参数化建模环境（精选十篇）
参数化建模环境 篇1
1 圆锥齿轮的几何特征分析
圆锥齿轮齿廓曲面的形成如图1所示。圆平面S与一个基圆锥相切于直线OC, 设圆平面半径R1与基圆锥的锥距R相等, 且圆心O与锥顶重合。当圆平面S绕基圆锥作纯滚动时, 该平面上的任意一点B将在空间展开一条渐开线AB。因该渐开线上任一点到锥顶的距离均为R, 故此渐开线必在以O为中心, 锥距R为半径的球面上, 称为球面渐开线。
由于球面渐开线不能展开成平面曲线, 这就给圆锥齿轮的设计和制造带来很多困难。在工程上, 人们常常采用一种近似的方法来处理这一问题。图2所示为一标准圆锥齿轮的轴向半剖面图。OAB为其分度圆圆锥, e A和f A为轮齿在球面上的齿顶高和齿根高。过点A作直线AO1⊥AO, 与圆锥齿轮轴线相交于O1。设想以OO1为轴线、O1A为母线作一圆锥O1AB, 该圆锥称为圆锥齿轮的背锥。延长Oe和Of, 分别与背锥母线相交于点e′和f′。从图中可以看出, 在点A和点B附近, 背锥面与球面很接近了。因此, 可以用背锥上的齿形近似代替圆锥齿轮大端球面上的齿形。由于背锥可以展开成平面, 这就给直齿圆锥齿轮的设计和制造带来了方便。
2 圆锥齿轮建模
2.1 设置圆锥齿轮的基本参数和输入基本关系式
标准圆锥齿轮的几何尺寸取决于以下几个参数:齿数z1、与之配合的齿数z2、模数m、压力角α、齿宽B、齿顶高系数hax、顶隙系数cx、变位系数x。分别赋初值如下:z1=20、z2=30、m=3、α=20、B=20、hax=1、cx=0、x=0。
基本关系式如下:分度圆锥角δ=arctan (z1/z2) ;齿顶高ha= (hax+x) m;齿根高hf= (hax+cx-x) m;分度圆直径d=mz1;齿顶圆直径da=d+2hacosδ;齿根圆直径df=d-2hfcosδ;基圆直径db=dcosα。把以上各参数和关系式输入到PRO/Engineer环境下的tools/relations命令里。注意, 以后的操作都要以输入关系式代替尺寸值, 为参数化设计作准备。
2.2 绘制渐开线齿廓
(1) 建立绘制平面。根据圆锥齿轮的结构特征, 大端齿轮的渐开线齿廓必须在过O1A线且垂直于纸面的平面内展开, 记为荀DTM1;小端齿轮的渐开线齿廓必须在过BE线且垂直于纸面的平面内展开, 记为荀DTM2。大端齿轮的齿顶圆直径da、分度圆直径d、基圆直径db和齿根圆直径df也相应地向荀DTM1投影, 得到了各自的当量直径。它们之间的关系为:da′=da/cosδ、d′=d/cosδ、db′=db/cosδ、df′=df/cosδ。
(2) 绘制渐开线齿廓。由于圆锥齿轮的大端齿轮与小端齿轮不一样, 所以渐开线展开的起点是不一样的。如图3所示, 大端的齿廓应从G点处开始, 而小端的齿廓应从H点开始。O1G、EH与O1A的夹角都为∠GO1A;为此, 在绘制渐开线时, 在E点、H点应重新设置参考坐标系。此坐标的XOY平面应相对于O1A顺时针旋转∠GO1A。以下是推导角度∠GO1A的公式:
基圆当量齿厚为:
然后选择新设置的参考坐标系, 在荀DTM1依据渐开线的关系式绘制出大端渐开线齿廓。由《机械原理》知, 渐开线的极坐标方程式为:rk=db/ (2×cosαk) , θk=tanαk-αk。把它转化为PRO/Engineer里的渐开线极坐标方程式:r=db′/ (2×cos (t×45) ) , theta=tan (t×45) ×180/pi-t×45, z=0。其中0≤t≤1, 是PRO/E自身提供的一个变量函数。同理, 可以在荀DTM2绘制出小端渐开线齿廓。
(3) 利用Blend命令生成单个齿形, 再利用Pattern命令阵列出全部齿形。利用Revolve命令完成建模。
3 参数化设计
打开PRO/E的Program列表, 可以看到里面已列出所有在建模时输入的关系式。尽管关系式很多, 但起决定作用的还是在2.1所示的那些参数和关系式。因此, 只要把齿数z1、与之配合的齿数z2、模数m、压力角α、齿宽B、齿顶高系数hax、顶隙系数cx、变位系数x, 确定为特征参数, 就可以实现圆锥齿轮的参数化设计。
打开toolsprogramedit program, 编辑以下语句:
“请输入齿轮的齿数=”
“请输入与之配合齿轮的齿数=”
M NUMBER
“请输入齿轮的模数=”
“请输入齿轮的压力角=”
B NUMBER
“请输入齿轮的宽度=”
HAX NUMBER
“请输入齿轮的齿顶高系数=”
CX NUMBER
“请输入齿轮的顶隙系数=”
X NUMBER
“请输入齿轮的变位系数=”
END INPUT
完成参数化程序编辑后, 只要调用Regenerate命令, 在PRO/Engineer的提示下输入新的参数, 就会自动生成新的圆锥齿轮。
4 结语
利用PRO/Engineer提供的Program二次开发工具, 完成对圆锥齿轮的参数化建模, 只需人机交互地输入圆锥齿轮的各个参数, 便可自动生成圆锥齿轮的三维造型, 可大大提高设计效率。
参考文献
[1]林清安.Pro/Engineer零件设计[M].北京:清华大学出版社, 2001
[2]申永胜.机械原理教程[M].北京:清华大学出版社, 2000
参数化建模环境 篇2
随着3D打印技术和材料制备技术的高速发展，轻质多孔点阵材料作为近年来兴起的力学性能极为优异的新一代轻质高强多功能材料，广泛应用于组织工程学、航空航天、船舶制造等领域。相比传统材料，轻质多孔点阵材料最大不同在于其具有千变万化的微结构和高孔隙率(大于7000)，因面具有轻质量、高强度、高效散热、能吸收电磁波，以及多功能可设计性等特有的优良性能。近年来，相关轻质点阵结构力学性能的研究受到了国内外专家的高度重视。Dede等介绍了一种设计单层或多层的周期性点阵结构技术，并对单层点阵结构进行了力学性能的计算分析。张钱城等根据各类轻质点阵材料的胞元结构分析其力学性能，并分析了强化轻质点阵结构力学性能的主要方法。陈立明等通过对轻质点阵夹层的力学性能研究，利用轻质点阵结构的均质化等效理论模型，建立了轻质点阵圆柱壳的强度模型以及刚度模型，最后与有限元分析结果进行了对比验证。Tekoglu等通过对多孔点阵材料在压缩、弯曲和剪切条件下的理论和仿真分析，研究了其单元尺寸变化对力学性能的影响关系。Fan等对轻质点阵结构力学性能提出了理论模型方法并对其进行了相应的试验研究。以上研究多为对胞元形式构成的点阵结构模型的力学性能的研究，面没有涉及对胞元结构参数化建模以及多种胞元结构构建试件的对比研究。
本文设计了基于长方体空间微结构衍生的胞元结构，并建立其数学模型以构建试件的参数化模型及分析系统。针对分别由边结构、顶点结构、面心结构、互连顶点结构以及内十字心结构构建的长方体试件，通过改变胞元尺寸及数量或胞元支柱截面半径，保证试件结构尺寸及质量不变，分析比较在拉压、弯曲、扭转情况下试件的力学性能，并通过动力学模态分析进行验证，提出了在各种载荷下点阵结构材料的设计方法。
1轻质点阵结构参数化建模
1.1胞元结构设计
轻质多孔点阵材料通过模拟分子点阵构型，并由节点和节点间连接杆件单元组成一种具有周期性的拓扑结构，不同的胞元结构构成的点阵材料会产生千差万别的力学性能。常见的三维点阵构型有编织叠层夹芯结构、三维全三角点阵结构、八面体结构、四面体和四棱锥点阵夹芯结构以及三维Kagome结构。本文所设计的胞元结构由长方体空间微结构衍变面来，根据六面体结构的特性，选取顶点、体心、面心以及棱边中点等关键点作为构建基本胞元结构的特征参数，设计了5种典型胞元结构。由12条圆柱棱边构成长方体，具备一般结构的特性;由长方体中心与8个顶点支柱相连构成，能够很好地将载荷传递到体心节点;面心结构，由长方体表面中心与相邻表面中心支柱相连构成，具备良好的载荷传递能力;为互连顶点结构，由长方体中心与8个顶点通过支柱相连且同侧顶点依次相连构成，其对顶点结构的端点进行了加强;为内十字面心结构，由长方体上下表面中心到侧面中心相连且相对表面中心互连构成，内十字结构具备良好的应对三向拉压能力。
