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综合设计法与工程应用东北大学机械工程与自动化学院刘杨综合设计法与工程应用1引言2可视优化设计的内涵3可视优化设计的理论框架4可视优化设计的技术流程5可视优化设计的关键技术6主要研发软件7实例分析8结语1引言可视优化设计法是一种数字化设计方法，强调在整个设计过程中全面应用计算机技术，对机器及系统进行模型构建、功能模拟和过程仿真等。为了有效实施可视优化设计技术，装备制造企业通常需要搭建设计平台，将该法应用于实际设计工作中。可视优化设计法可以对机械产品的结构性能、工作性能和工艺性能进行模拟，从而在产品被制造加工之前，尽早发现由于设计不当所导致的各种缺陷，甚至包括一些严重的错误，进而对发现的问题进行及时修改。此外，进行可视优化设计在某种程度上可以代替实物试验，并可以通过相应的优化方法，寻求最佳的结构参数、工作参数和控制参数及机器的设计方案等。2.可视优化设计的内涵定义：可视优化设计是综合设计法的重要组成部分，它是以“可视”为手段，以预测产品各方面性能，进而获得“最优”产品质量为设计目标的一种方法。内容：在可视化的操作环境中，通过采用建模仿真、动态优化分析等技术，对整个产品的各种性能进行仿真，达到优化产品性能、提高产品设计质量的目的。可视优化设计法具有可视性、预测性和优化性等特点。意义：通过可视优化设计，可以使产品获得优良的功能和性能，进而达到提高产品设计质量、降低研发成本，加快设计进度和缩短生产周期的目的。3.可视优化设计的理论框架装配过程可视化加工过程可视化运动学可视化动力学可视化加工过程模拟碰撞干涉检验加工工艺选优装配效果检验装配干涉检验装配工艺选优运动状态模拟运动干涉检验运动形式设计动应力动应变固有动态特性动响应预测可制造性检验机械可视优化设计法制造工艺优化可装配性检验装配工艺优化运动形态检验运动参数优化动态性能检验动态特性优化工作过程可视化工作虚拟展示模型试验测试整机性能考核工作状况检验工作参数优化控制过程可视化控制效果验证运行状态监控控制方案选优控制方案检验控制策略优化结构性能工作性能工艺性能4.可视优化设计的技术流程创建模型加工模型动力学模型装配模型工作模型运动学模型控制模型模型验证数据监测变参数试验数据读取曲线绘制动画输出修改结构修改参数修改方案方案选优可视化仿真结果分析缺陷修改5.可视优化设计的关键技术可视优化设计法机械领域基础理论三维CAD建模理论优化理论、有限元技术工程仿真技术5.可视优化设计的关键技术三维CAD建模理论三维CAD建模理论是可视化仿真的基础，三维几何形体的创建、零件装配等均靠三维CAD技术来保证。三维模型与二维模型或框图相比具有更直观、更形象的特点，可以方便非专业人士参与到专业产品的设计中来。可以说正是由于三维CAD建模理论的成熟，才使对机械领域进行可视化仿真研究蓬勃发展起来。可喜的是当前三维CAD技术已经相当成熟，可以创建具有复杂形状机械零件的实体模型。另外由于CAD技术中引入了参数化和变量化技术，使产品几何要素的优化修改变为可能。还有，现有的CAD建模软件一般都可以与工程模拟类软件进行数据交换。5.可视优化设计的关键技术机械领域基础理论机械领域的基础理论是保证将可视化技术应用到机械产品设计的理论基础。进行机械领域可视化仿真研究，要求设计者对机械制图、原理、零件、力学等基础知识熟练掌握。以对机械产品进行运动学和动力学可视化研究为例，可能要用到多刚体动力学、多柔体动力学、机械振动等相关基础知识。只有具备以上基础理论才能对所创建的模型进行初步验证，而模型验证正是可视化仿真研究的关键。5.可视优化设计的关键技术优化理论、有限元技术工程数学的发展也给机械产品进行可视化研究带来很大的推动，而在众多工程数学理论中优化理论及有限元技术与可视化仿真联系最为紧密。本书所提的可视化方法就定义为可视优化方法，可见无论进行哪种可视化研究都要用到优化理论，都伴随着“优化”的思想。有限元技术与可视化仿真更是紧密联系，尤其以动力学可视化研究，在很多方面应用了有限元技术，例如在求解零件或整机的各种动态特性、动响应等，就可以应用有限元技术，利用有限元软件求解，可以获得零件或整机的应力、应变分布、位移以及固有频率和振型等。