吳滲楠,應 昊,鄒 程 ,幸 研
(1.東南大學 機械工程學院,江蘇 南京 211189)(2.中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司 技術(shù)裝備中心工裝設計所,遼寧 沈陽 110850)
基于元模型重用技術(shù)的蒙皮拉形模具優(yōu)化設計
吳滲楠1,應 昊2,鄒 程2,幸 研1
(1.東南大學 機械工程學院,江蘇 南京 211189)(2.中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司 技術(shù)裝備中心工裝設計所,遼寧 沈陽 110850)
針對目前航空鈑金制造中,飛機蒙皮零件設計制造存在的多次重復建立系統(tǒng)模型問題,提出了一種基于元模型和重用技術(shù)的幾何/分析模型全信息相關(guān)的設計方法。首先在ABAQUS中對蒙皮拉伸成形工藝和模具拓撲優(yōu)化過程進行仿真模擬,分析結(jié)果文件并生成設計分析流;再綜合比較系統(tǒng)模型的信息及特點,對元模型關(guān)鍵參數(shù)進行特征提取和操作分析,并將重用信息分別映射至三維模型和仿真模型,實現(xiàn)對元模型的多次調(diào)用。以某飛機蒙皮拉形模具CAD/CAE設計系統(tǒng)為例,分析了系統(tǒng)的設計框架和零件模型的構(gòu)建模式,利用CAA語言和Python腳本開發(fā)出可應用于成形仿真模擬和模具拓撲優(yōu)化的通用化程序,實現(xiàn)了面向設計模式重用的系統(tǒng)集成開發(fā)。
元模型;重用技術(shù);參數(shù)化設計;CAA;Python腳本;集成開發(fā)
作為航空鈑金件的重要組成部分,飛機蒙皮件的制造過程需要高度綜合相互匹配的工藝裝備,一般以多學科復雜計算與實驗分析為基礎(chǔ),且零件的生產(chǎn)效率極大依賴模具的更新周期。早期鈑金件生產(chǎn)中,零件和模具匹配相對固化,零件頻繁更新使模具利用率降低。隨著CAD/CAE/CAM技術(shù)的廣泛應用,三維數(shù)模逐漸代替實物樣件,被用于模型試配和有限元分析,大大提高了效率,節(jié)約了成本。從國內(nèi)外航空鈑金工裝的研究現(xiàn)狀來看,工裝設計知識與數(shù)字化全方位耦合是必然趨勢。當前,制造資源和數(shù)據(jù)信息密集的情況下,如何最大化利用已有資源進行系統(tǒng)間集成及快速制造是企業(yè)考慮的首要問題[1-4]。
針對快速智能制造的需求,基于元模型(Meta-model)的建模技術(shù)在更深層次上將模型資源、信息和管理有效結(jié)合,為多學科協(xié)調(diào)下的現(xiàn)代制造系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)集成提供了便利,已成為計算機行業(yè)和制造業(yè)共同關(guān)注的熱點[5-7]。元模型是基于模型的模型,是模型在更高層次的抽象。以元模型為基本載體進行重用,是以面向?qū)ο笏枷霝橹?、以統(tǒng)一模型及分析規(guī)范為指導的過程,它實現(xiàn)了不同用戶在標準框架下的自定義設置和分析。重用過程將模型數(shù)據(jù)信息充分利用,有效降低了建模和分析成本,實現(xiàn)了高效的程序化分析[8]。
本文以某型號的飛機蒙皮拉形模具優(yōu)化設計(Aircraft Skin Stretch-forming Die Optimization Design, ASSDOD)系統(tǒng)為例,介紹了基于元模型的建模和重用方法,并在系統(tǒng)中運行實現(xiàn)。以CATIA V5為三維數(shù)模的驅(qū)動生成平臺,調(diào)取ABAQUS優(yōu)化分析流;將仿真分析文件關(guān)鍵屬性參數(shù)重寫后,與幾何模型內(nèi)核數(shù)據(jù)庫嵌套,實現(xiàn)仿真和數(shù)字平臺集成以及兩類模型間的循環(huán)修改[9-12]。通過對ASSDOD系統(tǒng)的設計和開發(fā),實現(xiàn)了蒙皮拉形模具優(yōu)化設計的通用化、流程化與一體化,驗證了更高效的工藝設計過程。
1.1元模型信息框架
元模型[5-7]是模型層次上的模型,通過基礎(chǔ)語義模型描述模型的構(gòu)建規(guī)則、組成結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、操作行為和模型間的類屬關(guān)系等知識。元模型描述的是如何利用已有模型建模、模型自定義以及模型間集成和互操作等信息[5],一般由模型概念、特征屬性、類屬關(guān)系、操作屬性構(gòu)成。從數(shù)學角度可以定義元模型:
}
