一種滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，變型設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，在保證整體的結(jié)構(gòu)和功能不變的條件下，對(duì)已有的類似產(chǎn)品或模塊進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)或尺寸的變動(dòng)，設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品的過(guò)程。大多數(shù)的變型設(shè)計(jì)技術(shù)只針對(duì)產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)，而忽略了產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用意義，缺乏對(duì)產(chǎn)品在各種工況下剛度、強(qiáng)度等工程約束條件的判斷，難以保證變型設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的可靠性。近年來(lái)，CAE技術(shù)已經(jīng)成為解決工程分析問(wèn)題的主要途徑，采用該技術(shù)對(duì)產(chǎn)品各種工作工況下的剛度、強(qiáng)度穩(wěn)定可靠性等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性能和安全可靠性問(wèn)題進(jìn)行分析評(píng)測(cè)，同樣在設(shè)計(jì)階段就能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并進(jìn)行及時(shí)處理。因此，CAD/CAE集成技術(shù)為滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法的研究提供了新的思路。
[0003]CAD/CAE集成是當(dāng)前CAE領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，是CAD和CAE領(lǐng)域發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。其充分利用了各系統(tǒng)的應(yīng)用功能，通過(guò)一定的集成方式，實(shí)現(xiàn)了 “設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)-再設(shè)計(jì)”操作的自動(dòng)化過(guò)程，縮短了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)周期，保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的性能，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。通過(guò)CAD/CAE集成技術(shù)可以有效地解決參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及變型設(shè)計(jì)的工程條件滿足性等問(wèn)題。但CAD/CAE集成的應(yīng)用也有一些不盡人意的地方。在CAD軟件中完成零件參數(shù)化三維建模及變型設(shè)計(jì)，再進(jìn)行CAE軟件分析，如果分析結(jié)果符合要求，則完成設(shè)計(jì)；否則需對(duì)零件產(chǎn)品模型中的參數(shù)進(jìn)行修改，這時(shí)需要重新建模，并手工對(duì)有限元模型進(jìn)行修改，而一些信息處理過(guò)程也仍然離不開繁瑣的人工處理過(guò)程，操作不便，效率低下，難以滿足工程需求。因此提出一種滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法，對(duì)于解決無(wú)需要人工干預(yù)的滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)問(wèn)題，縮短設(shè)計(jì)周期，提高建模效率與仿真精度等具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法。這種方法能夠高效、精確的建立仿真模型，并應(yīng)用于仿真分析，方便循環(huán)重復(fù)性分析，解決無(wú)需要人工干預(yù)的滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)問(wèn)題。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案:
[0006]—種滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0007](I)根據(jù)客戶和設(shè)計(jì)的需求對(duì)機(jī)械系統(tǒng)零部件結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行初步分析，并進(jìn)行參數(shù)分析、提取;在CAD軟件的So Iidworks中建立零件的參數(shù)化三維模型；
[0008](2)基于VC++為開發(fā)工具，對(duì)Sol idworks進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建參數(shù)化變型設(shè)計(jì)用戶界面，所述界面的可執(zhí)行步驟包括幾何模型參數(shù)輸入;CAE模型參數(shù)輸入;后臺(tái)啟動(dòng)ANSYS，讀取Excel表格數(shù)據(jù)并執(zhí)行步驟(3)編寫的APDL命令流；
