（机械设计及理论专业论文）三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 摘要 c a d 技术自从上世纪5 0 年代开始起步，到现在已经得到了长足的发展。 三维造型技术以及c a d c a p p c a m c a e 的集成已成为c a d 技术发展的两 个主要趋势。在零件的三维设计中，c a d 技术经过多年的发展，已相对完 整，成熟。但是，在对于港口机械这类具有自身特点的结构件的设计中， 三维c a d 技术以及c a d c a p p c a m c a e 的集成应用的成功例子仍为空 白。本论文就是针对这一现实状况，提出了针对港机结构的三维设计方法， 并结合数据库功能，对建立的三维模型数据中心进行管理。三维模型数据 中心能够为之后的c a e 分析与c a d 修改间的交互运作，甚至c a m ，c a p p 等步骤提供必要的信息，使整个设计、制造的过程成为一体。 本论文主要阐述了三维造型设计在港口机械结构件设计中应用的方 法，并结合数据库管理系统，构建一个管理港机零部件的数据中心，使 c a d c a p p c a m c a e 在港机结构设计中一体化。限于论文的篇幅与时间， 整个设计系统中的c a e 有限元分析等部分，将由其他同学完成。 本文的主要工作包括： 1 、针对三维造型技术在港口机械结构件中应用的难点，阐述了“自上 而下”的整机模型拆分与“自下而上”的零件模型装配的设计方法，并对 模型进行参数化。 2 、借助数据库管理系统，设计港机结构零件模型数据中心。在数据中 心的总数据库与详细数据库中，分别针对所有港机结构的基本零件与某台 特定港机结构的所有零部件建立相应的数据表。这些数据信息可以在c a e 有限元分析，c a d 模型修改，以及c a m ，c a p p 等步骤中使用。 3 、根据三维参数化模型以及数据中心建立的具体要求，分析其中需要 用到的所有技术。针对这些技术的关键点，阐述在实现这种设计方法的具 体过程。 4 、对于实际设计中，将要遇到的一些难点的解决方法，通过实例加以 阐述。 5 、阐述了使用三维模型直接生成二维工程图的方法，并且以港口机械 后大梁实例说明其可行性。 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 本论文系统地描述了三维造型功能在港口机械结构件设计中的应用， 以及零件模型数据中心的实现，并就应用中的具体关键技术以及难点进行 了深入的研究。作为对港口机械三维设计的一个研究，本论文为以后的港 口机械设计生产，以及c a d c a p p ，c a m ，c a e 一体化的发展傲了开创性和 探索性的工作，填补了目前在该项研究上，成功实例空白。 关键词；c a d ，三维造型技术，参数化，数据库，港口机械结构件设计， 一体化 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 t h er e s e a r c ho ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so ft h e a p p l i c a t i o no f3 dp a r a m e t e r i z e dd e s i g ni np o r t m a c h i n e ss t r u c t u r e a b s t r a c t f r o mt h eb e g i n n i n go fd e v e l o p m e n ti n 19 5 0 s c a dt e c h n o l o g yh a s g o taq u i t eg r e a tp r o g r e s s t h e r ea r et w om a i nt r e n do fc a dt e c h n o l o g y ， w h i c hi s3 dm o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dc a d ，c a p p ，c a m ，c a ei n t e g r a t i o n i nt h e3 dd e s i g no fp a r t ，c a dt e c h n o l o g yh a sr e l a t i v e l yb e e nc o m p l e t e d a n dm a t u r e da f t e ry e a r so fd e v e l o p i n g b u tt h e r ei s s t i l ln os u c c e s s f u l e x a m p l ei nt h ea p p l i c a t i o no f3 dt e c h n o l o g ya n dc a d ，c a p p ，c a m ，c a e i n t e g r a t i o n i nt h ed e s i g no fp o r tm a c h i n e sw h i c hh a v et h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt o t h i ss i t u