机械零部件CAD∕CAE集成系统研究.pdf

C A D C A E C A P P C A M 现代制造工程 M o d e mM a n u f a ct u r in gE n g in e e r in g 2 0 11 年第11 期 机械零部件C A D C A E 集成系统研究 纪爱敏 黄继承 朱坤 河海大学机电工程学院 常州2 1 3 0 2 2 摘要 研究机械5 部件C A D C A E 集成中的关键技术 包括 参数化建模技术 C A D C A E 模型转换以及有限元模型建立 等 通过对U G 软件的二次开发实现了典型零件的参数化建模过程 分析了C A D 模型中的细节识别 选择 提取 以及 细节等过程 给出了模型减维抽象中的中位面提取方法 以U G 和A N S Y S 软件分别作为C A D 和C A E 软件平台 并以 V is u a l C U G O p e n A P D L 为工具 开发了机械零 部件设计及有限元分析的C A D C A E 集成系统 实现了机械零 部 件参数化设计和有限元分析自动化 关键词 机械零 部件 C A D C A E 集成 参数化设计 有限元分析 中位面提取 U G 二次开发 中图分类号 T H l2 T P 3 9 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 1 1 1 0 0 6 6 0 6 C A D C A Ein t e g r a t io ns y s t e mo fm e ch a n ica l p a r t s J IA i m in H U A N GJ i e h e n g Z H UK u n C o lle g eo fM e ch a n ica l E le ct r ica lE n g in e e r in g H o h a iU n iv e r s it y C h a n g z h o u2 1 3 0 2 2 J ia n g s u C h in a A b s t r a ct T h ek e yt e ch n o lo g ie so fC A D C A Min t e g r a t io no fm e ch a n ica lp a r t sw e r es t u d ie d w h ichin clu d ep a r a m e t r ic m o d e lin g t e ch n o lo g y m o d e lt r a n s f o r m a t io no fC A D C A Ea n df in it ee le m e n tm o d e lin g B a s e do nr e d e v e lo p m e n to fU G t h ep r o ce s so fp a r a m e t r icm o d e lin ga b o u tt h et y p ica lp a r tw a ga ch ie v e d T h eid e n t if ica t io n s e le ct io n e x t r a ct io n a n dr e m o v a lo ft h ed e t a ilsint h e C A Dm o d e lw e r ea n a ly z e d T h ee x t r a ct io na p p r o a cho ft h em id s u r f a ceint h ed im e n s io n a lr e d u ct io no ft h eC A Dm o d e lw a se x e cu t e d T h eC A D C A Ein t e g r a t io ns y s t e mo ft h ed e s ig na n df in it ee le m e n ta n a ly s isf o rm e ch a n ica l p a r t sw 砸e s t a b lis h e db yt h er e d e v e lo p m e n to fU Ga n dA N S Y Sw it hV is u a lC U G O p e n a n dA P D La st o o ls T h ep a r a m e t r icd e s ig na n da u t o m a t icf in it ee le m e n ta n a ly s isf o rm e ch a n ica lp a r t sw e r eim p le m e n t e d K e yw o r d s m e ch a n ica lp a r t s C A D C A Ein t e g r a t io n p a