基于元模型重用技术的蒙皮拉形模具优化设计

吴渗楠，应 昊，邹 程 ，幸 研

(1.东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189)(2.中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司 技术装备中心工装设计所，辽宁 沈阳 110850)

基于元模型重用技术的蒙皮拉形模具优化设计

吴渗楠1，应 昊2，邹 程2，幸 研1

(1.东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189)(2.中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司 技术装备中心工装设计所，辽宁 沈阳 110850)

针对目前航空钣金制造中，飞机蒙皮零件设计制造存在的多次重复建立系统模型问题，提出了一种基于元模型和重用技术的几何/分析模型全信息相关的设计方法。首先在ABAQUS中对蒙皮拉伸成形工艺和模具拓扑优化过程进行仿真模拟，分析结果文件并生成设计分析流；再综合比较系统模型的信息及特点，对元模型关键参数进行特征提取和操作分析，并将重用信息分别映射至三维模型和仿真模型，实现对元模型的多次调用。以某飞机蒙皮拉形模具CAD/CAE设计系统为例，分析了系统的设计框架和零件模型的构建模式，利用CAA语言和Python脚本开发出可应用于成形仿真模拟和模具拓扑优化的通用化程序，实现了面向设计模式重用的系统集成开发。

元模型；重用技术；参数化设计；CAA；Python脚本；集成开发

作为航空钣金件的重要组成部分，飞机蒙皮件的制造过程需要高度综合相互匹配的工艺装备，一般以多学科复杂计算与实验分析为基础，且零件的生产效率极大依赖模具的更新周期。早期钣金件生产中，零件和模具匹配相对固化，零件频繁更新使模具利用率降低。随着CAD/CAE/CAM技术的广泛应用，三维数模逐渐代替实物样件，被用于模型试配和有限元分析，大大提高了效率,节约了成本。从国内外航空钣金工装的研究现状来看，工装设计知识与数字化全方位耦合是必然趋势。当前，制造资源和数据信息密集的情况下，如何最大化利用已有资源进行系统间集成及快速制造是企业考虑的首要问题[1-4]。

针对快速智能制造的需求，基于元模型(Meta-model)的建模技术在更深层次上将模型资源、信息和管理有效结合，为多学科协调下的现代制造系统进行数据传递和系统集成提供了便利，已成为计算机行业和制造业共同关注的热点[5-7]。元模型是基于模型的模型，是模型在更高层次的抽象。以元模型为基本载体进行重用，是以面向对象思想为支撑、以统一模型及分析规范为指导的过程，它实现了不同用户在标准框架下的自定义设置和分析。重用过程将模型数据信息充分利用，有效降低了建模和分析成本，实现了高效的程序化分析[8]。

本文以某型号的飞机蒙皮拉形模具优化设计(Aircraft Skin Stretch-forming Die Optimization Design, ASSDOD)系统为例，介绍了基于元模型的建模和重用方法，并在系统中运行实现。以CATIA V5为三维数模的驱动生成平台，调取ABAQUS优化分析流；将仿真分析文件关键属性参数重写后，与几何模型内核数据库嵌套，实现仿真和数字平台集成以及两类模型间的循环修改[9-12]。通过对ASSDOD系统的设计和开发，实现了蒙皮拉形模具优化设计的通用化、流程化与一体化，验证了更高效的工艺设计过程。

1 基于元模型重用的信息模型

1.1元模型信息框架

元模型[5-7]是模型层次上的模型，通过基础语义模型描述模型的构建规则、组成结构、数据类型、操作行为和模型间的类属关系等知识。元模型描述的是如何利用已有模型建模、模型自定义以及模型间集成和互操作等信息[5]，一般由模型概念、特征属性、类属关系、操作属性构成。从数学角度可以定义元模型：

={,,,

}

其中:Ci代表元模型的概念集合,Concepts= {C1，C2，…,Ci}，描述了模型自身信息和属性知识，包括名称、描述、类型、关系等，涉及了系统需求分析、设计实现、运行维护全过程。

