（机械设计及理论专业论文）轿顶proe参数化设计及ansys有限元分析.pdf

l h 1 刊 ， frllii、lill at h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p a r a m e t r i cd e s i g na n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fc e i l i n g b yp a nf e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n gh u i l i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 78il2啪4舢8i_ y 。j 一 下“1巳。 叠 l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 靠惫 日期： 加d 7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年i一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 潘霹 签字日期： 伽矿7 j 导师签名：蝌 签字日期：o 譬7 ，髟 必t 东北大学硕士学位论文 摘要 轿顶p r o e 参数化设计及a n s y s 有限元分析 摘要 轿项是电梯的重要部件，其性能的好坏直接影响电梯产品的质量和寿命， 其结构的合理性和可靠性也直接关乎维修人员的生命安全。利用p r o e 参数化 设计平台对轿顶结构总体框架参数化设计，归纳总结零件、组件的参数化建模 方法以及在参数化建模过程中出现的常见问题，为参数化设计的顺利实施节省 了时间，它能快速地将设计者的设计意图转化为三维实体模型，然后对不合理 的公式尺寸进行参数化修改，最终将产品结构总体框架转变为实际需要的产 品，为提高产品设计效率提供了一种有力的手段，为赢取市场份额争取了时间， 可以大大缩短产品的研制周期，提高生产效率；同时，目前国内的轿顶结构比 较单一，轿顶的强度校核往往凭借经验公式，对开发出的新的电梯产品也使用 同样的经验公式往往误差较大，不能及时满足多变的市场需求，利用a n s y s 的结构分析模块对参数化的模型进行结构力学分析，可以大大提高电梯产品的 安全性和可靠性，在很大程度上缩短了产品投入生产的时间，节省了大量的人 力、物力和财力，从而降低了产品成本。如果能将c a d c a e 结合起来，实现 电梯产品的自动建模和结构力学分析，将会是一大进步。 本课题是以苏州快速电梯公司的s u p e x 梯型轿顶作为研究对象，结合产品 现有b o m 生产体系，充分运用了p r o e n g i n e e r 及其二次开发工具p r o p r o g r a m 、 p r o t o o l k i t 、f a m i l yt a b l e 等功能，通过引入基于特征的参数化建模思想，详细 地分析了轿顶参数化模板的创建过程，然后将零件基本信息和材料属性集成到 模型数据库中，使用v b a 语言调用数据库的信息，输出b o m ；最后，利用a n s y s 结构分析模块对参数化后的轿顶结构做了结构力学分析，对强度不符合要求的 零部件提出了可行的修改方案，重新拟定设计参数，反馈给电梯参数化设计平 台，快速生成满足强度要求的电梯产品，从而实现了c a d c a e 相结合的电梯 产品自动建模和结构力学分析的设计理念。 关键词：p r o e n g i n e e r ；a n s y s ；轿顶；参数化设计；有限元分析 i i ， 假“l、；- p a r a m e t r i cd e s i g na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fc e i l i n g a bs t r a c t t ou s et h ep r o ep a r a m e t r i cp l a t f o r m o v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ep r o d u c ts t r u c t u r e ， t o s e tt h ep a r a m e t r i cm o d e lo ft h e s u m m a r i z e dt h ep a r a m e t r i cm o d e l i n g m e t h o d so fp a r t s ，c o m p o n e n t s ，a n df r e q u e n t l ya s k e dq u e s t i o n si nt h ep r o c e s so ft h e p a r a m e