（车辆工程专业论文）基于cadcae的发动机曲柄连杆机构设计研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 曲轴连杆是发动机最重要的两个受力部件，其疲劳强度对发动机的可靠性和 安全性具有重要意义。由于曲轴连杆结构复杂，在发动机结构设计和改进过程中， 建立三维模型需要花费较多时间，而且在进行有限元强度分析时，其载荷条件的 施加也比较困难。c a d 二次开发技术和计算机辅助工程c a e 的参数化编程语言 的应用，能够方便快捷的建立三维模型和进行有限元疲劳强度分析，对缩短产品 的开发周期，提高产品竞争力有重要意义。 首先，本文通过研究a 玎认二次开发技术和c a a - - 二次开发原理，利用c a t i a 提供的二次开发工具c a a ，在分析曲轴连杆结构的基础上，建立了曲轴连杆的 参数化建模系统。通过输入曲轴连杆的主要参数，能够快速生成曲轴连杆的三维 几何模型，实现了曲轴连杆的参数化建模和局部结构尺寸的修改。 其次，将通过二次开发建立的曲轴连杆几何模型，导入前处理软件 h y p e r m e s h 中进行网格划分，为了得到高质量的网格模型，在网格划分时，采用 精度较高的1 0 节点四面体二次单元s o l i d l 8 7 。 最后，通过对曲轴连杆工作过程中的受力分析，并进行合理的简化，计算小 了曲轴和连杆在拉、压工况下的受力大小。利用a n s y s 提供的a p d l 参数化语 言编程，实现了曲轴连杆载荷的参数化加载和自动求解，得到曲轴连杆在拉、压 工况下的应力云图，确定其危险点。并对曲轴进行了疲劳强度的自动求解编程， 实现了快速求解曲轴各节点的安全系数；对连杆进行了基于接触理论的有限元分 析，对危险点迸行了疲劳校核。 通过本文的研究，大大简化了曲轴连杆的建模和有限元分析过程，为 q 虹) c a e 的集成和应用提供了参考，在实际的生产应用中有一定的指导意义。 关键词：c a a ；二次开发；参数化建模；有限元分析：疲劳强度 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec r a n k s h a f ta n dc o n n e c t i n gr o da r et h et w om o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h ee n g i n e t h ef a t i g u es t r e n g t hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r t h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fe n g i n e b e c a u s eo ft h es t r u c t u r ei sc o m p l e x ，i nt h ep r o c e s so ft h ee n g i n es t r u c t u r ed e s i g na n d i m p r o v e m e n t ，m o r et i m en e e dt ob es p e n te s t a b l i s h i n g3 dm o d e l ，a n di nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，t h ei n t e n s i t yo fl o a dc o n d i t i o ni sm o r ed i f f i c u l t t h eu s eo fc a ds e c o n d d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g ya n dc a ep a r a m e t r i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，m a d ee s t a b l i s h 3 dm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ef a t i g u es t r e n g t hm o r ec o n v e n i e n t ，w h i c h h a v eg r e a t s i g n i f i c a n c e f o rs h o r t e nd e v e l o p m e n t c y c l ea n di m p r o v ep r o d u c t c o m p e t i t i v e n e s s f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e sc a t i as e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n i q u ea n dc a a s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r i n c i p l e ，a n da n a l y s i st h ec r a n k s h a f tc o n n e