Aj代表特征属性集合,Attributes={A1，A2，…,Aj}，描述模型属性名称、标识符、表达类型、属性值和分类等信息，如模型材料、分析/几何等属性信息，以及其他状态属性。

Rk代表类属关系集合,Relations={R1，R2，…,Rk}，描述了不同模型对象或属性之间的相互关系，主要包括继承、关联、聚合、引用、映射、实例化等。

Ol代表操作属性集合,Operations={O1，O2，…,Ol}，描述的是对模型的所有规范化行为和操作，一般有聚集、选择、调用等操作，具体的例如对象创建和编辑等。

本文针对蒙皮拉形模具的产品优化设计过程，采用OMT(Object Oriented Modeling Technology，面向对象建模技术)定义模型的基本元素，建立了基于元模型重用的ASSDOD系统信息框架，如图1所示。该框架分为界面层、表示层、元模型层、元数据层、资源层。



图1 基于元模型重用的ASSDOD系统信息框架

a.界面层。该层提供了用户与模具设计系统的人机交互界面，用于选取几何元素以及输入参数值，并实现对整个优化设计过程的实时控制。

b.表示层。描述了系统目标的实现方法和途径，提供了内部子系统与信息模型进行数据交互的接口，通过数据传输和转换实现资源重用和共享，子系统主要包括CAD系统(CATAI V5)、CAE系统(ABAQUS)、PDM系统、重用系统等。

c.元模型层。通过定义不同的知识和信息类，创建相互关联的模型对象，并通过基元模型实例化和重用实现数据共享和交互，完成新模型创建。该层包括基础元模型(.stp/txt)、分析元模型(.py)、几何元模型(CATPart)、中间过程模型、结果重构模型等。

d.元数据层。描述了系统模型的所有数据集合，从底层元模型的基础数据出发描述了模型结构组成和相互关系，并以此为基础进行数据传输和交互。

e.资源层。描述的是系统模型的构建标准、规范、各种知识和实例，为用户创建模型提供指导，包括知识库、分析库、文档库、数据库等。这些信息需要事先保存在数据库中，通过数据传输和调用，来实现模具优化的快速设计。

1.2元模型信息表示方法

在对元模型进行信息描述时，本文主要采用面向本体的建模方法，以统一的数据形式表达不同对象和信息类。系统借助CAA(Components Application Architecture)和Python语言，对产品典型零部件分类定义和抽象表达，生成规范化模板；再附加其他属性，如成形属性、管理信息等，提供产品设计的数据信息集合。这样扩展得到的通用模型，可以完整表达不同实体性质和特征。以拉形装置典型部件——模具(简化前)为例，形式化的信息类对象定义如下：

MJ={[MID,名称,特征标识,属性,描述,功能,创建时间],[创建,编辑,查看,应用,取消], …}

<属性>={<模具属性> <零件属性> <分析属性>}

<模具属性>={<结构属性> <参数属性> <零件属性>}

<结构属性>={<总体形状> <结构构型> <典型结构>}

<典型结构>={<胎体> <上型面> <辅助结构>}

<辅助结构>={<孔槽> <阵列> <间距> <参考>}

<零件属性>={<非几何属性> <几何属性>}

<非几何属性>={<材料类型> <功能类型>}

<功能类型>={钣制型材|孔槽|螺栓|销钉}

<几何属性>={<结构属性> <参数属性>}

<分析属性>={材料|单元|节点|网格|载荷|约束}

对上述定义格式具体说明如下：

a.“<·>”括号中的成分为元语言变量，代表对象语言中的一个或一组符号。

b.“{…}”表示由…组成，内部成分可以再分。

c.“|”表示“或者”，连接不可再分的属性，属性间是并列关系。

1.3可重用模型信息需求

ASSDOD系统运行需要考虑初始建模、仿真分析、结果判定、信息提取、信息重用等过程。将元模型思想运用到系统，首先构成RIM(Reusable Information Model)即可重用信息模型。它详细描述了三维数模尺寸、基准、位置等关键信息，以及分析模型材料、单元、节点、网格、载荷、约束等参数。RIM主要由参数化实体模型和模型数据信息组成，如图2所示。



