（机械工程专业论文）面向数控机床有限元分析的cadcae集成技术研究.pdfVIP

摘要 在机床整机及其主要结构件的有限元分析过程中，分析信息的重复输入及非 智力操作占用了大量时间。随着c a d 、c a e 系统在机床设计领域的广泛应用， 将c a d 、c a e 系统信息集成，实现机床有限元分析的自动化、智能化成为工程 师的普遍要求。本文结合机床有限元分析的过程及特点，以实现机床快速高效的 有限元分析为目标，系统研究了c a d c a e 集成、分析特征建模、机床快速有限 元分析系统等关键技术问题，取得如下研究成果： ( 1 ) 提出了基于分析特征的c a d c a e 集成方法。该方法以分析特征作为信 息载体，通过分析特征建模、分析特征与a p d l 映射实现c a d 、c a e 系统之间 的信息传输。 ( 2 ) 在对机床典型结合部等效建模方法研究的基础上，结合机床有限元分析 过程所需信息，构建了分析特征面向对象模型，并创建了交互式分析特征定义知 识库。 ( 3 ) 深入研究了应用a p d l 实现机床在a n s y s 中自动化分析的方法，建立 了分析特征与a p d l 的映射关系，并创建了分析特征与a p d l 映射知识库。 ( 4 ) 以s o l i d w o r k s 为二次开发平台，采用v b n e t 开发工具开发出机床快 速有限元分析系统。系统界面友好、操作方便，已在机床的有限元分析中得到成 功应用，显著提高了机床分析的效率。 关键词：c a d c a e 集成分析特征a p d l 机床有限元分析结合部建模 a b s t r a c t d u r i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) p r o c e s so fm a c h i n et o o la n di t sm a i n s t r u c t u r a l c o m p o n e n t s ，a n a l y s i s i n f o r m a t i o n r e e n t e r i n g a n d n o n i n t e l l i g e n c e o p e r a t i o n st a k eal o to ft i m e w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fc a d c a ei nt h ef i e l do f m a c h i n et o o ld e s i g n ，t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no fc a d c a eb e c o m e st h eu n i v e r s a l r e q u i r e m e n to fe n g i n e e r s ，w h i c hc a na c h i e v et h ea u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n tf e ao f m a c h i n et 0 0 1 b a s eo nt h ef e ap r o c e s sa n di t sc h a r a c t e r i s t i c ，s o m ek e yt e c h n o l o g y p r o b l e m sa r er e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gc a d c a ei n t e g r a t i o n ，a n a l y s i sf e a t u r em o d e l i n g a n dt h es o f t w a r es y s t e mf o rr a p i df e ao fm a c h i n et o o l ，i no r d e rt or e a l i z er a p i da n d e f f i c i e n tf e ao fm a c h i n et 0 0 1 t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a na n a l y s i sf e a t u r e - b a s e dc a d c a ea p p r o a c hi sp r o p o s e d t h i sa p p r o a c h u s e sa n a l y s i sf e a t u r ea si n f o r m a t i o nc a r r i e r s ，w h i c hi m p l e m e n t st h ec a d c a e i n t e g r a t i o nb ya n a l y s i sf e a t u r em o d e l i n i ga n dm a p p i n gb e t w e e na n a l y s i sf e a t u