c t i n gs t r u c t u r e ，b y u s i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l sc a t h ec r a n k s h a f tc o n n e c t i n gr o do f p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n gs y s t e m i se s t a b l i s h e d t h es y s t e mc a nr a p i d l yg e n e r a t e3 d g e o m e t r ym o d e lo ft h ec r a n k s h a f ta n dc o n n e c t i n gr o db yi n p u tt h em a i np a r a m e t e r s ， w h i c hr e a l i z e dp a r a m e t r i cm o d e l i n ga n dl o c a ls t r u c t u r es i z ec h a n g e s s e c o n d l y , i m p o r tt h ec r a n k s h a f ta n dc o n n e c t i n gr o dg e o m e t r ym o d e lw h i c hw e r e e s t a b l i s h e dt h r o u g ht h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti n t oh y p e r m e s hp r o c e s s i n gs o f t w a r e t om e s h i no r d e rt og e th i g hq u a l i t ym e s h ，u s i n gt h es e c o n du n i ts o l i d l 8 7w h i c h h a s l 0n o d e s f i n a l l y , t h ew o r k i n gf o r c eu n d e rp u l l i n gc o n d i t i o n 邪w e l la sp r e s s u r ec o n d i t i o n w a sc a l c u l a t e dt h o u g ha n a l y s i st h es t r e s so fc r a n k s h a f ta n dc o n n e c t i n gr o da n d r a t i o n a l l ys i m p l i f i e d u s i n ga p d lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ep r o v i d e db ya n s y s t o p r o g r a m ，t h ep a r a m e t r i cl o a d i n ga n dr a p i d l ys t r e n g t h a n a l y s i so ft h ec r a n k s h a f ti s r e a l i z e d ，g o tt h ep u l l i n ga n dp r e s s u r es t r e s sm a p ，a n df i n do u tt h em o s td a n g e r o u s p o i n t s a n dt h o u g hp r o g r a m m i n g ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h ec r a n k s h a f tc a nb es o l v e d a u t o m a t i c a l l y , a n dc a l c u l a t e dt h es a f e t yf a c t o ro ft h ec r a n k s h a f t t h ec o n n e c t i n gr o d w a sa n a l y z e db a s e do nt h ec o n n e c t i n gt h e o r y , a n dc h e c k e dt h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h e d a n g e rp o i n t s t h i sp a p e rg r e a t l ys i m p l i f i e st h em o d e l i n ga n df e ap r o c e s so ft h ec r a n k s h a f t a n dc o n n e c t i n gr o d ，a n dp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rc a dlc a ei n t e g r a t i o na n d a p p l i c a t i o na n