1.2轻质点阵结构参数化建模系统
基于长方体空间的轻质点阵结构参数化建模流程主要概括为胞元结构的选择、胞元尺寸的参数设置、空间密度的计算插值、试件参数的设置、有限元分析以及实例学习。主要包括以下7个步骤:
(1)根据六面体结构的特性，计算顶点、体心、面心及棱边中点等关键点作为构建基本胞元结构的特征参数并存储;
(2)选择不同关键点并设定连线规则，得到不同的胞元结构并与胞元结构数据库进行匹配;(3)全部胞元结构与实例库进行匹配，当全部相同时，表明己存在相关数据，可直接输出实例数据;
(4)比较不同胞元支柱总长，设定最短的为基本胞元结构，并设置其结构尺寸参数;
(5)进行改变胞元尺寸或支柱截面半径两种方式下的空间密度二分法插值计算，并与基本胞元结构空间密度值比较;
(6)设置基本胞元结构试件参数，得到各胞元结构试件参数数据及模型;
(7)进行有限元分析，将设计实例及相关参数存储到数据库，为以后新胞元结构数据对比研究时进行相同匹配。
2点阵材料的力学性能研究
2.1弯曲载荷有限元分析.为通过改变胞元尺寸及数量构建的5种试件，分别施加弯曲载荷进行有限元分析求解试件的总变形云图。边结构受载胞元层发生整体变形较大，说明此种结构胞元抵抗弯曲能力差;顶点结构受载胞元层与第二层变形量相差较大，且靠近固定端变形量很小，说明此种胞元结构承受弯曲载荷能力很差，传递载荷能力较差。
5种点阵结构试件受到弯曲载荷时总变形、轴应力、最小组合应力以及最大组合应力相对于边结构的比值。
点阵结构试件受到弯曲载荷时:面心结构及内十字面心结构抗弯曲能力最强，互连顶点结构稍差于这两种结构，但面心结构在改变胞元截面半径情况下组合应力值较小，结合图6c可知试件高方向上胞元数量补半值产生了一定的影响;边结构抗弯曲能力一般;顶点结构的抗弯曲能力最差。在两种情况下，试件抗弯曲力学性能总体表现相似;由最小最大组合应力对比情况可知，弯曲载荷条件下，胞元支柱的轴向拉应力和压应力数值接近。
2.2扭转载荷有限元分析。
为通过改变胞元支柱截面半径构建荷时总变形、轴应力、最小组合应力及最大组合应力相对于边结构的比值。
5种点阵结构试件受到扭转载荷时:边结构总变形明显大于其他4种结构，但其弯曲应力较小;顶点结构具有较好的抵抗扭转变形的能力，但承受一定的弯曲应力;面心结构具有最强的抗扭转变形能力，但其具有较大的组合应力，说明其弯曲应力很大;互连顶点结构在改变胞元支柱截面半径情况下抗扭能力最强，其最小最大组合应力在改变胞元尺寸及数量情况下明显变差;内十字面心结构表现一般，其在改变胞元尺寸及数量情况下最小最大组合应力比在改变胞元支柱截面半径情况下好。同样，在两种情况下边结构、顶点结构和面心结构试件抗弯曲力学性能总体表现相似;由最小最大组合应力对比情况可知，扭转载荷条件下，胞元支柱的轴向拉应力和压应力数值接近。
2.3试件动力学模态分析
分别对5种点阵结构试件进行模态分析，求解其前6阶固有频率与对应的振型，分析结果得到1阶弯曲、1阶扭转的模态频率及对应总变形，并验证试件的抗弯、抗扭刚度。
当激励频率在1阶固有频率处驻留时，试件发生了1阶竖直弯曲变形。边结构与顶点结构对比可知，在频率相近时顶点结构的总变形明显偏大，说明顶点结构抵抗弯曲变形的刚度比边结构小;其他3种点阵结构频率为边结构3倍左右，总变形稍大于边结构，说明这3种试件具有明显的抵抗弯曲变形的刚度优点。在3阶固有频率处驻留时，试件发生了1阶扭转变形。其他4种点阵结构共振频率明显大于边结构，说明这4种结构具有较好的抗扭能力，互连顶点结构具有最优的抗扭刚度。
3结论
(1)在分别改变胞元尺寸及大小或胞元支柱截面半径两种情形下，试件的力学性能总体基本相似。
(2)边结构具有一定的抗拉/抗压能力，但其在抗弯和抗扭方面表现一般。
(3)顶点结构的综合力学性能表现最差，其抗扭能力稍强于抗拉/抗压和抗弯能力。
(4)面心结构的抗拉/抗压以及抗弯曲能力表现出色，但其抗扭能力表现较差，且需注意改变胞元尺寸及数量时试件高方向的补半会对力学性能有一定影响。
(5)互连顶点结构综合力学性能最优，抗拉/抗压、弯曲、扭转能力表现较为均衡，但其在改变胞元支柱截面半径情形下抗拉/抗压的组合应力稍大，且承受扭转载荷时在变支柱截面半径情况下表现较好。
服装三维人体尺寸的参数化建模 篇3
关键词人体建模；参数化；采样截面；轮廓拟合；参数化变形
中图分类号TS文献标识码B文章编号1673-9671-(2011)081-0186-01
本论文正是基于以上的背景，对服装三维人体尺寸的参数化建模方法进行了研究，研究的目标为建立一种可以根据使用者提供的少量关键尺寸，快速生成近似于真实人体的个性化人体模型的方法。应用这种方法建模，过程操作要方便简易，投资成本要小，生成的模型要适合虚拟试衣、可以与电子化量身定制和服装CAD结合。这种建模方法，一方面可以向使用者提供交互接口，根据需要任意改变模型，满足视觉上的需要，另一方面并且可以准确地控制模型的尺寸以满足服装个性化定制生产的需要。
1服装三维人体尺寸的参数化建模方法
参数化设计是将产品的定义、功能、特性、形状等属性通过约束表示出来。设计过程是构思设计要求、提出产品功能、给出相应的结构和几何约束，最后形成设计对象，基于约束的参数化产品设计过程如图1所示。产品的整个设计过程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求精过程。
图1基于约束的参数化产品设计过程
2三维人体参数化建模的思路概述
具体来讲，本文研究的建模方法的思路是：①利用曲面重建技术，将人体模型扫描数据作为前端输入，经过一系列处理， 获得采样点，基于解剖学原理使用B样条曲线构造人体轮廓线并重建3D人体模型表面曲面从而得到具有光顺表面人体。②由用户交互得到3D人体模型的参数化信息，建立3D人体模型的参数化模板。
3切面轮廓曲线拟合
如果一组采样射线在切平面采样时得到n+1个采样点Pi（0≤i ≤n），以这n+1个采样点作为B样条曲线B的控制点，并确定B的度为p（B就是P0，P1，P2，…，Pn对应的切片轮廓线）就可以如下生成B，封闭的B样条曲线B就是人体3D模型一个体表的轮廓线，所有由这些轮廓线组成的切片组构成了人体3D模型的参数化基础。如图2所示。
生成每个切平面所对应的轮廓曲线，还需对这些样条曲线进行纵向插值，以填补模型在切片轴向的空隙。在每个切片组的内部，可以对切片组内的B样条曲线进行纵向插值，进而对曲面轮廓进行重建。
4实验
本实验基于人体解剖学和人体美学，选取人台特征轮廓线如颈围、胸围、腰围、臀围等作为采样截面，得出特征点三维坐标；使用Matlab用圆形参数方程拟合采样截面轮廓；最后再次使用Matlab进行人台表面重建，完成人台的参数化建模。
首先将用圆形拟合好的截面轮廓曲线根据需要获取固定个数的等分点，然后将各截面对应点依次联接，得到拟合的三维人台，如图3所示。
图3人台模型效果图
5结论
本文侧重于人体参数化建模和参数化变形两个方面，首先介绍参数化建模的研究现状，给出参数化建模实例，然后结合实验进行简单的人台三维尺寸建模提出了面向三维服装设计的人体建模与参数化变形算法。上述两种参数化建模方法均采用截面取样、截面轮廓曲线拟合、表面重建的建模步骤，但由于数据获取、截面轮廓拟合等建模方法的不同，得到的结果也有很大不同。
参考文献
[1]董玉德.基于约束参数化的设计技术研究现状分析[J].中国图象图形学报,2002,7(6):532-538.
