（机械制造及其自动化专业论文）整体框架式液压机可适应设计与优化系统研究.pdf

摘要 可适应设计是一种新的设计模式，它兼顾经济效益和环境效益。可适应设计 的根本思想是当境况变化时适应新需求和重用产品与设计的能力。本文结合液压 机制造行业产品变型的多样化特性，在产品平台方法的基础上，将可适应设计的 思想引入到液压机产品的设计中，探讨了构建液压机可适应平台的具体方法和技 术。在此基础上，在通用c a d c a e 软件上二次开发构建专用设计系统，在全参 数化液压机产品平台模型的基础上，可允许按照用户的要求进行快速设计，构建 出新产品模型，并可对设计出的模型进行最优化，在满足性能要求的前提下最大 程度地降低原材料成本。本文的主要研究内容包括： 1 ) 综述了液压机的发展及其设计技术研究现状：阐述了可适应设计的基本 概念及可适应设计相关技术的研究现状，提出了本课题的研究内容和意义。 2 ) 研究了液压机产品可适应平台的构建原理，分析了基于可适应产品平台 的液压机产品开发过程，探讨了液压机可适应设计的关键技术，并且构建了面向 液压机产品族优化设计的数学模型及其评价模型。 3 ) 构建了整体框架式液压机可适应设计平台。针对整体框架式液压机的结 构特点，对整体框架式液压机进行产品族规划，提出了整体框架式液压机机身柔 性模块的划分方案，创建了从板材、元结构、模块到整机的四个层次的参数化模 型，提取了柔性模块的结构构型模式，建立了柔性元结构库和柔性板材库，最后 探讨了基于柔性元结构和柔性模块组合拼装的整机结构设计流程。 4 ) 研究了液压机产品平台变量化分析和优化的内容，总结出对可适应平台 进行变量化分析与优化的步骤，并且分别在元结构族与模块族两个层次进行了实 例研究。 5 ) 开发了基于c a d c a e 的液压机可适应设计优化系统。建立了面向产品 族的液压机模块系列编码结构，以实现可适应设计中对柔性模块族、柔性元结构 族的管理，从结构查询，结构变量化驱动，参数化有限元分析与优化三方面详细 介绍了系统的组成与功能。 最后总结了本文的研究工作，得出结论，- 并就进一步的深入研究提出了一些 设想。 关键词：液压机产品平台可适应设计优化 a b s t r a c t a d a p t a b l ed e s i g ni san e wd e s i g nm e t h o dt h a tg i v e sa t t e n t i o nt ot h eb e n e f i t o fe c o n o m ya n de n v i r o n m e n t t h eh y p o s t a s i si st h a ti tc a na d a p tt h en e wn e e d s a n dr e u s ep r o d u c ta n dd e s i g n a i m i n ga tr e s o u r c e ss a v i n gf o rd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n go fh y d r a u l i cp r e s s e sv a r i e t y ，t h ec o n c e p to fa d a p t a b l ed e s i g nf o r h y d r a u l i cp r e s sw a si n t r o d u c e do nt h eb a s eo fp r o d u c tp l a t f o r m s t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h em e t h o d o l o g ya n dt e c h n o l o g yo ft h ec o n s t r u c t i o no fa d a p t a b l e p l a t f o r mf o rh y d r a u l i cp r e s s b a s e do nt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc a d c a e ， t h ep o w e r f u la d a p t a b l ed e s i g ns o f t w a r et o o l sw a si n t r o d u c e d ，w h i c hh a sar a n g e o ff u n c t i o n s ，i n c l u d i n gt h ec r e a t i o no fc o m p l e t e l yp a r a m e t e r i z e d p r o d u c t p l a t f o r mm o d e l s ，a sw e l la st h er a p i di m p l e m e n t a t i o no fc u s t o m e r s p e c i f i c r e q u i r e m e n tb a s e do nt h em o d i f i c a t i o n se x i t i n gs i m i l a