基于数字孪生的复杂机械产品多学科协同设计建模技术

数字孪生技术能够实现产品物理模型和信息模型的融合与迭代优化,从而缩短产品研发周期、降低返工成本。针对复杂产品多学科协同性差、研发成本高的难题,将数字孪生的理念引入到复杂机械产品多学科协同设计中。分析了多学科协同设计和数字孪生的研究进展,从全生命周期的视角探讨了产品、生产及其性能数字孪生模型的信息表达、集成与数据交互问题,给出了数字孪生的演变过程模型;在分析产品数字孪生多阶段建模过程的基础上,设计了一个产品数字孪生多学科协同设计建模参考架构,提出了机电一体化的多学科协同设计与虚拟工程方法和产品数字孪生多学科协同设计关键技术,通过优化仿真和虚拟调试构建了复杂机械产品的数字孪生模型,解决了产品全生命周期中机械、电气和自动化等多学科系统的信息物理融合问题。通过案例验证了所提数字孪生多学科建模理论及其优化方法的可行性。     

支持航空发动机设计复杂产品协同仿真系统的研究

支持多领域协同技术是当前复杂产品设计分析中的一个研究热点.以航空发动机为对象研究了复杂产品协同仿真系统的组成、体系结构并对该体系结构中的各层次进行了说明.同时给出了支持航空发动机设计的复杂产品协同仿真的原型系统.初步实践证明该系统能够满足航空发动机设计中的多领域协同仿真问题.     

复杂产品协同制造支撑环境技术的研究

简要描述了复杂产品协同制造支撑平台的系统组成、系统集成技术及其主要技术特点。重点介绍了目前自行开发成功并初步应用的多学科复杂产品虚拟样机工程支撑平台及其关键部件。该平台的新技术包括：①基于多约束条件下项目进度管理与优化为核心的项目管理技术，支持复杂产品虚拟样机工程全生命周期的管理与开发；②基于HLA／XML／Web中间件技术的多学科领域CAx／DFx工具集成方案；③符合OMG／MDA体系结构、面向组件技术、面向多学科领域的复杂产品虚拟样机高层建模语言；④基于组件技术、元模型技术、状态机理论的多学科虚拟样机协同建模与协同仿真；⑤基于HLA／VR／GIS的2D／3D可视化；⑥基于PDM技术、XML规范，面向服务的模型库管理系统；⑦基于仿真组件模型的虚拟样机仿真模型快速组装。     

基于虚拟组织的复杂产品系统集成开发模式研究

复杂产品系统的开发是一项复杂的系统工程,需要由多个组织、运用多种学科的知识共同完成,虚拟组织模式为复杂产品的开发提供了有效的解决方案.文章在分析了复杂产品特点的基础上,论述了虚拟组织模式对复杂产品开发的适用性.之后,按照虚拟企业的基本理论,建立了复杂产品系统全生命周期集成化项目管理模式,并研究了该模式实现的IT支撑体系.     

仿真网格中协同建模网格服务研究及实现

为了将建模/仿真/项目管理技术协同,集成地应用于复杂系统虚拟样机的全生命周期,给出了仿真网格原型系统体系结构.介绍了六类典型协同建模网格服务及其应用门户的实现方案及应用方式,实现了协同建模环境中计算资源、模型资源、数据资源的共享,以及多媒体研讨厅环境和二维/三维可视化功能的网格化集成,以此支持基于广域网的复杂产品虚拟样机协同设计过程.该原型系统已在有关项目中得到应用验证.     

基于MATLAB的机械采油仿真系统开发及应用

为了对机械采油系统在复杂环境下的工作状况进行虚拟仿真分析,采用MATLAB语言开发了机械采油数字化仿真系统.该系统将机械采油系统分解成抽油机、杆管组合、油藏、电动机、减速箱等五个部分进行信息处理和数据库管理;将牛顿-辛普森法应用于抽油机四连杆机构的非线性运算,并进行抽油机的优化及仿真分析;采用有限差分法求解抽油杆柱振动力学模型,进行机械采油系统的动态仿真.基于数字化仿真系统,采用非圆齿轮对抽油机减速箱传动方式进行了优化,并仿真分析了其优化效果.     

