本文關(guān)鍵詞：鈑金數(shù)字化展開(kāi)與優(yōu)化排樣及其工藝約束處理技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 鈑金展開(kāi) 優(yōu)化排樣 能量法 As-Rigid-As-Possible 最佳匹配 工藝約束

【摘要】：鈑金加工是機(jī)械生產(chǎn)中的一個(gè)重要組成部分,鈑金制件在航空航天、船舶制造、汽車等行業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用。以航空工業(yè)為例,鈑金零件作為現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)體的重要組成部分,一般占整機(jī)零件總數(shù)的50%以上,因其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高、多品種小批量等特點(diǎn),該類零件的制造工時(shí)通常要占到整架飛機(jī)總工時(shí)的15%,因此鈑金零件的制造過(guò)程將直接影響著飛機(jī)的整機(jī)質(zhì)量與生產(chǎn)周期。在鈑金零件的制造過(guò)程當(dāng)中,展開(kāi)與排樣是其中十分重要的兩道工序。仍以飛機(jī)制造為例,飛機(jī)機(jī)體中大量使用的蒙皮、隔框、翼肋等典型零件使得傳統(tǒng)的圖解法、解析法和經(jīng)驗(yàn)法等展開(kāi)技術(shù)已很難適應(yīng)現(xiàn)代飛機(jī)研制的要求,而飛機(jī)制造中普遍采用的多品種小批量的生產(chǎn)模式則迫切地需要采用良好的優(yōu)化排樣技術(shù)以提高板材切割下料時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。基于航空航天鈑金件制造的上述特點(diǎn)與現(xiàn)狀,本文將著重選取該領(lǐng)域中的幾種典型的鈑金零件為研究對(duì)象,以提高方法的通用性、效率和自動(dòng)化程度為研究目標(biāo),研究面向航空航天及船舶制造行業(yè)的鈑金展開(kāi)及優(yōu)化排樣技術(shù),進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)這一領(lǐng)域的鈑金數(shù)字化制造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。零件種類繁多是航空航天類鈑金件的一個(gè)重要特征,這一特征導(dǎo)致不同類型零件展開(kāi)時(shí)需要采用不同的算法來(lái)處理。為保證展開(kāi)算法良好的通用性,本文選擇采用三角化網(wǎng)格曲面作為展開(kāi)模型,通過(guò)引入基于高斯曲率的曲面可展性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將被展曲面分為易展曲面和復(fù)雜(難展)曲面兩大類型進(jìn)行處理。對(duì)于曲面可展程度較好的鈑金零件,本文采用基于彈簧-質(zhì)子模型的能量法進(jìn)行展開(kāi)。針對(duì)傳統(tǒng)能量法展開(kāi)速度過(guò)慢這一缺陷,本文開(kāi)發(fā)了一種基于可變步長(zhǎng)的變形能釋放算法,該算法通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整步長(zhǎng)來(lái)主動(dòng)釋放網(wǎng)格變形所產(chǎn)生的彈性能,顯著提高了展開(kāi)效率;根據(jù)能量法獨(dú)特的“漣漪法”展開(kāi)機(jī)制,本文提出了層次化展開(kāi)方法來(lái)消除累積誤差,提高了算法的魯棒性;通過(guò)對(duì)自動(dòng)展開(kāi)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)工藝修正來(lái)進(jìn)一步提高展開(kāi)精度。算法選取典型的框肋類飛機(jī)鈑金件為展開(kāi)對(duì)象,對(duì)直彎邊、凸彎邊、凹彎邊等子類型淺彎邊零件進(jìn)行展開(kāi)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格曲面的可展程度值介于0.9985與1時(shí)零件展開(kāi)前后的面積和邊長(zhǎng)損失幾乎為零,相比現(xiàn)有的專用框肋類零件展開(kāi)算法,本文算法可省去大量的特征選取、截面生成等交互操作,算法的展開(kāi)效率、通用性和自動(dòng)化程度均有很大提高。