橡膠機械的數(shù)字化功能樣機技術(shù)
時間:2005-06-28
橡膠機械是橡膠產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。先進的橡膠機械為發(fā)展橡膠工業(yè)提供了所需的先進工藝設(shè)備，它的開發(fā)和設(shè)計是發(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)革命的進一步深化和市場對橡膠產(chǎn)品的高品質(zhì)要求，最優(yōu)化設(shè)計和快速設(shè)計成為橡膠機械現(xiàn)代化設(shè)計的基本要求。數(shù)字化技術(shù)為此提供了良好的解決方案，因此，開展橡膠硫化機現(xiàn)代化設(shè)計和制造技術(shù)研究勢在必行。橡膠硫化機的數(shù)字化設(shè)計與制造是橡膠工業(yè)現(xiàn)代化和科學技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
一、數(shù)字化功能樣機技術(shù)
現(xiàn)代先進的橡膠機械系統(tǒng)通常都是由機械、電子、軟件及控制等多個子系統(tǒng)組成的復雜系統(tǒng)，其新型號研制往往涉及多學科、多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，是一項復雜的系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的方法和技術(shù)很難實現(xiàn)系統(tǒng)的快速整體綜合優(yōu)化設(shè)計?，F(xiàn)代設(shè)計及制造技術(shù)的典型特征是數(shù)字化。近年來，在 CAX 等技術(shù)基礎(chǔ)上，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)開始應用于橡膠機械的全生命周期活動中，其中數(shù)字化功能樣機技術(shù)在整個橡膠機械的設(shè)計中占有重要地位。
概括地說，數(shù)字化功能樣機技術(shù) (FDP ， Functional Digital Prototyping) 是在 CAD ／ CAM ／ CAE 技術(shù)和一般虛擬樣機技術(shù) (VP — Virtual Prototyping) 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其理論基礎(chǔ)為多體系統(tǒng)動力學 (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科設(shè)計優(yōu)化 (Multidisciplinary Design Optimization) 技術(shù)與方法，簡稱之為 3M 理論。數(shù)字化功能樣機技術(shù)側(cè)重于系統(tǒng)層次的性能分析與優(yōu)化設(shè)計，通過虛擬試驗，精確、快捷地預測橡膠機械的系統(tǒng)性能?；诙囿w系統(tǒng)動力學和有限元理論，可以解決產(chǎn)品的運動學、動力學、變形、結(jié)構(gòu)、強度、壽命等問題；基于多領(lǐng)域物理系統(tǒng)理論，可以解決復雜橡膠機械產(chǎn)品中的機—電—液—控等多領(lǐng)域能量流和信號流的傳遞與控制問題；基于多學科設(shè)計優(yōu)化理論，可以快速解決復雜橡膠機械產(chǎn)品的整體綜合優(yōu)化問題。
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，通過構(gòu)造橡膠機械的數(shù)字化功能樣機來代替物理樣機，對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試和評估，縮短開發(fā)周期、降低成本、改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，用于橡膠機械的新產(chǎn)品開發(fā)工作。因此，開展橡膠機械的數(shù)字化功能樣機技術(shù)的研究、開發(fā)與應用具有十分重要的意義。
二、數(shù)字化功能樣機設(shè)計環(huán)境
為了實現(xiàn)數(shù)字化功能樣機的功能，橡膠機械的數(shù)字化功能樣機系統(tǒng)一般由多個功能模塊組成，并通過一定的協(xié)議和接口集成為一個有機整體。 桂林橡膠機械廠在相關(guān)技術(shù)項目研究基礎(chǔ)上，提出了橡膠機械數(shù)字化功能樣機設(shè)計分析環(huán)境。 該設(shè)計環(huán)境主要包括多體系統(tǒng)可視化建模／仿真擴展、多領(lǐng)域統(tǒng)一建模／仿真環(huán)境、多學科設(shè)計優(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，應用可重用的機械、電子、液壓、控制等領(lǐng)域庫，實現(xiàn)對不同領(lǐng)域構(gòu)件組成的復雜橡膠機械系統(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／仿真擴展采用 CAD 技術(shù)和多體系統(tǒng)理論，針對復雜橡膠機械的機械子系統(tǒng)進行可視化建模和有限元集成的擴展，實現(xiàn)對橡膠機械系統(tǒng)中剛?cè)峄旌蠙C械系統(tǒng)整體運動學和動力學的可視化分析仿真。
