支持形变的紧凑布局优化设计的物理学建模方法研究

In terms of research and application prospect to complex mechanical system assembly performance guarantee and precisely quantitative compact layout design optimization, a physically-based modeling for compact layout design optimization with shape morphing was put forward innovatively, which is aimed at finding a new way of layout design for optimizing the overall performance objectives， improving design efficiency and propelling the development of intelligent design and digital optimization method..The research mainly includes three aspects. First, physically-based modeling method of a rubber band analog for compact layout design and a mesh shape morphing based on mass-spring; Second, the bi-level optimization algorithm for the layout design with shape morphing; Third, verification of the research method. The key problems to be resolved are CAD data presentation for rubber band analog model, collision detection and a closed-loop bi-level optimization approach. The point of technical line is to build a closed-loop bi-level optimization model which supports shape morphing to realize optimal compact layout, that is, system layer and component layer. At system level, it uses rubber bands analogy and Genetic Optimization etc to optimize the overall performance objectives and make layout design compact. At component level, it uses mass-spring mesh shape morphing method and adjacent component expanding optimization method to achieve the sufficient size in the available space in a crowded environment..The characteristics and innovation lie in putting forward a new method which adopts physics theory to solve the problem of product precise layout design with shape morphing, which has obvious theoretical significance and practical value.

针对复杂机械系统装配性能保障以及空间紧凑布局精量化设计寻优的研究与应用前景，创新提出支持形变的紧凑布局优化设计的物理学方法，探索出一种整体性能优化和设计效率提高的紧凑布局精量化设计新途径和新方法，推进布局精量化设计智能化与数字化优化方法的发展。.研究内容主要包括：①布局设计的橡皮筋模拟和基于质点弹簧形变的物理学方法；②支持形变布局设计的双层优化算法；③检验方法的有效性。拟解决的关键问题是橡皮筋模拟布局CAD数据表示、碰撞检测和响应以及闭环机制的双层优化等方法。技术路线要点：建立支持形变的闭环的双层优化模型实现最优紧凑布局。即，系统层通过橡皮筋模拟和遗传优化等，实现整体性能的紧凑性布局；组件层采用质点-弹簧网格形变和毗邻组件扩张优化方法，实现可变形组件在拥挤空间下的目标体积。.特色与创新：提出采用物理学理论应用于支持形变的产品布局精量化设计过程的新方法，具有明显的理论意义和实际价值。

结题摘要：.项目针对满足复杂机械空间布局紧凑以及产品性能最佳的智能化设计研究前景，提出基于物理学建模的可变形组件紧凑布局方法，研究了紧凑布局的智能化与数字化设计方法。内容包括：①创新提出凸壳+橡皮筋紧凑布局物理模型，探索出了一种具有智能、直观的满意优化布局模型的整套建模方法，并应用于紧凑布局设计问题中的两类子问题：带静平衡约束的不规则零件packing问题和不规则零件排样问题；②引入装配约束条件将复杂三维模型转化为合理的二维模型进行布局，通过主布策略、邻接策略、置换策略以及回撤策略的实现装配约束下的紧凑布局组件布局过程；③解决复杂装配空间下可变组件的快速精准设计问题，通过对组件运动、装配间隙以及组件模型三个方面对装配空间中可能影响可变形组件设计的因素进行分析研究，给出了约束空间处理、质点弹簧物理模型变形处理以及碰撞检测的技术方法；④基于上述物理学建模和双层布局优化方法建立仿真系统完成可变形物体形变方法的相关细节仿真分析，设计实验对组件形变的布局优化进行验证，证明其在改善布局空间利用率上的可行性。.成果将橡皮筋模拟和基于质点弹簧形变的物理模型应用到紧凑布局设计问题中，解决了空间紧凑、装配性能保障和复杂的数学运算问题，为布局精量化设计的智能化与数字化优化方法提供一个新的解决模式。.重要成果：.开发出包含算法的计算机模拟系统，取得软件著作权登记1个，申请发明专利2项，在国内期刊、国际知名刊物、国际重要学术会议上发表论文21篇，其中，SCI收录1篇，其他国际索引收录6篇，中文核心8篇。