對(duì)于以拉深件為代表的復(fù)雜型面鈑金零件展開(kāi),現(xiàn)有的幾何展開(kāi)方法普遍存在展開(kāi)效果易受曲面幾何形狀影響的問(wèn)題�；诖�,本文提出了采用As-Rigid-As-Possible(ARAP)網(wǎng)格參數(shù)化方法來(lái)進(jìn)行展開(kāi)求解的思路。在引入網(wǎng)格參數(shù)化變形能的一般函數(shù)表達(dá)式后,本文采用了互協(xié)方差矩陣法來(lái)求取單個(gè)三角面片變形時(shí)的局部剛體變換矩陣,通過(guò)最小化整體變形能來(lái)實(shí)現(xiàn)曲面的最優(yōu)展開(kāi)。實(shí)驗(yàn)證明ARAP算法展開(kāi)復(fù)雜曲面時(shí)仍擁有良好的保形與保面積特性,可有效求解因零件形狀存在垂直壁結(jié)構(gòu)、狹長(zhǎng)類形狀、扣邊、缺口等局部特征而易導(dǎo)致展開(kāi)計(jì)算失敗的問(wèn)題,算法不易受零件幾何特征的影響,可快速穩(wěn)定地為進(jìn)一步的形狀優(yōu)化提供一個(gè)良好的幾何初始展開(kāi)解。針對(duì)航空航天鈑金件多品種小批量的下料模式,本文首先從矩形件排樣入手,采用了最佳匹配方法為基礎(chǔ)排樣算法。針對(duì)單純最佳匹配排樣時(shí)易出現(xiàn)“塔”式效應(yīng)的問(wèn)題,本文采用遺傳算法對(duì)排樣結(jié)果的頂部序列進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)局部?jī)?yōu)化的方式使得算法在處理大規(guī)模矩形排樣問(wèn)題時(shí)仍能快速獲得一個(gè)良好的排樣方案。在此基礎(chǔ)上,本文以臨界多邊形方法為判交工具,利用壓縮算法和零件組合操作,將算法進(jìn)一步推廣到了不規(guī)則件排樣中,實(shí)現(xiàn)了最佳匹配策略從矩形件排樣到不規(guī)則件排樣的自然過(guò)渡,提高了算法的通用性。針對(duì)鈑金切割下料過(guò)程中存在的板材纖維方向約束、切割損耗、共邊切割等主要工藝約束,本文建立起了對(duì)應(yīng)的排樣規(guī)則并將其集成入已開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)排樣算法中,最終算法可在考慮主要工藝約束下對(duì)航空及船舶矩形件和異形件進(jìn)行快速優(yōu)化排樣�；谝陨涎芯砍晒�,本文分別開(kāi)發(fā)了基于輕量化模型的鈑金展開(kāi)軟件(SurfacePara)和基于生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)化排樣軟件兩套應(yīng)用軟件,最后通過(guò)選取多個(gè)典型零件和排樣算例對(duì)這兩個(gè)軟件平臺(tái)進(jìn)行了有效的應(yīng)用驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：鈑金展開(kāi) 優(yōu)化排樣 能量法 As-Rigid-As-Possible 最佳匹配 工藝約束
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V261.29
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-45
• 1.1 引言11-12
• 1.2 鈑金計(jì)算機(jī)輔助展開(kāi)方法研究現(xiàn)狀綜述12-17
• 1.3 網(wǎng)格曲面展開(kāi)算法綜述17-33
• 1.3.1 能量法曲面展開(kāi)算法綜述18-20
• 1.3.2 網(wǎng)格參數(shù)化算法綜述20-29
• 1.3.3 一步法中的初始解求取方法綜述29-33
• 1.4 板材優(yōu)化排樣算法綜述33-42
• 1.4.1 精確求解算法（EXACT METHOD）綜述34-35
• 1.4.2 啟發(fā)式算法（HEURISTIC）綜述35-38
• 1.4.3 智能優(yōu)化算法（METAHEURISTIC）綜述38-40
• 1.4.4 NFP算法綜述40-42
• 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排42-45
• 1.5.1 研究背景及意義42
• 1.5.2 研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排42-45
• 第二章 面向可展或近似可展曲面零件的能量法展開(kāi)技術(shù)研究45-80
• 2.1 三角化曲面展開(kāi)技術(shù)基礎(chǔ)45-51
• 2.1.1 曲面拓?fù)?/span>45-46
• 2.1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)46-47