rm o d e l s s a t i s f i e da l l r e q u i r e m e n t so fp e r f o r m a n c e ，i tc a na l s oo p t i m i z et h em o d e l st or e d u c et h ec o s t o fm a t e r i a la ss o o na sp o s s i b l e t h em a i nc o n t e x t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) s u m m a r i z e st h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t eo fh y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e s ，a d a p t a b l e d e s i g na n dr e l e v a n tt e c h n o l o g y , a n dp r e s e n t st h er e s e a r c ho b j e c t i v e s ，s t u d y i n g c o n t e n t sa n ds i g n i f i c a n c e 2 ) s t u d i e st h ea d a p t a b l ed e s i g np r i n c i p l e s a n d p r o c e s so nb a s e o f a d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r mf o rf r a m e dh y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e a n dt h e n ， s t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g yf o rt h ec o n s t r u c t i o no fa d a p t a b l ep l a t f o r ma n db u i l d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep r o d u c tp l a t f o r m o p t i m i z a t i o nf o rf r a m e d h y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e a tl a s t ，a d a p t a b i l i t ym e a s u r ei s r e s e a r c h e df r o m a d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s 3 ) e s t a b l i s ht h ea d a p t a b l ed e s i g np l a t f o r m f o rf r a m e d h y d r a u l i cp r e s s m a c h i n e a tf i r s t ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ff r a m e dh y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e ， t h ep r o d u c tf a m i l yi sp l a n n e da n dt h ef o r m a t i o no ff l e x i b l em o d u l ei sp r o p o s e d a n dt h e n , p a r a m e t e r i z e dp r o d u c tm o d e l si n c l u d i n gs t e e lp l a t e s ，u n i ts t r u c t u r e ， m o d u l ea n dt h ew h o l em a c h i n ei se s t a b l i s h e d t h i sc h a p t e ra l s os u m m a r i z e st h e s t r u c t u r e so ff l e x i b l em o d u l ea n db u i l d su n i ts t r u c t u r ed a t e b a s ea n db o a r dd a t e b a s e a tl a s t ，a s s e m b l ym o d e l i n gt e c h n o l o g yo ff l e x i b l em o d u l e sb a s e do nt h ef l e x i b l eu n i t s t r u c t u r ei