（机械制造及其自动化专业论文）基于ug的剪切模具cad及其动态仿真系统.pdf

兰州理1 人葶倾卜学位沦文 摘要 摘要 本课题是在三维l 攻计软件u n i g r a p h i c s ( u g ) n x l 0 平台上，开发山剪切模具专心的c a d 系统。首先，利a n s y s 软 ， ：对模具的主要零部件进行优化设计和强度校核，并且将a n s y s 的优化后的数据，利川a c c e s s 生成数据库，再利_ l u g o p e na p i 、v c ”6 0 等i ：具开发 精密剪切模具的c a d 系统，包括零部件的3 d 程序化建模、虚拟装配、模具运动机构仿真， 在稗序化建模的基础上利用o d b ca p i 将a c c e s s 数据库与u g o p e na p i 有机地结合起 米。对精密剪切模具进行运动仿真，真实的模拟了模具的实际运动状态。通过本课题的i ：作， 突破了传统的建模方式，井且将c a d 与c a e 有机地结合起米，使模架的设计更为合理， 使整个系统更加完善：通过模拟运动情况，验证了精密剪切模具结构殴计的合理性。 本课题的研究是从| = 科实际出发，在现有的条什f 完成精密剪切设备的c a d 及其动态 仿真系统，本文的主要内窬如f ： 、简述了模贝c a d 的国内外现状及发展趋势，对所选州的u g 平台进行了简述，并 且提山了实现本课题的技术途径： 二、计算山了剪切棒料所需加的力，应川a n s y s 对模架的天键部仆进行了优化设计和 强度校核，确定了整个模架的结构尺寸： 三、详细介削了利川a c c e s s 建立模架数据库的过程，以及u g o p e n a p i 通过o d b e a p i 如数据库的接口技术； 四、简单介皇h 了u g o p e na p i ，井利川u g o p a na p i 开发l ：具，结合一个实例详细 地介纠了在u g 中开发剪切模具c a d 过程中添加主菜单、生成对话框，通过u g o p a n a p i 羽o d b c a p i 科序化的生成二二维蚓形等功能： 五、介纠了利_ l i ju g 实现剪切模具的虚拟装配过稃以及在装配过程中如何进行装配干 涉检卉、生成爆炸l 堇i 等； 人、在装配好的儿何模型基础上。利u g m o t i o n 模块建立运动仿真模型。对精密剪 切模具进行机构运动学、动力学仿真，生成l 乜影文仆并且导山了运动线削。真实地模拟了棒 料的剪切过j ! f ，验证了精密剪切结构的合理性。 七、晟后对全文进行总结。 关键 司：精密剪切模贝捌序化建模虚拟装配运动仿真u g o p e na p i a n s y s a c c e s s 数据库 o d b ca p iv c8 0 苣型些! ：叁兰堡! ：堂些丝兰塑茎 a b s t r a c t t h i sp a p e re x p l a i nh o wt ou t i l i z eu g o p e na p i 、v ce t cd e v e l o p i n ga n da c h i e v i n gs p e c i a l s y s t e mo f a c c u r a t es h e a rm o u l do nt h et h r e e d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd e s i g ns o f t w a r eu g i n c l u d i n g3 dp r o g r a m m i n gm o d e l i n g ，v i r t u a la s s e m b l y ，m o v e m e n ts i m u l a t i o no ft h es h e a rm o u l d a n du s i n ga n s y st oo p t i m i z ec o n s t r u c t i o no ft h ei m p o r t a n tp a r t s ，i nt h es a m et i m e ，a c c e s s i n g o p t i m i z ed a t ai nt h ea c c e s sd a t a b a s e o nt h eb a s i so fp r o g r a m m i n gm o d e l i n g , u t i l i z i n go d b c a p it oc o n n e c tt h ed a t a b a s ew i t hu g o p e na p i a n di te x p l a i n sh o wt od r i v ea c c u r a t es h e a r m o u l d sp a r t st od oe x e r c i s e so r g a n i z a t i o ns i m u l a t i o n t h o o g ha l lo fw o r k s ，i tb r e a k st h r o u g h t r a d i t i o n a lm o d e l i n gm e t h o d sa n dc o n n e c t sc a dw i t hc a e t h e s em a k et h ed e s i g no ft h