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面向并行设计的建模方法研究

季炳伟  
【摘要】: 在综合分析并行协同设计研究的历史和现状后,针对当前复杂产品设计研究中的过程建模、产品建模、CAX集成建模、控制规划建模等关键问题,对并行建模和并行优化求解进行了一些有益的尝试,主要研究进展体现在以下七个方面: 一、基于设计支持模型动态扩张的复杂产品求解方法研究 为解决并行设计中面向下游的知识冲突和设计反馈问题,提出了产品设计的全过程策略:基于产品信息扩张和模型动态重组的动态求解知识框架。以知识集成、潜真扩展为特征重组设计模型,建立面向设计进程的潜知识表达方式;构建柔性建模机制,支持设计模型的及时更新;以螺旋进程为设计推进模式,降低设计风险,提高设计效率。 二、基于潜模型理论的的潜知识表达方法研究 首先进行了动态知识表达的理论探索:以传统逻辑论和信息论中处理不完全信息的潜模型理论为基础,结合复杂技术产品设计进程中变量、目标与约束等信息的扩张过程,提出了产品设计潜知识表达理论,描述了具有层次性、集成性和动态性的动态知识表达方式,将传统的面向单点的产品知识转变为面向进程的知识框架,使模型能响应设计进程从潜真状态逐渐向全真状态逼近。用挖掘机设计中的设计知识进行了实例改造。 三、基于动态知识表达的柔性设计支持模型研究 在阐述了产品动态知识框架的基础上,构造了复合知识模型,阐述了复合知识模型由知识源和模型重组机制组成的本质。知识源具有潜真性、灵活性、感应性和设计导向性等潜知识特征,设计者在同步知识源所组成的公共知识块的基础上进行并行建模,包括约束网络、优化模型、分析模型和评价模型等,降低模型间的知识冲突,实现模型的及时重组和动态响应反馈。提出了以层次型设计需求、未知变量敏度和函数完整度三种方式共同作用的设计导向机制,协助设计者优选设计路径。 四、螺旋设计进程研究 建立了基于复合知识模型的螺旋设计进程,提出了以扩张的设计模型、分析模型、评价模型、优化模型支持的四个设计阶段循环渐进的推进策略,以渐进的进程模式和逐步扩张的产品模型代替以往的固化方式,同时增加柔性约束网络进行冲突风险检测,以产品性能目标的扩展和渐进驱动设计进程。在设计反馈中引入了以后期产品信息修正前期设计模型的方式,降低了模型假设和简化带来的设计冲突,提高设计效率和效果。以挖掘机优化设计为例,进行了实例验证。 五、面向分析的集成建模技术研究 针对CAD/CAE集成困难的现状,提出了利用CAD参数化技术对CAE仿真模型进行自动建模,解决CAE软件自身无法克服的建模难、优化难问题。以面向广义优化的参数化建模、基于布局与骨架的整机建模及装配技术、ADAMS与PRO/E联合建模技术为基础,建立了面向分析反馈的CAD/CAE一体化模型。该方法提高了CAE与CAD技术的集成度,使CAE结果快速响应到设计进程中,有效提高了产品设计的并行性。以挖掘机建模为例进行了验证。 六、基于优化算法的轨迹规划建模研究 以既能达到良好的轨迹规划精度,又有优良的操纵平稳性及节能效果为目标,提出了一种挖掘机器人的多领域协同轨迹规划方法。以挖掘姿态角为优化变量,油缸进程和加速度梯度为双目标,位置盲角和最佳切削范围为约束建立优化数学模型,采用遗传算法寻找最优值。最后对多种规划策略进行了实验对比,分析结果表明采用该方法可以大幅减少液压系统冲击和振动,使挖掘机操纵更加平稳。 七、液压挖掘并行设计平台研究 建立了集成CAD、CAE模块和控制仿真模块的液压挖掘并行设计平台,结合面向设计进程的柔性设计支持体系,支持液压挖掘机的设计开发。


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