參數化設計在工程領域的應用-cad培訓

2013-05-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

撰稿人: CHEC黃曙光*張起偉*余崇義
介紹了參數化設計的定義和功能。根據工程機械產品設計的現狀,分析了參數化設計在復雜的工程機械設計中的必要性和可行性。借助Inventor三維設計軟件平臺,通過一典型的的工程實例闡述了工程機械產品參數化設計中的關鍵技術和方法。

引言

參數化技術是當前CAD技術重要的研究領域之一。所謂參數化設計是指參數化模型的尺寸用對應的關系表示,而不需用確定的數值,變化一個參數值,將自動改變所有與它相關的尺寸,也就是采用參數化模型,通過調整參數來修改和控制幾何形狀,自動實現產品的精確造型。參數化設計技術以其強有力的草圖設計、尺寸驅動修改圖形功能,成為初始設計、產品建模及修改系列設計、多方案比較和動態設計的有效手段。

目前,市場上已經有很多成熟的三維設計軟件。這些軟件最大的特點是易學易用、功能強大、鏈接兼容性好,最顯著的優點在于基于特征的完全參數化設計方式保證了產品設計的合理性和高效性,直觀反映出產品的真實幾何形狀、代碼,以實現無圖紙加工。與傳統的二維設計相比,三維參數化設計更符合人們的思維習慣且可視化程度高,它已成為今后機械設計的主流方向。

三維參數化設計已經被廣泛的運用于簡單零部件系列的設計,本文將探討參數化設計在工程機械領域的應用。

    1.工程機械產品設計分析

    1.1工程機械產品設計特點

工程機械產品,不同于機床和輕工設備中的零件,結構型式較為簡單固定而易于實現參數化設計。工程機械,諸如礦山機械、港口機械設備等通常含有大量復雜的鋼結構件,而類似這樣的鋼結構件相比之下較難實現參數化。

工程機械產品設計過程大致可分為兩個階段:方案設計及詳圖設計。在方案設計階段,設計者根據用戶對產品的功能要求,確定整機的主要性能參數、結構型式、主要機構的傳動方案、結構件的所需幾何尺寸,繪出總體方案圖,提出方案設計說明書,經方案審查完后,確定選擇的方案。在詳細設計階段,須進行詳細的分析計算,以確定各零部件的詳細結構,從而繪出全部裝配圖及零件生產圖紙,整理出設計計算說明書及材料需求清單、標準件清單、機電產品目錄等技術文檔。圖1-1表示了工程機械產品設計的一般過程。
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圖1-1 工程機械產品設計流程

    1.2實現參數化設計的必要性和可行性分析

從圖1-1中,可以清晰的看到方案設計及方案的分析、計算、評估等工作起著相當重要的份量和作用。方案設計的效率直接影響著整個設計進程。在計算機輔助設計--CAD(Computer Aided Design)手段不斷發展和日趨成熟的今天,選擇合適的設計軟件來處理方案設計中的有限元分析、動力學分析、三維模擬、動力學仿真、數值優化等復雜問題,已經成為可能并且非常有必要。

對于工程機械產品中,類似復雜的鋼結構件,一般地說,它是零部件的組合設計。結構件有限元分析是產品設計的基礎性分析。最基本的分析是進行線性應力分析;對于有些結構件,例如吊臂與塔架,還要進行穩定性分析,研究結構件失穩(屈曲)的條件。整體結構設計中,整體分析是工程師面臨的最直接、最重要的問題。基于整體結構分析技術,利用三維設計軟件實現結構模型的參數化,采用子結構分析的技術策略,實現整體結構的剖分與結構件分析,實現結構件的變換與組裝,最終完成整體結構分析。通過建立三維參數化實體模型,并通過修改參數實現不同方案的比較、數值優化等,最終找到最佳設計。基于這個思想,本文將展開說明復雜工程機械產品的參數化設計方法。

    2.Inventor三維設計軟件

如前言中所述,目前已有很多優秀的三維CAD軟件,諸如:UG、proe、CATIA、Autodesk Inventor、Solidworks及國產的CAXA軟件。UG、proe、CATIA主要用于多曲線多曲面等較為復雜的汽車、飛機、模具行業。Inventor、Solidworks相比易學易用,其中Inventor是Autodesk公司解決三維機械設計的拳頭產品,憑借其業界領先的DWG兼容性和大型裝配性能,Inventor可將傳統數據從二維轉換到三維,因此歷年的設計數據可得到有效的利用,進而可以減少設計時間。