r a m e t r icd e s ig n f in it ee le m e n ta n a ly s is e x t r a ct io no fm id s u r f a ce r e d e v e lo p m e n to fU G O引言 在产品设计过程中 对零 部件进行C A E 模拟分 析是保证其性能要求 提高其设计质量的重要手段 而C A E 分析的第一步是建立零 部件的分析模型 但 目前C A E 软件的特点是分析功能强大 建模功能较 弱 而C A D 软件的特点是建模功能非常强大 因此 研 究产品零 部件C A D C A E 集成对提升其分析效率和 分析精度具有显著意义 本文研究机械零 部件的 C A D C A E 集成中的关键技术 并在此基础上 以U G 和A N S Y S 作为软件平台 开发了相应的集成系统 l 集成中的关键技术 1 1 参数化建模 参数化设计 D im e n s io n D r iv e n 也叫尺寸驱动 是 目前C A D 应用技术中最重要的技术之一 作为产品建 模的一个重要手段 在系列化产品设计中得到了较好 地应用 参数化设计是以约束来表达产品模型的形状特 征 以一组参数来定义几何图形的尺寸数值并约定尺 寸关系 从而能通过变换设计参数来实现产品模型的 更改或相似产品模型的创建 目前的三维C A D 系统都包含参数化建模功能 而 且大部分参数化建模功能和特征设计结合到一起 使 特征模型成为参数的载体 考虑到U G 软件在参数化 建模中的独特优势 本文拟在U G 软件平台上对其进 行二次开发 实现机械零 部件的参数化建模 其主要 内容如下 国家8 6 3 计划项目 2 0 0 8 A A 0 4 2 1 1 5 浙江大学C A D C G 国家重点实验室开放课题资助项目 A 0 9 1 4 6 6 纪爱敏 等 机械零部件C A D C A E 集成系统研究2 0 1 1 年第1 1 期 1 利用U G O p e nM e n u s cr ip t 工具编写用户菜单 生成扩展名为 m e n 的文件 将其存放到S t a r t u p 文件 夹中 2 利用U G O p e nU I S ly le r 工具制作U G 风格的对 话框 自动生成扩展名分别为 d lg c和 h 的文件 将 d ig 文件 扩展名为 e 和 h 的文件存放到A p p lica t io n 文件夹中 并将扩展名为 c和 h 的文件包含到由V C 软件建立的新工程当中 3 通过V C 软件建立新工程 修改工程环境 一方 面使其可以调入U G 的数据库 另一方面方便其调 试 并在包含进来的 c文件中添加代码 实现设计计 算 模型的建立和校核等功能 为达到影部件参数化建模 以齿轮轴为例 编写 了其参数建模的二次开发程序 部分程序代码如下 in clu d e in clu d e U G O P E NA P I 的公共类型和函数 定义 in clu d e U G O P E NA P I 接口函数所需要的 类璎定义及结构定义 in clu d e 与U I S T Y L E 相关的函数和数据结 构定义 in clu d e 与M e n u S cr ip t 中对象属性相关的 函数和数据结构定义 in clu d e z g e a r h in tZ G E A R co n s t r u ct o r in t d ia lo g id v o id clie n t d a t a U F 哪L E R it e m v a lu e t y p e P t ca llb a ck d a t a 0 0 n s lr t lc t o f 回调函数是在对话框启动前U G 自动调用的 主要执行对话框的初始化功能 ch a rd ir 1 0 0 o m ls tch a re n v 2 5 5j U G I I U S E R D I R U F M O D Le v a l e x p e b r a r E x p V a lu e 2 4 U FS T Y L E R it e m v a lu e t y p e t d a t a s e t U F S T Y L E R it e m v a lu e t y p e t 是结构体类型的指针 主要用于U F S T Y L E R a s k v a lu e 蛹数和U F S T Y L E R s e t v a lu e 函数中 完成数 据信息在用户与程序之间的交互 d a t a s e t it e m a t t r U F S T Y L E R V A L U E d a t as e t it e m id Z G E A R Z U Ft e r I I lin a t e in tZ G E A R d e s t r u ct o