【推荐】行为建模技术在灌装容器设计中的应用

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行为建模技术在灌装容器设计中的应用
韩雄伟1,冷真龙1,吴卫2
(1.四川工程职业技术学院,德阳618000;2.西华大学,成都610029)
摘要:介绍了行为建模技术的特点,探讨了行为建模技术所具有的各种分析方法。

针对灌装容器设计中存在的问题,通过Pro/E软件行为建模模块在塑料瓶设计中的应用,分析了模型的容积变化对设计变量的敏感度;对在定容积下设计变量的选取进行了可行性的实践;对在定容积下如何确定设计变量时材料用量最少,进行了最优化分析;介绍了在多目标设计时多个设计变量的选取方法,并得到了最佳解决方案。

关键词:行为建模;灌装容器;Pro/E;敏感度;可行性分析
中图分类号:TP391.7　文献标识码:A　文章编号:1001-3563(2009)11-0063-03
Application of Behavior Modeling Technology in Cont ainer Design
H A N X iong2w ei1,L EN G Zhen2long1,W U W ei2
(1.Sichuan Engineering Technical College,Deyang618000,China;2.Xihua University,Chengdu610039,China)
Abstract:The characteristics of behavior modeling technology were introduced.A variety of analytical methods of behavior modeling technology were discussed.The sensitivity of the volume change of model to design variables was analyzed with the behavior modeling part of Pro/E software in container design.The se2 lection of design variables was practiced in the constant volume conditions.The methods to select the design variables that can minimize the mass of container material in constant volume conditions were analyzed,and the selection methods of a number of design variables in multi2objective conditions were introduced.
Key words:behavior modeling;container;Pro/E;sensitivity;feasibility analysis
液体灌装容器在日常生活中应用广泛,随处可见。

但是在灌装容器的设计中存在着这样的问题:比如圆柱形容器,在指定容器的高度的情况下,如何选择容器的直径才能满足不同容积的需要;或在指定容积的情况下,怎样设计容器的高度和直径更节省原材料;如何选定容器的高度和直径才能在容积、液面高度和原材料间找到一个协调的解决方案等等。

这些问题的存在给灌装容器的设计带来了一定得困难[1]。

为了能够解决这些困难,可将第5代CAD技术(行为建模技术)应用于灌装容器的开发设计中。

这种技术可以通过把导出的值包含到参数特征中,并用这些特征参数来生成和控制其它模型的几何变化。

它可根据设计所规定的功能行为和几何要求,通过信息收集和重复求解进行智能化设计,并可以在改变设计参数时演示设计功能和分析设计的稳定性。

本文基于Pro/E行为建模模块对典型的灌装容器———塑料瓶进行行为设计,来说明行为建模技术在灌装容器的设计中的应用方法和特点。

1　行为建模技术概述
行为建模(BMX)主要采用信息收集和重复求解的智能方法,通过参数约束对模型中的设计变量进行选取和分析,从中找到合适的解决方案[2]。

1.1　行为建模技术的特性[3]
(1)能捕捉设计意图和设计过程的信息,以及能定义一件产品所需要的各种工程规范的一种智能设计方法;(2)可对设计进行优化,以达到多目标设计;(3)开放式的可扩展环境使得设计能在统一的过程中集成多种设计开发手段。

1.2　行为建模的分析方法
行为建模前要经过定义行为特征、分析模型参数,然后根据具体的设计需要选择敏感度分析、可行性/优化分析和多目标设计研究等方法。

操作流程图见图1。

分析模型参数是行为建模前的关键一步,目的是作为行为建模的设计目标或设计约束。

敏感度分析主要用来分析模型尺寸或独立模型参数在指定范围内改变时,相关模型参数的变化情况。

敏感分析可为进一步的分析提供关键设计变量。

可行性分析可以采用多变量求解,即确定设计约束后可选择一个或多个设计变量进行迭代求解,从而找出可行性方案。

而最优化设计则是在可行性分析的基础上添加设计目标,并给定设计约束后在一个或者多个设计变量中寻找最佳的解决方案。

收稿日期:2009Ο07Ο13
图1　行为建模操作流程图
Fig.1Flow chart of behavior modeling
多目标设计研究的目的是使多个设计变量与多个设计约束之间的关系得到协调解决,它可以寻找出满足多个设计目标的优化解决方案。

2　模型设计及分析特征的确定
2.1　模型设计
图2　塑料瓶雏形
Fig.2The embryonic form
of plastic bottles
根据客户及市场的需求,结合其用途、美观及人机工程学的设计要求,设计出符合外观要求且大小合适的概念雏形,见图2。

2.2　问题的提出及实验
假设
此塑料瓶要应用于不同的场合来灌装不同容积的液体,需要解决以下几个问题:(1)塑料瓶的高度和底部直径谁对容积的影响更大;(2)如指定瓶的高度为180
mm ,分别灌装0.4,0.5和0.6L 的液体时,底部直径应该为多
少;(3)如指定塑料瓶的容积为0.5L ,怎么样选择瓶的高度和底部直径所用的塑料的质量最少;(4)如何确定直径和高度才能在容积、页面高度和塑料质量间寻找到一个协调解决方案。

通过对以上问题的解决,演示行为建模技术在灌装容器设计中的应用。

实验假设塑料瓶的初始高度H =180mm ,塑料瓶的底部直径D =70mm ;先不考虑其它尺寸的变化对结果的影响,其它尺寸取定值,见图2;塑料的密度取1g /cm 3。

