一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计(cae技术)毕业设计(编辑修改稿)

一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计(cae技术)毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 74 仿真建模、仿真运行、输出分析的集成环境，仿真监控运用了并发执行机制，在数据库管理的基础上实现了模型数据、实验数据、仿真结果的统一管理，人工智能技术也应用在仿真建模、仿真运行和仿真结果的分析中。 （ 2） 计算机仿真的研究热点及对制造业的影响 80 年代以来，系统仿真不断地朝着纵、横方向发展，在制造业方面，一个比较明显的进展就是 “ 虚拟制造 ” .根据虚拟 制造的概念，整个产品的设计和制造首先在计算机上进行，这样可以发现并解决该产品在制造之前可能出现的各种问题。 虚拟现实技术 (VR—— Virtual Reality)亦称虚拟环境技术、灵境技术，是一种最有效地模仿人在自然环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术 .它是在综合计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术等多门科学技术的基础上发展起来的。 它有 “ 灵境 (Immersive)” 和 “ 交互感 (Interactive)”2 个基本特征。 通过基本特征，虚拟现实技术能描述事物内部及相互间真实的作用和交互，使用户仿佛置 身于一个虚拟的世界中，从而拉近了用户与环境之间的距离，改变了人机交流的方式。 利用 VR 技术的这些特性，可以对产品的各个阶段提供支持，例如在虚拟环境下设计产品及其生产流水线，测试和装配产品的零部件，客户可以验证产品是否符合要求等。 近年来，计算机仿真技术在制造业应用的另一个研究热点 —— 虚拟产品开发也是引人注目的。 虚拟产品开发 (VPD—— Virtual Product Development)首先源于并行工程 （ CE） 思想。 这种思想将现代先进的组织形式跟现代的哲学、文化混合为一体，是对产品设计及其相关过程 (制 造过、使用和支持过程 )进行并行的、一体化设计的一种系统化模式 的 工作。 CE 能在产品开发一开始就考虑到投资、制造、装配、销售和维护及报废等整个生命周期的所有因素，这对解决产品设计与开发的矛盾非常有益。 VPD 就是在 CE 方法论的指导下，把 CAD、 CS 和大规模产品数据管理系统综合起来，形成一个虚拟产品开发环境，使产品开发人员能够在这种环境下策划产品、设计产品、预测产品在真实环境下的性能、特征以及真实工况下所具有的响应，从而减少反复和变更的次数，减少甚至取消制作物理原型样机，如此就能很好地检验设计、指导和优化设计，有效 地缩短产品的开发周期和大量地节省开发费用。 VPD 仿真技术是仿真技术发展的又一重要领域，它能深入到各种复杂产品的制造中，能够产生巨大的经济效益。 现在，仿真技术的应用已经从单一的系统走向开放复杂的大系统。 当仿真对 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 74 象分布于广阔的时空领域，仿真任务要求将不同地理位置、不同类型 (包括人在内 )的仿真对象构成一个统一整体进行仿真时，产生了分布交互化仿真 (DIS)。 这种仿真系统包含有不同类型的实体 — 虚体、真实实体和构造实体，这些实体可以基于不同目的系统、不同年代的技术、不同厂商的产品和不同产品组成，并允许它们交互操作。 DIS 实现用计算机网络将不同地点的仿真设备连接起来，通过实体间的数据交换构成时空到合成仿真环境的一种先进仿真技术。 在这种复杂的分布综合的系统进行实时仿真时，必须提供快速、高效、大量的信息通道和相应的处理。 美国是最早研究这种技术并投入使用的国家，已经完成了多项基于虚拟仿真的 DIS 工程项目，相关的协议与标准已经完成或正在完成。 在制造行业，已经产生了类似于 DIS 的虚拟研究开发中心或虚拟企业。 此外，为了适应快速变化的世界市场，克服单个企业难以在短期内具备所需资源的局限性，出现了在一定时限内，为了某一市场机遇 ，通过网络临时联结的一种动态联盟 —— 虚拟企业。 围绕产品从概念设计到终止使用的整个生命周期，再从决策者、设计师、制造商、销售商和用户等全方位地去观察和研究产品，仿真技术已显示出它强大的生命力和发展潜力。 面向 21 世纪，同其他领域一样，制造领域的仿真技术的仿真规模正在不断地扩大，仿真功能也在不断地朝智能化、可视化、集成化、并行化、分布交互化的方向发展。 