《智能設計方法》課件 8 智能設計方法的案例分析

第八章智能設計方法的案例分析演講人1機械設計中智能設計案例1.1機械設計機械設計（machinedesign）是根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構(gòu)思、分析和計算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產(chǎn)的第一步，是決定機械性能的最主要的因素。機械設計的努力目標是：在各種限定的條件（如材料、加工能力、理論知識和計算手段等）下設計出最好的機械，即做出優(yōu)化設計。優(yōu)化設計需要綜合地考慮許多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少環(huán)境污染。這些要求常是互相矛盾的，而且它們之間的相對重要性因機械種類和用途的不同而異。設計者的任務是按具體情況權衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設計的機械有最優(yōu)的綜合技術經(jīng)濟效果。過去，設計的優(yōu)化主要依靠設計者的知識、經(jīng)驗和遠見。隨著機械工程基礎理論和價值工程、系統(tǒng)分析等新學科的發(fā)展，制造和使用的技術經(jīng)濟數(shù)據(jù)資料的積累,以及計算機的推廣應用,優(yōu)化逐漸舍棄主觀判斷而依靠科學計算。1機械設計中智能設計案例1.1機械設計各產(chǎn)業(yè)機械的設計，特別是整體和整系統(tǒng)的機械設計，須依附于各有關的產(chǎn)業(yè)技術而難于形成獨立的學科。因此出現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機械設計、礦山機械設計、泵設計、壓縮機設計、汽輪機設計、內(nèi)燃機設計、機床設計等專業(yè)性的機械設計分支學科。機械設計可分為新型設計、繼承設計和變型設計3類。新型設計：應用成熟的科學技術或經(jīng)過實驗證明是可行的新技術，設計過去沒有過的新型機械。繼承設計：根據(jù)使用經(jīng)驗和技術發(fā)展對已有的機械進行設計更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運用費用。變型設計：為適應新的需要對已有的機械工作部分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標準型的變型產(chǎn)品。根據(jù)人們設計機器的長期經(jīng)驗，一部機器的設計程序基本上包含如下幾個階段：1機械設計中智能設計案例1.1機械設計1、計劃階段：在計劃階段中，應對所設計的機器的需求情況做充分的調(diào)查研究和分析。通過分析，進一步明確機器所應具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經(jīng)濟、加工以及時限等各方面所確定的約束條件。在此基礎上，明確地寫出設計任務的全面要求及細節(jié)，最后形成設計任務書，作為本階段的總結(jié)。2、方案設計階段。根據(jù)不同的工作原理，可以擬定多種不同的執(zhí)行機構(gòu)的具體方案。即使對于同一種工作原理，也可能有幾種不同的結(jié)構(gòu)方案。在如此眾多的方案中，技術上可行的僅有幾個。對這幾個可行的方案，要從技術方面和經(jīng)濟及環(huán)保等方面進行綜合評價。根據(jù)經(jīng)濟性進行評價時，既要考慮到設計及制造時的經(jīng)濟性，也要費用考慮到使用時的經(jīng)濟性。評價結(jié)構(gòu)方案的設計制造經(jīng)濟性時，還可以用單位功效的成本來表示。環(huán)境保護也是設計中必須認真考慮的重要方面。對環(huán)境造成不良影響的技術方案，必須詳細地進行分析，并提出技術上成熟的解決辦法。進行機器評價時，還必須對機器的可靠性進行分析，把可靠性作為一項評價的指標。1機械設計中智能設計案例1.1機械設計在方案設計階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關系。同類機器成功的先例應當借鑒，原先薄弱的環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務要求的部分應當加以改進或者根本改變。既要積極創(chuàng)新，反對保守和照搬原有設計，也要反對一味求新而把合理的原有經(jīng)驗棄置不用這兩種錯誤傾向。通過方案評價，最后進行決策，確定一個據(jù)以進行下步技術設計的原理圖或機構(gòu)運動簡圖。3、技術設計階段。技術設計階段的目標是產(chǎn)生總裝配草圖及部件裝配草圖。通過草圖設計確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零、部件的外形及基本尺寸。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。在技術設計的各個步驟中，近三四十年來發(fā)展起來的優(yōu)化設計技術，越來越顯示出它可使結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇達到最佳的能力。一些新的數(shù)值計算方法，如有限元法等，可使以前難以定量計算的問題獲得極好的近似定量計算的結(jié)果。1機械設計中智能設計案例1.1機械設計對于少數(shù)非常重要、結(jié)構(gòu)復雜且價格昂貴的零件，在必要時還須用模型試驗方法來進行設計，即按初步設計的圖紙制造出模型，通過試驗，找出結(jié)構(gòu)上的薄弱部位或多余的截面尺寸，據(jù)此進行加強或減小來修改原設計，最后達到完善的程度。4、技術文件編制階段。技術文件的種類較多，常用的有機器的設計計算說明書、使用說明書、標準件明細表等。編制設計計算說明書時，應包括方案選擇及技術設計的全部結(jié)論性的內(nèi)容。編制供用戶使用的機器使用說明書時，應向用戶介紹機器的性能參數(shù)范圍、使用操作方法、日常保養(yǎng)及簡單的維修方法、備用件的目錄等。其他技術文件，如檢驗合格單、外購件明細表、驗收條件等，視需要與否另行編制。1機械設計中智能設計案例1.2智能設計智能設計是指應用現(xiàn)代信息技術，采用計算機模擬人類的思維活動，提高計算機的智能水平，從而使計算機能夠更多、更好地承擔設計過程中各種復雜任務，成為設計人員的重要輔助工具。在機械設計中，智能設計的應用具有以下特點：1.實現(xiàn)過程自動化：人工智能技術的應用，使得機械設計的方法趨向多樣化，力圖在整個設計過程中實現(xiàn)過程自動化，從而最大限度地減少人類專家在設計過程中可能由于個人局限而造成的不足。2.提高設計效率和品質(zhì)：利用人工智能技術，可以實現(xiàn)機械設計的自動化和過程優(yōu)化，提高設計效率和品質(zhì)。例如，Siemens公司的智能設計系統(tǒng)可以自動完成機械零部件的設計，并隨時優(yōu)化設計參數(shù)，提高零部件的使用性能和質(zhì)量。1機械設計中智能設計案例1.2智能設計3.提供數(shù)據(jù)信息支持：人工智能技術還可以與大數(shù)據(jù)、云計算等新型信息技術相結(jié)合，進而從互聯(lián)網(wǎng)中檢索有利于實現(xiàn)機械設計制造的數(shù)據(jù)信息，為機械設計制造提供重要的數(shù)據(jù)信息支持，確保所提出的設計更符合當前時代需求，提高機械設計制造的效率及效果。