其中:Ci代表元模型的概念集合,Concepts= {C1,C2,…,Ci},描述了模型自身信息和屬性知識,包括名稱、描述、類型、關(guān)系等,涉及了系統(tǒng)需求分析、設計實現(xiàn)、運行維護全過程。
Aj代表特征屬性集合,Attributes={A1,A2,…,Aj},描述模型屬性名稱、標識符、表達類型、屬性值和分類等信息,如模型材料、分析/幾何等屬性信息,以及其他狀態(tài)屬性。
Rk代表類屬關(guān)系集合,Relations={R1,R2,…,Rk},描述了不同模型對象或?qū)傩灾g的相互關(guān)系,主要包括繼承、關(guān)聯(lián)、聚合、引用、映射、實例化等。
Ol代表操作屬性集合,Operations={O1,O2,…,Ol},描述的是對模型的所有規(guī)范化行為和操作,一般有聚集、選擇、調(diào)用等操作,具體的例如對象創(chuàng)建和編輯等。
本文針對蒙皮拉形模具的產(chǎn)品優(yōu)化設計過程,采用OMT(Object Oriented Modeling Technology,面向?qū)ο蠼<夹g(shù))定義模型的基本元素,建立了基于元模型重用的ASSDOD系統(tǒng)信息框架,如圖1所示。該框架分為界面層、表示層、元模型層、元數(shù)據(jù)層、資源層。
圖1 基于元模型重用的ASSDOD系統(tǒng)信息框架
a.界面層。該層提供了用戶與模具設計系統(tǒng)的人機交互界面,用于選取幾何元素以及輸入?yún)?shù)值,并實現(xiàn)對整個優(yōu)化設計過程的實時控制。
b.表示層。描述了系統(tǒng)目標的實現(xiàn)方法和途徑,提供了內(nèi)部子系統(tǒng)與信息模型進行數(shù)據(jù)交互的接口,通過數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換實現(xiàn)資源重用和共享,子系統(tǒng)主要包括CAD系統(tǒng)(CATAI V5)、CAE系統(tǒng)(ABAQUS)、PDM系統(tǒng)、重用系統(tǒng)等。
c.元模型層。通過定義不同的知識和信息類,創(chuàng)建相互關(guān)聯(lián)的模型對象,并通過基元模型實例化和重用實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交互,完成新模型創(chuàng)建。該層包括基礎(chǔ)元模型(.stp/txt)、分析元模型(.py)、幾何元模型(CATPart)、中間過程模型、結(jié)果重構(gòu)模型等。
d.元數(shù)據(jù)層。描述了系統(tǒng)模型的所有數(shù)據(jù)集合,從底層元模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)出發(fā)描述了模型結(jié)構(gòu)組成和相互關(guān)系,并以此為基礎(chǔ)進行數(shù)據(jù)傳輸和交互。
e.資源層。描述的是系統(tǒng)模型的構(gòu)建標準、規(guī)范、各種知識和實例,為用戶創(chuàng)建模型提供指導,包括知識庫、分析庫、文檔庫、數(shù)據(jù)庫等。這些信息需要事先保存在數(shù)據(jù)庫中,通過數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)用,來實現(xiàn)模具優(yōu)化的快速設計。
1.2元模型信息表示方法
在對元模型進行信息描述時,本文主要采用面向本體的建模方法,以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式表達不同對象和信息類。系統(tǒng)借助CAA(Components Application Architecture)和Python語言,對產(chǎn)品典型零部件分類定義和抽象表達,生成規(guī)范化模板;再附加其他屬性,如成形屬性、管理信息等,提供產(chǎn)品設計的數(shù)據(jù)信息集合。這樣擴展得到的通用模型,可以完整表達不同實體性質(zhì)和特征。以拉形裝置典型部件——模具(簡化前)為例,形式化的信息類對象定義如下:
MJ={[MID,名稱,特征標識,屬性,描述,功能,創(chuàng)建時間],[創(chuàng)建,編輯,查看,應用,取消], …}
<屬性>={<模具屬性> <零件屬性> <分析屬性>}
<模具屬性>={<結(jié)構(gòu)屬性> <參數(shù)屬性> <零件屬性>}
<結(jié)構(gòu)屬性>={<總體形狀> <結(jié)構(gòu)構(gòu)型> <典型結(jié)構(gòu)>}
<典型結(jié)構(gòu)>={<胎體> <上型面> <輔助結(jié)構(gòu)>}