r ea n d a p dl ( 2 ) ao b j e c t o r i e n t e dm o d e lo fa n a l y s i sf e a t u r ea n di t sd e f m a t i o nk n o w l e d g e b a s ea r ee s t a b l i s h e d ，w h i c ha r eb a s e do nt h er e s e a r c ho fe q u i v a l e n tm o d e l i n ga p p r o a c h o fm a c h i n et o o lj o i n t sa n dr e l a t e di n f o r m a t i o ni nt h ef e a p r o c e s so fm a c h i n et 0 0 1 ( 3 ) am a p p i n gr a l a t i o n s h i pb e t w e e na n a l y s i sf e a t u r ea n da p d li se s t a b l i s h e d ， w h i c hi sb a s e do nt h er e s e a r c ho fu s i n ga p d lt or e a l i z et h ea u t o m a t i cf e ao f m a c h i n et o o l i na n s y ss y s t e m i na d d i t i o n ，am a p p i n gk n o w l e d g eb a s er e l a t e di s a l s oc r e a t e d ( 4 ) o nt h ec a dp l a t f o r mo fs o l i d w o r k s ，w i t hv b n e ta sd e v e l o p m e n tt o o l s ， t h es o f t w a r es y s t e mf o rr a p i df e ao fm a c h i n et o o lh a sb e e nd e v e l o p e d t h i ss y s t e m i so p e r a t i o nc o n v e n i e n tb e c a u s eo fi t sf r i e n d l yi n t e r f a c e ，a n dh a sb e e ns u c c e s s f u l l y a p p l i e df o rf e ao fm a c h i n et o o l ，w h i c hs i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h ef e ae f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c a d c a e i n t e g r a t i o n ，a n a l y s i sf e a t u r e ，a p d l ，f e ao fm a c h i n e t o o l ，j o i n t sm o d e l i n g 第一章绪论 第一章绪论 数控机床作为现代工业必不可少的加工设备，其设计和制造水平深刻地影响 着现代工业的发展。过去很多年，机床结构的设计主要沿用传统的结构强度设计 方法，如采用理论力学、材料力学等公式进行机床静态强度和刚度的计算，但对 机床结构与其动态性能的关系不能准确把握。在此情况下，设计者通常只能对机 床加以较大的安全系数，从而导致机床结构尺寸和重量加大，其动态性能也没有 得到提高。 随着c a d c a e 技术在机床设计领域的广泛应用，数控机床的设计和制造水 平有了很大提高，逐步具备了高速、i 亩效、高精度、高可靠性、多功能及柔性化 的特点。利用c a d 系统卓越的几何造型功能和c a e 系统优良的分析计算功能， 可以加速机床产品开发，缩短设计制造周期，提高产品质量，节约成本，提高企 业市场竞争能力和创新能力。但是c a d 、c a e 系统的应用仍然是孤立的，二者 的通信主要是基于几何层，信息的交换仍然离不开大量繁琐的人工处理过程，很 难实现设计到分析再到设计的集成化与并行化【l 】。因此c a d c a e 集成技术成为 近年来学者们研究的热点。 1 1c a d c a e 集成技术 1 1 1c a d c a e 集成的目的 c a d 、c a e 技术随着在产品设计中的广泛应用得到了不断地发展和完善， 市场上也涌现了大量的系统软件，如商用c a d 软件s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g ， 商用c a e 软件a n s y s 、n a s t r a n 等。在c a d 软件中可以快速实现产品的三维实 体建模，由于采用了基于特征的几何造型技术，产品三维模型中不仅存储了其几 何拓扑信息，而且还包括设计者意图、产品几何属性等高层语义信息。