4.保障生產(chǎn)安全：基于自動化的機械設計制造能保障生產(chǎn)安全，用人工智能來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，再合理安裝24h運行的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣一旦有危險情況發(fā)生，便可以啟動應急處理方案，從而有效解決機械設計制造過程中的人員傷亡問題，切實保障機械設計制造的安全性和穩(wěn)定性。5.促進效率的提升：基于自動化技術的機械設計制造極大地促進了效率的提升。在機械設計制造過程中由人工操作的一些復雜性環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)各種各樣的問題，直接影響機械設計制造的生產(chǎn)效率。1機械設計中智能設計案例1.3工業(yè)設計軟件目前，業(yè)界對工業(yè)軟件概念的界定還沒有統(tǒng)一。根據(jù)2020年編寫的中國工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)白皮書，工業(yè)軟件是工業(yè)技術/知識、流程的程序化封裝與復用，能夠在數(shù)字空間和物理空間定義工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)設備的形狀、結(jié)構(gòu)，控制其運動狀態(tài)，預測其變化規(guī)律，優(yōu)化制造和管理流程，變革生產(chǎn)方式，提升全要素生產(chǎn)率，是現(xiàn)代工業(yè)的“靈魂”。就工業(yè)軟件本身而言，由于工業(yè)門類復雜，脫胎于工業(yè)的工業(yè)軟件種類繁多，分類緯度和方式一直呈現(xiàn)多樣化趨勢，目前國內(nèi)外均沒有公認、適用的統(tǒng)一分類方式。一種在業(yè)界較為常用的聚類劃分方法，是把工業(yè)軟件按照產(chǎn)品生命周期的階段或環(huán)節(jié)，大致劃分為：研發(fā)設計類軟件、生產(chǎn)制造類軟件、運維服務類軟件和經(jīng)營管理類軟件，如表8-1所示。表8-1工業(yè)軟件聚類劃分1機械設計中智能設計案例1.3工業(yè)設計軟件研發(fā)設計類軟件是指用于支持產(chǎn)品研發(fā)設計過程，以提高研發(fā)設計效率、降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量的工業(yè)軟件，需要工程、數(shù)學、物理和計算機等多種專業(yè)知識儲備。我國工業(yè)增加值占全球比重約1/3，但工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅占全球不到10%的份額，產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間巨大。對于國內(nèi)的CAD/CAE軟件市場，目前約80%以上的供應商來自于國外，由法國達索系統(tǒng)公司（DassaultSystems）、德國西門子公司（Siemens）和美國參數(shù)技術公司（PTC）、美國Autodesk和美國Ansys所壟斷。國產(chǎn)CAD/CAE軟件公司，目前以中望龍騰、浩辰軟件和索辰科技等上市公司為代表，市場規(guī)模小，在功能上與國外軟件相差較大，關鍵技術自主可控程度較低。1機械設計中智能設計案例1.4CAD技術基礎計算機輔助設計（CAD）技術，自其誕生之初至今，已經(jīng)走過了漫長而不斷進步的歷程。早在20世紀60年代，隨著計算機技術的初步發(fā)展，CAD技術開始萌芽，主要應用于簡單的二維圖形設計和初步的三維建模。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和計算能力的提升，CAD技術逐漸演進，從二維繪圖向三維實體建模轉(zhuǎn)變，從簡單的幾何形狀繪制到復雜的裝配體設計。到了20世紀90年代，隨著參數(shù)化設計、特征造型等先進設計方法的出現(xiàn)，CAD技術迎來了又一次的飛躍。進入21世紀，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的興起，CAD技術正在向智能化、集成化、協(xié)同化的方向發(fā)展。CAD技術的基本概念涵蓋了使用計算機及其相關軟件來輔助設計師進行各種設計活動，包括但不限于產(chǎn)品設計、工程分析、文檔制作以及項目管理等。CAD技術的核心在于將傳統(tǒng)的設計過程數(shù)字化，使設計師能夠更快速、更準確地進行設計，并方便地進行設計修改和迭代。1機械設計中智能設計案例1.4CAD技術基礎CAD技術在機械設計中應用廣泛，它極大地提高了設計效率和精度。以下是CAD在機械設計中的一些主要應用：1.二維和三維繪圖：CAD軟件能夠進行復雜的二維繪圖和三維建模，這對于機械設計至關重要。設計師可以在計算機上繪制精確的零件和裝配圖，這些圖紙是制造過程中的重要參考。2.設計方案優(yōu)化：利用CAD技術，設計師可以快速修改和優(yōu)化設計方案。他們可以輕松地調(diào)整尺寸、形狀和材料等參數(shù)，以找到最佳的設計解決方案。3.提高準確性：CAD軟件能夠確保設計數(shù)據(jù)的精確性，因為它允許設計師以數(shù)字方式輸入尺寸和公差。這樣可以減少人為錯誤，確保圖形方案符合相關要求。1機械設計中智能設計案例1.4CAD技術基礎4.仿真和分析：許多CAD系統(tǒng)包含仿真工具，可以在設計階段進行力學、熱學、動力學等方面的分析。這有助于預測產(chǎn)品在實際使用中的表現(xiàn)，從而在生產(chǎn)之前對設計進行調(diào)整。5.生產(chǎn)效率提升：通過使用CAD技術，機械設計制造的效率得到了顯著提高。設計師可以快速生成和修改設計，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。6.便于溝通和協(xié)作：CAD文件可以在不同的團隊成員和部門之間輕松共享，便于溝通和協(xié)作。這對于團隊合作完成復雜項目尤為重要。7.支持自動化和定制化：CAD技術可以與CAM（計算機輔助制造）和CAE（計算機輔助工程）等其他技術集成，實現(xiàn)設計到制造的無縫對接，支持產(chǎn)品的自動化和定制化生產(chǎn)。隨著技術的不斷進步，CAD在機械設計領域的應用將更加深入和廣泛。1機械設計中智能設計案例1.5CAD在機械設計中的應用案例以智能手機外殼的設計為例。手機外殼作為保護手機并增加其美觀性的重要組件，手機外殼設計市場呈現(xiàn)出多樣化、個性化和創(chuàng)新化的趨勢。手機外殼設計主要集中在材料選擇、結(jié)構(gòu)設計、美學外觀以及功能性等方面。在基于CAD的手機外殼設計流程中，可以分為：概念設計階段、詳細設計階段、模擬仿真與優(yōu)化迭代階段。1、概念設計階段。概念設計階段是整個設計過程的起點，也是最為關鍵的一環(huán)。在這一階段，設計師需要深入理解手機外殼的市場需求、用戶喜好以及產(chǎn)品定位，將這些抽象的概念轉(zhuǎn)化為具體的設計語言。