dh a sac e r t a i ns i g n i f i c a n c ei nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ， k e yw o r d s ：c a a ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；p a r a m e t r i cm o d e l i n g ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；p a r a m e t r i cl o a d i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 不保密劝 学位论文作者签名：；吾投辉 z 叫口年易月j 2 日 指导教师签名：巧舌易 t 年勋日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：灞篾籽 日期：2 d 扣年月z 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 曲柄连杆机构是发动机两大机构之一，曲轴连杆是发动机的两大主要受力部 件，在工作中曲轴连杆承受着由缸内燃气作用力、往复惯性力及旋转惯性力引起 的周期性变化的交变载荷，并对外输出转矩，在长期交变载荷作用下，容易引起 曲轴连杆的疲劳失效。特别是随着发动机的发展与强化，使曲轴连杆的工作条件 愈加苛刻。由于曲轴连杆是承担由热能转换为动能的最关键部件，曲轴连杆的破 坏，可能引起发动机其他零部件的严重损坏，因此在发动机的设计与改进中，曲 轴连杆的设计占有非常重要的地位。 随着计算机技术的发展，计算机辅助设计c a d 和计算机辅助工程c a e 在发 动机零部件设计中得到越来越广泛的应用。由于曲轴连杆的结构比较复杂，手工 建立模型和计算分析的时间都比较长，而以前的研究往往是针对某一具体型号的 曲轴或连杆进行的。当设计新产品或发动机进行涡轮增压、扩缸等改造时，改进 曲轴连杆的设计或校核曲轴连杆的强度都需要对其进行重新建模、重新加载和计 算，这不仅增加工作人员的劳动强度，延长，忧品的设计周期，而且不利于提高产 品的市场竞争力。而c a d 二次开发技术和c a e 参数化编程语言为上述问题提供 了解决方案。 本课题通过c a t i a 二次开发技术，建立发动机曲轴连杆的参数化建模系统， 从而实现曲轴连杆的参数化建模与局部结构尺寸的修改，然后对其进行基于有限 元技术的疲劳强度分析，并通过a n s y s 提供的a p d l 参数化语言编程，实现载 荷的参数化加载和自动求解，从而推动工作人员快捷、高效地进行产品设计开发。 1 1c a d 软件二次开发的意义与现状 二次开发是增值开发商或最终用户在软件开发商所提供的开发环境与编程 接口基础上，根据自身的技术需求，进行新功能开发或软件环境定制的过程。从 本质上讲，二次开发也是一个软件创新过程，c a d 软件二次开发就是把商品化、 通用化的c a d 系统用户化、本地化的过程，即以优秀的c a d 系统为基础平台， 研制开发符合国家标准、适合企业实际应用的用户化、专业化、集成化软件【4 】。 随着c a d 应用技术的不断提高和应用领域的不断扩大，用户专业化需求和 江苏大学硕士学位论文 软件的通用化之间产生越来越多的矛盾。而产品生命周期的缩短和用户需求的个 性化成为当今企业面临的巨大挑战。如何快速开发质量好、技术含量高、价格便 宜的新产品，成为企业在激烈的竞争中生存的重要保证，但这和原有的不符合设 计和生产分工细化的通用c a d 软件之间出现了矛盾，而解决这一矛盾的有效途 径就是在原有c a d 软件的基础上进行二次开发和技术扩展。因此系统的研究 c a d 二次开发技术及其应用平台，通过二次开发技术开发适合企业具体需求的 本地化的c a d 应用软件就成为c a d 应用技术的一个重要研究课题。在某种意 义上，结合产品具体情况的c a d 平台二次开发工作是c a d 技术应用水平高低 的体现，它对于指导机械产品快速设计系统的开发有着重要的意义即】。 二次开发首先必须选择优秀的软件平台做为支撑，因为开发后的系统性能好 坏在很大程度上取决于支撑软件本身的性能和开放性。所以选择软件要满足一定 的条件，如功能齐全，性能优良，以及二次开发接口简单，支持高级语言，编译 方便等。当前大型的c a d 软件都有二次开发接口，如s o l i d w o r k s 的 s o l i d w o r k s a p i ，u g 的u g o p e na p i ，p r 啦n g i n e e r 的j - l i n k 、p r o t o o l k i t ， c a t 队的a u t o m a t i o na p i 、c a a 等。其中对s o l i d w o r k s 、u g 、p m e 的二次开 发的研究比较早，也比较深入，已有不少研究成果，如林金龙通过对s o l i d w o r k s 二次开发，成功实现了凸轮机构的三维建模、实体装配及运动模拟【8 】；平芳等使 用u g o p e ng r i p 语言进行了三维参数化实体造型研究，开发出了实用性强、稳 定性好的汽车车灯配光纹快速建模系统【9 l ；韩志强研究了利用p r o t o o l k i t 对p r o e 进行二次开发，实现了零件的参数化设计及自动装配【1 0 1 。 