面向机械产品全生命周期的广义优化设计集成系统

在分析复杂机械产品设计需要和传统优化设计不足的基础上，提出了面向对象的机械产品分层结构模型和建模方法、分层—并行—集中的优化策略等新思想和新方法，从而构造了一种面向机械产品全生命周期的广义优化设计集成系统。     

复杂仿真系统测试评估集成技术研究

基于计算机支持协同工作环境的复杂仿真系统测试评估集成方案，包括了一系列对复杂仿真系统测试评估工作提供重要支撑的工具软件及其集成方法，实现了对复杂仿真系统测试评估活动的全生命周期和全方位的支撑，阐述了在集成方案实现过程中需要解决的一系列关键技术问题，为开发更加有效的复杂仿真系统测试评估集成平台奠定了基础。     

复杂仿真系统的测试评估辅助系统研究

介绍了复杂仿真叫体性能的测试评估辅助系统，重点分析了该系统的组成，体系结构，主要功能模块及实现中的若干关键技术。它作为计算机测试评估辅助工具，可支持大规模仿真试验的全过程数据记录，实体检查，过程重演，数据可视化，数据计算，评估报告的自动生成等。该系统已成功用于某一项目的全系统集成测试，显著地提高了测试评估工作的交率和客观性，准确性，缩短了系统集成调试的周期，该研究对复杂仿真系统在复杂产品CIMS中的应用具有重要意义。     

复杂系统虚拟样机协同建模/仿真支撑平台

为了将建模 /仿真 /项目管理技术协同、集成地应用于复杂系统虚拟样机的全生命周期 ,构建了复杂系统虚拟样机协同建模 /仿真 /项目管理支撑平台。该平台建立在Windows操作系统、TCP/IP网络协议、商用关系数据库以及支持异地协同及仿真资源共享的仿真网格基础上 ,支持复杂系统设计目标下各分系统的协同建模与仿真。该平台的四层结构分别为技术支持层、角色 /权限管理层、功能驱动层和用户界面层。文章还对系统设计、开发与应用过程中的各类数据、模型、工具、人员以及过程进行管理与优化 ,并对各层次的功能设计、实现方案以及研究现状进行了具体说明。该平台可为产品的全生命周期设计和评估提供支持 ,达到降低成本、提高效率的目的     

面向产品创新的仿真建模与分析方法研究

为实现产品创新开发的可视化和知识获取的智能化,根据仿真目的的不同,将支持产品创新的仿真过程分为概念仿真和性能仿真2个阶段,并给出仿真模型的定义。提出了基于本构关系的概念建模方法,实现抽象模型到原理方案或结构的创新。分析了计算机辅助设计／计算机辅助工程集成环境中性能仿真模型的构造方法与过程。断路器机构的创新开发过程仿真及试验验证结果表明,概念仿真有利于将创新的设计思路转化为产品原型;性能仿真既是对原型产品性能的效验,也是获取产品创新开发知识的重要手段。     

结构全寿命主动可靠性设计与失效智能在线预示——未来机械设计领域的发展趋向

提出开发结构全寿命主动可靠性设计新领域的研究。综合利用随机数学、疲劳学、断裂力学、工程力学、仿生学、智能工程学、优化设计理论和计算机仿真技术等 ,从经济性和维修性要求出发 ,旨在保证产品在预定使用寿命期间内 ,在规定工作条件下 ,在完成规定功能下 ,因疲劳断裂失效的可能性 (失效概率 )减至最低程度。将传统的成品可靠性评价发展为预定寿命下的主动可靠性设计。     

复杂产品设计的仿真现状与发展趋势

介绍了机械、控制、电子等单个领域仿真在复杂产品设计中的应用现状，以福特汽车姿态控制系统、YYY作战系统为例，综述了机械、控制、电子等多领域协同仿真的应用现状，总结了仿真在复杂产品设计中的应用特点，提出了将仿真全面应用于复杂产品设计的方法以及相应的关键技术。     

