精密塑料注射成型装备产品数字化设计关键技术及平台构建

摘要

近年来，随着汽车、电子、IT、家电等行业的快速发展，人们对注塑制品的精度、形状、功能、成本等方面提出了要求。高精度、高功能化、小型化、轻量化、低成本、高附加值等要求的提出是以精密塑料注射成型装备数字化设计的发展为基础。为了实现需求驱动的精密塑料注射成型装备产品快速响应设计，以大型二板式精密塑料注射成型机和双曲肘连杆式高精型塑料注射成型机为切入点，对精密塑料注射成型装备产品数字化设计中的关键技术进行研究，建立一个精密塑料注射成型装备产品配置、变异与仿真集成的先进设计平台。结合企业的实际需求，将开发的精密塑料注射成型装备产品配置、变异与仿真集成的先进设计平台应用于新型二板式合模装置和双曲肘连杆式合模装置的设计仿真中，取得了较好的效果．
　　 全文的组织结构为：
　　 第一章分析了精密塑料注射成型装备的作用与发展趋势，提出了精密塑料注射成型装备产品数字化设计的技术需求，综述了精密塑料注射成型装备配置设计、精密塑料注射成型装备结构变异和精密塑料注射成型装备仿真分析的研究现状，指出了精密望料注射成型装备数字化集成设计平台的开发需求，给出了论文的主要内容和结构．
　　 第二章提出了精密塑料注射成型装备模糊多属性配置设计。针对模糊型配置问题，提出将模糊多属性决策理论引入到配置设计方法中．考虑客户主观不确定偏好，通过模糊需求的知识获取以及模糊需求与精密塑料注射成型装备产品属性间的描述，实现客户模糊需求到配置需求的非线性映射．将配置需求作为精密塑料注射成型装备产品模糊层次配置的输入，通过非标准模块的相似性标识和模糊层次配置的求解，实现精密塑料注射成型装备产品模糊层次配置设计，模糊层次配置的输出为配置方案集．利用神经网络技术建立模糊多属性决策的配置方案评价模型，对配置方案集进行比较和排序，优选出最接近客户满意的配置结果。
　　 第三章提出了精密塑料注射成型装备模糊配置与结构变异的多尺度耦合方法．将多尺度耦合概念引入精密塑料注射成型装备的产品设计中，对产品多尺度模糊配置设计、多尺度变异设计以及异构系统的多尺度耦合方法进行研究．分析异构系统间信息传递过程中的多尺度特征，将配置设计系统中预定义的产品族按状态空间划分为大尺度、中尺度、小尺度和超小尺度．结构变异设计是将模糊配置的相似实例作为输入，通过拓扑结构的改变，输出满足客户需求的新结构．建立模糊配置与结构变异设计异构系统间的多尺度耦合过程的数学描述，通过多尺度递归融合与驱动，实现精密塑料注射成型装备模糊配置与结构变异异构系统间的多尺度耦合．
　　 第四章提出了精密塑料注射成型装备模糊配置的反馈式解耦设计。将模糊配置通过用户域、功能域、物理域和过程域之间的映射来实现．其中，功能域向物理域的映射过程可通过相对增益矩阵进行表达，不同形式的相对增益矩阵描述不同的模糊配置设计，包括理想设计、解耦设计和耦合设计。针对模糊配置中的耦合设计，构建由多粒度结构组成的过程域，多粒度结构用于结构变异．过程域作为耦合设计的反馈补偿域，通过调节功能需要与设计参数之间的相对增益矩阵，实现精密塑料注射成型装备模糊配置的反馈式解耦设计．
　　 第五章提出了精密塑料注射成型装备集成结构变异与仿真分析的多变量耦合技术．为实现精密塑料注射成型装备性能驱动的快速响应设计，通过多变量建立结构变异与仿真分析的耦合关联，集成结构变异与仿真分析异构系统．结构变异是移植结构与基型结构的拓扑搭接，通过多级特征的更改，保留结构变异过程中的多变量。由主成分分析法，提取耦合设计变量，建立结构变异与仿真分析的多变量耦合模型，并在此基础上进行求解，实现精密塑料注射成型装备结构变异与仿真分析的多变量传递与反馈。
　　 第六章提出了精密塑料注射成型装备刚柔耦合问题及求解方法。目前精密塑料注射成型装备的数字样机广泛采用多刚体动力学系统，没有考虑合模装置启闭模运动中结构的弹性变形，难以解释精密塑料注射成型装备复杂的动力学性态．因此，建立双曲肘连杆式合模装置数字样机，并在此基础上柔性化处理拉杆、十字头连杆、前肘杆、销轴等关键零部件。对双曲肘连杆式合模装置数字样机进行刚柔耦合动力学分析，得到拉杆的前22阶模态参数。通过中心差分法，求解合模装置启动过程十字头连杆的弹性变形，为精密塑料注射成型装备新产品的开发提供了可借鉴的方法。
　　 第七章结合实际项目，开发了精密塑料注射成型装备产品配置、变异与仿真集成先进设计平台，并在新型二板式合模装置和双曲肘连杆式合模装置的设计仿真中得到应用，在实践中证明本文提出理论与方法的正确性和可行性．
　　 第八章对本文进行总结，并给出了今后研究工作的方向。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 引言