c a t i a 是世界上一种主流的a 址) ( 删m 一体化软件。c a t i a 源于航 空航天工业，是业界无可争辩的领袖。c a t i a 在造型风格、车身及引擎设计等 方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端( e n dt oe n d ) 的 解决方案。c a t i a 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间，其用 户包括波音、克莱斯勒、宝马、福特、通用、奔驰等一大批知名企业，在国内汽 车行业也占据重要的地位。不同于老一代c a d c a m 产品，它采用了全新的、 基于组件的开放式体系结构( o p e n a r c h i t e c t u r ep r o d u c t s ) 。应用了许多现代软件工 程思想，整个体系结构虽然十分庞大，但结构清晰、合理。维护、开发、扩展方 便，有着相当优良的扩展性能。它开放的组件应用架构允许更多的第三方供应商 2 江苏大学硕士学位论文 针对用户的需要特别的定制应用解决方案。c a t a v 5 在开发之初就遵循面向对 象的设计思想，构建了完全基于组件的体系结构( p p r ：p r o d u c t s 、p r o c e s s 、 r c s o u f c c ) ，有效地解决了维护、管理、扩展的困难，并大量使用了最新的计算 机技术和标准以及软件工程技术，其中包括基于组件架构思想的j a v ab e a n 、 c o m o l e 、c o r b a 技术和w e b 技术、c + + 语言、v i s u a lb a s i cj o u m a l i n g 、 s t e p s d a i 、x m l 、o p e n g l 等，这使c a t i av 5 具有与众不同的鲜明的特点： 数据结构单一，各个模块全相关，某些模块之间还是双向相关；端到端的集成系 统，拥有强大的专业应用扩展能力。鉴于c a t i a 强大的功能和广阔的市场占有 率，本文决定采用c a t i a 作为二次开发的平台。 美国波音公司通过对a 虹队的二次开发及应用，成功地实现了并行工程在 波音7 7 7 飞机的研制过程中的应用，并取得巨大的经济效益。自后，c a t i a 在 世界各国的制造行业中得到了越来越广泛的应用。在法国、日本等国，对c a a 的研究和应用相对比较早，也比较深入。而在国内，南京航空航天大学在2 0 0 4 年初才成为c a a 的第一个正式用户。但国内的北京航空航天大学、第一飞机设 计院、西北工业大学等许多大学和研究所，都在关注c a a 的应用研究。 1 9 9 9 年卜昆等在c a t i av 4 上建立了一个三维标准件建库工具，并提出了 v 4 二次开发的新思路【1 3 】。同年，王金凤等讨论了应用m o t i f 对c a t i av 4 的开 发方法，在应用其它开发工具建立标准件库上做了有益的尝试【1 4 1 ，张晓东论述了 c a t i a 用户界面客户化的问题，显现出网络发布思想的雏形【1 5 1 。 c a t i a v 5 发布之后，在2 0 0 2 年，李自胜等研究了c a t i a v 5 的接口及其对 外界的两种通信方式，介绍了宏方法生成的v b 脚本以及和外部程序相联系的 a u t o m a t i o n a p i 对象技术【1 l 】，张君媛等开发了汽车车门附件布置系统，提出了对 制造过程控制系统新的开发思想【切。2 0 0 3 年，赵立营等人研究了基于v b 的宏 命令的开发方法，研究了三维标准件库的开发，初步尝试了用v b 开发了一个简 单的三维标准件库系统【1 6 1 ，甄中锋等用v b 开发技术，对冲模标准件库做了开发， 实现t - - 维冲压模具的参数化建模【1 9 】，胡忠会研究了用c a t a l o g 建立标准件库， 并以这种方式开发了基于航标的标准件库【1 8 。2 0 0 4 年，张立国等也用v b 做了 c k f i a 的标准件库，并尝试使用m i c r o s o f t a c c e s s 做数据库，标准件库的数据扩 展变得更为方便【2 1 】。武刚等人研究用v i s u a lc + + 调用c a t i a 为v b a 设置的 3 江苏大学硕士学位论文 a c t i v ea u t o m a t i o n 对象，开发了一个参数化系统，为c a t i a 的二次开发提供了 新的途径 2 2 1 。2 0 0 5 年，南京航空航天大学硕士研究生罗天龙、何朝良等人研究 了基于c a t i ac a a 的虚拟装配技术，解决了基于c 触? 队c a a 平台的虚拟装配 和路径规划所必备的一系列基本问题【2 3 1 。2 0 0 8 年，龙昭宇研究了基于c a t i a v 5 的汽车车身总布置设计工具的二次开发，对车身总布置设计工具及汽车内部布置 进行初步研究和探讨【韧。 1 2 有限单元法与c a e 分析 1 2 1 有限单元法嘲 设计人员在进行一个项目设计时，最关心的问题是要知道自己设计的结构在 实际工况( 机械载荷、热载荷、电磁载荷等) 中的各种设计参数是否满足自己的设 计意图。