（机械设计及理论专业论文）l型电动单梁门式起重机主梁结构参数化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 门式起重机被广泛应用于国民经济建设的各个领域，产品已经形成多个系 列，随着经济建设的发展，用户对其设计要求越来越高。因此起重运输机械的 设计方法需要不断地更新和完善，使其更注重经济性、科学性、可靠性和安全 性。在传统的起重机设计过程中，涉及到的参数众多，计算公式繁琐，人工计 算效率低、设计过程不直观、设计过程中的错误也不容易发现，设计中往往需 要多次反复修改、重复性工作多，很显然这样的设计方法已不能适应现代起重 运输机械发展的需要。同时，对功能相似或结构相近的同系列产品( 包括一些 标准件) 在该系列已有产品设计的的基础上进行系列化相似性设计也能大大提 高产品设计的效率，因此，新的设计方法的应用迫在眉睫。随着计算机技术的 发展，各类设计软件的不断涌现和升级，为起重机设计水平的提高提供了软件 支持。参数化设计技术的发展也为提高起重机设计效率提供了理论和技术支持。 利用计算机强大的运算功能，结合各种设计手段和先进的设计理念进行设计是 起重运输机械设计的发展趋势。 为此，本文以m d g 4 0 门式起重机为例，对主梁结构进行参数化设计的研究。 本文设计的l 型电动单梁门式起重机主梁结构参数化设计系统是在研究门式起 重机结构特点、设计流程、设计方法的基础上，以v i s u a lb a s i c 6 0 为开发平台， 运用有限元分析软件a n s y s 进行参数化建模和优化分析，以a c c e s s 为后台数 据库，利用v i s u a lb a s i c 6 0 语言对s o l i d w o r k s 提供的a p i 函数进行二次开发 而形成的一个系统。该系统结合设计工程师的设计经验以及门式起重机的设计 理论，充分考虑企业的实际需求，采用面向对象的系统设计方法以及模块化的 系统划分方法。 本文首先研究了系统开发的几个关键技术，建立了常用零部件模型库、工 程图库和数据库。并重点开发了l 型电动单梁门式起重机主梁结构参数化设计 系统。 本课题开发的门式起重机主梁结构参数化系统，界面友好，设计直观，模 型自动生成，能迅速发现干涉等装配问题，图纸可自动更新，减轻了设计工作 量。不仅可以提高设计效率和设计质量，而且也符合了现代设计发展的要求。 本课题研究旨在为门式起重机的研发提供一种先进、可靠、快速的设计系统。 关键词：门式起重机，主梁结构，参数化设计，a n s y s ，s o l i d w o r k s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a n t r yc r a n ei sa p p l i e di na l lf i e l d so fc o u n t r ye c o n o m yc o n s t r u c t i o nw i d e l ya n d t h ep r o d u c t sh a v em a n ys e r i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yc o n s t r u c t i o n ，t h e c u s t o m e r sd e m a n do fd e s i g nt oc r a n eb e c o m e sm o r ea n dm o r eh i g h s od e s i g na n d c a l c u l a t i o nm e t h o d so fl o a d i n ga n du n l o a d i n gm a c h i n e sn e e dt ob er e n e w e d , s u b s t a n t i a t e da n dc o n s u m m a t e dc o n s t a n t l yt om a k et h eh o i s t i n ga n dc o n v e y i n g m a c h i n e r ym o r ee c o n o m i c ，f e a s i b l e ，r e l i a b l ea n ds a f e d u r i n gt h ep r o c e s so ft h e t r a d i t i o n a lc r a n ed e s i g n ，t h ep a r a m e t e ri n v o l v e di sn u m e r o u s ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a i st e d i o u s ，t h ec a l c u l a t i o n se f f i c i e n c yi sl o w , d e s i g np r o c e s si sn o ti n t u i t i v ea n de a s i l y m a k e sm i s t a k e sf o rt h ed e s i g n e r , d e s i g no f t e nr e q u i r e sr e p e a t e dc h a n g e s ，p r o d u c e