t r i cm o d e l ，s a v e dt i m ef o rt h es m o o t hi m p l e m e n t a t i o no fp a r a m e t r i cd e s i g n , i tc a nq u i c k l yt r a n s f o r mt h ed e s i g n e r sd e s i g n i n t e n ti n t o3 dm o d e l ，t h e n d a r a m e t r i cm o d i f yt h eu n r e a s o n a b l ef o r m u l a sa n ds i z e s ，t h ef i n a lp r o d u c tm i xw i l l c h a n g et h eo v e r a l lf r a m e w o r kf o r t h e a c t u a ln e e d so ft h ep r o d u c t ，p r o v i d e a p o w e r f u lm e a n so fi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c td e s i g n ，g a i nt i m et o w i n t h em a r k e ts h a r e ，s h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l el a r g e l y ，a n d i n c r e a s e p r o d u c t i v i t y a tt h es a m et i m e ，a tp r e s e n tt h ed o m e s t i cc e i l i n g ss t r u c t u r ei ss i n g l e ， t h ec h e c ko fc e i l i n g ss t r e n g t ho f t e nu s ee x p e r i e n t i a lf o r m u l a ，t h ed e v e l o p m e n to f n e wp r o d u c t sa l s ou s i n gt h es a m ee x p e r i e n t i a lf o r m u l ao f t e nm a k eg r e a t e re r r o r ， u n a b l et om e e tc h a n g i n gm a r k e td e m a n d ，i nt h eu s eo fa n s y s s t r u c t u r a la n a l y s i s m o d u l et oa n a l y s i st h es t r u c t u r a lm e c h a n i c so fp a r a m e t r i cm o d e l ，i t i sa b l et o g r e a t l ye n h a n c et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fe l e v a t o rp r o d u c t s ，s h o r t e nt h et i m eo f c h e c k i n gl a r g e l y ，t oag r e a te x t e n t s h o r t e nt h et i m eo ft h ep r o d u c tp u t t i n gi n t o p r o d u c t i o n ，s a v eal o to fh u m a nm a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e s f i n a l l y ，i t c a n r e d u c et h ec o s to ft h ep r o d u c t i fc o m b i n ec a d c a et oa c h i e v et h ea u t o m a t i c m o d e l i n ga n da n a l y s i so fs t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，i tw i l lb eab i gs t e pf o r w a r d t h i st o p i cd o e st h er e s e a r c ho nt h es u p e xt r a p e z o i dc e i l i n g o fs u z h o u j i a n g