探討參數(shù)化設(shè)計在工程領(lǐng)域的應(yīng)用

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引言

參數(shù)化技術(shù)是當前CAD技術(shù)重要的研究領(lǐng)域之一。所謂參數(shù)化設(shè)計是指參數(shù)化模型的尺寸用對應(yīng)的關(guān)系表示，而不需用確定的數(shù)值，變化一個參數(shù)值，將自動改變所有與它相關(guān)的尺寸，也就是采用參數(shù)化模型，通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，自動實現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。參數(shù)化設(shè)計技術(shù)以其強有力的草圖設(shè)計、尺寸驅(qū)動修改圖形功能，成為初始設(shè)計、產(chǎn)品建模及修改系列設(shè)計、多方案比較和動態(tài)設(shè)計的有效手段。

目前，市場上已經(jīng)有很多成熟的三維設(shè)計軟件。這些軟件最大的特點是易學(xué)易用、功能強大、鏈接兼容性好，最顯著的優(yōu)點在于基于特征的完全參數(shù)化設(shè)計方式保證了產(chǎn)品設(shè)計的合理性和高效性，直觀反映出產(chǎn)品的真實幾何形狀、代碼，以實現(xiàn)無圖紙加工。與傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比，三維參數(shù)化設(shè)計更符合人們的思維習(xí)慣且可視化程度高，它已成為今后機械設(shè)計的主流方向。

三維參數(shù)化設(shè)計已經(jīng)被廣泛的運用于簡單零部件系列的設(shè)計，本文將探討參數(shù)化設(shè)計在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.工程機械產(chǎn)品設(shè)計分析

1.1工程機械產(chǎn)品設(shè)計特點

工程機械產(chǎn)品，不同于機床和輕工設(shè)備中的零件，結(jié)構(gòu)型式較為簡單固定而易于實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。工程機械，諸如礦山機械、港口機械設(shè)備等通常含有大量復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)件，而類似這樣的鋼結(jié)構(gòu)件相比之下較難實現(xiàn)參數(shù)化。

工程機械產(chǎn)品設(shè)計過程大致可分為兩個階段：方案設(shè)計及詳圖設(shè)計。在方案設(shè)計階段，設(shè)計者根據(jù)用戶對產(chǎn)品的功能要求，確定整機的主要性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、主要機構(gòu)的傳動方案、結(jié)構(gòu)件的所需幾何尺寸，繪出總體方案圖，提出方案設(shè)計說明書，經(jīng)方案審查完后，確定選擇的方案。在詳細設(shè)計階段，須進行詳細的分析計算，以確定各零部件的詳細結(jié)構(gòu)，從而繪出全部裝配圖及零件生產(chǎn)圖紙，整理出設(shè)計計算說明書及材料需求清單、標準件清單、機電產(chǎn)品目錄等技術(shù)文檔。圖1-1表示了工程機械產(chǎn)品設(shè)計的一般過程。

圖1-1  工程機械產(chǎn)品設(shè)計流程

1.2實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的必要性和可行性分析

從圖1-1中，可以清晰的看到方案設(shè)計及方案的分析、計算、評估等工作起著相當重要的份量和作用。方案設(shè)計的效率直接影響著整個設(shè)計進程。在計算機輔助設(shè)計--CAD（Computer Aided Design）手段不斷發(fā)展和日趨成熟的今天，選擇合適的設(shè)計軟件來處理方案設(shè)計中的有限元分析、動力學(xué)分析、三維模擬、動力學(xué)仿真、數(shù)值優(yōu)化等復(fù)雜問題，已經(jīng)成為可能并且非常有必要。