es y s t e m m o r ep e r f e c ta n dm o r er a t i o n a l p a s s i n gs i m u l a t i o n ，p r o v et h er a t i o n a l i t yo ft h ea c c u r a t es h e a r m o u l ds t r u c t u r ed e s i g n c o n t e n tf o l l o w s ： 1 d i s c u s s i n gd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fm o u l dc a df i e l da n de x p l a i n i n gt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lc u r r e n ts i t u a t i o n ，a n dp u t t i n gf o r w a r dt h er e q u e s to ft h es u b j e c t ； 2 a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l ea n ds p o r tm e c h a n i s mo fa c c u r a t es h e a rm o u l d ，a n ds e t t i n gu pt h e g e o m e t r ym o d e lo ft h ea c c u r a t es h e a rm o u l d ，e x p l a i n i n gh o wu s i n ga n s y s t oo p t i m i z ea n dv e r i f y t h ei m p o r t a n tp a r t so ft h em o u l d 3 d e t a i l e di n t r o d u c et h ep r o c e s so fb u i l d i n gm o u l ds h e l lb yu s i n ga c c e s s ，a n dt h ei n t e r f a c e k e y w o r dt e c h n o l o g yb e t w e e nu g | o p e na p ia n dd a t a b a s et h r o u g ho d b ca p i ； 4 i n t r o d u c i n gu ga n du g ，o p e na p is i m p l y ；u t i l i z i n gu g o p e na p it oa c h i e v et h e m o d e l i n go ft h ea c c u r a t es h e a rm o u l d ，a n du t i l i z i n go n ee x a m p l et oe x p l a i nt h ep r o g r a m m i n g m o d e l i n g3 - dp r o c e s s ； 5 i n t r o d u c eh o wt oa c h i e v es h e a rm o u l d sv i r t u a la s s e m b l yb yu ga n dh o wt oc a r r yt h r o u g h a s s e m b l yi n t e r f e r e n c ei n s p e c t ，c r e a t ee x p l o d e dv i e we e t ； 6 n eg e o m e t r ym o d e la sf o u n d a t i o ns e tu pt h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h es p o r ti nu gs c e n a r i o ； t ot h ew h o l ea c c u r a t es h e a rm o u l d ，m o v em o u l dp a r tm a k em e c h a n i c a ls p o r ta n a l y s i s h a v e p r o v e dt h a tt h e r a t i o n a ld e s i g no ft h ea c c u r a t es h e a re q u i p m e n t ss t r u c t u r e ，a n dl a yt h es o l i d f o u n d a t i o nf o r i h ef u r t h e rp e r f e c t i o no ft h ee q u i p m e n t 7 s u m m a r i z et h ef u l lt e x tf i n a l l y k e y w o r d ：a c c u r a t es h e a rm o u l dp r o g r a m m i n gm o d e l i n gv i r t u a l a s s e m b l y m o v e m e n te m u l a t i o n a c c e s sd a t a b a s e u g ，0 p e na p i o d b c a p i a n s y s v c + + 兰州理r 人：警坝+ 学位论文第常绪论 第一章绪论 c a d 技术是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机 在工程中最有影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分。