[發明專利]虛擬制造環境下焊接結構的有限元分析系統

無效

• 申請號: 200710072529.4
• 申請日: 2007-07-20
• 公開（公告）號: CN101089859A
• 公開（公告）日: 2007-12-19
• 發明（設計）人: 方洪淵;楊建國;劉雪松;高嘉爽;傅衛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 畢志銘

技術領域

本發明屬于虛擬焊接制造領域，具體涉及基于虛擬制造的焊接過程中應力及溫度計算的有限元分析系統。

背景技術

虛擬制造技術是一門新興的先進制造技術，它是以仿真技術、信息技術和虛擬現實技術為支撐，對設計、制造等生產過程進行建模，在計算機上進行產品的“制造”，從而檢驗產品的功能，使用性能和可制造性。

虛擬制造技術(VM)可以分為以生產為中心VM、以控制為中心VM和以設計為中心VM。以生產為中心的虛擬制造系統主要用于工廠的作業計劃制定及車間布局仿真；以控制為中心的VM系統研究集中于生產過程的優化及控制模型；以設計為中心的VM可以為產品設計人員在設計階段提供產品信息，優化產品和工藝設計。以設計為中心的虛擬制造的核心思想是把制造信息引入到設計過程，利用仿真來優化產品設計，從而在設計階段，就可以對所設計的零件甚至整機進行可制造性分析，這包括加工過程的工藝分析、鑄造及焊接等過程的熱力學分析、運動部件的運動學分析和動力學分析等，甚至包括加工時間、加工費用、加工精度分析等。它主要是解決“設計出來的產品是什么樣”的問題。

虛擬制造技術在國內屬于剛起步階段，目前大部分以設計為中心的VM研究集中于機床加工產品，如關鍵部件的毛坯切削、刀具干涉等問題。清華大學自動化系開展了基于虛擬制造技術的劍桿織布機的產品開發，首先由三維造型軟件CAD完成凸輪軸以及所有的引緯、打緯機構中的零件的造型，生成零件三維實體模型；由機械系統動力學自動分析系統(ADAMS)讀入這些零件實體模型，利用ADAMS多體動力學仿真功能，定義相應的運動副約束和驅動約束，建立虛擬樣機，再由ADAMS內核解算系統運動學和動力學方程，對交接緯機構的配合關系進行仿真設計，得到劍桿織機引緯和打緯機構的運動學和動力學特性，仿真輸出與設計目標進行比較，返回CAD調整相關部件結構參數。南京工業大學采用虛擬制造技術研發了VE型分配泵，該機構首先進行產品的虛擬設計，其后進行運動機構的運動學分析、動力學分析，將得到的結果輸入到有限元分析與結構優化，然后進行了產品的虛擬裝配，并且進行了關鍵件的虛擬機床加工分析；中國國家發明專利200610081500.8則提出針對虛擬制造領域內裝配工藝的規劃，此規劃方法是面向現場的半沉浸式裝配規劃；大連輕工業學院采用將虛擬制造的技術應用于分度凸輪的研發，在虛擬加工的環節主要研究了NC代碼翻譯模塊、零件的毛坯準備模塊、加工機床配置模塊、材料切除仿真模塊等。

而實際生產過程中，很多零部件需要焊接成型，焊接加工也是產品加工過程中重要環節，數據表明，40％以上的鋼鐵材料需要焊接成型。焊縫的幾何尺寸、力學性能等是產品質量評定的重要指標。隨著焊接技術的不斷提高，焊接自動化程度也越來越高，這也為在計算機上實現焊接過程的模擬提出了新的要求，所以在虛擬制造環境下對焊接過程進行分析是非常有必要的。

發明內容

本發明提供一種虛擬制造環境下焊接結構的有限元分析系統。本發明的目的是將焊接過程的有限元分析集成到虛擬制造環境中，支持產品從機械加工到焊接成型全過程的設計，對需要進行焊接加工的產品實現虛擬設計過程。

本發明將焊接過程有限元分析方法集成到到虛擬制造環境中；它分為焊前輔助分析模塊、有限元分析模塊、后置處理模塊三部分；

焊前輔助分析模塊：通過計算機輔助設計軟件進行幾何造型，通過格式轉化器將幾何造型轉化為虛擬現實建模語言的模型文件，通過虛擬現實建模語言制定預裝配路徑，實現虛擬預裝配；

有限元分析模塊：將預裝配結果傳遞給有限元分析軟件，同時，利用有限元分析軟件的擴展模塊開發焊接接頭模型庫，將焊接接頭模型庫嵌入有限元分析軟件中，利用有限元分析軟件結合裝配結果、焊接接頭庫，對焊接的溫度及應力場進行求解計算；

后置處理模塊：利用有限元分析軟件分析得到的應力場、溫度場和焊件的變形情況進行焊接質量評價，檢驗產品可裝配性，將優化結果反饋到計算機輔助設計軟件，根據分析結果修正幾何造型，改進焊接順序，修改焊接工藝參數。

本發明可以實現在虛擬的環境中對焊接部件的預裝配，逼真地呈現三維焊接預組裝過程，解決傳統有限元分析前處理過程抽象乏味的問題；

可以實現在焊接知識庫中對焊接接頭模型的提取，呈現簡單的接頭選擇菜單形式，解決傳統有限元軟件專業性強，車間人員難于快速掌握的不足；

可以結合實際焊接情況，為有限元分析模型加載各種約束條件，使焊接分析在計算機中得到物理信息的映射，導出有限元計算結果數據，根據用戶需求，察看焊件變形情況，察看焊件在焊接過程中溫度場和應力場變化情況；