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2011产品创新数字化峰会征文:轮胎定型硫化机CAD/CAE集成系统开发与应用

2011/11/19    来源:e-works    特约撰稿人:曹飞祥  廖延章      
关键字:轮胎定型硫化机  CAD/CAE集成系统  软件开发  
本文阐述了为解决目前CAD/CAE系统中数据转换精度损失和设计变更引起分析模型重复建模的问题,基于Pro/E Wildfire5.0和ANSYS Workbench平台开发了轮胎定型硫化机设计全流程的CAD/CAE集成系统。实现商品化CAD下专业机械CAD/CAE系统软件的集成,极大地提高了产品设计与分析效率,为行业提供了现代设计手段。

0 前言

    轮胎定型硫化机具有小批量、个性化、结构复杂等特点,如何在满足不断增长的客户个性化需求、产品质量和控制研发成本的前提下,有效缩短机械产品的设计与制造周期成为当前制造业的重要任务。传统的设计制造都基于串行模式,各环节之间相互孤立,无法及时发现产品设计中的潜在缺陷,普遍存在前期设计不合理而导致后期返工延误周期的现象。随着CAD/CAE/CAM技术的迅速发展, 并行工程作为一种集产品开发活动和过程于一体的系统化模式,逐渐成为产品设计与研发模式的发展方向。对于机械设计与制造过程,并行工程主要体现在同步设计方面, 即设计阶段就必须考虑到制造的工艺性,借助CAE分析获得合理的产品设计方案;工艺设计部门随后完成零件工艺规划和工装的设计,保证产品的可制造性;再由装配车间完成设备的安装和调试。由此可见, 并行工程必须有集成化CAD/CAE/CAM系统的支撑,作为它的设计平台。

    本文以Pro/E Wildfire5.0和ANSYS Workbench环境为平台,开发了面向轮胎定型同步设计的CAD/CAE集成系统。通过建立统一参数化设计和分析模型,完全避免了数据交互和转换造成的精度损失和模型修复问题,保留了设计过程中的参数化信息,真正实现了“设计-分析-修改-优化”的闭式循环,极大提高了机械产品设计、分析与制造的效率。

    该软件改变了传统的基于经验外加校核的轮胎定型硫化机设计方法,原有设计工作量大部分由软件自动控制完成,把设计重点放到结构的优化和创新上。本文研究的基本理论和方法,对于各种机械产品CAD系统的开发都具有普遍适用性。

1 优化技术

    优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术,是根据最优化原理和方法综合各方面的因素,以人机配合或自动搜索方式,在计算机上进行半自动或自动设计,最后选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法。将优化设计方法与有限元法结合可以用于解决复杂结构的优化设计问题。

    硫化机结构的优化设计分析是以轻量化为设计目标,以强度、刚度或频率等为约束条件,改变设计的形状和尺寸,进行多方案的比较,选择较优的设计方案。在完成初步优化后,用力学分析和设计的经验进行合理的解释,同时考虑到制造工艺材料特性等条件的限制,进一步确认设计优化结果的正确性与可行性。

    当前采用的多极值函数全局寻优算法,虽有全局寻优的能力,但不能确保寻到全局最优状况。软件在混合离散变量优化(MDOD)方法和正交网格法的基础上,采用一种组合式全局寻优策略。该策略将改进的MDOD方法和正交网格法进行有机组合,充分利用MDOD方法的高效性和正交网格法的稳定性协同寻优。由于相应策略的新型算法具有“强优弱劣”的组合机制,实现了机制的融合,达到了行为和结构的互补,因而可以获得较好的寻优效果。

2 有限元建模分析

    生成整机可视的三维真实模型即几何模型,建立虚拟样机,可以检查装配体的动静态干涉情况,并利用ANSYS Workbench对设计好的零部件进行有限元分析,对其性能进行评估,便于设计人员随时完善自己的设计,为专业机械设计前期提供有效的理论依据。

    在分析建模时,如果采用基于特征的分析建模技术,则分析结果数据自然保持与产品模型的对应关系,但如果采用的是传统的基于几何的分析建模技术,或者尽管采用的是基于特征的分析建模技术,但在计算中进行了网格再划分,而又没有记录下再划分历程, 那么分析结果将失去与产品模型的对应关系。分析结果数据的特征映射就是要重新建立起离散网格模型与几何形状的联系,从而将分析结果数据与产品设计特征联系起来,便于分析结果的评价与指导设计的修改。

    (1)运用面向对象的参数化特征造型方法,对PROE进行参数化二次开发,使它具有变量化建模能力,控制PROE的启动、关闭、草图绘制、实体特征的生成和零部件装配等操作。生成的底座模型见图1。

某型号轮胎定型硫化机底座模型

    图1 某型号轮胎定型硫化机底座模型

    (2)结合数据库技术,驱动三维参数化绘图软件Pro/E,通过优化设计模块得到的参数数据,完成轮胎定型硫化机底座和横梁的变量化建模。

    (3)将所得模型直接提交到ANSYS Workbench中进行分析,对轮胎定型硫化机结构进行静、动态载荷分析,应力计算和校核等,如果分析结果满足强度、刚度、稳定性及工艺性要求,则系统会自动调用Word2007,输出计算说明书,否则继续进入优化模块进行优化。系统组成如图2所示。

CAD/CAE软件集成

    图2 CAD/CAE软件集成

3 参数化生成计算说明书

    目前编制计算书时,通常先按规范要求进行计算,然后再用Word2007编写计算书,所得计算书只是纯文本格式,不能包括图形、表格、复杂公式。本文开发出的专业机械计算书模板,利用VC++编程将各种计算融入Word2007中,通过Word模板中的标签定位,把数据输出到相应位置,就可以利用VC和Word2007软件提供的COM接口自动生成参数化的计算说明书。其实现方法为:运用Microsoft提供的COM接口对Word2007进行二次开发,控制Word2007的启动、字体转换、颜色转换、插入图片、时间、页码、关闭等操作。

4 实例

    对某型号机械式定型硫化机进行分析,结果表明:

    (1) 三维建模可以准确表达设计者的设计意图,使设计过程更加符合设计者的设计习惯和思维方式;进行有限元分析和优化,可避免生产实物,既降低了设计成本,又加快了产品的更新速度。

    (2) 定制图文并茂的计算书方案,编程简单灵活,结构化能力强,文件形式较为简单,尤其对于专业机械的系列化部分,只需稍做改动即可。

    (3) 参数绘图系统不仅操作简便, 而且绘图结果更加准确、快捷, 可大大降低设计人员的劳动强度、提高图纸的标准化与规格化,切实提高CAD技术的应用水平和档次。

某型号轮胎定型硫化机CAD/CAE系统集成应用实例

    图3 某型号轮胎定型硫化机CAD/CAE系统集成应用实例

5 结论

    基于企业自身实际开发出的CAD/CAE集成专软件,实现了设计与分析相统一的关联参数化模型。所有的分析建模均在统一环境下进行,可直接利用参数化设计模型建立分析模型, 避免了由于数据丢失和精度损失引起的模型修复工作,较传统的设计及优化方案减少了45%以上的模型准备工作量,较好地解决了机械设计、分析与制造过程中的快速响应问题,不仅提高了企业的技术创新能力, 而且对非标产品的设计、开发具有很大的实用价值。该方法进行系统的研究将大大加快专业机械CAD的开发步伐,此软件在某系列高精度大型液压轮胎定型结构设计中得到了实际应用,获得了良好的设计效果和经济效益,提高了专业机械的设计效率、设计质量和产品的竞争能力。

责任编辑:程玥
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