對于工程機械產(chǎn)品中，類似復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)件，一般地說，它是零部件的組合設(shè)計。結(jié)構(gòu)件有限元分析是產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)性分析。最基本的分析是進行線性應(yīng)力分析；對于有些結(jié)構(gòu)件，例如吊臂與塔架，還要進行穩(wěn)定性分析，研究結(jié)構(gòu)件失穩(wěn)（屈曲）的條件。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，整體分析是工程師面臨的最直接、最重要的問題。基于整體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，利用三維設(shè)計軟件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化，采用子結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)策略，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的剖分與結(jié)構(gòu)件分析，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的變換與組裝，最終完成整體結(jié)構(gòu)分析。通過建立三維參數(shù)化實體模型，并通過修改參數(shù)實現(xiàn)不同方案的比較、數(shù)值優(yōu)化等，最終找到最佳設(shè)計。基于這個思想，本文將展開說明復(fù)雜工程機械產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計方法。

2.Inventor三維設(shè)計軟件

如前言中所述，目前已有很多優(yōu)秀的三維CAD軟件，諸如：UG、PRO/E、CATIA、Autodesk Inventor、Solidworks及國產(chǎn)的CAXA軟件。UG、PRO/E、CATIA主要用于多曲線多曲面等較為復(fù)雜的汽車、飛機、模具行業(yè)。Inventor、Solidworks相比易學(xué)易用，其中Inventor是Autodesk公司解決三維機械設(shè)計的拳頭產(chǎn)品，憑借其業(yè)界領(lǐng)先的DWG兼容性和大型裝配性能，Inventor可將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)從二維轉(zhuǎn)換到三維，因此歷年的設(shè)計數(shù)據(jù)可得到有效的利用，進而可以減少設(shè)計時間。

鑒于上述原因，本文下述部分將提出一個工程設(shè)計實例，借用Inventor軟件平臺，重點論述三維參數(shù)化設(shè)計在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用實例

該例子取自福建華電儲運有限公司SR4000/3000.45型斗輪堆取料機項目。斗輪堆取料機是電廠，港口，礦山等領(lǐng)域常用的連續(xù)高效率的散料輸送設(shè)備，如圖3-1所示。該設(shè)備能夠通過斗輪將堆場的散料（常見如煤、礦石等）挖取，通過皮帶機輸送至設(shè)置在回轉(zhuǎn)中心的中心料斗，通過中心料斗輸送至系統(tǒng)皮帶機再運走；相對的，系統(tǒng)皮帶機的料流通過尾車皮帶機將物料送至懸臂皮帶機，懸臂皮帶機可將物料送至料場，完成堆料作業(yè)。

圖3-1 SR4000/3000.45型斗輪堆取料機

例子中的斗輪堆取料機屬于整體液壓俯仰式機型，即整個上部鋼結(jié)構(gòu)和配重通過液壓油缸伸縮實現(xiàn)俯仰動作，以滿足不同高度料堆的堆取工作。整個上部俯仰結(jié)構(gòu)是通過兩個俯仰主鉸點和兩個油缸動鉸點支承的，油缸鉸點的移動實現(xiàn)俯仰動作。從圖中可以看出，斗輪機構(gòu)、懸臂膠帶機、懸臂架、配重架、拉桿、附屬結(jié)構(gòu)等零部件的重量和載荷都直接或者間接的作用在塔架上，因此，塔架在整個設(shè)備中受力復(fù)雜，需要合理設(shè)計和準確計算。

圖3-2是塔架的最終優(yōu)化后的模型圖，該塔架的結(jié)構(gòu)型式是在參考和借鑒大量國內(nèi)外不同機型設(shè)備之后確定的。由于型式做了很大變動，以及考慮國內(nèi)外生產(chǎn)制造工藝質(zhì)量的區(qū)別等因素，在最終確定使用該結(jié)構(gòu)型式之前，需要通過有限元計算，合理更改梁高，板厚等參數(shù)，并經(jīng)過再次計算驗證。Inventor設(shè)計軟件提供了從建模，計算，參數(shù)更改，再驗算等完整功能。

圖3-2 圖3-3

3.1建立參數(shù)化模型

在參數(shù)化設(shè)計中，最重要的工作之一是如何將復(fù)雜的實際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為參數(shù)化的計算模型。

