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1、广东工业大学机电工程学院计算机集成制造省重点实验室广州市工业产品设计技术服务平台子平台联系人：杨志军，博士，教授13711287640 主要内容 数字样机技术 深度分析计算平台简介 深度分析计算平台架构 分析案例数字样机分析流程设计问题节省时间与成本建造零件实体模型、有限元模型、系统约束力测试系统虚拟样机、虚拟试验机器、虚拟试验场验证对照物理试验，对操纵性和平顺性、NVH、耐久性改进柔性体 力函数 液压 控制系统 DOE自动化基于模板的设计，与DMU、CAD、CAE及PDM集成结果匹配吗？否是提高质量提高效率改进产品CAE平台组成平台组成运动/动力学应力疲劳非线性变 形噪声/振动传导/热传导碰
2、撞/冲击液压/控制CFD多领域混 合AdamsDADSSimpackRecurDynFE-SafeFatigeMarcAbaqusAdinaSysnoiseAutoSeaAnsysMarcNastranLS-DynaDytranAdinaAmesimMatlabAdamsStar/CDFluentFlow3DMatlabDymolaEasy5多体系统理论有限元疲劳有限元非线性有限元模态有限元热传导有限元大变形有限元CFD液压控制论多领域仿真CAD/CAE/CAM技术进入实用阶段，它们主要关注产品零部件质量和性能，通过采用结构设计、工程分析和制作过程控制和软件工具，达到设计和制造高质量零件的目的
3、。CAD 技术基于三维实体几何造型技术，支持产品零部件的详细结构（参数化）设计和形态分析。CAE技术主要指利用有限元软件，完成产品零件的结构分析、热分析、振动特性等功能分析问题。CAM技术旨在提高产品零部件的可制造性、提供对机床、机器人、铸造过程、冲压过程、锻造加工等方面更好的控制。数字样机（或虚拟样机）：以CAX/DFX技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟现实、仿真技术、三维计算机图形技术，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使产品的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直观形象地对数字化的虚拟产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提
4、供全新的数字化设计方法平台简介快速设计中心（中山大学）模具设计分析服务基地（广州红地技术有有限公司）深度分析计算中心（广东工业大学）广州市工业产品设计技术服务平台网络技术网络技术网络技术网络技术快速制造基地（广州生产力促进中心）整合我市与工业产品设计相关的优质资源，集成产品设计开发过程中的共性技术，搭建一个可高度资源共享、可异地协同的设计服务平台，在该平台基础上，为我市制造业、特别是中小企业的工业产品开发提供先进设计技术支持与服务。作为广州市产品设计技术服务子平台，广东工业大学深度分析计算中心以数字样机为中心，以协同仿真计算为主题，进行科学研究和技术服务。深度计算平台组成深度计算平台组成深度计
5、算平台深度计算平台硬件支撑硬件支撑软件支撑软件支撑分析平台分析平台高性能计算机图形工作站参数测试及结果校核参数测试及结果校核应变仪振动测试仪测力仪温度仪几何建模软件几何建模软件Pro/E,UG,Solidworks多体动力学仿真软件多体动力学仿真软件ADAMS,Recedyn控制系统仿真软件控制系统仿真软件Simulink,EASY5开发辅助建模软件开发辅助建模软件CablewayBuilder,PrinterBuilder有限元分析软件有限元分析软件Nastran,Ansys,Abaqus,Deform,I-DEAS等模态测试和分析软件模态测试和分析软件I-DEAS等开发灵敏度分析软件开发灵
6、敏度分析软件Sensitivity机电产品的性能=机构性能（功能）+结构性能（动态响应特性）+控制性能（运动特性）传统方法：传统方法：机电产品设计=机构选型+结构设计+控制系统设计CAE技术引入CAE技术引入：机构设计：多刚体动力学分析及优化结构设计：有限元分析（刚度，强度，模态，动力学响应，接触，疲劳等）控制系统设计：零极点配置，最优控制本平台多学科协同仿真：本平台多学科协同仿真：机构结构柔性多体动力学机构控制系统多刚体动力学控制仿真机构结构控制系统柔性多体动力学控制仿真解决方案(1)机械设计解决方案(1)机械设计解决方案功能要求机构选型机构尺寸优化动力学分析构件结构优化控制系统联合分析最优
