探討參數(shù)化設(shè)計(jì)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用

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引言

參數(shù)化技術(shù)是當(dāng)前CAD技術(shù)重要的研究領(lǐng)域之一。所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)是指參數(shù)化模型的尺寸用對(duì)應(yīng)的關(guān)系表示，而不需用確定的數(shù)值，變化一個(gè)參數(shù)值，將自動(dòng)改變所有與它相關(guān)的尺寸，也就是采用參數(shù)化模型，通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改和控制幾何形狀，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)以其強(qiáng)有力的草圖設(shè)計(jì)、尺寸驅(qū)動(dòng)修改圖形功能，成為初始設(shè)計(jì)、產(chǎn)品建模及修改系列設(shè)計(jì)、多方案比較和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的有效手段。

目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有很多成熟的三維設(shè)計(jì)軟件。這些軟件最大的特點(diǎn)是易學(xué)易用、功能強(qiáng)大、鏈接兼容性好，最顯著的優(yōu)點(diǎn)在于基于特征的完全參數(shù)化設(shè)計(jì)方式保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性和高效性，直觀反映出產(chǎn)品的真實(shí)幾何形狀、代碼，以實(shí)現(xiàn)無(wú)圖紙加工。與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)相比，三維參數(shù)化設(shè)計(jì)更符合人們的思維習(xí)慣且可視化程度高，它已成為今后機(jī)械設(shè)計(jì)的主流方向。

三維參數(shù)化設(shè)計(jì)已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用于簡(jiǎn)單零部件系列的設(shè)計(jì)，本文將探討參數(shù)化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析

1.1工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)

工程機(jī)械產(chǎn)品，不同于機(jī)床和輕工設(shè)備中的零件，結(jié)構(gòu)型式較為簡(jiǎn)單固定而易于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。工程機(jī)械，諸如礦山機(jī)械、港口機(jī)械設(shè)備等通常含有大量復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)件，而類似這樣的鋼結(jié)構(gòu)件相比之下較難實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。

工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程大致可分為兩個(gè)階段：方案設(shè)計(jì)及詳圖設(shè)計(jì)。在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶對(duì)產(chǎn)品的功能要求，確定整機(jī)的主要性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、主要機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案、結(jié)構(gòu)件的所需幾何尺寸，繪出總體方案圖，提出方案設(shè)計(jì)說(shuō)明書，經(jīng)方案審查完后，確定選擇的方案。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，須進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，以確定各零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從而繪出全部裝配圖及零件生產(chǎn)圖紙，整理出設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書及材料需求清單、標(biāo)準(zhǔn)件清單、機(jī)電產(chǎn)品目錄等技術(shù)文檔。圖1-1表示了工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。

圖1-1  工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

1.2實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及方案的分析、計(jì)算、評(píng)估等工作起著相當(dāng)重要的份量和作用。方案設(shè)計(jì)的效率直接影響著整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)程。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)--CAD（Computer Aided Design）手段不斷發(fā)展和日趨成熟的今天，選擇合適的設(shè)計(jì)軟件來(lái)處理方案設(shè)計(jì)中的有限元分析、動(dòng)力學(xué)分析、三維模擬、動(dòng)力學(xué)仿真、數(shù)值優(yōu)化等復(fù)雜問(wèn)題，已經(jīng)成為可能并且非常有必要。

對(duì)于工程機(jī)械產(chǎn)品中，類似復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)件，一般地說(shuō)，它是零部件的組合設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)件有限元分析是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性分析。最基本的分析是進(jìn)行線性應(yīng)力分析；對(duì)于有些結(jié)構(gòu)件，例如吊臂與塔架，還要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，研究結(jié)構(gòu)件失穩(wěn)（屈曲）的條件。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，整體分析是工程師面臨的最直接、最重要的問(wèn)題。基于整體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，利用三維設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化，采用子結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)策略，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的剖分與結(jié)構(gòu)件分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的變換與組裝，最終完成整體結(jié)構(gòu)分析。通過(guò)建立三維參數(shù)化實(shí)體模型，并通過(guò)修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同方案的比較、數(shù)值優(yōu)化等，最終找到最佳設(shè)計(jì)?；谶@個(gè)思想，本文將展開說(shuō)明復(fù)雜工程機(jī)械產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