[2]黄凯,李燕.基于Poser的一种三维人体模型参数化方法[J].产品开发与创新,2009,22(2):98-105.
[3]陈龙,吴恩启,陆国栋.面向服装设计的人体建模及人体参数化[J].计算机应用研究,2009,26(8):3169-3174.
[4]秦可,庄越挺,吴飞.服装CAD中三维人体模型的参数化研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2004,16(7):919-922.
[5] Douros I , Dekker L , Buxton B F.An improved algorithm for reconstruction of the surface of the human body from 3D scanner data using local B-spline patches [A] In :Proceedings of IEEE International Workshop on Modelling People , Corfu , Greece ,1999. 1-5.
转子支架的参数化建模 篇4
传统的建模方式采用一个特征一个草图, 在不同的工作平面上建立草图, 过程比较复杂, 而且相互尺寸没有关联性, 当某个尺寸发生变化时, 特征实体易产生错位或者特征错误。本文采用参数化建模的方法, 根据设计的需要及理念勾画出设计模块的边界线, 这样整体的结构形式就清晰了。再把整体的略显复杂的模块简单化, 分成若干个独立的模块, 分别在独立的模块上建立草图及特征, 来实现较简单的、单独模块内容的设计过程, 然后根据设计需要来填充每个单独模块的设计内容。单独的模块会有单独的设计草图, 但是它是和主草图相关联的, 总是保持上传下达的一致性。把所有特征的草图都建在一个总草图上, 用尺寸把它们关联起来, 以便于以后的更改。因为所有特征的草图都在一张草图上, 在做零件特征时, 计算机要对整张表达所有特征草图上的要素进行计算, 导致计算机运行速度较慢, 还有可能会造成计算机不识别要做特征的草图, 无法做出设计所需要的特征。本文在做每一个特征时都新建一个草图, 然后把总草图可见, 把所需要的要素都投影到新建的草图上, 再做相应的特征, 避免了计算机繁琐的计算过程, 简洁明了地表达了设计理念。
本文以转子支架为例简要说明这种三维建模方式。
2 转子支架的三维建模
转子支架为用于加工汽轮机转子的数控分度回转装置中支撑转子的机构, 由安装平台、两个液压轴瓦支架、辅助支架组成。
分析支架的结构, 转子中心到平台间的距离h (中心高) 成为关键的设计尺寸, h (可由底座支架高度h1+中间架高度h2+轴瓦支架高度h3组成) , 如果h有变化, 可以按比例手动分配三部分的高度值, 达到变换尺寸、变换图形的目的。整体三维草图如图1所示。
(1) 支架底座的建模。根据转子支架的结构特点, 所以先从支架底座开始建模, 首先建立底座的空间三维草图, 也就是把底座的空间外型信息表达在一张三维草图上, 因为底座高度h1是关键设计尺寸, 所以构成底座零件的所有高度尺寸都要与h1相关联, 底座的长度尺寸a是定值, 底座的宽度尺寸b根据支架的承载能力是变化的, 所以构成底座零件的所有宽度尺寸都要与b相关联, 组成整个底座的所有零件的草图, 都在一张底座的三维草图中表答出来了, 由草图生成了底座的三维模型, 这样的一个三维模型的特点是:模型可以根据h、b值的变化而变化。
(2) 中间架的建模。中间架和底座之间的关系是相互配合的, 有配合同时尺寸还得相互关联, 解决的办法是利用Inventor的衍生功能, 把底座的草图模型衍生到中间架建模的草图模型中来, 这样就可以让中间架宽度尺寸与底座的宽度尺寸b相关联, 中间架的高度尺寸h2是设计的关键尺寸, 所以中间架零件的所有高度尺寸都要与h2相关联。这样中间架的模型可以根据h2、b值的变化而变化。如图2所示。
(3) 轴瓦支架的建模。轴瓦支架和中间架之间相互关系是相互配合的, 有配合同时尺寸还得相互关联, 解决的办法是利用Inventor的衍生功能, 把中间架的模型衍生到轴瓦支架建模的草图中来, 这样就可以让轴瓦支架宽度尺寸与底座的宽度尺寸b相关联。轴瓦支架的高度尺寸h3是设计的关键尺寸, 所以轴瓦支架零件的所有高度尺寸都要与h3相关联。这样轴瓦支架的模型可以根据h3、b值的变化而变化。如图3所示。
3 结论
中心支架参数化建模的关键参数是h (h1+h2+h3) 和b, 参数的变化影响图形的变化, 每个特征独立又相互关联, 提高了设计效率, 为产品变形的设计分析提供高效的手段。
参考文献
参数化建模环境 篇5
一、引言
对于大型复杂产品，设计过程中经常会遇到“相似零件”的重复建模问题。所谓“相似零件”就是构造特征相同，但参数不同，例如飞机结构中机身的钣金隔框、长桁，机翼的肋等零件，其构造特征相同，但构造参数随着外形及站位变化而变化，零件也各不相同。大型复杂产品一般会有大量的“相似零件”，“相似零件”必须进行单独建模，也就是重复建模。建模时除输入的数据不同外，其余的操作都是相同的，重复操作的比重很大，这种重复操作不仅枯燥乏味，而且效率低。CATIA软件提供了一种叫做“超级副本”的功能，使用超级副本功能，可剔除上述重复操作，大大提高设计效率。
二、用 CATIA软件中的超级副本建模
1.超级副本功能实质
CATIA的超级副本功能是参数化设计技术的拓展，实质是参数化和“宏”的有机结合。即在交互式环境中输入“相似零件”的参数，“宏”调用输入的参数，批处理建模操作过程，自动生成零件模型。
CATIA软件中的超级副本功能，由于介绍该功能的资料较少，掌握和使用这个功能的设计人员也较少。而在实际应用中这种基于参数化的功能在某些复杂产品建模中可发挥巨大的作用，极大地提高建模效率。在大型复杂产品设计中，“相似零件”很多，传统的做法就是重复单独建模，设计效率大打折扣。改良的做法是应用标准件库、零件库以及参数化设计技术来解决重复性建模问题。随着计算机软件在结构设计中的普及，参数化建模问题日益突出，如果能更好地做到全参数化控制模型，将会给设计工作带来极大的便利，大大提高工作效率。
2.超级副本操作及原理介绍
CATIA的超级副本功能适用于“相似零件”建模。因此，首先要分析“相似零件”的构造逻辑关系，以确定其输入参数结构，参数可以是尺寸、点、直线、曲线、平面和曲面等几何参数、矢量参数等元素或信息。其次，是预制强壮模型，预制强壮模型是一个具有建模过程简洁、拓扑合理、数据量小且适应范围广的 Part文件。第三，调用超级副本功能，在 CATIA软件的“零件设计”状态，打开“产品智能模板工具栏”，工具栏中包含：“创建超级副本”、“创建用户特征”和“创建文档模板”等创建副本的命令；“从文档实例化”和“从选择实例化”执行副本的命令。超级副本在接收设计输入数据后，通过事先设计好的建模顺序和逻辑关系自动生成模型——“宏”处理。超级副本的原理参如图 1所示。
有几点值得注意：（1）在使用超级副本时，设计输入必须符合零件要求，不得超过副本程序所允许的范围，针对副本程序输入信息必须合理，否则软件会报错或无法得到正确结果。（2）在使用超级副本时，应在当前设计环境中，引用外部种子模型，系统会根据副本模型的输入输出对当前设计环境的输入元素进行逻辑运算，得到和副本相同类型的输出数据。（3）超级副本程序是通过对“相似零件”的构造进行分析、优化而预先精心构建的强壮模型，强壮模型是指运用易于系统识别的运算法则所建的模型。通常建模的手段和途径很多，不同建模方法可以得到相同的结果，但不是所有的运算方法都容易被系统识别。在使用不易识别的操作，如草图中的偏移、投影，提取实体的曲面、曲线等操作时会导致系统识别错误，在模型输入元素替换时无法更新。
三、应用实例
某射电望远镜反射面根据主动控制规律的使用要求将反射面分割为上千个三角形单元，每个三角形单元边长约12米，同时，在每个三角形单元内部又分割为若干个小三角形单元，小三角形单元种类繁多、数量巨大。笔者在参与该项目的设计工作中，用户给定了反射面的小三角形单元的顶点位置，需要对所有三角形单元建模绘图。若单纯从以尺寸变量来驱动参数化建模，需要对相关尺寸进行计算并整理，且需一一对应，对于成千上万个模型来说，该建模工作很单调，且容易造成尺寸混淆，因此需要形成新的有效率的建模思想。
