（机械设计及理论专业论文）法兰类件模具计算机辅助设计.pdf

摘要 法兰类件种类繁多，广泛地应用于机械、石油、化工等行业，产量 较大，是关键性部件。主要起连接和密封作用，要求精度较高，对结构 强度和气密性的要求也较高。故有必要对法兰类件模具进行计算机辅助 设计，即可提高设计效率，又能达到优化设计本课题针对法兰类件模 具的设计现状，在现有法兰模具设计的基础上，对法兰类件模具进行 c a d c a e 研究，主要完成工作如下： 根据现有法兰类件的不同种类及形状对其归类，完成法兰类件模具 三维设计，建立三维参数化基本图形库：对法兰成形过程进行计算机仿 真并将仿真结果用于指导精密成形的模具优化设计，可提高法兰锻件性 能及质量，还可以提高材料利用率，降低制造成本，为模具的计算机辅 助设计提供可靠的理论依据。 关键词计算机辅助设计仿真c d c 蚯 a b s t r a c t ag r e a tv a r i e t yo ff l a n g ea r ea p p l i e dt oi n d u s t r ys u c ha s m a c h i n e r y ，p e t r o c h e m i c a li n d u s t r ye t c a l lk i n do ff l a n g e sw h i e h c o n n e c t i n ga n ds e a l i n gb e l o n gt ot h ec r i t i c a lc o m p o n e n t ，w i t h t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fd i ec a d c a ea n dt h ec u r r e n te n g i n e e r i n g l e v e l o fd i e so ff l a g n e s ，t h ed i s s e r t a t i o ni sm a i n l yf o c u s e do n t h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo fd i e sc a d c a eo ff l a n g e so nt h eb a s e o ft h ee n g i n e e r i n gl e v e lo f d i e so ff l a n g ea tp r e s e n t ，i t e m s c a r r i e do u ti sa sf o l l o w i n g ： c a t e g o r i z e df l a n g e sa c c o r d i n gt ot h e i rf i g u r e s s t y l e s ：m a d e u p t h et h r e e - d i m e n s i o n a lp r o f il e so fd i e so ff l a n g e sw h i c h g e n e r a t e df r o mt h ep a r a m e t e rp a c kw i t hb a s i cg r a p h i c s ；c a r r i e d o u tc o m p u t e rs i m u l a t i o no fm e t a lm o l d i n gw h i c hi su s e dt o p r e q u a l i f y t h e p r e c i s i o nm o l d i n g i nt h ep r o c e s so fm o u l d o p t i m i z e de n g i n e e r i n g t h em e t h o do fc o m p u t e rs i m u l a t i o no fm e t a l m o l d i n gi sn e c e s s a r ya n de f f i c i e n t t oe n h a n c ep r o d u c t p e r f o r m a n c e sa n dq u a l i t y ，m i n i m i z em a t e r i a lc o n s u m p t i o na n d r e d u c em a n u f a c t u r i n gc o s t ，a 1 1o ft h a tf o r mr e l i a b l ep r i n c i p l e f o rt h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g no fd i e s k e yw o r d s ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g ns i m a i s t i o l l c d c a e 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文法兰类件模具计算机辅助 设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，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。 