在c a e 软件中可以完成产品性能的快速仿真分析，实现在图样设计阶段对产品性能的预 估，提高产品设计的可靠性。 在大多数情况下，产品设计遵循设计一分析一再设计一再分析的循环流程， 即在c a d 系统中完成产品三维结构设计，再将产品模型导入到c a e 系统中分析， 如果分析结果符合要求，吡0 完成设计，否则需对产品模型进行重新设计和分析。 在产品分析过程中需要大量繁琐耗时的前处理，如三维模型简化、降维，材料、 第章绪论 载荷、边界约束的定义等，如果分析结果不符合要求，这一过程还将重复。以上 c a d 、c a e 系统的通信只是基于几何层面，对于存储于c a d 模型及其特征中的 材料、载荷等非儿何语义信息则全部丢失。如果能在c a d 与c a e 系统之间实现 非几何信息的传输，则可以实现信息的重复使用，从而大大降低设计者的工作强 度，使其将更多的时间和精力用于产品创新设计。 如图1 一l 所示，c a d c a e 集成的目的是提供一种能够实现c a d 系统与c a e 系统之间双向通信的数据平台和接口，达到系统之间资源和信息的共享，避免不 必要的重复和冗余。 一一一一一一一一一一一一一 c a d 系统 一一一一一一一一一一一一一、 c a e 系统 图1 1c a d c a e 集成的目的 1 1 2c a d c a e 集成技术研究现状 为了实现c a d 、c a e 系统的双向通信，更好地发挥c a d 系统卓越的儿何 造型功能和c a e 系统优良的分析计算功能，国内外许多学者对c a d c a e 集成 技术进行了深入的研究，并开发了各式各样的c a d c a e 集成系统。 1 ) 基于数据转换标准的研究 c a d 模型与c a e 模型转换的主要依据足数据转换标准，南昌人学的谢世坤 口j 从研究c a d c a e 的集成出发，对几何模型的基本图形交换方法进行了总结， 女基本图形交换规范i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i t i o n ) ，产品数据交换标 准s t e p ( s t a n df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 等，并分析了通过以上标准 第一章绪论 进行模型转换的不足，提出采用有限元模型转换代替儿何模型转换的方法，其基 本思想是将c a e 系统有限元建模的功能前移到c a d 系统，首先在c a d 系统完 成产品模型的网格划分、边界约束及载荷定义，然后通过程序接口模块读取并记 录节点和单元信息，最后在c a e 系统中重构有限元模型，实现了有限元模型转 换的“零失真”。+ 加拿大西安大略大学( t h eu n i v e r s i t yo fw e s t e r no n t a r i o ) 的s a n g o l e p a r c h a n a 3 】在其学位论文中对s t e p 标准做了人量研究，认为该标准的中性格式 使其独立于各类型的c a d 、c a e 系统，是各系统之问实现产品数据共享的基础， 并指出应用s t e p 标准实现c a d 、c a e 、c a m 产品数据交换的成功率是 9 5 - 9 8 。 哈尔滨工程大学的李佩霖 4 】分析了应用s t e p 标准进行模型转换的优势，并 依据s t e p 标准的主要内容，详细阐述了s t e p 标准中性文件的结构、格式、实 体问拓扑关系以及几何模型的表达方式，在此基础上开发了标准c a d 数据转换 器，实现了c a d c a e 的弱耦合集成。 2 ) 基于通用数据模型的研究 l e es u n g h u n 5 】提出了基于特征的非流行建模技术来实现c a d c a e 集成的 方法。该技术综合运用了特征技术、非流行拓扑建模、多分辨率实体建模等技术， 通过构建能向c a d 实体模型和c a e 非流行模型转化的产品主模型，实现了c a d 系统与c a e 系统的双向通信，有效地解决了c a d c a e 系统的双向集成问题。 针对c a d 模型在导入c a e 系统后特征语义信息丢失的问题，g u j a r a t h i 6 提 出采用参数化建模的方法，通过构建独立于商用c a d 、c a e 软件系统之外的通 用数据模型( c d m ) 实现c a d c a e 集成。该数据模型集合了c a d 模型的几何参 数、非几何参数( 材料、边界约束等) 、中间设计参数等数据信息，并通过开发与 c a d 、c a e 系统连接的数据接口实现数据传输。 戴磊 7 】分析了现有c a d c a e 集成系统的缺点和不足，认为现有c a d c a e 系统的数据通信大多依赖于外输数据的传递，各系统模型之间的继承并未受到重 视。结合c a d 系统参数化特征几何造型技术，开发了基于c a d 系统的参数化 结构形状优化设计平台p o s h a p e ，并利用该平台将有限元建模与参数化几何建 模集成在一起，实现了模型统一、数据共享的c a d c a e 协同设计与分析的工作 环境。 