面向可制造的薄壁件产品设计方法及应用研究

发布时间：2016-04-15 14:11

第一章    绪论

1.1 论文研究对象及课题来源
宇航产品中存在大量的、典型的薄壁件产品。从薄壁件的常规概念出发，通常认为在环形件、壳体件、盘形件、套筒件、轴类件以及平板件中，产品的壁厚与轮廓尺寸（或内径曲率半径）之比小于 1:20 时，可认其为薄壁件[1]。此类型的零件具有的显著特点是刚度低，结构复杂，在加工时极易由于误差变形或工件颤振，降低了工件的加工精度。虽然从设计的方面来说问题不大，但是加工过程要达到设计的结果具有相当的难度。尤其当零件的形状及尺寸精度要求高时，机床或者加工设备的切削力大小及波动、微幅振动、切削温度、装夹形式等都会对其产生较大的影响，从而难以保证加工的精度[2]。特别是对于特殊行业用的某些壁厚很薄的产品，因其材料刚度较低，甚至不能按常规方法进行机械加工，需要发展新的加工工艺。 此类薄壁零件已经较为广泛地应用于航空航天工业中，例如火箭的壳体、卫星的展开机构、运载器的固定支座等。加之航空航天零件对制造精度的特殊要求，在同样的刚度和强度等力学特性需求的同时，还需要产品具有较小的重量；为此一些新型难以加工的材料多会被利用，诸如钛合金、铝镁合金等轻质材料。如此一来，增加了制造薄壁件产品的困难，提高了制造的成本，这也是产品设计到加工实现过程的一大难题[3]。因此，结合机床和材料的基础信息进行薄壁件产品的可制造性设计，具有十分重要的工程价值。 本文涉及的宇航薄壁件产品兼顾上述定义，但对其内涵将进行拓展，针对特殊的应用背景和定制化（个性化）需求，特别地将某宇航产品的 XX-XX 箱间段和 XX-XX一二级级间段的八类零件均称之为薄壁件，这些零件包括壁板、蒙皮、桁条、半框环、口盖、连接板、插座、接头、支座等；后续的研究中将给出这些零件中部分零件的结构示意图及模型数据。同时，后续的研究中也将分类梳理这八大类零件涉及的主要成形工艺方法，为制造工艺知识库的构建提供基础数据。 本论文课题来源于科技部国际合作项目（编号：2010DFB80730）：宇航产品智能化设计制造集成技术与系统联合研究。 
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1.2 论文研究目的和意义
宇航产品所属零件大多为定制化零件，其结构复杂、技术含量高、质量要求高、涉及学科领域多，是典型的技术密集、知识密集和资金密集的复杂部件。尤其近年来，随着我国“载人航天”工程二期、“探月”工程二期、新一代大型运载火箭等一批重大型号工程的研制，我国宇航产品型号研制生产呈现出研制品种多、研制周期紧、生产批量变化大等特点，从而对宇航产品快速设计及制造的能力提出了更为迫切的要求。在传统的宇航产品开发流程中，设计和制造环节被分割为两个相对独立部分，产品的设计过程没有全面考虑制造的可实现性、经济性、加工周期、质量保证条件等产品生产要素[4,5]，这种研发模式常常不可避免地造成设计方案和企业的制造能力不协调，其结果必然带来企业需要付出很大的成本、周期、效益的代价，来满足一个不切合生产实际的设计方案，甚至会造成设计方案的反复，严重影响型号产品的开发周期。 近年来，，设计制造一体化方面的研究也越来越受重视，国外研究人员在设计制造一体化方面做了很多工作，已较为显著地缩短了产品开发周期，提高了产品质量和竞争力。随着信息技术的发展和产品开发周期的不断压缩，智能化的设计评价技术已经成为未来工程设计领域发展的必然趋势[6]。通过总结经过验证的海量设计、制造知识，开发智能化的设计工具和虚拟验证工具，可以极大降低研制风险和缩短研制周期。这项技术已经成为国外先进工业发展的标志和竞相投入研究的重要方向。但在国内，相关的研究工作还处于起步探索阶段，尚缺少完整的应用实例。 
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第二章   考虑薄壁件产品 MAS 的设计模型

2.1  产品智能化设计过程及 DFX 决策 
产品设计是一个产品解决方案生成与其结果评价的迭代过程。在确定一个具体的解决方案之前，设计人员应首先采取概念设计方法。对于一个复杂的产品在概念设计阶段需要将团队或者不同设计部门的已有设计经验结合在一起，然而，在协作设计的过程中必然存在对设计决策的不一致，因而很难做到在做设计决策和优化方案时能够获得各个方面的知识。同时协作过程也存在着分工、协调，以及其他管理上的困难。   “为某一方面而设计（Design  For  X，DFX）”设计思路的提出为产品设计过程中的协同处理提供了重要的指导，具体是通过将“做”和“不做”的设计规则用检查表单的形式列出，以确保设计方案满足了“X”方面。关于 DFX 设计的一个主要缺点是，这些工具仅用一个狭窄的片面的视角去看不断进化的解决方案，而没用相互关联，多个“X”角度的视角。此外，当主要的设计决策已达成时，DFX 工具主要用于进行分析。此外，DFX 知识是通用的，而不是针对特定问题的。在这个意义上，不能为设计人员提供关于哪些规则适用于目前情况的指导。设计专家系统由于其具有预测建模能力，可以支持概念设计。然而，在设计和开发过程中，由于知识的组织方式不是从需要协调的资源方面的角度来建立的，从而对系统提供了一个狭隘的设计解决方案，很难权衡生命周期的各个方面。此外，存在于设计人员头脑中的知识组织形式较为独立，很难做协调维护，并且在知识动态进化过程中，需要随时来处理出现的新问题。约束网络能协助设计人员之间通过多方面的合作，以避免生命周期问题的产生。 
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2.2  基于设计制造信息的设计决策模型
本节将讨论依据设计制造信息而实际得到的产品模型的过程，揭示在零部件综合设计过程中，设计结果是如何产生的。为便于理解，需要首先进行设计决策过程的规范化处理。 如图 2-7 所示，对于设计过程中的每一个阶段，设计人员都有一个决策结果集合[P]及一些可能的解决方案集合{O}，可定义为决策方案 P{O}。由上文可知，决策方案 P{O}由可重复使用的产品设计要素组成。设计人员在决策过程中从决策方案中选择；在此过程中，设计人员需要考虑一系列的问题，如可制造性、可装配性以及产品的使用功能等。在兼顾上述方面的前提下，设计人员选择出合适的一系列决策结果，并将决策结果 D{O}引入的产品模型中。

