（机械设计及理论专业论文）在ansys环境下对复杂流道参数化建模的研究.pdf

在a n s y s 环境下对复杂流道参数化 建模的研究 摘要 传统的螺旋进气道设计流程是采用经验设计加上稳流实验台上的反复 试验，多次修正气道形状的方法进行设计。在设计开发中存在着较大的盲 目性与局限性，不仅设计开发周期长，耗费大，而且较难得到理想的方案。 论文以柴油机螺旋进气道为研究对象，在大型c a e 通用有限元分析软件 a n s y s 环境下对螺旋气道进行建模分析柴油机螺旋气道建模的几何参数， 把这些参数作为设计参数，借助v is u a i c + + n e t 的集成开发环境，实现螺 旋气道的参数化建模。并在此基础上，在a n s y s 环境下对螺旋进气道进行 了c f d 分析，提出了更为合理的气道改进方案。 本文的研究具有较强的实用性，结合v js u a i c + + n e t 与a n s y s 实现了 螺旋结构的参数化建模，实践证明，两者结合能够发挥各自的优势，本论文 为柴油机螺旋进气道的参数化建模提供了一条新途径提高了此类模型的 建模效率，方便了工程应用。针对在a n s y s 环境下的f l o t r a nc f d 分析螺旋 进气道所存在的问题，提出了改进措施。 关键词：螺旋进气道a n s y s vis u aic + + n e t 参数化建模f l o t r a nc f d 分析 t h ei n v e s t i g a t i o n 0 fc o m p l i c a r e di n l e t s p a ra 匝t e rm o d e l i n gb a s e d0 na n s y s a b s t r a c t t h ec o n v e n f i o n a ld e s i g nf l o wo fd i e s e lh e l i c a li n t a k ep o r ti sa d o p t e db y e x p e r i e n c ed e s i g na n dr e p e a t i n ge x p e r i m e n t a t i o n t h e r ea r eb l i n d n e s sa n dl i m i t i nc o n v e n t i o n a ld e s i g n ，a n dt h ee x p l o i t a t i o np e r i o di sl o n g i th a r dt od e s i g n a c c u r a t e l yb yt h ec o n v e n t i o n a lw a y a d e s i g ne x a m p l ei sg i v e nf o rd i e s e lh e l i c a li n t a k ep o r tb yf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，a n d t h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sa r ep r o c u r e d a c c u r a t e m o d e l i n ga n dd e s i g n a r er e a l i a e db ya n s y sa n di n t e g r a t i o ne x p l o i t a t i o n c o n d i t i o no fv i s u a lc + + n e t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fc f db a s e do n a n s y s ，t h er e a s o n a b l ea m e l i o r a t i o np r o j e c t so f d i e s e lh e l i c a li n t a k ep o r ta r ep u t f o r w a r d t h ei n v e s t i g a t i o no fd i e s e lh e l i c a li n t a k ep o r ti sa p p l i e d t h ea p p l i c a t i o n e x a m p l es h o w st h a tt h ea p p l i c a t i o no fd e s i g nm e t h o db a s e da n s y s a n dv i s u a l c + + n e ti sf a v o r a b l ef o ro v e r c o m i n gt h eb l i n d n e s sa n dl i m i ti nc o n v e n t i o n a l d e s i g n ，e n h a n c i n gp r o d u c ti n d e p e n d e n td e v e l o p m e n ta b l i t i t y a n di m p r o v i n g q u a l i t