[0009](3)將模型參數(shù)導(dǎo)入到Excel中，并在Excel中編寫APDL命令流;其中，在用戶界面中修改參數(shù)時(shí)，ExceI中數(shù)據(jù)自動(dòng)修改、更新;在ExceI中修改參數(shù)時(shí)，Sol idWorks也能自動(dòng)讀取Excel數(shù)據(jù)并模型更新；
[0010](4)在參數(shù)化變型設(shè)計(jì)用戶界面中輸入幾何參數(shù)和CAE分析參數(shù)，SolidWorks根據(jù)輸入?yún)?shù)對(duì)Excel表格數(shù)據(jù)和APDL命令流進(jìn)行讀取、修改與更新，進(jìn)而對(duì)三維模型進(jìn)行變型設(shè)計(jì)；
[0011](5)在參數(shù)化變型設(shè)計(jì)用戶界面中后臺(tái)啟動(dòng)ANSYS，自動(dòng)讀取更新后的Excel表格中的數(shù)據(jù)和APDL命令流并執(zhí)行APDL命令流文件，建立參數(shù)化CAE分析模型、進(jìn)行參數(shù)化CAE分析并輸出結(jié)果；其中，若在Exce I中修改參數(shù)，可重新生成APDL命令流文件，并且ANSYS自動(dòng)讀取修改后的Excel表格中的數(shù)據(jù)和APDL命令流進(jìn)行建模和分析；
[0012](6)根據(jù)CAE分析結(jié)果，判斷是否滿足工程約束;如果不滿足工程約束則返回步驟
(4)自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)修改，循環(huán)步驟(4)、(5)、(6)直到滿足工程約束條件，如果滿足工程約束進(jìn)行下一步驟；
[0013](7)結(jié)果自動(dòng)返回CAD軟件中，模型更新、Excel表格更新，輸出結(jié)果并保存數(shù)據(jù)文件。
[0014]進(jìn)一步地，步驟(I)所述參數(shù)包括零件的可變參數(shù)、導(dǎo)出參數(shù)和不變參數(shù)，也分為幾何參數(shù)、物理參數(shù)、力學(xué)參數(shù)及CAE分析參數(shù)。
[0015]進(jìn)一步地，步驟(3)所述的APDL命令流為在ExceI中按照APDL代碼的格式編寫好代碼，其中逗號(hào)不用輸入；由于Excel自身具有的強(qiáng)大計(jì)算功能，在Excel環(huán)境下編寫的APDL代碼不需要使用*D0，*ENDD0循環(huán)命令。
[0016]進(jìn)一步地，步驟(3)所述的Sol idWorks讀取Excel數(shù)據(jù)并進(jìn)行模型更新，具體為通過(guò)Excel輸入?yún)?shù)，利用ExceI表格ActiveX控件并結(jié)合SoI idWorks宏功能實(shí)現(xiàn)對(duì)SolidWorks模型尺寸修改及更新。其中，Excel2003保存格式為.xls格式。
[0017]進(jìn)一步地，所述的APDL命令流文件包括有限元建模、單元類型、材料屬性、網(wǎng)格劃分、約束位置、施加邊界條件和載荷，進(jìn)行分析，導(dǎo)出中性文件。其中，AroL宏文件為.mac文件。
[0018]進(jìn)一步地，步驟(4)所述的變型設(shè)計(jì)步驟包括如下:
[0019]I)詳細(xì)分析零件參數(shù)，啟動(dòng)Sol idworks;
[0020]2)根據(jù)零件各尺寸之間的關(guān)聯(lián)，確定各參數(shù)之間的約束關(guān)系，并建立參數(shù)之間的約束關(guān)系式，進(jìn)而構(gòu)建參數(shù)化三維模型；
[0021]3)建立變型設(shè)計(jì)模塊，利用建立的變型設(shè)計(jì)模塊快速地提取零件模型中的尺寸參數(shù)和約束關(guān)系式；
[0022]4)修改尺寸參數(shù)、約束關(guān)系式，零件變型；
[0023]5)保存模型和數(shù)據(jù)文件。
[0024]進(jìn)一步地，步驟(5)所述的建立參數(shù)化CAE分析模型是:ANSYS讀取把Excel表格數(shù)據(jù)讀到數(shù)組中，用數(shù)組中數(shù)據(jù)建模。
[0025]其中，MWRITE,ParP,Fname，Ext，一，label，nl，n2，n3此命令可讀數(shù)組
[0026]VWRITE，Par I，Par2，Par3，……，Parl9 此命令可讀單個(gè)數(shù)值
[0027]進(jìn)一步地，所述的CAE分析步驟包括如下:
[0028]I)后臺(tái)啟動(dòng)有限元分析軟件ANSYS;
[0029]2)根據(jù)需求，將APDL命令流文件中的幾何參數(shù)和CAE分析參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，建立有限元模型；
[0030]3)定義單元類型、材料屬性、網(wǎng)格劃分；
[0031]4)施加邊界約束條件和載荷，其中零件所受到的約束包括一端固定、兩端固定、轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)，載荷包括切削力、拉力或扭矩；
[0032]5)進(jìn)行求解分析，輸出分析結(jié)果，退出ANSYS。
[0033]進(jìn)一步地，所述幾何參數(shù)包括外形尺寸和載荷位置，CAE分析參數(shù)包括網(wǎng)格尺寸、載荷大小和材料屬性，其中材料屬性包括彈性模量、泊松比和材料密度。
