基于同步公差設計的概念結構設計優(yōu)化.pdf

1、機械設備在國內外市場中競爭力的強弱，在很大程度上取決于產品的質量，而產品的質量又在很大程度上取決于產品的設計，產品的設計質量可賦予某種產品“先天性優(yōu)劣”這種至關重要的本質特性。因此對絕大多數產品來說，產品的設計在保證產品質量的過程中起著頭等重要的作用。公差設計又是機械產品設計中極為重要的不可缺少的一環(huán)。這是因為尺寸和公差不僅影響產品的質量，而且對制造成本也起著決定性的作用。 當前的公差設計研究大多集中于詳細設計階段，對設計前

2、期的公差研究較少。為保證概念結構設計的可行性與經濟性，提出將公差設計研究提前到概念設計階段并研究了其中的關鍵技術。本文以國家自然科學基金項目：產品概念結構與公差同步綜合進化設計理論與應用研究(項目號：50475129)為中心展開研究。按照自頂向下、分解重構的設計思想，在生長型概念結構設計的基礎上，將公差問題提前到概念設計階段。隨著結構自頂向下、不斷進化的設計，公差設計也是一種自頂向下、不斷進化的設計，從設計的源頭開始考慮公差因素，并把公

3、差因素作為產品設計的推動因素，啟發(fā)式引導產品創(chuàng)成過程，對產品方案進行評價和優(yōu)化。在設計前期的公差設計將及時發(fā)現設計中的公差問題，減少設計修改并縮短設計周期，極大地降低產品成本。 論文的主要內容如下： 系統(tǒng)地綜述了國內外計算機輔助公差設計與概念結構設計的研究現狀。按照自頂向下的設計思想說明了在設計前期研究公差問題的必要性，在此基礎上提出了本文的研究目標和整體框架。 首次提出了基于同步公差設計的概念結構設計優(yōu)

4、化理論，其本質是自頂向下和分解重構的設計思想在公差設計中的體現。建立了功能一結構一公差集成模型，分析了這種設計方式與傳統(tǒng)設計方式的不同。研究了公差與概念結構優(yōu)化的關系，建立了同步公差和概念結構設計優(yōu)化具體實現框架，實現了基于公差的設計。建立了面向同步公差設計的集成設計模型，它包括裝配信息模型、同步公差設計過程模型、相應的公差表示模型三個部分。裝配信息模型采用了基于配合和接觸關系的功能表面裝配網絡模型，并建立了相應的數據結構；分析了宏觀的

5、概念設計過程和單步設計過程，為了支持設計的多方案和公差信息隨著設計過程的不斷修 改、添加和回退，采用了版本控制的概念，建立了基于功能表面的設計過程版本 控制系統(tǒng)。 基于同步公差設計的概念結構設計優(yōu)化理論的分析和處理技術包括：產品名義結構約束分析、三維公差分析和計算、公差評價和概念結構優(yōu)化技術。 應用旋量理論研究了產品名義結構的約束問題。用運動分析、運動螺旋判斷其是否欠約束，用約束分析、力螺旋判斷其是否過約束。

6、并對功能表面對和裝配特征的運動螺旋和力螺旋進行了細致的分析，指出了其區(qū)別。研究了功能模式即零件之間的約束分析。首次系統(tǒng)地研究了過約束、完全約束、欠約束結構中的可能存在的公差問題并指出了相應的處理方法。 建立了基于功能表面的三維公差表示模型，并研究了各種公差類型與旋量之間的對應關系。根據配合和接觸的裝配關系模型，建立了基于功能表面的公差網絡并按照運動學模型進行公差計算。提出了全局公差網絡和單步公差計算的概念，更適合自頂向下、分解重

7、構的設計思路，并且簡化了計算。這種計算方式保證了公差計算的同步性，實現了基于公差的設計。 研究了單一產品和批量生產的公差評價指標體系。從公差需求出發(fā)啟發(fā)式指導結構設計，研究了功能模式和公差需求之間的關系，確定了4條相關原則，指導結構生長的方向。如果設計方案的公差無法滿足要求，從概念層、參數層和公差層三個層次對產品結構方案提出了修改指導原則。 在系統(tǒng)開發(fā)研究方面，對原有的設計系統(tǒng)DARFAD進行了擴充，建立了完整的