CAD/CAE 技术应用、研究现状 （ 1） 国内本领域的现状 用 CAD 技术进行产品设计不但可以使设计人员 “ 甩掉图板 ” ，更新传统的设计思想，实现设 计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。 三维 CAD 造型技术 也称建模 技术 ，它是 CAD 技术 的核心。 建模 技术 的研究、发展和 应用 ，代表了 CAD 技术 的研究、发展和 应用。 从 20 世纪 60 年代至今， 三维 建模 技术 的发展经历了线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模、参数化建模、变量化建模，以及正在研究的产品集成建模、行为建模等发展过程。 三维 CAD 以 三维 造型 设计为基础，只要形成了 三维 模型，各种二维视图唾手可得。 三维 CAD/CAE 技术 在产品的 三维 造型、虚拟状配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 74 真、有限元分析等方面带来了革命性得突破，提高了 设计 效率和 设计 质量。 三维设计 的真正意义不仅仅在于 设计 模型本身，而是 设计 出模型的后处理工作。 三维 CAD/CAE 技术 主要包括以下内容： 三维 造型 /三维 设计 、计算机辅助工程分析、机构运动分析 /仿真、装配干涉检验、 三维 转二维、图样档案管理等。 利用这种全过程的 三维 CAD/CAE 系统完成 设计 以后，不仅使 设计 对象的几何形状和性能满足要求，而且使各方面的指标（强度、刚度、重量和成本等）都达到最佳状态，这是计算机辅助 设计 和辅助工程分析的根本目的。 三维 CAD/CAE 符合 设计 者的思维习惯，可以充分发挥 设计 者创造力和想象力。 三维 CAD/CAE技术 不仅解决了产品 设计 和工程图绘制的问题，更重要的是利用 三维 CAD/CAE技术 实现产品的虚拟 设计 、运动仿真和优化 设计 ，所生产的 三维 零件可以直接与CAE/CAM/CAPP 等 CIMS 技术 进行数据交换和衔接，是将来实现无图样生产的关键 技术 之一，是实现虚拟制造的重要手段。 掌握 三维 CAD/CAE 技术 的使用，已经逐步同使用计算机进行文字处理一样，成为产品开发、 设计 人员的一种基本技能。 目前在我国 CAD、 CAE 已经得到了广泛的应用，在大多数的大型制造企业已经相当的成熟。 但 很多企业，也只是做到用手工出图转变为计算机出图的现状，当然计算机出图是有很多优点的，漂亮、规范、修改容易、存档方便等。 但是如果只是停留在这个阶段，就失去了 CAD 的作用，因为 CAD 是辅助设计，不是辅助绘图。 既然是设计就不但想到产品的机械模 型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥 CAD 的作用。 要 真正做到这一点，单凭二维设计是不够的，虽传统制图方法是通过二维视图描述三维实体，但 它 做不到进一步的结构、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化， 甚至 二维视图描述 会 出现二意性和理解错误， 于是 必须找到更先进合理的三维设计手段，使 CAD、 CAM、 CAE 以及 PDM 容为一体。 为此， CAD/CAE 方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入产品设计与生产的各个环节，以提高竞争力。 从设计产品 和对 性能的简单校 核，逐步发展到性能的准确预测，再到工作过程的精确模拟，使人们对 CAD/CAE 方法充满信赖。 然而，提高产品竞争力不但需要提高产品的性能与质量，而且要降低产品的成本，因此人们需要找到最合理和最经济的设计方案。 虽然分析人员可以不厌其烦地在屏幕前一次次修改设计参数以寻找最理想方案，但缩短开发周期的压力通常要求分秒必争，人们可能没有更多的时间对数据参数进行手工调整。 于是，对 CAD/CAE 技术及其 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 74 应用的研究也 达到一个新高度。 （ 2） CAD/CAE 协同设计 计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具，而其中的 CAE技术又成为现代设计流程的核心， CAE 具有以下功能 : (a) 应用数学模型，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性； (b) 与优化技术配合，找出产品设计最佳方案 ； (c) CAE 所起到的虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性，甚至产品与产品、产品与环境等之间的相容性； (d) 知识的获取是现代设计的关键， CAE 才能真正提高设计者的知识技能，而其他手段通常都只能起到使设计者工作更顺手、能更好地表达设计意图等作用，较少增加关键知识。 