橡膠機械的數字化功能樣機技術

　　摘要：橡膠機械的數字化設計與制造是橡膠機械產品市場需求和科學技術發展的必然，本文描述了面向橡膠機械設計的數字化功能樣機技術的概念、內涵，數字化功能樣機系統的體系結構，以及所涉及的多領域統一建模、多體動力學、多學科設計優化等支撐技術，并介紹了相關橡膠機械產品設計中的一個典型應用案例。最后，對橡膠機械的數字化功能樣機技術進一步研究工作做了展望。

　　主題詞：數字化功能樣機 多領域統一建模 多體動力學 多學科設計優化

一、引言

　　橡膠機械是橡膠產品生產的關鍵設備。先進的橡膠機械為發展橡膠工業提供了所需的先進工藝設備,它的開發和設計是發展橡膠工業的主要技術措施。隨著橡膠工業技術革命的進一步深化和市場對橡膠產品的高品質要求，最優化設計和快速設計成為橡膠機械現代化設計的基本要求。數字化技術為此提供了良好的解決方案，因此，開展橡膠硫化機現代化設計和制造技術研究勢在必行。橡膠硫化機的數字化設計與制造是橡膠工業現代化和科學技術發展的必然趨勢。

二、數字化功能樣機技術

　　現代先進的橡膠機械系統通常都是由機械、電子、軟件及控制等多個子系統組成的復雜系統，其新型號研制往往涉及多學科、多領域專業知識，是一項復雜的系統工程，傳統的方法和技術很難實現系統的快速整體綜合優化設計?，F代設計及制造技術的典型特征是數字化。近年來，在CAX等技術基礎上，數字化技術已經開始應用于橡膠機械的全生命周期活動中，其中數字化功能樣機技術在整個橡膠機械的設計中占有重要地位，如圖1所示。

　　數字化功能樣機技術在一些較發達國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應用，應用領域從汽車制造業、工程機械、航空航天業、造船業、機械電子工業、國防工業、通用機械到人機工程學、生物力學、醫學以及工程咨詢等很多方面。美國波音飛機公司波音777飛機，是世界上首架以無圖方式研發及制造的飛機，其設計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬功能樣機技術。美國國防部先進研究計劃局正在致力于將數字化環境與物理建模、分散離散性模擬等技術結合，為數字化武器設計提供先進的技術；

　　Caterpillar公司是世界上最大的拖拉機、裝載機和工程機械制造商之一。由于制造一臺大型設備的物理樣機需要數月時間，并耗資數百萬美元，為了提高競爭力，大幅度削減產品的設計、制造成本。Caterpillar公司采用了虛擬樣機技術，從根本上改進了設計和試驗步驟，實現了快速虛擬試驗多種設計方案，從而使其產品成本降低，性能更加優越。

　　概括地說，數字化功能樣機技術（FDP–Functional Digital Prototyping）是在CAD/CAM/ CAE技術和一般虛擬樣機技術（VP–Virtual Prototyping）基礎上發展起來的，其理論基礎為多體系統動力學（Multibody Dynamics）、結構有限元理論，以及多領域物理系統（Multi-Domain Physical Systems）混合建模與仿真理論和多學科設計優化（Multidisciplinary Design Optimization）技術與方法，簡稱之為3M理論。數字化功能樣機技術側重于系統層次的性能分析與優化設計，通過虛擬試驗，精確、快捷地預測橡膠機械的系統性能?；诙囿w系統動力學和有限元理論，可以解決產品的運動學、動力學、變形、結構、強度、壽命等問題；基于多領域物理系統理論，可以解決復雜橡膠機械產品中的機-電-液-控等多領域能量流和信號流的傳遞與控制問題；基于多學科設計優化理論，可以快速解決復雜橡膠機械產品的整體綜合優化問題。

　　利用3M理論，以及現代系統仿真技術和系統工程方法建立全系統的模型，通過構造橡膠機械的數字化功能樣機來代替物理樣機，對產品進行創新設計、測試和評估，縮短開發周期降低成本、改進產品設計質量，用于橡膠機械的新產品開發工作。因此,開展橡膠機械的數字化功能樣機技術的研究、開發與應用具有十分重要的意義。

三、數字化功能樣機設計環境

　　為了實現數字化功能樣機的功能，橡膠機械的數字化功能樣機系統一般由多個功能模塊組成，并通過一定的協議和接口集成為一個有機整體。本文在桂林橡膠機械廠相關技術項目研究基礎上，提出了如圖2所示的橡膠機械數字化功能樣機設計分析環境。該設計環境主要包括多體系統可視化建模/仿真擴展、多領域統一建模/仿真環境、多學科設計優化等三大功能模塊。