由于工程機械產(chǎn)品（如圖3-2塔架）的鋼結(jié)構(gòu)件，包含大量形狀各異的板件、型材等。為了避免生成大額數(shù)量的零件以及免去復(fù)雜的零件裝配工作，通常根據(jù)需要將部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計為一個多特征疊加的實體模型--一個零件，通過定義用戶參數(shù)和尺寸約束確定板材厚度、外形、位置等。

要建立參數(shù)化模型，最好先建立坐標系和找出關(guān)鍵點--節(jié)點。節(jié)點的位置將決定模型的主體形狀，繼而影響結(jié)構(gòu)件的承載能力。圖3-3從模型中抽取出來的節(jié)點圖。Inventor軟件提供了和Excel表鏈接的功能。該功能可以大大減少設(shè)置參數(shù)和更新模型的時間，而且Excel表內(nèi)可以設(shè)置不同的工作表，如圖3-4中有工作表“45米懸臂”，“38米懸臂”……不同的參數(shù)表擁有相同的參數(shù)名和不同的參數(shù)值，相當于設(shè)置了不同的方案，只要激活需要的工作表，就可以生成相應(yīng)的方案。在零件造型、分析設(shè)置或后處理過程中，可以隨時定義和編輯參數(shù)。得出方案之后，如果更改了與載荷或約束關(guān)聯(lián)的參數(shù)，系統(tǒng)將啟用“更新”命令，即可以運行得到新的方案。

要得到參數(shù)化模型，在建模中需要注意的是，新的特征要盡可能利用已有的參數(shù)，必要的時候甚至可以引用參數(shù)方程式。其目的是盡可能減少參數(shù)的數(shù)量以及保證模型特征能夠與參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

圖3-4  Excel參數(shù)表

3.2有限元分析和數(shù)值優(yōu)化……

Inventor中的應(yīng)力分析，為機械產(chǎn)品的設(shè)計過程提供了一個便捷實用的工具。設(shè)計者可以在設(shè)計過程中隨時對零件進行靜力學(xué)基本分析和動力學(xué)的模態(tài)分析。Inventor具備ANSYS為內(nèi)核的分析模塊，又提供了很好的人機交互界面，因此非常實用。通過固定約束，施加載荷，設(shè)置應(yīng)力分析環(huán)境等工作，就能得到分析結(jié)果。根據(jù)結(jié)果變更重要參數(shù)值就能得到最佳設(shè)計。

對于該文章中的塔架模型，我們僅以變動E和E的位置參數(shù)為例，通過多次更改和分析，得到了優(yōu)化后的設(shè)計。如圖3-5所示。

圖 3-5 應(yīng)力分析和參數(shù)優(yōu)化

3.3生成工程圖

工程機械中的鋼結(jié)構(gòu)件在目前尚無法實現(xiàn)CAM制造，因此在絕大多數(shù)情況下還需要出工程圖。Inventor三維設(shè)計軟件具有從三維模型到二維工程圖的直接轉(zhuǎn)換的功能。而且生成的工程圖與三維模型尺寸關(guān)聯(lián)，當三維模型參數(shù)變更之后，工程圖也能自動得到更新。

4.結(jié)論

本文以Inventor三維設(shè)計軟件為平臺，解決了一個復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的實例?？梢钥闯觯こ虣C械中復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)件可以通過建立三維實體模型、設(shè)置Excel特征參數(shù)表格建立三維參數(shù)模型，根據(jù)有限元分析結(jié)果，調(diào)整和變更參數(shù)，將完成方案修改設(shè)計、分析和計算、方案評估、設(shè)計優(yōu)化直至最終完成工程圖設(shè)計等一系列環(huán)節(jié)。參數(shù)化設(shè)計在工程機械領(lǐng)域中的應(yīng)用將極大的提高設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計時間，是工程機械產(chǎn)品設(shè)計切實可行并富有成效的一種設(shè)計方法。（e-works）