<輔助結(jié)構(gòu)>={<孔槽> <陣列> <間距> <參考>}
<零件屬性>={<非幾何屬性> <幾何屬性>}
<非幾何屬性>={<材料類型> <功能類型>}
<功能類型>={鈑制型材|孔槽|螺栓|銷釘}
<幾何屬性>={<結(jié)構(gòu)屬性> <參數(shù)屬性>}
<分析屬性>={材料|單元|節(jié)點|網(wǎng)格|載荷|約束}
對上述定義格式具體說明如下:
a.“<·>”括號中的成分為元語言變量,代表對象語言中的一個或一組符號。
b.“{…}”表示由…組成,內(nèi)部成分可以再分。
c.“|”表示“或者”,連接不可再分的屬性,屬性間是并列關(guān)系。
1.3可重用模型信息需求
ASSDOD系統(tǒng)運行需要考慮初始建模、仿真分析、結(jié)果判定、信息提取、信息重用等過程。將元模型思想運用到系統(tǒng),首先構(gòu)成RIM(Reusable Information Model)即可重用信息模型。它詳細描述了三維數(shù)模尺寸、基準、位置等關(guān)鍵信息,以及分析模型材料、單元、節(jié)點、網(wǎng)格、載荷、約束等參數(shù)。RIM主要由參數(shù)化實體模型和模型數(shù)據(jù)信息組成,如圖2所示。
圖2 RIM信息結(jié)構(gòu)組成
a.參數(shù)化實體模型。
參數(shù)化實體模型,是在保持零件基本結(jié)構(gòu)不變的前提下,賦予尺寸變量不同參數(shù)值而自動建立的一系列相似模型。定義時只要保證其拓撲結(jié)構(gòu)正確,就可通過尺寸變化驅(qū)動生成同類零件族[13]。在遵循幾何及拓撲關(guān)系正確、幾何圖元關(guān)系全約束、驅(qū)動模型結(jié)構(gòu)不變的原則時,才能完成相關(guān)元素及關(guān)系的參數(shù)化聯(lián)動,實現(xiàn)目標零件自動更新。
b.模型數(shù)據(jù)信息。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息包括:模型類型、管理信息、主參數(shù)信息、材料屬性等,其中類型信息又包含三維模型、設計分析流、典型經(jīng)驗參數(shù)等。ASSDOD系統(tǒng)中,模型數(shù)據(jù)信息提取過程為:(1)通過數(shù)字化描述和數(shù)據(jù)庫連接,建立元模型庫、知識庫、特征參數(shù)庫;(2)通過CAA及Python二次開發(fā)接口,提取實體模型特征信息并顯示在用戶界面中,由用戶自定義模型主參數(shù)和約束信息;(3)建立三維參數(shù)化特征實體,并添加模型非幾何特征信息,如材料、管理信息等。
該設計系統(tǒng)主要功能在于數(shù)據(jù)和信息分類組織,開發(fā)和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,進行已有設計經(jīng)驗的查看、CAE驗證分析參數(shù)的提取利用。在提取元模型參數(shù)等信息的基礎(chǔ)上,借助信息檢索和相似性判斷等操作,采用通用建模模板實現(xiàn)模型重用。
2.1可重用三維模型構(gòu)建過程
對特定結(jié)構(gòu)的設計而言,零件模型在構(gòu)成產(chǎn)品時,包含了類似的幾何信息、拓撲信息及設計加工等非幾何信息。本文利用CATIA通用幾何特征建模方法和應用程序接口(API),將幾何模型封裝到零件模型中,再將零件特征封裝到自身類中,建立了ASSDOD系統(tǒng)的三維數(shù)字化模型。零件模型構(gòu)建方式如圖3所示。
圖3 CAD零件模型構(gòu)建方式
三維數(shù)字化模型是通過重組CATIA自帶的系統(tǒng)特征來創(chuàng)建用戶自定義特征,并利用這種方式將所有關(guān)聯(lián)特征視為一個整體,對特征屬性和參數(shù)統(tǒng)一管理。數(shù)字化模型設計過程如下:
a.創(chuàng)建特征模型。
就模具優(yōu)化設計系統(tǒng)模型而言,簡化后的三維裝配模型包括初始板料、夾鉗和模具3種零件。對產(chǎn)品模型進行特征需求分析,得出設計系統(tǒng)的模型特征結(jié)構(gòu)組成,表示形式為<對象>={<主特征>,<輔特征>,<特征屬性>},如<胎體>={<凸臺>,<底部凹槽>,<倒圓角>,<矩形陣列>,<幾何形狀特征屬性>,<參數(shù)管理特征屬性>}。
b.定義參數(shù)屬性。