要完成这一工作，首先由专家依据个人经验初步设计出产品，然后据此 作出模型，再做出成品。成品完成后，再进行试验，对设计上的问题进行修改， 进行重新设计、制造、实验分析，耗费大量的人力物力。因此，人们开始另辟蹊 径，试图用数值模拟计算的办法来取代或部分取代实验方法，由此提出了各种解 决方法：有限差分法、边界单元法、有限单元法等。其中最有效且应用最广的就 是有限单元法。 有限单元法指的是将实体的对象分割成不同大小、种类、小区域，根据不同 领域的需要推导出每一个元素的作用力方程，组合整个系统的元素并构成系统方 程组，最后将系统方程组求解。有限元的基本思想可概括为“先分后合 或“化 整为零又积零为整。具体地说，先将连续的求解域离散为有限个单元，使其只 在有限个指定的节点上互相连接；然后对每个单元选择一个比较简单的函数，近 似表达单元的物理量，如单元的应力或位移，并基于问题描述的基本方程建立单 元节点的平衡方程组；再把所有单元的方程组集成为整个结构力学特性的整体代 数方程组；最后引入边界条件求解代数方程组而获得数值解，如结构的应力分布 和位移分布等。 一般来讲，有限元分析由以下基本步骤组成 a s l ： 前处理阶段 4 江苏大学硕士学位论文 1 建立求解域，并将之离散化成有限个单元，即将问题分解成节点和单元。 2 假定描述单元物理属性的形函数，即用一个近似的连续函数描述每个单元 的解。 3 建立单元刚度方程。 4 组装单元，构造总刚度矩阵。 5 应用边界条件和初始条件，并施加载荷。 求解阶段 6 求解线性或非线性微分方程组得到节点值，例如不同节点上的位移或热传 导问题中的温度。 后处理阶段 7 得到其它重要信息，如应力，应变，热通量等。 1 2 2c a e 分析 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构 强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性 能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。c a e 从6 0 年代初在工程上开始应用到今天，已经历了4 0 年的发展历史，其理论和算 法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中( 如 航空、航天、机械、土木结构等领域) 必不可少的数值计算工具，同时也是分析 连续力学各类问题的一种重要手段。c a e 系统的核心思想是结构的离散化，即 将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对 离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样 可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程 是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一 个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解 连续体的场变量( 应力、位移、压力和温度等) 问题简化为求解有限的单元节点上 的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续 体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的 单元类型、数量以及对单元的插值函数。 5 江苏大学硕士学位论文 目前许多优秀的有限元分析软件己经实现了c a d c a e 的集成，如a n s y s ， n a s t r a n ，m a r c 等，它由c a d 模块建立实体模型，然后用c a e 模块进行网 格划分和计算求解。 1 3 曲轴连杆疲劳强度概述及研究现状 曲轴连杆作为内燃机的两大主要运动构件，具有结构复杂、加工制造困难、 价格高、承受载荷大并且受力状态复杂等特点，其结构参数以及加工工艺水平不 仅影响着整机的尺寸和质量，而且在很大程度上影响着内燃机的可靠性与寿命。 因此，设计新型内燃机或对老产品进行升级改造时，都必须对曲轴连杆的强度进 行严格的安全考核【1 - 3 】。 曲轴连杆同时承受着气缸内气体作用力、往复运动质量及旋转运动质量的惯 性力，以及功率输出端转矩的作用。这些周期性变化的载荷，引起曲柄各部位和 连杆大小端产生交变的弯曲应力，曲轴在承受这些交变的复合应力的同时，还有 弯曲、扭转振动，从而易引起疲劳失效。一旦曲轴连杆产生疲劳失效而断裂，很 可能造成重大安全事故，所以保证足够的疲劳强度是曲轴连杆设计中的首要问 题。近年来随着对内燃机动力性、可靠性要求的不断提高，曲轴连杆的工作条件 愈加苛刻，其强度问题变得更加重要。 由于曲轴连杆的重要性，近几十年来，国内外研究者对曲轴连杆的强度进行 了大量卓有成效的研究。曲轴连杆的设计经历了由传统的试验研究到现在的靠计 算机数值模拟的分析计算两个阶段。传统的设计方法是根据经验先设计出曲轴或 连杆的样件，然后通过试验来验证是否满足强度要求，然后提出修改意见，重新 设计样件，重新试验，直到完全满足要求。这种方法费时费力，而且成本很高， 所以已不能适应当今竞争激烈的市场经济。随着计算机技术的发展，人们另辟蹊 径，采用计算机辅助的分析计算的方法研究曲轴强度。