图 2为众多三角形单元中的一块，内部共包含 91个三角形小单元，共 28种类型，如果针对每一个小板块进行手动建模，会耗费大量的时间，操作过程中容易出错，模型质量难以保证。
利用软件的设计输入“替换”原理可以提高建模速度和模型质量。经分析，这些三角形板块有四种结构构型：（1）大三角形顶点的三个小板块；（2）大三角形三条边上的小板块；（3）内部的三角形板块；（4）内部临孔处的三角形板块。针对这四种构型分别制作 4套超级副本，在已给出的点上进行“克隆”操作。
以第 4类小三角板的超级副本制作为例，介绍超级副本的制作和使用。首先判断模型基于哪些几何元素和参数，本案例中三角板是由 3个顶点和临孔处的边决定的，此外在对连接带板建模时还需要取基准轴线的相对夹角作为变量。
围绕这几个元素进行建模，模型对于上述几个变量必须是强壮模型，根据输入的不同可以自动更新结果。
将所建模型生成超级副本，在超级副本定义框中选择设计输入元素及想要输出的元素，如图 3所示。
除了需要3个点和2条边线作为设计输入几何元素外，还需要发布参数以方便在使用时更改参数满足各种情况要求。发布参数如图4所示。该项目根据需要发布三个角度值。
设定完参数和几何信息后，超级副本图标将会显示在零件树上，如图 5所示，超级副本制作完成。
超级副本的运行是系统通过人机对话的交互性将副本内的输入元素进行替换、并重新生成模型的过程。在当前设计环境中，使用 图标调出已有的超级副本文件。运行后的设置框如图 6所示。在“输入”/“选定”栏中对照要替换的元素逐一进行选取，应当注意的是在选取曲线时应保证矢量方向相同。在“参数”栏中设定需要更改的参数，参数输入框中显示的 3个角度就是制作脚本时发布的 3个参数。运行完毕后将在当前设计环境中生成带完整步骤的“零件几何体”和“几何图形集”，并且可以对模型进行单独的更改操作。
对于上述项目案例，手工建模的工作量是难以想象的，经过比较，使用零件几何元素“替换”功能进行操作比手工建模提高70%的效率；使用超级副本进行建模比使用“替换”功能提高 60%以上。可见在一些重复性建模的项目中，超级副本功能可极大地提高工作效率，缩短设计周期。
四、结语
CATIA超级副本易学、易用，在很多领域都可以借助超级副本节省大量的人工成本。在汽车、船舶、航空、航天及其他工业领域，设计制造已陆续进入全数字化阶段，需要对系统中所有零件和连接件在数字模型中进行表达。大量的结构数模并不是毫无规律的，例如一些长桁、隔框、液压作动筒等零件，其结构形式简单、结构类型相同，在建模时可以借助超级副本来完成。在重复性操作中巧妙运用超级副本对缩短建模周期、控制模型质量有巨大帮助。
飞机起落架零件参数化建模的研究 篇6
关键词：起落架,特征,参数化,二次开发
飞机起落架是飞机上的关键受力部件,是供飞机起飞、着陆时在地面上滑行和停放的主要结构件,用于传递地面对机身的载荷,其工作性能的好坏将直接影响飞机的使用和安全[1]。
在常规设计加工中,由于不同型号起落架的批量设计生产,造成起落架的设计加工文档纷繁庞大,可扩充性,维护性低,从建模到加工周期长,直接影响了产品的交付使用。为了解决这个问题,我们根据飞机起落架设计和加工的要求,以起落架主要关键零件外筒为例,提出了零件参数化建模的研究。先是了解起落架零件的结构特点,对零件进行特征性分析,进行合理体素分解,将复杂的设计特征分解为简单的设计特征。之后通过CATIA二次开发技术对模块进行基于特征的参数化建模。通过实践证明,此种零件参数化建模系统能够缩短建模周期,提高起落架的设计、生产效率。
1起落架的传统设计加工过程分析
起落架主要由外筒、内筒、扭力臂、轮轴等组成,外筒是起落架最主要的受力件[2]。结构设计人员的主要工作是根据飞机整体设计的要求,设计起落架主要零件的柱体、球体、轴、四方体、耳片等基本尺寸,以及其公差精度要求,最终绘制出零件的二维工程图。根据二维工程图,由工艺人员进行工艺准备,根据车间的具体情况与设计人员进行沟通协调以满足加工要求,之后编制加工工艺流程,设计工装。
传统的飞机起落架设计时,对每个起落架都要从头开始进行结构设计,起落架的各零部件建模是相互独立的,单独研究每个零件时,这样的建模方法是没有问题的,但在修改尺寸或结构后,多次重复的建模工作带来了人力、物力以及时间上的极大地浪费,而且这样描述的零件数据种类过多,存在大量的几何拓扑结构相同或相似,以及尺寸规格不同的零件,对于成系列化的产品则更是如此,从而使文档纷繁庞大,可扩充性,维护性下降,建模周期延长。而且结构人员采用二维设计,不利于采用先进的数控加工。部分零件加工难度较大,精度控制难,加工的质量也不够稳定。从设计到加工完成数据的传递多,造成的传递误差较大。整个设计加工过程周期长,加工效率较低。传统的制造工艺方法已经严重地阻碍了起落架生产效率的提高。起落架传统的设计工艺流程如图1所示。
2参数化建模
起落架是飞机的重要组成部分,外筒是起落架的关键结构件,外筒零件外形结构复杂,孔、腔繁多,三维模型建立困难,加工过程繁琐,其三维模型的建立一直是急需解决的难点,这直接影响到产品的设计与制造,并导致生产周期过长。为此,需要一种方法既能达到用企业和设计者的愿望,又能满足用户的要求,所以提出了基于特征的参数化建模系统的方法[3]。
2.1参数化特征造型原理
参数化设计主要有两种操作类型:一种是尺寸约束参数化,对形状特征进行尺寸约束;另一种是定位约束参数化,即对特征进行定位约束。将参数化设计与特征建模结合起来,使特征作为参数的载体,通过特征的操作构造零件的几何形状,使不同特征的形状尺寸和位置尺寸在一定范围内,操作者可以根据需求调整参数值,得到所需零件[4]。
参数化特征建模的关键在于使用参数、公式、表格等驱动图形来达到改变图形的目的[5]。如图2所示,参数化造型系统主要由五个功能模块组成,有草图生成、约束、特征形成及零件生成、特征参数的编辑和修改、工程图的自动生成。参数化特征造型对解决CAD与CAPP、CAM在数据交换过程中存在的问题提供了很大的帮助。参数化特征造型设计极大地改善了图形的修改手段,提高了设计的柔性,对产品的结构设计中所要进行的概念设计、实体建模、装配、有限元分析和机构仿真有着极其重要的意义。
2.2参数化特征造型过程
在参数化造型中对特征的表达是关键,只有精确地表达出特征,才能根据特征的几何形状和尺寸对其进行改动。在设计中,参数的个数应尽量少,这样可以方便操作使用,而且图形的参数要唯一的确定图形。参数的确定主要有4种,分别是:控制参数、位置参数、方位参数和结构参数。我们采用参数化特征造型技术来实现系统的快速建模。具体的设计步骤如下:
1)分析图纸,对零件进行分类,确定主要零件的结构及特征的组成;
2)进入草图设计,确定草图的各项尺寸,草图创建结束后,退出草图,再创建基本的实体特征;
3)逐步完善细节特征,在基本特征上添加新的特征;
4)修改参数化的特征,完成建模。
飞机起落架外筒特征按照形状特征主要可分为两个部分:主特征和辅助特征。其中主特征包括了构造零件的总体形状结构,例如圆柱体、四方体、球体等等。辅助特征则包括了修饰主特征的局部形状,如倒角、退刀槽、键槽等。起落架外筒具体的特征组成如图3所示。
2.3参数化基准体系分析
在参数化设计中,基准体系的建立同样也很重要,尤其是在以CATIA为平台进行二次开发时,坐标系的选择对于降低编程难度及后续工作,至关重要。一般绝对坐标系和相对坐标系不重合,在参数化建模过程中,为了避免各模块坐标系的不重合带来的混乱,本论文针对起落架外筒零件,在各模块的建模中采用了绝对坐标系体系。用绝对坐标系的基准来定位特征集,从而完成各模块基于特征的参数化建模。图4为外筒零件的绝对坐标系:
3 CATIA二次开发
3.1系统开发平台:CATIA V5 R17
CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application,计算机辅助三维交互设计应用)是由法国达索系统公司(Dassault Systemes)开发,并由IBM公司负责在全球销售和提供技术服务的CAD/CAE/CAM集成软件。该软件能够在Windows98/Me、Windows 2000/XP以及Unix等平台上运行,是目前应用范围最广、影响最大的CAD软件[6]。CATIA软件广泛应用在航空、航天、机械制造、汽车制造等行业,它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域,迎合了广大工业领域的大、中、小企业的需要。
3.2系统开发语言:Visual Basic 6.0
Visual Basic是美国微软公司推出的在Windows环境下使用的应用软件开发系统,是近年来得到迅速推广和应用的一种计算机高级语言,其特点是适合于面向对象程序设计。Visual Basic一方面继承了其前辈Basic程序设计语言所具有的简单易用的特点,另一方面在其编程系统中采用了面向对象、事件驱动的编程机制,用一种巧妙的方法把Windows的编程复杂性封装起来,提供了一种所见即所得的可视化程序设计方法。
3.3 CATIA二次开发
CATIA系统具有良好的二次开发平台。运用CATIA二次开发,可以开发许多专用模块,以解决在CATIA全面应用中的专用设计、数据处理等问题。CATIA二次开发可以使软件具有良好的人机交互界面,提高整个设计过程的效率。运用VB进行CAT-IA二次开发的整个基本流程如图5所示。
CATIA二次开发主要有两种开发方式。一种是采用CAA C++技术,另一种是采用CAA AUTOMA-TION技术,两种开发方式优缺点如表1。通过分析比较,选择入门相对容易的CAA Automation进行开发。
创建VB与CATIA的连接,主要使用CreateObject和GetObject函数,创建获得对ActiveX对象的引用。下面是用VB启动CATIA的代码[7]:
3.4起落架零件特征参数化建模实例
以起落架外筒零件的一个特征耳片为例,进行参数化建模,具体可分为以下四个部分。
3.4.1零部件特征的提取
对实体特征进行提取是设计模型数据的第一步,也是重要的一步。在耳片零部件特征建模的过程中,根据其建模的特点及工艺要求,将零部件合理的拆分为若干个结构,并对其进行分类,找出其特征。略去一些不重要的特征,如倒角、倒圆等,这样可以减免大量的工作量。特征分解过程也是建模的反过程。
3.4.2特征参数的输入
首先在建模前对耳片上所有的零件尺寸按照顺序进行命名。将已定义好的参数输入到零件的设计表中,然后定义出零件尺寸之间的关系。一个具体零件的结构尺寸或定位尺寸中,所有在总体参数中已经定义过的尺寸都要严格由总体参数引用得到的。
3.4.3修改特征参数
设计完成后可在特征树的参数中修改变量值,实现包含尺寸和特征修改的参数化设计目标。在零件实体造型部分,最重要的就是保证相关参数引用的一致性。为提高工作效率,减少建库的工作量,本系统拟采用编程的方法,将所有要修改的参数生成数据文件,通过读入的方式一次性将所有的参数进行修改。修改后的特征参数,将被保存在特征库中,系统将重新自动生成新的图形。在修改一个尺寸后,图中的相关尺寸会自动更新。
3.4.4创建实体模型
在创建模型时,零件的几何约束关系也同时被创建,而当零件模型被修改,其几何约束关系则保持原有的设计意图不变。发生改变的只是尺寸的大小或者是图形位置关系或者比例的改变。图7即为某起落架外筒一耳片快速建模系统的界面。
4结束语
本文围绕国防重点项目《起落架高效数控加工系统的研究》,针对飞机起落架在传统数控加工上存在的问题,利用CATIA软件作为二次开发平台,对二次开发专用系统中参数化设计的方法及关键技术进行研究,该系统已经在某重点型号飞机起落架参数化建模过程中得到了应用,并取得了较为满意的结果。
参考文献
[1]朱姗姗.起落架关键件主起快速建模的研究.硕士学位论文,西安:西北工业大学,2009
[2]崔坤明.飞机起落架关键零件的数控加工研究.硕士学位论文,成都:四川大学,2005
[3]黄桂强.基于UG的底座装配式快速建模技术.装备制造技术, 2007;(6):68-70
[4]桂元坤,莫蓉,张定华,等。航空发动机复杂壳体类零件的参数化建模方法.计算机工程与应用,2003;30(33):212-214
[5]林三宝,黎明,吴林.基于特征和面向对象的焊接结构产品信息模型研究,焊接学报,1999;(S1):138-145
[6]李苏红,潘志刚,孟祥宝,等。CATIA V5实体造型与工程设计.北京:科学技术出版社,2008
圆底渐开线花键参数化建模研究 篇7
渐开线花键是机械传动中重要的联结形式, 具有自动定中心、精度高、承载能力大、寿命长、加工刀具经济、易加工、互换性好、易获得不同的配合并适用于盘式联结等优点, 已广泛应用于汽车、工程机械、航空航天、兵器、造船等工业部门[1]。
1 渐开线花键尺寸参数
大径:大径是花键的最大齿形面的包络圆。它是外花键的齿顶圆和内花键的齿根圆。内花键Dei、外花键Dee。
小径:小径是花键的最小齿形面的排斥圆。它是外花键的齿根圆和内花键的齿顶圆。
节圆:节圆是一个参考圆, 花键的键齿的所有的横向尺寸都是以节圆为基础开始计算的。
压力角:压力角是花键的渐开线齿廓的切线与通过切点的半径所组成的夹角。除非有特殊说明, 压力角通常是指标准压力角。
渐开线终止圆 (渐开线起始圆) :渐开线终止圆是用于控制齿廓上渐开线的极限距离的圆。渐开线终止圆与齿顶圆 (或者修缘线的起点所在的圆) 共同限制了所要求控制的渐开线齿廓的范围。渐开线终止圆的位置靠近内花键的大圆 (齿根圆) 或者外花键的小圆 (齿根圆) 。
2 30°圆齿根渐开线花键建模设计
UGNX的CAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的的产产品品设设计计环环境境, , 使使得得产产品品从从设设计计到到加加工工真真正正实实现了数据的无缝集成, 优化了产品设计环境。UGNX以其精准的数据模型, 使产品在开发全过程的各个环节保持关联性, 从而有效的实现并行工程[2]。利用UG软件的参数设置、建立和编辑表达式以及电子表格功能, 可以实现齿轮的完全参数化设计, 精确地建立渐开线花键的三维模型, 还可以根据设计需要, 通过更改相关的特征参数, 实现新的数据驱动三维模型, 从而减少设计人员的重复劳动, 提高渐开线花键的设计效率。
2.1 30°圆齿根渐开线花键参数的设置
分度圆直径:d=z*m
基圆直径:dh=d*cos (alpha)
压力角:alpha=30
齿顶圆直径:Dee=d+m
齿根圆直径:Die=d-1.8m
渐开线起始圆直径:DFe=d-1.2m
齿根圆弧最小曲率半径:Remin=0.4m
渐开线方程:
2.2 30°圆齿根渐开线花键齿廓曲线的形成
选择[插入]→[曲线]→规律曲线, 绘制渐开线齿廓曲线。如图1。
对绘制的渐开线齿廓曲线做镜像, 镜像平面通过基圆上齿槽中心, 如图2。
2.3 30°圆齿根渐开线花键三维建模
渐开线花键齿廓曲线及其镜像曲线拉伸, 选择[插入]→[设计特征]→拉伸, 对齿廓曲线进行实体拉伸, 最后结果, 如图3。
选择[插入]→[关联复制]→生成实例几何特征, 进行旋转阵列。如图4。
改变渐开线花键基本参数, 可实现参数化建模。如图5。
3 结论
UGNX是一个功能强大的可参数化设计工具。采用上述的方法可以精确地生成可参数化控制的渐开线花键。通过利用UG的关联性功能, 引用表达式, 可以方便地更改相关参数, 实现渐开线花键的参数化设计和自动特征建模, 提高了渐开线花键的设计效率和质量。
摘要：机械传动中, 渐开线花键获得了广泛的应用, 利用UGNX强大参数化设计功能, 实现渐开线花键的参数化设计和自动特征建模, 提高了渐开线花键的设计效率和质量。
关键词：渐开线花键,UGNX,参数化设计
参考文献
[1]詹昭平.渐开线花键标准应用手册[M].北京:中国标准出版社, 1997.