3 ) 基于特征技术的研究 在工程分析及产品结构优化过程中，工程师需要对每次结构优化后的产品 c a d 模型工程信息重新输入，这一过程繁琐耗时，针对该问题n i z a ra i f a o u i 峭1 第一章绪论 提出了分析特征的概念。采用非几何特征建模技术，将分析特征定义为涵盖了分 析过程中需要的所有工程信息的参数化类，并设计和规定了每种分析特征对应类 的参数，工程师可以重复调用这些模块化类来实现工程信息的自动化输入。 侯晓林p m 哿特征造型技术引入到工程分析中，对材料、载荷、边界约束等非 几何信息进行了特征建模，并将其应用于产品装配体的设计中。首先将产品装配 模型中的零件层次关系、装配约束关系、设计参数等信息通过传递、继承、人工 输入等方式存储于工程分析特征中，然后调用基于工程分析特征的a g e n t 完成分 析计算，最后将分析结果反馈到工程分析特征，实现产品设计的更新与优化。 针对注塑模设计中c a d 、c a e 信息传输的缺陷，石峰 1 0 1 对基于特征和知识 的产品建模技术、基于特征和知识的分析建模技术进行了深入的研究，提出了基 于以上两种技术的c a d i c a e 集成方法，该集成方法的核心思想是运用特征作为 c a d 、c a e 信息传输的桥梁。 虞春【l l 】对面向有限元分析的c a d c a e 集成技术进行了研究，指出非流行几 何造型技术是实现造型与分析集成的首要条件，并论述了非几何特征的建模原理 和实现方法，提出了“虚几何”的概念及其在非几何建模过程中的作用和表示方 式。 1 2 特征技术 1 2 1 特征的定义和分类 特征作为构成产品特征模型的基本单元，其最初定义为产品几何形状方面的 描述。特征造型技术是在线框造型、曲面造型和实体造型技术的基础上发展起来 的。特征的功能是工程环境中能运用几何和功能信息进行产品零件制造的关键要 素，是集成环境中高层语义信息的载体和基本传输单元【】引。由于设计、制造以及 分析领域对特征技术的应用和理解角度的不同，目前尚无统一的特征定义。 在工艺规划领域，工件特征定义为在工件的表面、边或角上形成的特定几何 构型，用于对工件功能及其形状的表达；在设计分析领域，特征定义为工程语义 信息的载体，按照其表达信息的不同被分为形状特征、精度特征、技术特征、材 料特征、装配特征及分析特征等类别。总之，特征是产龉信息的集合，它不仅具 有按照一定拓扑关系组成的特定形状，而且可以反映特定的工程语义信息，适宜 在产品设计、分析和制造时使用。 第章绪论 1 2 2 特征建模方法 依据产品信息的彳i 同表达目的j 基于特征的建模方法主要有两种：( 1 ) 基于 几何特征的建模方法；( 2 ) 基于非儿何特征的建模方法。 1 ) 基于几何特征的建模方法 常用的实体几何模型表示方法包括两种：( 1 ) 边界表示法( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n ，b r e p ) ：( 2 ) 体素构造法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，c s g ) 。 边界表示法的基本思想是一个实体可以通过其面的集合来表示，每一个面又 可以用边来描述，边通过点组成，点通过坐标来定义。边界表示法强调实体外表 的细节，详细记录了实体的所有几何信息和拓扑信息，将实体分为面、边、点三 个层次，并建立了层与层之问的关系。 体素构造法是一种通过布尔运算将简单体素拼合成复杂实体的方法。该方法 对物体的描述与体素的创建顺序有关，其实体模型存储了自身的创建过程。 当今市场上流行的c a d 建模软件多是基于以上两种方法构建的，如 s o l i d w o r k s 、p r o e 等：在这些建模软件中，用于实体几何模型表达的点、边、 面和体素被定义为实体特征，进而构建以点、线、面、实体命名的实体特征类库， 通过调用实体特征类库中的特征类来创建具体的特征对象，完成产品实体几何建 模。由于在实体几何建模中应用的特征类是参数化的，因此实体几何模型尺寸参 数、拓扑结构等信息全部存储在了模型几何特征中，此时的特征扮演了模型几何 信息载体的角色。 2 1 基于非几何特征的建模方法 非几何特征建模主要指与工艺规划、工程分析相关的精度、材料、边界约束、 密度、单元类型等非几何信息通过特征来表述的过程。在c a d 系统中，非几何 信息依附的对象主要是几何模型，即点、线、面、体，通常以特征属性的方式存 储于模型中。而在c a e 系统中，非几何信息的依附的对象是离散的网格模型， 即节点和单元。在c a e 系统中，非几何信息的建模和定义比较简单，而在c a d 系统中，非几何信息的表达则相对困难。例如用于产品有限元分析的载荷特征在 c a d 系统中定义时则必须指明载荷作用的点、线、或者面，而这些点、线、面 可能并不在实体模型上，这样就无法通过实体特征来存储。为此，上海交通大学 的虞春提出了“虚几何”的概念。 所谓虚几何1 3 1 就是指这样些几何元素( 点、线、面、体等) ，它们并不是实 体模型的组成部分，而是为了非几何信，皂、的表达需要引入的假想特征：虚几何概 第一章绪论 一一 念的引入对于非几何信息建模，特别是对于有限元分析中的边界约束、载荷信息 与几何特征之间依附关系的表达具有重要作用。 