sd i s c u s s e d n 4 ) s t u d i e st h em a i nc o n t e n to fv a r i a t i o n a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n t h es t e p s o fp l a t f o r md e s i g na r es u m m a r i z e d a tl a s t u n i ts t r u c t u i ep l a t f o r ma n dm o d u l e p l a t f o r ma r ei l l u s t r a t e da se x a m p l e s 5 ) t h er a p i da d a t a b l ed e s i g na n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do nc a d c a ef o r h y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e si sd e v e l o p e d m o d u l ec o d i n gs y s t e mo fh y d r a u l i cp r e s s m a c h i n e sf o rp r o d u c tf a m i l yi se s t a b l i s h e dt om a n a g em o d u l e s t h es t r u c t u r e sa n d f u n c t i o no ft h i ss y s t e ma r ei n t r o d u c e df r o mt h r e ea s p e c t s ：i n q u i r y , s 缸u c t u r ed e s i g n f m i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n f i n a l l y ，as u m m a r yo ft h ew o r ki nt h i sp a p e ri sg i v e n ，s o m ec o n c l u s i o n sa n d a s s u m p t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c ha r ei n v o l v e d k e yw o r d s ：f r a m e dh y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e ，p r o d u c tp l a t f o r m s ，a d a p t a b l e d e s i g n ，o p t i m i z a t i o n n l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：徐锚车 签字日期： 力刁年月f7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：练镛幸 签字日期： 扣。7 年月i7 日 导师签名r 茗承萎 签鞭觏：呻年6 其m 第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百下匕 1 1 液压机的发展与研究现状 1 1 1 液压机的应用领域及发展趋势 液压机【l 。3 】是一种以液体为介质用来传递能量以实现多种压制成型工艺的机 器，作为一种重要的成形机床( 锻压设备) ，是一种以少、无切削加工为基础的工 作母机，在液压机压力的作用下，通过上下模具使被压制材料成形。因此，它既 适用于锻造、冲压、挤压、剪切、弯曲、翻边、校正等典型的锻压塑性成形工艺， 又广泛用于粉末材料、磨料材料、复合材料、绝缘材料、建筑材料等金属材料制 品的压制成型工艺，也可以完成模具研配液态成形等特种锻压成形工艺。 目前液压机【4 】主要应用在下列领域：金属薄板件的冲压拉深成形工艺，主要用 在汽车、家电行业中金属覆盖件的成形加工；金属机械零件的压力成形，主要包 括模压成形、金属型材的挤压成形、冷热模锻、自由锻造等加工工艺；粉末制品 行业，如磁性材料、粉末冶金等；非金属材料的压制成形，如s m c 成型、汽车内饰 件的热压成型、橡胶制品等：木制品的热压成型，比如植物纤维板材、型材的热 压加工；其他应用：如压装、校正、塑封、压印等工艺。 当前液压机技术发展现状，具体表现在【5 ，6 1 ： ( 1 ) 控制系统数控化：采用p l c 和触摸屏及多种机电一体化元件、电子传感 元件，具有较高的灵活性和控制精度，可达到专用c n c 控制系统的功能。 ( 2 ) 运行速度高速化：通过改进液压机的液压系统设计，采用先进可靠的结 构和配套元件，使滑块空程下行和回程速度突破4 0 0 m m s 。 ( 3 ) 生产效率高效化：通过液压机上增设快速换模系统和模具自动加紧装置 更换模具几分钟完成；在液压机上配装各种机械手和环形起重吊车及其它辅助装 置，缩短了辅助操作时间。 ( 4 ) 精度标准国际化：液压机采用高精度的框架结构，按照德国和日本的现 行使用的液压机精度标准进行设计和制造，提高了压制零件的精度。 ( 5 ) 液压系统集成化和比例化：液压系统采用插装元件集成，采用比例泵阀 元件，使结构紧凑、体积小，可大大减少配管数量，减少渗漏。 ( 6 ) 产品大型化：由于超大制件的工艺要求，使液压机的压制吨位和工作台 面向加大方向发展。 第一章绪论 ( 7 ) 产品安全性：为了保护液压机操作者和设备的安全工作，采用双手操作 按钮、光电保护装置、双联液压控制回路、多通道电子控制回路对操作者进行保 护；当液压机不工作时，滑块必须锁紧在上限位置，并与电路联锁，防止下落或 施压，保证在模具空间操作的绝对安全：滑块设有急停超越行程的安全装置以及 多种自动监控装置保证液压机安全。 ( 8 ) 性能复合化：由2 种以上不同系列、不同用途的液压机完成的不同工艺 性能集中在一台产品上构成液压机产品性能复合化。 ( 9 ) 产品成套成线化：采用多台液压机构成的汽车冲压线和多台液压机机器 自动传输装置和上、下料机械手组成的洗衣机箱体自动线。 ( 1 0 ) 可靠性有了提高：通过国家可靠性标准考核。 1 1 2c a d c a e 在液压机行业的应用 随着金属压制和拉伸制品的需求逐年提高，对产品品种的要求也日益增多， 同时，产品的生产批量也逐渐缩小。然而在我国，液压机本体及相关重型机械的 设计水平却不尽人意。国内采用材料力学进行类比的传统设计方法，不仅设计周 期长，其重量往往要比国外同类产品重2 0 ，产品性能也不够理想【7 】。 在我国液压机本体及相关重型机械设计领域，其设计现状可以归结为如下几 占【8 】 、 ( 1 ) 在设计理念上，多数企业仍然停留在类比设计阶段。设计周期长，以牺 牲重量换取可靠性，这导致压机重量及成本远远高于发达国家同等性能的产品。 以粗、老、笨、重为特征的液压机等大型制造设备大大缺乏在国际市场上的竞争 力。而现代设计及分析手段，如有限元分析、结构动态分析等在产品设计中的应 用还很少。 ( 2 ) 在企业内部，对己有设计经验的认真总结及存储还属于个人行为，而企 业对于设计经验、设计风格等方面的积累和统一在认识上还非常不足。这导致企 业难以形成自己的设计规范以及设计风格，设计人员各行其是，没有先进的分析 理论也使得设计过于僵化且设计、分析、制造彼此脱节。 ( 3 ) 多数相关企业，c a d 的应用还处于计算机辅助绘图阶段，我国的机械类 产品的设计中，c a d 还没有达到真正意义上的计算机辅助设计，而只是停留在辅 助绘图的初级应用阶段。设计人员的精力还多集中到绘图上，用在创造性工作诸 如新产品开发以及外观造型上的比重却相当小，企业投资数十万甚至数百万元引 进的三维c a d 系统，如u 1 3 lp r o e ，1 - d e a s 等，取得的效果微乎其微。究其原因是 由于通用软件还远远没有本地化、用户化，设计人员疲于掌握交互式命令，难以 投入正常使用。 2 第一章绪论 而国际发达国家，鉴于液压机生产商之间的激烈国际竞争，在液压机设计中 已经普遍采用计算机辅助设计与仿真手段，例如：能量系统仿真、有限元仿真、 动态特性以及广义多自由度仿真等等，原始的设计仍然由专家完成，而这些仿真 主要集中在对新设计的分析以及设计早期阶段的评估上，这就使得在制造之前， 液压机所能满足的功能要求与其性能便可以得到一定程度的验证，新的设计思 想、设计方法、压力机部件以及新材料己经可以避免用常规试验验证，从而大大 缩短了从设计到交付的周期。对于液压机本体设计而言，已经广泛采用c a d 设计 结合有限元方法进行仿真，从而可以确定液压机结构部件的应力分布和变形情 况，从而可以预测、避免不必要的缺陷及磨损，同时也实现了结构的合理布局， 大大减轻了液压机本体的重量 9 1 。 1 1 3 液压机的相关研究现状 近年来随着计算机辅助设计与辅助工程的发展，许多院校和研究所对 液压机做了大量研究。 文献“o 】通过对比液压机机身侧板建立力学模型进行了有限元计算，并对理论 计算与有限元分析的结果进行了对比，验证了初步设计方案的可行性；文献【l l 】 利用a n s y s 软件对某c 型压机机身建立实体模型，并进行强度与角刚度分析，获 得了在满载工况下整个机身的应力和角变形的分布规律，为其进行结构优化设计 提供了重要的数据；文献【1 2 】以框式液压机上横梁的应力分析为例，在进行系列化 产品结构设计及其优化设计时，将参数化设计引入到有限元结构分析中，实现结 构参数快速调整，自动生成分析模型并完成结构分析过程；文酬”】对r z u 8 0 0 h a 和y h 2 0 2 0 0 液压机按照不同的工况对机身加载，进行了强度和刚度的有限元计 算，在此基础上进行结构优化，并设计出一种新型的无腹板结构的单柱机身；文 献【l4 】采用有限元法对液压机中的主液压缸、横梁和立柱进行结构设计，得到了详 细的应力、应变分布云图及应力集中和最大变形的位置，并根据分析结果优化设 计方案，重新进行数值模拟；文献l ”j 应用c a d c a e c 蝴集成软件i d e a s 对某 型液压机工作台和上横梁在工作情况下的应力和变形进行了分析研究；文献【l 6 】 提出利用结构优化设计方法对横梁进行结构设计，并对其中的一些关键理论和技 