da l o to fr e p e t i t i v ew o r k o b v i o u s l yt h i sm e t h o dh a v ea l r e a d yc a n ta d a p t e dc u r r e n t l y d e m a n do ft h ep o r tm a c h i n e sd e v e l o p s m e a n w h i l e ，b e t w e e nt h es a m er a n g eo f p r o d u c t s ，t h em a i nd i f f e r e n c ei sj u s tp a r a m e t e r sa n ds u b s t r u c t u r e ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r e i ss i m i l a r i fe n g i n e e rd e s i g nd i f f e r e n tt y p eo ft h es a m et a n d e mp r o d u c t st h r o u g h s i m i l a r i t ys e r i a ld e s i g nb a s e do nt h eb a s i cd e s i g n ，p r o d u c td e s i g nw o u l db em o r e e f f i c i e n t t h e r e f o r , a p p l i c a t i o n o fn e wd e s i g nm e t h o di s n e c e s s a r y w i t h t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ee m e r g i n ga n du p g r a d e so fa l l k i n d so f d e s i g n s o f t w a r eh a v eag r e a tr o l eo nr a i s i n gt h el e v e lo fc r a n ed e s i g n t h e d e v e l o p m e n to fp a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n o l o g yp r o v i d e sat h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a l s u p p o r tt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc r a n ed e s i g n i t sat r e n dt om a k eu s eo ft h e s t r o n gf u n c t i o no fc a l c u l a t o ra n dc o m b i n i n gv a r i o u sd e s i g n i n gm e a n sa n da d v a n c e d t h e o r i e si nh o i s t i n ga n dc o n v e y i n gm a c h i n e r y sd e s i g n s ot h i sp a p e ru s i n gm d g 4 0g a n t r yc r a n ea sa ne x a m p l et om a k ed e s i g ns t u d yo f t h eg i r d e rs t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , 谢t l lt h es t u d yo fs t r u c t u r ef e a t u r e ，t h ed e s i g nf l o w a n dd e s i g nm e t h o d ，t h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo fg a n t r yc r a n ei sd e s i g n e db a s e d o nt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m - v i s u a lb a s i c6 0a n dd a t a b a s e - a c c e s s2 0 0 3 ，p a r a m e t r i c m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o na n a l y s i sb yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ， r e d e v e l o p m e n tt h ea p if u n c t i o no fs o l i d w o d r k sb yv b 6 0 t h i ss y s t e mc o m b i n et h e e n g i n e e