yo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h ea m e l i o r a t i o nm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d t oa c c o u n tf o rt h e p r o b l e mo ff l o t r a nc f da n a l y s i s k e yw o r d s ：d i e s e ld e l i c a li n t a k ep o r t ；a n s y s ；v i s u a lc + + n e t ； p a r a m e t e rm o d e l i n g ；f l o t r a n c f d 【i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：占皤闻 2 0 0 7 年月如1 3 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此舰定) 论文作者签名：拥春雨导师签名2 0 0 7 年月易日 x - 西大掣啁仕掌位论文 在a n s y s 环捌 下对复杂稿口t 事羲化建壤的研究 1 1 参数化设计技术 第一章绪论 传统的实体造型技术都是无约束的自由造型技术，要想修改结构形状，只有重新造 型而产品的设计不可避免的要多次反复修改，因此，对c a d 系统的修改和编辑功能提 出了更高的要求。参数化设计技术应运而生，它可以使产品的设计图形随着某些结构尺 寸的修改和使用环境的变化而自动修改图形。参数化设计是新代智能化、集成化c a d 系统的核心内容，也是当前c a d 技术的研究热点参数化设计技术以其强有力的草图设 计、尺寸驱动修改图形的功能成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案 比较和动态设计的有效手段f j j 。 参数化实体造型方法是在2 0 世纪8 0 年代中期由c v 公司提出的。参数化方法实现基 本体素的参数化定义，这样就可以使库中体素根据参数的改变而自动地改变，从而作为 特征被引用的体素模式可由设计者灵活地调节其几何信息。可构造与各个体素模式一 对应的参数表，它由定义体素的参数之间确定的关系构成，成为体素几何信息的唯一来 源，参数的改变直接驱动参数表的改变，也就完成了基本体素的参数化驱动。参数化程 序设计突出的优点是快速、准确，传递数据可靠，特别是对那些结构形式与结合方式确 定的设计。如结构形状不变，只改变大，j 、，可通过改变几何参数加以控制：组合方式不 变，则可设一关系类参数控制其变化 1 1 1 参数化设计的含义及发展状况 参数化设计一般是指设计对象的结构比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系， 参数的求解比较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改 受到尺寸驱动。生产中最常用的系列化产品就是属于这一类型。它的主要特点是；基于 特征的设计、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。应用参数化设计系统进行 机械产品设计，其系统操作与运行比较简单，并能将己有的某种机械产品设计的经验和 知识继承下来。 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 出一族丽不是单一的产品模型参数化设计技术过程使工程设计人员尽快建立产品模 在a n s y s 环境下对复杂翻0 道参舅化建模的研究 型，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，从而在设 计系列化产品时不必一次次都重新运行设计全过程。因此，这种设计技术己成为进行产 品初始设计、模型编辑修改及对多种方案进行比较的有效手段目前新推出的造型系统 都具有一定的参数化设计功能1 2 】。 参数化设计的基本特点是针对实际的生产设计中同一类型但不同规格的产品，其实 际设计时的差别仅在于特定的若干关键技术的选择。针对这种特点，我们编制定的程 序，让计算机按照给定的要求自动完成产品的设计，修改设计时只需修改绘定的相关参 数，其它部分由计算机来完成。作者选取一种具有参数化设计功能的软件系统，利用面 向对象软件平台，结合变量化方法完成了柴油机螺旋迸气道的快速建模与分析 从参数化技术能够处理的图形的复杂程度来看，参数化技术的发展经历了以下几个 阶段例 1 单个视图平面图形的处理 这一时期参数化设计的求解方法主要局限于代数法，即通过一系列特征点来定义实 体的几何形状，所有几何约束转化为以这些点坐标为未知量的方程组，通过求解方程组 确定这些特征点按这种求解方法要完成多视图的参数化求解困难很大。 2 多视图平面图形的处理 随着人工智能技术的发展，产生了基于几何推理的参数化设计方法，在基于几何推 理的求解方法中，与纯代数求解法相比有以下两点不同之处： ( 1 ) 将几何求解引入参数化设计一般来说，对于以直线和圆弧为主体的纯几何问 题，代数方程的联立求解不如几何求解方便，几何求解可以利用图形间的相切、平行、 垂直等语义做出计算误差修正，因此算法往往比单纯的代数求解可靠、速度更快。 ( 2 ) 将传统的画法几何中的视图投影原理引入参数化设计。 3 二维装配图的处理 随着面向装配的设计( d f a ) 和面向制造的设计( d f m ) 等现代设计理论的提出，人们 也将参数化对象从二维零件图逐步转移到平面装配图上来。实现装配图参数化的关键是 装配模型的建立，而建立装配模型的关键是设计装配模型的数据结构和确定装配件间的 定位关系。美国学者l i e b c r m a n 和w e s l e y 在几何造型a u t o p a s s 中利用图结构来描述 装配关系和数据结构。e a s t m a n 利用树形结构建立了零件之间的定位 虱( l o c a t i o n g r a p h ) ， 树的结点对应固定的变换矩阵。k 岫w o o ll e e 引入虚拟链( v i r t u a l _ l i n k ) 的概念，将虚 拟链与树形结构相结合来存储装配模型信息，逶过虚拟链信息建立装配层次关系和联接 2 在r n s y s 环境下对，：杂矗潍番，奢毗建撬的研究 相互配合的零件。 4 三维图形的处理 实现三维图形的参数化一般从两个角度进行研究【4 j ： ( 1 ) 从= 维平面模型到三维立体模型的三维重建技术。由三视图自动生成轴侧图是许 多c a d 软件工程师的设计要求。自从1 9 7 3 年提出三维重建课题以来，虽经近三十年的研 究但进展不大，究其原因主要是没有从工程图样角度出发来考虑和解决问题。如传统的 三维重建基本上是从数学和逻辑推理的特点考虑闯题，由于工程图样表达的积聚性和规 则性等特性，若不从图形角度出发，则不可避免地会产生大量的虚点、虚线、虚面和虚 体，这些虚元素需要花大量的时间去消除，往往又根本无法消除或者无法正确地清除。 ( 2 ) 建立参数化的三维造型，从三维造型自动生成二维视图并与之相对应，对其中一 个视图的改变将立即引起其它视图相应的改变，如a u t o d c s k 公司开发的三维机械设计 软件m d t ( m e c h a n i c a ld e s i g nd e s k t o p ) 在以上四个发展阶段中，可处理的图形复杂程度是伴随着计算机技术的不断发展而 提高的。目前人们并不满足于纯粹意义上的图形参数化设计，一般认为，传统的参数化 c a d 仅仅是将设计结果参数化，而非设计过程参数化，提出将图形参数引入工程约束实 现设计过程参数化。 参数化程序设计突出的优点是快速、准确，传递数据可靠，特别是对那些结构形式 与结合方式确定的设计。如结构形状不变，只改变大小，可通过改变几何参数加以控制： 组合方式不变，则可设一关系类参数控制其变化对于创新设计，单纯通过修改参数， 显得不够灵活，还需要采用人工输入的方法补充某些系统不能完成的功能，结构参数可 以向下一级设计传递。 1 2 研究柴油机参数化建模的意义 l 上1 柴油机螺旋气道参数化建模的现状及发展趋势 进气道是发动机的关键部件之一，其优劣直接影响发动机的功率、油耗、排放和噪声 等主要技术指标，但柴油机的进气道，特别是螺旋进气道，存在形状复杂，分型面特殊等问 题，制造难度大。进气道外形属于自由形曲面，难于用传统的画法几何的方法来表达，长 期以来，进气道的设计都是先用手工塑造个气道模型，经反复气动试验合格后，再根据模 型绘制出一组剖面画，然后根据这些二维图形造出气道轮廓。显然，传统的用二维图形表 在a n s y s 环境下对复杂翻随搴，舞【化建壤的研究 示三维立体的方法即难以保证精度又费工费时 5 - 7 1 传统的气道设计大致分为以下几个步骤：根据柴油机的性能要求，确定气道的流通 截面和气道气流沿程截面变化，然后计算气门最小喉口处的气体流速，并对其马赫数进 行校核，一般膨0 5 ；在原有相仿的气道基础上，制造阳模、阴模；完成气道模型 的设计后，进行气道性能试验，测试性能参数，通过对气道的试验进行修改，直至达到 满意的气流性能参数为止；阴模定型，完成工艺制造的图纸；制造泥芯模具。由此可 见：要完成一个气道的设计，必然消耗大量精力，这种传统的气道设计方法，无法控制最 后的设计信息和最后的设计结果，且不易看出气道存在的问题【8 。1 0 l 。 利用计算机实现进气道模型的三维遥型，可以缩短生产周期，实现气道形状方案的选 择和气道形状的优化，消除人工三维造型的误差。c a d 可输入图形信息，统计气道数据形 成数据库，根据柴油机结构参数优选气道主要结构参数，便于研究者发现总体趋势及问题， 可输出数值化和图形化的大量准确的产品信息 近年来，计算机技术迅猛发展，特别是计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助几何设计 ( c a g d ) 的不断成熟，国内外都出现了把c a d c a m 技术引进柴油机进气道设计和制造的 许多造型方法。例如，美国西南研究所( s o u t h w e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 采用p r o e n g i n e e r 怍为 c a d 支撑软件，共用了1 5 1 个参数来定义螺旋进气道，通过三维实体的布尔运算建立了 气道的实体模型 1 3 - 1 q 但是用这种方法，建模过程较为复杂，需要考虑的影响参数也偏 多到了九十年代后期，c f d 技术应用于柴油机螺旋迸气道的研究逐渐增多川 s l 。