参数化建模环境 篇8
1 基于Pro E的零件参数化建模方法
使用Pro E软件进行零件的参数化建模, 需要先利用零件尺寸的约束与关系式进行平面草图的设计。而由于软件本身有自动提取系统参数的功能, 所以能够通过输入尺寸进行草图的约束, 然后将尺寸约束和草图当成是特征参数保存和利用。利用软件的尺寸修改功能, 则能够建立尺寸间的关系式, 从而利用这些内容实现尺寸的驱动。而作为基于特征的建模技术, Pro E软件本身带有标准件的零件库。根据零件库中的标准, 然后通过编辑和尺寸驱动等方式进行设计意图的传达, 则能够通过创建特征集功能实现对建模特征的约束和管理。而利用特征参数和表达式之间的数据传递关系, 则能够使表达式的设计意图得到进一步提高。最后, 通过关系式进行零部件尺寸的编辑, 则能够达到产品的设计要求, 如图1所示为凸轮零件的三维造型与轮廓展开图。
2 基于Pro E的凸轮零件的参数化建模
2.1 轮毂的创建
使用Pro E软件对盘形凸轮零件进行参数化建模, 首先需要完成轮毂的创建。由零件的三维造型和轮廓展开图可知, 凸轮起止点有一致的位置, 并且其水平直线和曲线相切, 所以凸轮在起止点的交汇处能够实现平滑过渡。在创建轮毂时, 需要点击“拉伸”命令, 然后进行TOP基准平面的选取。以该平面为草绘平面, 然后围绕坐标系原点进行直径为“100”的草图圆的绘制, 则能够完成轮毂的初步造型。在此基础上, 将拉伸方式设置为“对称”, 然后将尺寸修改为“60”, 则能够完成凸轮轮毂的创建。
2.2 轮廓展开图的创建
在创建凸轮轮廓的展开图时, 需要选择菜单中的“插入-模型基准-图形”命令, 然后利用“CAM GRAPH”进行图形特证名的命名。在此基础上, 需要在草绘窗口界面进行“坐标系”命令的选取, 然后进行草绘坐标系的创建。需要注意的是, 坐标系的创建需要选取适当的位置, 并且需要完成经过坐标系的水平中心线的绘制[1]。在绘制中心线时, 需要选取“样条”命令, 然后在中心线上方完成具有7个型值点、草绘坐标系竖直对其样条线和起始点的绘制。在此基础上, 还要在曲线两端完成长20左右的水平直线的绘制, 并且将其转换为“构建线”。而在曲线的两个端点处, 还要约束样条曲线分别与相连直线相切。最后, 以样条线轮廓将草图展开, 则能够创建出图形特征“CAM GRAPH”。
2.3 轮廓造型的创建
在创建轮廓造型时, 需要点击“可变剖面扫描”的命令, 然后通过拾取轮毂上表面的环形边线获得原始轨迹线。在右键菜单中, 可以进行“草绘”命令的选取, 然后进入草绘界面进行系统坐标系的选取。在此基础上, 需要以坐标系为参照图元, 然后在图元处进行水平中心线的绘制。而以动态坐标系的y轴为起始点, 然后朝着左下侧方向进行对称于中心线的矩形图元的绘制, 则能够得到基本的轮廓造型。此时, 需要将图元竖直尺寸修改为“50”, 然后在菜单中进行“工具-关系”的选择, 并且在弹出的对话框中输入“sd4=evalgraph (“CAM GRAPH”, 360*trajpar) -50”, 则能够完成关系式的输入。退出草绘后, 以“实体”方式就能够完成轮廓造型的创建。
2.4 凸缘的创建
在创建凸缘时, 需要单击“拉伸”命令, 然后进行轮廓造型上表面的选取。以该平面为草绘平面, 然后进行“偏移”命令中“环”方式的选取, 则可以将轮廓表面边线向里偏“5”。再次点击“使用”中的“环”方式, 则能够完成轮毂表面边线的复制。而将盲孔深度改为“3”, 就能够利用除料方式完成凸缘结构造型的创建[2]。最后, 需要完成拉伸除料特征的再次选取, 然后以TOP基准平面为镜像平面, 则能够完成另一侧凸缘造型的创建。
2.5 轴孔的加工
在对凸轮的轴孔进行加工时, 需要点击“孔”这一命令, 并且将轮毂上表面当成是孔的放置平面。此时, 需要进行圆中心基准轴的拾取, 并且将其当成是定位中心, 然后将孔径修改为“50”, 则能够利用“穿透”方式完成轴孔加工。
2.6 键槽与倒角的加工
加工键槽时, 需点击“拉伸”命令, 然后选取轮毂上表面进行矩形草图绘制, 并利用“穿透”方式完成键槽加工[3]。此外, 加工轴孔倒角时, 需点击“边倒角”命令, 然后进行两侧边线拾取, 并且键入倒角距值“2”。
3 结论
总之, 使用Pro E软件进行凸轮零件造型创建, 能够利用零件参数实现零件的快捷、精确建模。因此, 相信在零件加工制造中, Pro E软件能够得到较好的应用。
摘要：运用ProE软件, 可以利用凸轮零件的轮廓曲线关系完成图形特征和轮廓曲面的创建, 所以能够确保零件的设计精度。基于这种认识, 本文对基于ProE的凸轮零件的参数化建模问题展开了研究, 从而为关注这一话题的人们提供参考。
关键词：ProE,凸轮零件,参数化建模
参考文献
[1]张完郎.在三维 (PROE) 环境下的凸轮设计方法探讨[J].科技创新与应用, 2015, 19:140.
[2]顾吉仁, 齐菊.基于PROE的参数化建模方法及三维零件库的创建[J].科技风, 2015, 15:55+65.