作者签名：型璋五注缉。 生立岬 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：逮面i 垦! 生兰旦兰 旦 指导导师签名：容! 骘生兰旦颦旦 第一章绪论 1 1 模具c a n c a e 的基本概念及优点 1 模具c a d c a e 基本概念 ( 1 ) c a d ：c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是指工程技术人员以计算机为 工具，用自身的专业知识，对模具进行总体设计、绘图、分析等设计活动 的总称，是一项综合性技术。 ( 2 ) c a e ：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 ) 是以现代计算力学为基 础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现模具优化设计的主要 支持模块。模具c a e 主要是指用计算机对模具产品进行性能与安全可靠 性的分析，对其未来模具的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设 计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。 ( 3 ) 模具c a d c a e c a m ：模具c a d c a e c a i 集成技术是一种先进的制 造技术，能显著地缩短模具的设计制造周期，降低生产成本，提高模具 的质量。由于制造业产品信息相当复杂，要实现企业生产自动化，在分 离的c a d 、c a e 、c a m 之间还需要大量的人工工作，这给企业自动化生产带 来了极大的障碍。c a d 、c a e 、c a m 的集成是解决这个障碍的必然趋势。 2 模具c a d c a e 的优点 ( 1 ) 利用模具c a d c a e 技术可以提高模具的综合质量； ( 2 ) 利用模具c a d c a e 技术可以节省设计时间、缩短生产周期，提 高劳动生产率； ( 3 ) 利用模具c a d c a e 技术可以较大幅度地降低产品成本，为企业 创造更多的效益。 1 2 模具c a d c a e 技术应用现状 1 2 1 国外研究应用情况 近2 0 年来，随着计算机技术及微电子技术的迅速发展，c a d c a e 技术已经越来越广泛地应用于塑性加工生产领域。美国汽车工业 c a d c a e 技术的开发应用已经有2 0 多年的历史。福特公司1 9 8 5 年已有 一半以上的产品设计工作使用图形终端实现，9 0 年代初全面实现产品 开发的c a d c a e c a m ，应用可达l o o 。通用汽车公司以自行开发的c g s 系统和u n i g r a p h i c s 系统构成了三维c a d c a e c a m 数据库基础，可以供 全部的设计、工程和制造使用。克莱斯勒汽车公司发展了图像智能工作 站，a u t o d i e 公司采用c a d c a e c a l 技术后，在8 l o 个月内就可以完 成一种车型的模具设计与制造。西欧各国也都在此领域有所建树。如德 国大众汽车公司采用c a t i a 和p r o e n g i n e e r i n g 作为c a d c a e c a m 系统 的主流软件开发新车型。日本的模具c a d c a e c a m 技术居世界领先行 列，早在8 0 年代初，日本各公司的c a d 系统已基本完善。三菱汽车公 司至今已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型开发的完整的 c a d c a e c a m 系统，丰田汽车公司1 9 8 9 年正式推出了汽车覆盖件模具 c a d c a e c a m 系统，即d i e f a c e c a d 软件。据介绍，新车车型从设计到 正式投产，整个周期，美国需要三年，德国需要两年半，而日本只需要 二十四个月左右的时间，这其中先进的c a d c a e c a m 技术功不可殁o 】。 在工业发达国家，以有限元数值模拟为基础与技术核心的c a e 技术 已成为汽车工业设计生产中必不可少的关键技术环节。至今如 c h r y s l e r 、g e n e r a lm o t o r s 、f o r d 、t o y o t a 、v o l v o 等大型汽车公司都 有较大的专业队伍对薄板成形数值模拟技术进行了长达近2 0 年的研究。 随着超级计算机与性能优良的计算机工作站的涌现，融入计算机图形 学、数值方法、塑性成形理论和工艺等各类技术的模拟软件系统正逐步 形成。工业发达国家己相继推出以薄板成形为主的l s - d y n a 3 d 、a b 姆u s 、 等，其功能不断得以完善，水平不断提高，应用范围也不断扩大。