r in td ia lo g id v o id clie n t d a t a U F S T Y L E R it e m v a h e t y pe pte a U b a e k d a t a D e s t r u ct o r 回调函数是在对话 框结束时U G 自动调用的主要完成对话框结束时用户 所定义的需要处理的工作 h a tZ G E A R o k in td ia lo g id v o id e f ie n t d a t a U F S T Y L E R it e m v a la e t y p e p tca llb a ck d a t a in tZ d o t r b leM d a 瞳a OJ it e m id Z G E A R Z u F S T Y L E Ra s k v a lu e d ia lo g id d a t a 0 U F S T Y L E R a s k v a lu e 主要用于获取控件中用户输入的值 为程序提 供数据传递 是联系用户与程序的桥梁 此函数只能在对 话框中所定义的回调函数中使用 将编译 连接的z g e a r d ll文件复制到S t a r t u p 文件 下 启动U G 选择菜单 在弹出的对话框中可以根据 输入参数的不同来对模型进行更新 1 2C A D 模型理想化处理 在机械零 部件C A D C A E 集成过程中 C A D 设计 模型一般不能直接作为C A E 分析模型 而需要在两 者模型转化过程中对C A D 模型进行理想化处理 如细 节删除等简化处理 中面提取等减维处理 C A D 模型 转化成C A E 模型如图1 所示 细 出 基于特征设计 i C A D 模型 节删除1 简化模礁 对提取f 中面模型 i C A E 模型 图1C A D 模型转化成C A E 模型 1 2 1 细节简化 细节特征是指产品模型中一些细小的形状特征 如很小的孔 浅槽 浅腔 凸台和圆角等 因为它们 与分析模型的总体参数相比很小 这些细小特征对分 析结果的影响很小或可忽略不计 在有限元分析建模 中可以把它们删除或忽略 这样不仅可以提高有限元 网格的质量 同时又减小了有限元分析的复杂度 通 过对细节特征的研究 总结出要简化的细节特征 2 即 倒斜角 对应于C h a m f e r 建模特征 边倒圆 对应 于E d g eB le n d 建模特征 螺纹 对应于T h r e a d 建模特 征 沟槽 对应于G r o o v e 建模特征 小孔 对应于 H o le 建模特征 凸台 对应于P a d B o s s 建模特征 和 6 7 痧圆猡 2 0 11 年第1 1 期现代制造工程 M o d e mM a n u f a ct u r in gE n 百n e e f in g 凹槽 对应于P o ck e t S lo t 建模特征 等 为达到自动 删除细节特征的目的 可在造型系统中构造细节处理 模块 其功能应包括 细节的识别 选取 删除和恢复 细节的识别即在造型系统中 依靠专家的知识和经 验 从设计模型中提取所需细节特征 细节的选取即 按照一定的简化规则从细节特征中确定和选取所要 删除和简化的细节特征 细节的删除即对原始设计 模型进行删除操作 输出不包含细节特征的分析模 型 细节的恢复是为了保证细节简化的自适应过程 对于误删或者需要更改的细节特征进行恢复 细节 简化过程是 首先遍历零件中所包含的全部特征 通 过特征识别技术提取每个特征的参数信息 并按照 简化规则进行简化 细节简化流程如图2 所示 l读入u G C A D 模型 l 遍历U G 模型获得特征数量T o t a l 以及模型任意节点的相关信息 l 创建一个空的对象链表并初始化节点j o N 奈 少一 I Y 取出模型中的第价节点 叁N N 匹自 删除链袁中包含的所有节点I 更新并保存模型 图2 细节简化流程 模型的细节简化过程中 简化规则的实现采用函 数对应的方式 一条简化规则对应于一个简化函数 这样的构造方法有利于简化规则库的扩展和更改 一 旦重新加入另一条简化规则 就可以很容易地对现有 模块进行扩充而加以实现Ho 简化函数采用U G O p e nA P I 函数以及C 语言构 造 简化函数实现中最重要的问题是U G 模型对象的 访问 在访问部件中的对象时 首先要获得对象的标 6 8 识 一般情况下 对象标识可以通过对象选择或对象 遍历来获得 U G O p e nA P I 提供了很多遍历函数用 于获取对象标识 常用的遍历函数是U F O B J cy cle o b is in p a r t C A D 模型的简化应该根据C A D 模型建模尺寸和 简化误差控制范围来确定 基于特征简化的C A D 模 型简化方法不是对某类建模特征不加控制地一律删 除 而是根据具体情况计算每类特征的控制参数阈 值 