r sd e s i g ne x p e r i e n c ea n dt h e o r yo fm e t a ls t r u c t u r ed e s i g n ，a n dc o n s i d e rt h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s e ，a d o p tt h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n dm o d u l a r l l 武汉理工大学硕士学位论文 d e s i g nt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y , s t u d yk e yt e c h n o l o g yo fs y s t e md e v e l o p m e n t s e c o n d l y , b u i l dt h ep a r t sm o d e l ，e n g i n e e r i n gd r a w i n g sa n dd a t a b a s e t h el a s t ，d e v e l o p e dt h e p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo ft h el t y p es i n g l e b e a me l e c t r i cg a n t r yc r a n e sg i r d e r s t r u c t u r e i nt h i st h e s i s ，t h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo ft h el - t y p es i n g l e b e a me l e c t r i c g a n t r yc r a n e sg i r d e rs t r u c t u r ei sd e v e l o p e dw i t haf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ew h i c hi s e a s yt ou s ea n du n d e r s t a n d t h em o d e li ns y s t e mi sb u i l ta u t o m a t i c a l l yw i t h i n t e r f e r e n c e c h e c k e n g i n e e r i n gd r a w i n g s i s u p d a t e da u t o m a t i c a l l y i t n o to n l y i m p r o v e st h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y , b u ta l s om e e t st h en e e do ft h em o d e m d e s i g nt e c h n i q u e t h et e c h n i q u e sd i s c u s s e di n t h i st h e s i sp r o v i d e sa na d v a n c e d ， r e l i a b l ea n dr a p i dd e s i g na p p r o a c hf o rg a n t r yc r a n e k e yw o r d s ：g a n t r yc r a n e ，g i r d e rs t r u c t u r e ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，a n s y s ，s o l i d w o r k s i u 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 门式起重机是一种在长方体三维空间内搬运货物的物料搬运机械。在社会 生产和生活中有着广泛的应用。随着经济的高速发展，各行各业机械化程度的 逐步提高，门式起重机的需求量越来越大，对门式起重机的设计也有了更高的 要求【。 随着计算机技术的高速发展，各类设计软件的不断涌现和升级，为机械设 计水平的提高提供了软件支持。目前，在起重机设计阶段常用的计算机软件有 a u t o c a d ，c a x a ，a n s y s ，a d i n a ，a b a q u s ，m s c ，s o l i d w o r k s ，p r e e 等，这些软件的应用，大大缩短了产品的设计周期，提高了设计效率。对于结 构形式和外形尺寸基本相同的门式起重机，在对其尺寸进行修改后，重新分析、 建模、绘图设计时，整个过程仍是非常繁琐和费时的。参数化设计为解决这个 问题提供了理论支持，各设计软件的二次开放工具也为解决这个问题提供了技 术支持【2 1 。 本课题以l 型电动单梁门式起重机为研究对象，以v b 为开发工具，开发 一套门式起重机主梁结构的参数化设计系统。该系统运用有限元分析软件 a n s y s 对门式起重机主梁结构进行参数化建模和优化分析，采用s o l i d w o r k s 建 立三维实体模型，并生成配套的工程图。