1 2 3 特征映射 由于不同领域对信息需求和表达方式上的差异，在各领域信息通信过程中， 其特征层之间必然存在着某种映射( 函数) 关系。特征映射主要研究特征信息从一 个领域到另一个领域的转换方法【1 4 。因此，可利用特征的信息载体作用，通过建 立不f 司领域之间特征层的映射关系来实现各领域的信息集成。许多学者对此也做 了大量研究，并取得了定的成果。 在制造系统信息集成的研究中，高健 15 】把零件设计域内的特征定义为原象特 征，把零件制造域内的特征定义为象特征，并分别对原象特征与象特征进行了分 类和数学描述，为特征映射函数的构造和特征映射原理的研究奠定了基础。 针对c a d c a p p 数据与功能集成的需要，田建平【l6 】采用特征库中的标准特 征与自定义特征完成零件设计，并通过建立特征映射规则将设计模型重构为工艺 模型，最后依据工艺知识库建立加工特征与工艺、工序的关联关系，实现了零件 加工工艺文件的自动生成。 1 3 机床结合部特性研究 1 3 1 机床结合部特性国内外研究现状 机床的动静力学特性直接决定机床加工稳定性，已成为衡量数控机床优劣 的重要参数。建立精确的机床结构动静力学模型是进行机床动态特性研究的前 提。在机床的机械结构中，螺栓连接、导轨连接、丝杠连接、轴承连接等结合部 的存在对机床整体动态特性有很大影响。许多研究【1 7 。1 8 】表明：机床的静刚度 3 0 5 0 取决于结合部的刚度特性，机床上出现的振动问题6 0 以上源自结合 部；机床的阻尼9 0 以上源自结合部。 在机床有限元分析中，结合部特性参数的确定是一个难点，主要原因是结合 部具有强烈的非线性特性，这种非线性特性与结合部表面粗糙度、加工方向、结 合部尺寸、介质等因素有关，纯粹依靠试验方法确定的结合部特性参数往往依赖 于特定的试验条件和对象，缺乏通用性，很难实现图样设计阶段机床特性的预测： 在机床整机结合部建模方面，目前多立足于有限元方法，但有限元法只提供加入 结合部特性参数的连接学元，结合部特性参数仍需要外部输入。冈此，结合部特 性的理论解析、参数的试验辨识是目前该领域研究的重点。 第章绪论 一一一 自2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代，欧洲、美国和日本的学者1 9 - 2 2 1 就通过少量单 元样什的结合部试验，对一些典型结合部静态特性进行了较为系统的试验研究， 如螺栓连接结合部、机床滑动导轨结合部以及滚动轴承的静态刚度等。进入8 0 年代，以黄玉美2 3 。2 q 为代表的中国学者，以伊东谊嘲为代表的日本学者对典型结 合部进行了大量的试验研究，并从理论上建立了结合部的动静力学模型，对典 型结合部进行了系统的解析。研究内容主要包括机床滑动导轨结合部接触刚度及 其影响因素、机床导轨结合部优化设计方法、获取结合部切向阻尼参数的方法等。 截至目前，国内许多高校对机床结合部都进行了大量各具特色的研究，其目的都 是为了准确识别结合部动静特性参数，从而建立准确的机床结合部模型，实现 机床的动态优化设计，提高机床加工精度。 西安理工大学的黄玉美、张广鹏 2 8 - 3 1 1 教授对机床结合部动静特性进行了多 年的研究，取得了一定的成果。通过对不同类型结合部的理论解析及试验研究， 积累了大量的试验数据，并总结出一定结合条件下结合部静态刚度、动态刚度及 阻尼的计算公式，提出了结合部基础特性的概念，将结合面特性影响因素中的工 况因素与结构因素分开考虑，为解决不同形状结合部特性参数分析计算方法通用 性差的问题提供了一定的思路。 华中科技大学在毛宽民3 2 - 3 4 教授的带领下，在对多种型号的数控机床进行调 研后，提出了机床固定结合部的性质仅与相邻螺栓特性有关的假设，并依据此假 设，将机床的固定结合部分为“线形式”结合部单元与“阵列式”结合部单元， 并对机床固定结合部的主要影响因素进行了分析与归类，建立了机床固定结合部 参数化模型数据库，开发了机床快速动力学建模系统，该系统能够完成整机的有 限元建模，实现了理论模型与试验模型的结合，提高了机床整机有限元建模的精 度。 西安交通大学的尤晋闽3 5 】采用分型接触理论建立了结合部法向动特性理论 模型，研究了结合部法向压力、表面粗糙度、材料性能等因素对其刚度和阻尼的 影响规律，指出结合部的实际接触面积远小于理论计算时所用面积，增加结合部 表面压力、降低粗糙度将大幅增加结合部接触刚度，但对阻尼的作用却不明显。 昆明理工大学的王立华3 6 1 采用有限元仿真分析和模态试验方法，识别了某铣 床关键结合面的特性参数，并在此基础上研究了结合面特性参数对铣床动态性能 的影响，对不考虑结合面参数、考虑结合面参数、模态试验三种情况下整机的低 阶固有频率进行了对比分析。研究结果表明：由于结合面的存在，整机低阶固有 频率大大降低，其振型也主要表现为局部结构件的振动。 此外，天津大学陟3 8 1 、北京工业大学 3 9 - 4 0 、武汉大学【4 1 】、东南大学【4 h 3 1 、i i 国石油大学【删等高校分别采取理论解析、试验研究或二者结合的方法对结合面特 第一章绪论 性进行深入的研究，取得了不错的成果。 