比较 而言，体积成形尤其是三维体积成形c a e 技术发展缓慢，目前，正式推 出的可进行三维体积成形数值模拟的商业软件有d e f 0 跚、 m a r c a u t o f o r g e 等哪。 国外许多大型汽车厂家的研究资料表明，成功地引入c a e 技术，能 使产品设计、模具设计、调试直至投产的产品换代周期缩短1 2 ，模具 制造成本降低1 3 ，经济效益和战略效益十分巨大。 目前流行的c a d 软件有c a t i a 、o n i g r a p h i c s 、i d 队s 、e u c l i d 、 p r o e n g i n e e r 等。这些软件均有各自的特点和优势c a t i a 软件曲面造 型能力很强，功能全面；e u c l i d 软件以自适应造型、光照渲染和面向目 标的数据库为基本特征，提供用于分析、产品数据管理和装配设计的集 成工具；p r o e 以其参数化的实体造型著称于世，它唯一的数据结构和 单一的数据库为整个设计制造过程提供了数据全相关的信息系统；u g 的产品设计、制造和分析功能都很强；i d e a s 是在曲面设计、实体造型、 仿真分析、制造、测试和并行工程等方面都具有强大的功能。c a e 技术 以有限元为代表与技术核心“5 1 。有限元法是计算力学在2 0 世纪最重要 的发展之一。有限元法从结构力学中的矩阵法计算而发展起来，至今早 已突破结构力学理论，发展到力学的其他分支，又从力学领域发展到包 括电磁学、热传导、流体力学、材料科学等诸多领域，成为目前最流行、 最卓有成效的数值计算方法，在工程问题中得到了广泛的应用。不少国 家相继推出了大型通用软件，如s a p 、a d i n a 、n a s t r a n 、s t r u d l 、s a f e 、 s 埘i s 、e l 矗s 、b o s o r 、m a r c 、p a f e c 、s t a r d y n e 等。 1 2 2 国内研究应用情况 我国的模具c a d c a e c a m 开始于2 0 世纪7 0 年代末，但发展也相当迅 2 速。到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普通冲裁模、 辊锻模、锤模和注塑模等c a d c a e 系统，它们在生产中发挥着重要的示范 作用并产生巨大的经济效益。8 0 年代中、后期，我国的冲模c a d 研制工作 进入了全面发展阶段，不少企业、科研院所、大专院校都开发了面向中 国制造的c a d 软件，强调软件产品的专业化和本地化。如浙江大学研制的 c p d d m s 系统、g s c d 9 8 ，天津大学的t d 系统。南京工学院的c p d c a d c a m ，以及一汽、二汽企业用的模具c a d c a e c a m 系统。8 0 年代末至9 0 年代末，我国模具c a d c a e c a m 技术处于完整、修改、提高等的稳定发展 阶段”。1 。如上海交大国家模具c a d 工程研究中心，进行了模具c a d 系统中 一致性相关设计的装配模型的研究，通过将环状模型结构和树状模型结 构的结合，解决了在模具c a d 系统中装配图与零件图的一致性设计问题。 9 0 年代以来，我国引进国外先进的c a d 软件，对其在具体行业进行开发。 如杭州应用工程技术学院引进德国技术并做了c a d c a e 触l 集成化的开 发研究工作，不少企业建立了基于网络化管理信息中心，产品设计和工 艺分析协同工作，采用了自主开发的a u t o c a d - - 次开发软件进行产品设 计、工艺管理以及模具工艺装备的设计制造，取褥了明显的经济效益。 1 3 模具c a d o a e 技术应用及发展趋势 c a d c a e 即计算机辅助设计和辅助工程，它包括概念设计、优化设 计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图和计算机辅助设计过程 管理等。应用c a d 技术可以设计出产品的大体结构，再通过c a e 技术进行 结构分析、可行性评估和优化设计o ，。采用模具c a d c a e 集成技术后， 制件一般不需要再进行原型试验，采用几何造型技术，制件的形状能精 确、逼真地显示在计算机屏幕上，有限元分析程序可以对其力学性能进 行检测。借助于计算机，自动绘图代替了人工绘图，自动检索代替了手 册查阅，快速分析代替了手工计算使模具设计师能从繁琐的绘图和计算 中解放出来，集中精力从事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作。 在模具投产之前，c a e 软件可以预测模具结构有关参数的正确性。例如， 可以采用流动模拟软件来考察熔体在模腔内的流动过程，以此来改进浇 注系统的设计，提高试模的一次成功率；可以用保压和冷却分析软件来 考察熔体的凝固和模温的变化，以此来改进冷却系统，调整成型工艺参 数，提高制件质量和生产效率，还可以采用应力分析软件来预测塑件出 模后的变形和翘曲。模腔的几何数据能相互地转换为曲面的机床刀具加 工轨迹，这样可省去木模或树酯模制作工序，提高型腔和型芯表面的加 工精度和效率。当今的概念设计已不仅仅是停留在对外观和结构的设计 上，它已经扩展到对模具结构分析的领域。