国内外的大量相关学术论 文表明，曲轴强度的计算法主要有三种，即截断简支梁法、连续梁法、有限单元 法。其中截断简支梁法、连续梁法属于传统的解析计算法，而有限元法是近三四 十年随着计算机的发展而发展起来的应用于各种结构分析的数值计算方法 2 8 - 3 4 1 。 连杆的强度计算也是从最初的传统解析计算方法发展到后来的有限单元法。连杆 的计算在早期多采用经验公式，有限元理论和方法提出后，迅速在连杆分析中的 6 江苏大学硕士学位论文 得到广泛应用。连杆的有限元分析模型经历了从早期的曲梁模型，到2 0 世纪七 八十年代的平面连续模型，再到九十年代至今的三维实体模型。近年来，国内外 许多学者对内燃机连杆的有限元分析进行了大量研究，主要包括有限元强度应力 分析，动态响应分析，可靠性分析和优化分析等【孤4 3 删。 传统的解析计算方法由于对实际模型做了大量的简化处理，根据名义应力和 应力集中系数计算曲轴危险部位的应力，由于曲轴连杆形状复杂，很难准确计算 出各部位的名义应力，因此传统计算方法存在较大误差。有限单元法有限元法运 用离散概念，把弹性连续体划分为由若干单元组成的集合体，并通过单元分析与 组合，得到一组联立代数方程，最后求得数值解。 与传统计算方法相比，有限单元法能比较准确的描述零件的实际形状、约束 条件和受力特征；能用于范围极其广泛的连续介质的场问题( 包括稳定的和非稳 定的应力应变场、温度场等) ，而且解题的基本步骤又是相同的，并且有限元法 计算精度比较高，因此在曲轴连杆的强度讨算中得到了普遍应用。 有限元理论的发展，为精确且全面地计算曲轴应力提供了条件。曲轴连杆是 空间构件，从对实际形状的逼近和整个应力分布规律的求解来说，三维有限元分 析最为理想。平面分析方法不能求出曲轴沿圆周方向的应力分布，因此，除在确 定应力集中系数时还有应用外，目前已基本不采用二维有限元模型。因此，三维 有限元法已经成为曲轴连杆强度研究的主要方法，其计算模型的选择与边界条件 处理成为了关注讨论的重点f 4 5 弗l 。 但现在的有限元计算中，还存在一些问题。首先有限元分析的首要步骤是建 立模型，现在很多三维建模软件都能与有限元分析软件进行数据交换，而且很多 有限元分析软件也具有建模功能，但目前的三维软件都是通用软件，不能针对某 一零件进行快速建模。而曲轴连杆结构复杂，每一次结构尺寸的修改，都要重新 建立模型，从而浪费大量时间；其次曲轴连杆实际受力情况非常复杂，如何准确 的确定载荷边界条件、实现载荷的参数化加载、合理的进行疲劳强度评价等都是 曲轴连杆有限元强度分析需要进一步研究的问题。 1 4 本文研究的内容和意义 本文在分析曲轴连杆三维结构的基础上，在v c 开发环境下，利用c a t i a 7 江苏大学硕士学位论文 提供的二次开发工具r a d e 和组件应用架构c a a ( c a t i aa p p l i c a t i o n a r c h i t e c t u r e ) 的c + + a p i 函数接口，创建曲轴连杆建模应用程序，从而实现曲轴 连杆的快速参数化建模和局部结构尺寸的修改。并利用a n s y s 提供的a p d l 语言 编程，实现曲轴连杆有限元模型的载荷参数化加载和自动求解。从而为设计人员 提供一个简单、方便的建模方法和有限元分析手段，实现了曲轴连杆的快速设计 和强度分析，有利于提高曲轴连杆的设计质量和效率，缩短设计周期。具体内容 如下t ( 1 ) 研究c a t i a 二次开发接口c a a 的内部机制，掌握以v i s u a l c + + 6 0 作 为开发工具，通过编程在外部控制c a t i a 的方法。 ( 2 ) 研究将外部控制方法嵌入到c a t i a 软件内部中的方法，并实现具体模 块的嵌入，建立曲轴连杆的三维参数化建模系统，实现曲轴连杆的参数化建模。 ( 3 ) 运用有限元分析软件a n s y s ，将曲轴模型导入a n s y s 进行强度分析， 并通过a n s y s 提供的参数化语言a p d l 编程，实现载荷参数化加载和求解自动 进行，另外根据曲轴疲劳强度计算公式，编写了曲轴疲劳强度校核的宏文件，可 快速得出曲轴各节点的疲劳安全系数，从而实现曲轴c a e 参数化分析。 ( 4 ) 研究了圆角半径、曲柄厚度、连杆轴颈长度等结构参数变化时对曲轴 危险点最大应力的影响。 ( 5 ) 根据连杆的实际工作状况，建立了按多体接触的三维有限元模型，利 用a n s y s 提供的参数化语言a p d l 编程，实现连杆载荷的参数化加载，并利用 接触算法计算连杆组的强度。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章基于c a t w c a a 的曲轴连杆参数化设计 2 1 参数化设计概述 参数化设计( p a r a m e t r i c ) 也叫尺寸驱动设计( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，它是目 前c a d 技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题【3 3 1 。利用参数化 设计手段开发的产品设计系统，可以大大减少设计人员的劳动强度，提高设计效 率，降低设计成本，并为新产品的研发赢取宝贵的时间。