設計師通過手繪草圖、初步的三維模型等方式，探索不同的設計方1機械設計中智能設計案例1.5CAD在機械設計中的應用案例向，并篩選出最具創(chuàng)新性和可行性的設計方案。在概念設計階段，CAD軟件的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，設計師可以利用CAD軟件的建模功能，將初步的設計構(gòu)想迅速轉(zhuǎn)化為三維模型，以便于后續(xù)的深入設計和優(yōu)化。其次，CAD軟件的分析工具可以幫助設計師對設計方案進行初步評估，例如通過碰撞檢測、材料分析等功能，預測設計方案在實際生產(chǎn)中的可行性。最后，CAD軟件還提供了豐富的渲染和可視化工具，使設計師能夠更直觀地展示設計方案，與團隊成員或客戶進行更有效的溝通。2、詳細設計階段。詳細設計階段是在概念設計基礎上進行的深化和優(yōu)化過程。在這一階段，設計師需要對手機外殼的各個細節(jié)進行深入研究和設計，包括外殼的形狀、尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料選擇等。通過不斷調(diào)整和優(yōu)化設計方案，設計師需要確保手機外殼在滿足功能性需1機械設計中智能設計案例1.5CAD在機械設計中的應用案例求的同時，也能達到良好的用戶體驗和審美效果。在詳細設計階段，CAD軟件的應用更加廣泛。設計師可以利用CAD軟件的各種建模工具，如曲線、曲面、實體等建模功能，精確地創(chuàng)建手機外殼的三維模型。同時，CAD軟件還提供了豐富的材料庫和紋理庫，使設計師能夠方便地選擇和調(diào)整外殼的材料和質(zhì)感。此外，設計師還可以利用CAD軟件的參數(shù)化設計功能，對設計方案進行快速調(diào)整和修改，提高設計效率。3、模擬仿真與優(yōu)化迭代階段。在完成詳細設計階段后，設計師需要進行模擬仿真和優(yōu)化迭代，以確保設計方案在實際應用中的可行性和性能。在這一階段，CAD軟件發(fā)揮著至關重1機械設計中智能設計案例1.5CAD在機械設計中的應用案例要的作用。模擬仿真是指利用CAD軟件對設計方案進行虛擬測試，以預測其在實際使用中的表現(xiàn)。例如，設計師可以利用CAD軟件進行結(jié)構(gòu)分析，評估手機外殼在不同外力作用下的強度和穩(wěn)定性；通過熱分析，預測外殼在長時間使用過程中的熱分布和散熱性能；以及進行運動仿真，模擬手機與外殼在實際操作中的互動效果。這些模擬仿真結(jié)果可以為設計師提供寶貴的反饋，幫助他們發(fā)現(xiàn)設計方案中可能存在的問題和不足之處?；谀M仿真的結(jié)果，設計師需要進行優(yōu)化迭代，對設計方案進行進一步的改進和完善。優(yōu)化迭代的過程可能涉及多個方面，如調(diào)整外殼的尺寸和形狀以提高握持舒適度、優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)以提高散熱性能、改進材料選擇以提高耐用性等。在這一階段，CAD軟件的參數(shù)化設計和建模功能再次發(fā)揮了重要作用，使設計師能夠迅速地對設計方案進行修改和優(yōu)化。1機械設計中智能設計案例1.5CAD在機械設計中的應用案例通過模擬仿真和優(yōu)化迭代的過程，設計師可以確保最終的手機外殼設計方案既符合市場需求和用戶期望，又具有良好的功能性和性能表現(xiàn)。這一過程不僅提高了設計的準確性和可靠性，也大大縮短了產(chǎn)品從設計到市場的時間周期。采用Spaceclaim軟件繪制的智能手機外殼如圖8-1所示。該智能手機外殼的三維模型可以采用如圖8-2所示的二維工程圖進行參數(shù)化設計。1機械設計中智能設計案例1.5CAD在機械設計中的應用案例(a)(b)圖8-1某智能手機外殼（a）背面，（b）正面1機械設計中智能設計案例1.5CAD在機械設計中的應用案例圖8-2某智能手機外殼的二維工程圖1機械設計中智能設計案例1.6CAE技術基礎計算機輔助工程（CAE）是一種利用計算機技術和數(shù)值分析方法，對工程問題進行模擬、分析和優(yōu)化的綜合性技術。CAE結(jié)合了計算機科學、數(shù)學、物理學和工程學等多個學科的知識，為工程師提供了一個強大的工具，可以在產(chǎn)品設計、制造和維護過程中，預測產(chǎn)品的性能、可靠性和經(jīng)濟性。CAE技術通過構(gòu)建數(shù)學模型，將實際工程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題，并利用高性能計算機進行數(shù)值求解。這些數(shù)學模型可以描述工程中的物理現(xiàn)象，如結(jié)構(gòu)力學、流體動力學、熱力學等，從而實現(xiàn)對工程問題的全面分析。CAE技術不僅提高了工程設計的準確性和可靠性，還縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了成本，為現(xiàn)代工程領域的發(fā)展提供了強有力的支持。CAE技術在現(xiàn)代工程領域具有重要的地位和作用。它不僅提高了工程設計的準確性和可靠性，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了成本，還推動了工程領域的技術進步和創(chuàng)新發(fā)展。1機械設計中智能設計案例1.6CAE技術基礎CAE的歷史可以追溯到20世紀50年代，當時計算機技術剛剛起步，科學家們開始嘗試將數(shù)學模型與計算機技術結(jié)合，以解決復雜的工程問題。最初的CAE技術主要用于結(jié)構(gòu)力學分析，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，CAE逐漸擴展到其他工程領域，如流體動力學、熱力學等。12進入21世紀，隨著高性能計算、云計算等技術的發(fā)展，CAE技術在數(shù)據(jù)處理能力、分析精度和效率等方面取得了顯著進步。如今，CAE技術已經(jīng)成為工程設計和制造業(yè)不可或缺的重要工具，為工程領域的發(fā)展提供了強大的技術支持。320世紀60年代，有限元分析（FEA）技術的出現(xiàn)為CAE技術的發(fā)展奠定了堅實的基礎。有限元分析通過將復雜的工程問題分解為一系列簡單的子問題，利用數(shù)學方法求解，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的模擬和分析。隨著有限元分析技術的不斷完善和成熟，CAE技術的應用范圍越來越廣泛。1機械設計中智能設計案例1.6CAE技術基礎著名的CAE軟件有ANSYS、ABAQUS等。ANSYS是一款由美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，它在全球范圍內(nèi)是增長最快的CAE軟件之一。ANSYS以其強大的功能和廣泛的應用領域，在工程界中享有極高的聲譽。ANSYS的功能非常強大，它包含豐富的單元類型和材料模型庫，能夠模擬各種工程材料的性能。這使得ANSYS在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等多個領域有著廣泛的應用。同時，其操作簡單方便，已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評比中都名列第一。