虚拟制造环境下焊接结构的有限元分析系统
专利汇可以提供虚拟制造环境下焊接结构的有限元分析系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且虚拟制造环境下 焊接 结构的 有限元分析 系统，它属于虚拟焊接制造领域，为了将焊接过程的有限元分析集成到虚拟制造环境中，支持产品从 机械加工 到焊接成型全过程的设计，对需要进行焊接加工的产品实现虚拟设计过程。本 发明 将焊接过程有限元分析方法集成到到虚拟制造环境中；它分为焊前辅助分析模 块 、有限元分析模块、后置处理模块三部分。本发明逼真地呈现三维焊接预组装过程，解决传统有限元分析前处理过程抽象乏味的问题；本发明实现在有限元前处理模块中开发焊接接头模型库，使几何建模的抽象过程转化为简单的菜单选择接头形式的过程；本发明使焊接加工环节很好的融合到虚拟产品开发中，指导实际生产，实现焊接分析在虚拟制造环境中的应用。，下面是虚拟制造环境下焊接结构的有限元分析系统专利的具体信息内容。
1、虚拟制造环境下焊接结构的有限元分析系统，其特征在于它将焊接过程 有限元分析方法集成到到虚拟制造环境中；它分为焊前辅助分析模块、有限元分 析模块、后置处理模块三部分；
焊前辅助分析模块：通过计算机辅助设计软件进行几何造型，通过格式转化 器将几何造型转化为虚拟现实建模语言的模型文件，通过虚拟现实建模语言制定 预装配路径，实现虚拟预装配；
有限元分析模块：将预装配结果传递给有限元分析软件，同时，利用有限元 分析软件的扩展模块开发焊接接头模型库，将焊接接头模型库嵌入有限元分析软 件中，利用有限元分析软件结合装配结果、焊接接头库，对焊接的温度及应力场 进行求解计算；
后置处理模块：利用有限元分析软件分析得到的应力场、温度场和焊件的变 形情况进行焊接质量评价，检验产品可装配性，将优化结果反馈到计算机辅助设 计软件，根据分析结果修正几何造型，改进焊接顺序，修改焊接工艺参数。
2、根据权利要求1所述的虚拟制造环境下焊接结构的有限元分析系统，其特 征在于对有限元软件界面进行友好化处理，生成面向焊接接头的客户化图形界 面。
3、根据权利要求1所述的虚拟制造环境下焊接结构的有限元分析系统，其特 征在于对产品几何造型中的焊接结构中的部位进行动力学、运动学分析，并对焊 接后变形进行可装配性分析。
技术领域
本发明属于虚拟焊接制造领域，具体涉及基于虚拟制造的焊接过程中应力及 温度计算的有限元分析系统。
背景技术
虚拟制造技术(VM)可以分为以生产为中心VM、以控制为中心VM和以设 计为中心VM。以生产为中心的虚拟制造系统主要用于工厂的作业计划制定及车 间布局仿真；以控制为中心的VM系统研究集中于生产过程的优化及控制模型； 以设计为中心的VM可以为产品设计人员在设计阶段提供产品信息，优化产品和 工艺设计。以设计为中心的虚拟制造的核心思想是把制造信息引入到设计过程， 利用仿真来优化产品设计，从而在设计阶段，就可以对所设计的零件甚至整机进 行可制造性分析，这包括加工过程的工艺分析、铸造及焊接等过程的热力学分析、 运动部件的运动学分析和动力学分析等，甚至包括加工时间、加工费用、加工精度 分析等。它主要是解决“设计出来的产品是什么样”的问题。
虚拟制造技术在国内属于刚起步阶段，目前大部分以设计为中心的VM研究 集中于机床加工产品，如关键部件的毛坯切削、刀具干涉等问题。清华大学自动 化系开展了基于虚拟制造技术的剑杆织布机的产品开发，首先由三维造型软件 CAD完成凸轮轴以及所有的引纬、打纬机构中的零件的造型，生成零件三维实体 模型；由机械系统动力学自动分析系统(ADAMS)读入这些零件实体模型，利 用ADAMS多体动力学仿真功能，定义相应的运动副约束和驱动约束，建立虚拟样 机，再由ADAMS内核解算系统运动学和动力学方程，对交接纬机构的配合关系 进行仿真设计，得到剑杆织机引纬和打纬机构的运动学和动力学特性，仿真输出 与设计目标进行比较，返回CAD调整相关部件结构参数。南京工业大学采用虚拟 制造技术研发了VE型分配泵，该机构首先进行产品的虚拟设计，其后进行运动机 构的运动学分析、动力学分析，将得到的结果输入到有限元分析与结构优化，然 后进行了产品的虚拟装配，并且进行了关键件的虚拟机床加工分析；中国国家发 明专利200610081500.8则提出针对虚拟制造领域内装配工艺的规划，此规划方法 是面向现场的半沉浸式装配规划；大连轻工业学院采用将虚拟制造的技术应用于 分度凸轮的研发，在虚拟加工的环节主要研究了NC代码翻译模块、零件的毛坯 准备模块、加工机床配置模块、材料切除仿真模块等。
而实际生产过程中，很多零部件需要焊接成型，焊接加工也是产品加工过程 中重要环节，数据表明，40％以上的钢铁材料需要焊接成型。焊缝的几何尺寸、 力学性能等是产品质量评定的重要指标。随着焊接技术的不断提高，焊接自动化 程度也越来越高，这也为在计算机上实现焊接过程的模拟提出了新的要求，所以 在虚拟制造环境下对焊接过程进行分析是非常有必要的。
发明内容
本发明将焊接过程有限元分析方法集成到到虚拟制造环境中；它分为焊前 辅助分析模块、有限元分析模块、后置处理模块三部分；