a t i o n ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r da k i n do f3 dd e s i g nm e t h o df o rp o r tm a c h i n es t r u c t u r e ，a n dc r e a t e sa3 d m o d e id a t ac e n t e rw h i c hi sw i t ht h eh e l po fd a t a b a s es y s t e mt om a n a g e a t h e3 dm o d e l s t h i s3 dm o d e id a t ac e n t e rc a np r o v i d et h en e c e s s a r y j n f o r m a t i o nf o rt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ea n a l y s i si nc a ea n dt h e m o d i f i c a t i o ni nc a da n dt h ep r o c e s so fc a m 。c a p pa n ds oo n ，w h i c h c a ni n t e g r a t et h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h i sp a p e rm a i n l ye x p o u n d st h em e t h o do ft h ea p p l i c a t i o no f3 d m o d e l i n gd e s i g ni nt h ep o r tm a c h i n ec o n s t r u ea n d w i t h t h eh e l po f d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，t h ec r e a t i o no fad a t ac e n t e rt om a n a g e t h e p a r t s o f p o r tm a c h i n e ，w h i c h c a nr e a l i z et h e i n t e g r a t i o n o f c a d c a p p c a m c a ei nt h ed e s i g no fp o r tm a c h i n e a st h el i m i t a t i o no f t h el e n g t ha n dt i m e ，t h ep a r to fc a ea n a l y s i si nt h ew h o l ed e s i g ns y s t e m w i l lb ec o m p l e t e db yo t h e r s t h em a i nj o b so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 a c c o r d i n gt ot h ek e yp o i n t so ft h ea p p l i c a t i o n o f3 dm o d e l i n g 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 t e c h n o l o g yi nt h ep o r tm a c h i n e ，t h ep a p e re x p o u n d sak i n do fd e s i g n m e t h o di n c l u d i n gd e p a r t i n go ft h ew h o l em o d e l f r o mt o pt ob o t t o m a n d a s s e m b l i n gt h ep a r t s f r o mb o t t o mt ot o p a n dp a r a m e t e r i z e st h em o d e l s 2 c r e a t i n gad a t ac e n t e rf o rp o r tm a c h i n ed e s i g nw i t ht h eh e l po f d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m i nt h ed a t ac e n t e r , t h eg e n e r a ld a t a b a s e w i l li n c l u d ed a t at a b l e sf o rt h eg e n e r a lp a r t si na l m o s ta l it h ep o r t m a c h i n e sa n dt h es p e c i f i cd a t a b a s ew i l ii n c l u d ed a t at a b l e sf o ra l it h e p a r t so fas p e