由此，国内外对参数化 设计做了大量的研究，目前参数化技术大致可分为如下三种方法： ( 1 ) 基于几何约束的数学方法：它又分为初等方法( p r i m a r y a p p r o a c h ) 和 代数方法( a l g e b r a i ca p p r o a c h ) 。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定 的几何约束。这种方法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的 场合；代数法则将几何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组。该方程组 求解较困难，因此实际应用受到限制。 ( 2 ) 基于几何原理的人工智能方法：人工智能方法是利用专家系统，对图 形中的几何关系和约束进行理解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速 度较慢，交互性不好。 ( 3 ) 基于特征模型的造型方法：该方法是三维实体造型技术的发展，目前 正在探讨之中。 参数化设计有一种驱动机制参数驱动，参数驱动机制是基于对图形数据的操 作。通过参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改，但是，在修改 的同时，还要满足图形的约束条件，需要约束间关联性的驱动手段来约束联动， 约束联动是通过约束间的关系实现的驱动方法。对一个图形，可能的约束十分复 杂，而且数量很大。而实际由用户控制的，即能够独立变化的参数一般只有几个， 称之为主参数或主约束；其他约束可由图形结构特征确定或与主约束有确定关 系，称它们为次约束。对主约束是不能简化的，对次约束的简化可以有图形特征 联动和相关参数联动两种方式。 图形特征联动是保证在图形拓补关系不变的情况下，对次约束的驱动，亦即 保证连续、相切、垂直、平行等关系不变。反映到参数驱动过程就是要根据各种 9 江苏大学硕士学位论文 几何相关性准则去判识与被动点有上述拓补关系的实体及其几何数据，在保证原 关系不变的前提下，求出新的几何数据，称这些几何数据为从动点。这样，从动 点的约束就与驱动参数有了联系。依靠这一联系，从动点得到了驱动点的驱动， 驱动机制则扩大了其作用范围。 相关参数联动就建立次约束与主约束在数值上和逻辑上的关系。在参数驱动 过程中，始终要保持这种关系不变。相关参数的联动方法使某些不能用拓补关系 判断的从动点与驱动点建立了联系。使用这种方式时，常引入驱动树，以建立主 动点、从动点等之间的约束关系的树形表示，便于直观地判断图形的驱动与约束 情况。 参数驱动是基于对图形数据的操作，因此绘制一张图的过程，就是在建立一 个参数模型。绘图系统将图形映射到图形数据库中，设置出图形实体的数据结构， 参数驱动时将这些结构中填写出不同内容，以生成所需要的图形。 参数驱动可以被看作是沿驱动树操作数据库内容，不同的驱动树，决定了参 数驱动不同的操作。由于驱动树是根据参骜：模型的图形特征和相关参数构成的， 所以绘制参数模型时，有意识地利用图形特征，并根据实际需要标注相关参数， 就能在参数驱动时，把握对数据库的操作，以控制图形的变化。绘图者不仅可以 定义图形结构，还能控制参数化过程，就象用计算机语言编程一样，定义数据、 控制程序流程。这种建立图形模型，定义图形结构，控制程序流程的手段称作图 形编程。 在图形参数化中，图形编程是建立在参数驱动机制、约束联动和驱动树基础 上的。利用参数驱动机制对图形数据进行操作，由约束联动和驱动树控制驱动机 制的运行。这与以往的参数化方法不同，它不把图形转化成其他表达形式，如方 程，符号等；也不问绘图过程，而是着重去理解图形本身，把图形看作是一个模 型，一个参数化的依据，作为与绘图者“交流 信息的媒介。绘图者通过图形把 自己的意图“告诉 参数化程序，参数化程序返回绘图者所需要的图形。它关心 的是图形，也就是图形数据库的内容，边理解，边操作，因此运行起来简洁、明 了，实现起来也较方便。 参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库进行操作。因 此它具有很好的交互性，用户可以利用绘图系统全部的交互功能修改图形及其属 1 0 江苏大学硕士学位论文 性，进而控制参数化的过程；与其他参数化方法相比较，参数驱动方法具有简单、 方便、易开发和使用的特点，能够在现有的绘图系统基础上进行二次开发，而且 适用面广，对三维问题也同样适用。 参数化设计具有以下三方面的优点： ( 1 ) 对设计人员的初始设计要求低。无须精确绘图，只须勾绘草图即可，然 后可通过适当的约束得到所需精确图形。 ( 2 ) 便于系列化设计。一次设计成型后，可通过尺寸的修改得到同种规格零 件的不同尺寸系列。 ( 3 ) 便于编辑、修改，能满足反复设计的需要。当在设计中发现有不适当的 部分时，设计者可通过修改参数而方便地得到新的设计。 这些优点使得参数化技术非常适合于对整个设计过程的支持。因为设计的目 的是为了满足一定的功能需求，而这些功能需求往往可以转化为适当的设计约 束。设计者通过对一设计约束的控制可以方便灵活地实现产品的功能。 2 2 基于c a t i a 的二次开发 c a t i a ( c o m p u t e r - g r a p h i c sa i d e d t h r e e - d i m e n s i o n a li n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ) 是法国d a s s a u l ts y s t e m e s 公司的c a d c a e c a m 一体化软件。