建立CADCAE一体化，复杂异构仿真模型的高效重用及软件研发

一、写在文前

二、研究内容

2、装配前处理

（1）模型几何处理

由于输入的多源异构复杂装配体仿真模型存在不同的数据结构差异且完整模型构成复杂，基于变体需求，需将完整模型进行拆分操作生成不同零部件模型。之后基于不同模型之间的数据结构差异,从中筛选可用于变体的几何信息。对于多源异构仿真模型,只需对模型中的空间点的节点坐标进行提取，建立符合变体需求的各部件几何代理模型。

（2）模型装配拓扑关系定义

两个空间实体P和0间的空间拓扑关系通过物体P的内部点()和边界()与物体Q的内部点()和边界()间的交集来描述。则描述任意两个空间实体P和Q的空间关系矩阵为:

在交集内的元素取值为空或非空。基于空间实体的实际情况，排除掉不具有现实意义的取值组合，多源异构模型两零部件间拓扑关系主要为相邻、相离、严格包含、相交4种拓扑空间关系。而在多级结构中,模型装配关系并不是两两之间彼此独立,根据变体需求将给定几何代理模型从装配模型M分为n组分组,及。基于装配分组与空间实体拓扑关系确定模型的装配拓扑关系图2列举了实际装配中常见的装配拓扑关系

（3）模型空间位置定义

为将模型分组后的各部分模型输入到RBF变形场中,在各分组模型中定义该组模型的基准坐标系,如图3所示,基准坐标系包括坐标系原点及定义坐标轴XYZ三个方向的坐标点{},通过空间变换增广矩阵,将基准坐标系变换到空间原点为(0.0.0)及各坐标轴分量均为1的标准坐标系,得到初始空间下的节点坐标:

式中,为基准坐标系到标准坐标系的平移矩阵与旋转矩阵，

模型整体形状修改后,存在装配关系的模型之间不仅相对空间位置发生改变而且相对角度也会发生变化,因此需要确定变体后模型的相对角度关系,需要借助骨架曲线切向确定装配坐标系的X轴方向，另外两个方向根据装配方向要求进行定义便可以得到骨架曲线上的基准坐标系,包括原点。及定义坐标轴XYZ三个方向的并且为了坐标系方向确定方便,采用与的相对坐标表示。通过平移关系确定用于定位装配关系的装配基准坐标系，则可以基于得到的坐标点信息，

式中:表示,与的空间平移关系,该关系需要根据模型横截面参数化情况确定以保证模型局部形状修改后仍能保持装配关系而不发生于涉等模型错误。

完成上述装配基准坐标系定义之后,以两级装配模型为例,可以通过两个存在装配关系的模型之间的装配坐标系,完成装配变换,基于上文中的装配基准定义，记上游基准模型装配坐标系为，其下游装配模型装配基准坐标系为两者的内部坐标点定义与上文相同,当满足下列等式时认为模型实现装配约束：

式中,分别表示上下游模型的原点与XYZ轴方向坐标点,当两者不满足相等时,则两者必然存在空间相对关系:

式中:,表示求解两坐标系位移与角度关系的增广矩阵。

则对下游模型中的所有变体后的模型节点则需要以为原点进行与上式相同空间变换,使整个装配模型在模型α的坐标表达下满足装配关系:

式中,x"表示完成装配关系后处理的几何代理模型节点。

对于多级装配结果而言,类似图2(b)中的装配拓扑结构,对于一个由n个模型组成的单层串联关系的装配模型,其中M为整个装配模型的基准模型，则第个模型中的变体后节点满足如下装配变换

式中,表示第个模型作为基准时与其装配模型对应坐标系的空间变换增广矩阵。其他存在并联结构的拓扑情况,则每个串联分支都需要满足上述条件。

3、装配处理

基于上述零部件之间空间位置矩阵定义方法计算出各零部件之间的装配矩阵,通过代理模型内的标记信息,进行代理模型的空间修正。修正后利用代理模型空间点的拓扑映射关系,将仿真模型中的几何信息进行修改,以实现在不改变仿真模型拓扑信息与物理信息的条件下对多级结构装配体仿真模型几何形状的修改。

三、数值算例与讨论

1、装配结果

基于上述方法,使用自主开发软件FastParam-eterized Constrained Morph(Fast PCM)对多源异构仿真模型进行约束变体操作后,进行装配流程操作装配约束保持结果如图4所示，其中(a)(b)采用LS-DYNA官方公开发表的Hybrid50th男性数字碰撞假人有限元模型为案例，将其有限元模型进行几何形状修改后,仍能保持原有装配关系。其中图4(a)为模型同节点装配关系保持实例,图4(b)为模型同轴装配关系保持实例,图4(c)采用汽车防撞梁有限元装配模型为案例，将防撞梁模型由直梁变为弯梁后,其与吸能盒装配关系仍能得到保持。

2、仿真验证

针对已装配好的约束变体仿真模型进行可仿真性验证，求解设备参型号数为CPU:Intel(R)Xeon(R) Platinum 8383 @ 2.7GHz,逻辑处理器数量:160,内存RAM:224GB台式工作站，根据碰撞假人胸部冲击测试要求[10]设加速度为10m/s的载荷开展仿真验证如图5所示

四、多源异构复杂装配体仿真公开课

实验结果表明，本文研究方法可以实现对多源异构复杂装配体仿真模型进行几何形状修改后的装配保持,提出一种基于模型特点建立局部坐标系的方法来保证以零部件空间位置及装配关系驱动变体后零部件模型的自动装配,以碰撞假人仿真模型为案例,实现了碰撞假人零部件模型几何形状修改后仍能保持零部件模型之间的约束特征及装配关系且能形成能够正常支持仿真计算变体后模型,提高了CAE模型的重用性。但未开发出适宜的模型细节干涉检测方法及细节处理方法,这也是未来待解决的问题。

为了帮助读者更好的理解，10月30日20时，2024仿真产学研用系列专题报告会第16期，将邀请大连理工大学李宝军副教授做《复杂异构仿真模型的高效重用及软件研发》公开课，以下是直播安排：

2024仿真产学研用（十六）：复杂异构仿真模型的高效重用及软件研发-仿真秀直播

讲座相关PPT

参考文献

[9] 岳玉亮,樊庆文,王德麾,等.辐照仿真人体模型三维建模及装配原理与方法小中国医学物理学杂志,2016,33(5):463-467.

李宝军老师的其他论文

以下论文PDF版收录到仿真秀学习资料包，用户在本公众 号菜单-资料库-进入云盘群自行下载，也可以在文章末尾点赞或在看，分享到朋友圈截图发到本公众 号后台，我会手动发给你。