將用戶特征依次參數(shù)化表示,并設定相互約束關(guān)系,特征參數(shù)表設定為 Feature=< Name, Type, Length, Introduction >,如“模具=<胎體,MJL1,Number 4,底部長度L1>”。例如,對板料和夾鉗進行預先建模,提取參數(shù)屬性和參數(shù)值,在CAD界面上完成交互式更改;而對傳統(tǒng)模具的底部凹槽結(jié)構(gòu)進行實例化和參數(shù)化設計。
c.定義約束屬性。
參數(shù)化建模的關(guān)鍵在于模型屬性的全約束。以模具底部減輕槽特征為例,它通過選定凹槽的參考平面(底平面)、參考點(胎體模型邊線任意定點)、參考線(胎體模型的任意邊線)這三個因素來建立約束,并依次設定合理參數(shù)值。
d.編寫參數(shù)化程序。
利用CAA程序完成參數(shù)化建模、模型修改及驅(qū)動更新,步驟為:(1)利用系統(tǒng)內(nèi)核,在內(nèi)存中加載零件文檔,打開對應文檔并實現(xiàn)模型加載;(2)搜索零件容器,并依次獲取零件機械特征;(3)獲取CAA參數(shù)發(fā)布接口,由GetAllChildren函數(shù)得到所有的發(fā)布參數(shù);(4)修改零件的關(guān)鍵參數(shù)值,主要利用Valuate()函數(shù)進行修改;(5)若已經(jīng)遍歷完所有參數(shù),則驅(qū)動模型實現(xiàn)更新,否則轉(zhuǎn)到步驟(4);(6)將模型保存為新模型,用于后步的有限元模擬分析。
2.2可重用分析模型構(gòu)建過程
RIM是進行系統(tǒng)化分析的可靠載體,需要由幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型,才能為分析程序所用。參數(shù)化分析模型的屬性參數(shù)依模塊劃分,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依層展開并逐層細化,如圖4所示。用戶利用已有分析文件,依層提取屬性參數(shù)并存儲到同個參數(shù)文件下,將分析流程逐層疊加后便可以表示出完整的參數(shù)化分析模型。
圖4 分析模型參數(shù)化表示
參數(shù)化分析模型以ABAQUS內(nèi)核(ABAQUS kernel commands)為基礎(chǔ),通過集成Python腳本提供的庫函數(shù),并處理模型網(wǎng)格及單元節(jié)點信息,實現(xiàn)自動建模、參數(shù)化分析、結(jié)果數(shù)據(jù)庫訪問等功能[14-17]。作為ABAQUS二次開發(fā)工具,Python腳本提供了基于對象的程序庫,主要包括Session、Mdb和Odb對象。本文主要分析Mdb文件,其內(nèi)核命令構(gòu)成形式為:object + method + arguments。通過腳本實現(xiàn)ABAQUS全流程分析的主要內(nèi)容如下:
a.創(chuàng)建分析模型。分析模型包括前處理、中間過程、后處理模型,參照Mdb命令構(gòu)成形式分別創(chuàng)建程序語句,如定義拉形過程的位移幅值語句為:mdb.models[′Model-1′].SmoothStepAmplitude(data=((0.0, 0.0), (time1, ampx1), (time2, ampx2), (bendsteptime, ampx3)), name=′Amp-X′, timeSpan=STEP)。
b.提取分析參數(shù)。提取分析過程可變量為仿真參數(shù),并以文本文件保存,著重提取的關(guān)鍵仿真參數(shù)如材料、載荷、位移邊界等,并將文件和數(shù)據(jù)庫聯(lián)合管理。
c.優(yōu)化分析模擬。在界面中調(diào)用并修改模型參數(shù),完成拉形分析及拓撲優(yōu)化過程,由分析結(jié)果應力云圖、應力值評判分析可行性。
分析模型的重用就是將細化后的每一個分析步驟都生成腳本文件*.py。由于系統(tǒng)用戶界面與ABAQUS接口開發(fā)是基于ABAQUS的批處理,因此在編寫批處理命令*.bat后,就可以對該文件進行調(diào)用。調(diào)用過程分為兩種:不啟動CAE界面的表示形式為call abaqus cae nogui=forming.py;啟動CAE界面則為call abaqus cae script=forming.py。實際重用過程就是利用WinExec函數(shù)啟動ABAQUS BATCH功能,繼而執(zhí)行Python文件。
基于重用的拓撲優(yōu)化過程主要步驟為:(1)由CATIA中幾何模型生成有限元模型;(2)進行拉形和優(yōu)化模擬,不斷迭代計算并修改設計變量,直到滿足優(yōu)化目標;(3)獲得模型最優(yōu)設計,形成結(jié)果報告;(4)保存CAD-CAE-CAD循環(huán)過程信息,形成可重用仿真分析元,實現(xiàn)模型共享。優(yōu)化分析過程的流程圖如圖5所示。