　　多領域統一建模/仿真環境基于多領域物理系統統一建模理論，應用可重用的機械、電子、液壓、控制等領域庫，實現對不同領域構件組成的復雜橡膠機械系統的統一建模與整體性能分析。其組成模塊包括面向功能單元的多領域可視化建模環境和多領域統一模型求解引擎。

　　多體系統可視化建模/仿真擴展采用CAD技術和多體系統理論，針對復雜橡膠機械的機械子系統進行可視化建模和有限元集成的擴展，實現對橡膠機械系統中剛柔混合機械系統整體運動學和動力學的可視化分析仿真。

　　多學科優化模塊主要包括產品建模、規劃、耦合處理、協同尋優、評價決策等功能項，其中建模是建立產品設計模型的工具；規劃分解是對產品設計模型進行層次化或非層次化的規劃分解，并形成任務的優化數學模型；協同尋優模塊利用一定的協同機制使子任務的求解結果與整體任務求解結果保持一致；評價決策模塊通過網絡得到有關專家的意見，對優化設計方案進行評價。

　　在利用該環境進行橡膠機械系統設計的過程中，分析仿真的前一階段一般是機械結構設計，要進行分析仿真，首先是繼承結構設計信息，在多體系統可視化建模環境中完成機械子系統的功能樣機建模，然后在多領域統一建模環境下，應用平臺提供的可重用領域庫，完成其他領域，如控制、電子、液壓、熱動力學等子系統的建模，生成橡膠機械系統完整的數字化功能樣機，這是數字化功能樣機建模階段。

　　對橡膠機械系統進行系統級或部件級仿真分析時，平臺先將數字化功能樣機的多領域統一模型進行映射，生成系統的數學模型。由于采用多領域統一建模技術，將會使數學模型的方程規模龐大，可達100,000個，而且具有微分－代數混合和連續－離散混合的特點。所以接著需要調用專門的多領域求解器進行求解。求解結果反饋到交互環境，通過集成的后處理器進行動畫仿真或曲線研究。

四、工程應用實例——橡膠硫化機設計平臺

　　輪胎硫化機是影響輪胎制造質量的關鍵設備，尤其是制造適用于高等級的子午線輪胎，必須采用高精度、高可靠性的硫化機。為了設計這樣的硫化機，保證其較高的性能指標和降低成本，需要對硫化機系統進行整體性能的綜合優化設計。

　　為了實現上述對硫化機系統的整體優化設計，桂林橡膠機械廠采用本文所提出的橡膠機械數字化功能樣機開發環境開發出了硫化機設計平臺。該平臺主要為橡膠硫化機設計人員提供一個方便的設計工具，支持和幫助硫化機設計人員進行硫化機械整體系統設計，對整個硫化機械系統進行多學科優化，在保障方案可行的前提下綜合考慮方案的各項性能指標，求得一個相對最優的方案。該平臺還能夠支持CAD三維模型和模型參數的直接導入，并將優化的結果自動返回給CAD系統完成三維模型的自動更新，而且能夠完成和PDM系統的集成。該系統對提高我國橡膠機械系統設計水平，促進橡膠工業的發展，實現整個制造業的技術革新都具有重要意義。該系統采用多學科綜合優化設計方法，通過充分利用各個子系統之間相互作用所產生的協同效應，獲得系統的整體最優解。

　　圖3所示為某液壓式橡膠硫化機設計實例。

五、結論與進一步工作展望

　　本文討論了面向橡膠機械系統設計的數字化功能樣機技術的概念、內涵，以及該技術所涉及的多體動力學、多領域物理理論和多學科優化等關鍵技術，并討論了協調這些關鍵技術所構成的集成設計平臺的體系結構等問題。該技術已經應用于桂林橡膠機械廠的橡膠機械系統數字化設計平臺開發等項目中，初步實踐表明，數字化功能樣機技術為我國橡膠機械系統的創新設計提供一個有效的手段，可以縮短高質量現代化橡膠機械系統的研制周期，提高設計質量，減少試驗費用，降低開發成本、規避研制風險以及提高系統效費比。

　　下一步的研究工作將結合各種具體橡膠機械系統，將數字化概念設計、數字化詳細設計、數字化功能樣機、數字化生產規劃、數字化產品數據管理和仿真等技術集成起來，研制自主的橡膠機械系統數字化設計和制造的平臺，為我國橡膠工業的發展和制造業技術的進步做出應有的貢獻。