参数化建模环境 篇9
通过Pro/E的参数化功能设定四个弹簧参数, 分别是钢丝直径、弹簧外径、弹簧自由长度和有效圈数, 再设定这四个参数的初始值分别为:3、30、105和15。然后通过Pro/E的建模功能进行参数化建模。Pro/E中提供了很好的弹簧建模功能-螺旋扫描, 通过该功能可以建立非常标准的圆柱螺旋弹簧。在建模的过程中通过已定义参数对其进行约束可以达到参数化建模的效果, 建好的模型如图1所示。若想要得到其它型号的弹簧可以通过再生功能修改参数可以立即得到所要模型, 如图2所示。
2 导入到ANSYS Workbench
ANSYS Workbench提供了与CAD软件及设计流程之间的无与伦比的整合性, 从而发挥CAE对设计流程最大限度的贡献。最新的ANSYS Workbench使用接口, 可与Pro/E系统的实体及曲面模型双向连接, 极大地提高了Pro/E文件的导入成功率。当Pro/E模型变化时, 不需要对所施加的负载和支撑重新定义, 这意味着通过ANSYS Workbench的参数化管理可以方便地控制Pro/E模型的参数, 从而提高设计效率。
导入方法可以将模型保存为通用格式IGES, 然后用ANSYS Workbench载入。更好的方法是将ANSYS Workbench的启动命令集成到Pro/E的菜单里面, 模型建好后, 单击Pro/E菜单中的启动ANSYS Workbench命令, 模型就会自动载入到ANSYS Workbench里面, 无需转化, 而且可以很好地利用Pro/E和ANSYS Workbench的双向相关性。
3 划分网格
(1) 材料选择及其属性设置
在模型树中选择弹簧的材料为Structural Steel, 即结构钢, 然后在划分网格选项卡中设置relevance值为100。
(2) 单击Mesh Control, 选择method, 然后选择弹簧模型, 进行网格划分, 划分网格的结果如图3所示。
4 设置约束
新建一个分析, 在菜单中选择Static Structural, 然后设置固定约束, 在Supports中选择Fixed Support, 单击选择弹簧的一个端面, 单击apply确定选择。固定约束设置后的结果如图4所示。在弹簧的另一端加载一个压力, 大小为60N, 方向如图5所示。
5 建立一个应力分析
选择要分析的结果, 在菜单栏中选择要分析的结果, 分别选择Equivalent Stress和Equivalent Elastic Strain, 即等效应力和等效弹性应变, 单击工具栏上的Solve进行应力分析, 得到的等效应力和等效弹性应变的分布情况如图6和图7所示。
6 定义疲劳材料特性
在菜单栏Tools中选择Fatigue Tool, 然后定义疲劳材料特性, 在其属性栏中设置参数。
疲劳是由于重复加载而形成的, 本文将针对这种最为恒定振幅载荷在最大和最小的应力水平恒定时最简单的形式进行讨论。
考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况:
(1) 应力范围定义为△= (σmin-σmax) 。
(2) 平均应力定义为σm= (σmin+σmax) /2。
(3) 应力幅或者交变应力σa=σ。
(4) 应力比R=σmin/σmax。
(5) 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时, 发生的是对称循环载荷, 这就是σm=0、R=-1的情况。
(6) 当施加载荷后又撤除该载荷, 将发生脉动循环载荷, 这就是σm=σmax/2情况。
重复加载设置如图8所示。
载荷与疲劳失效的关系, 采用的是应力-寿命曲线或者S-N曲线来表示, S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的, 应力-寿命曲线或者S-N曲线展示出应力幅与失效循环次数的关系, 弹簧的S-N曲线如图9所示。
由图9所知:有了S-N曲线就可以进行疲劳分析了, 选择Fatigue Tool模型树, 然后在Contour Results中选择有分析的结果, 在这里, 我们选择Life、Damage、Safety Factor、Fatigue Sensitivity和Equivalent Alternating Stress。在Fatigue Sensitivity的属性栏中设置最小载荷和最大载荷分别为名义载荷的50%和150%。
单击工具栏中的Solve进行分析。分析结束后在模型树中单击要查看的分析, 图形区域就会显示分析的结果。
7 结论与对策
分析结束后, 可以得到疲劳寿命、疲劳损伤、安全系数等数据, 图形区域会显示出所要的结果云图。
由图10可以得出:最小寿命区域主要在弹簧钢丝上, 而且局部寿命较短, 最小的是3044.1个循环, 可见这样的结果不能满足设计的需要, 可以通过ANSYS Workbench的DesignXplorer模块对弹簧的参数进行优化设计, 将钢丝的的直径d设置为设计参数, 疲劳寿命设置为目标参数对其进行优化, 优化的结果可以直接映射到Pro/E模型的参数。
由图11可以得出:疲劳损伤的最大值较大, 同样可以采用ANSYS Workbench的DesignXplorer模块对其进行优化设计。
由图12可以得出:安全系数等值线是关于一个在给定设计寿命下的失效, 设计寿命值在细节栏 (Details view) 输入, 给定最大安全系数SF值是15。
参考文献
[1]数字化手册编委会.机械设计手册 (软件版) V3.0[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[2]Saeed Moavenl.有限元分析-ANSYS理论与应用[M].北京:电子工业出版社, 2008.
[3]李兵, 等.ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M].北京:清华大学出版社, 2008.
[4]曾珊琪.模具寿命与失效[M].北京:机械工业出版社, 2007.
参数化建模环境 篇10
UG (Unigraphics) 是美国EDS公司的CAD/CAE/CAM一体化软件, 自从UG推出以来, 在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其他高科技应用领域的机械设计和模具设计、加工等领域得到了广泛的应用。UG作为通用支撑软件系统, 提供了强大的CAD/CAM功能, 由于产品的千变万化, 不可能为专用产品建立的完整辅助设计功能, 所以对某类特定的产品设计所需的专用功能单元必须针对具体对象进行二次开发, 设计出界面友好、使用方便的专用平台。
高速风洞天平作为高速风洞试验中广泛使用的传感器, 用于测量飞行器在试验中所承受的空气动力载荷 (升力、阻力、测力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩) , 天平具有六个测量单元, 每个测量单元具有对所测载荷敏感而对其他载荷不敏感的特性。由于天平设计载荷, 使用环境和条件不同, 天平测力元件的结构形式和尺寸确定差异明显, 天平设计具有自身结构的特殊性和复杂性。传统设计方法多数沿用二维设计, 效率和可调整性都比较差, 不利于对设计结构进行选型和调整。随着计算机技术和工业设计软件的发展, CAD和CAE技术在设计中广泛应用, 产品开发设计用三维模型可以更直观更完整地定义和描述产品设计及制造信息, 天平设计从二维向三维设计发展已成为必然。
1 UG应用开发工具
UG应用开发是指在U G软件平台上, 结合具体的应用需求, 总结行业的设计知识和经验, 开发面向行业和设计流程的CAD系统。UG软件中的应用开发模块提供了较为完整的应用开发工具集, 利用该工具集可对UG系统进行用户化裁剪和开发, 用以满足实际的应用需求。UG软件为开发人员提供的最主要的开发工具是UG/Open, 它主要由UG/Open GRIP、UG/Open MenuScript、UG/Open UIStyler和UG/Open API 4个部分组成。
(1) UG/Open GRIP是一种专用的图形交互编程语言, 它与UG系统集成, 可以实现UG环境中的大部分应用操作。GRIP语言有其自身的语法结构、程序结构、内部函数以及与其他通用语言程序相互调用的接口。虽然GRIP的功能远不如UG/Open API强大, 但具有通俗、易懂等独特的优点, 在UG二次开发中有大量用户在使用。