7、控制和运动速度规划疲劳寿命分析样机制造测试检验(2)成型过程解决方案(2)成型过程解决方案塑性成型过程仿真材料流动分析模具参数灵敏度分析工艺参数影响温度、摩擦影响模具参数优化加工温度确定润滑方案确定工艺参数确定（各配合速度比）的确定(3)设计标准的确定(3)设计标准的确定设计要求分析极限工况确定刚度分析强度分析振动响应分析预紧力分析碰撞跌落分析设计参数建议基础研究和共性技术基础研究和共性技术轴承、V轨、滚珠丝杠等标准执行部件的动态特性，材料特性，材料疲劳属性几何建模载荷边界条件网格剖分确定分系类型建立载荷工况计算求解结果处理网格质量检查Hypermesh等Pro/E,UG等Ansys,Nast
8、ran等参数识别测试结果检验测试赋零部件材料属性建立样机几何模型添加运动副约束施加驱动和载荷联合计算求解零件有限元模型超单元（子机构）求解柔性体模型多刚体动力学模型柔性多体动力学模型控制系统模型状态变量变量化研究参数优化Pro/E,UG等ANSYS等ADAMS等EASY5等有限元分析流程多体动力学流程有限元分析流程多体动力学流程分析流程分析流程参数化几何模型（空间尺寸参数）参数化有限元模型（厚度、截面尺寸）参数化单元模型(密度、弹性模量)定义分析类型施加载荷工况施加载荷工况参数优化形状优化拓扑优化综合优化参数校核计算求解灵敏度计算灵敏度综合目标判断模型修改新的模型自主开发灵敏度分析和快速求解软
9、件YN优化设计流程自主开发的灵敏度分析软件优化设计流程自主开发的灵敏度分析软件吹瓶机开吹瓶机开/合模机构凸轮廓线最优化设计合模机构凸轮廓线最优化设计OR吹瓶机凸轮开合模系统开合模机构PID控制系统框无约束下时间最小的运动曲线最大超调量约束下时间最小的运动曲线不同位移偏置量下的接触力优化后凸轮半径曲线优化设计后的凸轮应力响应分布对数应力疲劳寿命自卸车举升机构受力分析自卸车举升机构受力分析底盘悬挂系统模型模型参数底盘轴荷三种载荷下油缸对支座的动反力三种载荷下油缸对支座的动反力支座有限元动力响应分析结果支座断裂情况电动汽车车身分析及优化电动汽车车身分析及优化图1 汽车车身有限元模型图2 车身参与优化
10、部分有限元模型图3 初始结构弯曲工况应力图5 优化结构弯曲工况应力图6 优化结构扭转工况应力图4 初始结构扭转工况应力表表1 性能指标变化历程性能指标变化历程-7.7%+0.4%-13.8%-13.0%最终变化90.594.7216.6232.0步骤387.795.1209.6225.4步骤2112101182.4199.7步骤1144156.2155.5168.9基结构98.194.3251.4266.8初始结构扭转工况最大应力(MPa)弯曲工况最大应力(MPa)参与优化部分质量(kg)总质量(kg)优化目标：在保持扭转刚度和弯曲刚度下减轻车身质量。粘片机焊头机构优化设计和最优运动速度规划粘
11、片机焊头机构优化设计和最优运动速度规划粘片机从取晶位到固晶位是最耗时的运动。通过柔性多体系统拓扑优化，得到满足一定刚度下低惯性的摆臂结构。再通过机构动力学与控制系统联合仿真，得到了满足定位精度下运动时间最短的最优运动速度规划。优化后，50ms即可完成该运动。内螺纹铜管旋压成型过程（成型过程）内螺纹铜管旋压成型过程（成型过程）内螺纹铜管旋压过程横截面上的材料流动内螺纹铜管旋压过程纵向材料流动内螺纹铜管成型的齿形内螺纹铜管拉旋压型内螺纹铜管拉拔成型内螺纹铜管旋压系统径缩现象铜管空拉径缩现象倒圆半径优化消除径缩现象紧配合过盈量的确定方法（设计标准制定参考）紧配合过盈量的确定方法（设计标准制定参考）过
12、盈量为0.00mm时的应力过盈量为0.05mm时的应力过盈量为0.10mm时的应力正压力(径向力)与过盈量关系剪切力(轴向力)与过盈量关系过盈量为0.15mm时的应力过盈量为0.05mm时的应力过盈量为0.00mm时的应力通过建模分析，得到了连接强度（剪切力和挤压力）与过盈量的关系，为公差配合提供理论依据，特别是在没有手册可查情况下尤为重要。索道动力学分析jijijijijijijijijixuLNwzxvyxuxLEAF+=)(23jijijijijijjjijijiyvLNwzyvyuxyLEAF+=)(23jijijijijijijijijizuLNwzvzyuyzLEAF+=)(23非
13、线性索单元等效多刚体模型振动分析（频率为1.5Hz）抱索器开始抱索抱索器抱索状态大绷轮通过性分析试验索道整体动力学模型辅助建模系统生成带印刷材料的印刷色组基于ADAMS的印刷设备辅助动力学建模系统界面目前正在研究方向 高速精密精密运动平台MEMSMEMS器件的建模仿真器件的建模仿真2014/3/30?大行程运动大行程运动大行程运动大行程运动?精密定位精密定位精密定位精密定位?高速与高加速度高速与高加速度高速与高加速度高速与高加速度?高速运动与精密定位的频繁切换高速运动与精密定位的频繁切换高速运动与精密定位的频繁切换高速运动与精密定位的频繁切换（1 1 1 1）IC/LED IC/LED IC/