c i f i cp o r tm a c h i n e a l lo ft h i si n f o r m a t i o nw i l lb eu s e di nt h e a n a l y s i so fc a e ，m o d i f i c a t i o no fc a dm o d e l s ，c a m ，c a p pa n ds oo n 3 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t si nc r e a t i n gt h e3 dp a r a m e t e r i z e d m o d e la n dd a t ac e n t e r ，t h ep a p e ra n a l y z e sa l lt h et e c h n o l o g i e si n v o l v e d a n de x p o u n d st h ew a yt or e a l i z et h i sd e s i g nm e t h o df o c u s i n go nt h ek e y p o i n t si nt h o s et e c h n o l o g i e s 4 e x p o u n d i n gt h es o l u t i o n sf o rt h o s ed i f f i c u l t i e si nd e s i g nt h r o u g h e x a m p l e 5 t h ep a p e re x p l a i n st h ew a y d i r e c t l yf r o m3 dm o d e l sa n dp r o v e s e x a m p l e 。 t oc r e a t i n g2 de n g i n e e r i n gd r a w s i t sp o s s i b i l i t yt h r o u g hp o r tm a c h i n e t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o no f3 d m o d e l i n gi n t h ed e s i g no fp o r tm a c h i n ea n dt h er e a l i z a t i o no fp a r tm o d e id a t ac e n t e r a n di ta l s od o e sad e e pr e s e a r c hf o rt h ek e yp o i n t so ft h ea p p l i c a t i o n a s t h er e s e a r c hf o rt h ep o r tm a c h i n e s3 dd e s i g n ，t h ep a p e rh a sd o n et h e p i o n e e r i n ga n de x p l o r a t o r yj o bf o rf u r t h e rp o r tm a c h i n ed e s i g na n d m a n u f a c t u r ea n da l s of o rt h ei n t e g r a t i o no fc a d c a p p c a m c a e 1 tf i l l s t h ed e f i c i e n c yj nt h i sk i n do fr e s e a r c h k e y w o r d s ：c a d 。3 dm o d e l i n gt e c h n o l o g y ，p a r a m e t e r i z e ，d a t a b a s e 。 p o r tm a c h i n es t r u c t u r ed e s i g n ，i n t e g r a t i o n y ua i - y a n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gc h o n g h u a l v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特j 3 t l d n 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：毖 日期：竺z ! ：兰 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 第一章绪论 1 1c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术埘3 m 删盯 c a d 技术是集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其他领域 知识于一体的综合性高新技术；是先进制造技术的重要组成部分；也是提 高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。c a d 技术起步于5 0 年代后期。