1 3 2 机床结合部特性研究评述 建立精确的机床结合部模型就需要对机床结合部特性参数进行识别，以上对 机床结合部特性的研究可归结为三种方法：理论分析法、试验测试法、理论与试 验相结合的方法。 1 ) 理论分析法 理论分析法是在结合部结合状态( 表面压强、粗糙度、介质等) 已知的条件下， 通过理论分析与计算得出结合部的特性参数。目前结合部特性参数的理论计算主 要采用单位面积法，日本学者吉村允孝提出著名理论：表面接触压力相同的条件 下，单位面积结合部特性参数相同。在此理论的支持下，只需获取特定条件下单 位面积结合部的特性参数，即结合部的基础特性参数，然后通过积分的方式就可 获取整个结合部的特性参数。 以上所述的单位面积法只适用于特定的条件，由于目前对结合部作用机理的 研究尚未成熟，因此仅仅依靠理论分析还很难准确计算出结合部的特性参数。 2 ) 试验测试法 试验测试法主要通过模态试验辨识、频响函数辨识等方法完成对机床结合部 特性参数的识别。由丁- 机床结合部特性参数的影响因素较多，加上人为操作误差 的影响，试验测试的结果也并非完全精确。机床结合部特性参数的试验测试往往 涉及机床结构件的拆卸与安装，对于高精度机床并不适用，因此该方法也有很大 局限性。 3 1 理论与试验结合法 理论与试验相结合法综合了以上两种方法的优缺点，其特点是通过理论解析 建立机床结合部模型，提出所需的结合部特性参数，然后通过试验来获取，从而 建立精确度较高的机床结合部动静力学模型。 1 4 课题研究的提出及主要研究内容 1 4 1 课题研究的背景及意义 近年来，随着计算机技术、信息技术、自动控制技术以及新材料、新工艺的 发展，数控机床在加工精度、可靠性等方面的性能有了很大提高，已广泛应用于 第一章绪论 航空航天、汽车、船舶等工业领域。目前，我国数控机床的设计和制造水平与国 外相比仍有很大差距，高档数控机床9 5 依赖国外进口，因此，对国产数控机床 进行优化设计，提高其加工性能是十分必要的。 在机床设计过程中，整机及其主要结构件的有限元分析是一个繁琐耗时的过 程，其原因是多方面的，如机床模型的简化，机床结合部的等效建模，优化过程 中材料、边界约束、单元信息的反复输入，重复性的网格划分等。这些非智力的 反复处理操作占用了机床有限元分析的大部分时间，增加了设计人员的劳动强 度，大大延长了机床设计周期。 本文在对c a d c a e 集成技术、非几何特征建模技术、特征映射技术深入研 究的基础上，结合机床有限元分析的过程及特点，提出基于分析特征的c a d c a e 集成方法，建立分析特征面向对象模型、交互式分析特征定义知识库、分析特征 与a p d l 映射知识库，并完成机床快速有限元分析系统的开发。该软件系统将繁 琐复杂的有限元分析前处理操作交由计算机智能化、自动化完成，减轻设计人员 的劳动强度，提高机床分析的效率。 1 4 2 主要研究内容及结构体系 本文结合机床有限元分析的内容、过程及其特点，对基于分析特征的 c a d c a e 集成技术进行了研究，图1 - 2 所示为论文的体系结构，主要内容包括： 冈1 - 2 论文的体系结构 第一章绪论 ( 1 ) 综述国内外c a d c a e 集成技术、特征技术、机床结合部特性的研究现 状，针对当前数控机床设计及分析中的繁琐耗时问题，提出本文研究的目的和意 义。 ( 2 ) 对数控机床的有限元分析过程进行研究，针对机床有限元建模的复杂 性、分析过程中工程信息的反复输入等问题，提出以分析特征作为信启、载体来完 成工程信息在c a d 、c a e 系统之间的传输，提高信息的重用性，从而实现机床 分析过程的智能化、自动化，最后给出基于分析特征的c a d c a e 集成方案。 ( 3 ) 总结和归纳基于单位面秋法的机床结合部解析及等效方法，在此基础上 构建分析特征面向对象模型；研究分析特征与几何特征的关联关系，建立交互式 分析特征定义知识库。 ( 4 ) 研究应用a p d l 实现机床在a n s y s 中自动化分析的方法，建立分析特 征与a p d l 的映射知识库，主要包括分析特征参数提取方法、分析特征与a p d l 的映射关系，详细阐述a p d l 命令流文件的自动生成流程。 ( 5 ) 在以上理论、方法和关键技术的支持下，开发机床快速有限元分析系统 软件，详细介绍系统开发环境、开发工具及功能模块，并结合具体实例说明软件 的使用流程与方法。 第二章基于分析特征的c a d c a e 集成方法及其关键技术 第二章基于分析特征的c a d c a e 集成方法及其关键技术 建立精确的有限元模型是机床有限元分析的前提，而机床整机有限元建模涉 及大量非几何信息的输入和结合部特性的等效处理，所需信息多数需要工程师的 人工测量和输入来完成c a d 、c a e 系统之问的通信，这一过程费时耗力。本章 在对机床有限元分析过程研究的基础上，利用分析特征信息载体的作用，提出了 基于分析特征的c a d c a e 集成方法，实现了机床分析所需信息从c a d 系统向 c a e 系统的自动传输。 2 1 机床有限元分析的过程 机床的有限元分析通常在c a e 软件a n s y s 中进行，其过程主要可分为有 限元建模、求解分析、结果处理三个阶段，也即通常所说的前处理、求解和后处 理三个部分。 