基于Solid Edge的變量化設計

2013-05-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

梁巧萍來源:e-works
關鍵字:變量化設計 Solid Edge 產品設計鍋爐
基于三維軟件的變量化設計越來越受到機械產品研發的關注。本文通過機械產品設計的工程實例,介紹Solid Edge軟件的變量化設計功能。并以某鍋爐產品在設計中使用Solid Edge軟件的變量化設計功能和二次開發為應用,成功實現提高產品設計效率的目的。

1 引言

變量化設計就是將產品研發過程中的知識和經驗通過變量的形式進行關聯,驅動整個產品數字化模型,達到快速完成產品研發的目的。變量化的設計針對系列化的產品研發,能夠保留和凝結企業已有的產品研發知識和經驗、縮短研發周期、降低工作強度、提高設計質量、節約成本,增強管理的可控性。

    2 Solid Edge的變量化設計功能

Solid Edge是西門子UGS軟件公司推出的基于Windows平臺開發的普及型主流二維、三維一體化設計系統,可幫助制造業企業將其創新流程轉換到三維環境以降低成本,增加營業收入,獲得競爭優勢。該軟件支持"從底向上"、"自頂而下"的兩種產品設計方法,并在變量化設計方面具有強大的功能,滿足優質、高效的產品研發工作需求。

    2.1 Solid Edge實現的變量化設計過程

    1)實體建模或者工程圖繪制,Solid Edge允許在二維或者三維環境中,實現變量化;

    2)變量化操作,明確變量間的關系;

    3)在后續的產品設計中,利用已有的變量化模型或者圖樣,進一步設計。變量化的最終目的是在以后的工作中再次使用。

    2.2 軟件中的變量化設計功能

    2.2.1 零件模型的變量化設計

螺栓是機械結構中常見的標準零件之一,其特點是外形固定,品種繁多,如表2-1給出了螺栓的部分參數。

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表 2-1 螺栓的參數

通過有效的變量化設計,生成"模板"零件后,可以快速創建各種規格的螺栓零件,建立自己的標準件庫。建立公稱直徑M=10,的螺栓三維模型,如圖2-1所示:

在零件的模型建立過程中Solid Edge會自動添加相關尺寸的設計變量,使用人員可以根據需要更改變量名為常用的名稱,例如表2-1中應用的一些名稱

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圖2-1 螺栓零件設計變量表

最后完成的螺栓零件設計變量表,如圖2-2所示:
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圖 2-2 螺栓零件設計變量表

這樣,圖2-1所示的文件可以作為螺栓的"模板"文件,在變量表中輸入其他變量值,就可以生成其他規格的螺栓零件。

    2.2.2 裝配模型的變量化設計

零件的變量設計主要是通過單獨零件內部的變量設置和建立的關系完成系列化零件的設計,在工程實踐中更多的需要對產品級或者部件級的變量化設計,這就要求軟件能夠提供基于裝配模型的變量化設計功能,在Solid Edge的裝配環境中利用"同級變量"的功能,可以非常簡單的完成裝配級的變量設計工作。

裝配模型的變量化設計特點是:由裝配中主要零件的若干個關鍵變量,驅動其他零件中的變量,達到零件間尺寸的關聯變化。圖2-3所示為閥門的裝配圖,圖中"頂法蘭"安裝孔的直徑改變時,"側法蘭"安裝孔的直徑隨之改變。

在Solid Edge裝配環境中使用"同級變量",首先選擇"頂法蘭"變量表中的與內徑相關的變量,使用"粘貼鏈接"的方式鏈接到"側法蘭"變量中與直徑相關的變量,如圖2-4所示。

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圖2-3 閥門裝配體

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圖2-4 螺栓零件設計變量表

    通過以上的方法,裝配級的變量設置即可完成。

    2.2.3 二維工程圖的變量化設計

和其他三維軟件相比,Solid Edge的二維工程圖功能一直是個亮點,工程師不僅可以將三維模型投影生成符合國標的二維圖紙,還可以直接在Solid Edge的二維工程圖模塊中繪制二維圖紙,并且可以通過二維圖紙的變量表實現二維的變量化設計功能。