图2 RIM信息结构组成

a.参数化实体模型。

参数化实体模型，是在保持零件基本结构不变的前提下，赋予尺寸变量不同参数值而自动建立的一系列相似模型。定义时只要保证其拓扑结构正确，就可通过尺寸变化驱动生成同类零件族[13]。在遵循几何及拓扑关系正确、几何图元关系全约束、驱动模型结构不变的原则时，才能完成相关元素及关系的参数化联动，实现目标零件自动更新。

b.模型数据信息。

系统数据信息包括：模型类型、管理信息、主参数信息、材料属性等，其中类型信息又包含三维模型、设计分析流、典型经验参数等。ASSDOD系统中，模型数据信息提取过程为：(1)通过数字化描述和数据库连接，建立元模型库、知识库、特征参数库；(2)通过CAA及Python二次开发接口，提取实体模型特征信息并显示在用户界面中，由用户自定义模型主参数和约束信息；(3)建立三维参数化特征实体，并添加模型非几何特征信息，如材料、管理信息等。

该设计系统主要功能在于数据和信息分类组织，开发和管理系统数据库，进行已有设计经验的查看、CAE验证分析参数的提取利用。在提取元模型参数等信息的基础上，借助信息检索和相似性判断等操作，采用通用建模模板实现模型重用。

2 基于元模型的信息建模

2.1可重用三维模型构建过程

对特定结构的设计而言，零件模型在构成产品时，包含了类似的几何信息、拓扑信息及设计加工等非几何信息。本文利用CATIA通用几何特征建模方法和应用程序接口(API)，将几何模型封装到零件模型中，再将零件特征封装到自身类中，建立了ASSDOD系统的三维数字化模型。零件模型构建方式如图3所示。



图3 CAD零件模型构建方式

三维数字化模型是通过重组CATIA自带的系统特征来创建用户自定义特征，并利用这种方式将所有关联特征视为一个整体，对特征属性和参数统一管理。数字化模型设计过程如下：

a.创建特征模型。

就模具优化设计系统模型而言，简化后的三维装配模型包括初始板料、夹钳和模具3种零件。对产品模型进行特征需求分析，得出设计系统的模型特征结构组成，表示形式为<对象>={<主特征>,<辅特征>,<特征属性>}，如<胎体>={<凸台>,<底部凹槽>,<倒圆角>,<矩形阵列>,<几何形状特征属性>,<参数管理特征属性>}。

b.定义参数属性。

将用户特征依次参数化表示，并设定相互约束关系，特征参数表设定为 Feature=< Name, Type, Length, Introduction >，如“模具=<胎体,MJL1,Number 4,底部长度L1>”。例如，对板料和夹钳进行预先建模，提取参数属性和参数值，在CAD界面上完成交互式更改；而对传统模具的底部凹槽结构进行实例化和参数化设计。

c.定义约束属性。

参数化建模的关键在于模型属性的全约束。以模具底部减轻槽特征为例，它通过选定凹槽的参考平面(底平面)、参考点(胎体模型边线任意定点)、参考线(胎体模型的任意边线)这三个因素来建立约束，并依次设定合理参数值。

d.编写参数化程序。

利用CAA程序完成参数化建模、模型修改及驱动更新，步骤为：(1)利用系统内核，在内存中加载零件文档，打开对应文档并实现模型加载；(2)搜索零件容器，并依次获取零件机械特征；(3)获取CAA参数发布接口,由GetAllChildren函数得到所有的发布参数；(4)修改零件的关键参数值，主要利用Valuate()函数进行修改；(5)若已经遍历完所有参数，则驱动模型实现更新,否则转到步骤(4)；(6)将模型保存为新模型，用于后步的有限元模拟分析。