• 2.1.3 曲面可展程度評(píng)價(jià)47-51
• 2.2 能量法展開(kāi)技術(shù)基礎(chǔ)51-56
• 2.2.1 彈簧-質(zhì)子模型51-52
• 2.2.2 能量法展開(kāi)流程52-54
• 2.2.3 中心展開(kāi)點(diǎn)的選擇54-55
• 2.2.4 三角面片局部反折處理55-56
• 2.3 可變步長(zhǎng)下的能量快速釋放算法56-61
• 2.4 層次化展開(kāi)技術(shù)研究61-63
• 2.5 鈑金展開(kāi)時(shí)的工藝處理63-69
• 2.5.1 平面板彎曲時(shí)的板厚處理63-65
• 2.5.2 圓柱及圓錐管類彎曲制件的板厚處理65-66
• 2.5.3 相貫件連接時(shí)的板厚處理66-69
• 2.6 實(shí)例驗(yàn)證69-79
• 2.6.1 框肋類航空鈑金零件展開(kāi)69-77
• 2.6.2 三通管鈑金零件展開(kāi)77-79
• 2.7 本章小結(jié)79-80
• 第三章 面向復(fù)雜曲面零件的網(wǎng)格參數(shù)化幾何展開(kāi)技術(shù)研究80-99
• 3.1 復(fù)雜型面鈑金零件的展開(kāi)求解思路80-81
• 3.2 網(wǎng)格參數(shù)化變形能的一般函數(shù)表達(dá)式81-83
• 3.3 基于局部-整體的保剛性網(wǎng)格參數(shù)化方法83-90
• 3.3.1 局部剛體變換矩陣求解84-87
• 3.3.2 整體變形能函數(shù)最小化求解87-90
• 3.4 基于ARAP算法的復(fù)雜曲面零件展開(kāi)技術(shù)研究90-96
• 3.4.1 垂直壁問(wèn)題90-92
• 3.4.2 狹長(zhǎng)形零件問(wèn)題92-94
• 3.4.3 扣邊、缺口等局部特征問(wèn)題94-96
• 3.5 復(fù)雜曲面零件展開(kāi)時(shí)的工藝處理技術(shù)96-98
• 3.6 本章小結(jié)98-99
• 第四章 基于最佳匹配策略的通用優(yōu)化排樣技術(shù)研究99-119
• 4.1 矩形件排樣問(wèn)題中的最佳匹配策略研究99-103
• 4.2 面向矩形件排樣的改進(jìn)型最佳匹配算法103-111
• 4.3 面向異形件排樣的最佳匹配算法111-118
• 4.4 本章小結(jié)118-119
• 第五章 考慮鈑金下料工藝約束的優(yōu)化排樣技術(shù)研究119-131
• 5.1 鈑金優(yōu)化排樣中的工藝約束轉(zhuǎn)化策略研究119-127
• 5.2 工藝約束下的鈑金優(yōu)化排樣技術(shù)127-128
• 5.3 實(shí)例驗(yàn)證128-130
• 5.4 本章小結(jié)130-131
• 第六章 鈑金展開(kāi)與優(yōu)化排樣軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用131-146
• 6.1 基于輕量化模型的鈑金展開(kāi)軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用131-139
• 6.1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及功能架構(gòu)131-132
• 6.1.2 各模塊界面介紹與功能演示132-135
• 6.1.3 實(shí)例驗(yàn)證135-139
• 6.2 優(yōu)化排樣軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用139-145
• 6.2.1 系統(tǒng)功能模塊劃分及總體架構(gòu)139-140
• 6.2.2 主要功能界面介紹140-144
• 6.2.3 排樣算例演示144-145
• 6.3 本章小結(jié)145-146
• 第七章 總結(jié)和展望146-151
• 7.1 全文總結(jié)146-148
• 7.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)148-149
• 7.3 研究工作展望149-151
• 參考文獻(xiàn)151-165
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文165
• 攻讀博士學(xué)位期間獲得的軟件著作登記權(quán)165-166
• 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目166-167
• 致謝167-169

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