n a n e x p r e s se l e v a t o rc o m p a n y ，c o m b i n i n g t h e p r o d u c t se x i s t i n g b o m p r o d u c t i o ns y s t e m ，t a k e s f u l la d v a n t a g eo fp r o e n g i n e e r a n dt h es e c o n d d e v e l o p m e n tt o o l sp r o p r o g r a m ，p r o t o o l k i t ，f a m i l y t a b l e b yt h et h i n k i n go f i n t r o d u c i n gf e a t u r e b a s e d p a r a m e t r i cm o d e l i n g ，p i c k u p t h ei n f o r m a t i o no f d a t a b a s eu s i n gv b al a n g u a g e ，t h eo u t p u tb o m f i n a l l y ，i nt h e u s eo fa n s y s s t r u c t u r a la n a l y s i sm o d u l et oa n a l y s i st h es t r e n g t ho fs t r u c t u r a i m e c h a n i c so f p a r a m e t r i cc e i l i n gm o d e l t h ep a r t sw h i c hs t r e n g t hd o e sn o tm e e t t h er e q u i r e m e n t s a r ep r o p o s e dt h ef e a s i b l ea m e n d ，a f r e s hs t u d yo u td e s i g np a r a m e t e r s ，f e e d b a c kt o t h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h el i f tp l a t f o r m ，r a p i dg e n e r a t i o n t om e e ts t r e n g t h r e q u i r e ：m e n t s o ft h ee l e v a t o rp r o d u c t s ，c o m b i n ec a d c a et o a c h i e v et h e a u t o m a t i cm o d e l i n ga n da n a l y s i so fs t r u c t u r a lm e c h a n i c s i i i f k 0i一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：p r o e n g i n e e r ；a n s y s ；c e i l i n g ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ； i v i*，、 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录一v 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 电梯工业的发展状况2 1 1 2c a d 参数化的发展状况3 1 2 课题来源6 1 3 课题的意义及主要内容6 1 3 1 课题的意义7 1 3 2 主要内容7 第2 章参数化设计系统的总体设计方案9 2 1 目前e x p r e s s 的产品设计流程9 2 2 参数化设计系统的总体设计方案1 2 2 2 1 系统要求1 2 2 2 2 实施步骤1 3 2 2 3 系统功能1 3 2 3 参数化设计平台开发步骤1 5 2 3 1 源文件编写1 5 2 3 2 程序的编译和连接1 6 2 3 3 应用程序的注册1 7 2 3 4 菜单的开发1 9 2 3 5 用户对话框2 1 2 4 本章小结2 2 第3 章轿顶的参数化建模2 3 3 1 轿顶结构的总体设计2 3 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 。