鑒于上述原因,本文下述部分將提出一個工程設計實例,借用Inventor軟件平臺,重點論述三維參數化設計在工程領域的應用。

3.參數化設計應用實例

該例子取自福建華電儲運有限公司SR4000/3000.45型斗輪堆取料機項目。斗輪堆取料機是電廠,港口,礦山等領域常用的連續高效率的散料輸送設備,如圖3-1所示。該設備能夠通過斗輪將堆場的散料(常見如煤、礦石等)挖取,通過皮帶機輸送至設置在回轉中心的中心料斗,通過中心料斗輸送至系統皮帶機再運走;相對的,系統皮帶機的料流通過尾車皮帶機將物料送至懸臂皮帶機,懸臂皮帶機可將物料送至料場,完成堆料作業。

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圖3-1 SR4000/3000.45型斗輪堆取料機

例子中的斗輪堆取料機屬于整體液壓俯仰式機型,即整個上部鋼結構和配重通過液壓油缸伸縮實現俯仰動作,以滿足不同高度料堆的堆取工作。整個上部俯仰結構是通過兩個俯仰主鉸點和兩個油缸動鉸點支承的,油缸鉸點的移動實現俯仰動作。從圖中可以看出,斗輪機構、懸臂膠帶機、懸臂架、配重架、拉桿、附屬結構等零部件的重量和載荷都直接或者間接的作用在塔架上,因此,塔架在整個設備中受力復雜,需要合理設計和準確計算。
圖3-2是塔架的最終優化后的模型圖,該塔架的結構型式是在參考和借鑒大量國內外不同機型設備之后確定的。由于型式做了很大變動,以及考慮國內外生產制造工藝質量的區別等因素,在最終確定使用該結構型式之前,需要通過有限元計算,合理更改梁高,板厚等參數,并經過再次計算驗證。Inventor設計軟件提供了從建模,計算,參數更改,再驗算等完整功能。

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圖3-2 圖3-3

3.1建立參數化模型

在參數化設計中,最重要的工作之一是如何將復雜的實際結構轉化為參數化的計算模型。

由于工程機械產品(如圖3-2塔架)的鋼結構件,包含大量形狀各異的板件、型材等。為了避免生成大額數量的零件以及免去復雜的零件裝配工作,通常根據需要將部分鋼結構設計為一個多特征疊加的實體模型--一個零件,通過定義用戶參數和尺寸約束確定板材厚度、外形、位置等。

要建立參數化模型,最好先建立坐標系和找出關鍵點--節點。節點的位置將決定模型的主體形狀,繼而影響結構件的承載能力。圖3-3從模型中抽取出來的節點圖。Inventor軟件提供了和Excel表鏈接的功能。該功能可以大大減少設置參數和更新模型的時間,而且Excel表內可以設置不同的工作表,如圖3-4中有工作表"45米懸臂","38米懸臂"……不同的參數表擁有相同的參數名和不同的參數值,相當于設置了不同的方案,只要激活需要的工作表,就可以生成相應的方案。在零件造型、分析設置或后處理過程中,可以隨時定義和編輯參數。得出方案之后,如果更改了與載荷或約束關聯的參數,系統將啟用"更新"命令,即可以運行得到新的方案。

要得到參數化模型,在建模中需要注意的是,新的特征要盡可能利用已有的參數,必要的時候甚至可以引用參數方程式。其目的是盡可能減少參數的數量以及保證模型特征能夠與參數相關聯。

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圖3-4 Excel參數表

3.2有限元分析和數值優化……

Inventor中的應力分析,為機械產品的設計過程提供了一個便捷實用的工具。設計者可以在設計過程中隨時對零件進行靜力學基本分析和動力學的模態分析。Inventor具備ANSYS為內核的分析模塊,又提供了很好的人機交互界面,因此非常實用。通過固定約束,施加載荷,設置應力分析環境等工作,就能得到分析結果。根據結果變更重要參數值就能得到最佳設計。

    對于該文章中的塔架模型,我們僅以變動E和E的位置參數為例,通過多次更改和分析,得到了優化后的設計。如圖3-5所示。

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圖 3-5 應力分析和參數優化

3.3生成工程圖

工程機械中的鋼結構件在目前尚無法實現CAM制造,因此在絕大多數情況下還需要出工程圖。Inventor三維設計軟件具有從三維模型到二維工程圖的直接轉換的功能。而且生成的工程圖與三維模型尺寸關聯,當三維模型參數變更之后,工程圖也能自動得到更新。

4.結論

本文以Inventor三維設計軟件為平臺,解決了一個復雜鋼結構件實現參數化設計的實例。可以看出,工程機械中復雜鋼結構件可以通過建立三維實體模型、設置Excel特征參數表格建立三維參數模型,根據有限元分析結果,調整和變更參數,將完成方案修改設計、分析和計算、方案評估、設計優化直至最終完成工程圖設計等一系列環節。參數化設計在工程機械領域中的應用將極大的提高設計質量、縮短設計時間,是工程機械產品設計切實可行并富有成效的一種設計方法。

    參考文獻:
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