2 1 1 有限元建模 图2 1机床有限元建模过程 1 1 第二章基于分析特征的c a d c a e 集成方法及其关键技术 如图2 - 1 所示，机床有限元建模过程主要包括模型简化、模型导入、单元类 型选择和材料属性定义、结合部建模、网格划分五个阶段。 1 ) 模型简化 在研究机床整机及其主要承载件的动静态特性时，应去掉分析模型中对分 析结果无影响的细节特征，如零件上的小孔、开口，尺寸较小的凸台和凹槽等， 它们对机床动静态特性的影响较小，若存建模时不做简化，将会引起网格划分 的复杂性，耗费人量的计算时间。模型简化规则如下： ( 1 ) 略去功能件和非承载件，如机床防护板、伺服电机、非承载支架等： ( 2 ) 对截面形状作适当的简化，对于一些结构上的孔、台阶、凹槽在截面形 状等效的基础上尽量简化，对截面特性影响不大的特征予以忽略： ( 3 ) 对于距离较近且作用基本相同的构件合成为一个构件处理。 2 ) 模型导入 c a e 软件中几何模型的来源有两种方式：( 1 ) 利用c a e 软件的几何造型功能， 手工完成产品几何模型的创建；( 2 ) 在c a d 系统中将简化后的几何模型保存为中 性文件格式，然后通过数据接e l 导入c a e 系统。前一种方式只适用于简单模型 的构建，机床结构复杂，在c a e 系统中建立机床模型十分困难，通常选择第二 种方式将机床模型导入c a e 系统中。 3 ) 单元类型选择和材料属性定义 单元是构成机床有限元模型的基本元素，单元类型的选择直接影响着模型有 限元网格的划分质量。机床拓扑结构复杂，通常选用实体单元完成其模型的网格 划分，如四面体单元或六面体单元。此外，对于机床结合部的建模，通常选用弹 簧阻尼单元来模拟。 机床主要承载件的材料通常为灰铸铁，如h t 2 0 0 或h t 3 0 0 ，因此在机床整 机或主要承载件材料属性定义时通常只需定义一种材料的属性即可。此外，在对 机床进行静力分析、模态分析以及谐响应分析时需定义材料的密度、泊松比、弹 性模量等，并在整机模态分析与谐响应分析时忽略主要承载件本身的非线性特 性，只考虑各承载件结合部特性的影响。 4 ) 结合部建模 机床整机的动静力学分析需要建立准确的有限元模型，而建立准确的结合 部等效模型是进行整机动静力学分析的关键：机床整机存在着诸如导轨结合部、 螺栓连接结合部、滚珠丝杠结合部、滚动轴承结合部等各式各样的结合部，结合 第二章基于分析特征的c a d c a e 集成方法及其关键技术 部模型的准确性将直接影响分析结果的正确性，因此结合部建模是机床整机有限 元模型创建过程中最关键、同时也是最复杂最繁琐的环节。 结合部按其组成部件之间能否发生位移可分为刚性结合部和柔性结合部。由 于机床结合部组成部件之间有或大或小的相对移动，因此其结合部均为柔性结合 部。柔性结合部具有刚度和阻尼特性，因此每一个结合部都可以用弹簧阻尼元件 来模拟m j 。机床结合部平面之间实际上有无数个结合点，每一个结合点均可以用 一组无质量的弹簧阻尼元件来模拟，女1 1 图2 2 所示。在结台部建模时只能用有限 个结合点米模拟结合部的刚度阻尼特性，并将这有限个点称之为等效结合点。 7 构件i 唪喀喀 构件 、 图2 - 2 结合部模型【删 机床结合部的建模就是在结合部的两个结合面之间按照一定的规则和方法 创建一定数量的等效结合点，并将每个结合点用赋以相应刚度和阻尼参数的弹簧 阻尼单元来表示的过程。机床典型结合部的等效建模方法详见3 1 节。 5 ) 网格划分 网格划分主要有自由网格划分和映射网格划分两种。自由网格划分实体对象 时比较简单，对单元形状无限制，没有特定的准则：映射网格划分对实体对象有 特定的要求，如单元类型必须选用六面体单元，体的外形应为块状、楔形或棱柱、 四面体等。机床整机及其主要承载件的网格划分主要以自由网格划分为主，有时 根据特定的要求混合采用两种方式对模型进行网格划分。网格划分之后，机床整 机和主要承载什有限元模犁的创建就完成了： 第二章基于分析特征的c a d c a e 集成方法及其关键技术 2 1 2 求解分析 求解分析阶段主要依据分析类型完成对应的载荷和边界约束的施加，并选用 求解器完成对有限元模型的分析计算。常见的机床有限元分析的类型主要包括静 力分析、模态分析、谐响应分析。 1 ) 静力分析 静力分析指分析固定不变的载荷作用下结构的响应。忽略了惯性和阻尼的影 响，但对于固定不变的载荷( 如重力和离心力) 仍可以通过静力分析计算其对结构 的影响。机床的静力分析主要分析机床整机及其主要结构件在切削力或磨削力、 自身重力以及其它附加作用力影响下的静态变形与应力分布。通过静力分析可以 找出机床的最大变形部位和应力集中点，然后对机床结构进行改进与优化，提高 机床的静态刚度并改善其应力分布。 2 ) 模态分析 模态分析主要分析机床自身的固有频率，防止外部激振力频率与机床固有频 率相同而发生共振。机床共振将严重影响j 口- r 精度与被加工件的表面质量，还可 能造成机床结构件的屈服，影响机床使用寿命。因此进行对机床整机及其主要结 构件进行模态分析对预防机床共振具有重要意义。 3 ) 谐响应分析 谐响应分析用于分析连续的周期性载荷在结构系统中产生的持续性的周期 响应( 谐响应) ，以及确定线性结构承受随时问按照简谐规律变化的载荷时稳态响 应的一种技术。