近年来， 以微机平台，w i n d o w s 操作系统以及i n t e m e t 网络技术为特征的新一代企业信息 化体系f 在深刻影响和指导c a d 技术的应用发展，c a d 理论研究与软件丌发闩 新月异。目前，以三维实体造型为基础的c a d 在我国方兴未艾，国际著名的 c a d 软件商纷纷登陆中国市场，国内许多大学、科研院所也着力于各种c a d 平 台的二次丌发以及自主知识产权的c a d 软件开发，各种三维c a d 软件如雨后 春笋般的不断出现。高端的三维软件如：c a t i a 、u g 、p r o e n g i n e e r 等；中端的 如：s o l i d w o r k s 、s o l i d a g e 、c i m a t r o n 等；低端的二维软件如：a u t o c a d 等等。 u n i g r a p h i e s ( 简称u g ) 是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的 。蝴m c a e 高端软件之一。作为一个集成的全面产品工程解决方案，u g 软 件家族使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。u g 软件被当今世界许 多领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和 数字化制造等各个领域。目前，在我国的广东、上海等发达地区使用较普遍、尤 其是在模具制造业也成为首选软件产品。u gn x l 0 功能极为强大，可以完成从 产品的概念设计、工程图的生成、运动分析、有限元分析、装配分析、结构分析、 产品渲染到生成数控加工代码的整个设计、分析、制造、装配的全过程，可以实 现真f 意义上的无图纸制造，因此，使用也较复杂，对设计人员的要求较高，设 计速度较慢，这在一定程度上影响了它的广泛使用。 本章简要介绍了模具c a d 技术的国内外发展现状，模具c a d 技术的组成及 发展趋势，本课题拟采用的软件平台，u g 软件简介，本课题的来源，实现的功 能以及实现这些功能所需的技术途径。 1 1 模具c a d 技术发展概述 i 1 1 国外模具c a d 技术的发展 国外模具c a d 技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代。进入7 0 年代，随着曲面造 型与实体造型技术的迅速发展，出现了面向中小企业的新一代的模具c a d 软件， 这些模具c a d 软件都是实体造型与曲厦造型兼备的系统，能够适用于复杂的冷冲 压模具与塑料注射模具的设计。8 0 年代以来，随着曲面造型与实体造型技术的 不断完善以及在航空、汽车、家用电器等行业迅速发展的推动下，模具c a d 技术不断发展提高，目前西方工业国家成形的模具c a d 系统非常多，例如：同本 富士通公司开发的级进模集成c a d 系统，可用于弯曲零件级迸模设计，该系统包 括产品输入、工业分析、模具类型选择、多种排样、凹模和凸模形状设计、绘图 等模块组成，采用自动设计和交互式设计相结合的方法，所需的设计周期相对手 工设计周期缩短了4 0 左右。 目前，国外的模具c a d 技术正向着基于并行模式发展。应用软件结构、产品 数据管理、面向对象的开发技术、产品建模和智能设计以及质量检测等手段，使 兰f h 理i ：大学颧i ：学位论文第一帝绪论 并行化模具c a d 技术有了长足的进步。 1 1 2 国内模具c a d 技术的发展 我国的模具c a d 技术起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代术，但是在我国一大批科 技人员的努力下，发展非常迅速。结合我国的实际情况，开发出了一些具有我国 自主知识产权的模具c a d 系统，并在生产中取得了一定的经济效益。到目酊为止， 先后通过国家有关部门鉴定的有：精冲模、辊锻模、锤模和注塑模等c a d c a m 系统， 如华中理工大学模具国家重点实验室推出的h s c 3 0 软件系统已经完成商品化工 作，并在企业中推广使用，能大大地提高模具的设计效率，应用前景广阔。上海 交通大学模具c a d 国家工程研究中心丌发的冷冲模和精冲模c a i 软件，北京机电研 究所丌发的锻模c a d c a e c a m 软件，吉林汽车覆盖件成型技术所独立研制的商品 化覆盖件冲压成形分析k m a s 软件等等。同时为了加快模具c a d 技术的丌发与应用 出现大企业与知名院校强强联合的现象，例如海尔模具有限公司和上海交通大学 模具c a d 国家研究中心联合成立了跨地区、集基础研究和应用研究为一体的产学 研机构：“海尔集团一一上海交大o p 联合研究室”并率先在国内模具领域开展了注 塑模具k b e ( k n o w l d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) 设计系统的研究。 