6 0 年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计 算机屏幕上绘图变为可行，c a d 技术开始迅速发展。发展至今，c a d 技 术主要有如下两方面的特点。 首先，三维c a d 系统已经得到了很大的发展。用线图表示三维几何形 状的传统方法已不能满足c a d c a m 的要求，只有实体模型才能满足c a d 的要求。工程设计项目和零件都是三维形体。工程师在设计构思时，大脑 中构建的也时三维形体。c a d 技术中的三维造型不仅是在计算机内建立完 整的三维几何模型，还包括其功能方面的所有信息，采用三维产品造型技 术，可以 自动计算物体的体积、质量、重心、转动惯量等几何参数； 对模型按照一定的规律剖分，可以自动产生有限元的单元数据； 对于装配、安装工作，可以自动检查相邻部件问有无干涉； 数据加工中可以根据零件的表面形状特征，自动生成加工走到轨 迹； 生产过程中可以用智能机器人识别零件方位，完成装夹、检验、装 配等工序； 生产管理中可以按零件的设计特点和加工工艺典型分类，推行成组 技术。 因此，c a d 三维造型技术正被应用于越来越多的产品设计。 随着c a d 技术的迅速发展，开发出了许多功能强大的三维造型软件， 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 例如p r o e n g i n e e r 、u g 、s o l i d w o r k s 等等，这些软件系统已广泛应用 于机械、电子等各个领域的设计中。相应的零件三维造型功能也得到了很 大的发展。以现在的设计水平，可以设计出非常精确的零件三维模型。使 用三维造型软件进行设计的零件，可以： 从各个不同的角度来观察设计的零件，从而保证零件外观上的正确 性： 在设计中，可以通过不同的颜色来表示零件、放大以及缩小工具等。 c a d 技术在机械零件设计和制造中的广泛应用，使得产品的设计与制 造周期不断缩短，产品质量不断提高，产品样式不断地快速更新，大大提 高了产品的市场竞争能力，同时也推动了c a d 技术不断地完善与提高。 其次，计算机集成制造系统是在新的生产组织原理指导下形成的一种 新型生产模式，是当前c a d ，c a p p ，c a m ，c a e 集成化技术发展的主要目标， 是提高企业产品设计和制造自动化程度的重要手段。因此，目前c a d 技术 正向集成化的方向发展。大型c a d 软件的开发越来越与后续的 c a p p i c a m ，c a e 各环节紧密结合，不但具备强大的三维造型功能，还具 备息好的c a m 加工以及仿真功能。另外，许多高级编程语言，例如j a v a 、 v c + + 、v b 等软件都具备数字化机床相互连接的接口，这些优势技术促进 了c a d 集成化的发展。c a 叫c a p p c a m c a e 集成是信息技术发展的必然 方向。c a d c a p p c a m ，c a e 集成是一种新的设计、生产、分析以及技术 管理的一体化，它并不是简单地将这些孤立地系统进行连接，而是从产品 概念设计开始，就考虑产品信息的集成，使产品信息贯穿于设计、制造、 工艺、装配等产品生产的各个阶段，从而实现信息的整体集成。 1 2 三维造型设计在港机结构设计应用中的难点d 中国起重运输( 物料搬运) 机械行业，从上世纪五六十年代开始建立 并逐步发展壮大，已形成了各种门类的产品范围和庞大的企业群体，服务 于国民经济各行各业。自2 0 0 2 年以来中国起重机行业快速发展，到2 0 0 4 年，全行业各项指标达到了历史最高纪录。2 0 0 5 年虽受到宏观调控的影响， 但全年的起重机总销量仅在2 0 0 4 年大基数的基础上下降4 4 。而2 0 0 6 年的增长速度之快，更是出乎意料的。2 0 0 6 年1 6 月，各项经济指标与 2 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 2 0 0 5 年同期比较，都以两位数增长：全行业的销售收入同比增长3 3 5 ； 工业增加值同比增长6 1 5 ，利润总额同比增长1 1 7 0 0 。在产品方面，来 自2 7 个主机生产厂的统计，产品总销量( 工程机械起重机和其他起重机 械) 达到9 6 0 0 台，同比增长3 4 6 ，其中汽车起重机同比增长3 7 3 ， 履带起重机同比增长7 3 8 ，随车起重机同比增长3 0 5 根据上述现状，将三维造型技术应用到港机结构的设计中去，是十分 必要的。但是，由于港口机械机构的特殊性，三维造型技术在其设计中的 应用会有以下几个难点： 1 、港口机械产品就是一种复杂的结构件。结构件不同于一般零件，不 但结构复杂，而且形式多种多样，无法按照某种固定的模式进行三维模型 的建立。 首先，港机结构为了适应不同港口的自然条件、使用要求和工况条件， 设计制造了各种不同的机型。每种机型都有自己的特点，根据特定的需要， 虽然，总体的结构形式是相似的，但是，在一些细节上还是会存在差异。 图i 一1 结构形式相似但存在差异的两种门架结构 其次，即使是在一台港口机械内部，外表看似一致，但内部结构会因 为位置、受力等因素而有所不同。正如下图所示，在起重机后大梁的不同 部位，箱型梁内部所添加的肋板是不同的，而且由于需要与门架结构进行 连接，所以，腹板的形式也是不同的。 