2.3　分析特征的确定
要使用行为建模技术解决上述的问题,首先要确定模型的
分析特征,需要创建的分析特征有:液面灌装的高度、塑料瓶的容积及塑料瓶的质量。

1)液面灌装高度的确定。

创建一个基准面D TM1,使用
距离测量工具测量基准面D TM1到瓶底部平面的距离,并以特征的形式保存,ANAL YSIS_DISTANCE_1便创建成功。

2)塑料瓶容积的创建。

塑料瓶的容积应该等于模型在实
体化时的体积减去模型抽壳后的体积。

先通过Pro /E 软件的单侧体积功能测量抽壳前的模型的体积为VOL UM E_1及抽抽壳后的单侧模型体积为VOL UM E_2。

然后使用分析工具来建立两个体积的关系:VOL =one_side_vol :FID_VOL UM E
_1-one_side_vol :FID_VOL UM E_2,ANAL YSIS1特征便创
建成功。

3)塑料瓶质量的创建。

在模型抽壳后,应用质量测量工
具来测量塑料瓶的质量,此时需要设置塑料的密度为1g /
cm 3,以特征的形式保存,MASS_PROP_1特征便创建成功。

3　行为建模分析
3.1　敏感度分析
敏感度分析可判断出哪个设计变量对设计目标的影响更大即更敏感,进而来选择设计变量做进一步的分析[4-5]。

使用敏感度分析功能,选取塑料瓶的高度和底部直径为设计变量,选取塑料瓶的容积为被测参数,执行分析计算。

分析结果见图3,
从图中看出塑料瓶的底部直径对容积的影响更加
图3　容积对瓶储存尺寸的敏感度
Fig.3The sensitivity of volume to size of bottle
敏感,接下来选择底部直径D 作为进一步分析的设计变量。

3.2　可行性分析
可行性分析用于分析在规定的约束条件下设计变量的可行性,分析过程中先要设置收敛性及最大迭代次数。

在塑料瓶高度H =180mm 的情况下,执行可行性分析功能,设计约束设置塑料瓶的容积为0.4L ,设计变量选择瓶的底部直径D ,D 的范围为:50mm ≤D ≤90mm ,然后执行计算功能,找出一组可行解D =63.23mm ,用相同的方法可以计算出容积分别为
0.5和0.6L 时的瓶的底部直径分别为70.24和76.65mm 。

操作步骤见图4。

图4　可行性分析操作方法
Fig.4The
operation of feasibility analysis
3.3　最优化设计分析
最优化设计分析用于解决在满足某一设计目标和设计约束的情况下,如何找出设计变量的最佳解[6]。

执行最优化功能,设计目标选择塑料瓶的塑料瓶的质量最小,设计约束选择塑料瓶的容积为0.5L ,设计变量选择塑料瓶的高度H 及底部直径D ,变化范围为:50mm ≤D ≤90mm ,160mm ≤H ≤200
mm 。

执行计算功能,找出了一组最佳的解,即H =160mm ,D =74.79mm ,此时塑料瓶的质量最小为38.73g 。

目标收敛图
见图5。

图5　优化目标收敛图
Fig.5Convergence of the optimization objectives
3.4　多目标设计研究
多目标设计研究可以找出多个设计目标下设计变量的优化解决方案。

对于上述问题,执行多目标设计研究,建立主表并选择直径D 和高度H 为设计变量;选择容积、液面高度和塑料瓶的质量为设计目标,执行计算功能。

见图6,找出了一系列的解决方案,在这些解决方案中通过设定新的约束条件,
400000mm 3
<V <600000mm 3
,35g <m <45g ,135mm <H 1<145mm ,缩小方案的范围来建立衍生表,见图7,此时的
解:D =75mm ,H =165mm ,一般为最优化解。

图6　主表
图7　衍生表
　Fig.6The main table Fig.7Derived table
4　结语
做为一种新的CAD 技术,行为建模技术的自动求解功能能在最短的时间内寻找到满足工程规范的最优化方案。

这样能够让设计者不断的提出新的设计问题,即使是粗糙的设计思想,也能在很短的时间内寻找到解决方案。

对于灌装容器的设计来说,好的产品不仅要有好看的外观形状,更要与功能的完美结合。

行为建模这种设计思想和方法的引入,使得此类产品的设计更加准确、高效,同时也与当今的绿色环保的设计理念不谋而合。

参考文献:
[1]　潘祖平.包装设计的绿色思考[J ].包装工程,2007,28(11):195-197.
[2]　MO ESGES R ,ROB ER T D W.Parametric Technology Co.Pro/
EN GIN EER Behavioral Modeling[J ].Computer -Aided Design ,2006,12(3).(余不详)
[3]　林清安.Pro/EngineerWildfire 高级篇[M ].北京:中国铁道出版
社,2004.
[4]　求索.行为建模技术[J ].计算机辅助设计与制造,2000,(2).(余
不详)
[5]　贺小明,曾钕钋.Pro/E 行为建模技术在机械设计中的应用[J ].
械设计与制造,2005,(5):48-49.
[6]　安宁,尹业宏,刘小鹏.Pro/EN GIN EER 的行为建模技术[J ].湖
北工业大学报,2005,20(1):14-17.。