1 2 模具c a d 技术的组成及功能 c a d 系统一般出一系列的硬件和软件组成。硬件主要是指计算机及各种配套 设备，如各种档次的计算机、打印机、绘图机等，广义上讲，硬件还应包括用于 数控加工的各种机械设备等。软件一般包括系统软件、支撑软件和应用软件。图 i - i 为c a d 系统组成简图。 幽1 1c a d 系统的构成 比较完善的c a d 系统，应该能够基本完成从产品设计到制造全过程的各项工作， 一般来说，c a d c & m 系统应具有以下主要功能： ( 1 ) 交互图形输入及输出功能用于基本的产品结构设计等任务。 ( 2 ) 几何建模功能包括实体建模、线框建模及自由曲面建模等，它是c a d 系统几何 处理的核心，提供有关产品设计的各种数掘，是后续作业处理的基础。 ( 3 ) 物性计算及工程分析功能根据几何建模的基本参数，对产品进行工程分析和 数值计算，其中最常用的是有限元分析和优化处理功能。 ( 4 ) 处理数控加工信息的功能用于自动编程、加工动态仿真及多坐标数控加工控 第一审绪论 制等。 ( 5 ) 数据管理功能用于处理产品设计过程中的全部信息，实现工程数据信息的共 享。 1 3 模具c a d 技术的发展趋势 c a d c a m 技术发展的主要趋势是集成化、智能化、并行化、网络化和标准化。 具体说束主要表现在以一f j l 个方向上： ( 1 ) 计算机集成制造( c i m ) c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) 是c a d 集成技术发展的必然趋势。 c i m 的最终目标是以企业为对象，借助于计算机和信息技术，使生产中各部分从 经营决策、产品开发、生产准备到生产实旌及销售过程的有关入、技术、经营管 理三要素及其形成的信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，从而达到产品 上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，使企业赢得市场竞争的目的。c m s 是一种基于c i m 哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统。它 适用于多品种、小批量市场需求，可有效的缩短生产周期，强化人、生产和经营 管理联系，减少在制品，压缩流动资会，提高企业的整体效益。所以，c i m s 是未 来工厂自动化的发展方向。然而由于c i m s 是投资大，建设周期长的项目，因此不 能一揽子求全，因从总体上规划、分步实施。分步实施的第一部就是c a d c a m 集 成的实现。 ( 2 ) 智能化c a d c a m 系统 机械设计是项创造性活动，在这一活动中，很多工作是非数据、非算法的。 所以，随着c a d c a m 技术的发展，除了集成化之外，将人工智能技术、专家系统 应用于系统之中，形成智能c a d c a m 系统使其具有人类专家的经验知识，具有 学习、推理、联想和判断功能及智能化的视觉、听觉、语言能力，从而解决那些 以i j i 必须由人类专家才能解决的概念设计问题。这是一个具有巨大潜力的发展方 向，它可以在更高的创造性思维活动层次上，给与设计人员有效的辅助。另外， 智能设计和集成化两者之间存在密切关系。为了能自动生成制造过程所需的信 息，必须理解设计师的意图和构思。从这个意义上讲，为实现系统集成，智能化 是不可缺少的研究方向。 ( 3 ) 并行工程 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 是随着c a d c a m ，c i m s 技术发展提出的一。种 新哲理、新的系统工程方法。这种方法的思路，就是并行的、集成的设计产品及 其开发的过程。它要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所 有要求，包括质量、成本、进度、用户要求等，以便最大限度的提高产品丌发效 率及一次成功率。 ( 4 ) 分布式网络化 自g o 年代以来，计算机网络已成为计算机发展进入新时代的标志。所谓计算 机网络，就是用通信线路和通信设备将分散在不同地点的多台计算机，按一定网 络拓扑结构连接起来。这些功能使独立的计算机按照网络协议进行通信，实现资 源共享。由于c a d 技术同趋成熟，可应用于越来越大的项目。这类项目往往不是 一个人，而是多个人。多个企业在多台计算机上协同完成，所以分布式计算机系 统非常适用于c a d 的作业方式，同时，随着i n t e r n e t 的快速发展，可针对某一特 定产品，将分散在不同地区的现有智力资源和生产设备资源迅速组合，建立动态 兰州理r 人掌坝f 学位论史 第一常绪论 联盟的制造体系，以适应全球化制造的发展趋势。 ( 5 ) 反求技术( 逆向工程) 常规的模具及产品设计通常以产品的已有设计信息为依据，这些设计信息通 过工程图或一些模型来表达，然后制定出加工工艺规程，最终通过工装央具和 设备制造出产品。但在许多情况下，一些产品并非来自设计概念，而是起源于另 外一些产品和实物，要在只有产品原形和实物模型，而没有产品图样的情况下进 行模具设计和制造以便制造出产品。