圖2-5 是在Solid Edge的二維工程圖模塊中完成的一個壓力容器法蘭的設計圖,其中將"公稱直徑(DN)","厚度(Thick)","彎管直徑(Tube_D)","孔徑(Hole_D)"作為關鍵變量,完成的變量設計表,如圖2-6所示。

如2-6 所示,在變量表中可以使用數學公式,例如數值為"162"的變量,公式欄中輸入"180-Hole_D/2",回車確認即可。也可以使用Solid Edge內部函數,例如數值為"310"變量,公式欄中輸入"fix(Tube_D/5)*10",fix即為Solid Edge內部的"取整"函數。也可以使用外部函數,數值為"960、115"的變量就使用了外部函數"PVF_D、PVF_H"。除此之外Solid Edge的變量表還可以鏈接到外部的Excel文件中,這樣使用者可以在Excel文件中修改變量值,即使不會操作Solid Edge軟件的人員也可以進行變量化設計工作。

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圖2-6 法蘭容器變量表圖

    2.2.4 Solid Edge變量化設計與二次開發在某鍋爐產品研發過程中的應用

某鍋爐產品因工作原理獨特,具有安全、環保、高效、長壽、結構緊湊、便于運輸等一系列優點,由于其性能特點非常適合生產工藝需要,正逐步成為傳統加熱爐的理想替代產品,受到廣大用戶的歡迎。但該產品設計差異性非常大,即使是同型號、同規格產品,也會因工質的物性、成分及含量,燃料種類、成分,爐子的工藝位置、使用要求、運行地等方面的不同而無法采取同一設計,基本上是一臺鍋爐一套圖紙,結構計算復雜,設計制圖工作量很大,研發人員整日陷入大量重復性的圖紙繪制工作,但仍然很難滿足巨大的市場需求,更無法對產品進行深入拓展和研究,產品研發急切需要專業化的設計工具快速高效完成工作。鑒于這種實際的設計現狀,使用Solid Edge的變量化功能來解決實際問題。

Solid Edge除了提供變量化功能之外,還提供了設計建模OLE Automation和Component Object Model(COM) 的功能,從而使用人員可以通過良好的二次開發接口,采用Microsoft Visual Basic調用、復制模型和驅動變量,完成零部件的生成與自動裝配過程。通過這一過程并結合EXCEL使鍋爐產品的圖形設計變得簡單、快捷、高效。設計簡圖3-1所示。

通過以上方法,工程師設計完成了鍋爐主機、輔機、通用件、管道系統和煙風系統的模型圖庫,并完成了用于以上五個圖庫設計的熱力計算、阻力計算和強度計算三大理論計算軟件、向導設計、結構預布置及三維驅動及自動裝配。如圖3-2和3-3所示。

變量化設計的產品系列中,結構相似性程度越高,越適合于采用模塊化和參數化設計;產品有關設計計算模式相同或相似、產品標準件和通用件越多,越便于成組技術和特征建模技術在CAD系統中的應用。本文中的鍋爐產品具有上述特性,非常適合于Solid Edge變量化設計功能。因此在Solid Edge平臺上,進行的相變爐本體三維實體造型設計,比較直觀的反映了燃油燃氣相變爐本體結構;在變量化設計過程中,參數可以隨時修改,模型隨之變化,可以將主要參數保存到數據庫中,在此基礎上進行同類型產品的快速修改設計,輸入系列數值,可得到系列的設計結果。通過Solid Edge模型,自動生成生產加工可用的工程圖。

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圖3-1 設計簡圖

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圖3-2 雙相變鍋爐圖

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圖3-3 石油加熱爐圖

3 結論

Solid Edge的變量化設計將成熟的產品研發知識充分吸收,使之程序化、規范化,實施使用后可以避免產生許多認為的錯誤。使許多原來只能由經驗豐富的設計專家擔當的工作,轉為由一般工程師即可勝任,使具有豐富經驗的設計專家從重復勞動力中解放出來,投入到新產品研發和豐富完善變量設計知識庫的工作中,使產品研發能力上一個嶄新的臺階。

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