2.2可重用分析模型构建过程

RIM是进行系统化分析的可靠载体，需要由几何模型转化为有限元模型，才能为分析程序所用。参数化分析模型的属性参数依模块划分，其数据结构依层展开并逐层细化，如图4所示。用户利用已有分析文件，依层提取属性参数并存储到同个参数文件下，将分析流程逐层叠加后便可以表示出完整的参数化分析模型。



图4 分析模型参数化表示

参数化分析模型以ABAQUS内核(ABAQUS kernel commands)为基础，通过集成Python脚本提供的库函数，并处理模型网格及单元节点信息，实现自动建模、参数化分析、结果数据库访问等功能[14-17]。作为ABAQUS二次开发工具，Python脚本提供了基于对象的程序库，主要包括Session、Mdb和Odb对象。本文主要分析Mdb文件，其内核命令构成形式为：object + method + arguments。通过脚本实现ABAQUS全流程分析的主要内容如下：

a.创建分析模型。分析模型包括前处理、中间过程、后处理模型，参照Mdb命令构成形式分别创建程序语句，如定义拉形过程的位移幅值语句为：mdb.models[′Model-1′].SmoothStepAmplitude(data=((0.0, 0.0), (time1, ampx1), (time2, ampx2), (bendsteptime, ampx3)), name=′Amp-X′, timeSpan=STEP)。

b.提取分析参数。提取分析过程可变量为仿真参数，并以文本文件保存，着重提取的关键仿真参数如材料、载荷、位移边界等，并将文件和数据库联合管理。

c.优化分析模拟。在界面中调用并修改模型参数，完成拉形分析及拓扑优化过程，由分析结果应力云图、应力值评判分析可行性。

3 分析模型重用过程

分析模型的重用就是将细化后的每一个分析步骤都生成脚本文件*.py。由于系统用户界面与ABAQUS接口开发是基于ABAQUS的批处理，因此在编写批处理命令*.bat后，就可以对该文件进行调用。调用过程分为两种：不启动CAE界面的表示形式为call abaqus cae nogui=forming.py；启动CAE界面则为call abaqus cae script=forming.py。实际重用过程就是利用WinExec函数启动ABAQUS BATCH功能，继而执行Python文件。

基于重用的拓扑优化过程主要步骤为：(1)由CATIA中几何模型生成有限元模型；(2)进行拉形和优化模拟，不断迭代计算并修改设计变量，直到满足优化目标；(3)获得模型最优设计，形成结果报告；(4)保存CAD-CAE-CAD循环过程信息，形成可重用仿真分析元，实现模型共享。优化分析过程的流程图如图5所示。

4 应用实例

根据文中提出的基于元模型重用的系统框架和信息建模方法，笔者以飞机蒙皮拉伸成形模具为对象，在Visual Studio 2005平台上，利用CATIA和ABAQUS开发出集建模、分析、优化、重用于一体的模具优化设计系统。系统以元模型为基础驱动参数化快速建模、流程数据映射、模型参数重用、分析结果后处理、模型重构等，图6是产品的功能模块界面。



图5 基于重用的拓扑优化仿真分析流程



图6 蒙皮拉形模具优化设计系统的功能界面

5 结束语

ASSDOD系统运行要根据设计所需的零件尺寸，进行初始建模或模型更新；修改关键参数完成快速化创建；通过提取元模型分析文件的关键参数，实现快速流程化分析，从而从实际应用的角度验证了基于元模型重用的模具设计方法是有效的。但是，该方法依然存在着不足，在实现具有层次关系的流程化分析时，搜索网格或单元节点的效率还有待提升；同时，该工艺流程的实际应用范围还有待进一步扩展。

[1] 阎晓琳,杨鑫华,丁传华.面向重用的CAD系统设计模式研究与应用[J].大连交通大学学报,2010,31(3): 33-37.