对于运用c a d 技术设计出的 模具，可运用先进的c a e 软件( 尤其是有限元软件) 对其进行强度、刚 3 度、抗冲击实验模拟、跌落实验模拟、散热能力、疲劳和蠕变等分析。 通过这些分析，可以检验前面的概念性结构设计是否合理，分析出结构 不合理的原因和部位，然后再在c a d 软件中进行相应的修改。修改后再 在c a e 中进行各种性能的检测。最终确定满足要求的模具结构。 模具设计技术及c a d 和c a e 软件发展趋势 ( 1 ) 模具设计资料库和知识库系统。 ( 2 ) 模具工程规划及方案设计。 ( 3 ) 模具材料和标准件的合理选用。 ( 4 ) 模具刚性、强度、流道及冷却通路的设计。 ( 5 ) 塑料模具塑料成形过程的各种模拟分析( 如注塑成形包括塑料 模、保压、冷却、翘曲、收缩、纤维取向等模拟分析) 、热传导和冷却 过程的分析、凝固及结构应力分析等。计算浇注系统及模腔的压力场、 温度场、速度场、剪切应变速率场和剪切应力场的分布并分析其结果是 非常复杂和非常费时问的。这一模拟技术已从中面流技术发展到了双面 流技术。不久即可发展到既正确又快速的实体流技术。产生满足塑料件 虚拟制造要求的二维注塑流动模拟软件。 ( 6 ) 冲压模金属成形过程的模拟、起皱及破裂分析、应力应变和回 弹分析等。 ( 7 ) 压铸模压铸件成形流动模拟、热传导及凝固分析等。 ( 8 ) 锻模锻件成形过程模拟及金属流动和充填分析等。 ( 9 ) 提高设计和分析软件的快速性、智能化和集成化水平，并强化 它们的功能，以适应模具的不断发展。 ， 1 4 选题意义及主要研究内容 1 选题意义 法兰类件种类繁多，广泛地应用于机械、石油、化工等行业，产量 较大，是关键性部件。主要起连接、密封作用，所以要求精度较高，对 结构强度和气密性的要求也较高。因其需求量较大，而传统的设计制造 方法单一，不能满足这一要求，采用法兰类件模具c a d c a e 设计可以弥 补这一缺陷，可提高生产效率，降低生产成本。 该项研究在国外已有将近十年的历史，而国内大部分研究尚停留在 c a d 阶段，本文是结合吉林省科学技术厅自然基金项目“法兰类件模具 c a d c a e ”而开展的研究。 2 主要研究内容 ( 1 ) 根据法兰类件产品的特点，完成其相应模具的三维参数化设计， 建立三维参数化基本图形库。 ( 2 ) 选一典型法兰在大型有限元分析软件m a r c 上完成法兰锻造过 4 程的数值模拟。由数值模拟可以得到法兰变形的过程以及与之相关的参 数信息。从模拟的结果可以直观的看到金属填充的流动趋势，从而指导 模具的优化设计。 5 第二章应用知识工程的参数化设计原理 2 1 参数化设计原理 1 参数化设计 参数化设计是指设计对象模型的尺寸用变量及其关系表示，而不需 要确定具体数值，是c a d 技术在实际应用中提出的课题。一般是指零部 件的形状比较定型，用一组参数约束该几何图形的结构尺寸和零部件的 特征，参数与设计对象的控制尺寸和特征有显式对应关系。当赋予不同 的参数序列值时，就可以驱动原设计对象到新的目标几何形状和特征。 参数化设计就是通过尺寸驱动和特征驱动的形式，以独立的几何约束和 一定的函数公式关系来进行产品的设计“”。参数化设计将原有设计中某 些尺寸，如定形、定位或装配尺寸定义为变量，修改这些变量的同时由 一些简单公式计算出并变动其他相关尺寸，计算机根据这些新的参数值 自动完成产品设计它不仅可使c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有 自动绘图的功能。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统不仅可 以缩短产品开发周期，提高设计速度，减少信息存储量，并且有利于进 行产品系列化设计。 当零件或部件的形状比较定形，用一组参数就可以约束该几何图形 的一组结构尺寸序列，参数与设计对象有显式对应，利用不同的参数序 列值，就可驱动产品改变。实现新的产品设计，新设计的结果就是包含 设计信息的模型。参数化为产品模型的可变性、可重用性，并行设计等 提供了手段，使设计人员可以利用以前的模型方便地进行模型的重建， 并可以在遵循原设计意图的情况下，方便地改动模型，生成系列化产品， 提高了生产效率。 2 尺寸驱动 将绘制草图和定义几何尺寸变量作为建立尺寸约束模型。在建立尺 寸约束模型之前，首先要确定图形的参照点( 固定点) ，参照点的影响极 大，是图形的基准定位点，所有尺寸链都以该点为起点开始建立，其位 置将会影响到整个尺寸约束模型。参照点位置要根据全图的几何特性进 行确定。 利用修改尺寸数值达到修改图形的目的。这是面向设计的，使得草 图设计成为可能。在模型上一旦标注了尺寸，同时也就建立了几何元素 与尺寸之间的双向关联，不论是改变几何图形的大小，还是修改尺寸标 注的数位，都能引起对方的相应交化。 6 2 2c t i av 5 知识工程 2 2 1 c a t i av 5 知识工程介绍 知识工程( k b e ) 是以知识本身为处理对象，研究如何使用人工智能 的原理和方法来设计、构造和维护知识型系统的一门学科知识工程 的核心问题包括知识的表示、知识的利用和知识的获取这三大部分。 