在中國，就有100多所理工院校采用ANSYS軟件進行有限元分析或者作為標準教學軟件。1機械設計中智能設計案例1.6CAE技術基礎ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其在解決復雜工程問題上表現(xiàn)出色，特別是在處理高度非線性問題時，ABAQUS被公認為是業(yè)界領先的軟件之一。它擁有一個豐富的單元庫，可以模擬任意幾何形狀，并且擁有各種類型的材料模型庫，能夠模擬典型工程材料的性能，包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料。除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應力/位移）問題，ABAQUS還可以模擬其他工程領域的許多問題，例如熱傳導、質(zhì)量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析（流體滲透/應力耦合分析）及壓電介質(zhì)分析等。這使得ABAQUS成為一個通用的模擬工具，能夠應用于多個工程領域。1機械設計中智能設計案例1.6CAE技術基礎隨著科技的快速發(fā)展和工程領域的日益復雜，CAE技術也面臨著多方面的挑戰(zhàn)。其中，數(shù)據(jù)精度問題是一大難題。在實際工程應用中，由于數(shù)據(jù)來源的多樣性、數(shù)據(jù)采集和處理過程中的誤差等因素，往往導致CAE分析所需的數(shù)據(jù)精度不足，從而影響了分析結(jié)果的準確性和可靠性。此外，計算效率也是一個亟待解決的問題。復雜的工程問題往往需要進行大規(guī)模的計算和模擬，這對計算機的性能和算法的效率提出了更高的要求。除了技術和計算方面的挑戰(zhàn)外，CAE技術還面臨著應用領域的挑戰(zhàn)。不同的工程領域具有其獨特的特點和需求，如何使CAE技術更好地適應和滿足這些需求，是擺在研究者面前的一大難題。此外，隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，CAE技術也需要不斷更新和完善，以適應這些新的變化和需求。1機械設計中智能設計案例1.6CAE技術基礎在未來，隨著工程設計和制造業(yè)的不斷發(fā)展，CAE技術的重要性將更加凸顯。隨著計算能力的不斷提升和算法的不斷優(yōu)化，CAE技術將能夠更準確地模擬和預測產(chǎn)品的性能，為工程師提供更加可靠的數(shù)據(jù)支持。同時，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術的不斷發(fā)展，CAE技術還將與這些先進技術相結(jié)合，為工程設計和制造業(yè)帶來更加智能、高效的解決方案。1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例隨著計算機輔助工程（CAE）技術的快速發(fā)展，其在產(chǎn)品設計、性能分析和優(yōu)化中的應用越來越廣泛。CAE技術能夠模擬產(chǎn)品在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，幫助工程師在設計階段預測潛在的問題并進行優(yōu)化。以智能手機外殼為例。CAE技術在跌落分析中的應用，可以彌補傳統(tǒng)跌落測試的不足，提高分析效率和準確性。通過建立手機外殼的仿真模型，可以模擬不同條件下的跌落過程，獲取詳細的受力、變形和能量吸收數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅可以幫助工程師深入理解手機外殼在跌落過程中的行為機制，還可以為優(yōu)化設計方案提供有力支持。此外，隨著CAE技術的不斷發(fā)展和完善，其在跌落分析中的應用將更加廣泛和深入。例如，通過引入更先進的材料模型、接觸算法和求解策略，可以進一步提高跌落仿真的精度和效率。同時，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術的應用，還可以實現(xiàn)基于仿真數(shù)據(jù)的手機外殼性能預測和優(yōu)化設計自動化，為手機外殼的研發(fā)和生產(chǎn)提供更加智能和高效的解決方案。1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例以LS-DYNA對手機外殼進行跌落測試模擬為例，模擬過程包含以下步驟：1、幾何建模處理。考慮到手機外殼的復雜性，首先從CAD軟件中導入了外殼的設計數(shù)據(jù)，確保模型與實物的高度一致性。建模過程中，特別關注外殼的細節(jié)部分，如邊角、接口和孔洞等，確保這些關鍵部位在仿真中能夠得到準確的模擬。2、材料屬性定義。在定義手機外殼的材料屬性時，需要參考制造商提供的技術規(guī)格和實驗數(shù)據(jù)。外殼主要采用輕質(zhì)合金或塑料材料，這些材料在沖擊和碰撞中表現(xiàn)出良好的能量吸收能力。根據(jù)材料的彈性模量、泊松比、密度和屈服強度等參數(shù)，在CAE軟件中設置相應的材料屬性。此外，還需要考慮了材料的非線性特性，如彈塑性變形和損傷演化等，以確保仿真結(jié)果的準確性。1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例3、邊界條件與加載條件設置。在仿真模型中，邊界條件和加載條件的設置對于模擬結(jié)果的準確性至關重要。需要根據(jù)手機外殼在實際使用中的約束情況，設置合理的邊界條件。例如，在模擬手機自由跌落時，將外殼的底部設置為固定約束，以模擬地面對手機的支撐作用。同時，還根據(jù)跌落試驗的要求，設置適當?shù)募虞d條件。這些加載條件包括重力加速度、跌落高度和跌落角度等，以模擬手機在不同跌落條件下的受力情況。4、網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是仿真模型建立過程中的關鍵步驟之一。采用高質(zhì)量的四面體網(wǎng)格對手機外殼進行劃分，以確保仿真結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性，如圖8-3所示。在網(wǎng)格劃分過程中，特別關注外殼的細節(jié)部分和應力集中區(qū)域，對這些區(qū)域進行了網(wǎng)格加密處理。此外，還進行了網(wǎng)格無關性驗證，以確保網(wǎng)格大小對仿真結(jié)果的影響在可接受范圍內(nèi)。最終得到的網(wǎng)格模型既保證了計算精度，又提高了仿真效率。1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例(a)(b)圖8-3某智能手機外殼的網(wǎng)格劃分(a)正面，(b)背面，單元數(shù)量6749995、求解器設置與模擬運行。在仿真過程中，求解器的設置直接關系到模擬結(jié)果的準確性和效率。在本案例中，選用成熟的LS-DYNA商業(yè)有限元分析軟件，其內(nèi)置的求解器具備高效的計算能力和穩(wěn)定的收斂性。為了確保仿真模擬的準確性和可靠性，需要對求解器進行1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例了細致的參數(shù)設置。首先，根據(jù)手機外殼的材料屬性和跌落測試的實際情況，設定合適的時間步長和載荷步數(shù)。