CAE在仪表产品造型设计中一体化的应用.pdf

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1、第 1 7卷 第 1 2期 2 0 0 5年 1 2月 计算机辅助设计与图形学学报 J OURNAL OF COMPUTER AI DE D DE S I GN & C OMP UTER GRAPHI C S Vo 1 1 7，No 1 2 De c ，20 05 C A E在仪表产 品造型设计 中一体化的应 用 董 庆伟 商 建东 李济 顺 胡 东方 ( 河南科技大学机 电工程学院 洛 阳4 7 1 0 0 3 ) ( d o n g q i n g we i ma i l h a u s t e d u c n ) 摘 要 在分析仪表产 品虚拟原 型逼真设计思想的基础 上 ， 结合仪 表产

2、 品造型 设计 系统的 开发工作 ， 利用 3 D软件 I - D E A S作为开发平 台， 对 C A E在仪 表产品造型设计 中的一体化 技术进行 了研究 借 助计算 机分析计算 模拟实验方 案 ， 为快 速实现基于虚拟原型逼真设计 的仪表产 品造 型设计 、 提高 产品设计 质量 、 缩短设 计周期 ， 提供 了快捷可行 的 方法 关键 词 虚拟原型逼 真设计 ； 造型设计 ； C A E； 电子冷却系统 中图法分类号T m O 2 Ap pl i c a t i o n Re s e a r c h o f I n t e g r a t i o n f o r CAE i n I

3、n s t r u me n t Pr o d u c t M o d e l i n g De s i g n Do n g Qi n g we i S h a n g J i a n d o n g L i J i s h u n Hu D o n g f a n g ( S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n n e e r i n g，He n a n Un i v e r s i t y o J S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 ) Ab s

4、 t r a c t I n c o mb i n a t i o n wi t h t h e d e v e l o p me n t o f a n i n s t r u me n t p r o d u c t mo d e l i n g d e s i g n s y s t e m，b a s e d o n t h e i d e a o f v i r t u a l p r o t o t y p e r e a l i t y d e s i g n ( VP R D)w e c o n d u c t a n a p p l i e d r e s e a r c h

5、 o n i n t e g r a t i o n t e c h n ol o g y f o r CAE i n i n s t r u me nt p r o d u c t mo d e l i n g d e s i gnTh r ou g h c o m p u t e r a n a l y s i s a n d c a l c ul a t i o n， v a r i o u s t est p r o j e c t s c a n b e s i mu l a t e d i n t h e d e s i g nI t p r o v i d e s a q u i

6、 c k a n d f e a s i b l e me t h o d wi t h i n s t r u me n t pr o du c t t h a t c a n i mp r o v e de s i gn q u a l i t y， r e du c e d e s i gn c y c l e a nd c o s t a n d a c h i e v e i n s t r ume n t pr o du c t mo d e l i ng d e s i gn b a s e d o n VPRD Ke y wo r d s v i r t ua l p r o

7、t o t yp e r e a l i t y d e s i gn；m o d e l i n g d e s i gn；CAE ；e l e c t r on i c s y s t e m c o o l i ng 0 引 言 虚拟原 型逼 真设 计 ( Vi r t u a l P r o t o t y p e R e a l i t y D esi g n， V P R D) 作为 虚拟产 品开发 研究 的一个 方 面， 是近几年发展起来的一项新技术 ， 主要研究虚拟 环境下的产品建模问题 以及基于仿真的工具集成和 过程设计问题 我们将这种新 的产品开发模式应用 于仪表产品造型设

8、计 ， 以用户需求( V o i c e o f C u s t o me r ， VOC ) 为出发点 ， 将虚拟制造哲 理 、 系统工程 方法 、 建模仿真技术 以及智能决策等多种技术和支持工具 有机地结合起来 ， 为产品的全生命周期设计 和评估 提供了集成开发环境 ， 目的就在于快速、 有效地设计 出完 善性 产 品 在基于 VP R D的仪表产品设计和制造过程 中， 造型设计是一个重要 部分当今 ， 许多企业家 已经 认识到， 当前新技术 、 新工艺被充分接受之后 的商品 竞争 ， 将突出地反映为外观 的竞争 外观设计不是 收稿 日期： 2 0 0 5 0 3 0 9； 修 回日期 ：