多學科優(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)、評價決策等功能項，其中建模是建立產(chǎn)品設(shè)計模型的工具；規(guī)劃分解是對產(chǎn)品設(shè)計模型進行層次化或非層次化的規(guī)劃分解，并形成任務的優(yōu)化數(shù)學模型；協(xié)同尋優(yōu)模塊利用一定的協(xié)同機制使子任務的求解結(jié)果與整體任務求解結(jié)果保持一致；評價決策模塊通過網(wǎng)絡(luò)得到有關(guān)專家的意見，對優(yōu)化設(shè)計方案進行評價。
在利用該環(huán)境進行橡膠機械系統(tǒng)設(shè)計的過程中，分析仿真的前一階段一般是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，要進行分析仿真，首先是繼承結(jié)構(gòu)設(shè)計信息，在多體系統(tǒng)可視化建模環(huán)境中完成機械子系統(tǒng)的功能樣機建模，然后在多領(lǐng)域統(tǒng)一建模環(huán)境下，應用平臺提供的可重用領(lǐng)域庫，完成其他領(lǐng)域，如控制、電子、液壓、熱動力學等子系統(tǒng)的建模，生成橡膠機械系統(tǒng)完整的數(shù)字化功能樣機，這是數(shù)字化功能樣機建模階段。
對橡膠機械系統(tǒng)進行系統(tǒng)級或部件級仿真分析時，平臺先將數(shù)字化功能樣機的多領(lǐng)域統(tǒng)一模型進行映射，生成系統(tǒng)的數(shù)學模型。由于采用多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)，將會使數(shù)學模型的方程規(guī)模龐大，可達 100000 個，而且具有微分—代數(shù)混合和連續(xù)—離散混合的特點。所以接著需要調(diào)用專門多領(lǐng)域求解器進行求解。求解結(jié)果反饋到交互環(huán)境，通過集成的后處理器進行動畫仿真或曲線研究。
三、工程應用實例——橡膠硫化機設(shè)計平臺
輪胎硫化機是影響輪胎制造質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是制造適用于高等級的子午線輪胎，必須采用高精度、高可靠性的硫化機。為了設(shè)計這樣的硫化機，保證其較高的性能指標和降低成本，需要對硫化機系統(tǒng)進行整體性能的綜合優(yōu)化設(shè)計。
為了實現(xiàn)上述對硫化機系統(tǒng)的整體優(yōu)化設(shè)計， 桂林橡膠機械廠計劃根據(jù)所提出的橡膠機械數(shù)字化功能樣機開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出硫化機設(shè)計平臺。 該平臺主要為橡膠硫化機設(shè)計人員提供一個方便的設(shè)計工具，支持和幫助硫化機設(shè)計人員進行硫化機械整體系統(tǒng)設(shè)計，對整個硫化機械系統(tǒng)進行多學科優(yōu)化，在保障方案可行的前提下綜合考慮方案的各項性能指標，求得一個相對最優(yōu)的方案。該平臺還能夠支持 CAD 三維模型和模型參數(shù)的直接導入，并將優(yōu)化的結(jié)果自動返回給 CAD 系統(tǒng)完成三維模型的自動更新，而且能夠完成和 PDM 系統(tǒng)的集成。該系統(tǒng)對提高我國橡膠機械系統(tǒng)設(shè)計水平，促進橡膠工業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)整個制造業(yè)的技術(shù)革新都具有重要意義。該系統(tǒng)采用多學科綜合優(yōu)化設(shè)計方法，通過充分利用各個子系統(tǒng)之間相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。
四、結(jié)論與進一步工作展望
橡膠機械系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)字化功能樣機技術(shù)的概念、內(nèi)涵，以及該技術(shù)所涉及的多體動力學、多領(lǐng)域物理理論和多學科優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)， 已經(jīng)應用于桂林橡膠機械廠的橡膠機械系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計平臺開發(fā)等項目中 ，初步實踐表明，數(shù)字化功能樣機技術(shù)為我國橡膠機械系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計提供一個有效的手段，可以縮短高質(zhì)量現(xiàn)代化橡膠機械系統(tǒng)的研制周期，提高設(shè)計質(zhì)量，減少試驗費用，降低開發(fā)成本、規(guī)避研制風險以及提高系統(tǒng)效費比。
下一步的研究工作將結(jié)合各種具體橡膠機械系統(tǒng)，將數(shù)字化概念設(shè)計、數(shù)字化詳細設(shè)計、數(shù)字化功能樣機、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，研制自主開發(fā)的橡膠機械系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計和制造的平臺，為我國橡膠工業(yè)的發(fā)展和制造業(yè)技術(shù)的進步做出應有的貢獻。