3 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 图l 一2 虽然港机结构形式多种多样，内部结构形态各异，但是，它们都是由 一些基本构件组成的，许多基本构件中的零件是相同的。由于上述差异性 的存在，每当设计人员开始设计一台港口机械的时候，就需要使用三维软 件建立各种各样的零件。一台某种机型的港口机械中，包含了成千上万个 零件，重新建立模型是一件费时费力的事情。 同时，港口机械的产品往往是多个零件的组合而成装配体。如果大量 的标准件都需要设计人员自己来完成的话，无疑是非常浪费人力与物力的， 而且，一定程度上，还会影响设计的效率。即使设计人员希望能够利用以 前已经建立好的某个零件的三维模型，但是，因为零件模型数量的过于庞 大，在目前情况下，单用于找到某个特定零件模型所耗费的时间就相当长。 所以，目前，三维造型设计在港口机械结构中成功应用的例子还未有报导。 2 、港机结构的设计并不只限于c a d 三维模型的设计，还应包括c a e 模型分析，以及之后的c a m 计算机辅助制造等步骤。c a d 软件平台，如 p r o e n g i n e e r 中，也带有结构分析、温度分析和运动分析等模块，可以 以云图、等值线、查询等方式显示和储存限定几何元素的位移、应力、应 变等。但是和传统的有限元软件a n s y s 相比，其划分出的网格单元较大、 数目较少，因此计算的精度不如a n s y s 软件。在设计过程中，c a e 设计 人员从c a d 设计人员那里，得到三维模型进行分析。之后，将分析的结果 与模型中存在的问题反馈给c a d 设计人员。在对三维模型进行修改之后， 再次进入c a e 分析。如此往复，最终得到修改完成的模型。 目前的港机三维设计过程中，还未能很好地实现c a d 与c a e 之问的 集成。在集成的过程中，仍存在着两种软件之间的数据通信问题，模型信 息的完全传递等问题需要解决c a d 与c a e 是否能成功实现一体化，对 j 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 于之后的c a m ，c a p p 等也具有直接的影响。 图l 一3 c a d 与c a e 的集成 3 、在港口机械的设计过程中，三维造型的功能并不只是建立一台港机 的三维模型效果，重点在于要利用这个三维模型进行整机的设计。在整个 设计过程中，根据设计要求得到的计算结果，由这些结果来决定模型的尺 寸。之后，计算中的修改同样要反应到三维模型上，这时，就需要对三维 模型进行修改，因此，要对模型进行参数化。可是，由于港机结构的复杂 性，导致三维整机模型中，各个零件间存在着复杂的尺寸参数关系。也就 是说，某一零件尺寸参数的基准可能是以另一个零件为基准的尺寸参数的 一部分，这样的嵌套有可能存在不止一层。这样一来，一旦想修改某个参 数，而这个参数又牵涉到别的参数的基准时，往往造成模型再生成的失败。 同时，这样的修复过程也是十分复杂的，因为，必须在众多零件中找到最 底层的那一个参数。 4 、港机结构不同于一般较小规模的机械结构，每一台港机中的零件数 以万计。即使设计人员已经完成了所有零件的建模工作，在庞大的模型数 量面前，找到需要的模型就成了一个很大的问题。在模型装配过程中，并 不总是第一次选取就可以得到最满意的效果的。设计人员也许需要选取另 外一个类似的零件，也许需要在一个零件上做出一定的改动，甚至有可能 需要重新建立一个零件的模型。但是面对如此之多的零件模型，光凭模型 的名称是无法辨别是否是需要的零件。所以，零件模型的管理成为令设计 人员十分头疼的问题，同时，也是节省工作时间，提高工作效率的很重要 的一方面。虽然，目前也有一些标准零件库，但都不是针对港机结构设计 的。所以，港机结构设计中的模型管理，成为了将三维造型技术应用到其 中的一个难题。 5 、港口机械的二维工程图作为整机设计不可缺少的一部分，也应包括 在整个设计过程中。港机结构的工程图不同于一般的零件图纸。它将众多 的截面形式等细节汇集到一张或几张图纸上，而不是厚厚的一本图纸集。 港机结构非常复杂，因此，其工程图也是十分复杂。 5 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 随着三维软件被广泛地应用于设计中，如何通过三维模型直接得到工 程图成为很大的一个问题。由于港机结构的零部件众多，如果不能实现三 维模型与二维工程图之间的连动，将为整机的设计带来很大的麻烦。 6 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 1 3 本文工作 针对上述困难点，在研究的基础上，本文对港口机械三维设计中的难 点与关键技术进行了深入研究，可以作为以后的港口机械设计生产的基础。 论文内容主要包括： 1 、新型港口机械设计方法理念的阐述； 2 、港机零部件的参数化以及三维模型零件数据中心建立过程中关键 技术的研究； 3 、在港口机械零件三维模型数据库实际建立过程中，对其中相关技术 与难点解决方法的阐述，从而实现其主要功能； 4 、通过p r o e n g i n e e r 软件建立的三维模型直接建立二维工程图的 生成。 1 4 本文创新点 1 、针对港机结构三维造型的困难性，本文提出了“自上而下”的整机 模型拆分与“自下而上”的零件模型装配的设计方法。