c a t i av 5 的知识工程主要体现为一系列智能化软件模块，包括知 识工程顾问( k w a ) 、知识工程专家( k w e ) 、产品知识模板( p k t ) 、业务流 程知识模板( b k t ) 、产品工程优化( p e o ) 、产品功能定义( p f d ) 、产品功 能优化( p f o ) 等“。c a t i av 5 可以将“知识”以参数、公式、规则、检 查、报告、设计表、应变、创成式脚本等多种形式表示出来，还可以把 这些智能资产封装为产品设计模板直接使用。基于知识工程的c a t i av 5 能有效地把产品的知识库结合到产品的开发设计中去，能使设计人员在 确保提高设计效率的同时，遵循最佳的设计实践、开发、设计步骤。它 允许设计者创建知识库，这些知识库可以捕捉企业知识并自动执行知 识，包括最佳实践、应用过程、设计确认和设计修改等，在c a t i a 知识 工程环境下，不仅几何尺寸可以设置成参数，零部件的特征变量亦可设 置成参数。5 版本的c a t i a 不仅包含一个发展了数年的意义重大的新结 构，而且还提供了一些非常有趣的功能，它们让设计者通过联合的说明 和把说明结合到产品开发过程中来加快设计进程。这给设计者提供了一 种创建说明和公式并且保留和再利用这些说明和公式的方法。 2 2 2 知识工程顾问 这是一个基于知识工程的智能化设计模块，它将知识表中的知识单 元有机地结合起来，以公式、规则等形式定义知识规则，并建立产品参 数化设计的自学习计算法，设置相应的报错信息和推荐建议，通过面向 对象的知识工程语言将这些规则加以连接“”。c a t i av 5 知识顾问模块 通过公式、规则、检查、驱动参数、关系，实现知识驱动产品参数化建 模。设计完成后可在特征树的参数中或产品知识表中修改变量值，实现 包含尺寸和特征修改的参数化设计目标。利用知识顾问模块，进行参数 定义，可以在特征树上显示参数值或显示公式。 1 参数 当创建一个实体时，经常从创建一个草图开始，然后延伸草图创建 一个块体( p a d ) ，接着把其他特征加到这个块体上。最初的文挡是由一 些定义文挡本质属性的特征构成，对某一特征的删除就会导致文挡的修 改，这些特征叫做参数。在知识软件中参数起到了重要的作用，他们是 一些能够被联系所约束的特征，也可以用作一个联系的参数。除了这些 参数，c a t i av 5 允许创建用户参数，这些用户参数是添加到文挡中的额 7 外信息。 参数有： 内部参数：定义文档内部属性，如草图中的半径，位置约束等。 用户参数：位于规范树上参数节点下的由使用者添加的参数。 参数类型包括：实数、整数、字符串、逻辑、长度、质量、时间等。 参数值分为单个值或多个值。 在知识软件中用户参数使用起来非常方便： 可以使用他们添加一些特殊信息到文挡中； 可以通过联系定义和约束他们； - 可以使用他们作为联系的参数。 一个给定的联系可以使用两种参数作为其参数：本质的和用户的。 2 公式 公式是定义或约束参数的特征。一个公式就是一种联系：联系的左 边是被约束的参数，联系的右边是一个声明。一旦公式被创建，它就可 以象它的右键菜单中的其他特征一样使用。公式的语言可以是任何类型 的算子和函数。可以通过公式表示待定变量与自定义变量和其他一些参 数之间的关系，即借助公式驱动尺寸值。 3 设计表 设计表提供一种方法让你去创建和管理组件集。这些组件可能是一 些机械实体。作为一个被设计表描述的机械实体，构成实体的参数的值 的设置可以在一个设计表中很容易的重组。这个设计表有很多列作为实 体的参数，又有很多行作为参数的值。在设计表中一系列参数的值叫做 一个配置，它在行中注册。利用设计表可以创建、调用和管理外部e x c e l 表格数据或者文本文件数据，这些数据表示相关的零部件尺寸信息，直 接通过修改外部数据来实现零部件的系列化。 设计表是一个主要用来简化机械实体定义的工具。它提供给所有的 c a t i a 用户。但是在知识顾问软件中它可以得到最大的应用。用c a t i a 文档可以生成一个设计表，文档数据会被导入设计表中。设计表也可以 应用于文档，文档的数据由设计表中导入。 设计表的目的是根据外部值来添加c a t i a 文档的参数。这些值在 e x c e l 或表格文件中以表格的形式保存。当使用设计表时，技巧就是把 正确的文挡参数和正确的表格参数相联系。设计表的列不一定和文档的 参数相对应。可能只把设计表的值的一部分应用的文档参数中。通过创 建联系，就可以声明什么样的文档参数和什么样的表格列相联系。 在知识顾问中，设计表的功能更强大。可以用函数去读取设计表中 的参数。当设计检查和规则时，可以使用设计表函数。用这些函数可以 节省所有的联系操作。 8 4 函数 函数可以建立曲线参考方程，在使用平行曲线工具绘曲线时，生成 与预先建立参考方程相一致的函数曲线。 5 规则 规则可以通过编写程序代码，有条件地改变尺寸的值，有条件地激 活或隐藏特征，从而实现尺寸驱动和特征驱动。 6 检查 检查可以着重标明在校验过程中涉及的参数，从而方便地确认违反 了哪一条行业设计标准或违反了哪一条设计约束，并立即提示设计人员 出错，需修改设计。若设计人员没有及时修改设计或修改仍未符合设计 标准或设计约束，将始终显示警示图标，直至修改符合校验条件。 