[0034]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:應(yīng)用本發(fā)明的滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)-分析-評(píng)價(jià)-再設(shè)計(jì)”操作的自動(dòng)化過(guò)程，利用建立的界面與接口程序可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，模型自動(dòng)變型設(shè)計(jì);充分利用Excel表格強(qiáng)大的公式計(jì)算、直觀的參數(shù)輸入、方便的數(shù)據(jù)維護(hù)功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化、系列化設(shè)計(jì);ANSYS軟件讀取Exce I表格數(shù)據(jù)和APDL命令流進(jìn)行參數(shù)化建模和分析，自動(dòng)修改參數(shù)、分析直到輸出滿足工程約束的結(jié)果，解決繁瑣的循環(huán)重復(fù)性分析問(wèn)題，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；最終分析結(jié)果自動(dòng)返回CAD軟件中重建模型，Excel更新，對(duì)模型參數(shù)修改和APDL代碼批量修改更加方便;整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，解決了滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高了效率，縮短了設(shè)計(jì)周期具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1是本發(fā)明的一種滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法流程圖；
[0036]圖2是本發(fā)明的變型設(shè)計(jì)流程圖；
[0037]圖3是本發(fā)明的CAE分析流程圖；
[0038]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的軸的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)用戶界面圖；
[0039]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的軸的靜力分析結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】不限于此。
[0041 ] 一種滿足工程約束條件的變型設(shè)計(jì)方法，包括的步驟為:Solidworks參數(shù)化三維建模、開發(fā)參數(shù)化變型設(shè)計(jì)用戶界面、Excel中編寫模型參數(shù)和APDL命令流并根據(jù)用戶界面參數(shù)輸入而修改和更新、后臺(tái)啟動(dòng)ANSYS自動(dòng)讀取更新后的Excel建模與分析、自動(dòng)修改參數(shù)與分析直到輸出滿足工程約束的結(jié)果、結(jié)果返回CAD重塑模型及Excel數(shù)據(jù)更新，圖1是其主要流程圖，具體步驟如下:
[0042](I)根據(jù)客戶和設(shè)計(jì)的需求對(duì)零件參數(shù)進(jìn)行分析，如對(duì)一個(gè)輸出軸，各軸段的長(zhǎng)、直徑以及各個(gè)軸長(zhǎng)或軸徑之間的約束關(guān)系進(jìn)行分析，其中參數(shù)主要包括長(zhǎng)、寬、高或直徑等，在CAD軟件的So I i dworks中建立零件的參數(shù)化三維模型；
[0043](2)基于VC++為開發(fā)工具，對(duì)Solidworks進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建參數(shù)化變型設(shè)計(jì)用戶界面，所述界面的可執(zhí)行步驟包括幾何模型參數(shù)輸入;CAE模型參數(shù)輸入;后臺(tái)啟動(dòng)ANSYS，讀取Excel表格數(shù)據(jù)并執(zhí)行步驟(3)編寫的APDL命令流；
[0044](3)將模型參數(shù)導(dǎo)入到Excel中，并在Excel中編寫APDL命令流文件。編寫APDL命令流文件時(shí)，在ExceI中按照APDL代碼的格式編寫好代碼，其中逗號(hào)不用輸入；由于ExceI自身具有的強(qiáng)大計(jì)算功能，在Excel環(huán)境下編寫的APDL代碼不需要使用*D0，*ENDD0循環(huán)命令。其中，在用戶界面中修改參數(shù)時(shí)，E X c e I中數(shù)據(jù)自動(dòng)修改、更新；在E X c e I中修改參數(shù)時(shí)，Sol idWorks也能自動(dòng)讀取Excel數(shù)據(jù)并進(jìn)行模型更新，Sol idWorks讀取Excel數(shù)據(jù)并進(jìn)行模型更新的具體方法為通過(guò)Exce I輸入?yún)?shù)，利用Exce I表格ActiveX控件并結(jié)合So I idWorks宏功能實(shí)現(xiàn)對(duì)SolidWorks模型尺寸修改及更新。其中，Excel2003保存格式為.xls格式。所編寫的APDL命令流文件包括有限元建模、單元類型、材料屬性、網(wǎng)格劃分、約束位置、施加邊界條件和載荷，進(jìn)行分析，導(dǎo)出中性文件。其中，APDL宏文件為.mac文件。
[0045](4)在參數(shù)化變型設(shè)計(jì)用戶界面中輸入外形尺寸、參數(shù)之間的約束關(guān)系等幾何參數(shù)和網(wǎng)格尺寸、施加載荷和材料屬性等CAE分析參數(shù)，其中材料屬性包括:彈性模量、泊松比、材料密度，根據(jù)輸入?yún)?shù)對(duì)Exce I表格數(shù)據(jù)和APDL命令流進(jìn)行讀取、修改與更新，進(jìn)而對(duì)三維模型進(jìn)行變型設(shè)計(jì);所述的變型設(shè)計(jì)步驟如圖2所示，包括如下:
[0046]I)詳細(xì)分析零件參數(shù)，啟動(dòng)Sol idworks ；
[0047]2)根據(jù)零件各尺寸之間的關(guān)聯(lián)，確定各參數(shù)之間的約束關(guān)系，并建立約束關(guān)系式，進(jìn)而構(gòu)建參數(shù)化三維模型；
[0048]3)建立變型設(shè)計(jì)模塊，利用建立的變型設(shè)計(jì)模塊快速地提取零件模型中的尺寸參數(shù)和約束關(guān)系式；
[0049]4)修改尺寸參數(shù)、約束關(guān)系