2 三维参数化建模分析及设计原理2 4 3 3 零件的参数化建模方法和要点一2 5 3 4 组件的参数化建模方法和要点2 6 3 5 本章小结2 7 第4 章轿顶参数化设计2 9 4 1 轿顶参数化设计的主要步骤2 9 4 2 运行脚本导出b o m 3 6 4 3 本章小结3 8 第5 章轿顶的有限元分析3 9 5 1 模型导入及单元属性定义3 9 5 2 网格划分3 9 5 3 约束及加载求解4 0 5 4 计算结果分析4 2 5 5 处理方案4 5 5 6 本章小结4 9 第6 章结论与展望5 1 6 。1 结论5 1 6 2 展望51 参考文献5 3 致谢5 7 -，；im，t 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着科学技术日新月异地发展，人们物质文化水平的逐步提高，使建筑业 得以迅速的发展，在全世界著名的1 0 0 座高层建筑中，目前高居榜首的是国际 金融中心大厦( 台北1 0 1 大厦) 。台北1 0 1 大厦高5 0 8 米( 含天线) ，有世界最 大且最重的“风阻尼器”，还有两台世界最快的电梯，速度为1 0 1 0 m m i n 。第 二位的是国家石油双子星座大厦，4 5 1 9 h i ，位于马来西亚吉隆坡。第三位的 是西尔斯大楼，4 4 3 米，位于美国芝加哥。第四位的是金茂大厦，4 2 0 5 米，位 于我国上海。在这些大楼里，每天都有大量的人流和货流需要输送，因此电梯 成为必不可少的且十分重要的一种垂直方向运输工具。 电梯属于系列化、通用化和标准化程度较高的交通工具。像任何交通工具 一样，电梯在给人们节省时间和体力的同时，也不可避免地带来了一定的风险。 现代化的电梯要求电梯无论在结构上还是在特性、功能上都要满足人们对电梯 提出的越来越高的要求，其中结构上的安全是最基本的，即结构设计要满足强 度要求，保证乘客的人身安全。许多电梯生产厂家，正在引入电梯结构的有限 元分析【。 a n s y s 诞生于2 0 世纪7 0 年代，目前是世界上最有影响力的以有限元分析为 基础的c a e 软件之一，广泛应用于机械制造、石油化工、汽车交通、航空航天、 轻工及土木工程等行业的一般工业设计及科学研究1 2 j 。使用a n s y s 进行分析必 须构建几何模型，虽然其本身附带三维建模模块，但其建模能力与主流三维造 型软件如p r o e n g l n e e r 、u g 和c a t i a 等相比较弱，特别是构建复杂结构和曲 面，在a n s y s 中很难完成。 p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司开发的基于特征和参数化技术的专业c a d 软件，在航空、航天、汽车和消费类电子产品的设计和制造中得到了广泛应用， 极大地提高了用户的设计能力【3 j 。p r o e n g i n e e r 在中国的高端c a d 市场上占 有很大份额，是目前国内应用最为广泛的高端c a d 产品。它具有统一的数据库 功能，通过p r o e 可以快速方便地建立各种庞大复杂的模型。p r o e 中的机械设 计模块是一个高效的三维机械设计工具，可以绘制各种复杂形状的零件。虽然 p r o e 软件包也包括了功能仿真( c a e ) 模块，它的主要作用是进行有限元分 析，但它是基于p m e t h o d 进行工作的，进行网格划分时划分出的网格中单元较 大、数目较少，无法进行多物理场耦合等情况的处理，只能实现简单的静力学 分析，而且求解的结果处理也十分繁琐，可见p r o e 的优势是在c a d 而不在 1 _ 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 c a e l 4 1 。 随着计算机技术的不断发展，利用先进的c a d c a e 工具对机械系统进行 研究已经成为一种可行方案。充分利用p r o e n g i n e e r 和a n s y s 这两个工具在 各自领域的优势，并将其结合起来研究开发复杂机械系统的虚拟样机是当前国 内多数研究群体的首选方案1 5 l 。 1 1 1 电梯工业的发展状况 1 8 5 0 年，美国出现了第一台以蒸汽机为动力的卷扬机，1 8 5 7 年以蒸汽机为 动力的和装有安全装置的载人升降机被安装使用，这标志着世界上第一台载人 电梯的诞生。1 8 8 9 年，美国的o t i s 公司试制成功了世界上第一台以电动机为动 力的升降机，为以后现代化电梯的设计奠定了基础。9 0 年代以来，4 0 0 万台电 梯在世界各地运行着，同时以每年1 5 万台的需求量增加，预计近十年内世界年 平均增长率为7 ，亚太地区的年增长率为9 。其中5 1 的市场份额由美国奥 的斯公司、瑞士迅达公司、日本三菱和日立公司，以及芬兰的科恩公司等几家 大公司所占有1 6 j1 7 l 。 随着高层建筑的不断涌现，电梯不断向高扬程、高速方向发展。目前，欧 美电梯运行速度已达6 8 m s ，日本同立公司已经研制出1 3 5 m s 的超高速电梯， 瑞典通力电梯公司研制出1 7 m s 超高速电梯1 8 l 。