c a t i a 知识顾问模块能将隐含的设计实践嵌入整个设计过程，并转 化为明确的知识。在c a t i av 5 中利用c a t i a 知识顾问模块开发设计时 应注意以下几点： a 特征树中，检查是否有p a r a m e t e r s 和r e l a t i o n s 两项。若没有则 在o p t i o n 对话框中打开t o o l s o r t i o n s m e c h a n i c a l d e s i g n p a r t d e s i g n d i s p l a y p a r a m e t e r s 。r e l a t i o n s 和t o o l s o r l t i o n s g e n - e r a l p a r a m e t e r s k n o w l e d g e w i t hy a l u e w i t hf o r m u l a 。 b 在p a r a m e t e r s 中添加变量要适当。在产品设计中，应根据实际的 设计要求和产品结构选择那些对产品的结构，形状和装配位置等起决定 作用的尺寸定义为变量，且数目不宜过多。还要注意不同类型变量运算 时之间的单位转换，如实数变量与长度变量之间的转换等。定义适当的 变量后，产品的其它尺寸就可以由它们和其它相关参数之问的关系通过 f o r m u l a 确定出。这样当修改一些变量时，系统立即自动根据与它们相 关的函数公式计算出相应的尺寸值，并修改设计。 c 在产品设计过程中，产品的知识被设计开发人员表达为编写在 f o r m u l a s 、r u l e s 、c h e c k s 中的代码语言。这些代码语言表达了跟随参 数改变而改变的尺寸和特征以及参数的校验。这些源代码应该是开放式 的，可依据变型设计需求进行更改、删减或补充。 d 设计过程并不是严格意义上的“串行”过程，必须根据模型的实 际情况来确定，几个步骤可以交叉进行。修改完成后，只需在特征树的 p a r a m e t e r s 项中修改变量的值，即可实现包含尺寸修改和特征修改的 参数化设计目标。这时f o r m u l a s 、r u l e s 和c h e c k s 中的设计将参数化 地改交产品的尺寸和特征。同时检验产品是否符合设计要求，并及时与 设计人员对话。给出适当的建议，允许设计人员对设计做出进一步的调 整。 9 2 3 利用c a t i av 5 知识工程建立标准件库 c a t i av 5 具有强大的知识工程和参数化建模的功能，并允许用户 自由和开放式地建立和使用自己建立的标准件库。这种方法是通过运用 c a t i a 知识工程顾问模块，以产品知识为基础，参数化地建立标准件模 型，再把标准件模型导入c a t a l o g 模块实现标准件库的建立。进行步 骤： 1 标准件实体建模 一个c a t i a 的库可以引用一个或多个实体模型，创建零部件的三 维模型是创建库的基础。实体建模利用c a t i a 的各功能模块将标准侔 设计成一个个实体，这些实体模型以c a t p a r t 或c a t p r o d u c t 文档的形 式存在。 2 参数零件表设计 参数化设计是指系统通过尺寸驱动的方式，以独立的几何约束条件 和简单的等式寻找特定解决方案。参数化设计的主要特点是以尺寸控制 几何模型。通过创建零部件的d e s i g nt a b l e 来建立标准件的参数化机 制，在创建d e s i g nt a b l e 的过程中引入参数化变量。d e s i g nt a b l e 包 含着零部件参数化的数据，即同一类型零件的不同尺寸。d e s i g nt a b l e 的参数化设计是标准件消除数据冗余的关键。 对同一类标准件我们建立一个d e s i g nt a b l e ，在c a t i av 5 中使用 功能d e s i g nt a b l e 生成模型文件对应的d e s i g nt a b l e ，在d e s i g nt a b l e 的首行对参数变量进行定义，表的每列代表模型文档的某些属性，这些 属性就是d e s i g nt a b l e 的关键字，关键字包括文档编号( p a r tn u m b e r ) 、 名称( p a r tn a m e ) 、描述实体的引用、类型、直径、长度、角度等。将 这些关键字用参数变量来表达，这是使用d e s i g nt a b l e 进行参数化设 计的基本原理。 3 创建库 c a t i av 5 提供了新建c a t a l o g 文档和编辑c a t a l o g 的功能，使得 通过使用c a t a l o g 开发基于c a t i a 的标准件库系统成为可能。创建 c a t a l o g 的第一步工作是在c a t i a 中新建c a t a l o g 文档，然后引入含有 d e s i g nt a b l e 的模型文件，最后加入描述，生成c a t a l o g 文件。c a t a l o g 是由章节、分类、描述和关键字组成的c a t i a 文档 4 标准件库的使用 使用标准件库时只要在c a t i av 5 中，通过打开该c a t a l o g 文件 或者运用c a t a l o gb r o w s e r 功能就可以打开该标准件库。