第三章   面向制造的产品设计特征提取及重构 ...... 43
3.1  产品 DFM 过程的特征信息需求 ...... 43
3.2  设计特征的提取 ........ 43
3.3  基于可制造信息的三维重构方法 .......... 50
3.4  薄壁件关键几何特征关系提取及判断 ....... 54
3.5  本章小结 .......... 62
第四章   产品 DFM 过程的知识表达及知识库构建 ......... 63
4.1  产品 DFX 过程的知识表达及其管理 ......... 63
4.2  面向 DFM 的产品制造知识及其提取 ........ 69
4.3  制造知识库构建 ........ 77
4.4  设计过程知识库的调用策略 ........ 80
4.5  数据库协同管理 ........ 83
4.6  本章小结 .......... 86
第五章   产品 MAS 平台及 DFX 系统集成 ........ 87
5.1  产品 MAS 原理及体系 ....... 87
5.2 MAS 平台框架设计 ........ 93
5.3 考虑 MAS 的典型宇航薄壁件 DFX 系统 ........ 97
5.4 基于 MAS 的 DFA 应用 .......... 102
5.5  本章小结 ........ 110

第六章   考虑 MAS 的典型宇航薄壁件 DFM 原型系统实现

本章结合前几章具体的理论基础和局部实例，给出针对某特定宇航薄壁件产品的可制造性分析平台，发展其原型系统并给出具体的分析过程。 

6.1  原型系统框架 

图 6-1 显示了整个可制造性评价体系包括了知识库和数据库、核心算法和工具、建模和评价过程、标准规范以及应用。 根据上述框架构建的原型软件系统结构框架图如图 6-2 所示，图中显示各个软件单元之间的组成关系。具体包括了用户界面层、工具层、知识库管理和数据库管理层。 根据可制造性分析基础和评价方法，编写了软件原型系统研发，开发了用于制造特征获取的 Pro/E 插件软件工具，如图 6-3 所示。 图 6-3  给出了在 Pro/E 中构建的对象模型，本文开发原型系统中，对该对象的提取是发展基于零件 Pro/E 模型的制造特征提取工具。 这个插件工具基于被加工零件的 Pro/E 三维模型，进行零件制造特征的提取，能够实现自动获取和列表显示零件中的特征、参数名、参数值，插件中存储的参数和模型参数同步，可双方向更新，支持用户挑选“制造特征”，并保存为文件，为可制造分析软件提供输入数据。

 

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结论

宇航产品结构复杂、技术含量高、质量要求高、涉及学科领域多，是典型的技术密集、知识密集和资金密集的复杂部件，其设计过程任务繁重且涉及不同部门的协同，薄壁件产品是此类产品的典型代表。大多数已有的传统设计与制造过程是较为独立的，即设计过程往往不能很好地兼顾产品的可制造性，由此导致设计出的复杂产品并不能被制造加工出来，造成了设计效率低下且返工引起的时间和经济成本的显著提高。针对这一现状，本文开展一类特定的宇航薄壁件产品的设计及可制造性集成技术研究，旨在提出的面向制造的产品设计方法，解决其中的设计与制造冲突问题，最后通过开发相应的原型系统得以验证此方法的可行性。研究具体内容和取得的创新成果包括：  
1．发展了考虑产品可制造性的典型宇航薄壁件的 DFX 方法。首先，构建了用于指导产品的整个生命周期内的设计的决策知识模型。其次，针对知识融合的 DFX 模型，考虑其 MAS 过程，发展了典型宇航薄壁件的多决策设计模型。以一个宇航典型零件（某接头）的缩痕缺点解决设计实例，显示了智能化的产品设计过程。最后，结合制造资源、过程、特征关系及对象模型细化了上述产品的设计模型，以此来满足其定制化设计制造需求。 
2．提出了一种面向可制造性的产品设计特征提取及重构方法。首先完成了对产品DFM 过程的特征信息进行分析，并给出了这对研究对象典型宇航薄壁件的设计特征的提取过程及实现方法；随后结合可制造信息发展了基于可制造信息的三维重构方法，其中包括设计特征和重构特征的求相交和整体三维重构的方法。最后为后续的 MAS 提供技术支持，结合薄壁圆筒件的冲压成型可制造过程构建了其决策分析方法，并发展了基于模糊数学理论的冲压工艺决策中存在的不确定因素分析模型，并给出一组具体的针对薄壁件设计的评价标准值。 
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参考文献(略)

本文编号：38215