术进行了研究，包括横梁结构的有限元分析、优化方法选择、灵敏度分析和结构 中分析等；文献【l 刀采用有限元法对6 3 0 t 液压机工作缸进行结构设计，得到了缸体 内压按1 0 0 次分的频率在4 - - 3 1 5 m p a 之间变化时一个周期内的应力分布云图及 应力集中位置，并用第三强度理论对工作缸进行了强度评价；文献( 18 】运用有限元 分析软件对双柱下拉式快锻液压机进行了模态分析，得到了机架的前十阶固有频 率和相应的固有振型；文献【1 9 】使用i d e a s 软件对h n r 2 7 6 3 0 液压机的上横梁等主 第一章绪论 要部件进行静态有限元分析，得到应力和应变分布云图；对机身整体框架进行模 态分析，求解固有频率和振型；根据分析结果进行强度胶合和结构优化；文献 2 0 】 以3 0 0 吨三缸四柱墙板液压成型机上横梁作为优化对象，在对其进行合理简化并 进行静力分析的基础上确定优化变量构建参数化模型进行优化求解，并通过网格 细分验证了分析结果的可靠性。 文献【2 l 】阐述了在m d t 环境下，开发基于模板的液压机身三维快速设计模块 的基本方法和关键技术，以及使用控制程序对设计、修改过程进行全面控制的原 理和实现途径，并介绍了模板的调用方法；文献 2 2 1 在分析柔性模块化产品的设计 推理过程的基础上，提出了一种面向对象的知识库建模方法，将模块视为对象， 并以功能模块、柔性模块、实例模块为基础构成对象层次体系，以对象框架语言 描述模块的相关设计知识，组成知识单元，并给出了液压机产品知识库系统的框 架结构；文献【2 3 j 针对液压机用液压缸，在a u t o c a dr 1 4 平台上开发了一套以专 家系统、结构优化、参数化绘图技术为支撑的计算机辅助设计软件，成功解决了 数十种结构和近千种规格液压缸的绘图问题；文献【2 4 1 利用p d m 系统对数据能良 好地集成，有效地传递和可靠地管理等功能，对液压机产品快速开发系统进行了 研究，提出了一种基于p d m 系统的液压机产品快速开发系统，缩短了液压机产 品开发时间；文献【2 5 】针对液压机产品零部件的特点，运行成组技术开发针对企业 的实用性快速工艺设计系统。 北京理工大学潘风文等人针对液压机本体开发了一个c a d 专家系统，将机身 结构及其设计知识组成液压机设计专家知识库【8 】，但作为一个独立的设计专家系 统，它无法实现从系统角度规划产品总体设计。 文献 2 6 - 2 8 1 将柔性化的理念引入到液压机具体的设计领域，提出了一种从产品 数据模型入手的建模方法，研究了工程数据库的相关技术与v b 中的数据库技术， 在需求分析的基础上，分别建立了液压机本体基本技术参数数据库与设计数据 库，并实现了与主控程序的连接。 天津大学产品设计与制造研究所数年来对液压机进行了大量研究工作。文献 田j 在研究液压机等大型机械产品结构特点的基础上，提出基于模板模块的广义模 块化设计方法，研究了实现结构模板化的两个基本内容：结构的参数化和变量优 化分析，并建立了液压机广义模块化设计系统，；文酬7 】采用以结构模板为基础 的模块化设计，解决了传统模块化设计中模块结构相对固定，缺乏柔性的问题， 实现了模块对用户需求的广泛适应，使计算机辅助设计应用到液压机设计的全过 程，加快了设计进程，提高了设计的可靠性；文献【3 0 】针对液压机设计的目标和机 械特性的要求，提出基于设计知识和结构优化的液压机柔性模块化设计的参数化 设计、变量化分析和准静态分析的方法，并结合知识工程( k b e ) ，研究了以柔性 4 第一章绪论 模块为中心，以其创建和实例生成为主要设计手段的液压机产品快速设计方法； 文献【3 i 】采用广义模块化设计方法，对液压机产品族做了详细的规划研究，将产 品族的设计分解为柔性模块的设计，系统地研究了柔性模块的扩展方法，并提出 基于柔性元结构的柔性模块建模方法：文献【3 2 】针对组合框架式和整体框架式液 压机的结构特点将产品族的设计分解为柔性模块或虚拟柔性模块的设计， 对其产品族、柔性模块族和虚拟柔性模块族分别进行了详细规划，开发了 面向产品族的液压机广义模块化快速设计系统。 文献【3 3 】提出了一种用于测量压力机刚度的新方法，该方法包含压力机框架的 水平和垂直方向的独立载荷，载荷能够偏心定位，以测量扭转刚度；设计了两种 加载装置和相应的用于记录压力机变形的测量设备；构建一个6 乘6 阶柔度矩阵表 示压力机刚度。这种方法已经在测量5 0 0 0 k n 框式液压机，1 0 0 0 0 k n 柱式液压机， 1 0 0 0 0 k n 框式机械压力机的刚度中测试过。 1 2 可适应设计研究现状 1 2 1 可适应设计概念 可适应设计【3 4 , 3 5 1 是一个对经济和环境都有效益的设计范例。在产品结构设计 最新发展和进展的基础上，可适应设计的理念最早由e g u 教授提出：可适应设计 是这样一种方法，它通过适应设计和产品满足新的需要，来获得经济和环境效益： 新技术、新的客户需求、新的市场机会、新的政府法规、新的挑战和竞争。可适 应设计背后的哲理是一种适应新需求并且当环境变化时重用产品和设计( 例如， 用带一套附件或附加装置的一个可适应产品替换多样性产品) 的能力。可适应能 力在时间上延长了产品的服务，或者扩展产品进入其他应用。