在这种高速运动、急速起动或 停止的环境下，难免会对轿厢产生机械振动和冲击，从而影响电梯的使用寿命。 因此，对电梯结构设计的要求也就越来越高。轿顶作为电梯维修和逃生出口的 重要部件，其承载能力也变得尤为重要。因此，有必要在轿顶模型自动生成的 同时实现对其承载能力的受力分析，进一步对其结构尺寸进行修正。 十一届三中全会后，随着改革开放的步伐，我国的电梯业，更加迅速的发 展，大部分省市都有了自己的电梯制造业，有的并引进了国外的先进生产技术， 可以生产各种类型的电梯和自动扶梯。通过引进国外先进技术，成立多家合资 企业，如中国迅达，上海三菱，上海通力，上海蒂森，上海东芝，天津奥的斯， 广州日立等电梯公司，使我国的电梯制造技术大大提高。8 0 年代我国生产出在 交流双速电梯的基础上，装设一个当电梯在减速时，在交流电动机绕组中接人 直流电进行能耗制动的自动调速装置，即被称为交流调速电梯。随着国产电子 元器件生产能力的提高，和进口电子元器件国内市场的开发，我国又生产了用 可编程控制器( p l c ) 控制的电梯。当然p l c 控制电梯只是一种过渡性产品， 而微机控制的电梯，才是我国电梯工业的发展方向。9 0 年代，引进技术生产了 具有较高技术性能，用微机控制的电梯，并研制出用微机控制的，具有先进水 平的变频变压电梯，使我国电梯工业登上了一个新台阶【引。如何使电梯企业进 一步高效快捷的设计出满足不同用户的需求的产品，提高企业的市场竞争力便 2 q，a4乒 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 成为当务之急。目前国内各大电梯公司的电梯生产模式都是采用大多数零部件 外购，少部分自制，然后组装的生产过程。就电梯结构变化而言( 不包含控制 方式的变化) ，目前电梯基本上都是以载重、速度、拖动方式及用途的不同来 划分规格，而不同规格在电梯零部件商的差异往往体现在零部件的系列化。随 着电梯工业的不断发展和电梯市场的日益扩大，电梯厂家及其电梯设计人员不 得不根据客户个性化需求，对现有产品进行个性化的设计，而这种个性化的设 计往往体现在零部件的规格和整体规划变化上，即同一个零件不同尺寸规格， 同一个零件装配位置发生改变。因此，合理利用现有生产体系以及部分标准化 产品，归纳总结出零部件的变化规律，开发出一套完善的电梯参数化设计平台， 从设计和生产两个方面来建立和分析现有标准产品模板，寻求更好的设计工具 和分析方法快速准确的应对不断增长和变化的市场需求等都有很重要的意义。 目前国内各生产厂家所需解决电梯的生产问题有： ( 1 )现有技术档案大多是处于二维图纸状态，为了更直观的体现给客户 产品的结构和性能，需要建立三维模型库。 ( 2 )生产中使用的b o m 表填写过程费时费力，容易出错，需要通过计算 机建立与设计一致的b o m 表自动输出系统，并完成相应的数据存储。 ( 3 )新梯型模型和图纸的更新需要手工进行，需要参数化模型和图纸， 实施“快速响应工程 策略达到快速开发产品的目的，按照客户要求实现电梯 的自动建模。 因此利用现有的常用c a d 软件，结合企业现有生产体系，开发出基于三维 c a d 系统且适合企业特点的参数化设计平台便十分必要了。 1 1 2c a d 参数化的发展状况 计算机辅助设计( 简称c a d ) 是当代十项最杰出的工程技术之一【1 ，c a d 技术的发展经历了二维绘图阶段，三维建模阶段，参数化设计三个阶段。在c a d 技术发展的第三阶段( 上世纪8 0 年代初期) 出现了变量化设计技术和参数化设 计技术。变量化设计( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 一词是美国麻省理工学院g o s s a r d 教授于1 9 8 0 年提出的。g o s s a r d 的倡导在当时c a d 界并未引起重视，直到1 9 8 7 年底p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o m p a n y 公司推出以参数化、变量化、特征设计为 基础的新一代实体造型软件p r o e n g i n e e r 后，c a d 界才真正认识到参数化、变 量化设计的巨大潜能。之后，参数化和变量化设计引起国内外c a d 软件界极大 关注，并成为c a d 界的研究热点。 参数化设计起步在8 0 年代中期，由p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o m p a n y ) 公司推出的参数化软件p r o e n g i n e e r 弓i 领了这次c a d 技术革命。进入9 0 年代， 参数化技术变得相对成熟，充分体现出其在通用件、零部件设计上简单易行的 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 优势【1 1 1 。