[2] 杨芙清,梅宏,李克勤.软件复用与软件构建技术[J].电子学报,1999,27(2):68-75.

[3] 雷永林,赵雯,王维平,等.支持虚拟样机的仿真模型重用方法研究[J].计算机集成制造系统,2007,13(2):287-294.

[4] 刘大伟,姜志平,王智学,等.基于DoDAF元模型的体系结构设计[J].指挥信息系统与技术,2014,5(3):33-38.

[5] 韦韫,李东波,童一飞.面向服务的基于元模型的统一制造资源建模研究[J].中国机械工程,2012,23(15):1818-1824.

[6] 刘威,乔立红.基于元模型的统一制造资源模型框架[J].计算机集成制造系统,2007,13(10):1903-1908.

[7] 黄华,靳岚,黄执元,等.基于物元模型的复杂机械产品可重构设计[J].计算机集成制造系统,2013,19(11):2686-2696.

[8] 王维平,雷永林,朱一凡.基于元模型的可重用仿真模型表示方法研究[J].计算机仿真,2007,24(8):93-97.

[9] 赵晖,宋玉旺,席平.基于特征和面向对象表示的涡轮叶片模型重用[J].工程图学学报,2006(2):8-12.

[10] 杨柏强.汽车覆盖件拉延模的参数化三维设计的研究和开发[D].重庆:重庆大学,2008.

[11] 常文凯.基于实例推理的橡皮囊液压成形模具结构设计系统开发[D].南京:东南大学,2013.

[12] Rafael Sacks, Charles M Eastman, Ghang Lee. Parametric 3D modeling in building construction with examples from precast concrete[J]. Automation in Construction,2004(13):291-312．

[13] 应济,张万利. 基于特征的参数化建模技术的研究[J].机电工程,2003,20(4):4-7.

[14] 张强,马永,李四超.基于Python的ABAQUS二次开发与应用[J].船舰电子工程,2011,31(2):131-133.

[15] 吴向东,刘志刚,万敏,等.基于Python的ABAQUS二次开发及在板料快速冲压成形模拟中的应用[J].塑性工程学报,2009,16(4):68-72.

[16] 伊鹏跃,于哲峰,汪海.基于Abaqus/Python的三维符合材料层压板有限元建模参数化开发[C]//第17届全国复合材料学术会议论文.北京:中国航空学会等,2012:32-38.

[17] 曹金凤.Python语言在ABAQUS中的应用[M].北京：机械工业出版社,2011.

Thetopologydesignofskinstretch-formingdiebasedonthemeta-modelreusetechnology

WU Shennan1,YING Hao2, ZOU Cheng2,XING Yan1

(1.Southeast University, Jiangsu Nanjing, 211189, China)(2.AVIC Shenyang Aircraft Corporation, Liaoning Shenyang, 110850, China)

Aiming at the repeating modeling for the skin stretch-forming system in the current aeronautical manufacture process, it proposes a method for total information-related design of geometric model and analytical model based on meta-model and reuse technology. Firstly, it simulates the skin stretch-forming and the die topology optimization process in ABAQUS, analyzes the result and then generates the design flow. Then combining the characteristics of modeling system, it extracts the key features and analyzes for meta-modal, applies the key reuse information and simulation model. Taking one type of the skin stretch-forming die CAD/CAE system as an example, it illustrates the system design framework and building mode, develops a general modeling program with the CAA and Python scripts. This realizes the system integrated development and the design pattern reuse.

meta-model; model reuse; parametric design; CAA; python script; integrated development

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.010

2014-11-06

某部委先进制造技术预研基金资助项目(513180102)

吴渗楠(1991—)，女，江苏南通人，东南大学硕士研究生，主要研究方向为先进制造技术、结构优化及仿真分析等。

TH166

A

2095-509X(2014)11-0044-07