proe的三維機械設計與運動仿真

2013-05-20 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

在機械設計中,尤其是在零件的三維造型和運動仿真方面,計算機輔助設計(CAD)技術(shù)已經(jīng)成為重要的設計工具。proe是CAD/CAM/CAE領域的一種優(yōu)秀軟件,其強大的參數(shù)化造型、產(chǎn)品裝配和運動仿真與分析等功能已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)產(chǎn)品設計。
鄭伯學吳俊海來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:計算機輔助設計 proe 三維造型運動仿真

0 引言

面臨激烈的市場競爭,每個企業(yè)都將產(chǎn)品設計這一環(huán)節(jié)作為企業(yè)的生命線,沒有適銷對路的創(chuàng)新產(chǎn)品,即使企業(yè)設備再先進,管理再科學,也會在競爭中敗下陣來。創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)與研制離不開先進的設計技術(shù),作為先進設計技術(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,市場競爭促進了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)設計、性能分析、功能仿真,直至工藝設計的全部過程,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)。使用三維設計技術(shù)更能反映實際產(chǎn)品的設計、構(gòu)造及制造過程,同時利用CAD軟件對機器或機構(gòu)進行運動仿真與分析,對設計中可能出現(xiàn)的問題做出預測和改進,有利于實現(xiàn)自動化設計,加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度,提高企業(yè)市場競爭力。

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?；谔卣鞯脑煨拖到y(tǒng)一般先將大量的標準特征或用戶自定義特征存入數(shù)據(jù)庫,在設計階段調(diào)用特征庫中的特征作為基本造型單元進行建模,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。基于特征的造型方法大大地提高了設計效率和質(zhì)量,同時在設計過程中設計人員可方便地進行特征的合法性、相關(guān)性檢查,便于組織復雜的特征。特征建模過程實際上是一系列特征的累加過程。

在三維建模中主要有以下3種特征:

(1)實體特征它是構(gòu)建三維模型的基本單元和主要設計對象。實體特征可以是正空間特征(如實體的突出部分),也可以是負空間特征(如實體上的孔、槽等)。在proe中,根據(jù)建模方式和原理的差異,把實體特征進一步分為基礎特征和工程特征基礎特征是三維模型設計的起點,包括拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征和混合特征等。工程特征是在基礎特征上的附加特征,它的創(chuàng)建依賴于已存在的基礎特征,是有一定工程應用價值的特征,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有質(zhì)量和體積的幾何特征,對曲面的精確描述比較復雜,在目前三維造型中通常采用“B樣條曲線”為基礎,通過曲率分布圖對曲線進行編輯,進而得到高質(zhì)量的曲面造型曲面特征主要用于產(chǎn)品的概念設計、外形設計和逆向工程等設計領域。

(3)基準特征指參數(shù)化設計的基準點、基準軸、基準曲線、基準平面和坐標系等。一般來說,基準特征主要用于輔助三維模型的創(chuàng)建。

1.2 proe建模的一般過程

proe是美國PTC(Parametric Technology Corporation)公司推出的CAD/CAM/CAE一體化軟件,該軟件集機械設計、模具設計、加工制造、鈑金設計、機構(gòu)分析、有限元分析和關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理等功能于一體,是目前國際上專業(yè)設計人員使用最為廣泛、功能強大的新一代產(chǎn)品造型和動態(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,在此基礎上進行建模、添加工程特征等設計。通過二維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描和混合等工具來實現(xiàn)三維實體模型的構(gòu)建。proe三維模型將線框、曲面和實體三者有機地結(jié)合起來,形成一個整體,整個建模過程是基于特征為基本單位的參數(shù)化設計過程。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)品外觀尺寸和相對距離。利用參數(shù)可以準確控制和修改所建立的三維模型。

proe建模的一般過程如下:

(1)建立或選取基準特征作為模型空間定位的基準:如基準面、基準軸和基準坐標系等。建立每個實體特征時,都要利用基準特征作為參照;

(2)建立基礎實體特征: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。

proe的三維機械設計與運動仿真proe學習資料圖片1

1.3 利用族表實現(xiàn)零件系列化設計

系列化設計是指對于某些基本形狀相似的零件,通過修改參數(shù)即可自動生成新的系列化零件的設計方法,系列化設計可大大節(jié)省設計時間,提高設計效率。

Pro/ E提供的族表實質(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零件(父零件),以基礎零件為基礎,通過控制參數(shù)驅(qū)動生成的零件為族成員(子零件),所有基礎零件和族成員的集合即為族表。圖2為普通螺栓的族表。

proe的三維機械設計與運動仿真proe學習資料圖片2

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功能模塊專門用來進行零件裝配。通常可采用2種裝配方法:①自下而上(Bottom-Top)的裝配方法。這種裝配過程與實際裝配過程類似,通過裝配約束確定零件幾何要素間相對位置,將所有零件逐個定位裝配,直到完成整個產(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計思想,先在宏觀上建立裝配規(guī)劃,然后再按規(guī)劃逐步設計每個零件,這種方法適用于由團隊相互分工協(xié)作完成的大型項目。由于proe所有設計模塊采用單一的數(shù)據(jù)庫,因此在裝配過程中可以隨時調(diào)整設計方案,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,還可以實現(xiàn)裝配過程的仿真動畫,把組裝過程通過每一個裝配狀態(tài)的快照實現(xiàn)自動的動態(tài)視頻演示,客戶可以通過觀看該視頻文件了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和組裝過程。圖3為齒輪油泵的裝配模型圖。

proe的三維機械設計與運動仿真proe學習資料圖片3

3 運動仿真與分析

運用proe軟件進行三維建模后還可利用計算機模擬系統(tǒng)在真實環(huán)境下運動和功能特性,以驗證設計方案是否合理,運動和力學性能參數(shù)是否滿足設計要求,運動構(gòu)件是否發(fā)生干涉等,通過運動仿真和分析可及時發(fā)現(xiàn)問題并不斷改進和完善設計,嚴格保證設計質(zhì)量。

機構(gòu)運動分析模塊(Mechanism)是proe提供的集運動仿真和機構(gòu)分析于一身、功能強大的模塊。當各零件通過裝配模塊組裝成一個完整的機構(gòu)后即可進入機構(gòu)運動分析模塊。在該模塊中,根據(jù)設計意圖定義機架及構(gòu)成運動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。伺服電機的作用是對機構(gòu)施加力或力矩,為機構(gòu)提供指定的運動。最后執(zhí)行運動,并對運動結(jié)果進行分析。

4 結(jié)語

proengineer Wildfire版本更加完善了軟件的用戶界面和功能,其中包含了目前國際上先進的工程設計理念和設計思想,如To-down設計、并行設計、柔性設計,系統(tǒng)靈敏度設計技術(shù),在進一步推廣和使用proe軟件的同時,這些先進的設計技術(shù)也將引入到工業(yè)產(chǎn)品造型設計中,與其他三維造型設計軟件相比,proe在結(jié)構(gòu)設計上具有特殊的優(yōu)勢,將proe運用到產(chǎn)品造型設計和結(jié)構(gòu)設計的各個環(huán)節(jié)必將全面推動產(chǎn)品設計的發(fā)展和進步,與世界先進計算機輔助設計技術(shù)接軌。

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