该方法具有以下特点：基于特征、尺寸约束、数据相关、尺寸驱动设 计修改。应用p r o e n g i n e e r 可以极大地提高设计效率。充分运用p r o e n g i n e e r 提 供的二次开发工具p r o p r o g r a m 、p r o t o o l k i t 、族表等进行参数化设计研究与开 发工作，是对p r o e n g i n e e r 的改善，能在很大的程度上提高软件的利用率。参 数化建模技术是指对于特定的产品，根据用户输入的参数或c a d 设计系统产生 的数据结果，系统可以动态地、自动地生成所需模型。目前自动建模一般都采 用基于成型的c a d 平台的高级开发的方法。行为建模是指在设计产品时，综合 考虑产品所需求的功能行为、设计背景和几何图形，采用知识捕捉和迭代求解 的智能化方法，使工程师可以面对不断变化的要求，追求高度创新的、能满足 行为和完善性要求的设计。我国的c a d 技术的研究始于上世纪6 0 年代末，最早 起步于航空工业，近年发展很快，己在机械，电子，建筑，汽车，服装等领域 进入实用阶段l l 引。为了满足一些专用领域的需要、进一步提高设计质量、缩短 设计周期，如同各种c a d 平台的更新换代一样，对c a d 平台的高级开发研究一 直没有停止过。特别是9 0 年代以来，由于c a d 应用在国内的逐渐普及，国内很 多科研院所、企业都进行过针对具体应用的开发工作。可是由于我国三维系统 软件的推广及应用起步相对较晚，前两年主要还是针对一些中端c a d 平台( 如 生信实维针对s o l i d w o r k s 开发的s o l i d c a m 模块，东大欧磊针对s o l i d e d g e 开发 的标准件库等) 的高级开发。目前随着一些高端c a d 平台已经逐渐提供了良好 的应用程序接口( a p i ) ，用户可以定制自己的应用程序，如u g 提供了u g o p e n 二次开发工具集，p r o e n g i n e e r 提供了p r o t o o l k i t 开发工具包。这种开发方式 下创建的应用模块虽然没有自主版权，灵活性受支撑平台控制，但是应用性非 常强、周期短、投入少、开发相对简单，无疑将具有广阔的市场。 自从p t c 公司于1 9 8 5 年推出参数化c a d 系统p r o e n g i n e e r 以来，参数化设计 技术真正受到工程技术界和学术界的重视，各大计算机软件公司相继推出自己 的参数化c a d 系统或在原有系统上增加参数化功能，展开激烈的竞争。目前， 我国c a d 市场上有两大类参数化c a d 系统；国外开发的大型全参数化c a d 系 统；国内的二维参数化c a d 系统l ”】。 1 1 2 1 国外c a d 参数化发展状况 国外开发的具备参数化功能的c a d 系统有： ( 1 ) p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司的机械设计自动化软件产品。它是 第一个具有参数化功能的c a d 系统。它通过记录设计历史来捕捉设计意图，设 计历史的操作顺序可以修改，同时引入全局设计参数来实现整体的设计修改。 p r o e n g i n e e r 具有在系统中作动态修改的能力，是一个以功能为主的参数化实 体造型系统，它提供双向数据关联，设计的修改能自动更新到出图、分析、制 造以及其它c a d c a m 领域，并具有强大的装配功能。但其中的几何体都必须 4 i t 东北大学项士学位论文 第1 章绪论 是完全约束，进行设计要求预先考虑好整个产品的控制参数以及操作顺序，对 一个没参加创建的设计者来说，不太容易搞清如何对该项设计进行修改【1 4 j 。 ( 2 ) c a d s 5c v 公司的c a d s 5 通过一个草图生成工具d e s i g nv i e w 来实现 参数化绘图。d e s i g nv i e w 提供了广泛的基于约束的造型功能，包括支持零件 之间的约束、曲面参数约束、代数约束的逻辑分支以及欠约束模型。采用变量 几何技术，约束的顺序不会影响到它的求解结果。界面友好，采用一个灵巧光 标动态捕捉图中约束，能够很方便地显示、增加和删除约束。用户可直观地控 制图形当前状态。工程约束与几何约束融合起来联立求解，是一个优秀的参数 化绘图工具。 ( 3 ) d p d ( d e s i g np o s td r a f t i n g ) 是美国c v 公司采用p e l o r u s 平台技术开发 的最新产品，运行于w i n d o w s 环境中，具有强大的参数化设计及绘图功能。其 参数化功能的主要特点是：参数化设计与绘图功能；设计变量的方程式管 理；同时支持参数化与非参数化的混合建模能力；较强的草图设计能力1 1 5 l 。 ( 4 ) s i g r a p h d e s i g 是德国s i m e n sn i x d o r i f 公司的一个智能2 d c a d 系统。