石躍朋

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)是基于模型基礎(chǔ)上的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)使用計(jì)算機(jī)仿真和集成技術(shù)，這樣可以將仿真的過(guò)程和分散的產(chǎn)品相互結(jié)合，在虛擬中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及性能測(cè)試和仿真制造，其核心技術(shù)便是性能仿真。對(duì)復(fù)雜的工程對(duì)象來(lái)講，單單依靠幾種軟件是不可能完成的，同時(shí)還要構(gòu)建多種軟件的組合，從而形成復(fù)合型仿真的環(huán)境，這樣才可以對(duì)研究對(duì)象實(shí)行多層面和目標(biāo)的仿真。虛擬樣機(jī)的最終目的是要實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)接口的二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)依據(jù)這些幾何特征創(chuàng)建出數(shù)值的仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交換和共享分析數(shù)據(jù)，同時(shí)建模之后可以多次重復(fù)使用。本文主要分析虛擬樣機(jī)中，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)高效互動(dòng)、順暢交流的PDM技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理

PDM可以在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行使用，其所涉及的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理范圍非常廣泛，凡是能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)描述和儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)都可以管理。但是由于各個(gè)領(lǐng)域又有自己的特點(diǎn)和要求，使用層次和水平又有所不同。

在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和信息集成中，PDM可以看成是集成框架，其應(yīng)用程序以及物料需求都要通過(guò)各種方法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。我們可以開(kāi)發(fā)接口直接作為對(duì)象進(jìn)行集成，這樣可以使得企業(yè)中各種應(yīng)用和各類(lèi)產(chǎn)品得到高度協(xié)調(diào)和集成，也可以讓整個(gè)過(guò)程得到重組。

3 在PDM基礎(chǔ)上的機(jī)械產(chǎn)品性能和可靠性綜合設(shè)計(jì)以及分析平臺(tái)

在PDM軟件的框架中，我們可以集成各種軟件。本文以機(jī)械產(chǎn)品的性能及可靠性為分析目的，并且以仿真為基礎(chǔ)，這就決定了產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的方式。首先建立虛擬樣機(jī)以及仿真團(tuán)隊(duì)的組織形式和協(xié)調(diào)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)仿真工具和PDM之間的集成，從而實(shí)現(xiàn)PDM的過(guò)程管理器對(duì)仿真過(guò)程的協(xié)調(diào)和管理。

PDM分析平臺(tái)的方案和總體思路包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)，分析各產(chǎn)品的性能和可靠性的綜合數(shù)據(jù)、流程綜合、綜合權(quán)衡，每個(gè)階段的信息環(huán)等?？煽啃约夹g(shù)體系和性能之間的關(guān)系在下面進(jìn)行詳細(xì)的論述。

3.1 可靠性數(shù)據(jù)和性能之間的綜合

這些主要是指設(shè)計(jì)中的分析數(shù)據(jù)綜合，在機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字環(huán)境之下，和性能的平臺(tái)進(jìn)行交聯(lián)，以及集成可靠的設(shè)計(jì)分析工具，可靠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以及實(shí)現(xiàn)性能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的融合和共享。

3.2 性能以及可靠性設(shè)計(jì)和分析流程之間的綜合

在系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)和分析上一定要結(jié)合分析工作的實(shí)際要求進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，最后圍繞核心項(xiàng)目進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的流程分析，這樣也可以實(shí)現(xiàn)可靠性和現(xiàn)實(shí)性能之間的分析。

3.3 性能和可靠性特征之間的權(quán)衡和綜合

性能和可靠性是產(chǎn)品效能中的重要部分，同時(shí)也是產(chǎn)品在研制中的重要因素。這個(gè)平臺(tái)是把機(jī)械的系統(tǒng)效能作為重要目標(biāo)，對(duì)其性能和可靠性以及多個(gè)學(xué)科之間的模型優(yōu)化以及權(quán)衡，這樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)性能和可靠性之間的權(quán)衡。

3.4 可靠性設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品中的可靠性和協(xié)同設(shè)計(jì)的分析基礎(chǔ)是包括系統(tǒng)可靠性和故障模式的影響及危害分析、故障樹(shù)分析。系統(tǒng)可靠性是研究整個(gè)產(chǎn)品的系統(tǒng)，其中有動(dòng)力裝置以及控制裝置和執(zhí)行裝置和機(jī)構(gòu)，各個(gè)部分中的整體系統(tǒng)分析評(píng)估和可靠模型分析。危害性分析以及故障模式的影響是定性的分析，我們也可以通過(guò)分析掌握產(chǎn)品故障的狀況，還可以直接對(duì)指導(dǎo)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)也能為機(jī)械產(chǎn)品在可靠性分析和定量分析仿真中打下基礎(chǔ)。

3.5 在CAD基礎(chǔ)上的可靠性準(zhǔn)則是符合性質(zhì)的檢查

我們使用集成環(huán)境下可靠性設(shè)計(jì)和知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，這樣我們可以收集一些產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些可靠信息，同時(shí)還可以使用知識(shí)庫(kù)對(duì)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則以及可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。我們通過(guò)實(shí)例的查詢進(jìn)行CAD和現(xiàn)實(shí)之間的系統(tǒng)集成，這樣來(lái)幫助工藝設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)，之后再利用可靠性準(zhǔn)則的知識(shí)庫(kù)對(duì)零件進(jìn)行可靠性的檢查和分析。