1.2 精密塑料注射成型装备的组成与发展趋势

1.3 精密塑料注射成型装备的数字化设计

1.4 精密塑料注射成型装备配置设计

1.4.1 精密塑料注射成型装备配置设计需求

1.4.2 精密塑料注射成型装备配置设计的研究现状

1.5 精密塑料注射成型装备结构变异

1.5.1 精密塑料注射成型装备的结构变异流程

1.5.2 精密塑料注射成型装备变异设计研究现状

1.6 精密塑料注射成型装备仿真分析

1.6.1 模板有限元分析的研究现状

1.6.2 合模装置的虚拟样机技术

1.7 论文的主要内容和结构

1.8 小结

2 精密塑料注射成型装备模糊多属性配置设计

2.1 引言

2.2 客户需求到配置需求的转化

2.2.1 客户模糊需求的描述

2.2.2 客户模糊需求到配置需求的映射

2.3 模糊层次配置设计

2.3.1 非标准模块的相似配置

2.3.2 求解模糊层次配置

2.4 模糊多属性决策中的配置方案评价

2.5 精密塑料注射成型装备模糊多属性的配置实例

2.6 小结

3 精密塑料注射成型装备模糊配置与结构变异的多尺度耦合

3.1 引言

3.2 多尺度模糊配置设计

3.3 多尺度结构变异设计

3.4 模糊配置与结构变异的多尺度耦合

3.4.1 多尺度耦合描述

3.4.2 多尺度递归融合

3.4.3 多尺度耦合驱动

3.5 精密塑料注射成型装备的多尺度耦合实例

3.6 小结

4 精密塑料注射成型装备模糊配置的反馈式解耦设计

4.1 引言

4.2 模糊配置设计的多域模型

4.2.1 模糊配置的多域划分

4.2.2 功能域向物理域的映射

4.2.3 过程域中的多粒度结构

4.3 多域模型的反馈式解耦

4.3.1 多域模型的模块连接

4.3.2 反馈式解耦过程

4.4 精密塑料注射成型装备的反馈式解耦设计实例

4.5 小结

5 精密塑料注射成型装备集成结构变异与仿真分析的多变量耦合

5.1 引言

5.2 结构变异的仿真分析过程

5.3 多级特征更改的结构变异设计

5.4 多变量耦合问题

5.4.1 多变量耦合模型的构建

5.4.2 耦合设计变量的提取

5.4.3 多变量耦合模型的求解

5.5 精密塑料注射成型装备的集成结构变异与仿真分析实例

5.6 小结

6 精密塑料注射成型装备刚柔耦合问题及求解方法

6.1 引言

6.2 双曲肘连杆式合模装置的变形力

6.3 双曲肘连杆式合模装置的刚柔耦合模型

6.4 双曲肘连杆式合模装置启动过程刚柔耦合问题求解

6.5 小结

7 精密塑料注射成型装备数字化集成设计平台的开发

7.1 系统概述

7.1.1 软件界面

7.1.2 系统总体功能结构

7.2 精密塑料注射成型装备配置设计系统(HTMC)84

7.2.1 产品基础数据管理模块

7.2.2 配置功能管理模块

7.2.3 产品配置管理模块

7.3 精密塑料注射成型装备结构变异设计系统

7.3.1 变异设计功能结构及主界面

7.3.2 变异设计中的移植结构

7.3.3 移植结构的多粒度划分

7.3.4 多粒度移植结构的再生

7.3.5 精密塑料注射成型装备变异设计实例

7.4 精密塑料注射成型装备模块化定制的仿真系统

7.4.1 结构仿真和拓扑优化

7.4.2 合模装置数字样机动力学分析

7.4.3 双曲肘连杆式合模装置动态特性分析

8 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果