現代數字化設計方法在機械設計教學中的應用

仇岳猛

(江西航空職業技術學院，江西 南昌 330024)

0 引言

隨著現代機械設計技術的不斷進步，現代數字化設計方法不斷應用在機械設計教學中，采用工程圖模型設計的方法，進行機械設計教學和現代數字化設計，通過數據驅動模型設計，實現對機械設計中的庫結構模型設計，提高機械三維數字化設計中的工程圖創建和零部件構造設計能力[1]。通過個性化的設計方式，進行現代數字化機械模型設計，提出基于現代化虛擬數字化設計的機械設計方法，并應用在高性能熱塑性復合機械構件設計中[2]。采用 Autodesk、Bentley、Dassault等機械工程設計軟件，在管理信息平臺中進行機械軟件設計，在軟件模塊中，進行工程圖驅動控制，結合3DE在數字化信息處理平臺進行機械設計教學中的三維模型搭建[3-4]。采用 DVENET（Distributed Virtual Environment NETwork）軟件進行高性能熱塑性復合機械構件的虛擬化模型設計[5]，結合虛擬三維信息仿真技術，進行機械的虛擬三維設計。本文提出基于現代化虛擬數字化設計的機械設計方法，并應用在高性能熱塑性復合機械構件設計中。采用工程圖分析方法，實現現代機械數字化設計中的三維模型重建。采用Matlab和VC混合編程控制方法，進行高性能熱塑性復合機械構件的優化設計，展示了本文方法在提高現代數字化設計方法在機械設計教學中的可靠性和優越性。

1 復合機械構件的數字化虛擬三維模型構建

1.1 系復合機械構件的數字化參數

為了實現現代數字化設計方法在機械設計教學中的應用，采用三維數字化虛擬設計的方法，進行復合機械構件的數字化參數特征分析，通過分析層次化的機械參數結構設計，進行模塊化控制和機械構建分析，采用Micro Channel總線傳輸協議，建立復合機械構件的數字化虛擬擴充總線，進行復合機械構件的數字化設計指令加載和傳輸控制，通過集成總線調度，實現對復合機械構件的數字化傳輸協議控制設計，提高復合機械構件的數字化設計的輸出穩定性[6-7]。根據上述設計方案，得到現代數字化機械模型參數分布見表1。

表1 現代數字化機械模型參數分布Tab.1 parameter distribution of modern digital mechanical model

根據表1的參數設定，采用上層研磨介質約束方法，建立高性能熱塑性復合機械構件的負載參數檢測模型，通過傳感器測量模型參數分析，得到復合機械構件的數字化融合特征分布值，通過粘滯摩擦系數計算，得到復合機械構件的應力分布模型，通過測試磨損區域的總能量和切向能量，實現應力與變形參數分析和可靠性計算。

1.2 數字化虛擬三維模型

采用數字化的三維虛擬技術，進行高性能熱塑性復合機械構件設計，在三維機械設計中，采用OpenFlight作為虛擬場景的層次化底層結構參數，采用邏輯篩選和組件紋理勾畫的方法[8]，通過模型生成和修改編輯的方法，進行高性能熱塑性復合機械構件的三維虛擬重構，在三維設備與邏輯設備層中，建立高性能熱塑性復合機械構件的根節點，添加管附件，在不同的網格面中進行三維MBD模型設計，網格參數分布見表2。

表2 TSMC系機械數字化設計的三維網格分布參數Tab.2 three dimensional grid distribution parameters of mechanical digital design

通過尺寸標注節點位置的方法，進行機械設計教學中的三維模型搭建，分析高性能熱塑性復合機械構件的交互系統控制原理，基于模型的定義（model based definition，MBD）技術，構建高性能熱塑性復合機械構件的機輔助設計（computer aided design，CAD）模型，結合計算機三維輔助設計[9]，取零部件尺寸標注值作為尺寸鏈，得到三維設計的尺寸分布參數見表3。

表3 三維設計的尺寸分布參數Tab.3 dimension distribution parameters of 3D design

根據動態參數分布，求出的曲面模型，采用NC加工和柔性控制的方法，進行機械三維設計的云信息融合和提取，通過模型柔性參數控制，采用參數化的擬合方法，實現數字化虛擬三維重構[10]。

2 現代數字化設計在機械設計教學應用優化

根據上述高性能熱塑性復合機械構件的三維設計和擬合效果，進行PMI信息提取，采用完備性檢查與尺寸鏈融合技術，進行PMI動態空間參數融合構造，在組成環d的矢量方向，結合各鏈中尺寸進行三維機械設計，分析缺失數據，在各個設計平面中，采用參數化數字化建模和設備庫重構的方法，實現機械設計中的標準庫結構模型設計，如圖1所示。

圖1 標準庫結構模型設計Fig.1 structural model design of standard library

根據圖1的標準庫結構模型，采用工程圖分析方法，分析封閉尺寸鏈數，得到完備性的結構參數，采用計算機輔助工藝規劃（computer aided process planning，CAPP）方法，進行不同標注平面下的機械部件的標準轉換模型設計，采用形狀結構參數分析方法，檢查幾何元素的過約束問題，得到封閉環所在尺寸的子空間約束參數分布，見表4。

根據表4的封閉環所在尺寸的子空間約束參數分布，采用參數約束和過程控制的方法，實現現代機械數字化設計中的三維模型重建，并有效應用在機械設計教學中。

表4 封閉環所在尺寸的子空間約束參數分布Tab.4 subspace constraint parameter distribution of the size of the closed ring

3 實驗測試

為了驗證本文方法的性能，進行采用參數化數字化建模和設備庫重構的方法，實現機械設計中的標準庫結構模型設計，得到尺寸標注完備性特征分布為0.733，可靠性參數分布為0.628，采用工程圖分析方法，實現現代機械數字化設計中的三維模型重建，如圖2所示。

根據圖2的機械數字化設計中的三維模型重建分布，實現現代數字化三維設計，如圖3所示。

圖2 機械數字化設計中的三維模型重建Fig.2 3D model reconstruction in mechanical digital design

圖3 三維數字化設計輸出Fig.3 3D digital design output

分析圖3得知，將本文提出的高性能熱塑性復合機械構件設計方法，能有效使高性能熱塑性復合機械構件設計，提高人機交互性。

4 結論

通過數據驅動模型設計，實現對機械設計中的庫結構模型設計，提高機械三維數字化設計中的工程圖創建和零部件構造設計能力。通過分析層次化的機械參數結構設計，進行模塊化控制和機械構建分析，通過粘滯摩擦系數計算，得到復合機械構件的應力分布模型，結合BIM設計方法實現高性能熱塑性復合機械構件設計，本文設計的高性能熱塑性復合機械構件，人機交互性較好，參數辨識度較高。