上海交通大学博士学位论文
目录
摘要 ..................................................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................................................... I II 第一章绪论.. (1)
1.1引言 (1)
1.2钣金计算机辅助展开方法研究现状综述 (2)
1.3网格曲面展开算法综述 (7)
1.3.1能量法曲面展开算法综述 (8)
1.3.2网格参数化算法综述 (10)
1.3.3一步法中的初始解求取方法综述 (19)
1.4板材优化排样算法综述 (23)
1.4.1精确求解算法（EXACT METHOD）综述 (24)
1.4.2启发式算法（HEURISTIC）综述 (25)
1.4.3智能优化算法（M ETAHEURISTIC）综述 (28)
1.4.4NFP算法综述 (30)
1.5本文主要研究内容及章节安排 (32)
1.5.1研究背景及意义 (32)
1.5.2研究内容及章节安排 (32)
第二章面向可展或近似可展曲面零件的能量法展开技术研究 (35)
2.1三角化曲面展开技术基础 (35)
2.1.1曲面拓扑 (35)
2.1.2数据结构 (36)
2.1.3曲面可展程度评价 (37)
2.2能量法展开技术基础 (41)
2.2.1弹簧-质子模型 (41)
2.2.2能量法展开流程 (42)
2.2.3中心展开点的选择 (44)
2.2.4三角面片局部反折处理 (45)
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目录
2.3可变步长下的能量快速释放算法 (46)
2.4层次化展开技术研究 (51)
2.5钣金展开时的工艺处理 (53)
2.5.1平面板弯曲时的板厚处理 (53)
2.5.2圆柱及圆锥管类弯曲制件的板厚处理 (55)
2.5.3相贯件连接时的板厚处理 (56)
2.6实例验证 (59)
2.6.1框肋类航空钣金零件展开 (59)
2.6.2三通管钣金零件展开 (67)
2.7本章小结 (69)
第三章面向复杂曲面零件的网格参数化几何展开技术研究 (70)
3.1复杂型面钣金零件的展开求解思路 (70)
3.2网格参数化变形能的一般函数表达式 (71)
3.3基于局部-整体的保刚性网格参数化方法 (73)
3.3.1局部刚体变换矩阵求解 (74)
3.3.2整体变形能函数最小化求解 (77)
3.4基于ARAP算法的复杂曲面零件展开技术研究 (80)
3.4.1垂直壁问题 (80)
3.4.2狭长形零件问题 (82)
3.4.3扣边、缺口等局部特征问题 (84)
3.5复杂曲面零件展开时的工艺处理技术 (86)
3.6本章小结 (88)
第四章基于最佳匹配策略的通用优化排样技术研究 (89)
4.1矩形件排样问题中的最佳匹配策略研究 (89)
4.2面向矩形件排样的改进型最佳匹配算法 (93)
4.3面向异形件排样的最佳匹配算法 (101)
4.4本章小结 (108)
第五章考虑钣金下料工艺约束的优化排样技术研究 (109)
5.1钣金优化排样中的工艺约束转化策略研究 (109)
5.2工艺约束下的钣金优化排样技术 (117)
5.3实例验证 (118)
5.4本章小结 (120)
第六章钣金展开与优化排样软件系统开发及应用 (121)
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6.1基于轻量化模型的钣金展开软件开发与应用 (121)
6.1.1系统开发平台及功能架构 (121)
6.1.2各模块界面介绍与功能演示 (122)
6.1.3实例验证 (125)
6.2优化排样软件开发与应用 (129)
6.2.1系统功能模块划分及总体架构 (129)
6.2.2主要功能界面介绍 (130)
6.2.3排样算例演示 (134)
6.3本章小结 (135)
第七章总结和展望 (136)
7.1全文总结 (136)
7.2论文创新点 (138)
7.3研究工作展望 (139)
参考文献 (141)
攻读博士学位期间已发表或录用的论文 (155)
攻读博士学位期间获得的软件著作登记权 (155)
攻读博士学位期间参与的科研项目 (156)
致谢 (157)
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第一章绪论
1.1引言
钣金加工制造业是机械制造的基础行业，钣金制品广泛应用于航空航天、汽车、船舶、仪器仪表等诸多领域[1]。以航空航天领域为例，运载火箭的贮箱、头锥、喷管等结构中的大部分零件均为钣金制件，钣金零件约占全箭零件总数的60%～70%[2]，而在现代飞机机体上，框肋、蒙皮、壁板等钣金零件则通常要占到整机零件总数的一半以上。
与常规钣金加工制造不同，航空航天类钣金件普遍具有品种多数量少、结构复杂、外廓尺寸大等特点[3]，这些特点对航空航天钣金件的成形工艺提出了更高的要求。在影响钣金件成形质量的众多工序中，钣金展开是将零件三维几何外形展开成平板毛料的一个过程，其作为整个加工过程中的上游工序直接影响到后续的成形质量。目前国内大部分的航空钣金车间内仍然以传统的经验法和试错法来进行展开放样，工人按展开样板计算出展开尺寸并手工绘制展开毛料图，通过成形实验来进行形状修整，整个过程效率低、劳动强度大且成本较高。随着航空航天制造业数字化水平的提高，针对某些特定类型零件如飞机框肋零件的计算机辅助展开技术也逐渐开始开发、应用并不断成熟，但这些技术多数仅适用于指定类型零件，在通用性上仍然存在很大不足。按照现代钣金展开技术的四个发展方向：通用性、精确性、集成性和快速性[4]，现有展开方法显然已无法满足现代航空钣金制造的需求，如何为上述领域的钣金数字化制造提供更为通用与高效的数字化展开方法仍然具有很大的研究和应用空间。
由于航空航天及船舶制造领域大量的采用钣金零件，金属板材的消耗量很大，因此减少下料工序所产生的材料损耗对于降低制造成本同样具有十分重要的意义。与传统的基于流水线的大批量生产方式不同，航空航天制造领域普遍采用多品种小批量的加工制造模式，在该模式下传统的单一件单双排算法的应用范围受到限制，而采用优化排样算法将相同厚度和材质的不同零件在同一块板材上进行最优排布并集中下料则成为了上述行业改善下料经济性的关键因素。传统钣金零件套料多依靠人工经验进行试凑排料，工人经过多次实验后得到一个主观上认为较好的排料方案，显然这种方式效率过低且材料利用率不高。现有的计算机优化排样算法发展十分迅速，能极大地提高排样时的材料利用率和效率，但算法多片面地追求一个极高的材料利用率，往往忽视了实际下料中存
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