2.Inventor三維設(shè)計(jì)軟件

如前言中所述，目前已有很多優(yōu)秀的三維CAD軟件，諸如：UG、PRO/E、CATIA、Autodesk Inventor、Solidworks及國(guó)產(chǎn)的CAXA軟件。UG、PRO/E、CATIA主要用于多曲線多曲面等較為復(fù)雜的汽車、飛機(jī)、模具行業(yè)。Inventor、Solidworks相比易學(xué)易用，其中Inventor是Autodesk公司解決三維機(jī)械設(shè)計(jì)的拳頭產(chǎn)品，憑借其業(yè)界領(lǐng)先的DWG兼容性和大型裝配性能，Inventor可將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)從二維轉(zhuǎn)換到三維，因此歷年的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可得到有效的利用，進(jìn)而可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間。

鑒于上述原因，本文下述部分將提出一個(gè)工程設(shè)計(jì)實(shí)例，借用Inventor軟件平臺(tái)，重點(diǎn)論述三維參數(shù)化設(shè)計(jì)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

該例子取自福建華電儲(chǔ)運(yùn)有限公司SR4000/3000.45型斗輪堆取料機(jī)項(xiàng)目。斗輪堆取料機(jī)是電廠，港口，礦山等領(lǐng)域常用的連續(xù)高效率的散料輸送設(shè)備，如圖3-1所示。該設(shè)備能夠通過(guò)斗輪將堆場(chǎng)的散料（常見(jiàn)如煤、礦石等）挖取，通過(guò)皮帶機(jī)輸送至設(shè)置在回轉(zhuǎn)中心的中心料斗，通過(guò)中心料斗輸送至系統(tǒng)皮帶機(jī)再運(yùn)走；相對(duì)的，系統(tǒng)皮帶機(jī)的料流通過(guò)尾車皮帶機(jī)將物料送至懸臂皮帶機(jī)，懸臂皮帶機(jī)可將物料送至料場(chǎng)，完成堆料作業(yè)。

圖3-1 SR4000/3000.45型斗輪堆取料機(jī)

例子中的斗輪堆取料機(jī)屬于整體液壓俯仰式機(jī)型，即整個(gè)上部鋼結(jié)構(gòu)和配重通過(guò)液壓油缸伸縮實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作，以滿足不同高度料堆的堆取工作。整個(gè)上部俯仰結(jié)構(gòu)是通過(guò)兩個(gè)俯仰主鉸點(diǎn)和兩個(gè)油缸動(dòng)鉸點(diǎn)支承的，油缸鉸點(diǎn)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作。從圖中可以看出，斗輪機(jī)構(gòu)、懸臂膠帶機(jī)、懸臂架、配重架、拉桿、附屬結(jié)構(gòu)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(gè)設(shè)備中受力復(fù)雜，需要合理設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確計(jì)算。

圖3-2是塔架的最終優(yōu)化后的模型圖，該塔架的結(jié)構(gòu)型式是在參考和借鑒大量國(guó)內(nèi)外不同機(jī)型設(shè)備之后確定的。由于型式做了很大變動(dòng)，以及考慮國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)制造工藝質(zhì)量的區(qū)別等因素，在最終確定使用該結(jié)構(gòu)型式之前，需要通過(guò)有限元計(jì)算，合理更改梁高，板厚等參數(shù)，并經(jīng)過(guò)再次計(jì)算驗(yàn)證。Inventor設(shè)計(jì)軟件提供了從建模，計(jì)算，參數(shù)更改，再驗(yàn)算等完整功能。