此时需要通过实物的测量，然后利用测量数 据进行实物的c a d 几何模型的重新构造，浚过程即为反求工程r e ( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 。一旦建立了c a d 模型后，就可依据这种数字化的几何模型用于后 续的许多操作，如实物c a d 模型的修改、零件的重新设计、有限元分析、误差分 析、数控( n c ) 加： 指令生成以及模具的设计和制造等。 ( 6 ) 快速成型技术 快速成型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ) 基于层制造原理，迅 速制造出产品原型，而与零件的几何复杂程度无关，尤其在具有复杂曲面形状的 产品制造中更能显示其优越性。它不仅能迅速制造出原型供设计评估、装配校验、 功能实验，而且还可以通过形状复制，快速、经济地制造出产品模型 如制造电 极用于e d m ( e l e c t r o n i cd is c h a r g em a c h i n i n g ) 加工、作为模芯消失铸造出模具 等 从而避免传统模具制造的费时和消耗成本的n c 加工，因此r p m 技术在模具制造 中发挥着重要作用。 1 4 软件开发平台的选择及u g 软件简介 i 4 1 软件开发平台的选择 在现有的许多微机版的c a d 软件如：p r o e ，u g ，s o l i d w o r k s 等软件中， 相比之下，u g 软件在曲面造型功能和生成数控代码方面有着其它几个软件所没 有的优势，而且u g 软件在模具制造业中有着更大的用户群，它提供的二次丌发 工具齐全，几乎可以实现用户所需实现的所有功能。因此，课题拟采用u g 软件 作为开发平台。 1 4 2u g 软件简介 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 软件是美国u g s 公司的五大主要产品( u g s 、 p a r a s o l i d 、i m a n 、s o l i de d g e 、p r o d u c tv i s i o n ) 之一，u g s 软件起源于美国麦道 飞机公司，并于1 9 9 1 年并入美国通用汽车公司e d s ( 电子资讯系统有限公司) ， 因此，该软件汇集了美国航空工业及汽车工业的专业经验。 u g s 是一个高度集成的c a d c a m c a e 软件系统，可应用于整个产品的丌 发过程，包括产品的建模、分析和加工。 该软件不仅具有强实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能， 而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟等， 提高了产品设计的可靠性。同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于 4 兰州理i 人学坝i j 学位论史第一章绪论 产品的加工，其后处理程序能够支持多种类型的数控机床。另外它所提供的二次 丌发语言。u g o p e ng r i p ，u g o p e na p i 简单易学，函数的功能较齐全，便于用 户丌发专用的c a d 系统。具体来说： 该软件具有以_ f 特点： 1 ) 有统一的数据库，真f 实现了c a d c a e c a m 等各模块之间的无数据交 换的自 = b 切换，有利于并行工程的实施。 2 ) 采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建 模与参数化建模融为一体。 3 ) 用基于特征( 如孔、凸台、型腔、槽沟、倒角等) 建模和编辑方法作为 造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。 4 ) 曲面设计采用非均匀有理b 样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲面， 特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂睦面造型。 5 ) 出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接地生成二维工程图。能 按i s o 标准和国际标注尺寸、形位公差和汉字说明等，并能直接对实体 做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的 实用性。 6 ) 以p a r a s o l i d 为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。目前著名 c a d c a e c a m 软件均以此作为实体造型内核。 7 ) 提供了界面良好的二次开发工具g r i p ( g r a p h i c a li n t e r a c t i v e p r o g r a m m i n g ) 和u f u n c ( u s e rf u n c t i o n ) ，并能通过高级语言接口，使 u g s 的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。 8 ) 具有良好有用户界面。 2 u g 功能模块 功能强大的u g 软件是由大量的功能模块所组成的，主要有： 1 ) u g a i ：l ( u g g a t e w a y ) 。 