采用这种设计方法， 可以使设计人员对于设计进度以及设计过程中，自己手中所拥有的资源有 一个较好的概念，避免在设计中，出现过多重复劳动或者是错误的决策。 2 、在完成了港机结构在c a d 三维软件中的建模之后，将相关数据传 输到c a e 分析软件中，对整机模型进行分析。之后，将分析中发现的问题， 在c a d 三维模型中进行修改。实现c a d 与c a e 在一个系统中的集成。目 前，还没有这样一个完整的系统。限于论文篇幅与时间，c a e 部分的分析 实现将由其他人完成，不在本文中论述。 3 、由于采用了上述的港机结构设计方法，同时，为了避免因为整机模 型中的一个参数的变化而导致整机模型的再生成失败，所以，本文提出了 将所有模型参数设置在零件以及部件的模型中，而不是整机的装配件中。 采用这种设置参数的方法，最大程度上避开了参数之间的“嵌套”，以最直 接的方式达到修改模型的目的，将复杂的问题简单化。 7 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 4 、本文提出了结合s q ls e r v e r 数据库系统，设计一个港机结构三维 模型零件数据库。在数据库的建立过程中，利用s q l 语句，可以根据模型 的一些相关信息，得到之后有限元分析计算中需要用到的参数，例如，重 量、惯性矩等。另外，在数据收集过程中，录入数据库的数据可以为之后 的制造，加工，装配，原材料的购买等产品生产的各个阶段提供很大的帮 助。 5 、由于设计方法的要求，需要用到s q ls e r v e r 数据库技术来管理三 维模型零件库，另外，需要以p r o e n g i n e e r 作为建立三维模型的软件工 具，同时，又需要以v c + + 的编程技术完成后台数据交换以及前台用户操 作界面，所以，在本论文中，以三种软件结合将整个设计过程联合起来， 使设计过程更为简便，界面更加友好。 6 、由于在p r o e n g i n e e r 中已经建立了港机结构的三维模型，所以， 在本文中，直接使用该三维设计软件来生成用于工程中的工程图。通过该 三维软件中的工程图模块的，结合其他各种功能，使直接生成的工程图所 表达的信息与a u t o c a d 所绘制的工程图基本相同。 8 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 第二章三维造型方法在港机结构件中的应用 2 1 应用方法的概述 在港机结构件设计过程中，应用三维造型方法的一般过程是：在结构 分析的基础上，将整机分为各个不同的分部件，再将每个分部件分解为不 同的部件，最后将每个部件拆分成底层的零件。将符合条件的零( 部) 件 录入到数据中心中，作为港机结构设计的基础零件。同时，为这些零( 部) 件设置参数，以便进行之后的零件模型再生成。在设计每台不同的港机结 构时，通过这些基础零件，派生出需要的零件，并在数据中心里，同时生 成每台港机结构的零件数据库，最终实现从底层零件到整机的装配。 2 1 1 港机结构“自上而下”的零件拆分 以往大多数利用三维模型设计的例子中，通常都是一块板件，一块板 件地拉伸进行建模，或者由于某些截面的特殊性，可直接从头到尾地拉伸 出一根梁，例如起重机后大梁的主梁，等等。这样的方法对于形式相对较 为固定，有较多系列件、通用件的港口起重机来说并不十分合适。因为， 每当开始一项新的设计时，虽然会有一些特定的要求，但是大的结构及多 数部件仍然是依照传统形式的要求。如果每次都从头开始进行三维建模， 则会在重复以前工作这一项上浪费较多的人力和物力，是相当不经济的做 法。 所谓“自上而下”的零件拆分，就是由整个港口起重机开始，将其“拆 分”成各个部件，例如前大梁、后大梁等等；再将各个部件“拆分”成分 部件，例如后大梁的主梁，后置平台等等；最后，将各个分部件“拆分” 9 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 到不能再“拆分”的零件，例如一块板件等。即：整机一部件7 一分部件一 零件。下图所示的就是整机模型分解到零件的过程： 图2 1 整机分解到零件的流程图 在完成对整机分解的分析后，就可以发现一些基本上在每台港机中都 要使用的零件。这些零件就是在以后的港机设计中，可以利用的“基础零 件”。通过对每一个零件设置参数，使这些三维模型参数化，得到的参数模 型可以在日后的建模中，派生出结构形式相同但尺寸不同的派生零件。为 建模节省大量的人力、物力与时间。接下来要做的就是将这些具有“普遍 性”的零件和部件放入到数据中心的一个“零件数据库”中，进行系统化 的管理。在以后需要使用的时候，只需要按一定条件在数据中心里查询， 然后从相应的零件数据库中调即可。数据中心，就像是将工作时需要使用 的工具分门别类地进行整理后，放在不同的抽屉中，从而避免了不必要的 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 重复建模的麻烦，而且对所有这些模型都能有一个系统的管理。 图2 2 零件数据中心演示图 自上而下的整机零件拆分是将三维造型方法应用到港机结构件设计中 的关键第一步。在这一步中，首先，必须将结构复杂的港口起重机清楚地 分解开，直至分解到无法再分解的单个零件。