9、 2 0 0 5 0 4 2 5 基金项 目： 国家 自然科学 基金 ( 6 0 2 0 3 0 1 8 ) ； 教育部科学研究重点项 目( 2 0 0 2 0 2 ) ； 河南省 自然科学 基金 ( 0 2 1 1 0 5 1 0 0 0 ) 维普资讯 http:/ l 2期 董庆伟等 ： C AE在仪表产品造 型设计 中一 体化 的应用 单纯的艺术创作 ， 它必须服从产品的使用功能， 应有 严格的要求和更高的标准 ， 贯彻人机工程学和美学 的基本原理 设计 内部布局时就考虑外部造型 ， 设 计表面工艺时就考虑质感和色彩 ， 设计尺寸时就考 虑 比例的均衡 ， 以求达到经济 、 实用 、 美

10、观的效果 因此 ， 仪 表 的外 观造 型设 计不 同于一 般 的工业产 品 ， 应该有更严格 的要求和 更高的标 准l 2 但 是， 目前 众多的设计单位往往将仪表 C A D与仪表 C A E分析 脱节 ， 存在工作与数据交 换 、 结果等待 和评判等过 程 ， 造成了整个设计流程的不畅通 ， 这是我国仪表设 计的问题之一 本文针对仪 表产 品的设计过程 ， 就 C AE融人仪表产品造型设计来阐述 C A E分析的作 用 ， 对有效地改变设计思想和方法 ， 实现设计分析一 体化 ， 加快产品的更新做 了研究 1 仪表产品设计 系统 为了适应上述需求 ， 本文提出了基于全生命周 期的 市场驱

11、 动仪 表 产品 虚拟 原 型逼 真设 计 系统 ( Ma r k e t D r i v e n VP R DS ，MD VP R D S )结 构 模 型 ， 如图 1 所示 MD VP R D S基于客户 艮 务器模式， 以 s QL S e r v e r 数据库为支撑 ， 其主要 目标是实现 VO C 获取 和分 析子系统 、 质 量功 能配置 ( Qu a l i t y F u n c t i o n D e p l o y me n t ，Q F D) 集成设计子系统 、 基于 VP R D的 仪表产品造型方案设计子系统 、 仪表产品 C A D电子 设计子系统 、 仪表产 品

12、功能仿真设计以及基于全生 命周期方案决策子 系统 的集成设 计， 以提高工业仪 表产品设计质量 ， 增强其市场竞争能 力 该系统不 仅能帮助用户进行 VO C获取 和分析 ； 同时 ， 利用模 糊多 目标规划求解产品规划 ， 基于集成的产品模型 进行产品造型方案设计 、 仪表功能仿真分析以及全生 命周期产品设计方案决策 vo c 获取子系统 + VO C 分析子系统 + OF I) 产u12n1 划 “ 子系统 l + + 仪 表 产 rf J C A D 造 型 f 仪 表产 品 c A D 电 子 设 计 子 系 统 设计子系统 + l 功能仿真设计子系统 + 全生命周期产品设计方 案评价

13、与决策予系统 + 产 品 输 出 f 图 l MD- VP RDS流 程 图 MD VP R D S中， 各子系统功能如下： 1 )VO C 获取 子 系 统 收 集 开 发 新 产 品 所 需 的 VO C信息及市场信息 ， 为用户输入 、 修改 VO C提供 一 个界面友好的环境 ； 同时在检索类似产品需求库 的基础上 ， 向用户提供一定的帮助和咨询 2 )VO C分析子系统 辅助产品开发人员综合 分析通过 V OC获取子系统 获得 的用户需求 信息， 最终生成一个能反映全体用 户意见 的、 能有效指导 产品开发与设计 的用户需求文档( V OC报告) 3 )QF D产 品 规划 子 系统

14、 通 过 产 品 规划 矩 阵 ( QF D质量屋) 将上游产生的新产品开发 VOC报告 转化为产品的质量特征， 并根据顾客竞争性评估( 从 顾 客角 度对 市场 上 同类 产 品 进 行 的 评估 ) 和 技 术竞 争性评估( 从技术角度对市场上同类产品进行的评 估 ) 由系统总控模块确定出最佳方案 4 )基于 VP R D的仪表产品 C A D造型设计子系 统 通 过浏 览 VO C报 告 ， 将 QF D 产 品 规划 子 系统 所确定的产品质量特征及其具体目标值作为新产品 开发的目标值 ， 用 以指导仪表产品外观造型设计 5 )仪 表 产 品 C AD电 子 设计 子 系统 以系 统上