基于MATLAB的倒立摆LQR控制方法的研究

在忽略掉倒立摆系统本身自然不稳定因素以及摩擦阻力的影响后,倒立摆系统就成了一个典型的运动刚体系统,利用在惯性坐标系内的经典力学理论建立系统的动力学方程,采用力学分析方法建立直线型一级倒立摆的数学模型。结果证明,基于牛顿力学定律的数学建模方法,应用二次型最优控制理论对一级倒立摆实现控制,并能满足控制系统的稳定性和鲁棒性,用MATLAB进行仿真,并对仿真试验结果进行了分析研究。     

基于H∞控制的车辆座椅主动悬架系统

建立了四自由度的“车-椅-人”悬架系统的力学和数学模型，运用H∞鲁棒控制理论设计了车辆座椅主动悬架系统的鲁棒控制器。并且用MATLAB软件包及Robust-Control-Toolbox对座椅悬架系统进行了仿真分析。仿真结果表明：鲁棒控制策略能很好地抑制座椅主动悬架系统的垂直振动加速度，其减振幅度在共振频率附近能达到50～60％，大大提高了乘坐舒适性。并且，该系统能够承受一定的模型参数不确定性，具有良好的鲁棒稳定性。     

金属线材折弯虚拟仿真系统的设计与实现

针对金属线材产品种类多、结构复杂度高、加工过程动作多且易发生碰撞干涉等特点,研究金属线材产品建模和仿真加工技术,实现线材产品的加工仿真,以检查产品设计和机床加工动作的合理性,优化加工工艺。分析了折弯机械的运动控制和折弯工艺,推导出产品建模参数与样机运动参数的数学关系式。基于OpenGL API,使用分段建模的方法实现线材产品参数化三维建模;使用“嵌套矩阵法”和运动控制函数实现线材的加工仿真。虚拟仿真系统由产品建模模块和仿真加工模块组成,前者用于产品建模和三维模型显示,后者用于加工轨迹规划和加工动画演示。实验表明,仿真系统可以实现金属线材产品在线设计和加工工艺优化,能够加快产品设计和试加工过程。     

虚拟数控车削加工系统结构初探

根据实际加工情况提出了一种虚拟NC车削加工系统的设计方法及实现原理。系统在Visual C 平台上进行开发，利用OpenGL技术建立虚拟加工机床数字化模型；用C 语言实现几何仿真指令的建立并完成物理仿真相关的各个数学模型的建立，在虚拟环境下进行数控车削加工的几何仿真及物理仿真，实现产品的虚拟车削制造。     

基于Matlab的单自由度振动系统的数学仿真实验

以弹簧一质量系统为力学模型,研究单自由度系统的特性有着非常普遍的实际意义。根据单自由度振动系统数学模型，利用Matlab软件设计了单自由度振动系统的数学仿真实验。通过实验可以得到单自由度振动方程的数值解，并可以绘出在不同阻尼比时的响应曲线，得出一些有用的结论。     

产品虚拟设计中的复相材料显微组织模型设计

材料是先进制造技术中的有机组合部分，材料显微组织虚拟设计则是虚拟制造技术中的重要内容之一。采用计算机图形技术设计了包括复合材料在内的一系列显微组织模型，其中部分模型可以借助Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ仿真技术进行了动态演变，以模拟真实的物理冶金过程，并能定量预报某些显微组织演变的动力学特征。根据性能要求设计的，优化的复合材料显微组织，可望用作材料细观力学设计的组织几何模型。     

支持设计过程仿真的逻辑迭代结构模型及其仿真

针对现有设计结构矩阵不能完整地表达产品开发过程中存在的复杂信息迭代关系,从而造成基于该模型的开发过程仿真结果的不确定性大和开发过程时间的控制难、导致产品开发计划延误的缺陷,提出一种有利于表达产品开发过程中复杂信息迭代关系的逻辑迭代结构树模型,将过程中迭代间所具有的逻辑关联作为过程模型中的重要迭代规则,以改进传统模型中由于信息不完善而造成的过程仿真偏差;建立基于逻辑迭代结构树网的设计过程仿真模型,开发相应的设计过程仿真软件,并以摩托车制动器产品的开发过程仿真为例进行了验证.结果表明新方法能更加全面有效地表达影响产品开发进度的各种因素,减少传统方法中由于模型信息不完善产生的结果失真,进一步提高产品开发过程分析与评价的准确性,有利于提高企业产品开发计划的可实施性.