无论在哪里，可适 应性都被证明比可再用性更加优越，因为它可以使用所需的绝大部分部件，而后 者则在产品供应链的早期阶段就要回收材料并重新制造。 1 2 2 可适应设计研究现状 可适应设计是新提出的产品设计的先进理念，正处于研究发展阶段。e g u 教授在文章【3 5 】中详细讨论了可适应设计的概念、原理、方法以及可适应设计评价 等。文献【3 6 1 研究了实现产品可适应性的指导过程，包括可适应平台设计、可适应 模块化设计、可适应接口设计和详细设计。 天津大学产品设计与制造研究所也是从事可适应设计研究机构。在文献 3 7 】 中提出了一种新的产品族可适应度评价方法，并确定了重用设计和可适应度的四 第一章绪论 个因素：产品总体布局、截面形式、筋板布局元结构和筋板，并将可适应设计简 介陈述为可适应边界下的可适应平台设计。文献【3 8 】提出了可适应性的三种类型： 产品可适应性、设计可适应性和制造可适应性，并分析了产品平台的四种类型： 广义平台、工艺和制造平台、标准部件平台和模块化平台，提出了五种可适应接 口类型：机械接口、能量接口、电气接口、固件驱动接口和软件接口。文献【”】【4 0 】 在研究了可适应设计一般方法的基础上针对管道喷涂机和箱体喷涂机的具体情 况进行了模块划分、平台构造、模块模型创建，并进行了总线接口的创建技术研 究，在此基础上完成了计算机辅助喷涂机可适应设计系统开发工作。 文献【4 l 】将可适应设计的思想引入到机电产品的设计中，探讨了一般的可适应 设计哲理和方法在旋压切割机设计的具体应用，在研究了可适应设计一般过程的 基础上细致探讨了旋压切割机的可适应设计过程，并对旋压切割机进行了功能分 析、模块划分、平台构建和产品族可适应评价工作。 1 3 可适应设计相关技术研究现状 1 3 1 模块化设计 模块化设计【4 2 】的设计理念是在生产部门希望快速响应市场，同时降低产品开 发成本，缩短设计周期的要求下提出的。其基本思想是以有限的模块组成多样的 产品，达到既要满足用户对产品的个性需求，又保证批量生产从而降低成本的目 的。模块化是一种思想，也是产品设计和制造的技术。 一般可以这样理解：综合考虑系统对象，把系统功能分解成不同用途和性能 的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设计新模块) 迅速组成满足 不同要求的系统的一种方法。它强调的是部件级的通用，在模块化设计中，同一 功能单元不是单一的部件，而是由若干可互换的模块组成，同一功能的模块可在 基型、变型，甚至跨系列、跨类产品上使用，这种模块的通用性是通过对产品系 列进行分析，依照功能、结构相关性划分组件实现的。模块化设计是一种自顶向 下的设计，它强调在系统整体分析的基础上，产品的设计过程是对功能分析，模 块的概念选择与组合，由此完成产品设计的概念阶段的设计，然后再进行产品的 各部分详细设计的工作。 1 模块划分的研究 模块划分【4 3 朋】是模块化设计的前提和基础。模块划分是否合理，直接影响模 块化系统的功能、性能和成本。综合当前模块划分的研究，大致有以下途径。 1 ) 系统化的途径。其目的在从程序上对模块化的实施进行指导。 6 第一章绪论 2 ) 综合考虑全生命周期中模块化影响的模块划分。首先确定全生命周期中 模块化的影响因素，建立模块识别矩阵，确定各功能载体对各因素的影响程度， 据此对各功能载体进行聚类。 3 ) 基于相关程度的划分。通过分析组成产品的各零部件( 功能) 之间在材料、 能量、信息、空间等各方面的相互作用程度，确定模块的划分。 4 ) 技术与经济因素相结合的模块划分。，： 2 模块组合理论的研究 “i 前苏联学者证明【4 5 1 ，在模块组合时，对所有可能组合的每个方案进行简单枚举是 不可行的。它们使用有向图来表示机床的布局结构，用图的顶点表示模块，顶点 之间的边连接表示模块之间的装配关系；把机床划分为动力部分和安装部分，分 别用两个子图表示，通过对子图上始点与终点间路径的分析确定可能的组合。 1 3 2 产品平台设计 在给定的产品族内，从产品到产品，一组保持不变的特征、部件或子系统的 集合构成产品平台。 产品平台技术的研究内容涉及到了产品平台设计过程的多个方面，其中研究 比较集中的是基于产品平台的产品族的规划及产品平台的构建这两个方面。 基于产品平台的产品族规划不同于模块规划，t i m o t h yw s i m p s o n ，j o n a t h a n 1 l a m a i e r i 删等人指出，面向产品族的产品平台规划策略可以分为两种类型，即 自项向下法和自底向上法，并重点对自顶向下法的规划过程进行了研究。 自项向下法是针对新产品开发的规划方法，它从分析市场客户的需求数据 入手，在此基础之上确定产品的功能、特性，再把这些产品的功能、特性转化为 用共用产品平台和不同功能模块来表达的框架结构。 在基于产品平台的产品族设计中，产品平台的构建是研究的热点。产品平台 是否合理不仅关系到和它连接的其它专用模块的划分和设计而且也关系到整个 产品族是否能够适应市场的需求并有一定的改进空间和更新能力。 目前，解决这一问题的方法较多的是根据实际情况或已有的条件建立优化数 学模型，然后采用一定的求解算法进行计算得出产品平台的设计参数，再依据约 束条件对平台进行详细设计。 