15、 游确定 的产品功能结构信息 、 仪表电子元器件信息、 关键元器件特征 以及具体的产品质量控制方法为指 导 。 以人机交互方式进行仪表 P C B设计和热分析 6 )功能仿 真设计子 系统 通 过功能仿 真的实 现 ， 进一步完善设计 的可靠性和外 观造 型布局 的合 理性 ， 确保产品开发的一次性成功 7 )全生命周期产 品设计方案评价与决策子 系 统 基于产品方案决策库及模 型评判库 ， 按照多 E l 标决策方法及评判准则 ， 对产 品结构方案子系统产 生的所有设 计方案进 行 比较 、 评估 。 帮助用户决策 出最佳 产 品设 计方 案 2 C A E技 术及在 仪表造型 中的技术路线

16、 2 1 C A E融入设 计全 过程 C A E技术是计算机技术和工程分析技术相结 合形成的新兴技术 历经 数十年的发展 ， C A E技术 的应用已经深入到设计流程的各个环节C A E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 众所周知 ， C A E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 中资源极大 的物理 样机验证 维普资讯 http:/ 计算机辅助设计与 图形学 学报 2 0 0 5正 设计过程 ， 极大地缩短了设计周期 、 减少 了成本 事 实上， 在理想的现代设计过程中， C A E应该融入产品 设计的各个阶段和

17、环节 ， 实现设计分析一体化 4 J 2 2 I - D E A S软件中的 C A E模块 I D E A S软件是世界知名的 C AD C AM C AE一 体化软件 I - DE AS中的 C A D与 C A E模块拥有统一 主模 型块 ， 具有 良好 的亲 和性 ， 这 为 C AE融 入 整 个 设计过程尤其是前期设计过程提供 了技术上的可靠 保障 I - D E A S中的 C A E模块具 有界 面简单 、 操作 流 程简单 、 复杂技术( 网格划分 、 求解等) 能被智能化处 理 ； 良好 的计算精度和效率 ； 强大的分析能力支持后 期分析 中经常涉及的复杂问题 ； 各 阶段

18、 的分析数据 能流畅地传递等优点在产 品的工作原理 、 工作性 能 、 结构已经确定 的条件下 ， 通过 C A E技术能给 出 产品的最大效能； 在产品工作原理不变 的前提下 ， 借 助于 C AE计算分析能指导产品结构 中某些部 分进 行修改 ， 以期得到更加优 良的性能 ； 对新开发的产品 进行仿真分析 ， 验证预期 的功能 ， 及时发现设计中的 缺陷， 使新产品更加有效 、 可靠 在仪 表 造 型设 计 中， 我 们 应 用 的是 I D E A S C A E模 块 中 的 电子 系统 冷却 ( E l e c t r o n i c S y s t e m C o o l i n

19、g ， E S C ) 功能 ， E S C模块是为模拟 电子系统 中 的三维空 气 流 动 和 热 行 为 而 设 计 的 I - D E AS E S C 结合了强大的计算流体动力学( C o mp u t a t i o n a l F l u i d D y n a mi c s ， C F D)求解技术( 基于单元 的非结构有 限 容积法 ， 三维流体流速 、 温度和压力 ， 湍流模拟) 和先 进的热求解技术( 基于有限差分的控制容积方法 ， 各 向同性 正交各 向异性的传导模拟 、 表面辐射 ， 在不 相连的网格之问创建热通路的热耦合技术) 用 I D E AS E S C可模拟单

20、独 的元件 、 多芯 片模 块 、 散热 片 、 P C主板 和完整 的电子 系统 l 5 J 2 3 基于 V P RD的仪表产品造型 C A E热分析技术 应用 C A E软件对产品进行性能分析和模拟时 ， 一 般 要经 历 以下 3个步 骤 ： S t e p 1 前处理 对产 品进行 建模 ， 建立 合理 的有 限元 分 析模型 S t e p 2 有限元分 析 对有 限元模 型进行单 元特性 分析 、 有限元单元组装 、 有 限元 系统 求解 和有限元结果生成 S t e p 3 后处理 根据产 品模 型与设计 要求 ， 对有 限元 分 析结 果进行用户所要求 的加工 、 检查 ，