焊前辅助分析模块：通过计算机辅助设计软件进行几何造型，通过格式转 化器将几何造型转化为虚拟现实建模语言的模型文件，通过虚拟现实建模语言 制定预装配路径，实现虚拟预装配；
有限元分析模块：将预装配结果传递给有限元分析软件，同时，利用有限 元分析软件的扩展模块开发焊接接头模型库，将焊接接头模型库嵌入有限元分 析软件中，利用有限元分析软件结合装配结果、焊接接头库，对焊接的温度及 应力场进行求解计算；
后置处理模块：利用有限元分析软件分析得到的应力场、温度场和焊件的 变形情况进行焊接质量评价，检验产品可装配性，将优化结果反馈到计算机辅 助设计软件，根据分析结果修正几何造型，改进焊接顺序，修改焊接工艺参数。
本发明可以实现在虚拟的环境中对焊接部件的预装配，逼真地呈现三维焊 接预组装过程，解决传统有限元分析前处理过程抽象乏味的问题；
可以实现在焊接知识库中对焊接接头模型的提取，呈现简单的接头选择菜 单形式，解决传统有限元软件专业性强，车间人员难于快速掌握的不足；
可以结合实际焊接情况，为有限元分析模型加载各种约束条件，使焊接分 析在计算机中得到物理信息的映射，导出有限元计算结果数据，根据用户需求， 察看焊件变形情况，察看焊件在焊接过程中温度场和应力场变化情况；
可以实现有限元分析前置处理、后置处理与虚拟制造环境下的其它分析如： 运动学、动力学、装配性分析的集成，使焊接加工环节很好的融合到虚拟产品 开发中，指导实际生产，实现焊接分析在虚拟制造环境中的应用。
具体实施方式
焊前辅助分析模块：通过计算机辅助设计软件进行几何造型，通过格式转化 器将几何造型转化为虚拟现实建模语言的模型文件，通过虚拟现实建模语言制定 预装配路径，实现虚拟预装配；
有限元分析模块：将预装配结果传递给有限元分析软件，同时，利用有限元 分析软件的扩展模块开发焊接接头模型库，将焊接接头模型库嵌入有限元分析软 件中，利用有限元分析软件结合装配结果、焊接接头库，对焊接的温度及应力场 进行求解分析；
后置处理模块：利用有限元分析软件分析得到的应力场、温度场和焊件的变 形情况进行焊接质量评价，检验产品可装配性，将优化结果反馈到计算机辅助设 计软件，根据分析结果修正几何造型，改进焊接顺序，修改焊接工艺参数。
具体实施方式二：下面具体说明本实施方式，本实施方式对有限元软件界面 进行友好化处理，生成面向焊接接头的客户化图形界面。
具体实施方式三：下面具体说明本实施方式，本实施方式对产品几何造型中 的焊接结构中的部位进行动力学、运动学分析，并对焊接后变形进行可装配性分 析。
具体实施方式四：下面具体说明本实施方式，本实施方式根据实际产品的 零部件，在三维造型软件中设计产品的几何造型，几何设计包括各个零部件的 形状、焊缝的位置、焊缝的尺寸等，设计好几何形状之后，通过格式转化器， 导出为*.wrl文件，该文件为虚拟现实语言建模的模型文件，在虚拟现实环境中， 采用虚拟现实建模语言VRML为各个零部件添加节点、传感器、插补器等，制 定预装配路径，通过用户操作，呈现焊前预装配，并通过JavaScript脚本语言实 现与有限元分析的通信，将装配结果传递给有限元分析处理器。
利用有限元软件MARC的扩展模块Py_Mentat开发焊接接头模型库，并将 该程序集成到MARC软件中，从该模型库中可以直接导出不同类型的接头模 型，此特征库采用Python语言进行开发，以嵌入的方式与MARC软件通信， 这样可以方便窗口界面观察到用户所选择的接头形式，除此之外，根据接头特 征库中所需的参数，进行焊接接头特征的界面友好化处理，生成新的客户化图 形界面，使用户可以在新开发的客户化菜单上直接通过按钮等部件生成新的任 务文件并提交，然后调用接头模型，提交给MARC求解器运算，MFL为MARC 菜单语言文件。Mentat中所有的菜单文件保存在menus目录下，各级菜单以*.ms 形式出现，该文件为二进制文件，可以文本编辑软件进行修改。
利用有限元软件MARC进行焊接问题的分析。首先确定分析的类型，确定 焊缝的材料属性，在有限元分析前处理器程序中选择单元类型，并自适应划分 网格，建立计算模型，输入虚拟环境中的焊接顺序、输入焊接接头库中的模型， 求解计算模型。采用写字板或者其他编辑软件编制程序，建立焊接接头库图形 操作界面。
焊接结构作为产品的结构件时，需要对其进行动力学、运动学分析。将三 维造型软件中的几何模型通过IGES/STEP格式或利用接口程序传送给 NASTRAN软件，在该软件中建立分析模型和运动关系，得到速度、加速度、 位移之间的关系，采用ADAMS进行动力学仿真，在SOLVER模块中求解得到 各个部件之间的运动学关系，对产品的设计性能进行分析，为有限元软件提供 边界条件和载荷。根据计算结果，进行焊接质量的分析，并且在虚拟环境中进 行变形后的焊接造型的装配，检测产品的可装配性，提出改进措施进行优化设 计，最后将优化的结构反馈给计算机辅助设计系统，修正几何造型，改进焊接 顺序，修改工艺焊接参数，从而提高焊接质量。
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