proe的三維機(jī)械設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

2013-05-20 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

在機(jī)械設(shè)計(jì)中,尤其是在零件的三維造型和運(yùn)動(dòng)仿真方面,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)已經(jīng)成為重要的設(shè)計(jì)工具。proe是CAD/CAM/CAE領(lǐng)域的一種優(yōu)秀軟件,其強(qiáng)大的參數(shù)化造型、產(chǎn)品裝配和運(yùn)動(dòng)仿真與分析等功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
鄭伯學(xué) 吳俊海來(lái)源:萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) proe 三維造型運(yùn)動(dòng)仿真

0 引言

面臨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),每個(gè)企業(yè)都將產(chǎn)品設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)作為企業(yè)的生命線,沒(méi)有適銷對(duì)路的創(chuàng)新產(chǎn)品,即使企業(yè)設(shè)備再先進(jìn),管理再科學(xué),也會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中敗下陣來(lái)。創(chuàng)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與研制離不開(kāi)先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù),作為先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)核心的CAD技術(shù)正從傳統(tǒng)CAD技術(shù)向現(xiàn)代CAD技術(shù)發(fā)展?？梢哉f(shuō),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了CAD技術(shù)的發(fā)展。

現(xiàn)代CAD技術(shù)不再僅僅是代替手工繪圖的一種工具,而是包含了產(chǎn)品方案決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析、功能仿真,直至工藝設(shè)計(jì)的全部過(guò)程,由二維繪圖發(fā)展為今天基于特征的三維參數(shù)化和變量化造型技術(shù)。使用三維設(shè)計(jì)技術(shù)更能反映實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、構(gòu)造及制造過(guò)程,同時(shí)利用CAD軟件對(duì)機(jī)器或機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與分析,對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出預(yù)測(cè)和改進(jìn),有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì),加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度,提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 三維模型的創(chuàng)建

1.1 特征化造型的概念

特征造型是幾何造型技術(shù)的發(fā)展,它對(duì)諸如零件形狀、尺寸、工藝、功能等相關(guān)信息的綜合描述更直觀和更具工程含義。基于特征的造型系統(tǒng)一般先將大量的標(biāo)準(zhǔn)特征或用戶自定義特征存入數(shù)據(jù)庫(kù),在設(shè)計(jì)階段調(diào)用特征庫(kù)中的特征作為基本造型單元進(jìn)行建模,再逐步輸入幾何信息、工藝信息,建立零件的特征數(shù)據(jù)模型,并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)?；谔卣鞯脑煨头椒ù蟠蟮靥岣吡嗽O(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員可方便地進(jìn)行特征的合法性、相關(guān)性檢查,便于組織復(fù)雜的特征。特征建模過(guò)程實(shí)際上是一系列特征的累加過(guò)程。

在三維建模中主要有以下3種特征:

(1)實(shí)體特征它是構(gòu)建三維模型的基本單元和主要設(shè)計(jì)對(duì)象。實(shí)體特征可以是正空間特征(如實(shí)體的突出部分),也可以是負(fù)空間特征(如實(shí)體上的孔、槽等)。在proe中,根據(jù)建模方式和原理的差異,把實(shí)體特征進(jìn)一步分為基礎(chǔ)特征和工程特征基礎(chǔ)特征是三維模型設(shè)計(jì)的起點(diǎn),包括拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征和混合特征等。工程特征是在基礎(chǔ)特征上的附加特征,它的創(chuàng)建依賴于已存在的基礎(chǔ)特征,是有一定工程應(yīng)用價(jià)值的特征,包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。

(2)曲面特征它是一種沒(méi)有質(zhì)量和體積的幾何特征,對(duì)曲面的精確描述比較復(fù)雜,在目前三維造型中通常采用“B樣條曲線”為基礎(chǔ),通過(guò)曲率分布圖對(duì)曲線進(jìn)行編輯,進(jìn)而得到高質(zhì)量的曲面造型曲面特征主要用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)和逆向工程等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

(3)基準(zhǔn)特征指參數(shù)化設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線、基準(zhǔn)平面和坐標(biāo)系等。一般來(lái)說(shuō),基準(zhǔn)特征主要用于輔助三維模型的創(chuàng)建。

1.2 proe建模的一般過(guò)程

proe是美國(guó)PTC(Parametric Technology Corporation)公司推出的CAD/CAM/CAE一體化軟件,該軟件集機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造、鈑金設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能于一體,是目前國(guó)際上專業(yè)設(shè)計(jì)人員使用最為廣泛、功能強(qiáng)大的新一代產(chǎn)品造型和動(dòng)態(tài)仿真軟件。