实现快速建模、方便修改、简化设计 的目的，使不熟悉各种设计软件的设计人员也能够进行起重机主梁结构的设计， 具有一定的实用性。 1 2 国内外相关研究现状和发展动态 门式起重机是一种用途十分广泛的大型起重设备，不仅能提高装卸作业效 率、且在很大程度上减轻了工人的劳动强度。门式起重机具有场地利用率高、 作业范围大、适应面广、通用性强等特点，主要用于室外的货物的装卸作业。门 式起重机按主梁形式分为单梁门式起重机和双梁门式起重机【3 1 。 随着经济建设的快速发展，用户不仅对起重机本身的性能要求越来越高， 武汉理工大学硕士学位论文 而且要求尽可能缩减研发周期。但目前的设计和计算工作主要依靠手工完成， 重复性工作量很大。长期以来，设计起重机械主要采用以下一些常规的设计方 法：建立在牛顿力学和微分几何基础上通过长期实践经验总结出来的直观感觉 法、类比推理法和经验设计法。采用此方法设计一个产品，不仅需要很长的设 计时间，而且设计的结果与实际情况的差异较大，不精确。 现代计算机技术快速发展，促使在设计起重机时，对控制系统的安全性和 可靠性、操作系统的人性化设计、结构的最优化设计、机构的合理性设计等方 面都提出了更高的要求。传统的设计方法已经不能满足市场的需要，必须将一 些新的设计理念、设计方法、设计技术和工艺技术引入到起重机的设计过程中 来，这是起重机设计师门要正确面对、研究和解决的问题。 基于目前的设计水平，设计技术正朝着设计模型更接近实际情况、设计时 间最少化、设计过程尽可能自动化和虚拟化的方向发展。起重机产品设计也逐 渐体现出了标准化、模块化、集成化、个性化和机电一体化等特点。各种自动 化技术在产品设计过程中也得到了广泛的应用，如数据的自动处理技术、模型 干涉自动检测技术、自动控制和维护技术等等。因此，目前起重机设计技术是 以产品设计周期最短化、设计效率最高化、设计成本最低化为目的包含智能化 设计、优化设计、虚拟样机设计和可靠性分析设计等方法的设计技术。 目前，国内外设计制造大型门式起重机的厂商主要有美国的p a c e e 、英国的 m o r n s 、德国的n o e n 、芬兰的v a l m e t 、韩国的三星和现代，日本的三井、三菱 和住友，以及我国的上海振华和上海港机等【4 j 。从上世纪9 0 年代以来，我国在 起重机械设计方面取得了很大研究成果。许多国内的科研院所和大中小企业对 起重机结构、材料、生产制造、装配等各个方面都进行了研究。如大连理工大 学、华中科技大学、重庆大学、太原科技大学、中北大学以及一些研究单位在 起重机的模块化、参数化、标准化、智能化设计等方面都展开了研究，并开发 了一些基于c a d 软件的三维设计系鲥5 1 。我国对门式起重机的研发能力也越来 越强。现今我国已能批量生产各类门式起重机，为适应市场的需求，很多厂商 还可以根据用户的要求进行特定的设计。 参数化实体的概念由c v 公司首次提出，该方法主要有以下几个特点：基于 特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。此后p t c 公司在研制 p r o e n g i n e e r 的参数化软件方面获得了巨大的成功。可以说，参数化技术的应用 主导了c a d 发展史上的一次技术革命。 国外起重机设计不少厂家和科研院所编制了特有的分析软件，参数化、系 2 武汉理工大学硕士学位论文 列化程度已经发展到一定的水平。如芬兰科尼起重设备有限公司开发了一种用 于起重机快速设计的软件。设计人员通过该软件，只需要输入基本的设计参数， 就可以得到经过有限元计算的桥架结构尺寸。而国内进行起重机设计多采用单 机设计，若要修改结果或进行相似产品设计，就必须重新建模并重复操作。当 模型较复杂或修改较多时，就相当繁杂、费时 6 1 。 目前，一些先进设计思想逐渐被采用，一些先进设计手段也被引入门式起 重机设计领域。如有限元分析、结构优化设计、机电液一体化技术、c a d 设计 模块化技术、可靠性设计方法、机械结构动态设计等【_ 7 1 。这些方法在门式起重机 设计中己有所应用，取得了较好的效果。 武汉理工大学的崔华伟以面向对象的程序设计语言v b 6 0 为平台，利用 a p d l 参数化设计语言开发一套龙门起重机门架结构的参数化设计系统，该系统 可以简单、直观地建立门架结构的参数化模型。并对门架结构进行优化设计， 对优化结果进行了检验，证明了优化设计的可行性 1 4 】。武汉理工大学的李树海 在桥式起重机三维参数化的设计中，利用v i s u a lb a s i c6 0 语言对s o l i d w o r k s 提 供的a p i 函数进行二次开发而形成一个三维参数化系统。界面友好，设计直观， 模型自动生成，能迅速发现干涉等装配问题：图纸自动更新，减轻了工作量。 不仅可以提高设计效率和设计质量，而且也符合了现代设计发展的要求。从而 为起重机的参数化设计提供了技术支持。 1 3 课题研究内容 本论文以m d g 4 0 门式起重机为原型，采用a n s y s 有限元分析软件对主梁 结构进行参数化设计，并应用s o l i d w o r k s 的参数化设计功能，进行二次开发和 研究，用v i s u a lb a s i c 软件编写应用程序，建立一套集结构分析，三维建模和工 程设计详图于一体的参数化设计系统。