模态分析得到的各阶固有频率及振型只是表示了机床各部位的振 动情况，而对整机谐响应分析则能看出机床在动态切削力干扰下的抗振性能【4 5 1 。 2 1 3 结果处理 结果处理阶段主要通过c a e 系统的后处理器完成分析结果的查看。对于静 力分析，主要查看机床整机或其主要承载件在切削力或者磨削力、自身重力、工 件重力等载荷力作用下的最大变形量及其位置、最大应力分布区域，通过整体或 局部的结构改进提高机床的静态刚度和改善其应力分布；对于模态分析，主要查 看机床的低阶固有频率和振型，通过观察机床振型找出机床结构的薄弱环节，然 后进行相应的改进和优化：对于谐响应分析，主要查看目标位置在低阶共振频率 点处的共振幅值，找m 共振幅值最大时的频率点和振动方向，从而为机床结构优 化提供改进方向。 第二章基于分析特征的c a d c a e 集成方法及其关键技术 2 2c a d c a e 集成方法 c a d c a e 的集成主要有以c a d 为中心的集成和以c a e 为中心的集成两种 途型4 6 1 。 2 2 1 以c a d 平台为中心的集成 随着c a d 技术的成熟和市场需要，c a d 软件的功能开始向c a e 领域拓展 延伸，当前主流的c a d 系统或多或少都具备了c a e 分析的功能。这恰恰为 c a d c a e 集成提供了一种技术方向，即将传统的c a e 前处理的内容“移交” 给c a d 系统，由其完成几何建模、载荷施加、边界约束、网格划分等有限元前 处理工作，c a e 系统只执行求解器的功能。如图2 3 所示，该方法的核心思想是 通过构建用于存储c a d 模型和c a e 前处理信息的数据库，实现c a d 模型与 c a e 模型在c a d 系统内的双向通信和同步更新。依据该方法的集成思路，其需 要研究的内容包括： ( 1 ) 可用于c a e 分析的c a d 建模规范； ( 2 1 能够与c a e 系统通信的求解器计算文件生成方法。 一一一一一一一一一一、 !c a d 系统 一_ 一一一一一一一 !c a e 系统 图2 - 3以c a d 平台为中心的集成 2 2 2 以c a e 平台为中心的集成 由于多数的c a d 模型在导入c a e 系统后不能直接用于有限元分析，需要进 行模型简化和降维处理，而这些工作只能通过于工来完成。为了克服前处理模块 的弊端和不足，c a e 系统也进行，不断的改进和突破。通过开发c a d 模型的双 第二章基于分析特征的c a d c a e 集成方法及其关键技术 向驱动技术，实现c a d 儿何建模功能转移到c a e 系统的目标。这一方案被称为 新一代的c a e 前处理，如a n s y s 公司的w o r k b e n c h 。 如图2 - 4 所示，其核心思想是c a e 系统的前处理模块负责c a d 模型的特征 识别和降维简化，并将与c a e 分析有关的材料、载荷、边界约束等工程信息作 为非几何特征添加到c a d 模型，依据单元类型等信息完成模型的网格划分，进 而自动生成求解器所需的计算输入文件，最后导入求解器完成分析计算。 、 c a d 系统i i c a e 系统 制 c a d 模型 h 结果处理评价 c a d j 数据 ：t 模型 i 接口 i几何特征识别 求解 i ： 十i i i 物理特性定义h 网格自适应划分 i i 图2 - 4 以c a e 平台为中心的集成 2 3 分析特征建模技术 2 3 1 分析特征的概念 分析特征是描述机械产品工程分析信息的一种信息模型 9 】。产品工程分析信 息主要包括单元类型及大小、材料属性、载荷大小及方向、载荷作用位置、边界 约束类型及位置、分析类型等工程分析过程中所需信息。 分析特征在集成环境中具有工程分析信息载体和传输单元的作用，因此多用 于c a d 、c a e 系统的集成。近年来，随着产品设计周期缩短、产品性能提高的 要求，设计师在产品工程分析过程中的压力越来越大，主要原因在于产品工程分 析过程中分析信息的处理是一项繁琐复杂的工作，因此将分析特征建模技术与产 品有限元分析过程集成起来，实现分析信息的自动提取与重复利用成为设计师的 迫切要求。通过在c a d 系统中进行分析特征建模和定义，将工程分析过程中所 需的信息存储于分析特征中，然后经过特征识别、特征映射完成分析信息从c a d 系统向c a e 系统的传输，最后由c a e 系统自动完成工程分析的过程，从而实现 分析信息的自动提取和重复利用，提高分析效率。 第二章基于分析特征的c a d c a e 集成方法及其关键技术 2 3 2 分析特征建模原理 分析特征模型的功能是完成工程分析信息的描述和实现信息在c a d 、c a e 系统之间的传输。由于c a d 模型几何特征中存储了大量工程分析所需要的坐标 和尺寸参数信息，因此分析特征建模应主要满足以下两个方面的要求： ( 1 ) 分析特征与几何特征关联关系的创建： ( 2 ) 分析特征应具有对关联几何特征参数的提取功能以及对自身的添加、编 辑和删除操作。 以边界约束特征为例，其建模原理如图2 - 5 所示。 图2 5 边界约束特征建模原理 2 4 基于a p d l 的a n s y s 自动化分析技术 2 4 1a p d l