2 ) c a d 模块。 u g 实体建模( u g s o l i dm o d e l i n g ) ； u g ，特征建模( u g f e a t u r e sm o d e l i n g ) ； u g 自由特征建模( u g f r e e d o mm o d e l i n g ) ： u g 用户自定义特征( u o ，u s e r - d e f i n e df e a t u r e s ) ； u g 工程制图( u g d r a f t i n g ) ； u g 装配建模( u g a s s e m b l ym o d e l i n g ) u g 高级装配( u g a d v a n c e da s s e m b l i e s ) ： u g , 虚拟现实( u g r e a l i t y ) 、漫游( u g f l y t h r o u g h ) ； u g 工业造型设计( u g s t u d i of o rd e s i g n ) ； ( 西u g ，w 心，e 。 3 ) c a m 模块。 u g c a m 基础( u g c a mb a s e ) ； u g 后置处理( u g p o s tp r o c e s s i n g ) ； u g 车加工( u g l a t h e ) ； u g 型芯和型腔铣削( u g c o r e c a v i t ym i l l i n g ) ： u g 固定轴铣削( u g f i x e d - a x i sm i l l i n g ) ； u g 清根切削( u g f l o wc u t ) ： u g 可变轴铣削( u g v a r i a b l e - a x i sm i l l i n g ) ； 兰州蛙i ：人学f l ! i li j 学位论文 u g 顺序铣削( u g s e q u e n t i a lm i l l i n g ) ； 钔c a e 模块。 u g 有限元分析( u g s c e n a r i of o rs t r u c t u r e ) ： u g 机构学( u g s c e n a r i of o rm o t i o n ) ； u g 注塑模分析( u g m fp a r ta d v i s e r ) ； 5 ) 钣会模块( s h e e tm e t a l ) 。 u g 钣会件设计( u g s h e e tm e t a ld e s i g n ) ： u g 钣盒制造( u g s h e e tm e t a lf a b r i c a t i o n ) ； u g 钣金件排样( u g s h e e tm e t a ln e s t i n g ) ； u g 高级钣会设计( u g a d v a n c e ds h e e tm e t a ld e s i g n ) ； u g 钣金冲模：i ：程( u g s h e e tm e t a ld i ee n g i n e e r i n g ) 。 6 ) 管道、布线与其他模块。 走线模块； u g 电气布线( u g h a r n e s s ) 。 3 u g 的二次丌发模块 u g 中不仅包含强大的一体化c a d o 垣c a m 功能，还提供了一整套用于 u g s 二次丌发的软件工具包u g o p e nk i t ，如表一所示。它们提供了从界面制作 到程序编写的全套工具。利用这些二：次丌发工具可以实现在u g s 环境下手工操 作的儿乎所有的功能。 表1 1 ：u g ：次开发r 具表 软件工具说明 u g o p e ng r i pu g o p e n 图形交互程序 u g o p e na p iu g o p e n 应用程序接口 u g o p e n + +u g o p e n 面向对象应用程序接口 u g o p e nu is t y l e ru g o p e n 用户界面设计师 u g o p e nm e n us c r i p tu g o p e n 菜单脚本 1 5 课题的来源与主要研究内容 1 5 1 课题来源、目的及意义 本课题是甘肃省自然科学基金资助项目。 本课题针对国内的轴承、汽拖、冶会等行业的机械生产加工中，需要大量的 剪切棒料，而在坯件下料的环节上，一直存在着毛坯的质量不高、生产率低下等 弊端。而在很多发达国家，快速下料时，工件能一次成型。所以，发展精密剪切 技术在我国是刻不容缓的。虽然，模具c a d c a e 技术在我国已有开发研究，但应 用不太理想：且对于剪切模具c a d 软件开发及仿真系统的研究尚属空白。所以， 本课题旨在建立剪切模具的c a d 系统和实现剪切模具动态仿真研究。建立剪切模 具专用的c a d 和动态仿真系统将大大提高模具的开发效率，同时通过对模具关键 部件的有限元计算，提高了剪切模具的可靠性，优化了机构设计，大大地节约了 材料，并缩短了模具的开发周期，推动了剪切技术地广泛应用。 本课题的目的在于对精密剪切设备完成虚拟样机，这其中包括c a d 部分：剪 6 兰州f 埋r 大学坝 学位论文第茕绪论 切模具的实体模型程序化造型、零部件的二维工程图及模具的虚拟装配。c a e 部 分：剪切模具的机构运动仿真及其重要零部件的有限元分析。 