時間步長的選擇需要平衡計算精度和計算效率，而載荷步數(shù)則決定了模擬過程中外力施加的方式和速度。其次，為了更真實地模擬跌落過程中手機外殼的動態(tài)響應，采用顯式動力學求解算法。這種算法特別適用于處理涉及大變形、高速度、非線性的復雜動態(tài)問題。在顯式動力學分析中，每一步的計算都基于上一步的結(jié)果進行更新，從而能夠更準確地捕捉跌落過程中的動態(tài)效應。在模擬運行階段，根據(jù)設定的參數(shù)和條件，對手機外殼模型進行跌落模擬。通過設定合適的邊界條件和加載條件，模擬手機外殼在實際跌落過程中受到的沖擊力和碰撞效應。模擬運行的結(jié)果將以位移、速度、加速度等參數(shù)的形式輸出，供后續(xù)的數(shù)據(jù)提取和分析使用。1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例6、結(jié)果數(shù)據(jù)后處理。在完成模擬運行后，從仿真軟件中導出相關的結(jié)果數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括手機外殼各部分的位移、速度、加速度以及應力應變分布等關鍵參數(shù)。為了方便后續(xù)分析，可以將這些數(shù)據(jù)整理成表格和圖表的形式，以便更直觀地展示仿真結(jié)果。圖8-4顯示了碰撞瞬間手機外殼的應力分布云圖?？梢娕鲎参恢玫膽ψ罡?，若該應力超過材料強度極限1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例，則該位置的材料將發(fā)生失效。注意的是，該應力云圖模擬的是對心碰撞。圖8-4某智能手機外殼對心碰撞瞬間的應力云圖在數(shù)據(jù)提取過程中，特別關注手機外殼在跌落過程中的最大位移、最大速度和最大加速度等關鍵指標。這些指標能夠直接反映手機外殼在跌落過程中的動態(tài)響應和沖擊效果。此外，還可以對手機外殼的應力應變分布進行詳細的分析，以評估其結(jié)構(gòu)強度和抗沖擊性能。7、結(jié)果合理性驗證。仿真結(jié)果的合理性需要通過實測數(shù)據(jù)進行驗證。首先，將仿真結(jié)果與實際的跌落測試結(jié)果進行對比。通過對比實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，判斷兩者在位移、速度和加速度等關鍵指標上是否具有較好的一致性。如果一致性明顯，則說明仿真模型能夠較準確地1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例模擬手機外殼在跌落過程中的動態(tài)響應。其次，對仿真結(jié)果的合理性進行進一步的分析驗證。例如，手機外殼在跌落過程中的應力應變分布，判斷其分布規(guī)律是否與實際情況相符。此外，還可以對仿真過程中可能出現(xiàn)的誤差來源進行分析，包括模型簡化、材料屬性設定、邊界條件設置等因素。通過對誤差來源的分析，可以對仿真結(jié)果進行必要的修正和調(diào)整，以確保其合理性和可靠性。8、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在獲取手機外殼在跌落沖擊下的詳細響應數(shù)據(jù)基礎上，可以對手機外殼的結(jié)構(gòu)弱點進行深入分析。首先，在跌落沖擊過程中，外殼的某些部位可能出現(xiàn)過度的應力集中，這些部位往往是結(jié)構(gòu)設計的薄弱環(huán)節(jié)。通過對比不同跌落方向和角度的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)手機外殼的邊角和連接處是應力集中最為嚴重的區(qū)域。這些區(qū)域由于幾何形狀突變或材料連接1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例不連續(xù)，導致在沖擊過程中無法有效分散應力，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。此外，外殼的材料屬性對結(jié)構(gòu)的抗跌性能也有著重要影響。一些部位由于使用了較薄的材料或材料性能不佳，導致在沖擊過程中容易發(fā)生變形或破損。這些問題都嚴重影響了手機外殼的抗跌性能，需要進行針對性的改進措施。具體的改進措施有：首先，針對應力集中嚴重的邊角和連接處，考慮對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，如增加圓角過渡、優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)等，以減少應力集中現(xiàn)象。同時，還可以考慮使用更高性能的材料來替代原有材料，以提高這些區(qū)域的抗沖擊能力。其次，對于材料屬性較差的區(qū)域，可以通過增加材料厚度、使用更高強度的材料或引入加強筋等結(jié)構(gòu)來增強其結(jié)構(gòu)強度。1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例在提出改進措施后，需要進行多次的設計迭代優(yōu)化。需要基于CAE仿真結(jié)果對改進措施的有效性進行評估，并根據(jù)評估結(jié)果對設計方案進行不斷調(diào)整和優(yōu)化。在每次迭代過程中，都要重新建立仿真模型、進行模擬分析，并對比前后兩次模擬結(jié)果的差異。通過這些對比，可以直觀地觀察到改進措施對手機外殼抗跌性能的提升效果，并據(jù)此對設計方案進行進一步優(yōu)化。經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化后，最終得到一個具有較高抗跌性能的手機外殼設計方案。這個方案在保持原有手機外殼功能和外觀的基礎上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和材料性能提升等措施，顯著提高了其抗沖擊能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?？偨Y(jié)：與傳統(tǒng)的實驗測試相比，CAE技術具有成本低、周期短、可重復性強等優(yōu)點。同時，通過參數(shù)化設計和優(yōu)化算法的結(jié)合，可以實現(xiàn)手機外殼的快速迭代和優(yōu)化，從而進一步提高產(chǎn)品的抗跌性能和市場競爭力。1機械設計中智能設計案例1.7CAE在機械設計中的應用案例然而，需要注意的是，雖然CAE技術在手機外殼抗跌性能分析中表現(xiàn)出色，但仍需與實驗測試相結(jié)合，以確保結(jié)果的準確性和可靠性。此外，隨著手機技術的不斷發(fā)展和新材料的不斷涌現(xiàn)，還需要不斷更新和完善CAE技術和方法，以適應不斷變化的市場需求和技術挑戰(zhàn)。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化隨著智能制造理念的深入人心，對生產(chǎn)流程的智能化、速度和效率要求日益增高。流水線分揀環(huán)節(jié)，作為生產(chǎn)過程中的關鍵部分，正成為提升效率和實現(xiàn)智能化的關鍵研究領域。得益于其快速響應和輕量化設計，Delta并聯(lián)機器人在機器人技術中以其卓越的速度而著稱，它在需要重復勞動的分揀任務中得到了廣泛應用。