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2010产品创新数字化峰会征文: 堆垛机金属结构设计分析一体化技术

2010/11/24    来源:e-works    作者:王宗彦  吴淑芳  秦慧斌  肖利民      
关键字:堆垛机  模块化  参数化  有限元分析  
为实现堆垛机快速响应设计,提高其设计质量和效率,提出了堆垛机金属结构CAD/CAE集成设计技术。研究了系统的设计流程,利用参数化技术、模型驱动技术、有限元分析技术、工程图调整技术等,开发实现了堆垛机金属结构CAD/CAE设计系统。使CAD和CAE无缝集成,实现了堆垛机金属结构的快速设计。本设计系统提高了堆垛机金属结构的设计效率和设计质量,为企业快速响应市场多变的需求、有效降低工程师的劳动强度、缩短产品开发周期提供了有效的解决方案。

引言

    目前堆垛机设计主要使用二维CAD软件,设计计算和制图时间占到整个产品开发时间的60%-80%,已经成为制约企业快速响应市场关键问题。而且设计人员不能从大量重复性工作中解脱出来,把主要的精力投入到新产品的开发中去,同时前辈工程师的设计经验、知识也不能得到很好的继承。随着国内外对自动化立体仓库需求量的增大,堆垛机设计效率低问题日益突出。要想解决上述问题,必须使用高效快捷的设计手段,即应用三维设计软件进行产品设计。本文分析了堆垛机金属结构及设计过程,利用CAD/CAE一体化技术,对SolidWorks进行二次开发,建立一套适合企业实际设计的堆垛机金属结构CAD/CAE设计系统。该设计系统的应用使堆垛机金属结构的设计在计算机中反复进行“设计—建模—分析—修改设计—再建模—再分析”变得可行,增加了产品一次性设计成功的可能性,同时还能自动生成符合企业实际生产的工程图,提高了产品设计水平,缩短了产品开发周期,为企业在市场竞争中取得领先提供技术支持。
  
1设计流程的建立

    1.1基本思想

    无论堆垛机是哪种类型,它们的金属结构都比较相似,且结构稳定,具有模块化产品的标准化和系列化的特点。因此设计人员希望设计系统能够以已有产品的参数作为设计参考参数,并且可以随机的修改设计参考参数,并自动生成新的参考参数。然后根据设计完成的参数迅速驱动生成各个零部件和总装三维模型,并对总装模型进行有限元分析。分析结果不符合设计要求,则重新设计参数;否则,自动调整各个零部件和总装的工程图,生成符合企业生产所需的工程图,快速完成一套堆垛机金属结构的设计。此外,系统还要提供数据库管理功能,方便程序的参数加载和保存,并为以后的设计提供参考,做到知识重用。

图1 堆垛机金属结构的CAD/CAE一体化设计流程
 
图1 堆垛机金属结构的CAD/CAE一体化设计流程

    1.2设计流程

    如图1所示,是本文构建的堆垛机金属结构的CAD/CAE一体化设计流程。设计工程师根据设计要求对堆垛机金属结构进行参数设置,接着调用模型驱动模块对堆垛机金属结构进行模型驱动,之后对整机进行有限元分析。查看有限元分析的结果后,如果堆垛机金属结构不符合设计要求则可返回到参数设置界面,修改参数,驱动更新模型,对堆垛机金属结构进一步优化设计。堆垛机金属结构的设计符合性能要求后,调用工程图调整模块,对堆垛机金属结构进行工程图调整和更新。

2关键技术

    2.1 三维参数化建模的原则

    尽管SolidWorks是参数化设计软件,但也必须合理地规划零部件的建模过程,创建三维参数化模板模型。所建的参数化模板模型的好坏直接关系到能否成功生成所需的三维模型,能否有效地实现参数化设计。因此堆垛机金属结构的合理建模是进行堆垛机金属结构三维参数化的基础和关键。由于企业的设计水平不断提高,市场需求趋于多元化,为了提高堆垛机设计的变更性,实现堆垛机模块的迅速组合,所以进行堆垛机金属结构三维建模时,必须遵循以下原则:

    (1)最简单建模原则:几何建模时,每一步操作的特征应尽量简单,这样修改特征参数时,特征不易出错,只需改变很少的参数便能实现模型的修改;

    (2)参数关联性原则:零部件之间有参数关联时,尽量使用方程式建立关联,实现参数之间的链接和自动更新;

    (3)草图定位原则:零部件尽量利用装配草图与上一级发生定位关系,而不与同一级里的零部件发生定位关系。这样当个别零件因更换或丢失时,不会使装配体定位关系发生错误,从而避免整个装配体的混乱;

    (4)独立性原则:为了便于零件的更新和维护,规定接口机制与装配草图作为零件与部件之间信息交换和传递的唯一途径,这样能保证零部件之间的独立性;

    (5)稳定性原则:设计和修改零部件的接口时,都应保证接口的稳定性,尽量不要因为结构的变化而影响到接口机制;分页(6)互换性原则:零部件的设计尽量通用化,适用于不用的堆垛机型号中,便于堆垛机金属结构的装配,降低设计、生产成本

    2.2 三维参数化模型的建立

    三维参数化建模是在堆垛机金属结构模块划分的基础上进行的,堆垛机金属结构参数化建模对后续的SolidWorks二次开发起到关键性作用,如果参数化建模不合理,后续的程序开发将会变得十分复杂,甚至无法进行。将堆垛机金属结构参数化问题分解成下横梁模块、立柱模块、上横梁组件模块、附属结构模块、标准件及通用件模块等,然后建立各模块的相关零件。

    实现SolidWorks的参数化建模常用的有两种方法:一种方法是利用程序直接生成需要的模型,称为完全程序化参数建模。这种方法的设计思想就是将手动分步建模的过程利用程序由计算机连续完成,具有建模灵活性强,建模的同时可以完成设计计算、强度校核等工作,不需要模型库支持等优点。缺点是这种方法的程序设计工作量较大,要求设计人员对SolidWorks API函数具有较高编写能力。另一种方法需要模型库的支持,通过修改模型特征参数更新生产所需的模型,称为参数修改法建模。这种方法需要的程序设计量小,对设计人员的要求不高,特别适用于模型结构稳定或可变参数量少的产品。缺点是这种建模方法对模型库的依赖性很强,模型一旦确定就不能随意修改,否则将造成程序无法正常运行。根据堆垛机零部件结构形式固定的特点,在堆垛机金属结构参数化建模过程中,综合使用上述两种方法建模。

    2.3 模型驱动

    在模型驱动模块中,最主要的是要分清楚哪些零部件参数需要驱动,哪些不需要驱动。我们把参数分为四类。具体包括影响多个部件结构尺寸的第一类参数,只决定本部件结构尺寸的第二类参数,受制于第一类参数和第二类参数的第三类参数,不对其它零部件产生任何影响只对本零件产生影响的第四类参数。其中,第三类参数为从动尺寸,通过与第一类参数或第二类参数建立参数间的关联和约束,实现自动更新。其它三类参数都为主动参数。

    分清参数类型后,模型驱动模块就可以按照一定预定方式从堆垛机金属结构的数据库中读取驱动尺寸名和驱动尺寸值,利用SolidWorks API函数,驱动三维模型的主动参数,从动参数会根据参数间的关联和约束,实现自动更新。

    不同零部件对应不同的零部件参数数据库,这样驱动不同的零部件时,驱动模块就会调用对应的零部件参数数据库,这种驱动方式避免了驱动程序与三维模型的直接联系,提高了该模块的独立性。

    如图2所示为堆垛机金属结构中的下横梁和立柱的模型驱动,图中模型驱动模块作为一个公有模块分别对下横梁和立柱的结构进行驱动更新。这样,驱动结果只取决于零部件参数数据库,与模型驱动模块无关。所以当下横梁和立柱变更时,只需对相应的零部件参数数据库进行修改即可,便于程序维护。

