新一代數(shù)字化制造體系TP-CAD與DELAB

1、tpcad的特征tpcad的開(kāi)發(fā)目標(biāo)：1）直感強(qiáng)烈的視覺(jué)界面；2 ）寫(xiě)生自然物體的能力；3）極少的數(shù)據(jù)量4）可保證曲面連接性的高品質(zhì)數(shù)據(jù)。1）直感強(qiáng)烈的視覺(jué)界面目前的立體cad由于體系以及操作體系 過(guò)于復(fù)雜，甚至連設(shè)計(jì)者本人都不能使 用。tpcad開(kāi)發(fā)了直覺(jué)強(qiáng)烈的界面，由此 使直觀的可視操作成為可能，且設(shè)計(jì)師、 設(shè)計(jì)操作者均可自行使用。3）極少的數(shù)據(jù)量由于傳統(tǒng)cad數(shù)據(jù)龐大，不僅在數(shù)據(jù)維 護(hù)和數(shù)據(jù)管理需要花費(fèi)大量的費(fèi)用，而且 還存在基點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳送較為困難的問(wèn)題。 一方面在數(shù)據(jù)量方面，tpcad為傳統(tǒng)cad 的1/10一1/100,復(fù)雜的物體對(duì)象則是其 1/1000。由此不但大大減少了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的

2、 日常維護(hù)以及管理費(fèi)用，還提高了數(shù)據(jù)的 可移動(dòng)性，以及數(shù)據(jù)的相互間的活用能 力。圖2 tpcad所表現(xiàn)的插花（a）渦輪扇葉（b）高速鐵路 牽引機(jī)車(chē)（圖1）通過(guò)直觀的界面進(jìn)行視覺(jué)曲面 變形操作2）寫(xiě)生自然物體的能力以基本圖形要素結(jié)合來(lái)表現(xiàn)復(fù)雜形狀的 傳統(tǒng)cad是難以對(duì)自然物體進(jìn)行細(xì)致表現(xiàn) 的。但是具有高度的曲面表現(xiàn)力以及直觀 界面的tpcad可以完成對(duì)自然物體的寫(xiě) 生。圖2所表現(xiàn)的是插花，獨(dú)自的曲面操 作功能以及位相幾何變形的元素組合，使 細(xì)致的表現(xiàn)成為可能。較強(qiáng)的表現(xiàn)力有利 于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)外觀和商品的性能。4 ）可保證曲面連接性的高品質(zhì)數(shù)扌tpcad在其設(shè)計(jì)原理上保證了面與面的 連接性。三維

3、cad數(shù)據(jù)常常使用于 cad/cam相互連動(dòng)的加工過(guò)程中，因此對(duì) 其數(shù)據(jù)品質(zhì)要求極高，但是傳統(tǒng)cad極容 易出現(xiàn)面的剝落、重疊等現(xiàn)象。tpcad可 提供高品質(zhì)的數(shù)據(jù)，高品質(zhì)、輕量的數(shù)據(jù) 不僅對(duì)于使用cad/cam,即使對(duì)于使用 cad/cae所進(jìn)行的分析，均可提供優(yōu)秀的 數(shù)據(jù)支持。即使在使用高度復(fù)雜的曲面連 續(xù)所表現(xiàn)的渦輪扇葉或者高速鐵路牽引 機(jī)車(chē)時(shí)，tpcad均可提供不會(huì)出現(xiàn)面剝落、 折斷、重疊等現(xiàn)象的高品質(zhì)數(shù)據(jù)。圖4 tpcad提供的高品質(zhì)3d數(shù)據(jù)cae （delab）的特征delab的開(kāi)發(fā)目標(biāo)：1）非線(xiàn)形解析技術(shù)2）與cad的相互連動(dòng)性3）解析（編）碼自動(dòng)生成系統(tǒng)1）非線(xiàn)形解析技術(shù)新一代

4、cae所面臨的課題在于超越既有 的框架，創(chuàng)造嶄新的技術(shù)。為此其模擬實(shí) 驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)必須是以非線(xiàn)形現(xiàn)象進(jìn)行原 理性處理的技術(shù)jelab作為新一代非線(xiàn)形 解析的基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了粒子法（dem: discrete element method 離散單元法）。解析對(duì) 象不以網(wǎng)格而是以基于粒子的離散化粒子 法。以往該技術(shù)一直得到各種各樣的研究, 近來(lái)盡管也出現(xiàn)了通過(guò)“navier-stokes” 方程式定義粒子間運(yùn)動(dòng)所進(jìn)行的流體分 析，但是delab粒子法未采用該方法。在 考慮諸如彈塑性體的連續(xù)體，有必要導(dǎo)出 連續(xù)體的固有特征方程式，但這極其困難。 故此delab粒子法不是通過(guò)特征方程式定 義各粒子的運(yùn)動(dòng)，