得益于機器視覺技術的輔助，Delta并聯(lián)機器人能夠更加智能地處理傳送帶上雜亂無序的物品分布。在分揀任務的研究中，軌跡規(guī)劃、視覺控制和動態(tài)抓取算法等關鍵技術已經(jīng)吸引了眾多學者的關注和深入探究。這些研究主要集中在優(yōu)化機器人的單次抓取動作上。然而，在實際的連續(xù)作業(yè)環(huán)境中，面對多個目標的抓取順序通常按照優(yōu)先處理傳送帶遠端物品或采用隨機抓取的策略。這種簡單的順序策略在面對復雜多變的分揀環(huán)境時顯得力不從心，因此，為了適應Delta機器人的高速抓取需求，研究必須轉(zhuǎn)向以最短末端運動路徑為目標的最優(yōu)路徑規(guī)劃。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.1傳送帶流水線分揀系統(tǒng)圖8-5所展示的Delta并聯(lián)機器人分揀系統(tǒng)，由四個主要模塊構(gòu)成：工業(yè)相機視覺控制模塊、機器人本體模塊、運動控制模塊以及傳送帶模塊。這一系統(tǒng)的工作原理是，工業(yè)相機捕獲傳送帶上物品的圖像信息，然后通過計算機進行圖像處理，從而精確地提取出物品的空間位置數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為物品的拾取坐標，被傳輸至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)這些坐標以及預設的放置點信息，指導機器人執(zhí)行精確的分揀任務。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.1傳送帶流水線分揀系統(tǒng)圖8-5Delta并聯(lián)機器人分揀系統(tǒng)布局流水線分揀系統(tǒng)的工作流程如圖8-6所示，在系統(tǒng)啟動并進入工作狀態(tài)時，從上游輸送帶傳來的工件會無序地散布在輸送帶上。位于輸送帶上游正上方的工業(yè)相機會按照設定的頻率對這些工件進行圖像采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機系統(tǒng)。計算機利用圖像處理算法從采樣信息中提取出工件的空間坐標，消除相鄰采樣間重復的工件坐標信息。隨后，系統(tǒng)對識別出的待分揀工件進行排序，根據(jù)它們在輸送帶上的具體位置，形成一個先進先出（FIFO）的抓取順序緩沖隊列。這個隊列為機器人的運動控制系統(tǒng)提供了一個清晰的抓取作業(yè)指導。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.1傳送帶流水線分揀系統(tǒng)當機器人的運動控制系統(tǒng)檢測到緩沖隊列中有待處理的工件時，它會讀取隊列前端的工件信息，并運用運動學算法計算出機器人各關節(jié)所需的運動量。接著，系統(tǒng)指導Delta并聯(lián)機器人根據(jù)這些計算結(jié)果執(zhí)行精確的分揀動作。完成分揀后，系統(tǒng)將重新開始上述流程，持續(xù)高效地進行分揀作業(yè)。圖8-6分揀系統(tǒng)作業(yè)流程圖2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.1傳送帶流水線分揀系統(tǒng)圖8-7提供了機器人分揀作業(yè)區(qū)域的鳥瞰圖，該區(qū)域位于機器人的工作空間內(nèi)，展示了機器人在輸送帶平面上能夠到達的運動范圍。在這個工作空間中，輸送帶穿過區(qū)域的上半部，而下半部則是用于放置工件的區(qū)域，稱為放置區(qū)。工業(yè)相機負責在視覺識別區(qū)內(nèi)對輸送帶上的工件進行采樣，輸送帶以一定的速度向左方輸送工件。在圖中，放置區(qū)設計有十個放置點，用于展示分揀過程。這些放置點可能用于放置用于收納工件的容器，如包裝盒等。通過這種方式，機器人可以高效地將工件從輸送帶上分揀到指定的放置點，從而實現(xiàn)有序的物料管理和分揀作業(yè)。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.1傳送帶流水線分揀系統(tǒng)圖8-7分揀區(qū)域俯視平面圖2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.2Delta機器人抓放過程(1)單次靜態(tài)抓放過程Delta機器人的一個工作周期由單一的靜態(tài)抓取和放置動作組成，在這個過程中，機器人對不同位置的工件執(zhí)行相同的抓取動作并進行分揀。抓取和放置動作的路徑通常遵循一個門字型的曲線，這個曲線包含兩段主要沿著豎直方向的運動和一段沿水平方向的運動。如圖8-8展示的那樣，機器人從A1點開始，經(jīng)過A3點和A6點，最終到達A8點，完成一次完整的抓取到放置的循環(huán)。在Delta機器人進行高速作業(yè)時，由于其運動軌跡在豎直與水平部分的連接點（如A3和A6點）存在尖銳的轉(zhuǎn)角，這會導致在這些拐角處速度和加速度的劇烈變化，進而引起機構(gòu)的振動和電機的額外損耗。為了緩解這一問題，提高運動的平滑性，可以通過采用圓弧曲線、Lamé曲線或PH曲線等幾何形狀來替代原有的直角，優(yōu)化運動軌跡。如圖8-8所示，經(jīng)過這樣的優(yōu)化，機器人從抓取到放置的路徑將經(jīng)過A1，A2，A4，A5，A7和A8點，形成一個更加平滑的軌跡。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.2Delta機器人抓放過程在高速分揀任務中，機器人需要不斷地沿著門形軌跡進行重復作業(yè)，這期間涉及到多次的啟動、停止和速度變化。為了保證機器人在運動過程中位移、速度和加速度的平穩(wěn)過渡，避免突變，通常會采用多項式、擺線和修正梯形等運動規(guī)律對機器人的運動特性進行調(diào)整和優(yōu)化。通過對門形軌跡的各段采用上述運動規(guī)律進行插補，可以計算出機器人主動臂在每一段運動中的運動參數(shù)。接著，通過除以減速比，可以得到對應每個插值點的電動機驅(qū)動參數(shù)。這樣，機器人的末端執(zhí)行器就能夠按照優(yōu)化后的設定軌跡準確、平穩(wěn)地完成分揀任務。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.2Delta機器人抓放過程圖8-8Delta機器人門形抓取軌跡規(guī)劃2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化動態(tài)分揀抓放過程Delta機器人在執(zhí)行從輸送帶到放置區(qū)的工件分揀任務時，涉及的是一個動態(tài)的操作過程。如圖8-9展示，P1和P2分別代表工件G1和G2的預定放置位置。當機器人完成對G1的抓取并移動至P1進行放置的過程中，G2會隨著輸送帶的運行從其原始位置移動到新的位置G2'。因此，當機器人返回抓取G2時，實際上它需要在G2'的新位置進行抓取。這個動態(tài)的分揀過程在輸送帶流水線上不斷重復，形成了連續(xù)的作業(yè)流程。本案例的焦點即在于優(yōu)化這一動態(tài)分揀流程中工件的抓取順序，以提高整體作業(yè)的效率和性能。