(2) UG/Open MenuScript是UG提供的定制菜单的专用模块, 可以创建用户化菜单的工具。MenuScript支持UG主菜单和快速弹出式菜单的设计和修改, 通过它可以改变UG菜单的布局, 添加新的菜单项等功能。
(3) UG/Open UIStyler是开发UG对话框的可视化工具, 其生成的对话框与UG集成, 用户可以方便、高效地与UG进行交互操作。该工具的使用避免了复杂的图形用户接口编程, 直接将对话框中的基本控件进行组合与布局, 可以创建满足不同功能需求的UG风格对话框。
(4) UG/Open API是一个允许程序访问并改变U G对象模型的程序集。UG/Open API封装了近2000个UG操作的函数, 可以方便地对UG的图形终端、文件管理系统和数据库进行操作, 绝大多数的UG操作都可以用UG/Open API函数实现。UG/Open API是最常用的UG应用开发工具。
2 UG参数化思想
参数化设计是指在零件或部件形状的基础上, 用一组参数来定义几何图形 (体素) 尺寸数值并约定尺寸关系, 然后提供给设计者进行几何造型使用的方法。其主题思想是用几何约束、数学方程和关系来说明产品模型的形状特征, 从而得到与模板形状或功能上具有相似性的设计方案。参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系, 设计结果的修改受尺寸驱动 (Dimension Driven) 。当尺寸参数和约束发生变化就会驱动相应的模型改变, 设计者的设计意图可以立即得到体现, 达到了所见所得的建模效果。参数化实体造型的关键是几何约束关系的提取、表达、求解以及参数化几何模型的构建。
U G参数化设计同样遵循以上原理, 建立对应的参数模型是参数化模块开发的关键。参数模型建立可根据零部件的特点, 采用草图、表达式、截面之间的相关性等方法, 主要有三种方式。通过草图法建模, 是利用在草图上先绘制出零部件的关键几何特征, 通过尺寸标注和约束精确定义几何图形的尺寸和位置, 再通过拉伸、旋转、扫略等操作建立三维模型。直接建模法是直接建立如圆柱、长方体等典型体素, 在通过布尔运算和其他细化操作建立数据模型。另外, UG还提供利用提取功能、Wave技术等系列产品设计设计手段。实际建模过程通常是综合使用上述方法, 在建模过程中, 都会使用参数化驱动的核心元素——表达式。通过建立算术和条件表达式建立控制零部件特征之间的尺寸、关联特性和定位关系, 通过调整表达式值来驱动模型。
3 天平参数化模型构建
3.1 建模流程
天平结构比较复杂, 天平参数模型设计主要有整体建模和装配建模两种方式。整体建模是把天平的所有几何特征集中在一个部件中, 特点是参数集中, 模型针对性强, 一个部件文件对应一个天平三维模型。装配建模把天平当作由不同实体特征组合而成, 将天平模型根据其特点“分割”成不同的“几何体”, 分别建立部件文件, 再通过装配把这些部件组装起来, 装配体的参数分散于各部件文件中, 对于由很多零部件组成的复杂模型, 装配建模具有优势, 二次开发对参数匹配难度较大。而整体建模比装配建模更直观, 模型文件容易管理, 更容易参数驱动和数据库建立。因此, 高速风洞应变天平采用整体建模, 其建模流程见图1。
3.2 提取参数与尺寸约束
UG对天平进行参数化建模, 首先要根据设计要求提取设计参数, 确定关键几何特征的关键参数。其次要建立各设计参数之间的各种约束关系, 使不同特征相互联系, 在建立约束关系时, 既不能重复约束, 也不能缺少约束。最后要根据零部件几何特征, 使用提取的参数并应用约束关系逐步完成参数化模型的建立。完成参数化设计的零部件可以进行后续结构的有限元分析及优化工作, 根据计算结果, 修改设计参数, 以提高产品的性能指标, 最终完成设计。在参数化设计过程中, 应该按照由简入繁的顺序建模, 合理安排建模顺序。
常规风洞应变天平结构比较复杂, 其重要的特征参数一般包括直径、测量元件的长、宽、高及位置尺寸。带阻力测量单元的天平还包括阻力元件支撑片形式, 支撑片的厚度、间隙大小、片数、位置尺寸以及开槽角度。这些参数决定天平设计性能, 是天平设计中的关键尺寸。提取参数, 以UG的坐标系为参考系, 将天平设计参数分为长度 (X轴方向) 、宽度 (Z轴方向) 、高度 (Y轴方向) 、角度、间隙、直径及其它尺寸七类。图2给出了某六分量天平键参数在二维图上的分布, 共29个关键尺寸参数。对应的各参数的初始值见表1。
3.3 参数模型建模过程
天平在结构上可以分为前锥、主体和后锥三段, 主体包括前、后过渡等直段, 前、后测量元件和中段。中段主要布置阻力支撑片和剖开槽, 在建立模型时比较复杂, 建模主要使用草图法, 主要有以下步骤:
首先, 绘制草图曲线。每幅草图都参照全局坐标系建立, 并且逐层分布在图层21到图层40之间, 以便于根据需要显示或隐藏对应图层的草图。需要分别建立天平横截面、前、后测量梁横截面、阻力支撑片、阻力测量元件截面、“八”字槽及斜拉槽截面和前后锥等特征对应的草图。在建立草图的过程中, 关键参数应该按表1所示标注, 并建立几何约束关系。其次, 拉伸或旋转草图曲线建立基本特征。为了便于观察控制各测量元件, 将拉伸特征分配在独立的图层, 按先后顺序分布在图层1到图层20之间。先拉伸天平中段圆柱, 再拉伸前后测量梁。然后拉伸过渡段, 旋转前、后锥草图曲线生成锥体。阻力支撑片的生成和开槽比较复杂, 先建立一个阻力框, 通过拉伸草图形成单个支撑片特征, 再使用阵列特征操作形成支撑片, 引入参数N控制阻力支撑片数, 借助布尔运算和镜像特征完成。而“八”字槽和斜拉槽拉伸后还需使用偏置拉伸来建立辅助特征进行修剪。最后, 对体素进行布尔运算形成天平模型。图3左图为某型天平结构草图, 右图为完成的参数模型。
4 天平参数化平台程序构建
UG常用的参数化设计方法分为图形交互设计和编程方法两种, 图形交互设计是指在现有的CAD系统的环境下, 通过交互操作来完成产品的参数化设计, 是产品设计中不可缺少的方法。编程方法是指在现有的CAD系统基础上, 利用二次开发接口, 高级语言和数据库等相关技术, 来定义产品的参数化模型, 并支持对参数化模型库的建立、管理和使用, 是一种高级的参数化设计方法。天平参数化设计模块二次开发是在综合运用了UG/OpenMenuSript、UG/Open UIStyler、UG/Open API和Visual C++6.0基础上展开, 其程序框如图4所示。
天平参数化设计专用菜单用UG/Open MenuScript编写, 为了与UG界面风格保持一致, 天平参数化设计菜单采用分级式下拉菜单, 利用MenuScript提供的UG菜单脚本语言, 编写成扩展名为*.men的文本文件放置到相应目录, 再通过设定UG的环境变量, 在UG启动时载入定制菜单, 定制菜单如图5所示。
参数对话框采用UG/Opea UISlyler工具构建, 生成的对话框能与UG集成, 利用这个工具可以避免复杂的图形用户接口GUI的编程, 直接用基本控件组合生成功能不同的对话框并编写相应的回调函数。Visual C++和UG/Open API编写参数化设计应用程序, 通过UF＿PART＿OPEN () 函数打开参数模型, 对模型的几何特征参数的访问操作主要用以下函数完成。调用UF＿MODL＿ask＿exps＿of＿feature () 获得模型几何特征有关的所有表达式的标识;使用UF＿STYLER＿ask＿value () 用于查找存在表达式的数值, 利用UF＿MODL＿edit＿exp () 用于修改表达式, 然后通过调用UF＿MODL＿update () 更新函数来更新模型。图6为天平参数建模设计的运行实例。
5 结束语
运用VC 6.0和UG/Open二次开发工具构建的天平参数化设计平台, 界面简捷直观, 操作方便, 具有良好的可扩充性和可移植性。通过对天平的关键参数进行调整, 可以快速得到天平实例模型, 提高了设计效率, 缩短了天平研发周期, 在天平优化设计方面, 具有良好的应用前景。
摘要：针对天平设计需要, 在研究UG二次开发技术的基础上, 运用UG/Open MenuScript、UG/Open UIStyler、UG/Open API和Visual C++6.0等UG二次开发工具, 开发了的风洞天平参数化设计平台。
关键词：UG,风洞天平,二次开发,参数化建模
参考文献
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