由于 螺旋进气道的复杂外形，模拟计算的时间一般较长。f l u e n t 公司专门对柴油机螺旋进 气道的网格划分做了研究，使得网格划分能合理地反映几何形状，计算结果能更精确的 反映流场细节，同时也使计算时问不太长【l 习。 8 0 年代以来，国内外一些学者如国内的常思勤及捷克的m i l a n g a c e r 等相继开展了应 用先进的c a d c a m 技术进行三维气道造型设计和三维流动分析计算等方面的研究，且 己经取得了较大的进展【1 6 。m 。 参数化设计主要是为了提高设计效率而迸步发展起来的，它使用十分简便，效率 相对较高，生成几何模型速度快，在工程设计中有很广泛的使用前景。只有实现了柴油 机螺旋进气道的参数化的造型设计，才能方便快捷的生成多种不同的设计方案。 4 ：蓖a n s y s 环境下对复杂翻随参羲化建楔的研究 1 2 2 柴油机螺旋气道参数化建模的必要性 当今，市场竞争的压力不断加大，企业若想求得成功必须对市场做出快速响应，尤 其是在企业的生产技术和组织形式有过去的单一品种大批量生产模式向多种小批量的 柔性、高效生产模式转变的今天，需要产品设计者能够建立起一个既能反映产品生命周 期各阶段数据要求，又能反映各阶段数据关系的可变型产品模型，以快速响应用户订单 需求 产品设计是将创新构思转化为有竞争力的产品的一个创新过程。因此，设计是产品 的生命，也是产品制造的前提和基础。现代产品设计强调采用先进的设计方法和手段。 因此将信息技术应用于新产品研制以及实施途径的改造，是现代企业生存、发展的 必由之路。产品模型是基于信息理论和计算机技术，以一定的数据模式定义和表达在产 品活动中的有关产品数据的内容、过程和联系的数字化信息模型。 所以从产品的设计过程来看，参数化设计是必须的。 现代产品设计是一个多学科相交融的综合性学科。所谓设计，是指根据使用要求确 定产品应具备的功能，构思产品的工作原理、总体布局，运动方式、力和能量的传递、 结构形式、产品形状，以及色彩、材质、工艺、人机工程等事项，并转化为工程描述( 图 纸、设计文件等) ，以此作为制造的依据。 一般情况下，一个产品的设计要经历如下环节【1 9 】： ( 1 ) 需求分析和可行性研究。通过市场调研分析用户需求进行产品开发的可行性研究 与分析。 ( 2 ) 概念设计。在需求分析和可行性研究的基础上，确定产品应具备的功能，进行方 案的构思、分析和论证，确定一组可行的原理性方案。概念设计主要包括功能设计、原 理设计、形状设计、布局设计和人机工程设计等。 ( 3 ) 初步设计。从原理性方案中选择优化方案，进行初步的总体设计，确定各部件的 基本结构、形状以及协调尺寸，建立相应的数学模型，进行主要设计参数的分析计算与 优化 ( 4 ) 详细设计。确定设计对象的细节结构，进行详细的总体设计和零、部件设计，完 成产品的工程描述。 ( 5 ) 试制与测试。完成产品的样机生产及有关测试项目，并进行设计反馈与修改。 ( 6 ) 设计定型。完成产品设计定型的各种技术文件，投入批量生产。 5 在a n s y s 环自忭对复杂秘l 道参羲化建辘的研完 ( 7 ) 设计改型。根据产品投入市场后的用户意见和批量生产中的问题反馈，对产品不 断进行设计完善和修改。 现代产品设计强调全生命周期设计，即产品设计是一个“设计一评价一再设计”的反 复迭代过程。在产品的整个生命周期中，设计定型并不意味着设计工作的结束，只要产 品还在生产和销售，就必将反馈大量的用户信息和生产制造信息，并要求对产品不断进 行修改因此，设计贯穿于产品的整个生命周期。所以提高设计效率、缩短设计周期、 加速产品的更新换代，以增强产品的市场竞争力。基于以上的要求，人们提出了参数化 设计的概念。 产品设计是一个剑新思维和反复迭代的寻优过程。作为现代产品设计方法及手段的 综合体现，参数化设计在产品设计中发挥了重要作用。参数化设计不仅可以使c a d 系统 具有交互式绘图的功能，还可以使其具有自动绘图的功能。利用参数化设计开发出来的 专用的产品设计系统，可以使设计人员从大量繁琐的绘图工作中解脱出来，可以大大提 高设计速度，并减少信息的存储量，将主要精力投入到创新思维的工作中。所以研究和 提高参数化设计技术，是c a d 技术应用领域内的一个重要的任务。 1 3 本文的研究内容 论文以柴油机螺旋进气道为研究对象，提出了构建一个快速建模系统的设想。本文 的研究具有较强的实用性，结合v i s u a lc h n e t 与a n s y s 实现了螺旋结构的参数化建模， 实践证明，两者结合能够发挥各自的优势，实现a n s y s 更高级的开发和应用。同时，本论文 为柴油机螺旋气道的参数化建模提供了一条新途径，提高了此类模型的建模效率，方便了 工程应用。在此基础上，对比两组不同的几何设计参数对柴油机螺旋气道在a n s y s 环境 下进行了f l o t r a nc f d 分析，给出了改进方案 本文的工作主要包括以下几个部分： ( 1 ) 阐述了论文的研究背景，参数化技术的发展历程及柴油机参数化建模的意义 ( 2 ) 完成螺旋气道参数化设计的概要设计，并对软件平台的选择和实现方式的选择 进行了比较分析和论证。 ( 3 ) 描述了螺旋气道研究的必要性，总结了部分有代表性的螺旋气道结构设计中共 性技术问题并选取一种有代表佳的柴油机螺旋气道作为实例，解决了方案设计、参数问 的传递关系等问题。 