由于其强大的曲 面造型功能和实体建模功能，所以在飞机，汽车，船舶等领域都享有很高的声誉。 不同于老一代q c a m 产品，它采用了全新的、基于组件的开放式体系结构 ( o p e na r c h i t e c t u r ep r o d u c t s ) 。应用了许多现代软件工程思想，整个体系结构虽然 十分庞大，但结构清晰、合理。维护、开发、扩展方便，有着相当优良的扩展性 能。它面向对象的设计思想和开放的组件应用架构允许更多的第三方供应商针对 用户的需要，通过二次开发的方式特别的定制应用解决方案。 2 2 1c a t i a 二次开发方法 目前对c a t i av 5 的二次开发方式主要有两种【1 1 】：一种是自动化对象接口技 术a u t o m a t i o n a p i ，一种是基于组件应用构架的应用编程接口技术c a a v 5c + + a p l a u t o m a t i o n 技术是建立在c o m 基础之上的，其核心是允许一个应用程序操 江苏大学硕士学位论文 作另一个应用程序。使用宏记录一系列的操作过程，自动生成代码，使用v b 或 者v b s c r i p t 作为编辑工具，用c a t i a 提供的a u t o m a t i o n a p i 开发满足专业应用 需求的应用程序。使用宏的方法可以完成一些比较简单的二次开发，但是具有较 大的局限性。 c a a ( c o m p o n e n ta p p l i c a t i o na r c h i t e c t u r e ) 是d a s s a u l ts y s t e m e s 产品扩展和客 户进行二次开发的强有力的工具。它引入了快速应用开发环境( r a p i d a p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i 认d e ) 。用c a t i a 提供的快速应用研发环境r a d e 和组件应用架构c a a 的c + + a p i 函数接口，在v c + + 6 0 开发环境中开发满足专 业需求的应用程序。c a a c + + a p i 可以进行最高效率的应用程序开发，而且能与 原系统实现无缝集成，是目前进行c a t i a 二次开发的主流工具。 表2 1 两种开发方式的比较 t a b 2 1c o m p a r ef o r t h et w od e v e l o p m e n tw a y s c a a c + +a u t o m a t i o n d e e pc u s t o m i z a t i o ns i m p l ec u s t o m i z a t i o nr e p l a c e 设计目的 i n t e g r a t i o nw i t ho t h e rs y s t e m sr e p e a t i n go p e r a t i o n s 开放性 h i 曲 v e r yl i m i t e d 开发技术 o b j e c to r i e n t e dl a n g u a g es c r i p tl a n g u a g e 开发难度 h i g h l o w 稳定度 h i g h l o w 底层实用技术 c a a c + +c a a c + + 从表9 - 1 可以看出，c a a 虽然入门较难，但可以进行几乎所有从简单到复 杂的二次开发工作，而且和原系统的结合非常紧密，开放性和稳定性都非常好， 并且很难把客户所研发的功能从原系统中区分出来，非常有利于用户的集成和使 用。基于以上特点，本文选用c a a c + + 作为二次开发工具。 2 2 2c a a 二次开发原理 2 4 、2 5 】 c a a 是c a t i a 二次开发强有力的工具，c a a 二次开发的实现，是通过提 供的快速应用开环境r a d e 和不同的a p i 接口程宇来完成的。快速应用开发环 境r a d e 是一个可视化的集成开发环境，它提供完整的编程工具组。r a d e 以 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i ov c + + 为载体，在v c + + 环境中增加了c a a 的开发工具。 江苏大学硕士学住论文 a p 提供了操作各种对象的方法、工具和接口。 在v c + + 开发环境下点击t o o | s c u s t o r n i z c ，在定制对话框里选择附加项和 宏文件选项，如图2 - 1 所示。然后重新启动v i s u a l c + + 6 0 。印完成了c a a r a d e 模块在v c 中的加载，此时v c 的菜单中多了c a a 的开发菜单，如图2 - 2 所示 釜：= 挈锰苫等竺堕竺与： 冬趋鸯! ：! ! 二二二二 一 口m nc t t j- u 薯 江苏大学硕士学住论文 同舒葡；再面磊i i 五再丁面幕葡可一 扫m y f t a m c ll i l t 5 i j r e s o u r c e s l 图2 - 3 工程的建立 f i 9 2 - 3 t h e