1 3 3 公理化设计 公理化设计 4 7 1 是美国麻省理工学院( m i t ) n a mr s u h 教授于1 9 9 0 在( ( t h e p r i n c i p l e so f d e s i g n ) ) 一书中正式提出的。公理化设计理论是设计领域内的科学 准则，能指导设计者在设计过程中做出正确的决策，为创新设计或改善已有的设 7 第一章绪论 计提供良好的思维方法。 公理化设计将设计过程分为四个域，即用户域( c u s t o m e rd o m a i n ) 、功能域 ( f u n c t i o n a ld o m a i n ) 、结构域( p h y s i c a ld o m a i n ) 和i 艺域( p r o c e s sd o m a i n ) 。域的结 构及域间的关系如图1 所示。相邻的两个域中，左边的域是“要达到什么目标 ( w h a t ) ”，而右边的域是“选择什么方法来实现左边域的要求( h o w ) ”。 图1 1 域的结构及域间的关系 公理化设计理论中产品的设计过程是一个自顶向下的过程，顶层概念设计形 成的框架必须经过逐层曲折分解直至设计细节。在分解和映射的过程中，要做出 正确的决策必须遵循两个基本公理，即独立性公理和信息公理： 独立性公理：是指保持功能要求的独立性，即在功能域中每一层分解得到的 功能要求集 f g 中的元素要相互独立。 信息公理：是指在满足独立性公理的条件下，信息量最小的设计是最优设计。 优化设计和可靠性设计都可看成是公理化设计中的一个具体的功能要求 f r ，如重量最轻、体积最小、可靠性要求高等，根据此功能要求来建立功能域 到结构域的映射和分解。在从f r 到d p 的映射时，也应符合功能要求独立性公 理和信息量最小公理。 1 3 4 可适应评价 对于给定的设计任务、功能要求和约束，可以有多个不同的设计方案，此时 应该选择一个最佳的方案进行详细设计，这就需要对这些方案进行评价。 文章【4 8 】探讨了机械产品设计过程中的评价方法，比较常用的有技术经 济评价法、价值工程方法、形态学矩阵法、层次分析法、模糊综合评价法等，分 析了它们的特点与不足之处强调评价决策方法在产品设计中的重要性。 对于可适应设计的评价，p g u 在文章1 35 】中提出以产品的制造设计成本来评 价产品可适应性的大小。他认为任何一个行为都是为了实现一个目标，而这个行 为又包含成本。很显然，成本必须最小化，其成本( 总成本) 不仅指设计中的资源 消耗，而且包括适应已有产品的工程行为。并且这篇文章中提出了已有产品或者 某个设计的可适应性的计算方法，认为产品设计可适应性a ( p ) 与适应任务的可 适应性因素a f ( t p i ) 及任务的实现概率p r ( t p i ) 成正比，即： 第一章绪论 彳( 尸) = 2p r ( t p i ) a f ( t p f ) 百 文献【4 l 】先提出了以经济为指标的基于可适应设计产品族可适应度度量方法， 其研究的主要内容包括：可适应度分类、可适应度的影响分析、可适应度的评价 等；而后有从技术性能方面研究了两种可适应性评价和度量方法：基于性能综合 的绝对适应度和基于改进度和重用度的相对适应度。应用绝对适应度对旋压切割 机在多种工况下的总体布局进行了优选。应用相对适应度对切割机的各种改进方 案进行了评价和优选。 1 3 5 计算机辅助模块化设计 计算机辅助模块化设计【4 9 ，5 是建立在一定类型产品的功能模型、功能与模块 映射模型、模块数据模型、模块创建模型、基于模块的产品模型的基础上，形成 的具有模块管理、模块模型的建立、产品模型的建立等功能，以实现利用相对简 单的模块快速组成特定复杂产品的要求的设计方法。计算机辅助模块化设计，用 计算机取代了传统模块化设计中大量烦琐、复杂的手工劳动，提高了设计效率。 计算机辅助模块化设计过程实际上是二个分阶段、分层次、逐步逼近解答方 案并逐步完善的过程。它体现了设计中从抽象到具体、从局部到全局、反复循环 的规律。计算机辅助模块化设计同样遵循这一规律，它包括根据用户需求分析进 行模块化产品方案设计、模块及产品的详细设计、零件的加工和产品的装配等环 节。其中各环节之间又存在着反复循环、不断完善的并行关系。计算机辅助模块 化设计的一般过程如图1 2 所示。 图l 一2 计算机辅助模块化设计一般过程 文献1 4 9 1 研究了将计算机辅助模块化设计技术应用于加工中心类模块化机床 的问题，建立了计算机辅助模块化方案设计系统的总体框架。阐述了功能分析在 模块化设计中的重要作用，探讨了模块形成机理。 文献【5 中阐述了计算机辅助模块设计技术在数控机床和液压机床上的应用 9 第一章绪论 案例，设计了辅助设计系统，提出发展计算机辅助模块化设计的基本策略，并阐 述了基于超图的模块、平台识别原理。 1 4 机械结构优化技术研究现状 在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些 可变的设计变量，使产品的指标和性能达到预定的目标，就是优化设计方法【5 2 1 。 随着计算机以及计算技术的发展，优化设计方法已经深入到各个设计领域， 均为保证产品质量、提高产品性能、节省原材料消耗以及降低成本发挥了积极作 用，产生了巨大的社会和经济效益。 