现代数字化设计方法在机械设计教学中的应用

仇岳猛

(江西航空职业技术学院，江西 南昌 330024)

0 引言

随着现代机械设计技术的不断进步，现代数字化设计方法不断应用在机械设计教学中，采用工程图模型设计的方法，进行机械设计教学和现代数字化设计，通过数据驱动模型设计，实现对机械设计中的库结构模型设计，提高机械三维数字化设计中的工程图创建和零部件构造设计能力[1]。通过个性化的设计方式，进行现代数字化机械模型设计，提出基于现代化虚拟数字化设计的机械设计方法，并应用在高性能热塑性复合机械构件设计中[2]。采用 Autodesk、Bentley、Dassault等机械工程设计软件，在管理信息平台中进行机械软件设计，在软件模块中，进行工程图驱动控制，结合3DE在数字化信息处理平台进行机械设计教学中的三维模型搭建[3-4]。采用 DVENET（Distributed Virtual Environment NETwork）软件进行高性能热塑性复合机械构件的虚拟化模型设计[5]，结合虚拟三维信息仿真技术，进行机械的虚拟三维设计。本文提出基于现代化虚拟数字化设计的机械设计方法，并应用在高性能热塑性复合机械构件设计中。采用工程图分析方法，实现现代机械数字化设计中的三维模型重建。采用Matlab和VC混合编程控制方法，进行高性能热塑性复合机械构件的优化设计，展示了本文方法在提高现代数字化设计方法在机械设计教学中的可靠性和优越性。

1 复合机械构件的数字化虚拟三维模型构建

1.1 系复合机械构件的数字化参数

为了实现现代数字化设计方法在机械设计教学中的应用，采用三维数字化虚拟设计的方法，进行复合机械构件的数字化参数特征分析，通过分析层次化的机械参数结构设计，进行模块化控制和机械构建分析，采用Micro Channel总线传输协议，建立复合机械构件的数字化虚拟扩充总线，进行复合机械构件的数字化设计指令加载和传输控制，通过集成总线调度，实现对复合机械构件的数字化传输协议控制设计，提高复合机械构件的数字化设计的输出稳定性[6-7]。根据上述设计方案，得到现代数字化机械模型参数分布见表1。

表1 现代数字化机械模型参数分布Tab.1 parameter distribution of modern digital mechanical model

根据表1的参数设定，采用上层研磨介质约束方法，建立高性能热塑性复合机械构件的负载参数检测模型，通过传感器测量模型参数分析，得到复合机械构件的数字化融合特征分布值，通过粘滞摩擦系数计算，得到复合机械构件的应力分布模型，通过测试磨损区域的总能量和切向能量，实现应力与变形参数分析和可靠性计算。

1.2 数字化虚拟三维模型

采用数字化的三维虚拟技术，进行高性能热塑性复合机械构件设计，在三维机械设计中，采用OpenFlight作为虚拟场景的层次化底层结构参数，采用逻辑筛选和组件纹理勾画的方法[8]，通过模型生成和修改编辑的方法，进行高性能热塑性复合机械构件的三维虚拟重构，在三维设备与逻辑设备层中，建立高性能热塑性复合机械构件的根节点，添加管附件，在不同的网格面中进行三维MBD模型设计，网格参数分布见表2。

表2 TSMC系机械数字化设计的三维网格分布参数Tab.2 three dimensional grid distribution parameters of mechanical digital design

通过尺寸标注节点位置的方法，进行机械设计教学中的三维模型搭建，分析高性能热塑性复合机械构件的交互系统控制原理，基于模型的定义（model based definition，MBD）技术，构建高性能热塑性复合机械构件的机辅助设计（computer aided design，CAD）模型，结合计算机三维辅助设计[9]，取零部件尺寸标注值作为尺寸链，得到三维设计的尺寸分布参数见表3。

表3 三维设计的尺寸分布参数Tab.3 dimension distribution parameters of 3D design

根据动态参数分布，求出的曲面模型，采用NC加工和柔性控制的方法，进行机械三维设计的云信息融合和提取，通过模型柔性参数控制，采用参数化的拟合方法，实现数字化虚拟三维重构[10]。

2 现代数字化设计在机械设计教学应用优化

根据上述高性能热塑性复合机械构件的三维设计和拟合效果，进行PMI信息提取，采用完备性检查与尺寸链融合技术，进行PMI动态空间参数融合构造，在组成环d的矢量方向，结合各链中尺寸进行三维机械设计，分析缺失数据，在各个设计平面中，采用参数化数字化建模和设备库重构的方法，实现机械设计中的标准库结构模型设计，如图1所示。

图1 标准库结构模型设计Fig.1 structural model design of standard library

根据图1的标准库结构模型，采用工程图分析方法，分析封闭尺寸链数，得到完备性的结构参数，采用计算机辅助工艺规划（computer aided process planning，CAPP）方法，进行不同标注平面下的机械部件的标准转换模型设计，采用形状结构参数分析方法，检查几何元素的过约束问题，得到封闭环所在尺寸的子空间约束参数分布，见表4。

根据表4的封闭环所在尺寸的子空间约束参数分布，采用参数约束和过程控制的方法，实现现代机械数字化设计中的三维模型重建，并有效应用在机械设计教学中。

表4 封闭环所在尺寸的子空间约束参数分布Tab.4 subspace constraint parameter distribution of the size of the closed ring

3 实验测试

为了验证本文方法的性能，进行采用参数化数字化建模和设备库重构的方法，实现机械设计中的标准库结构模型设计，得到尺寸标注完备性特征分布为0.733，可靠性参数分布为0.628，采用工程图分析方法，实现现代机械数字化设计中的三维模型重建，如图2所示。

根据图2的机械数字化设计中的三维模型重建分布，实现现代数字化三维设计，如图3所示。

图2 机械数字化设计中的三维模型重建Fig.2 3D model reconstruction in mechanical digital design

图3 三维数字化设计输出Fig.3 3D digital design output

分析图3得知，将本文提出的高性能热塑性复合机械构件设计方法，能有效使高性能热塑性复合机械构件设计，提高人机交互性。

4 结论

通过数据驱动模型设计，实现对机械设计中的库结构模型设计，提高机械三维数字化设计中的工程图创建和零部件构造设计能力。通过分析层次化的机械参数结构设计，进行模块化控制和机械构建分析，通过粘滞摩擦系数计算，得到复合机械构件的应力分布模型，结合BIM设计方法实现高性能热塑性复合机械构件设计，本文设计的高性能热塑性复合机械构件，人机交互性较好，参数辨识度较高。