它与其它的c a d 系统的主要区别在于数据结构。它不仅可以定义和处理 数据元素，而且可以定义和处理数据元素之间的关系，支持从最初的概念设计 到详细工程图绘制的全过程，真正实现变量设计。 ( 5 ) v g x 技术是美国s d r c 公司新近推出一种叫做v g x ( 变量几何技术) 的新型核心技术。v g x 的最大好处在于，对基于构造过程的参数化方法进行改 进，使原有的参数化基于特征的实体模型在可编辑性及易编辑性方面得到了极 大的改善和提高【1 6 l 。当用户打算做预期的模型修改时，再也不用费心去理解和 查询设计历程。基于v g x 的变量化特征允许c a d 用户通过相同零件的特征在 3 d 中动态捕捉各种关系，历程树顺序不影响关系的有效性。v g x 功能扩展了 检验产品的约束推理能力，构图器在已有几何体的某作图面上构图时，自动推 断画出的线与己有几何体的相对位置关系，检测并动态地以预增亮方式显示出 所有可能产生的约束，这项新技术可能成为今后参数化发展的新方向1 1 7 j 。 1 1 2 2 国内c a d 参数化发展状况 国内开发的具备参数化功能的c a d 系统： ( 1 ) g h i n t e c a d 是高华计算机公司的集成智能化微机机械c a d 系统，基 本上代表了目前国内微机版具有自主版权的c a d 系统的最高水平。其参数化功 能主要体现在自动参数化设计和参数化图素的拼装上。它采用基于人工智能的 几何推理参数化设计方法。系统具有草图规整功能，并可识别多视图联动，对 于标准件、常用件可通过参数化图库中的图素进行拼装【1 8 】。 ( 2 ) p i c a d 2 d 是中科院北京软件工程研制中心开发的微机参数化集成工 程设计系统。其参数化功能的主要特点是提供了交互式参量图符设计功能，能 _ 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进行固定图符和可变图符的嵌套。 ( 3 ) 开目c a d 是华中理工大学开发的。它采用局部求解的参数化设计方 法实现参数化设计，在用户绘图过程中自动记录约束关系，可以通过约束管理 器显示、增加和删除约束，支持达2 0 余种约束。其驱动过程明了，速度快，能 驱动较为复杂的图形，同时可以方便地指示出过约束、欠约束情形，给用户明 确的指示，且在此情况下仍能正确驱动。另外还有西湖电子信息工程公司的 z d d s ，浙江大学的基于结构化变分几何的h v c a d 变参设计系统等。这些国内 的参数化c a d 系统硬件要求低，适合我国国情，但其参数化功能尚有不足，比 如参数化速度慢，效率低，复杂图形难以有效处理；参数化系统的柔性和灵活 性有待提高；无法利用现有的非参数化系统的图形和无参数化建库和参数化图 形管理功能等缺点。 1 2 课题来源 本课题来源于苏州快速电梯有限公司委托开发的项目“电梯参数化设计系 统”。苏州快速电梯是奥的斯旗下的中国分公司，凭借着其优良的品质及合理 的价格，近年在国内的市场份额逐步加大。随着电梯行业竞争的日益激烈，快 速开发的设计理念已经被各大厂家所认可。在这种情况下，公司原有的设计能 力已不能适应市场对企业快速响应能力的要求。因此产生了本课题要研究的问 题，即按照用户的需求在最短时间内快速准确的设计出符合强度要求的参数化 电梯结构，用最快捷的方式导出物料清单，投入生产。轿顶作为电梯结构的重 要部件，其结构的合理性和可靠性直接关乎维修人员的生命安全，因此本课题 以轿顶为例，对轿顶进行参数化设计及结构力学分析，使最终的结构强度满足 设计要求，将参数化后的模型最终转化为实际需要的产品。该公司目前参数化 设计存在的问题：一是企业的a u t o c a d 图纸有部分没有参数化；二是企业多数 设计人员不常使用p r o e ；三是企业对参数化后的梯型没有进行过结构力学等 分析，致使参数化后的产品目前还无法正式投入生产。面对目前电梯工业的设 计现状，开发一套完善的c a d c a e 相结合的软件系统，把计算机运算快速、 准确的特点和设计人员的经验结合起来，实现自动或半自动化的设计，提高产 品设计与生产的能力，快速响应市场的需求成为企业的迫切要求。苏州快速电 梯有限公司根据自身状况，考虑到在生产设计中常用的各种电梯结构变化不 大，以及p r o e 软件参数化性能的完善，提出以p r o e - - 次开发为起点，结合现 有标准梯型的结构特点开发一套完善的电梯参数化设计平台。 1 3 课题的意义及主要内容 6 idl - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 1 课题的意义 轿顶是电梯的重要部件，其性能的好坏直接影响电梯产品的质量和寿命， 其结构的合理性和可靠性也直接关乎维修人员的生命安全。传统设计过程往往 都在人脑中进行，通过c a d - - 维图表现出来，从而判断部件结构尺寸的合理性。 