圖3-2 圖3-3

3.1建立參數(shù)化模型

在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，最重要的工作之一是如何將復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為參數(shù)化的計(jì)算模型。

由于工程機(jī)械產(chǎn)品（如圖3-2塔架）的鋼結(jié)構(gòu)件，包含大量形狀各異的板件、型材等。為了避免生成大額數(shù)量的零件以及免去復(fù)雜的零件裝配工作，通常根據(jù)需要將部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一個(gè)多特征疊加的實(shí)體模型--一個(gè)零件，通過(guò)定義用戶參數(shù)和尺寸約束確定板材厚度、外形、位置等。

要建立參數(shù)化模型，最好先建立坐標(biāo)系和找出關(guān)鍵點(diǎn)--節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的位置將決定模型的主體形狀，繼而影響結(jié)構(gòu)件的承載能力。圖3-3從模型中抽取出來(lái)的節(jié)點(diǎn)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(shè)置參數(shù)和更新模型的時(shí)間，而且Excel表內(nèi)可以設(shè)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(shù)表?yè)碛邢嗤膮?shù)名和不同的參數(shù)值，相當(dāng)于設(shè)置了不同的方案，只要激活需要的工作表，就可以生成相應(yīng)的方案。在零件造型、分析設(shè)置或后處理過(guò)程中，可以隨時(shí)定義和編輯參數(shù)。得出方案之后，如果更改了與載荷或約束關(guān)聯(lián)的參數(shù)，系統(tǒng)將啟用“更新”命令，即可以運(yùn)行得到新的方案。

要得到參數(shù)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(shù)，必要的時(shí)候甚至可以引用參數(shù)方程式。其目的是盡可能減少參數(shù)的數(shù)量以及保證模型特征能夠與參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

圖3-4  Excel參數(shù)表

3.2有限元分析和數(shù)值優(yōu)化……

Inventor中的應(yīng)力分析，為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程提供了一個(gè)便捷實(shí)用的工具。設(shè)計(jì)者可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中隨時(shí)對(duì)零件進(jìn)行靜力學(xué)基本分析和動(dòng)力學(xué)的模態(tài)分析。Inventor具備ANSYS為內(nèi)核的分析模塊，又提供了很好的人機(jī)交互界面，因此非常實(shí)用。通過(guò)固定約束，施加載荷，設(shè)置應(yīng)力分析環(huán)境等工作，就能得到分析結(jié)果。根據(jù)結(jié)果變更重要參數(shù)值就能得到最佳設(shè)計(jì)。

對(duì)于該文章中的塔架模型，我們僅以變動(dòng)E和E的位置參數(shù)為例，通過(guò)多次更改和分析，得到了優(yōu)化后的設(shè)計(jì)。如圖3-5所示。

圖 3-5 應(yīng)力分析和參數(shù)優(yōu)化

3.3生成工程圖

工程機(jī)械中的鋼結(jié)構(gòu)件在目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)CAM制造，因此在絕大多數(shù)情況下還需要出工程圖。Inventor三維設(shè)計(jì)軟件具有從三維模型到二維工程圖的直接轉(zhuǎn)換的功能。而且生成的工程圖與三維模型尺寸關(guān)聯(lián)，當(dāng)三維模型參數(shù)變更之后，工程圖也能自動(dòng)得到更新。

4.結(jié)論

本文以Inventor三維設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)，解決了一個(gè)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)例?？梢钥闯?，工程機(jī)械中復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)件可以通過(guò)建立三維實(shí)體模型、設(shè)置Excel特征參數(shù)表格建立三維參數(shù)模型，根據(jù)有限元分析結(jié)果，調(diào)整和變更參數(shù)，將完成方案修改設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算、方案評(píng)估、設(shè)計(jì)優(yōu)化直至最終完成工程圖設(shè)計(jì)等一系列環(huán)節(jié)。參數(shù)化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用將極大的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，是工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)切實(shí)可行并富有成效的一種設(shè)計(jì)方法。（e-works）