利用proe建模首先從整體研究將要建模的零件,分析其特征組成,明確不同特征之間的關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系,確定零件特征的創(chuàng)建順序,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模、添加工程特征等設(shè)計(jì)。通過(guò)二維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描和混合等工具來(lái)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的構(gòu)建。proe三維模型將線框、曲面和實(shí)體三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái),形成一個(gè)整體,整個(gè)建模過(guò)程是基于特征為基本單位的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。其中參數(shù)包括幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)。幾何參數(shù)確定了實(shí)體特征基本位置的固定關(guān)系,尺寸參數(shù)決定了產(chǎn)品外觀尺寸和相對(duì)距離。利用參數(shù)可以準(zhǔn)確控制和修改所建立的三維模型。

proe建模的一般過(guò)程如下:

(1)建立或選取基準(zhǔn)特征作為模型空間定位的基準(zhǔn):如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等。建立每個(gè)實(shí)體特征時(shí),都要利用基準(zhǔn)特征作為參照;

(2)建立基礎(chǔ)實(shí)體特征:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等;

(3)建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等;

(4)特征的修改:特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作;

(5)添加材質(zhì)和渲染處理。

圖1 為一齒輪油泵零件的三維模型圖。

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1.3 利用族表實(shí)現(xiàn)零件系列化設(shè)計(jì)

系列化設(shè)計(jì)是指對(duì)于某些基本形狀相似的零件,通過(guò)修改參數(shù)即可自動(dòng)生成新的系列化零件的設(shè)計(jì)方法,系列化設(shè)計(jì)可大大節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間,提高設(shè)計(jì)效率。

Pro/ E提供的族表實(shí)質(zhì)上是一電子表格,該表格由行和列組成。族表中由用戶建立的零件為基礎(chǔ)零件(父零件),以基礎(chǔ)零件為基礎(chǔ),通過(guò)控制參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成的零件為族成員(子零件),所有基礎(chǔ)零件和族成員的集合即為族表。圖2為普通螺栓的族表。

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2 產(chǎn)品組裝

所有工業(yè)產(chǎn)品都是由不同數(shù)量的零、部件裝配而成的,proe提供的Assembly功能模塊專門用來(lái)進(jìn)行零件裝配。通常可采用2種裝配方法:①自下而上(Bottom-Top)的裝配方法。這種裝配過(guò)程與實(shí)際裝配過(guò)程類似,通過(guò)裝配約束確定零件幾何要素間相對(duì)位置,將所有零件逐個(gè)定位裝配,直到完成整個(gè)產(chǎn)品的組裝。②自頂向下(Top-down)的裝配方法,這種方法基于自頂向下的設(shè)計(jì)思想,先在宏觀上建立裝配規(guī)劃,然后再按規(guī)劃逐步設(shè)計(jì)每個(gè)零件,這種方法適用于由團(tuán)隊(duì)相互分工協(xié)作完成的大型項(xiàng)目。由于proe所有設(shè)計(jì)模塊采用單一的數(shù)據(jù)庫(kù),因此在裝配過(guò)程中可以隨時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案,根據(jù)需要改變零件參數(shù),改變后的參數(shù)變化將體現(xiàn)在所有模型當(dāng)中。為了顯示產(chǎn)品各部分零件的結(jié)構(gòu)關(guān)系,可以在保持約束關(guān)系不變的情況下生成爆炸圖,還可以實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的仿真動(dòng)畫,把組裝過(guò)程通過(guò)每一個(gè)裝配狀態(tài)的快照實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的動(dòng)態(tài)視頻演示,客戶可以通過(guò)觀看該視頻文件了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和組裝過(guò)程。圖3為齒輪油泵的裝配模型圖。

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3 運(yùn)動(dòng)仿真與分析

運(yùn)用proe軟件進(jìn)行三維建模后還可利用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下運(yùn)動(dòng)和功能特性,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否合理,運(yùn)動(dòng)和力學(xué)性能參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求,運(yùn)動(dòng)構(gòu)件是否發(fā)生干涉等,通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真和分析可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并不斷改進(jìn)和完善設(shè)計(jì),嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊(Mechanism)是proe提供的集運(yùn)動(dòng)仿真和機(jī)構(gòu)分析于一身、功能強(qiáng)大的模塊。當(dāng)各零件通過(guò)裝配模塊組裝成一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)后即可進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊。在該模塊中,根據(jù)設(shè)計(jì)意圖定義機(jī)架及構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的零件或組件之間的連接(注意把固定約束的定位約束解除),然后定義伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的作用是對(duì)機(jī)構(gòu)施加力或力矩,為機(jī)構(gòu)提供指定的運(yùn)動(dòng)。最后執(zhí)行運(yùn)動(dòng),并對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行分析。

4 結(jié)語(yǔ)

proengineer Wildfire版本更加完善了軟件的用戶界面和功能,其中包含了目前國(guó)際上先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想,如To-down設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、柔性設(shè)計(jì),系統(tǒng)靈敏度設(shè)計(jì)技術(shù),在進(jìn)一步推廣和使用proe軟件的同時(shí),這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)也將引入到工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中,與其他三維造型設(shè)計(jì)軟件相比,proe在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有特殊的優(yōu)勢(shì),將proe運(yùn)用到產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)必將全面推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展和進(jìn)步,與世界先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)接軌。

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