1 5 2 本课题的现有基础及要做的主要工作 本课题主要针对巾5 一巾4 0 的捧料进行剪切模具的c a d 及动念仿真系统的 丌发，主要以开发软件为主，系统采用模块化形式。如果对巾5 一巾4 0 的棒料使 用同一副模架，势必要按照巾4 0 的棒料进行模架的设计，这样对于剪切小直径 的棒料肯定是浪费且不合理。因此，我们把中5 一中4 0 的棒料分成四个系列，第 一系列为巾5 一由l o ，第二系列为巾l o 一巾2 0 ，第三系列为巾2 0 一巾3 0 ，第四系列 为巾3 0 一书4 0 。在我所做本课题之前，我师兄张文峰同学已经作了一定的工作， 他完成了第四系列即由3 0 一由4 0 棒料的模架设计及仿真，接下来我要做的工作 是完成其它三个系列的模架设计及仿真。 1 5 3 完成本课题拟采用的技术手段 u g o p e na p i 是u g 软件中的个重要模块，是u g 的二次丌发工具之一。 作为u g 与外部程序之间的接口，u g o p e na p i 是一系列函数的集合。通过 u g o p e na p i 的编程，用户几乎能够实现所有的u g 功能，丌发者可以通用c 语言编程调用这些函数，从而达到实现用户化的需要。剪切模具c a d 软件的用 户界面采月! | 了u g o p e na p i 中的m e n u s c r i p e 丌发。弹出式对话框采用u g o p e n a p i 中的u s t y l e r 丌发。通过o d b ca p i 调用a c c e s s 中的数据来程序化地生成 剪切模具的三维图形。 v c u g s c e n a r i of o rm o t i o nu g a s s e m b l v l 茎il 2 剪切模具c a d 及其动态仿真系统过穰幽 针对上图，说明如下： 1 ) 利用v c “6 0 、u g 0 p e nu i s t y l e r 、u g o p e n m e n u s c r i p t 和u g o p e na p i 对软件界面进行开发，生成剪切模具主菜单和相应的对话框；同时运 兰讣i 理_ r 大学硕f ：学位论立：第章绪论 用a n s y s 进行模具重要零件的有限元分析，实现重要零件的优化设计， 对优化设计后的尺寸，存储到a c c e s s 数据库中，形成剪切模具零件尺 寸的数据库。 2 ) 以v c ”6 o 和w i n d o w sa p i 为平台，调用o d b ca p i 实现与零件尺寸数 据库的连接，在程序中读取数据库中有关零件的尺寸参数，而后通过 调用u g o p e na p i 函数绘制零件的三维造型体。建立以数据类型为基 础的w i n 3 2d l i ( 即w i n 3 2 动态链接库) 用以u c m o d e li n g 模块调用， 实现零件的三维造型。 3 ) 在v c 平台下，调用u g o p e na p i 函数生成w i n 3 2d l l 供u g d r a f t i n g 调用，实现零件二：维工程图的绘制工作。 4 ) 在v c 平台下，调用u g o p e na p i 函数生成w i n 3 2d l l 载入u g a s s e m b l y 模块，实现模具部件及其整体装配。 5 ) 在模具部件及其整体装配完成的基础上，运用u g s c e n a r i 0f o rm o t i o i l 模块实现模具的剪切运动仿真。 6 ) 实现了以被剪切棒料直径为控制参数，调用a n s y s 生成数据库中的数 据，程序化地生成剪切模具的三维、二维及装配图。 1 7 本章小结： 本章简要介绍了模具c a d 技术的国内外发展现状，模具c a d 技术的组成及 发展趋势，本课题拟采用的软件平台，u g 软件简介，本课题的来源，实现的功 能以及实现这些功能所需的技术途径。i h o l 8 兰州理1 i 人掌坝i j 学位论j c = 笫一学利用a n s y s 对摸柴结构优化吐汁年n 强度投坎 第二章：利用a n s y s 对模架结构优化设计和强度校核 2 1 有限单元法、优化设计概述及利用a n s y s 软件优化设计过 程 为了对模架结构进行有效的设计，先根据材料力学原理确定在剪切棒料中所 需施加的剪切力，再利用有限元分析软件a n s y s 对模架的几个主要部件进行必要 时的强度校核和优化设计。 2 1 1 有限单元法概述 有限单元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值 解法。在机械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模 型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应( 包括响应 位移和响应应力) 。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一 等优点，所以在短短5 0 多年间已广泛应用于机械、宇航、航空、汽车、船舶、土 木、核工程及海洋工程等许多领域，已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。 特别是随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档计算机和 计算机工作站的逐步普及，现在已有许多著名的有限元程序( 如a n s y s 、a n d i a 、 n a s t r a n 、s a p 等) 可用。