根據(jù)文中提出的基于元模型重用的系統(tǒng)框架和信息建模方法,筆者以飛機蒙皮拉伸成形模具為對象,在Visual Studio 2005平臺上,利用CATIA和ABAQUS開發(fā)出集建模、分析、優(yōu)化、重用于一體的模具優(yōu)化設計系統(tǒng)。系統(tǒng)以元模型為基礎(chǔ)驅(qū)動參數(shù)化快速建模、流程數(shù)據(jù)映射、模型參數(shù)重用、分析結(jié)果后處理、模型重構(gòu)等,圖6是產(chǎn)品的功能模塊界面。
圖5 基于重用的拓撲優(yōu)化仿真分析流程
圖6 蒙皮拉形模具優(yōu)化設計系統(tǒng)的功能界面
ASSDOD系統(tǒng)運行要根據(jù)設計所需的零件尺寸,進行初始建?;蚰P透?;修改關(guān)鍵參數(shù)完成快速化創(chuàng)建;通過提取元模型分析文件的關(guān)鍵參數(shù),實現(xiàn)快速流程化分析,從而從實際應用的角度驗證了基于元模型重用的模具設計方法是有效的。但是,該方法依然存在著不足,在實現(xiàn)具有層次關(guān)系的流程化分析時,搜索網(wǎng)格或單元節(jié)點的效率還有待提升;同時,該工藝流程的實際應用范圍還有待進一步擴展。
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Thetopologydesignofskinstretch-formingdiebasedonthemeta-modelreusetechnology
WU Shennan1,YING Hao2, ZOU Cheng2,XING Yan1
(1.Southeast University, Jiangsu Nanjing, 211189, China)(2.AVIC Shenyang Aircraft Corporation, Liaoning Shenyang, 110850, China)
Aiming at the repeating modeling for the skin stretch-forming system in the current aeronautical manufacture process, it proposes a method for total information-related design of geometric model and analytical model based on meta-model and reuse technology. Firstly, it simulates the skin stretch-forming and the die topology optimization process in ABAQUS, analyzes the result and then generates the design flow. Then combining the characteristics of modeling system, it extracts the key features and analyzes for meta-modal, applies the key reuse information and simulation model. Taking one type of the skin stretch-forming die CAD/CAE system as an example, it illustrates the system design framework and building mode, develops a general modeling program with the CAA and Python scripts. This realizes the system integrated development and the design pattern reuse.
meta-model; model reuse; parametric design; CAA; python script; integrated development
10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.010
2014-11-06
某部委先進制造技術(shù)預研基金資助項目(513180102)
吳滲楠(1991—),女,江蘇南通人,東南大學碩士研究生,主要研究方向為先進制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析等。
TH166
A
2095-509X(2014)11-0044-07