探讨参数化设计在工程领域的应用

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引言

参数化技术是当前CAD技术重要的研究领域之一。所谓参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不需用确定的数值，变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，也就是采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，成为初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较和动态设计的有效手段。

目前，市场上已经有很多成熟的三维设计软件。这些软件最大的特点是易学易用、功能强大、链接兼容性好，最显着的优点在于基于特征的完全参数化设计方式保证了产品设计的合理性和高效性，直观反映出产品的真实几何形状、代码，以实现无图纸加工。与传统的二维设计相比，三维参数化设计更符合人们的思维习惯且可视化程度高，它已成为今后机械设计的主流方向。

三维参数化设计已经被广泛的运用于简单零部件系列的设计，本文将探讨参数化设计在工程机械领域的应用。

1.工程机械产品设计分析

1.1工程机械产品设计特点

工程机械产品，不同于机床和轻工设备中的零件，结构型式较为简单固定而易于实现参数化设计。工程机械，诸如矿山机械、港口机械设备等通常含有大量复杂的钢结构件，而类似这样的钢结构件相比之下较难实现参数化。

工程机械产品设计过程大致可分为两个阶段：方案设计及详图设计。在方案设计阶段，设计者根据用户对产品的功能要求，确定整机的主要性能参数、结构型式、主要机构的传动方案、结构件的所需几何尺寸，绘出总体方案图，提出方案设计说明书，经方案审查完后，确定选择的方案。在详细设计阶段，须进行详细的分析计算，以确定各零部件的详细结构，从而绘出全部装配图及零件生产图纸，整理出设计计算说明书及材料需求清单、标准件清单、机电产品目录等技术文档。图1-1表示了工程机械产品设计的一般过程。

图1-1  工程机械产品设计流程

1.2实现参数化设计的必要性和可行性分析

从图1-1中，可以清晰的看到方案设计及方案的分析、计算、评估等工作起着相当重要的份量和作用。方案设计的效率直接影响着整个设计进程。在计算机辅助设计--CAD（Computer Aided Design）手段不断发展和日趋成熟的今天，选择合适的设计软件来处理方案设计中的有限元分析、动力学分析、三维模拟、动力学仿真、数值优化等复杂问题，已经成为可能并且非常有必要。

对于工程机械产品中，类似复杂的钢结构件，一般地说，它是零部件的组合设计。结构件有限元分析是产品设计的基础性分析。最基本的分析是进行线性应力分析；对于有些结构件，例如吊臂与塔架，还要进行稳定性分析，研究结构件失稳（屈曲）的条件。整体结构设计中，整体分析是工程师面临的最直接、最重要的问题。基于整体结构分析技术，利用三维设计软件实现结构模型的参数化，采用子结构分析的技术策略，实现整体结构的剖分与结构件分析，实现结构件的变换与组装，最终完成整体结构分析。通过建立三维参数化实体模型，并通过修改参数实现不同方案的比较、数值优化等，最终找到最佳设计。基于这个思想，本文将展开说明复杂工程机械产品的参数化设计方法。

2.Inventor三维设计软件

如前言中所述，目前已有很多优秀的三维CAD软件，诸如：UG、PRO/E、CATIA、Autodesk Inventor、Solidworks及国产的CAXA软件。UG、PRO/E、CATIA主要用于多曲线多曲面等较为复杂的汽车、飞机、模具行业。Inventor、Solidworks相比易学易用，其中Inventor是Autodesk公司解决三维机械设计的拳头产品，凭借其业界领先的DWG兼容性和大型装配性能，Inventor可将传统数据从二维转换到三维，因此历年的设计数据可得到有效的利用，进而可以减少设计时间。

鉴于上述原因，本文下述部分将提出一个工程设计实例，借用Inventor软件平台，重点论述三维参数化设计在工程领域的应用。

3.参数化设计应用实例

该例子取自福建华电储运有限公司SR4000/3000.45型斗轮堆取料机项目。斗轮堆取料机是电厂，港口，矿山等领域常用的连续高效率的散料输送设备，如图3-1所示。该设备能够通过斗轮将堆场的散料（常见如煤、矿石等）挖取，通过皮带机输送至设置在回转中心的中心料斗，通过中心料斗输送至系统皮带机再运走；相对的，系统皮带机的料流通过尾车皮带机将物料送至悬臂皮带机，悬臂皮带机可将物料送至料场，完成堆料作业。