6 在a n s y s 环审盯对，：杂矗道参囊化建棋的研究 ( 4 ) 在a n s y s 环境下，对柴油机螺旋气道进行了f i ，o ，n ：a nc f d 分析，根据分析结 果提出了设计和改进方案。 ( 5 ) 实现了三维造型软件与支持平台问的通信，完成了螺旋气道的快速建模和二维 工程图的绘制 ( 6 ) 对论文中的不足和所遇到的问题进行说明，并对今后的工作进行7 阐述。 7 广冒j 矗鼻卸| 士掌位论文 在a n s y s 环境下对复杂翻t 参致化建模的研究 第二章柴油机螺旋进气道的建模及几何设计参数分析 2 1 特征建模技术 传统的几何建模是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切地定义，赋予一定的 数学描述，在以一定的数据结构形式对定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构 造一个实体的模型比较熟悉的建模系统如线框建模、表面建模和实体建模等，较详细 的描述了物体的几何信息和相互之间的拓扑关系。 由于几何建模存在的局限性，近年来人们开始研究一种新的建模方法，它面向产品 设计和制造过程，不仅包含了与生产相关的信息，还描述信息之间的关系，这就是特征 建模。特征建模技术近几年发展的很快，i s o 颁布的p d e s s t e p 标准已将部分特征信 息( 形状特征、公差特征等) 引入产品信息模型。现也有一些c a d c a m 系统开始采用 了特征建模技术 硼。 特征造型( f e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g ) 是以实体模型为基础用具有一定设计或加工功能 的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型的造型方法【2 “。这种方法以形状特征 为载体，加上精度、工艺、材料等信息进行造型，其优点是能以工程师所熟悉的方式进 行设计，因此比实体造型有更好的设计效率，更为重要的是由此所建立的几何模型不仅 包括了几何信息，还包括了工艺加工等信息，有助于加强设计、加工、检验等各个部门 间的联系，为c a d c a p 矾c a m 集成系统创造了前提。 特征建模技术使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，丽是依据产品的 功能要素，产品设计工作在更高的层次上展开，特征的引用直接体现设计意图。特征建 模技术可以建立在二维或三维平台上，同时针对某些专业应用领域的需要，建立特征库 就可实现特征建模技术，快速生成需要的形体。特征本身是参数化的，在特征建模时可 以通过程序控制技术对各结构特征的位置和尺寸进行修改。这样，设计人员就可以通过 更加方便的进行新产品的设计和开发。 特征建模技术有利于推动行业内的产品设计和工艺方法的标准化、系列化、规范化， 使得产品在设计时就考虑加工、制造要求，有利于降低产品的成本。特征参数均为隐式 表示，修改参数时，由隐式到显式自动生成，产生特征面，在面集上即可建立依赖关系、 8 在a n s y s 环翱r f 对复杂翻t 参莪化建攥的研究 标注尺寸与公差。由于特征定位尺寸、形状尺寸用变量符号( 或叫参数) 定义，修改尺寸， 通过依赖关系影响特征参数，从而达到修改特征形状与定位。 2 t 1 特征建模的概念 最初的特征定义仅包含了零件的几何信息，即主要是它的形状特征，但实际上特征 包含更多更广泛的含义和信息。自2 0 世纪7 0 年代末以来，许多学者都对特征进行了定义。 c h a y e s 和p w r i g h t 把特征定义为“被连续加工过程切除材料的形状”幽：s c l u b y 和 j i c d i x o n 把持征定义为“一个几何实体，该实体和c i m s 中的一个或多个功能相关”， d i x o n 又指出；“特征是具有形状与功能的双层属性的实体”；j s h a h 提出：“特征是一 个形状，对于这类形状，工程设计人员可附加一些工程信息特征、属性及可用于几何推 理的知识”。 由于特征源于设计，分析和制造等生产过程的不同阶段，因此对特征的认识也不尽 相同，目前较为通用的定义是1 9 9 2 年b r o w n 所给出的：特征就是任何已被接受的某 一个对象的几何、功能元素和属性，通过它们可以很好地理解该对象的功能、行为和操 作鲫。机械零件中的大多数形体是不规则的，这部分形体的生成要依靠用户的设计参与 来完成，通过用户的设计而生成的特征称之为设计特征。设计特征一般包括草图特征 ( s k e t c h e x if e a t u r e s ) 、辅助特征( c o n s t r u c tf e a m r 酷) 、工作特征( w o r kf c a t u r 韶) 和实体特征。在实体特征中包括拉伸特征( e x t r u s i o nf e a t u r e s ) 、旋转特征( r e v o l v e f e 缸u r e s ) 、扫描特征( s w e e pf e a t u r e s ) 等：工作特征包括草图平面特征( s k e t e h p l a n e ) 、工作平面特征( w o r k p l a n e ) 、工作轴特征( w o r k a x i s ) 、工作点特征( w o r k p o i n t ) 特征是一种综合概念，它作为“产品开发过程中各种信息的载体”，除了包含零件的 几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息。