5、而是通過(guò)定義相近粒子 間的相互作用表現(xiàn)粒子的運(yùn)動(dòng)。在定義相 近粒子間相互作用時(shí)所參考的是分子動(dòng)力 學(xué)的視角和思想。分子動(dòng)力學(xué)認(rèn)為原子和 分子間存在的分子勢(shì)能，在粒子間也近似 成立，該假說(shuō)就是delab粒子法技術(shù)的原理基礎(chǔ)。delab粒子法是分子動(dòng)力學(xué)中的原子或 者分子的運(yùn)動(dòng)在工學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時(shí)也 掌握了新一代線(xiàn)形分析技術(shù)的核心。圖5是 與日立工機(jī)（株）共同研究的成果，是以往 完全不可能做到的冷鍛造的破損仿真和大 規(guī)模的塑性加工的模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該模擬實(shí) 驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)制造工程的改善，這也是delab 粒子法工學(xué)應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。delab粒子法不僅可以進(jìn)行連續(xù)體的分 析，還可以廣泛應(yīng)用于諸如把粒子

6、作為一個(gè) 人（個(gè)體）來(lái)考慮的集群行動(dòng)的分析，甚至 還可以應(yīng)用于以一個(gè)經(jīng)濟(jì)單位作為基礎(chǔ)的 經(jīng)濟(jì)、金融現(xiàn)象的模擬實(shí)驗(yàn)。圖6就是集群 行動(dòng)的火災(zāi)避難、飛機(jī)緊急避難的模擬實(shí)驗(yàn) 原形。在此情形下，各個(gè)粒子（人）的行動(dòng) 特性所給予的行為標(biāo)準(zhǔn)是（各個(gè)人）根據(jù)各 自自身的行為標(biāo)準(zhǔn)以及從現(xiàn)場(chǎng)得到的信息 的影響而產(chǎn)生的。（a）沖壓破損仿真（a）火災(zāi)避難模擬實(shí)驗(yàn)ll（b）擠壓形變破損仿真（b）飛機(jī)緊急避難模擬實(shí)驗(yàn)圖6集群行動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)圖5冷鍛造破損仿真 因此，delab粒子法不但可以使本來(lái)難以做到的非線(xiàn)形領(lǐng)域的分析成為可能，而且還 具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它作為新一代分析技 術(shù)，必將擔(dān)負(fù)歷史重任。2）與cad間的相互連動(dòng)

7、就現(xiàn)狀而言，尚沒(méi)有一個(gè)能完全實(shí)現(xiàn)cad 與cae間相互連動(dòng)的系統(tǒng)。cad與cae間相 互連動(dòng)是新一代數(shù)字化工學(xué)體系的必要條 件。tpcad/delab可以從tpcad形狀數(shù)據(jù)制 成分析數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)與ipcad分析結(jié)果的可 視化過(guò)程間的相互連動(dòng)。尤其是對(duì)使用fem 所需要大量時(shí)間制作的分析數(shù)據(jù)，在此可以 只用極短的時(shí)間即可完成（圖7）。另外tpcad 在精細(xì)的形狀表現(xiàn)方面以及設(shè)計(jì)變更時(shí)所 具有的形狀變形的易用性上，與制作高品 質(zhì)、高效率化的分析數(shù)據(jù)直接相連。 tpcad/delab所具有的這種相互連動(dòng)性的特 點(diǎn)是傳統(tǒng)cad系統(tǒng)所不具備的。圖7 tpcad/delab的粒子分析數(shù)據(jù) 生成3）分析代

8、碼自動(dòng)生成系統(tǒng)對(duì)于既定的分析對(duì)象使用既定的分析軟 件是有效果的，而對(duì)于未知領(lǐng)域進(jìn)行分析則 需要使用能對(duì)該領(lǐng)域的特征個(gè)體進(jìn)行分析 的軟件。在開(kāi)發(fā)分析軟件時(shí)，使用大量的人 力和物力進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)編程，是以往慣 用的方法。由此設(shè)計(jì)者或者研究人員需要對(duì) 應(yīng)不同的分項(xiàng)課題。因此制作自由性高且具 有高效率的分析軟件非常困難。為解決以上問(wèn)題，delab開(kāi)發(fā)了能讓設(shè)計(jì) 者或者研究人員自行研發(fā)分析軟件的代碼 自動(dòng)生成系統(tǒng)"delab basic system”。 delab basic system 可以 把使用 delab simulator language （ dsldelab 仿真語(yǔ)言）編寫(xiě)的分析系統(tǒng)翻譯成c語(yǔ)言代碼（圖 8）。圖 8 delab basic system 概要dsl,由1）連續(xù)系統(tǒng)模擬語(yǔ)言（cssl+： cont inuoussytemsimu 1 at ionlanguage）、和2 ）粒子法模擬語(yǔ)言（deml： discrete element modeling language） 構(gòu) 成，除粒子系統(tǒng)外，也可適應(yīng)于動(dòng)態(tài)仿真和 控制系統(tǒng)的時(shí)序仿真。因?yàn)閐sl為描述型語(yǔ) 言，不需要專(zhuān)業(yè)的編程知識(shí)，只要建立分析 對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，dsl就可以自動(dòng)編寫(xiě)