14、LED IC/LED 引线焊线机引线焊线机引线焊线机引线焊线机摆杆式焊头结构优化方法比较图7 摆干式焊头基结构有限元模型图8 结构等效静力学优化结果图9 机构准静态静力学优化图10 考虑单元修改惯性影响分别采用结构等效静力学优化(structural)，含运动学自由度的准静态静力学优化(kinetic)和考虑单元修改惯性影响(kinetic_inertial)三种方法，对一摆杆是IC封装设备焊头机构(图7)进行优化设计，并采用柔性多体动力学仿真对三种优化方案在不同的运动参数下的残余振动进行比较，说明了方法的有效性。（机械工程学报，EI）不同优化结构残余振动比较图11 运动时间为0.1s时不同优
15、化方案的残余振动曲线（高速）图12 运动时间为0.01s时不同优化方案的残余振动曲线（超高速）图13 运动时间为0.001s时不同优化方案的残余振动曲线（极速）数值算例表明，在低速时（图11），三种优化方法得到的结果动力学响应相当。随着运动速度的增加（图12），运动副对结构动力学响应的影响增加。当速度更高时（图13)，材料的惯性影响更加严重。该方法可以广泛应用于高速机构柔性多体动力学优化设计中。高速轻载机构优化方法图15 优化过程各中间结构残余振动曲线图16 优化过程指标变化曲线随着质量的减少，刚度也会降低，但变形能与动能的比值会增加，当高刚度低惯性比例达到极限时，继续减少质量会导致刚度的降低
16、比惯性的降低更严重，此时优化停止。数值算例表明，对于高速轻载机构，将变形能与动能的比值作为优化目标和约束是合适的。(IJNME,SCI/EI)图14 高速轻载机构机械系统动力学优化流程葡萄糖传感器(Glucose sensor)是应用电化学或物理学原理进行葡萄糖检测的种装置。化学式传感器:利用葡萄糖酶的选择性，在氧化葡萄糖过程中产生电流，通过检测电流强度来计算葡萄糖的浓度。发展趋势：化学修饰电极，碳纳米管电极、铂金电极物理式：体积改变、荧光、电导（介电常数），粘度(2)粘度测量式葡萄糖传感器(2)粘度测量式葡萄糖传感器悬臂梁(cantilever beam)、半刀球蛋白薄膜振动电容式、苯硼酸酯
17、电容式葡萄糖传感器工作原理葡萄糖传感器建模仿真 1 旋转用磁铁替代电磁铁的可行性 2 流体的性质判断 3 半透膜是否可以变形 4 空气是否可压缩 5 模型的简化等效 6 分析结果讨论 7两种改进的传感器 8 立体MEMS的制造方法分析结果讨论两种改进的传感器（梁膜复合式）Paralenediaphragmpolymer solutionPermalloybeamCellules membraneStationary electricodesMoving electricodesglucoseFeasibility:Deep Etch is up to 315 um 2.Biocompatibl
18、e micro magnet coils are available1.The working vibration is bending of membrane,remain the volumes of the micro chambers unchanged.2.Relatively rigid beam,amplify the magnet force of the coil and the damping force of the polymer solution.3.Differential capacitor,double capacitance4.Enable topologic
19、al optimization of the beam,reduce the inertial force while increase the damping force of the polymer solution5.Embedded micro magnet coil,more stable6.Pulse excitation,energy saving.7.The same stiffness of beam and capacitor,no capacitance change under external excitation.(ifnecessary)Fig.1 The com
20、ponent schematic of glucose sensor两种改进的传感器（双膜式）Micro magnet coilFront viewTop view(a)(b)(c)(1)Two connected similar air chambers.One is drove by magnetic force.The other is drove by the air pressure,vibrations are in the opposite directions,decrease the changing of the volume.(2)Two capacitors to form the differential capacitor,stronger signal.