成的工艺过程以及工况条件是明确的，然而整体框架采用什么样的形式在设计初期是处于模糊状态的，设计员仅仅有一个大体的概念。一般设计员所采用的方式是先确定近似的原始结构，然后得到一些中间方案，然后进行多次专家级讨论评审，并进行手工计算和较简单的计算机演算得到最终的可行设计方案。这种旋压机的设计过程没有精确的计算，评价基础一般都是人为的经验和人为对参数的调整和实验，所设计出的方案的参数显然是不精确的。通过本发明实施例的上述方式就可以获取有限元参数化模型，并可以对获取的有限元参数化模型进行分析，以实现对旋压机的精确设计。

对有限元参数化模型进行参数优化的目的在于：在不增加材料用量的条件下，通过参数优化使旋压机的产品性能达到最佳状态。在有限元参数化模型的基础上，可以采用例如形质灵敏度参数优化方法进行优化，即，通过控制旋压机的结构质量上下波动，在变形极小化的情况先使得旋压机的结构参数不断发生变化，最终产生重量不变但是性能更优的旋压机的新结构，从而极大地提高了旋压机的优化效率和产品性能。通过有针对性的参数修改，可以实现装备的整体优化处理，既完善了装备的结构，又提高了装备本身的刚性，同时可以有效节能节材。

本例的旋压机建模中，针对旋压机内部零部件多，而且部件之间的连接关系复杂的问题，通过CAD/CAE集成***实现由CAD模型到CAE面结构模型的快速建模，然后通过有限元参数模型的参数优化方式对旋压机的模型参数进行修改，来对旋压机的结构进行设计，有效提高了有限元分析的应用范围，同时也提高了旋压机在产品设计过程的性能，从根本上缩短旋压机的研发周期。在有限元分析的过程中对旋压机中各个零件的厚度参数和空洞筋格结构的结构参数进行优化极大地提高了材料的利用率，降低了旋压机整机的重量。

在另外一个实施例中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施方式中描述的技术方案。

在另外一个实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：通过拓扑优化得到绘制有旋压机中各个零件的结构和旋压机自身的空洞筋格结构的CAD模型，然后将CAD模型转换为CAE面结构模型，获取到旋压机各个部分的参数，根据这些参数建立旋压机的有限元参数化模型，对建立的有限元参数化模型进行有限元的参数优化便可以实现对旋压机的建模优化，最终便可以得到优化后的旋压机结构。通过上述方式实现了通过参数化有限元对旋压机进行设计的目的，提高了旋压机的优化效率和产品性能。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋压机的建模方法，其特征在于，包括：

通过拓扑优化得到旋压机的计算机辅助设计CAD模型，其中，所述CAD模型中绘制旋压机中多个零件的结构和旋压机的空洞筋格结构；

将所述CAD模型转换为参数化的计算机辅助工程CAE面结构模型；

通过所述参数化的CAE面结构模型的参数，建立所述旋压机的有限元参数化模型；

对所述有限元参数化模型进行参数优化，得到优化后的旋压机结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数化的CAE面结构模型的参数，包括以下至少之一：所述多个零件中各个零件的外形尺寸参数、所述多个零件中各个零件的厚度参数、所述多个零件中各个零件之间的连接关系、所述旋压机的空洞筋格结构的结构参数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述拓扑优化方式得到所述旋压机的CAD模型包括：

对多种工况下的旋压机的初始结构进行材料密度拓扑优化，使材料向所述旋压机的一个或多个位置转移，在所述旋压机的内部形成空洞，以形成多种工况的空洞模型；

通过概率模型拓扑优化，对多种工况的空洞模型进行分析，得到所述旋压机的CAD模型。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述CAD模型转换为参数化的CAE面结构模型包括：

根据以下至少之一的信息对所述CAD模型进行分析，得到参数化的CAE面结构模型：旋压机的结构信息、旋压机的设计参数、旋压机的设计理论、及旋压机设计过程中的经验信息。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述参数优化包括：形质灵敏度参数优化，和/或频质灵敏度参数优化。

6.一种旋压机的建模装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于通过拓扑优化得到旋压机的CAD模型，其中，所述CAD模型中绘制旋压机中多个零件的结构和旋压机的空洞筋格结构；

转换单元，用于将所述CAD模型转换为参数化的CAE面结构模型；

建立单元，用于通过所述参数化的CAE面结构模型的参数，建立所述旋压机的有限元参数化模型；

处理单元，用于对所述有限元参数化模型进行参数优化，得到优化后的旋压机结构。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述参数化的CAE面结构模型的参数包括以下至少之一：所述多个零件中各个零件的外形尺寸参数、所述多个零件中各个零件的厚度参数、所述多个零件中各个零件之间的连接关系，所述旋压机的空洞筋格结构的结构参数。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取单元包括：

生成模块，用于对多种工况下的旋压机的初始结构进行材料密度拓扑优化，使材料向所述旋压机的一个或多个位置转移，在所述旋压机的内部形成空洞，以形成多种工况的空洞模型；

分析模块，用于通过概率模型拓扑优化，对多种工况的空洞模型进行分析，得到所述旋压机的CAD模型。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，转换单元具体用于：

根据以下至少之一的信息对所述CAD模型进行分析，得到参数化的CAE面结构模型：旋压机的结构信息、旋压机的设计参数、旋压机的设计理论、及旋压机设计过程中的经验信息。

10.如权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括：

第一处理模块，用于采用形质灵敏度参数优化方式对所述有限元参数化模型进行参数优化得到优化后的旋压机结构；和/或

第二处理模块，用于采用频质灵敏度参数优化方式对所述有限元参数化模型进行参数优化得到优化后的旋压机结构。

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