对于结构的理解不透彻，或 者，无法分清楚其中的相互关系，将直接导致零件数据中心中数据库生成 的失败。其次，数据中心指的不是将所有见到过的零件都放到一个数据库 中。这样建立的数据库，不但在建立的时候相当耗时耗力，而且，会占用 过多不必要花费的空间。不可能将无数个零件都放在库中，我们只是在众 多相似的零件中，选取一个或几个最具代表性与特点的零件放入库中。至 于实际设计中的零件与库中所选出的零件的不同之处，则是需要设计人员 在之后进行的模型修改与完善中来实现。以这种方式实现的港口机械自上 而下的零件库化将是一种有效、快速的设计方法。它既实现了相同、相似 件的快速调用，又能够按照不同的设计要求，设计出与以往不同的机械零 件。 这种方法的前提是从根本上，清晰地认识与理解港机结构中所包含的 各种零部件。在“白上而下”的过程中，应理顺整理中的各个部件，部件 中的各个零件的关系，基本了解在整台港机中，哪些零件是一般港机结构 中所共有的；哪些零件是这台港机所特有的。以此为基础来建立港机零件 的模型，从而达到高效地利用已有的三维模型，通过建立特有零件模型或 修改现有零件模型，而后进行“自下而上”的装配，最终完成整台港机三 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 维模型的建立。 2 1 2 港机结构“自下而上”的零件装配 完成了上面的步骤之后，就相当于，我们手中已经有了各种各样用于 制造港机结构的零件。接下来的工作，就是利用手中的“零件”，完成需要 的模型。有了这样的数据中心之后，我们的工作方式也将会发生了改变。 不再像从前在三维软件中建模那样一一拉伸一块板之后，再在这块板的基 础上，拉伸另外一块板。如此不断叠加，最终完成整机的建模。如前述一 样，这样的建模方法不但耗时耗力，容易重复劳动，而且，某些零件建模 中的错误，将对下一个零件，甚至是整机模型，造成巨大影响。现在，我 们将要使用的方法是一种“装配”的方法一一将手中所拥有的零件，按照 各种装配关系，装配成整机模型。使用这种方法的话，则完全不用考虑零 件建模中的错误对于整个模型的影响。因为，在建立零件模型的时候，就 会将此问题解决。另外，相对于原来的方法，零件的装配将显示出其省时 且省力的优点。 所谓“自下而上”的零件装配，指的是在装配零件时所遵循的装配顺 序。即，按顺序将需要的零件从零件库中取出后，组成一个分部件；再将 以完成的那些分部件组成不同部件；最后由这些部件组成整机。其顺序为： 零件库中的零件一分部件一部件一整机。由最小的部分开始，逐渐构造出 整个模型，这就时自下而上的基本思想。在取出模型的同时，利用之前已 经在零件模型中设定好的参数，改变相应的尺寸以达到实际设计港机中的 要求。这样就可以成功地从基础零件里派生出需要的零件。再将这些派生 出的零件的信息录入到一个详细数据库中进行管理，不但可以为之后的有 限元分析等提供必要的信息，也可以作为以后港机结构设计的参考。 所谓的零件装配，是对于各单个零件，分部件，部件之间的位置关系 的定义。这一步，可以形象地理解为现实中的“装配”，只是，它并不是发 生在现实中，而是在计算机的三维建模的界面中。遵照一定的位置、装配 关系，合理地摆放各个零部件，才能正确地建立起整机的三维模型。 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 一0 r l 挚件装配l ij 图2 3 模型装配过程中的数据库操作 自下而上的零件装配是使这个设计初显雏形的一步。在这一步，对于 设计本身的理解同样重要。因为是自下而上的装配，所以，自然要清楚哪 一部分是“下”，哪一部分是“上”。这样才能正确地处理装配时候的先后 顺序。另外，更为重要的是装配约束关系的设置。由于是人通过三维软件 来进行操作，所以必须符合软件中要求的各项装配约束条件。 2 1 3 零件模型数据中心盯 由于港机结构中的零件数量众多，想要实现上述的设计方法，就一定 要有一个很好的零件管理系统。所以，需要借助数据库的帮助，来管理庞 大的数据信息资料。数据中心的查询功能能够帮助我们开展以后的工作。 如果说，前述的三维造型方法是港机结构件设计的主体部分，那么，数据 中心的管理就是实现这种设计方法必不可少的辅助部分。 数据库中心包含针对港机结构中一般共有的零件数据库，即总数据库， 以及只针对莱种港机结构的零件数据库，即详细数据库。将总数据库作为 雷 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 详细数据库的基础，通过调用总数据库中已有的零件模型，同时，对零件 加以修改，再生，来建立详细数据库。使用零件数据中心能大大加快产品 的设计速度，提高设计质量，方便设计的修改。同时还可以： 使设计人员充分了解现有的三维零件模型，不需要重复创建，提高 工作效率； 保证资料的详细记载，减少重复劳动； 根据零件数据库的相关信息，决策人员能够很好地掌握全局，做出 正确的决策； 有利于整个产品开发过程的系统化。 在设计时，只需要在建立好的数据中心里进行相应的查询，找到我们 需要的零件所在的位置，然后再调用即可。只有建立这样一个数据中心， 才能使结构件三维造型设计方法得以实现。否则，面对大量的模型与数据， 设计人员也许根本无从着手，这也就违背了我们希望尽量减少人力物力的 投入，缩短设计周期的初衷了。