从而删除参数小于该阈值的对应特征 而保留那 些参数大于该阈值的相应特征 5J 例如 对于倒斜角特征 可以使用U G O p e nA P I 函数中的U F M O D L a s k ch a m f e r p a r r n s 函数对倒斜 角特征进行查询 获取特征的相关参数 函数U F M O D L a s k ch a m f e r p a r m s 的格式如下 U F M O D L a s k ch a m f e rp a r m a t a g tf e a t u r e o b j id h a te d it h a t s u b t y p e ch a r r a d iu s l ch a r r a d iu s 2 ch a r t h e t a 其他的细节查询函数格式与倒斜角类似 只是其 中的控制参数阈值个数有所不同 1 2 2 实体的减维处理 在有限元模型的建立过程中 除了细节简化过程 外 还有很重要的部分即减维抽象 减维抽象是将设 计模型中某些特定零件 通过用低维的结构特征单元 来替代其原有结构 以理想状态来进行分析 从而达 到简化的目的 该方法包括4 个步骤 6J 第l步 面对判断 判断模型中的两个模型表面 是否可以成为面对 如果模型中两个表面被判断为 面对 中面片就在两个表面中间产生 面对判断规则 有如下两种情况 1 模型两个表面E 疋的法线矢量方向 2 必 须相同或相反 即两个面平行 其法线矢量方向满足 式 1 平行面对见图3 其中 d 为两个表面的距离 l 2 4 l 1 2 如果模型两个表面不平行 其夹角p 小于设计 的最大角度口 角度满足式 2 可以认为两个平面 近似平行 如图4 所示 1 8 0 a n g le N l 2 2 一一 2 纪爱敏 等 机械零部件C A D C A E 集成系统研究2 0 1 1 年第1 1 期 引址睡前 b I 址删j 图6 延伸和缝合的操作过程 按照上述生成步骤 针对U G 软件建立二次开发 函数得到中面片生成程序如下 d ls p p s r t t a g U F P A R T 聃k d i8 p h y p 矾 打开当前模型 u F M O D L 越k j im b o d y d is p p a r t t a g b o d y m S U r V K C3 j s P a r a lld d ir d ir l 0 0 0 0 1 is p a r a t t e l 判断 个 面矢量方向是否在容许范围内 U F M O D L e r e a t e t r im m e d s h e e t s h e e t b o d y t a g b b o u n d in g o b j e er s U F M O D L V E C T O R F A C E N O R M A L s i 1 0 0 1 0 0 5 2 3 t t r im m e d s h e e t 进行面片的修整 U FM O D L cr e 砒e 一9 e w 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 d is j o in t lis t 趾w 吨 进行面片缝合 1 3 有限元模型建立 零件C A E 分析文件形成过程 如图7 所示 匾 髓囵昏墼墼 图7 零件C A E 分析文件形成过程 在C A D 软件中 进入F E M 模块 可以直接对已建 立的三维零 部件进行有限元的前处理 处理过程包 括 指定模型的材料物理特性 设定模型约束 施加模 型载荷 网格划分和离散模型输出 F E M 模块需要第 三方解算器进行后续处理 因此输出第三方解算器执 行文件 如 in p 文件 再用VC 软件对其进行编 辑 形成C A E 软件需要的分析文件代码 如 A N S Y S 命令流 m a c文件 2 系统实现 2 1 系统开发过程 利用参数化建模技术 模型转化技术和分析命令 流控制技术 并以V is u a lC U G 和A N S Y S 软件为 平台 开发了机械零 部件C A D C A E 集成系统 首 先 对U G 进行二次开发 建立了机械零 部件的参数 化模型 其次 基于特征对模型的细节特征进行简化 并利用U G O p e nA P I 函数生成中位面 得到零 部件 的理想化模型 然后 运用U G A d v a n ce dS im u la t io n 生 成F E M 模型 利用A N S Y S 分析命令流A P D L 达到有 限元分析的自动化 最后 以V is u a lC 为工具 开 发了机械零 部件设计及有限元分析的C A D C A E 集 成系统 集成系统框架如图8 所示 障 部件cA D cA E 集成系硎 I 叁墼些塞焦堡垫卜 熊型笪丝堡壅卜 叫塑堡重坌堑墼垫 图8 集成系统框架 2 2 