在目录树中 找到该标准件库后，选中某个标准件通过拖拽，双击或者右键等途径就 可以把标准件加入部件中。 i o 2 4 传统c 加设计与结合k b e 设计的对比 以依据算法的结构性能分析和计算机辅助绘图为主要特征的传统 c a d 技术在产品设计中的成功应用，引起了设计领域内的一场深刻变革。 但是通用c a d c a m 软件中纯几何的信息无法很好地反映工程实际。包 括设计活动在内的问题求解大致可分为两类工作：第一类是基于数学模 型和数值处理的计算型工作；第二类是基于符号性知识模型和符号处理 的推理型工作。传统c a d 技术在数值计算和图形绘制上扩展了人的能 力，可以比较圆满地完成第一类工作，但却往往难以胜任第二类工作“。 产品设计是人的创造能力与环境条件交互作用的物化过程，是一种 智能行为，通常需要设计人员分析推理，运筹决策和综合评价，才能取 得合理的结果。为了对设计的全过程提供有效的计算机支持，传统的 c a d 需要扩展为基于知识的c a d 系统。 传统的c a d 设计策略是，首先制定设计任务与设计流程，明确输入 规范，功能约束条件，设计目标。然后根据设计组人员的知识经验和一 些领域标准法规，进行初步设计。一旦一个初始的设计方案生成后，就 进行c a e 分析( 如强度刚度分析，空气动力特性分析，安全性分析等) ， 然后根据校核结果对初始设计方案作出相应修改，循环反复，直到得出 一个满意的设计方案，最后出二维图和设计文档。 由此可见，即使设计组成员经验丰富，如果一旦输入条件改变或校 核结果不满意，整个设计过程又需要重新进行，设计的重复性，易出错 性，低效率等问题就暴露出来了。另外在设计过程中不可避免要应用一 些其它设计知识进行校核分析，包括领域产品数据库、工程标准等，而 这些知识没有集成到c a d 软件中，必须独立管理，脱机运作，设计过程 在很大程度上是一个校核，修改的循环过程，直到一个满意的设计方案 被找到为止。如果这样的反复过程越多，则越影响设计品质和效率。 k b e 的应用有如下优点： 1 使得设计过程向有效的自动化设计迈出了一大步，降低了设计迭 代次数，缩短了设计周期，尤其是设计引导时阃。 2 使得c a d 设计融入了领域专家的知识与经验，在不需要人工参与 或者很少参与的情况下，能快速、自动地根据用户的要求改变或产生新 的设计方案，提高了设计品质。 3 k b e 使得在设计早期就能检查设计方案对于制造性、工艺性、成 本等要求的可行性，便于并行工程的实现，从而降低了设计成本。 2 5 基于c ti v 5 知识工程的参数化设计基本思想 以往的c a d 系统尽管能实现参数化设计，但功能不够强大，使参数 1 1 化设计不能得到充分体现。而c a t i av 5 采用基于面对对象的技术来描 述产品的特征，这使得特征本身包含了参数化变动尺寸值所需的成员变 量和成员函数，特征的尺寸值均可作为变量，随时作适当的改变。基于 此，进一步使特征以及特征之间的依附关系能随一定条件的改变，即可 实现参数化特征。在产品设计过程中，把有关产品设计的所有信息集合 起来，如设计标准，尺寸关联，尺寸约束，特征约束等，组成一个产品 设计的知识库，检验的知识库。将这些知识融入到c a d 中，用来指导， 检查设计。设计人员可以将好的设计经验，设计方法等写入知识库，这 样就能得到最佳设计。在运用c a t i av 5 知识工程模块实现参数化设计 时，首先需要参数化建模，提取设计对象的特征。通过参数化建模，将 其特征量用参数表示。在确定特征的基础上，借助于知识库建立特征之 间的关联，将设计知识转化为可用计算机实现的工作过程，最后通过检 查对设计结果进行检验“”。 以往的参数化设计经常利用原有设计，提取一些主要的定形、定位 或装配尺寸作为自定义变量。修改这些变量的同时由一些简单公式计算 出并变动其它相关尺寸，即可得到所需的新的设计产品。但是传统的参 数化设计明显有以下不足。 1 自定义变量只能驱动几何尺寸，即通过一些公式来修改零件的几 何尺寸，而零件的形状已基本明确，即零件的特征基本给定，几乎不能 改变。 2 自定义变量之间相互独立，不便建立任何函数关系，也不便对每 个变量做约束，这使得当某些变量的修改量比较大时。某些特征出现严 重变形，甚至使该特征和与它相关联的其它特征失去约束，出现悬空状 态的特征，造成信息的丢失。 知识工程是人工智能在知识信息处理方面的发展。知识表示，知识 利用，知识获取构成了知识工程的基础。在参数化设计中引入知识工程， 结合特征造型理论，来弥补当前参数化设计的不足，进一步使特征以及 特征之间的依附关系能随一定的条件改变，即可实现参数化特征基 于此可以在产品设计过程中把涉及产品设计的所有信息集合起来，包 括行业设计标准，产品的尺寸关联，尺寸约束，特征关联和工艺顺序等， 组成一个产品的知识库。由此可以采用以下办法来解决上述参数化设 计的不足。 1 建立产品的特征库和产品的特征关联，尺寸关联库 由于一个特征是用一个对象来描述的，我们为特征设置一个属性 a c t i v i t y 。当该属性值为t r u e 时，该特征被激活；当该属性值为f a l s e 时，该特征隐藏，不出现在设计中。