3.6 可靠性仿真

在CAD基礎(chǔ)上的故障樹(shù)分析即FTA。在現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)的輔助軟件，如Pro/E、UG、SOLIDWOK等不斷使用的同時(shí)，我們可以在這些主流的CAD工具基礎(chǔ)上再次開(kāi)發(fā)，這些開(kāi)發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)和CAD軟件以及數(shù)據(jù)的交互設(shè)計(jì)，這樣便可以把FTA的整個(gè)過(guò)程在性能的設(shè)計(jì)中進(jìn)行融合，這樣便可以實(shí)現(xiàn)可靠性的設(shè)計(jì)方案。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用這個(gè)系統(tǒng)，可以依據(jù)零件對(duì)系統(tǒng)的零件信息進(jìn)行設(shè)計(jì)，這時(shí)還要利用故障知識(shí)庫(kù)使用故障知識(shí)對(duì)零件中包含的問(wèn)題進(jìn)行分析，這樣來(lái)輔助系統(tǒng)的優(yōu)化以及零件設(shè)計(jì)和改進(jìn)，同時(shí)減少在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中各種重復(fù)，從而降低成本。

3.7 在CAE基礎(chǔ)上的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和可靠性仿真分析

該分析是在有限元模型和三維數(shù)字樣機(jī)基礎(chǔ)上結(jié)合一些機(jī)械強(qiáng)度和可靠性分析，使用CAE如ANSYS等軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化仿真和數(shù)據(jù)的交互，這樣還可以完成機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的誤差以及可靠性分析和仿真，或者是柔性機(jī)構(gòu)可靠性仿真和分析。

3.8 在CAE基礎(chǔ)上的機(jī)械強(qiáng)度的可靠分析

該分析是在有限元和三維數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行可靠性分析，使用CAE軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化仿真，以及機(jī)械的靜止強(qiáng)度可靠性上的分析以及產(chǎn)品在仿真和熱強(qiáng)度上的分析。產(chǎn)品整個(gè)系統(tǒng)中，可靠性綜合優(yōu)化和虛擬樣機(jī)進(jìn)行結(jié)合，把可靠性作為優(yōu)化的目標(biāo)，使用零件概率分析以及可靠性仿真相互結(jié)合。這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和自動(dòng)化優(yōu)化和分析，在優(yōu)化的過(guò)程中我們可以從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。第一，要衡量這些因素的強(qiáng)弱或者趨勢(shì)影響以及問(wèn)題和產(chǎn)品之間的關(guān)系，使用產(chǎn)品的類(lèi)型和特征來(lái)構(gòu)建起判斷要素的手段，同時(shí)還要構(gòu)建起配套的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，使用這樣的方法實(shí)現(xiàn)綜合權(quán)衡。第二，評(píng)價(jià)要素權(quán)值和要素的建立。要綜合分析各種國(guó)內(nèi)外的成果，同時(shí)也要綜合衡量各個(gè)范圍和對(duì)象，這樣的方法構(gòu)建起評(píng)價(jià)的要求和準(zhǔn)則。還可以使用專家打分的方法和知識(shí)學(xué)習(xí)的方法來(lái)構(gòu)建起計(jì)算方法和邏輯的處理。

4 具體工程上的使用

4.1 三維建模和設(shè)計(jì)

其中涵蓋了所有零件的三維造型和整體裝配。零件的三維造型是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)，我們可以依照二維圖紙，使用三維軟件進(jìn)行模塊的實(shí)現(xiàn)。這樣生成的實(shí)體也會(huì)包含零件的幾何信息和各種參數(shù)信息。同時(shí)以這些信息為基礎(chǔ)生成的零件能夠在以后的質(zhì)量計(jì)算、特征計(jì)算、圖面繪制上共用。一般我們可以在草圖的基礎(chǔ)上建模，這樣更容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系類(lèi)化的設(shè)計(jì)，同時(shí)這些也是在設(shè)計(jì)的過(guò)程中最合理的建模方法。

之后還要進(jìn)行空間鎖系部件的建立、設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)和參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。這樣還可以提升設(shè)計(jì)的科學(xué)性，整個(gè)設(shè)計(jì)的周期也將大大的減少。

4.2 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理

PDM可以幫助工作人員實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和研發(fā)工具的管理，其把這些有關(guān)的信息進(jìn)行統(tǒng)一的整理集合。這樣才可以保證設(shè)計(jì)以及制造過(guò)程中使用的信息得到保存，在產(chǎn)品的維護(hù)時(shí)也可以得到支持。

一體化可以實(shí)現(xiàn)在PDM全過(guò)程的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，這樣每個(gè)模塊都是在這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行的，擁有同樣的數(shù)據(jù)庫(kù)和界面，也為開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和縮短工期打下基礎(chǔ)。這個(gè)方案也是使用PDM這樣的技術(shù)對(duì)UG、ADAMS、NASTRAN、ARAMS這些軟件的集合，這樣才可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)工具間的共享，提高設(shè)計(jì)的一體化問(wèn)題。

4.3 產(chǎn)品的強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)上的仿真和可靠性分析

我們一定要保證數(shù)據(jù)可以進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)要保證分析的結(jié)果是在有效性基礎(chǔ)上的。其中要重視靈敏度和分析的效率，盡可能的縮短設(shè)計(jì)周期和技術(shù)的實(shí)用性。在這些分析的基礎(chǔ)上使用ARAMS系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析計(jì)算得到需要的參數(shù)。如圖1所示。

圖1 空間結(jié)構(gòu)鎖可靠性分析

5 結(jié)語(yǔ)

PMD技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中結(jié)合虛擬樣機(jī)使用，以及其他的應(yīng)用在實(shí)際中解決了很多問(wèn)題，在很大程度上削減成本，縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)對(duì)于分析中的準(zhǔn)確性也有很大的提升。這些都為產(chǎn)品綜合性能的提高打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]馬利,孫維平.PDM技術(shù)在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)管理信息化, 2017,20(14):39-40.

[2]蘇賢震.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的優(yōu)化與應(yīng)用分析[J].工程技術(shù):全文版,2016，(8):253.