另外，大型的港机结构设计不是一个人可 以完成的，它需要多人共同设计，所以，我们需要有效地利用数据库对各 个正在进行不同部分设计的设计人员对同一数据库的调用进行管理，避免 数据冲突或者越权访问等问题的产生。 在企业对产品的设计制造过程中，利用这样的数据中心管理系统，在 设计阶段，不但能够管理各部分的设计人员，而且能够实现最大程度上的 资源共享；对于之后的分析修改阶段，也可以利用数据中心中的资源，缩 短修改周期。根据设计修改阶段，在数据中心中收录的信息，企业可以对 材料的采购，加工，生产等做出适当的决策，从而实现 c a d c a p p i c a m c a e 在设计，生产，分析以及技术管理等方面的集成。 根据上述内容，可以通过下图来表示三维造型功能在结构件中应用的 大致流程： 1 4 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 图2 4 三维造型功能在结构件中应用的大致流程 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 2 2 实现三维造型方法在港机结构中应用的相关技术 2 2 1 三维造型、装配技术1 1 0 1 川1 2 1 本次论文中，使用的是p r o e n g i n e e r 软件来实现三维模型的建立。 p r o e n g i n n e r 是有美国参数技术公司推出的一套博大精深的三维 c a d c a m 参数化软件系统，它的内容涵盖了产品从概念设计、工业制造 设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的输出、生产 加工成产品的全过程。p r o e n g i n n e r 除提供了拥有强大建模能力的基本 模块外，还提供了许多专用模块，例如，基础曲面模块、i s d x 模块、钣金 设计模块、机械运动仿真模块、动画模块、行为建模模块等等。这些模块 可以帮助设计人员快速完成产品的三维造型与分析等，方便地完成对模型 地修改，从而大大缩短设计周期，降低设计成本。 从上面的简单介绍中，我们不难发现，p r o e n g i n n e r 是一个具有强 大三维参数化造型功能的软件，它的出现使机械设计不再停留在平面上。 三维实体模型使整个设计过程更加直观，更容易理解。在使设计人员的设 计过程变得更为方便快捷的同时，也让客户在产品的设计初期就能对产品 有一个总体的概念，并能直观地指出初步设计中的不足。这样一来，在很 大程度上节省了设计的时间和费用。 在p r o e n g i n e e r 中，通过装配约束，可以制定一个元件相对于装配 体中另一个元件( 或特征) 的放置方式和位置。装配约束的类型包括匹配 ( m a t e ) 、对齐( a l i g n ) 、插入( i n s e r t ) 等。一个元件通过装配约束添加 到装配体中后，它的位置会随着其相邻元件移动而相应改变，而且约束设 置值作为参数可随时修改、并可与其他参数建立关系方程。这样整个装配 体实际上是一个参数化的装配体。在以这种方式装配模型的时候，能否成 功地设置装配约束需要用到的面、线等是关键。盲目地在不需要的地方设 置平面或者轴线等，不但无法正确、迅速地找到装配时需要用的面或线， 同时还会使整个界面看上去比较杂乱，所以，在这里也是要注意的。 在设计过程中，特剐是当设计的结构十分复杂时，设计人员也许无法 上海海事大学硕士学位论文三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 注意到一些细节上的偏差。但是，细节的偏差却可能导致整体结构或者装 配上的致命问题。此时，p r o e n g i n e e r 为用户提供了静态和动态的两种 干涉检查以及其他分析功能，让用户可以在初步设计完成之后，可以尽快 找出模型中存在的不足之处。 图2 - - 5 干涉检查 2 2 2 三维参数化技术m 1 1 盯1 盯 参数化设计方法( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 是2 0 世纪8 0 年代末提出的一 种c a d 产品设计方法，指参数化模型的尺寸用对应关系表示，而不需要确 定具体数值。变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，并遵循 约束条件，这就是采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几何形状， 自动实现产品的精确造型。 参数化设计方法与传统方法相比，最大的不同在于它存储了设计的整 个过程，能设计出一族而不是单一的产品模型。将参数化设计技术运用于 实体造型得到的参数化实体造型技术( p a r a m e t r i cm o d e l i n g ) ，以及在此 基础上发展起来的参数化特征造型技术和尺寸误差分析技术是当前国际上 c a d c a p p c a m 集成的重点研究方向。它的进展对于c a d c a p p c a m 的 1 7 上海海事大学硕士学位论文 三维参数化设计在港机结构中应用的关键技术研究 集成至关重要，同时也将对设计自动化产生重大的影响。参数化设计以其 能够使得工程设计人员不需要考虑细节而能尽快草拟零件图，并可以通过 变动某些约束参数，而不必运行产品设计的全过程来更新设计的