21、并 以图形 方式 提供 给 用户 ， 辅助用户判定计算结果 与设计方 案的合理性 图 2所示 为 E S C模 拟流程 图 工程问题 j 搜索相关资料 确定分析项 目 获取材料、物理属性、边界条件 T l z 啬 r 女 K 目； 措 *u L一一 + 、 网格划分 网格检查 l l + I- 运行路径设置L 求解 l + 1 分 析结果 显示 、打 印 F - I V N ： ： ： ： = = ， 一 Y 题解决或得到最佳设计 3 应用 实例 图 2 E S C模拟流 程图 有限元程序 前处理 有限元分析 后 处理 本文 利用 I DE AS的统 一 主模 型 块 ， 实 现 将 C AD

22、与 C A E分析充分融合 在仪表造型 C A D完成后 ， 通过 C A E 中 E S C模 块对该新 开发的仪表产 品具体 结构形式进行 E S C 分析 ， 分析该仪表产品的安全可靠性 ， 对其未来 的状 态进行模拟 、 及早发现设计 中的缺陷， 并证实未来工 程 、 产品功能和性能 的可用性 和可靠性 设计 与分 析由相同的人或部 门来完成 ， 整个设计流程畅通 ， 实 现设计分析一体化 计算结 果返 回给设计师 ， 可进 一 步对尺寸参数进行修改， 从而完成仪表产 品的优 化设 计 下 面 以我 单位 自行研 制 的 EI P H 一 1型 专 家系 统 智 能 P H测 控仪 为

23、 例 ， 说 明 C AE有 限元 分 析 在仪 表 产品造型设计 中的应用 3 1 建 立有 限元 分 析模型 首先根据 VOC报表获取用户对仪表设计 的详 细信息 ， 在 I D E AS的 D e s i g n模块设计出仪表外形 ， 根据用户实际功用在 O p e n D a t a P C B设计模块设计 仪表 内部 P c B ( E I P H一 1型专家系统智能 P H测控仪 包括 3块 P C B和 1 块电源) ， 然后转到 S i mu l a t i o n分 析模块 ， 把仪表 P C B和电源模拟安装到仪表壳体 内 ( 由于做的是 P C B及仪表体 内的温度场分析

24、 ， 板上 维普资讯 http:/ 1 2期 董庆伟等 ： C A E在仪表产品造型设计 中一体化的应用 2 7 6 3 元器件 的尺寸位 置可 不标 出， 只模 拟板 的大小 即 可) ， 根据内部 P C B布局初步确定风扇、 通风 口的位 置及尺寸大小 ， 模型如图 3所示 图 3 C AE分 析 模 型 3 2有限 元分析 根据实际设计的 P C B和电源定义它们 的物理 属性、 材质属性 ， 然后划分它们 的有限元 网格 风扇 和通风 口采用三角单元 的 F r e e Me s h e r ， 空气 网格用 P r o j e c t E x t r u d e Me s h e

25、r _ 6 J ， 有 限元 网格划 分模 型如 图 4 所示 定义热边界条件如下 ： 电源的热负载、 通 过电源的热损失 、 P C B的热负载、 流面， 风扇的进 出 口形式、 流速等 ， 然后对模型进行求解 图 4有 限7 15 网格 3 3 后处 理 从图 5 ， 6可以看 出 ： P C B局部 温度过热 ， 超 出 实际允许值， 初始造型设计需要改进这可能由以 下原因造成 ： 1 ) 通 风 口离 P C B较远 ； 2 ) 从 图 7中可 以看 出， 在仪表前部靠近 P C B有漩涡流， 造成空气 对流不畅， 不利于 P C B的散热 改进设计 ： 把仪表侧 板两边通风 口前移

26、， 靠近 P C B， 同时在仪表顶板另 开一 通 风 口， 改 变空 气流 动 方 向 ， 以利 于 P C B散 热 改进后的设计方案经过再次 C A E分析， 达到了设计 要 求 4 结 论 图 5 P C B温度 分布图 图 6 横截面温度分布场 图 7 横 截面速度场 l 。 在现代设计流程 中， C A E是创造价值的中心环 节， 要使 C A E的作 用达到最大化 ， 需将其融入到设 计全流程中 借 助计 算机分析计算 ， 能确保产品设 计的合理性， 通过模拟各种实验方案 ， 减少实验时间 和经费， 缩短设计周期 ， 降低成本 C A E分析起到的 虚拟样机作用， 在很大程度上替

27、代 了传统设计 中资 源消耗极大的物理样机验证设计过程 虚拟样机作 用能预测产品在整个生命 周期 内的可靠性， 为快速 实现仪表产品造型 V P R D提供 了快捷可行 的方法 1 叫 维普资讯 http:/ 2 7 6 4 计 算机辅助设计与图形学学报 2 0 0 5正 参 考 文 献 1 S h a n g J i a n d o n g ，C h e n K a n g n in g Th e q u a l i t y d r i v e n me t h o d o f p r o d u c t d e v e lo p me n t a n d t h e a p p l i e