图3-1 SR4000/3000.45型斗轮堆取料机

例子中的斗轮堆取料机属于整体液压俯仰式机型，即整个上部钢结构和配重通过液压油缸伸缩实现俯仰动作，以满足不同高度料堆的堆取工作。整个上部俯仰结构是通过两个俯仰主铰点和两个油缸动铰点支承的，油缸铰点的移动实现俯仰动作。从图中可以看出，斗轮机构、悬臂胶带机、悬臂架、配重架、拉杆、附属结构等零部件的重量和载荷都直接或者间接的作用在塔架上，因此，塔架在整个设备中受力复杂，需要合理设计和准确计算。

图3-2是塔架的最终优化后的模型图，该塔架的结构型式是在参考和借鉴大量国内外不同机型设备之后确定的。由于型式做了很大变动，以及考虑国内外生产制造工艺质量的区别等因素，在最终确定使用该结构型式之前，需要通过有限元计算，合理更改梁高，板厚等参数，并经过再次计算验证。Inventor设计软件提供了从建模，计算，参数更改，再验算等完整功能。

图3-2 图3-3

3.1建立参数化模型

在参数化设计中，最重要的工作之一是如何将复杂的实际结构转化为参数化的计算模型。

由于工程机械产品（如图3-2塔架）的钢结构件，包含大量形状各异的板件、型材等。为了避免生成大额数量的零件以及免去复杂的零件装配工作，通常根据需要将部分钢结构设计为一个多特征叠加的实体模型--一个零件，通过定义用户参数和尺寸约束确定板材厚度、外形、位置等。

要建立参数化模型，最好先建立坐标系和找出关键点--节点。节点的位置将决定模型的主体形状，继而影响结构件的承载能力。图3-3从模型中抽取出来的节点图。Inventor软件提供了和Excel表链接的功能。该功能可以大大减少设置参数和更新模型的时间，而且Excel表内可以设置不同的工作表，如图3-4中有工作表“45米悬臂”，“38米悬臂”……不同的参数表拥有相同的参数名和不同的参数值，相当于设置了不同的方案，只要激活需要的工作表，就可以生成相应的方案。在零件造型、分析设置或后处理过程中，可以随时定义和编辑参数。得出方案之后，如果更改了与载荷或约束关联的参数，系统将启用“更新”命令，即可以运行得到新的方案。

要得到参数化模型，在建模中需要注意的是，新的特征要尽可能利用已有的参数，必要的时候甚至可以引用参数方程式。其目的是尽可能减少参数的数量以及保证模型特征能够与参数相关联。

图3-4  Excel参数表

3.2有限元分析和数值优化……

Inventor中的应力分析，为机械产品的设计过程提供了一个便捷实用的工具。设计者可以在设计过程中随时对零件进行静力学基本分析和动力学的模态分析。Inventor具备ANSYS为内核的分析模块，又提供了很好的人机交互界面，因此非常实用。通过固定约束，施加载荷，设置应力分析环境等工作，就能得到分析结果。根据结果变更重要参数值就能得到最佳设计。

对于该文章中的塔架模型，我们仅以变动E和E的位置参数为例，通过多次更改和分析，得到了优化后的设计。如图3-5所示。

图 3-5 应力分析和参数优化

3.3生成工程图

工程机械中的钢结构件在目前尚无法实现CAM制造，因此在绝大多数情况下还需要出工程图。Inventor三维设计软件具有从三维模型到二维工程图的直接转换的功能。而且生成的工程图与三维模型尺寸关联，当三维模型参数变更之后，工程图也能自动得到更新。

4.结论

本文以Inventor三维设计软件为平台，解决了一个复杂钢结构件实现参数化设计的实例。可以看出，工程机械中复杂钢结构件可以通过建立三维实体模型、设置Excel特征参数表格建立三维参数模型，根据有限元分析结果，调整和变更参数，将完成方案修改设计、分析和计算、方案评估、设计优化直至最终完成工程图设计等一系列环节。参数化设计在工程机械领域中的应用将极大的提高设计质量、缩短设计时间，是工程机械产品设计切实可行并富有成效的一种设计方法。（e-works）