面向分析的复杂模型约束变体方法与软件实现

Aiming at reducing design cost and increasing design reliability, simulation-based design becomes a trend for complex engineering product design. Therefore, methods of effective modeling for analysis models and concurrent reuse of the corresponding CAD models are in strong demand. . A bi-directional communication between CAD and CAE applications is essential when the heterogeneous models are modified in iterative design process. The project focuses on the problem that involves external shape constraints, functional constraints, inner structure design and simulation-based optimization. We propose a so-called Parameterized Hierarchical Structured Features (abbr. PHSF), which is abstracted from the heterogeneous models for the purpose of concurrent reuse of models. In order to ensure the concurrent reuse during model modification, we will construct mappings and constraints between PHSF and heterogeneous models. Using feature extraction, parametric reconstruction and structure-aware model understanding, we will establish morphable PHSF and corresponding constrained shape space exploration from models. We propose a series of PHSF-driven analysis-aware morphing methods for surface meshes and B-Rep NURBS CAD models, which are under complex geometric, structural and functional constraints. Finally, we will develop a CAD/CAE integration software module based on above theories, and also provide integration with different structure optimization CAE for carbody design, including traditional CAE and VCD-ICAE approach. The project will provide useful theories and technical support platform for improving design and innovation of complex products and other industrial equipments in China.

为实现分析驱动设计理念在复杂产品数字化设计早期的应用，提高设计可信性与效率，面向分析的模型快速生成及与CAD模型的同步重用是关键环节。本项目拟综合外形设计、结构设计与分析优化需求，探索产品异构模型迭代修改同步性问题，拟建立高可信的分层特征表示方法，并阐明其在模型修改时的同步机制。明确特征表示和异构模型之间的映射关系与约束度量，实现其参数化、结构化表示，为模型修改的同步性与变体设计降维奠定基础。拟通过特征提取、参数化重建与结构属性分析，高效创建对应分层特征表示及约束形状空间。针对复杂几何约束、结构约束与功能约束，着重研究特征表示驱动的面向分析的CAD/CAE模型同步变体方法，实现面网格分析模型与边界表示CAD模型有效重用。本项目将完成一套较完整的复杂产品分析模型的快速建模软件模块，支持CAX模型同步更新，并实现与车身结构优化CAE软件集成，为提升我国复杂产品与重大装备的自主创新提供技术支撑。

项目初衷是：为了实现“分析驱动设计”理念在复杂产品数字化设计早期的应用，提高设计可信性与效率，面向分析的模型快速生成及与CAD模型的同步重用是核心关键。为此，我们综合考虑了产品外形设计、结构设计与分析优化的需求，探索产品设计流程中的模型异构及修改同步性问题，通过建立高可信的分层特征表示方法，将CAE模型进行针对性的数据降维，并考虑自由修改和优化设计需求，同时为了与CAD模型同步，建立了参数化的表示体系。并在薄壁结构设计中尝试了高效率的变体设计、外造型与结构模型同步以及面向防撞结构性能的优化设计等一系列工作，同时，考虑了基于上述多级结构特征驱动的网格生成与优化工作，有效实现面网格分析模型有效重用。并针对汽车概念设计领域，开发相关的CAE软件模块。与时俱进，开展了（大）数据驱动的智能化建模的探讨，针对汽车概念设计，创建了大量标注模型库，开展了系列基于机器学习的特征提取、语义提取及对应的变体方法，开发了相应的软件系统，并得到了一定的试用。此外，针对增材制造领域，开展了系列基于STL网格数据的轻量化设计工作，并开展了基于MMC、MMV的拓扑优化设计工作。上述工作参与申请了国家自然科学基金重点项目与面上项目各一项。项目进行期间共计发表论文25篇，SCI检索11篇，EI检索7篇，获批发明专利3项，获批软件著作权10项，累计代码量超过20万行，为提升我国复杂产品与重大装备的自主创新提供技术支撑。培养研究生10名，项目负责人获得国家级学会专委会委员3项、高级会员2项。