28、 d r e s e a r c h J P r o c e s s A u t o ma t i o n I n s t r u me n t a t io n ， 2 0 0 0 ， 2 1( 1) ： 4 3 4 8 ( i n C h i n e s e ) ( 商建东 ， 陈康宁 质 量驱动产品开发方法及其应用研究 J 自动化仪表 ， 2 0 0 0 ，2 1 ( 1 ) ： 4 34 8 ) 【 2 F e n g J u a n，Wa n g J ie mi n I n d u s t r y P r o d u c t A r t Mo d e l i n g D e s ig

29、 n【 M B e i j i n g ：Ts i n g h u a Un i v e r s i t y P r e s s ，2 0 0 4 ( i n C h i n e s e ) ( 冯涓 ， 王介 民工业产 品艺术 造型设计 M 北京 ：清华 大学 出版社 ，2 0 0 4 ) 3 Wa n g Hu i ，Ti a n X i a o d o n g ，Z h o u X i o n g h u i ，e t a 1 S t u d y o f in t e l l ig e n t C A D C AE in t e g r a t i o n f o r i n j e c

30、 t i o n mo l d in g p a r t mo d e l i n g a n d a n a ly s i s J J o u r n a l o f C o mp u t e r Ai d e d D e s ig n C o mp u t e r Gr a p h i c s ，2 0 0 2，1 4 ( 1 2 ) ：1 1 2 0 l 1 2 4( i n C h i n e s e ) ( 王辉 ，田晓东 ，周雄辉 ， 等注塑件 C AD建 模与 C AE智 能处理 的集成 化研 究 J 计算 机辅 助设 计与 图形 学学 报 ， 2 0 0 2 ，1 4 ( 1

31、2 ) ：1 1 2 0 1 1 2 4 ) 【 4 C u i S h e n g mi n ，Ga o X u h o n g R e s e a r c h o f C A D C A E C AM in c o r p o r a t e t e c h n o l o g y f o r wh e e l J Ma c h i n e r y D e s ig n Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 3 6 3 8( i n C h i n e s e ) ( 崔胜民，高旭宏车 轮 C AD C A E C AM 一体 化技术 的研 究 J

32、机械设计与制造 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ：3 6 3 8 ) l 5 j Ye H o n g ，J i a o Do n g s h e n g ，Xu B i n ，e t a 1 1 - DE A S He a t An a l y s is P r a c t i c a l T u t o r i a l M H e f e i ：U n i v e r s i t y 0 f S e i e n c e a n d Te c h n o lo g y o f Ch i n a P r e s s ，2 0 0 3( i n Ch i n e s e ) ( 叶宏 ，焦 冬

33、生，徐 斌 ，等 I - D E AS热 分 析实 用 教 程 M 合肥 ：中国科学技术大学 出版社 ，2 0 0 3 ) 6 Yu C h u n ， Z h o u Xio n g h u i ， Z h a n g Yo n g q i n g T h e i n t e g r a t i o n o f f e a t u r e b a s e d mo d e l in g a n d f in it e e l e me n t me t h o d s J J o u r n a l o f Co mp u t e r Aid e d De s i g n C o mp u

34、t e r Gr a p h i c s 1 9 9 9 1 1 ( 1 )：6 26 5( in Chin e s e ) ( 虞春 ， 周雄辉 ， 张永清特征 造型与 有限元分析 的集成 化 研究 J 计算机辅 助设 计与 图形学 学报 ，1 9 9 9，1 1 ( 1 ) ：6 2 6 5 ) 董庆伟女 ， 1 9 6 9年生 ， 硕士 ， 工程师 ， 主要研 究 方 向为 C A D C A M C A E、 虚 拟产 品 开 发 商 建 东 男 ， 1 9 6 8年 生 ， 博 士 ， 副 教 授 ， 主要研究方向为计算机集成制造 、 智能 仪器 、 虚拟产品设计 李济顺男 ， 1 9 6 3年生 ， 博士 ， 教授 ， 主 要研究方向为精密测量理论及应用 胡东 方 男 ， 1 9 6 7年 生 ， 硕 士 ， 讲 师 ， 主要研究方 向为虚 拟产 品开发 、 虚拟 仪器 设 汁 维普资讯 http:/