历经数十年的发展， CAE 技术的应用已经深入到设计流 程的各个环节。 CAE分析利用现代计算机强大的数值计算能力所起到的 “ 虚拟样机 ” 作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的 “ 物理样机验证设计 ” 过程，极大地缩短了设计周期、减少了成本。 但是，目前众多的设计单位将 “CAD” 与 “CAE 分析 ”截然分开，由不同的人或部门来完成设计与分析工作，存在工作和数据交接、结果等待和评判等过程，造成了整个设计流程的不畅通。 事实上，在理想的现代设计过程中， CAE 应该融入产品设计的各个阶段和环节，实现设计分析一体化。 “ CAE 融入设计全过程 ” 的观点已经得到世界上 许多著名公司的广泛 认可。 设计工程师将其工作经验与系列软件相结合，以准确了解设计细节、及时把握设计方向，从而省时省钱，在竞争中取胜。 （ 3） CAE 优化方法 设计过程实际上就是寻找最佳设计方案的过程。 在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化方法。 因此 CAE 优化设计技术所起的作用是极其重要的 ， 与常规的优化技术相比，这种优化技术可大大提高设计效率。 它可进行如下工作： (a)在有限元分析矩阵上利用高阶级数展开的方法求解目标函数与设计变量之 间的复杂关系； (b)“ 一次有限元计算 ” 即可完成整个优化设计过程； (c)与 CAD 软件联合进行形状参数优化。 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 74 优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。 基于数值分析技术的 CAE 方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数， CAE 计算所求得的结果只是一个数值。 然而，样条插值技术又使 CAE中的优化成为可能，多个数值点可以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。 样条插值方法当然是种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲 面，但利用上次计算的结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近，当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。 那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。 这 就是 CAE 方法中的优化处理过程 ，其 通常需要经过参数化建模 、 求解 、 优化参数评价 等 步骤完成。 现代 CAE 技术的发展已使人们的分析领域扩展到了各行各业的每个角落，所研究问题的深度及综合程度都在逐步提高，研究者的目光已从单一场分析转向了多场耦合分析，以追求更为真实的模拟结果。 CAE 软件的优化技术的适应范围也必然随之扩 展，不但要求它能解决各种单场问题，而且应该能处理多场耦合过程的优化。 （ 4） CAD/CAE 技术发展趋势 现代产品设计力求高效率、高质量、低成本，这对 CAE 分析工具也提出了更高的要求 ： 有足够技术手段来真实地模拟产品工作行为。 即 真实模拟 ，它 涉及到许多高难问题：高度非线性、多物理场耦合及产品系统级复杂装配体模型等。 把设计工作的实际经验和计算机技术结合起来 ,将 提高系统的实用性和先进性。 因此，分析面广、分析程度深、分析对象复杂 及应用便捷 是现代 CAE 应用的发展方向，只有在这样的分析手段配置下，才能真正解决 “ 真 实模拟 ” 的问题。 因而在这样的背景下， CAD 技术主要 具有 以下几方面的发展趋势 ∶ 标准化 、 开放性 、 集成化 、 智能化 和 虚拟现实 (VR)与 CAD 的 集成。 这种 趋势将体现在以下几方面 ∶ 真三维图形处理与虚拟现实 、 面向对象的工程数据库及其管理系统 、 多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析 、 适应于超级并行计算。