根据信息描述内 容的不同可将特征区分为形状特征、精度特征、材料特征，技术特征等。 从设计、制造一体化观点出发，可将形状特征定义为：“具有一定拓扑关系的一组 几何元素构成的形状实体，它对应零件的一个或多个功能，并能被一定的加工方法所形 成”还可以将特征定义为：“一组具有确定约束关系的几何实体，它同时包含某种特 定的语义信息”，即： 产品特征= 形状特征+ 工程语义信息1 2 0 1 9 在, 州s y s 环境下对复杂鲁l 递参奢化建壤的研究 产品特征：可以描述为具有一定属性的几何实体，这些属性主要包括描述特征属性 的数据、特征的功能和行为、特征间的相互关系。 形状特征：不同的应用中，特征都必然和定的几何实体相联系，这种几何实体具 有确定的内部约束和描述参数，它可以和任意的语义信息相关联。 工程语义信息：表达了特征的三类属性信息，即：静态信息、规则和方法、特征关 系。同时依据不同的应用，在产品的生命周期中，可以为特征赋予各种不同的语义信息。 其中主要的有： 设计语义信息； 制造语义信息； 质量检查语义信息； 仿真语义信息。 在具体系统中，特征被定义为一种参数化的形状单元，它具有几何、属性、制造知 识三方面面的信息，它同时满足设计和制造的应用要求。 特征形状定义一般有下列几种方式【2 4 j ； 特征形状完全取决于形状参数，多数规则特征均采用这种定义方式。 特征形状取决于截面轮廓与产生方法，多数自定义特征采用这种定义方式，由于 截面轮廓定义是参数化的，因此特征形状定义也是参数化的。 曲面构成特征，按照曲面构造方式可进行参数化修改。 特征结构参数决定一组特征布局，如圆形阵列特征由阵列半径及中心夹角参数决 定 可见，特征是从设计和制造经验中抽象出来的形状单元，它与制造工艺及制造环境 相关，因而它不是一个单纯的几何实体，这就是特征与传统模型系统中体素的区别。特 征是参数化的实体，实体上包含了一组待加工的“型面”。特征是设计中“体素的概念与 加工中的“型面”的概念的综合。从制造的角度来看设计者的意图，可以认为设计者定义 了零件的最终形状，而制造者则必须在实际加工之前定义出毛坏至零件最终形状的一个 或若干个形状变化序列。所以说，基于特征的产品建模就是对产品零件的产品模型的特 征的描述，是指通过计算机模型化处理，将工程图纸所表达的产品信息抽象为特征的有 机集合，使特征作为产品定义的基本单元。该模型不仅能支持各工程应用活动所需的产 品定义数据，而且能提供符合人们思维的高层次工程描述术语，并反映工程师的设计、 制造意图。 1 0 在a i q s y s 环嘲吓对：杂翻道参舞嘴建楔的研究 2 i 2 特征的分类 特征的分类与零件类型及具体的工程应用有关。应用领域不同，特征的含义和表达 形式也不尽相同，特征的数量也很难估计，因此要对特征作一通用的分类比较困难。 考虑到实际应用背景和实现上的方便特征可以分为造型特征和面向过程的特征。造 型特征是指那些实际构造出零部件模型的特征，可以分为形状特征与装配特征。面向过 程的特征与设计制造的过程相关，但不参与产品几何形状的构造，可以分为材料特征、 精度特征、性能分析特征和补充特征 2 5 - 2 6 1 。各种特征类型的描述如下： ( 1 ) 形状特征( f o r mf e a t u r e s ) 是指具有一定工程语义的几何形体，包含了这些 形体的几何信息和拓扑信息。形状特征包括主特征、辅特征、组合特征和复制特征四种 类型。 体特征主要用来构造零件的基本几何形体，根据特征形状的复杂程度又可分为简单 主特征和宏特征两类。 辅特征是依附于主特征之上的几何形状特征，是对主特征的局部修饰，反映了零件 几何形状的细微结构。辅特征依附于主特征，也可以依附于另一辅特征。 组合特征是表达一组按一定规律在空间不同位置而成的形状特征，如圆周均布孔、 齿轮的齿形轮廓等。 复制特征只由一些同类型辅助特征按一定的规律在空间的不同位置上复制而成的 形状特征 ( 2 ) 精度特征( p r e c i s i o nf e a t u r e s ) 用于描述几何形状和尺寸的允许变动量或误差。包 括尺寸公差、几何公差( 形位公差) ，表面粗糙度等。精度特征又可细分为定位尺寸公 差特征、定形尺寸公差特征、形状公差特征、位置公差特征、表面粗糙度等信息 ( 3 ) 材料特征( m a t e r i a lf e a t u r e s ) 用于描述与零件材料及热处理要求相关的信息。 包括性能( 机械特性、物理特性、化学特性、导电特性等) 、规范和材料处理方式与条 件( 如整体热处理、表面热处理等) 、检验方式等。 ( 4 ) 装配特征( a s s e m b l yf e a t u r e s ) 用于描述产品在装配过程中配合关系、装配顺序、 装配方法、技术要求等。 ( 5 ) 性能分析特征( a n a l y s i sf e a t u r e s ) 用于表达零件在性能分析时所使用的信息，如 有限元网络划分等，有时也称技术特征 ( 6 ) 补充特征( a d i l i o n a lf e a t u r e s ) 用于表达一些与上述特征无关的零件的其它信息， 厂西大学硕士掣啦论文二i ea n s y s 环期盯对，：杂流道参羲化建模的研究 如用于描述零件设计的成组技术( 0 3 3 编码等管理信息的特征，图号、批量、零件名称等 管理方面的信息也可称之为管理特征 由此可以看出，特征中唯不可缺少的是零件的几何形状，然后对于不同的应用领 域，它要依赖于该领域的工程语义。它的目的就是描述清楚产品的形状、功能要素。特 征是产品所有信息的集合，它不仅具有按一定拓扑关系组成的几何形状，而且要反映特 定的工程语义，能够将设计、分析和制造三个过程连接起来。所以特征应该被理解为一 个兼有形状和功能两种属性的一个专业术语，从它的名称和语义足以联想其特定几何形 状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法。 2 2 a n s y s 简介 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析 软件，其代码长度超过1 00 0 0 行，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、 机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防军工、土木工程、生物医学、轻工、地 矿、水利、日用家电等一般工业及科学的研究，是目前最主要的f e a 程序。改软件可 在大多数计算机及操作系统上运行；a n s y s 基于m o t i f 的菜单系统使用户能够通过对 话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，大大方便了用户操作。它具有与 p r o e ，n a s t r a n ，札o g o r ，i - - d e a s ，a u t o c a d 等多数c a d 软件的数据接口， 实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。a n s y s 公司成立于 1 9 7 0 年，是由美国匹兹堡大学的j o l l ns w a n s o n 博士创建的，其总部位于美国宾夕法尼 亚州的匹兹堡，目前是世界c a e 行业最大的公司。a n s y s 不断提高和改进，功能不断 增强，目前最新的版本已发展到1 0 0 版本【2 7 - 2 9 1 2 2 1 用户界面 a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，它较好的图形用户晃面( g u i ) ( 如图2 - 1 所 示) 及优秀的程序构架使其简单易学该程序使用了基于m o t i f 标准的易于理解的g u i 。 a n s y s 的用户界面主要由六大部分所构成：下拉式菜单( 又称应用命令菜单) u t i l i t y m e n u ；主菜单m a i nm e n u ：工具条1 o o lb a r ；输入窗口h p mw i n d o w ；图形窗 1 3 g r a p h i c sw i n d o w ：输窗d o u t p u tw i n d o w 在a n s y s 环匀e 下对，：杂囊口t 参捌。化建壤的研究 囝2 - ia n s y s 图形用户界面 f i g 2 一ia n s y sg r a p h i c a lu s e fi n t e r f a c e 通过g u i 可方便媳交互访闷程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一 步一步地完成整个分析，因而使a n s y s 易于使用。 在用户界面中，a n s y s 程序提供了四种通用方法输入命令：菜单；对话框； 工具条；直接输入命令 菜单由运行a n s y s 程序时相关的命令和操作命令组成，它们位于各自的窗口中。 用户在任何时候均可用鼠标访问这些窗口。a n s y s 命令根据其功能分组，保证了用户 快速访问到合适的命令。a n s y s 共有七个菜单窗口，具体包括： ( 1 ) 实用菜单：该菜单包括了a n s y s 的实用功能，在a n s y s 运行的任何时刻均可访 问此菜单。该菜单为下拉式结构，可直接完成某一程序功能或引出一个对话框。包括如 下菜单项f i 酸文件) ；s e l e c t ( 选择) ；l i s t ( 列表) ；p l o t ( 显示) ；p l o t c t f l s ( 显 示控制) ；w o r k p l a n c ( t 作平面) ：p a r a m e t e r s ( 参数化) ；m a c r o ( 宏) ； m e n u c t r l s ( 菜单控制) ；h e l p ( 帮助) 。 ( 2 ) 主菜单：该菜单由a n s y s 最主要的功能组成，为弹出式菜单结构，打开的某个 子菜单项将一直保持，直到打开一个层次上较高的子菜单后才自动关闭。