文献p 3 】介绍了结构拓扑优化设计的发展过程和主要的数学模型，描述了优化 准则法、序列线性规划法和移动渐进线法三种常用的优化算法，举例说明了拓扑 优化设计在静态结构、动态特性和柔性机构设计中的应用：文献 5 4 】介绍了稳健优 化设计的基本概念和方法，综述了它的研究现状，分析了各种稳健设计方法的特 点，指出了稳健优化设计的发展趋势：文献 5 5 】在分析国内外复杂产品一体化优化 设计研究现状的基础上，基于c s 模式提出了一种支持复杂产品一体化设计的优 化框架体系结构，该优化框架包括两方面的关键技术：包装器集成技术和混合遗 传算法，异构应用首先按照接口规范包装后形成可发布的共享组件，便于构建一 体化设计过程，在此基础上，通过混合遗传算法等辅助设计人员进行优化计算； 文献1 5 6 】将有限元技术和工程优化技术结合起来，并应用到模锻工艺和模具设计过 程中，可提高设计的效率和锻件的质量，首先介绍了锻造成形过程的优化目标函 数，接着阐述了基于有限元分析的优化方法中最具代表性的两种方法一基于灵 敏度分析的优化方法和基于目标函数值的拟合优化方法，并说明了它们的基本原 理，系统全面地论述了基于有限元分析的锻模优化设计技术的研究现状，总结了 各种优化方法的优缺点并指出了未来的研究方向。 但是，对大型复杂的结构件设计，优化设计方法并未真正发挥效益，主要有 以下几方面的问题 5 7 , 5 8 1 ： 1 ) 有限元方法前处理系统与图形c a d 系统没有公共的数据平台，c a d 系 统中的几何造型、参数造型、特征造型等还不能与结构优化系统实现无缝联接； 2 ) 有限元优化设计方法很多，也有不少适合于特定数学模型的优化求解软 件包，但由于工程实际问题的多变性、数学模型的复杂性、设计中可行域确定难 度较大，使得实际工程中对于同数学模型选用不同的初始设计方案以及不同的 寻优方法，可能得到不同的计算结果。这样，由工程对象建立数学模型，确定寻 优策略、选择合适的初始设计方案、评价计算结果等等问题，直接影响着优化设 1 0 第一章绪论 计方法的推广应用； 3 ) 采用有限元方法分析结构，使得形状设计变量与有限元计算模型的关系 更加复杂，变量同刚度矩阵通常不是线性关系，形状优化问题的非线性程度较高， 而且通常要处理应力极小化这种非线性可微的优化问题，给求解算法带来困难； 4 ) 结构形状变化会影响载荷和边界支撑条件，现在还没有适应各种变化的 自动处理模式，且由于多种类型的单元、设计变量和连续体应力等约束函数所产 生的形状灵敏度分析在公式推导和程序设计中很复杂，加大了工程应用的难度。 随着功能强大的图形c a d 软件包的商品化以及人工智能技术的发展和应 用，结构优化设计软件已由单纯对设计变量的求解向c a d c a e 一体化方向发 展，出现了结构设计专家系统，其知识库中包括了用于建立有限元模型、确定优 化求解搜索策略、帮助选择参数( 如收敛精度) 等诸多方面的知识，并为用户把优 化问题转化为规范的代数表达式、定义优化模型、定义约束类型和约束值、确定 设计变量之间的关系、选择优化算法等起着引导作用。 1 5 课题的提出和研究内容 1 5 1 课题的提出和意义 在当今液压机产品设计中，由于客户化要求的多样化，致使非标准专用产 品所占的比重越来越大。传统方法通常是用设计规则保证性能要求，既缺乏对设 计结果合理性的验证，又无法保证设计效率，致使企业失去了及时占领市场的商 机。因此，如何将产品设计知识、c a d 建模、c a e 分析方法与可适应设计技术 相融合，是解决其液压机可适应设计的关键。整体框架式液压机可适应设计优化 系统具有如下优点和意义： ( 1 ) 采用先进的s o l i d w o r k 软件可实现三维实体设计，捕捉设计意图， 快速得到产品几何模型。 ( 2 ) 借助a n s y s 软件提供的强大分析功能，对模型进行有限元分析，即可 得到任意结点的应力、应变情况，从而为优化结构布局提供可靠依据。 1 5 2 课题研究内容 本文针对整体框架式液压机的具体特点应用了基于产品平台和可适应设计 的一般方法，对整体框架式液压机的可适应设计原理、柔性元结构的划分、产品 平台构建、平台优化、方案评价技术进行了系统讨论，在此基础上开发了计算机 辅助的整体框架式液压机可适应设计与优化系统。 第一章绪论 本文内容安排如下： 第一章：绪论。介绍了本课题的研究意义和背景。首先介绍了液压机的发 展以及研究现状；接着阐述了可适应设计的基本概念和可适应设计相关技术的研 究现状；分析了机械结构优化技术研究现状，最后阐述了本课题的研究内容。 第二章：面向液压机产品的可适应设计与优化基本原理。介绍了面向产品 族的可适应设计概念和基本原理，分析了基于可适应产品平台的液压机产品开发 过程，探讨了液压机可适应设计的关键技术，最后是产品族优化设计与评价标准。 第三章：整体框架式液压机可适应平台的构建。首先对液压机产品族进行 规划，然后提出了整体框架式液压机柔性模块的划分方案，创建了分层的参数化 信息模型，提取了模块的结构构型模式，建立了元结构库和板材库，最后介绍了 液压机柔性模块的创建方法和基于柔性模块组合拼装的整机设计。 第四章：可适应平台的变量化分析与优化。首先介绍了平台变量化分析和 优化的内容，然后介绍了对平台评价的方法，最后分别在元结构平台与模块平台 进行了实例研究。 第五章：基于c a