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化動態(tài)分揀抓放過程圖8-9Delta機器人動態(tài)分揀抓放過程2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.3針對流水線分揀作業(yè)的蟻群算法優(yōu)化蟻群算法(AntColonyOptimization，ACO)是一種基于生物啟發(fā)的優(yōu)化算法，它模擬了螞蟻在尋找食物路徑過程中的行為。蟻群算法利用螞蟻在尋找食物時釋放信息素的機制，通過信息素的正反饋機制，最終找到從螞蟻巢到食物源的最優(yōu)路徑。蟻群算法的基本思想是：一群模擬螞蟻在圖或網(wǎng)絡上隨機行走，并在行走過程中動態(tài)地修改每條邊的信息素濃度，最終將收斂到最優(yōu)解或接近最優(yōu)解。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.4仿真實驗與結(jié)果分析在本案例中，我們利用工業(yè)相機對傳送帶上的物料進行了隨機采樣，共收集了10組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將作為機器人抓取作業(yè)的位置點。具體采樣結(jié)果記錄在表8-2中。而對于物料的放置位置點，我們根據(jù)分揀作業(yè)的效率和均衡性原則，進行了均勻的間隔設置，以確保分揀過程中的效率最大化。放置位置點的具體布局和間隔信息詳列于表8-3中。通過這樣的設置，我們可以更好地評估和優(yōu)化Delta機器人在實際分揀作業(yè)中的性能。表8-2抓取位置點表8-3放置位置點為了評估蟻群算法的優(yōu)化效果，我們首先進行了一項基準仿真實驗，該實驗按照從傳送帶下游到上游的順序進行抓取。具體來說，抓取位置點按照其橫坐標從小到大的順序進行抓取，同時，放置點也依照相同的順序，基于橫坐標從小到大進行排列。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.4仿真實驗與結(jié)果分析通過這種順序抓取的方式，我們得到了一次完整的分揀過程，并記錄了總的抓取路徑長度。仿真結(jié)果顯示，順序分揀的總路程為7164.86毫米，對應的分揀路徑已經(jīng)在圖8-10中清晰地展示出來。這一結(jié)果將作為蟻群算法優(yōu)化后路徑的對比基準。圖8-10順序分揀路徑圖2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.4仿真實驗與結(jié)果分析圖8-11蟻群算法最優(yōu)分揀路徑圖圖8-12為適應度進化曲線，在本實驗中，蟻群算法經(jīng)43次迭代后收斂。在最后經(jīng)過對比，可得出蟻群算法優(yōu)化后分揀總路程減少了281.8mm。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.4仿真實驗與結(jié)果分析圖8-12蟻群算法最優(yōu)分揀路徑圖在本案例中，我們將蟻群算法應用于優(yōu)化Delta并聯(lián)機器人在流水線分揀任務中的表現(xiàn)。為了適應流水線作業(yè)的具體需求，我們對蟻群算法進行了特定的改進，將抓取區(qū)和放置區(qū)分別視為兩個不同的城市集合。這種改進有效應對了分揀作業(yè)中抓取和放置動作在兩個區(qū)域之間交替進行的特點。2Delta并聯(lián)機器人分揀策略優(yōu)化2.4仿真實驗與結(jié)果分析通過蟻群算法的應用，我們成功地優(yōu)化了分揀路徑，使得機器人在執(zhí)行分揀任務時的總移動距離得到了顯著縮短。具體而言，與傳統(tǒng)的順序分揀方法相比，經(jīng)過優(yōu)化的分揀路徑總長度減少了281.8毫米。這一改進顯著提高了分揀作業(yè)的效率，證明了蟻群算法在解決此類優(yōu)化問題上的有效性和實用性。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化隨著航空航天技術的飛速進步，面對空間大型多功能航天設備的需求與有限的運載空間之間的挑戰(zhàn)，具備展開和閉合功能的可展結(jié)構(gòu)逐漸成為全球研究的焦點。國際上的主要航天機構(gòu)和商業(yè)企業(yè)在這一領域投入了大量研究，推動了空間大型可展結(jié)構(gòu)設計和應用的顯著進展。近年來，這類可展結(jié)構(gòu)技術也開始在民用建筑和相關設施中得到廣泛采用。自20世紀80年代末以來，開合屋蓋技術在發(fā)達國家迅速興起。例如，加拿大多倫多的天空穹頂、美國菲尼克斯的棒球場、荷蘭阿姆斯特丹的體育場以及英國的溫布利足球場等，都是采用開合屋蓋結(jié)構(gòu)的著名建筑。這種屋蓋技術的發(fā)展與體育事業(yè)的蓬勃興起緊密相連，最初的應用主要集中在游泳館、網(wǎng)球館等體育設施上。隨著技術的發(fā)展，開合屋蓋的規(guī)模從小型體育建筑擴展到了大型體育場館，并且其應用范圍也逐漸覆蓋到包括樓宇、賓館、私人庭院、商業(yè)廣場中庭、飛機庫、工廠車間等多種場合，成為一種適用于各種需要開放空間功能的理想的屋蓋系統(tǒng)。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化在本案例中，我們采用了遺傳算法來優(yōu)化一種新型開合屋蓋的設計。目標是通過這種先進的優(yōu)化技術，實現(xiàn)屋蓋系統(tǒng)在開合性能和經(jīng)濟效益方面的顯著提升。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.1可展結(jié)構(gòu)設計與分析開合屋蓋結(jié)構(gòu)需要快速完成開合動作，這就要求其構(gòu)件不僅要運動迅速，還要承受較大的力。為了確保在收縮和展開狀態(tài)下屋蓋的力學性能最優(yōu)，設計時采用了圓形結(jié)構(gòu)，因為它在支撐件和覆蓋分布均勻?qū)ΨQ時，力學性能最佳。該屋蓋由一系列單元組成，這些單元通過圓形排列形成整個圓形結(jié)構(gòu)，且在展開與折疊過程中保持對應的圓心角不變。通過研究，設計了如圖8-13(a)所示的單元，當參數(shù)滿足下列關系時，就可以實現(xiàn)構(gòu)件AEC和構(gòu)件BED相互旋轉(zhuǎn)不會改變由A、B、C、D支撐的圓心角。在設計中，我們采用了對稱布置的方法，創(chuàng)建了一個包含平行四邊形的廣義角度元素，如圖8-13(b)所示。當這個圓形角能夠被360整除時，就可以構(gòu)成一個完整的二段式角度桿布置，如圖8-13(c)所示。同樣的方法也適用于設計三段式角度桿的布置，如圖8-13(d)所示。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.1可展結(jié)構(gòu)設計與分析圖8-13(e)展示了這種可展結(jié)構(gòu)的徑向展開過程。在這一過程中，可以觀察到，盡管結(jié)構(gòu)在展開，但構(gòu)成角度元素的端點與結(jié)構(gòu)的形心之間的連線并不圍繞形心旋轉(zhuǎn)，而是保持固定。這意味著整個結(jié)構(gòu)的節(jié)點僅在其與形心的連線上進行移動。