 图2 驱动模块的示意图

图2 驱动模块的示意图

    2.4 有限元分析

    本系统的有限元分析模块是针对堆垛机金属结构整体的有限元分析。只有在堆垛机金属结构的各个部件驱动完成并且总装驱动也完成后,才能调用有限元分析模块进行分析。有限元分析模块也是基于模板的思想,预先设置好模板固定的属性,比如单元类型、材料属性、约束类型、施加载荷类型、载荷方向、网格大小等。其余的变化量由程序界面进行设置,交互共同完成对堆垛机金属结构整体的有限元分析。

    在有限元分析时,所建立的有限元模型与实际物理样机的结构、边界条件、载荷形式等越接近分析就越准确,但会相应地增加软件处理信息工作量和运算时间,有时候甚至会因为程序不能正常生成有限元网格导致分析失败。因此要对有限元模型进行简化,但简化的结果要尽量反映工程实际问题。在简化有限元模型时,要重点考虑保证有限元模型的准确性,同时兼顾其经济性。

    如堆垛机金属结构的静刚度是通过下横梁挠度、立柱挠度、上横梁组件挠度来共同判定。下横梁挠度是指在垂直平面内,下横梁中间位置的向下弯曲f1,校核准则为f1<(Wb/1000)。立柱挠度是指在垂直平面内,立柱中间位置的横向弯曲f2,校核准则为f2<(Hr/2000)。上横梁组件挠度是指在垂直平面内,上横梁组件中间的向下弯曲f3,校核准则为f3<(Wa/1000)。根据图3.4位移云图,得出结果,如表1所示。

表1结构的位移表

部件

位移(mm)

许用挠度(mm)

下横梁

f1=0.3

Wb/1000=3400/1000=3.4

立柱

f2=1.6

Hr/2000=19956/2000=9.978

上横梁组件

f3=0.1

Wa/1000=2200/1000=2.2

    由上表可知,f1<3.4,f2<9.978,f3<2.2,堆垛机金属结构的静刚度满足要求。  

图3 Von Mises应力云图

      图3 Von Mises应力云图 

  图4 位移云图

          图4 位移云图

    通过对堆垛机金属结构有限元分析,利用分析结果的Von Mises应力云图、位移云图,很好的对堆垛机金属结构的静态特性进行了分析与校核,确定这套产品结构十分安全,满足堆垛机的设计要求。

    2.5 工程图调整

    堆垛机金属结构零部件参数化驱动后的工程图变化较大,可能会出现视图位置漂移、尺寸线被拉长、序号不整齐等诸多情况。其混乱程度大,不符合工程实际要求,因此需要建立一个通用的工程图调整程序模块,对工程图进行合理化调整。工程图调整模块的顺利运行主要是基于工程图信息文件read.dat。read.dat中记录着工程图中有用信息,如视图绝对位置,视图注释位置、视图模板比例、视图最大轮廓尺寸等,可以利用SolidWorks API中的GetAnnotations、GetName、Position、GetDimension等属性和方法从工程图模板中提取。分页3 结论

    本系统是基于模板进行设计的,所以必须建立完备的三维模型库。建立以堆垛机金属结构WJ130D.1为基础的三套模板(一层立柱的堆垛机、两层立柱的堆垛机、三层立柱的堆垛机),如图5所示,三套模型中包括有总装(三种类型即一层、两层和三层)、上横梁组件、立柱(三种类型即一层、两层和三层)、下横梁、踏板及安全护栏、维护栏及爬梯、电缆拖链吊架、起升换速限位装置一二(二种类型)、行程开关、定位板、线卡、滑导线支座、滑导线支杆、检测片、圆盖、电器件、标准件。下面用一个例子,详细说明一下堆垛机金属结构CAD/CAE设计系统的操作过程。图6是系统主参数设计界面。

图5堆垛机金属结构三种类型的模板

图5堆垛机金属结构三种类型的模板

图6系统主参数设计界面
 
图6系统主参数设计界面

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