具体的研究内容有： ( 1 ) a n s y s 参数化设计语言a p d l 的应用； ( 2 ) s o l i d w o r k s 二次开发的关键技术； ( 3 ) 门式起重机主梁结构参数化模型的建立； ( 4 ) 参数化模型库、图纸库、数据库的建立； ( 5 ) 开发一套电动单梁门式起重机主梁结构参数化设计系统。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章参数化设计理论及相关技术 20 1 参数化技术 2 1 1 参数化设计技术 参数化设计也叫尺寸驱动，其核心和特征分别为约束造型和尺寸驱动，所 以参数设计也叫尺寸驱动。设计者可以先根据设计思路勾画设计轮廓，然后修 改尺寸标注来完成整个设计。也可先用参数来定义零件的某些部分，然后通过 修改参数来完成对产品的设计和优化。设计人员在实际设计的初期阶段，考虑 最多的问题是零部件的大致形状和性能，不大关心尺寸的精确值，这个设计习 惯与参数化设计非常吻合。参数化技术的优点特别是在系列化设计中显得较为 突出，对图形的修改方法、设计的柔性等都有较大的提高。其作用和价值在实 体造型、概念设计、机械仿真、动态设计、优化设计等领域得到了很好的发挥【8 】。 参数化设计是在进行同类型不同规格产品设计时为满足设计者要求的基础 上提出来的一种设计技术。其关键技术是建立参数化模型、添加零件几何约束 和工程约束。约束即实体元素之间的一种相互限定条件。几何约束包括表示几 何元素之间拓扑关系的结构约束和通过尺寸标注表示的尺寸约束。工程约束指 尺寸之间的一种约束关系。参数化设计的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、 全数据相关、尺寸驱动设计修改【9 】。 设计人员在参数化设计的过程中根据工程关系和几何关系来确定设计要 求。通过设定参数初值，并在改变参数时能够维护这些基本关系来满足设计要 求。这样，将参数分为两类：其一为可变参数，即各种尺寸值；其二为不变参 数，指几何元素之间的各种联系。参数化设计即保持所有的不变参数的情况下， 改变可变参数。根据这个特点，我们可以编制计算机程序，将可变参数设为可 调整变量，然后由计算机按照设计要求自动完成产品的设计。 参数化设计能够大大缩短模型修改和重建的时间，被广泛地应用于相似产 品的设计、标准化系列化产品的设计和专用c a d 系统的开发等方面。现今，参 数化建模主要有两种方法，其一是变量几何法，主要用于建立平面模型；其二 是基于结构生成历程法，主要用于三维实体和曲面模型【l0 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 参数化设计通过存储整个设计过程，一次能设计一个系列的产品模型。参 数化设计过程中，设计人员可以尽快的绘制零件草图，而不必考虑细节，然后 通过对草图的修改来得到最终的设计，同时可以通过变动某些参数和约束关系 来更新设计。这样，在系列化产品的设计过程中不需要反复进行相似的设计全 过程。这种设计方法，已被广泛应用于产品初始设计、模型的修改编辑和多种 设计方案的对比等方面。 参数化设计的主要对象是具有确定的结构形式和组合方式的产品设计，非 常快捷，准确和可靠。如果结构形式不变，可以通过修改几何参数来改变大小； 结合方式不变，可通过调整关系类参数来控制其变化。在创新设计中，可以将 参数修改与人工输入相结合的方式来设计，这样可以使设计更完善【1 1 】。 工程设计通常需要对结构形状和尺寸进行多次修改进行综合协调和优化。 对于设计过程较为稳定或结构形式基本确定的产品时，非常适合采用参数化设 计，例如同类型起重机的设计。设计起重机时，由于设计参数繁多，计算公式 繁杂，采用人工设计计算不仅效率低下而且容易出错，利用计算机设计不仅快 速准确且方便进行多个方案对比得到最优设计结果【1 2 1 。因此，研发起重机参数 化设计系统相当有必要。 2 1 2 参数化设计方法 现在，参数化技术分为两种，其一是非直接式，非直接式包括编程法和基 于三维参数化的投影法；其二是直接式，直接式参数化技术也称人机交互法， 指设计者不用懂得计算机内部运行方式，通过设计界面直接操作图形，这是目 前应用最广泛的一种参数化设计方、法【1 3 】。 非直接式分为编程法和基于三维参数化的投影法两种。其中编程法是最为 常用但较为原始的一种方法。采用此方法时设计者需要分析几何模型的特点， 确定主要参数和各个尺寸之间的相互关系，并能够熟练使用计算机编程语言将 这些相互关系写入程序。使用时运行程序，输入主要的参数，由程序确定与主 要参数相关的其他尺寸的尺寸值，这样整个图形便被确定。基于三维参数化的 投影法是一种具有唯一解的参数化设计方法，采用此方法时首先必须进行三维 参数化设计，然后通过投影方法生成二维参数化图形。目前不被广泛应用，主 要有以下几个方面的原因：其一是三维造型对很多复杂的零件或细小的结构来 说本身就相当困难；其二是三维参数化设计目前本身还是一个新的课题，仍需 5 武汉理工大学硕士学位论文 继续探索和开发；其三是必须对三维立体和二维视图做相当多的处理以保证其 二维表达符号国家标准。 人机交互法是目前应用最为广泛的一种参数化方法，在参数化设计领域得 到了较快的发展。根据参数化设计实现的原理人机交互法主要分为以下几种： ( 1 ) 变量几何法，这是一种基于几何约束的方法，用一系列特征点描述图 形的几何模型，将特征点的坐标设为变量，并用非线性方程组表示变量之间的 关系，当约束发生改变时，采用n e w t o n - r a p h s o n 法求解方程组得到特征点的新 坐标和新图形【l 引。 ： ( 2 ) 人工智能法，这是一种采用几何推理法确定一组约束描述几何模型的 方法。在几何推理过程中，通过专家系统利用一阶逻辑谓词描述几何形体之间 的约束关系，然后存入事实库。几何形体的细节由推理机根据从规则库中提取 出的用于事实集中的规则推理出。几何形体的构造由推理过程输出的一系列规 则组成，那么参数化模型也又构造计划中的一系列规则决定。 ( 3 ) 基于构造过程的方法，这种方法需要严格按照某种构图顺序进行，柔 性和灵活性较差，但非常适用于结构相同尺寸不同的产品设计。这种方法将“参 数化履历 机制应用于交互造型的所有操作过程中，造型操作的每一个步骤都 被程序自动记录和描述，并用变量化参数描述记录的定量信息，当改变参数值， 更新模型生成历程便可得到结构形式相同、不同大小的几何模型。 ( 4 ) 基于辅助线的方法，首先在作图的过程中先明确规定辅助线的求解条 件，然后在辅助线的基础上确定几何图形的轮廓线，图形的结构约束和几何约 束由辅助线来管理和定义。这样便不用检查求解条件是否充分，简化了约束集， 约束方程的求解规模也得以减小。 2 1 3 机械参数化设计的方法 2 1 3 1 零件参数化设计 零件参数化设计主要有以下三种方法：尺寸驱动法、程序驱动法和尺寸驱 动与程序驱动相结合的方法【1 5 】。 ( 1 ) 尺寸驱动法，不考虑工程约束，只考虑尺寸约束和拓扑约束。通过指 定一组尺寸作为参数与采用预定义办法创建的图形几何约束集相联系，实现改 变尺寸值来改变图形的操作。采用这种方法进行设计有两个前提条件：一是模 型己经存在；二是己经完全定义模型尺寸。几何模型由三部分组成：几何元素， 尺寸约束和拓扑约束。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 程序驱动，就是通过程序驱动c a d 软件按照模型建模顺序建模。程 序驱动考虑了尺寸约束、拓扑约束和工程约束三个方面的约束情况。对设计人 员有较高的编程能力要求，必须对计算机编程语言和c a d 二次开发相当熟悉。 与尺寸驱动法相比较，程序驱动有以下几个优势：能够提供相对友好的人机交 互界面，参数的输入顺序不影响三维建模，对用户使用c a d 软件的能力没有要 求。程序驱动也有不足之处，特别是在对服装零件进行参数化设计时，由于程 序过于复杂增加了运行时间导致执行速度明显低于尺寸驱动，对软硬件也提出 了较高要求。于是，我们建议采用二者相结合的方法。 ( 3 ) 尺寸驱动与程序驱动结合，这种方法综合了尺寸驱动和程序驱动两种 方法的优点，能够提供友好的交互界面，参数设置顺序不影响三维建模，响应 速度相对较快，现在主流微机配置均能满足对硬件的要求。所以，这种方法广 泛应用于c a d 二次开发中。 2 1 3 2 部件参数化设计 部件参数化设计分为自底向上和自顶向下两种设计方法。 ( 1 ) 自底向上，自底向上的设计思路是模仿实际装配机器的过程，即先制 造好所有的零件，再将零件装配成各个部件，最后将零部件装配成机器，生成 最终的产品。自底向上设计时先建好所有零件的模型，然后由零件模型装配出 各个子装配体，最后由零件模型和子装配体装配出最终的装配模型。在设计的 过程中，当发现某个零件的设计不符合要求产生零件之间的相互干涉或某个零 件无法装配时，就必须对零件重新设计，再进行装配检测，如若再发现问题， 再修改；重新修改再装配的过程直至装配体没有任何问题为止。 ( 2 ) 自顶向下，自顶向下的设计思路是模仿实际产品的开发过程，即先对 产品的功能进行分解，将产品的总功能通过设计计算分解成一个个子功能；然 后对整体结构进行设计并确定子部件之间的相互关系使其能够实现产品的总功 能，子部件之间的相互关系包括位置关系、配合关系和连接关系，各种关系通 过几何约束或参数约束来求解确定；最后对各个子功能进行结构设计和功能分 解，直至分解成不可在分的零件。当完成各个零件的设计时，基于装配体约束 机制的作用，基本上完成了整个产品的设计过程。 自底向上设计和自顶向下设计两种方法各有特定。从整个设计过程不难发 现自底向上设计的优点主要有一下几点g 设计思路简单，操作方便快捷，能够 被大多数设计人员理解、接受和应用。主要缺点是：设计初期整体设计布局和 7 武汉理工大学硕士学位论文 规划的欠缺，导致设计阶段反复修改操作的增多，这样降低了设计效率，同时 浪费了大量的时间和人力资源。自项向下设计方法有着完善的整体布局和规划， 因此不会出现因零件装配发生干涉反复修改零件重新装配装配体的问题。两种 设计方法被应用于不同的场合。 2 1 4 产品参数化设计步骤 参数化设计的一般步骤为： ( 1 ) 产品的结构分解，分析产品各个零部件之间的尺寸关系，建立零件、 子装配体、总装配体之间的参数拓扑关系： ( 2 ) 产品的参数化建模，确定驱动尺寸和从动尺寸的参数关系； ( 3 ) 修改驱动尺寸，与之关联的从动尺寸按建立的拓扑关系随之改变，以 达到设计的要求； ( 4 ) 编制应用程序； ( 5 ) 调试及运行程序。 2 2 程序设计语言v i s u a lb a s i c 2 2 1v i s u a lb a s i c 简介 面向对象程序设计语言v i s u a lb a s i c 简称v b ，在1 9 9 1 年由美国微软公司开 发的包含协助开发环境的事件驱动的编程语言，它使用了可以简单建立应用程 序的g u i 系统，但是又可以开发相当复杂的程序。