由如下1 1 个菜 单组成( ) p r e f e r c n e e s ( 参数选择) ；p r e p r o c e s s o r ( 前处理器) ；s o l u t i o n ( 求解器) ： g e n e r a l p o s p r o c ( 通用后处理器) ；t n n e h i s t p o s t p r o c ( 时间历程后处理) ；d e s i g n o p t ( 优化设计) ：p r o b d e s i g n ( 设计) ；r a d i a t i o n o p t ( 辐射优化) ；r u n - - t u n e s t a t s ( 运行时间估计) ；s e s s i o ne d i t o r ( 文本编辑) ；o f i n i s h ( 停止) 广西大掣硕士掌位论文 在, 怂i s y s 环境下对，：杂- 霸口茸搴，羲化建模的研究 ( 3 ) 输入窗口：该窗口提供了键入a n s y s 命令的输入区域，同时，还可以显示程序的 提示信息和浏览先前输入的命令。用户可从l o g 文件、先前输入的命令或输入文件中剪 切和粘结命令。 ( 4 ) 图形窗口：该窗口用于显示诸如模型、分析结果等图形，其中显示所有图形并完 成所有图形拾取操作。 ( 5 ) 输出窗口：该窗口用于显示a n s y s 程序对已输入命令或已使用功能的响应信 息。用户想查看a n s y s 的输出结果，可以通过单击输出窗口使之显示在其他窗口前面。 ( 6 ) 工具条：该窗口允许保存最后的模型结某驮认的工具条包括存储工作文件 ( s a v e - d b ) 、读取工作文件( r e s u m e - d b ) 、退出( q u i t ) 等。用户可以利用【u 缸l n y m e n u 中的 m c n u c t r l s 菜单对工具条窗口进行编辑。 ( 7 ) 对话框：对话框是为了完成操作或设定参数而进行选取的窗口，该窗口提示用户 为完成功能所需输入的数据或作出的决定。 不管用户如何设置，命令总是用于提供数据并控制各种程序功能。新设计的用户界 面使用户可方便地通过菜单、对话框和工具条来选取和执行命令，并使其更加直观。用 户界面的交互性和根据功能组织的命令使命令句法对用户透明。 命令一经执行，该命令就会在l o gf i l e 中列出，该l o gf i l e 可在a n s y s 的输出窗口 中访问。当程序出现运行错误时，用户可浏览己执行过的命令，这些命令也可存为一个 文件，以用于批处理。 2 2 2a n s y s 的组成与功麓 对应分析过程的前处理模块、求解及后处理3 个阶段，a n s y s 由前处理模块、求解 模块、后处理模块三个模块组成。 1 前处理模块 该模块用于定义求解所需数据，用户可以选择坐标系统、单元类型、定义实常数和 材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制结点和单元，以及定义耦合约束方 程等。通过运行一个统计模块，用户还可以预测求解过程所需的文件大小及内存。 a n s y s 提供了广泛的模型生成功能，使用户可快捷的建立实际工程系统的有限元模 型。它提供了三种不同的建模方法，即模型导入、实体建模及直接生成。每种方法有其 独特的特性和优点，用户可以选择一种方法或其组合建立分析模型。 1 4 广1 可大明曩士掌位论文二ea n s y s 环境下对复杂流墟参羲化建壤的研究 2 后处理模块 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。 点击快捷工具区的s a v e - d b 将前处理模块生成的模型存盘， 出p r c p r o s c s s o r ， 点击实用菜单项中的s o l u t i o n ，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、 分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 该模块可以通过友好的用户界面获得求解过程的计算结果并对这些结果进行运算， 这些结果可以包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和数 据列表两种。 后处理访问数据集的方法有两种，一是用通用后处理器p o s t i 检查整个模型或模型 的某一部分中任意一个特定数据集的结果；二是用时间历程后处理器p o s t 2 6 跨过多个 数据集检查选择的部分模型数据，如特定结点位移或单元应力。从结果文件中读出的数 据保存在a n s y s 数据中，后处理中允许访问所有输入数据( 几何模型、材料和载荷等) 使用交互式可方便地操作数据库并立即提供结果图形和结果列表，通过q 切片功能可以 得到所分析模型在任何平面的结果。 a n s y s 软件的基本功能如下： ( 1 ) 结构分析 结构分析是有限元分析方法中最常用的一个应用领域。结构分析中得到的基本未知 量是结点位移，其他一些未知量如应力、应变、支座反力等都可以通过节点位移计算得 到。a n s y s 能过完成的结构分析有：结构静力分析、结构非线性分析、结构动力分析及 显示一隐式一显示耦合求解 ( 2 ) 熟分析 热分析用于计算一个系统的温度等热物理量的分布及变化情况基于热平衡方程， a n s y s 程序等构计算各结点的温度，并导出其他的热物理量。a n s y s 能够完成的热分 析有：稳态温度场分析、瞬态温度场分析、相变分析、辐射分析 ( 3 ) 流体动力学分析 a n s y s 程序的f l o r t