从而为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造 了更为良好的条件，并将展示出更为广阔的工程应用环境。 有限元法的基本思路是： 把很复杂的结构拆分为若干个性状简单的单元，这些单元一般要小到可以 用简单的数学模型来描述特性参数在其中的分布，这一步骤称为离散。 通过单元的研究来建立个特性参数之间的关系方程，这过程称为单元分 析。在弹性力学中，单元分析的任务是：建立联系应变与节点位移分量的方程， 联系应力与节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力与节点位移之间的联 系，以及把作用在单元中间的外载荷转化为节点载荷。 在单元分析基础上，利用平衡条件和连续条件，将各个单元拼装成整体结 构。对整体在确定的边界条件下进行分析，从而得到整体的参数关系方程组，即 矩阵方程。这一过程称为整体分析。 解这样的矩阵方程，即可得到各种参数在整体结构中的分布。 有限元分析流程如图2 - 1 所示： 2 1 2 优化设计概述 结构优化设计是一种寻找确定结构最优设计方案的技术。最优设计方案指方 案在满足所有设计要求的条件下所需的支出( 如重量、面积、体积、应力、费用 等) 最小。 理论上，设计方案的任何方面都是可以优化的，如尺寸( 如厚度) 、支撑位置、 第一二带利用a n s y s 对摸架结 ；= 优化吐汁和强艘校恢 制造费用、结构自振频率等。所有可参数化的a n s y s 都可以做优化设计。 i ：稗问题 u 1 收集相天资料 2 决定分析项目 3 获取材料的机械特性及儿 何条1 ，i ：、外力、边界条什 i 建立有限元模玳 材料性质、儿何形状的定义、单元类州的选取 u i 加边界条r l ：加负荷条什加时间变化情况 j 分析与求解 ! j 结果显示、打印 l 结果分析、研制 j 提出改进方案 问题解决或得到最佳设计 幽2 1 有限元分析流程幽 优化设计的基本原理是通过构建优化模型，运用各种优化方法，通过在满足 设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优化设计方案。优化 问题的数学模型可表示为： m i n f ( x ) = f ( x l ，x 2 ，x n ) 1 0 辩一蒂剜用a n s y s 对摸架蚺构优化波；f 私 强艟筱缓 g i ( x ) = 昏( x 1 x 2 ，) 4 0 ( i 2l ，2 ，m ) h ( x ) = h ，( x ，x “，x 。) = 0 ( j = l ，2 ，p ) x = ( x ，x _ ! 一，x 。) f f x ) 为f ：；| 掂函数。是改计娈域的函数，州米评价设计方室的优劣，优化问题即为求目标函数 的极值，约求条什g ( x ) 、h j ( x ) 称为状态变封，只有符合状态变鼙要求的殴计才是合理的| 殳 计。x 是由设计中需优选的改计参数纽成的向封，每一个向鲑代表一个设计方案殴计l 川埘 的集台为硬计空问称需优选的没计参数为设计变甜。 2 1 3 基于a n s y s 进行优化设计的过程 优化设计的主要步骤呵以表述如f ： l 、初始化设计变量参数。 这一步用束给结构的几何参数( 长度、面积、角度等) 、结构所受的荷载( 集 中力、均布力等) 、分析所需用到的物理量( 杨氏弹性模量、泊松比、密度等) 赋值。设计变量的初值在设计计算的丌始会用到，在优化循环过程中会被改变。 2 构建参数化有限元模型 优化殴计构建有限元的过程无外乎选择单元类型、定义实常数、定义材料属 性、生成有限元等。但要注意的是必须采用参数化建模，即给设计变量赋值时必 须有用参数代替具体的取值。 3 定义荷载并求解。 这。步主要在求解中定义分析类型及分析选项、施加载荷、指定载荷步、完 成有限元计算等。 4 提取状念变量数值 这一步的操作用柬提取计算结果并赋值给相应的参数，通常在通用后处理器 中完成。在整个优化设计过程中这一步是非常关键的，它也是优化设计所有操作 中最为核心的内容。提取数据的操作主要通过* g e t 命令( u t i t y m o n u p a r a m e t e r s g e ts c a l a rd a t e ) 实现。 5 进入优化：l = 具箱，指定分析文件。 分析文件用来进行优化循环迭代。 6 声明优化变量。 声明优化变量就是指定哪些参数是设计变量，i 哪些参数是状态变量，哪个参 数是目标函数。a n s y s 工具箱允许定义下不超过6 0 个变量和不超过1 0 0 个状念 变量，但只允许定义一个目标函数。 7 选择优化工其或优化方法。 优化方法是使目标函数在控制条件下达到最小值的计算方法。a n s y s 中可以 采用的优化方法包括零阶方法( 直接法) 、一阶方法( 间接法) 两种。一阶方法 求解需要花费较长计算时间，般采用零阶方法就可以解决大部分问题而且耗时 较少。 8 指定优化循环控制方式。 每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数，例如最大迭代次数等。 9 进行优化分析。 在设置好优化变量和求解方法及循环控制方式后，就可以进行优化分析。 l o 查看设计序列结果。 优化循环结束以后，查看设计序列是最基本的优化设计后处理手段。 ： - 24 一 | 删r 人学坝l 学旺论文 笫一常利用a n