在w i n d o w s 环境下可以简单 快捷地设计、编写和调试出优秀的面向对象的应用程序。它是一种简单易学、 效率高，且功能强大的面向对象的、可视化的和采用事件驱动的结构化高级程 序设计语言。在v i s u a lb a s i c 环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可 视化设计工具，使用w i n d o w s 内部的广泛应用程序借口( a p i ) 函数，动态链接 库( d l l ) 、对象的链接与嵌入( o l e ) 、开放式数据连接( o d b c ) 等技术，可 以高效、快速地开发w i n d o w s 环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统 1 6 l 。 2 2 2v i s u a lb a s i c 语言的特点 v i s u a lb a s i c 之所以受到广大专业编程人员和编程爱好者的青睐，主要是因 8 武汉理工大学硕士学位论文 为它具有以下一些方面的特点： ( 1 ) 面向对象 v b 采用了面向对象的程序设计思想。面向对象指将一个复杂的设计问题分 解成很多个具有独立功能的简单对象的集合。对象指诸如窗体、窗体中的文本 框、标签、命令按钮等可操作的实体。程序设计者可以根据需要在设计界面上 直接“画”出窗口、文本框、菜单等很多个对象，然后通过对象属性设置来达 到想要的效果。面向对象的程序设计方法将很多基本功能分装成一个个的设计 模块供设计人员直接使用，节省了大量的设计工作量，且简单明了。 ( 2 ) 事件驱动 事件是构成程序的基础，在w i n d o w s 环境下的应用程序都是以事件驱动的 形式运行的。每个事件都能驱动一段决定对象功能的代码，每个对象都能对多 个不同事件做出响应。我将整个相互作用过程称为事件驱动。事件可以由应用 程序或系统触发，也可由用户通过键盘或鼠标等的操作触发。 ( 3 ) 软件s o f t w a r e 集成式开发 在v b 集成开发环境下，编程者可以通过设计界面、编写程序代码、调试程 序等操作将应用程序编译成在w i n d o w s 环境下可运行的文件，并为其生成安装 程序。集成式开发非常方便和实用。 ( 4 ) 结构化设计语言 v b 提供的数据类型非常丰富，符合结构化程序设计思想的要求。 ( 5 ) 强大的数据库访问功能 v b 提供有多种数据控件，如d a t a 控件、d a o 控件、a d o c o n t r o l 控件等， 可用来访问多种数据库。 ( 6 ) 支持对象链接和嵌入技术 链接和嵌入技术o l e 是v b 的核心，利用它可以访问所有对象，而且还能 开发集文字处理、图像、声音、动画等对象于一体的程序。 ( 7 ) 网络功能 用户可以使用v b 提供的d i t t m l 设计工具创建和编辑w e b 页面，开发多 功能的网络应用软件。 ( 8 ) 多个应用向导 在创建应用程序时，可以使用v b 提供的应用程序向导、数据窗体或对象向 导、安装向导等来提高程序的创建速度。 ( 9 ) 支持动态交换、动态链接技术 9 武汉理工大学硕士学位论文 动态数据交换编程技术d d e 是实现v b 开发的应用程序与w i n d o w s 上其他 应用程序之间数据通信的基础。在v b 程序中用户可通过动态链接库技术很容易 地调用w i n d o w s 的应用程序接口a p i 函数，也可调用汇编语言或c 语言编写的 函数。 ( 1 0 ) 联机帮助功能 v b 帮助窗口中提供了大量的示例代码。用户可通过帮助菜单或f l 功能键 打开帮助窗口，很容易的获得帮助信息【1 7 】。 2 3 有限元分析软件a n s y s 2 3 1a n s y s 概述 a n s y s 软件是由美国a n s y s 公司开发的大型通用有限元分析软件。它能 与许多c a d 软件实现数据共享和交换，是目前产品设计中使用的高级c a e 工 具。能够被用来求解结构、磁场、流体、碰撞等问题，被广泛应用于重型机械、 航空航天、桥梁、建筑、汽车工业、电子产品、生物医学等工业领域【l 引。 该软件主要包括以下三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块 【1 9 l 。前处理模块主要用于构建有限元分析模型，包含强大的实体建模和网格划 分工具；前处理阶段完成建模后，用户可在分析模块内进行求解计算得到分析 结果，分析计算模块功能非常强大，可以进行结构分析、电磁场分析和耦合场 分析、热分析、流体分析等等；通过后处理模块查看结果，a n s y s 软件的后处 理包括通用后处理模块和时间历程后处理模块两个部分，用户可以很方便的得 到计算结果，这些结果可以包括位移、应力、应变、温度、速度及热流等，还 可以采用图形显示或数据列表方式输出计算结果。 a n s y s 有限元分析软件提供了1 0 0 多种的单元类型，用来模拟工程中的各 种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以在大多数计算机和操作系统中运 行，可以与大多数c a d 软件接口。 