应用实例 以齿轮轴轮齿啮合过程中的强度分析为例 说明 系统C A D C A E 集成的应用过程 选择 P a r a m e t e r iz e d M o d e lin go f G e a rS h a f t 菜单 在弹出的对话框中输入 齿轮轴的参数 便得到模型 其界面如图9 所示 图lO 所示为齿轮轴理想化处理后的模型界面 从图lO 可以看出 倒斜角 边倒圆以及键槽等对分析 影响很小的细节特征被删除 图1I 所示为齿轮轴在 U G A d v a n ce dS im u la t io n 中生成的F E M 模型界面 为实现分析自动化 把专用的分析程序编写成一个 个宏文件 然后由一个主分析程序控制整个流程 在需 6 9 髫磊黟一矽塑汝鬻一雾 瓣馘 謦 2 0 11 年第11 期 现代制造工程 M o d e mM a n u f a ct u r in gE n in e e n n g e 婶 u 十 1 z i9 o 培掌o F y 俺争 一 鼙霉 一护 t I I 齿 J 喾龋 垃鼍等 兰殳兰挫 舟9 齿轮轴参数化模型界面 o m u 一 n 一 o 晦 J j 9 L i o 矿 z 0o0 l 幢 耗腆等冀筹 兰旦三 图1 0 齿轮轴理想化处理后的模型界面 O 帅 i d q xn 望 o o 墨曩 二 仲9 b 崔餐譬臭 岩笔急 二皇 旦j 立 二兰墨 二曼二三i 乏二 二 在A N S Y ST o o lb a r 上建立按钮进行专用分析程序的驱 动和调用 实现专用分析流程的过程控制 在A N S Y S T o o lb a r 上添加按钮的界面如图1 2 所示 在图1 2 中 点 击G E A R S 1 按钮 可以得到齿轮轴自动分析所得的最 大主应力图 如图1 3 所示 点击G E A R U S u M 按钮 可 以得到齿轮轴自动分析所得的总变形图 如图1 4 所示 ll e l 0 E 1 l j r m f 一 f 1 l 1 I D 喀口回謇毒P 酥 I C T T dD 一 婴些堕 婴o 世5 E 珊H n lr lm 肼 l龇j L I L 图1 2 在A N S Y ST o o lb a r 上添加按钮界面 引茎 夕翟墨 2 擎器 r1 夕髻 霪r 掣 1 1 I 叫i爹 器 糊 雾 I 厂 图1 4 齿轮轴总变形图界面 图1 1 齿轮轴的F E M 模型界面 要时调用所需要的宏文件 当所有分析程序和宏文件 3结语 都编好后形成一个专用分析程序时 可以利用缩写功能 本文研究了机械零 部件C A D C A E 集成中的关 7 0 雾蚕三 睦 i临冈目日目日口日瞠 啊目日目 II 纪爱敏 等 机械零部件C A D C A E 集成系统研究 2 0 11 年第1 1 期 键技术 并在此基础上 对C A D 和C A E 软件做二次开 发 形成了相应的集成软件系统 实现了机械零 部件 C A D C A E 设计和自动化分析的集成过程 可提高机 械零 部件设计效率和设计质量 为进一步扩展到整 机的快速设计奠定了基础 参考文献 1 S r a s s e rW S e id e lH P T h e o r ya n dP r a ct iceo fG e o m e t r ic M o d e lin g C S p r in g e r V e r la g 1 9 8 9 2 S h e f f e rA M o d e ls im p lif ica t io nf o rm e s h in gu s in gclu s t e r in g J C o m p u t e r A id e dD e s ig n 2 0 0 1 3 3 1 3 9 2 5 3 4 3 邵晓东 李申 李焕玲 等 大型天线结构C A D C A E 集成 建模技术研究 J 计算机集成制造系统 2 0 0 7 1 3 1 0 1 9 1 4 1 9 2 0 4 W illia mCR e g li M ich e laS p a g n u o lo I n t r o d u ct io nt os h 印es im i la r it yd e t e ct io na n ds e a r chf o rC A D C A Ea p p h ca t io n J C o m p u t e rM d e dD e s ig n 2 0 0 6 3 8 6 9 3 7 9 3 8 5 J o s h iN D u t t aD F e a t u r es im p lif ica t io nt e ch n iq u e sf o rf r e e f o r ms u r f a cem o d e ls J J o u r n a lo fC o m p u t in ga n dln f o r m a t io nS cie n