5.可视优化设计的关键技术工程仿真技术工程仿真技术是进行可视化仿真研究的重要核心技术，对所设计产品的各种性能的动态模拟以及创建相似的工作环境都要用到工程仿真技术。仿真技术是以相似原理、信息技术及其应用领域相关技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或假想的系统进行动态模拟的一门多学科的综合性技术。在机械领域进行可视化仿真研究涉及的工程仿真技术，包括对机器的运动状况、动力学特性、工作过程、控制过程等进行模拟。现在，已有大量的工程仿真分析软件可实现上述功能。6.主要研发软件可视化软件三维建模类工程模拟类控制仿真类有限元计算类软件开发编程类SolidWorksPro/ECatiaUGADAMSDADSSIMPACKRecurdynMatlabANSYSNASTRANMARCBasicC++DelphiFortran7.实例分析（1）问题描述车轮悬架系统如图所示，它由上支柱、下支柱、上横臂、下横臂、转向拉杆、齿条等组成。仿真目标：求解当车轮上下跳动达80mm时，前束角变化情况，并绘制车轮上下跳动位移与前束角的关系。1上支柱；2下支柱；3上横臂；4下横臂；5转向拉杆；6齿条；7车轮1635427（2）解决步骤创建工作模型零部件几何结构模型零部件物理特性约束关系模型驱动参数工作环境模型模型验证能否按指定要求运动运行状况是否符合要求工作过程可视化仿真性能指标参数化模拟不同的工况性能指标测量结果分析与处理输出测量数据及曲线输出工作过程动画方案对比分析报告缺陷修改经优化的工作模型及参数（3）可视化仿真过程整个仿真过程用ADAMS软件来完成，零件的三维几何模型利用CAD软件创建，通过ADAMS/Exchange模块导入到ADAMS/View交化仿真模块进行样机模型的具体构建。包括加入材料特性等物理参数、加上约束副、加上驱动等，约束及驱动具体情况见表，从而完成样机模型的构建。为模拟车轮在行进中的跳动，在车轮中心添加驱动，设车轮按正弦规律跳动，使用的函数如下：Displacement(time)=80*sin(360d*time)建完模型后，对模型进行验证，没有错误后可进行仿真。仿真中测量车轮跳动情况和前束角随时间变化情况，仿真过程中检测的两个数据与仿真同步变化。（3）可视化仿真过程转向车轮上横臂下横臂上支柱下支柱转向拉杆车身转向车轮球约束副球约束副球约束副上横臂球约束副旋转约束下横臂球约束副球约束副旋转约束上支柱移动约束万向节约束下支柱球约束副移动约束转向拉杆球约束副万向节约束车身旋转约束旋转约束万向节约束万向节约束（3）可视化仿真过程车轮垂直跳动曲线前束角变化曲线位移与前束角的关系（4）仿真结果分析仿真结束后，进入ADAMS/PostProcessor进行仿真结果分析，输出各种结果曲线和仿真动画，对悬架系统工作状况及前束角随位移变化情况做出评价。从仿真中可清楚地看到悬架系统的工作情况，可以看到车轮在行驶中前束角变化情况。本实例中主要输出两个检测曲线，既由所获得的数据绘制的位移与前束角变化的关系曲线。车轮的前束角随位移的增加而增加，但正位移和负位移增加的速度不一样，负位移增加缓慢。我们可以进一步模拟，当车轮跳动量幅值达到100mm时，前束角达到的极限值是多少，这正是工作过程可视化仿真的优势。近年来国内外对虚拟技术的研究在不断加深，与机械产品开发相关的术语也正在不断出现，其中有虚拟设计、虚拟制造、虚拟装配、虚拟样机等。虚拟技术与可视化技术有不相同的概念，虚拟技术通常以虚拟现实作为支撑技术，它不仅强调可视，而且包括可听、可闻、可触等。可视优化设计仅强调可视，可以说是有限范围内的虚拟技术。另外，虚拟技术与可视化技术相比，通常需要更多的软件及硬件支持，例如，进行虚拟设计研究通常需要头盔显示器、数据手套等硬件系统，而一般高档微机就可以进行可视优化技术的研究。对于国内目前状况，全方位推进虚拟技术还有一定的困难。这是因为一方面虚拟技术尚不很成熟，且设备价格昂贵；另一方面针对机械产品开发和研究，并不一定要求有沉浸感，在很多情况下采用可视化技术就足够了。8.结语