a n s y s 软件提供了一种以命令流方式进行分析的功能，即a n s y s 参数化 设计语言( a n s y sp a r a m e t e rd e s i g nl a i l g u a g e a p d l ) 。应用a p d l 可以通 过对第一次分析时生成的l o g 文件进行修改和运行来完成需要的其他分析，可 以减少重复建模分析的时间，是一种非常高效实用的设计方法【2 0 】。采用a p d l 程序语言编写参数化建模、载荷施加、求解和后处理全过程的命令流，然后进 l o 武汉理工大学硕士学位论文 行程序的批处理是a n s y s 分析的最高应用方法【2 1 1 。在产品方案设计阶段，采用 此方法只需简单的修改变化的参数就能快速地进行分析，提高了分析效率。因 此，可以采用a p d l 开发相似产品的有限元分析程序。 基于a p d l 的参数化设计的方法可以采用a n s y s 的批处理方法进行优化设 计，优化设计过程主要通常包括以下几个步骤：生成分析文件，建立优化过程 中的参数，指定优化变量，选择优化工具或优化方法，指定优化循环控制方式， 进行优化分析，察看设计序列结果田】。 2 3 2 参数化设计语言a p d l 语言 a p d l 是一种用来实现有限元常规分析自动化和采用参数化变量方式建立 有限元分析模型的脚本语言。可用来完成一些通用性强的任务，不仅是优化设 计和自适应网格划分等a n s y s 经典特性的实现基础，也为日常分析提供了便 利。用户可以利用程序设计语言将a n s y s 命令组织起来，编写出参数化的用户 程序，从而实现有限元分析的全过程，包括建立参数化的c a d 模型、参数化的 网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化 的分析控制和求解以及参数化的后处理。 有限元分析过程包括：建模、施加载荷、求解和结果显示。倘若求解结果 不符合要求需要修改设计，那么就必须根据几何结构和载荷的调整重复上述操 作过程。当模型较为复杂或改变较多时，重复操作过程将非常浪费时间和严重 影响设计效率。若用户采用a p d l 编写整个设计过程的参数化设计语句，那么 就能够通过简单的参数修改自动实现上述的重复操作工程【2 3 j 。 a p d l 具有如下一些功能：标量和数组参数、表达式与函数、分支与循环、 重复功能与缩写、宏、用户程序等等。用户可以根据需要组合或单独使用这些功 能【2 4 1 。采用a p d l 设计时，用户能够通过精心计划创建一个高度完善的分析方 案，使a n s y s 分析软件在特定的应用范围内实现更高的效率。 a p d l 具有以下优点： ( 1 ) 通过做少量的修改实现同一问题重复多次的分析，减少大量重复性工 作，节省了大量设计时间； ( 2 ) 文件占用空间小，保存和携带方便； ( 3 ) 大量的a p d l 命令不受系统操作平台和a n s y s 软件版本的限制，可 在各个版本之间使用； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 利用a p d l ，可以方便地建立零件模型库，以利于快速生成有限元分 析模型； ( 5 ) 利用a p d l 可以从事二次开发的设计工作。 2 3 3a n s y s 基本使用方法 有限元分析是通过模拟几何形状及载荷工况等物理现象来反应真实情况。 通过对分析模型划分网格和求解等操作来逼近和模拟由无限个未知量构成的真 实环境。 a n s y s 分析过程中包含以下三个主要步骤： ( 1 ) 创建用于有限元分析的模型：首先创建或导入模型；其次定义材料属 性；最后划分网格。 ( 2 ) 施加载荷并求解：先施加载荷、设置约束条件；然后求解。 ( 3 ) 查看结果：首先显示并查看分析结果；然后分析结果是否正确。 2 4 三维设计软件s o l i d w o r k s 2 4 1s o l i d w o r k s 简介 s o l i d w o r k s 软件是一种以w i n d o w s 为操作平台的三维c a d 系统，上世纪末 由s o l i d w o r k s 公司( 美国) 研发。用户采用它可以建立零件三维实体模型、对 零件进行装配操作和生成二维工程副2 5 1 。具有友好的操作界面，简单易学，价 格合适，广泛地应用于外形规则的各类机械产品开发和制造领域。改软件带有 实体建模模块p a r a s o l i d 和约束管理器d c m ，有自顶向下和自底向上两种建模 方法，在事先制定好材料明细表的基础上自动生成装配体或零件的材料明细表， 模拟装配的整个动态过程，装配体干涉自动检测，操作界面完全支持中文，带 有静力学分析插件、动力学插件、动画插件、工程效果图插件，可以与绝大部 分主流c a d 软件接口，所以本文采用此软件做为三维参数化设计的软件基础1 2 刚。 采用该软件，设计人员可以根据自己的设计想法勾画出设计草图，再创建产品 实体模型和制作工程图。这种方法非常符合大多数设计人员的设计习惯，故被 广泛的接受和应用。 2 4 2s o l i d w o r k s 的基本功能 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 s o l i d w o r k s 软件主要有以下几个方面的基本功能【2 7 】： ( 1 ) 零件 通过s o l i d w o r k s 零件模块可以实现实体、曲面、模具、钣金、焊件等的设 计和建