通過深入分析，我們得出結(jié)論，該機構(gòu)本質(zhì)上是一個單自由度系統(tǒng)，這使得控制和操作更加簡單高效。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.1可展結(jié)構(gòu)設計與分析(a)(b)3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.1可展結(jié)構(gòu)設計與分析(c)(d)3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.1可展結(jié)構(gòu)設計與分析(f)圖8-13可展結(jié)構(gòu)設計過程(a)兩個角度桿組成的剪式鉸結(jié)構(gòu)，(b)廣義角度元素，(c)二段式角度桿組成的布置圖，(d)三段式角度桿組成的布置圖，(e)單平行四邊形環(huán)機構(gòu)展開過程3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化支撐方案的設計為了便于可展開合結(jié)構(gòu)的支撐與驅(qū)動，需要在機構(gòu)運動過程中確定構(gòu)件上的不動點，即構(gòu)件繞著某個或某幾個運動瞬心轉(zhuǎn)動。研究發(fā)現(xiàn)，在該機構(gòu)中，每個順時針元件上的扭結(jié)節(jié)點位于同一圓上，在展開和收縮過程中，它們繞著該圓的中心旋轉(zhuǎn)，如圖8-14(a)所示。而每個逆時針元件對應的運動均為純平移，如圖8-14(b)所示。由此可確定順時針角度桿運動瞬心的位置。將順時針角度桿連接到該瞬心位置，使其圍繞瞬心進行一定程度的轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)整個機構(gòu)的開合運動，具體方案如圖8-15所示。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化支撐方案的設計(a)(b)圖8-14開合屋蓋機構(gòu)中的元件(a)順時針角度桿的運動，(b)逆時針角度桿的運動3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化支撐方案的設計（a）收縮圖（b）中間狀態(tài)3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化支撐方案的設計（c）展開圖圖8-15瞬心式方案機構(gòu)展開圖采用圖8-16所示的傳動機構(gòu)，實現(xiàn)了對稱驅(qū)動可展開合結(jié)構(gòu)。該機構(gòu)由一個電機驅(qū)動中心齒輪，中心齒輪帶動三個行星輪。行星輪與瞬心桿鎖合，圍繞支撐點旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動整個結(jié)構(gòu)開合。所有嚙合齒輪大小相同，兩兩嚙合的齒輪轉(zhuǎn)速相同但方向相反。為簡化運動分析，以瞬心桿的轉(zhuǎn)動角度作為驅(qū)動角度。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化支撐方案的設計該可展結(jié)構(gòu)的完全展開和完全收縮狀態(tài)如圖8-17所示。展開時外圍節(jié)點構(gòu)成正多邊形；收縮時外圍節(jié)點位于一個小圓上。這意味著展開時打開的空間略大于收縮時所覆蓋的空間，從而滿足了開合屋蓋的功能需求。圖8-16開合屋蓋機構(gòu)的傳動方案3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化支撐方案的設計（a）展開狀態(tài)（b）收縮狀態(tài)圖8-17開合屋蓋機構(gòu)的兩個狀態(tài)圖3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化覆蓋元素的設計No.3實際屋蓋結(jié)構(gòu)除了由多角度構(gòu)件形成的可開合桿狀結(jié)構(gòu)外，還需要覆蓋結(jié)構(gòu)。一種解決方案是將覆蓋分成單獨的面板，每個面板固定在一個多角度元件上。要求面板在結(jié)構(gòu)完全閉合時不留下間隙，在結(jié)構(gòu)收縮時不干擾其他構(gòu)件。一個簡單方法是要求面板的平面投影之間不存在干擾。例如可將覆蓋元素設計成與角度桿相似的形狀，每個元素連接一個順時針桿和一個逆時針桿的端點。但這種設計無法完全覆蓋空間，存在缺口和重疊區(qū)域。通過幾何推導，在極限收縮位置時，一根桿靠近中心的邊與相鄰桿首尾連線相切。因此，可將短邊延長至與長邊等長，形成等腰三角形。這種設計可完全覆蓋空間，且過程中不會產(chǎn)生干擾，完成如圖8-18所示的效果。No.2No.13新型開合屋蓋設計與優(yōu)化覆蓋元素的設計圖8-18桿式覆蓋裝配效果3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.3原理樣機研制原理樣機模型尺寸初定為300×300×200mm。采用三段式角度桿，角度為150，共24個構(gòu)件。每段桿長50mm，寬8mm，厚5mm，材質(zhì)為亞克力。桿件通過3D打印的銷軸連接。覆蓋元素采用硬紙裁剪而成，裝配在角度桿上方。支撐方案采用三個直徑20mm的3D打印圓柱豎直連接屋蓋與地面，位于瞬心處。驅(qū)動方案為三個角度桿通過瞬心桿連接到瞬心，瞬心桿與齒輪鎖定。中心齒輪(模數(shù)2，齒數(shù)48，寬10mm)與三個行星輪嚙合，由JGB37-3535直流減速電機驅(qū)動中心齒輪，控制展開收縮。配合電機調(diào)速器可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而控制屋蓋展開、收縮過程及速度，如圖8-19所示。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.3原理樣機研制（a）收縮狀態(tài)（b）展開中間過程3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.3原理樣機研制（c）展開狀態(tài)圖8-19開合屋蓋模型3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.4開合屋蓋的蓋板碰撞分析開合屋蓋在打開和關閉結(jié)束時，往往會出現(xiàn)屋蓋單元的碰撞和屋蓋單元與固定物的碰撞。為了避免因碰撞造成的建筑物損傷，在Solidworks碰撞仿真中引入遺傳算法，尋找阻尼器位置和個數(shù)的優(yōu)化，如圖8-20所示。在Solidworks的motion模塊中，設置所有蓋板的材料為1023碳鋼板，質(zhì)量密度為7858kg/m3，總質(zhì)量為3.062kg。3新型開合屋蓋設計與優(yōu)化3.4開合屋蓋的蓋板碰撞分析圖8-20開合屋蓋Solidworks仿真模型考慮到開合屋蓋在開啟過程中，可能會出現(xiàn)剎車失靈等一系列狀況，導致屋蓋之間產(chǎn)生碰撞。阻尼器的位置和數(shù)量由遺傳算法決定，采用和連接副桿件并聯(lián)的方式接入結(jié)構(gòu)中。將底部支架固定，蓋板之間以及齒輪之間設置實體接觸。給中間齒輪施加方向為順時針，大小為200rpm的初始速度。將安裝阻尼器的7組位置編號為1-7，不同位置設