随着市场需求的不断变化，对电梯轿顶的要求也在不断增加，轿顶结构因此在 不断的更新，通过传统的经验公式对结构进行力学分析，计算起来往往需耗费 大量时间与精力，计算结果也往往与实际情况相差较大。随着电梯工业测试和 分析仪器水平的快速提高，电梯工业的大型测试和分析实验室也由此建立起 来，进一步提高了电梯产品的可靠性和安全性，但这种测试和分析过程往往也 很浪费时间，增加了设计时间和设计周期。随着计算机软硬件技术的发展，这 些工作完全可以通过c a d c a e 技术来完成。可以用c a d 参数化设计软件实现 零部件的参数化结构设计，再用c a e 软件对参数化的零部件进行各种工况下的 有限元分析，对不符合强度要求的零部件提出可行性的修改方案，重新拟定设 计参数，反馈给c a d 参数化设计平台，快速生成满足强度要求的电梯产品，大 大减少了人力、物力和财力的消耗，降低了产品成本，同时缩短了新产品的研 发和设计周期。因此，本文针对轿顶结构提出使用p r o e 参数化和a n s y s 有限 元分析相结合的快速有效的参数化设计和分析方法，将c a d c a e 技术相结合， 充分利用二者在各自领域的优势，将对其他机械结构的设计和分析起到借鉴作 用。 1 3 2 主要内容 由于目前电梯工业使用的设计软件正处在二维软件向三维软件的过度时 期，参数化及结构力学分析过程有很多地方需要完善。针对目前现状，本课题 的研究内容主要包括以下几点： ( 1 ) p r o e 参数化设计系统的总体设计方案。 ( 2 ) 轿顶三维实体的参数化建模。 ( 3 ) 轿项的参数化设计。 ( 4 ) p r o e 参数化后的模型在a n s y s 中进行有限元分析。 7 il 东北大学硕士学位论文 第2 章参数化设计系统的总体设计方案 第2 章参数化设计系统的总体设计方案 企业根据产品对象的不同，在使用c a d 软件时也各有侧重。企业要想最大 效率的利用软件的功能，必须根据企业的产品特征和企业状况对软件进行不同 层次的二次开发【1 9 l 。但是，目前的二次开发水平仅仅停留在对模型特征尺寸的 驱动上，无法满足产品的最终要求。因此，本课题首先介绍了参数化设计系统 的总体设计方案，即c a d c a e 相结合的参数化建模方法和结构力学分析过程， 如图2 1 所示。 旃 潞 娜 肄 图2 1 参数化设计系统总体设计方案 f i 9 2 1p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mt o t a ld e s i g np r o g r a m 2 1 目前e x p r e s s 的产品设计流程 如果想对一个企业的产品设计系统进行改进，那么我们就必须对该企业现 有的产品设计系统有深入的了解。下面我们就看一看e x p r e s s 公司的电梯产品 设计流程。 对于电梯这一特殊用途的、与人和建筑物密切相关的产品，其设计理念随 着市场的需求而发生着改变。用户决定购买e x p r e s s 公司的电梯后，对电梯的 外观提出具体要求。这里所说的外观是指轿厢内部各部件( 例如轿壁、轿顶、 地板，操作盘等) 及其材质还有电梯的开门方式等。之后，用户提供建筑物的 土建图给e x p r e s s 公司，开始电梯的结构尺寸的设计工作。这一过程如图2 2 所示。 9 东北大学硕士学位论文 第2 章参数化设计系统的总体设计方案 图2 2 设计流程图 f i g 2 2d e s i g np r o c e s sc h a r t 从图2 2 中可以看出，一台电梯的设计起始于高层建筑的土建图。第一，从 土建图中提炼出建筑物中关于预留电梯井道的信息，这些信息包括井道深、井 道宽、提升高度、提升速度、导轨中心距等，而客梯的设计尺寸就是由这些信 息决定的。由于不同的建筑物有不同的风格，那么建筑物中的井道的形状、尺 寸也就会存在这样或那样的差异。第二，从土建图中提取出信息之后，井道设 计组就会初步估算出电梯系统的占用空间，对应给定的空间，选用一种合适的 电梯轿厢外部结构形式( 轿厢内部的结构已经在销售过程中由用户指定) ，布置 该结构电梯系统中可变位置零部件的位置。例如，当井道平面面积比较小的时 候，就可以采用无机房或小机房的梯型结构；当由于电梯的结构需要，安全钳 要放在不同的象限( 如在第一象限或第三象限) 等等。第三，判断井道的空间信 息参数和初选的电梯结构( 轿厢内部与外部结构) 与目前企业内部该结构电梯 系列的某型号是否相符。如果相符，即把电梯型号下发到电梯设计组，设计组 完成图纸的绘制，检验结构的合理性，再使用经验公式对结构的强度进行校核， 符合要求后制作完成产品b o m 表，下发到生产部门组织生产。如果不相符，井 道设计组把空间信息参数与选定的电梯结构形式下发到电梯设计组。设计人员 查阅现有的企业系列产品的参数化图纸，并根据这些信息和参数化图纸进行改 1 0 一 东北大学