这样我们就可以通过自定义交量值 的范围、特征之间的依附关系等方法来确定某些特征是否被激活，是否 出现在设计中。这也就意味着在参数化设计过程中实现了特征驱动。 2 引入校验 有些变量在设计过程中有一定的范围限制或受一些标准的约束，有 些变量与变量之间存在一定的函数约束关系，定义好其范围或函数约束 关系，并设置好相应的报错信息就组成了一个设计检验库。在参数化设 计过程中，一旦有些变量的改变导致其它变量产生了允许值的范围，即 违反了某一校验，则立即提示相应的报错信息，同时推荐一定的建议方 案。尤其可以通过算法将好的设计经验写入设计检验库，这一方法会有 效增强参数化设计的可靠性。 这种基于产品知识的参数化设计把知识工程与参数化设计有机地 结合起来，它用知识工程原理来组织产品数据，表达成产品的知识库。 它用比较完整的面向对象的语言来描述特征，并在特征造型中使用参数 化的同时，利用结构化的高级语言参数化地变动尺寸和特征。它不仅可 以随时调整产品形状和尺寸，而且可以随时调整产品的结构和特征。同 时实现尺寸驱动和特征驱动。它又可以实时地监督设计过程，检验设计 是否符合要求，并提出适当的建议。这种参数化设计极大地方便了产品 的修正和改良，对缩短产品设计周期，节省产品设计成本有着巨大的实 际意义，从而使产品设计变得更加灵活、高效、智能。拥有产品工艺库 的产品知识库，则能进一步帮助和指导设计人员指定产品的工艺流程。 2 6o a t i av 5k b e 参数化设计流程 c a t i av 5 的知识工程模块主要是定义参数、公式、规则和检查， 在运用c a t i av 5 知识工程模块实现参数化设计时，首先需要参数化建 模，提取设计对象的特征。通过参数化建模，将其特征量用参数化表示。 在确定特征的基础上，借助于知识库建立特征之间的关联，将设计知识 转化为可用计算机实现的工作过程“”。最后，通过检查对设计结果进行 检验。如果需要对产品进行优化，可以利用产品功能优化进行比较优化 设计。采用c a t i av 5 知识工程模块进行产品参数化设计的流程如图2 1 所示 图2 1 基于知识工程模块的产品参数化设计流程图 1 4 第三章法兰类件模具三维参数化设计 法兰类件种类繁多，而单凸肩空心法兰是常见的一种类型，故本文 对其进行工艺分析及模具设计并建立三维参数化模型，以指导法兰类件 模具三维参数化样板库的建立。 3 1 工艺方案的确定 1 单凸肩空心法兰分类 单凸肩空心法兰种类其常见形式如图3 1 所示。 面盘踞面如 图3 1 典型的常用单凸肩空心法兰锻件 2 工艺方案选择 根据零件的设计要求，采用空心法兰件的温槽锻。温锻是在室温以 上，再结晶温度以下锻造成形。在“蓝脆”区和相变温度区内挤压成形 零件，经微观组织研究，机械性能检验和使用试验，都未发现任何不利 现象。恰恰相反，“蓝脆”区和相变区进行塑性成形的产品组织更加细 化，使强度、韧性及表面光洁度都有所改善。温精锻温度应在8 0 0 8 7 0 。 成形设备选用摩擦压力机。摩擦压力机属于螺旋压力机，特点是无 死点，导向性能好。适于模锻、冲压、精压、切边、弯曲和校正等操作。 因为这是一个精度要求比较高的温精锻，故选用摩擦压力机。 第一种工艺方案：法兰锻件一次成形难度大，一般采用模锻与反挤 压联合工艺，分两部分成形。首先采用闭式模锻方法成形法兰部分，然 后采用反挤压工艺将法兰孔挤出。采用1 。拔模斜度，内孔可不设拔模斜 度。采用反挤压工艺可使内径加工余量至最小。第一工步目的是镦挤法 兰直接达到锻件图纸要求的形状和尺寸，并在中心锻出一直径比内孔直 径小的小凹坑，便于第二工步凸模对准中心，也为第二工步反挤压时减 小法兰部分变形。第二工步反挤深孔，法兰部分基本不变形，稍有翘曲 可进一步改正m 删。 第二种工艺方案：采取的是镦挤一个工步，这种工艺方案在实际中 一般不用。金属由上腔挤入狭窄的下腔，死区的存在自始至终严重阻碍 着金属的流动，对凸肩较高的锻件，一次不能成形：另一方面冲挤冲头 是在冲连皮时被顶出的，而闭式套模的冲头往往要靠手工敲击才能从锻 件脱出、锻件高度越大越困难。 两种工艺方案进行比较故选用方案一 3 工艺过程 单凸肩空心法兰件锻造工艺过程如图3 2 所示。 图3 2 工艺过程 3 2 模具设计 3 2 1 锻件图及坯料设计 l 。锻件图设计 本文对单凸肩空心法兰件进行模具设计如图3 3 所示。 图3 3 法兰零件图 在设计锻件图之前，必须对零件图进行分析。因为同样一种零件要 生产出符合要求的锻件毛坯，成形方案可以有多种。设计时，应通过对 比分析，选择其中材料利用系数( 如一g 。g 。) 和质量精确系数最高 而又可行的方案来设计锻件图，这样才可取得较好的经济效益和促进锻 造工艺水平的提高。根据成品尺寸和锻件的机械加工余量与公差制定锻 件图，其锻件图如图3 4 、图3 5 所示 1 6 一 i 峥i 图3 4 法兰冷锻件图 图3 5 法兰热锻件图 2 坯料选择 根据旋转体的体积计算公式，设，o ) 是【a ，b 】上的连续函数，则由曲 线y f ( x ) 绕x 轴旋转产生的旋转体的体积是： v - ，2 g 诲 ( 3 1 ) 根据热锻件图3 5 ，建立坐标系如图3 6 所示，锻件的体积明显是 两个回转体体积之差。已知量如下( 其中括号中为例子数据) ： 法兰总高h ( 3