本文探討了工程領域的參數(shù)化設計相關應用。

　　引言

　　參數(shù)化技術是當前CAD技術重要的研究領域之一。所謂參數(shù)化設計是指參數(shù)化模型的尺寸用對應的關系表示，而不需用確定的數(shù)值，變化一個參數(shù)值，將自動改變所有與它相關的尺寸，也就是采用參數(shù)化模型，通過調整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，自動實現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。參數(shù)化設計技術以其強有力的草圖設計、尺寸驅動修改圖形功能，成為初始設計、產(chǎn)品建模及修改系列設計、多方案比較和動態(tài)設計的有效手段。

　　目前，市場上已經(jīng)有很多成熟的三維設計軟件。這些軟件最大的特點是易學易用、功能強大、鏈接兼容性好，最顯著的優(yōu)點在于基于特征的完全參數(shù)化設計方式保證了產(chǎn)品設計的合理性和高效性，直觀反映出產(chǎn)品的真實幾何形狀、代碼，以實現(xiàn)無圖紙加工。與傳統(tǒng)的二維設計相比，三維參數(shù)化設計更符合人們的思維習慣且可視化程度高，它已成為今后機械設計的主流方向。

　　三維參數(shù)化設計已經(jīng)被廣泛的運用于簡單零部件系列的設計，本文將探討參數(shù)化設計在工程機械領域的應用。

　　1. 工程機械產(chǎn)品設計分析

　　1.1 工程機械產(chǎn)品設計特點

　　工程機械產(chǎn)品，不同于機床和輕工設備中的零件，結構型式較為簡單固定而易于實現(xiàn)參數(shù)化設計。工程機械，諸如礦山機械、港口機械設備等通常含有大量復雜的鋼結構件，而類似這樣的鋼結構件相比之下較難實現(xiàn)參數(shù)化。

　　工程機械產(chǎn)品設計過程大致可分為兩個階段：方案設計及詳圖設計。在方案設計階段，設計者根據(jù)用戶對產(chǎn)品的功能要求，確定整機的主要性能參數(shù)、結構型式、主要機構的傳動方案、結構件的所需幾何尺寸，繪出總體方案圖，提出方案設計說明書，經(jīng)方案審查完后，確定選擇的方案。在詳細設計階段，須進行詳細的分析計算，以確定各零部件的詳細結構，從而繪出全部裝配圖及零件生產(chǎn)圖紙，整理出設計計算說明書及材料需求清單、標準件清單、機電產(chǎn)品目錄等技術文檔。圖1-1表示了工程機械產(chǎn)品設計的一般過程。

圖1-1 工程機械產(chǎn)品設計流程

　　1.2 實現(xiàn)參數(shù)化設計的必要性和可行性分析

　　從圖1-1中，可以清晰的看到方案設計及方案的分析、計算、評估等工作起著相當重要的份量和作用。方案設計的效率直接影響著整個設計進程。在計算機輔助設計--CAD(Computer Aided Design)手段不斷發(fā)展和日趨成熟的今天，選擇合適的設計軟件來處理方案設計中的有限元分析、動力學分析、三維模擬、動力學仿真、數(shù)值優(yōu)化等復雜問題，已經(jīng)成為可能并且非常有必要。

　　對于工程機械產(chǎn)品中，類似復雜的鋼結構件，一般地說，它是零部件的組合設計。結構件有限元分析是產(chǎn)品設計的基礎性分析。最基本的分析是進行線性應力分析;對于有些結構件，例如吊臂與塔架，還要進行穩(wěn)定性分析，研究結構件失穩(wěn)(屈曲)的條件。整體結構設計中，整體分析是工程師面臨的最直接、最重要的問題。基于整體結構分析技術，利用三維設計軟件實現(xiàn)結構模型的參數(shù)化，采用子結構分析的技術策略，實現(xiàn)整體結構的剖分與結構件分析，實現(xiàn)結構件的變換與組裝，最終完成整體結構分析。通過建立三維參數(shù)化實體模型，并通過修改參數(shù)實現(xiàn)不同方案的比較、數(shù)值優(yōu)化等，最終找到最佳設計。基于這個思想，本文將展開說明復雜工程機械產(chǎn)品的參數(shù)化設計方法。

　　2.Inventor三維設計軟件

　　如前言中所述，目前已有很多優(yōu)秀的三維CAD軟件，諸如：UG、PRO/E、CATIA、Autodesk Inventor、Solidworks及國產(chǎn)的CAXA軟件。UG、PRO/E、CATIA主要用于多曲線多曲面等較為復雜的汽車、飛機、模具行業(yè)。Inventor、Solidworks相比易學易用，其中Inventor是Autodesk公司解決三維機械設計的拳頭產(chǎn)品，憑借其業(yè)界領先的DWG兼容性和大型裝配性能，Inventor可將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)從二維轉換到三維，因此歷年的設計數(shù)據(jù)可得到有效的利用，進而可以減少設計時間。

　　鑒于上述原因，本文下述部分將提出一個工程設計實例，借用Inventor軟件平臺，重點論述三維參數(shù)化設計在工程領域的應用。

　　3.參數(shù)化設計應用實例

　　該例子取自福建華電儲運有限公司SR4000/3000.45型斗輪堆取料機項目。斗輪堆取料機是電廠，港口，礦山等領域常用的連續(xù)高效率的散料輸送設備，如圖3-1所示。該設備能夠通過斗輪將堆場的散料(常見如煤、礦石等)挖取，通過皮帶機輸送至設置在回轉中心的中心料斗，通過中心料斗輸送至系統(tǒng)皮帶機再運走;相對的，系統(tǒng)皮帶機的料流通過尾車皮帶機將物料送至懸臂皮帶機，懸臂皮帶機可將物料送至料場，完成堆料作業(yè)。

圖3-1 SR4000/3000.45型斗輪堆取料機

　　例子中的斗輪堆取料機屬于整體液壓俯仰式機型，即整個上部鋼結構和配重通過液壓油缸伸縮實現(xiàn)俯仰動作，以滿足不同高度料堆的堆取工作。整個上部俯仰結構是通過兩個俯仰主鉸點和兩個油缸動鉸點支承的，油缸鉸點的移動實現(xiàn)俯仰動作。從圖中可以看出，斗輪機構、懸臂膠帶機、懸臂架、配重架、拉桿、附屬結構等零部件的重量和載荷都直接或者間接的作用在塔架上，因此，塔架在整個設備中受力復雜，需要合理設計和準確計算。

　　圖3-2是塔架的最終優(yōu)化后的模型圖，該塔架的結構型式是在參考和借鑒大量國內(nèi)外不同機型設備之后確定的。由于型式做了很大變動，以及考慮國內(nèi)外生產(chǎn)制造工藝質量的區(qū)別等因素，在最終確定使用該結構型式之前，需要通過有限元計算，合理更改梁高，板厚等參數(shù)，并經(jīng)過再次計算驗證。Inventor設計軟件提供了從建模，計算，參數(shù)更改，再驗算等完整功能。

圖3-2 圖3-3

　　3.1建立參數(shù)化模型

　　在參數(shù)化設計中，最重要的工作之一是如何將復雜的實際結構轉化為參數(shù)化的計算模型。

　　由于工程機械產(chǎn)品(如圖3-2塔架)的鋼結構件，包含大量形狀各異的板件、型材等。為了避免生成大額數(shù)量的零件以及免去復雜的零件裝配工作，通常根據(jù)需要將部分鋼結構設計為一個多特征疊加的實體模型--一個零件，通過定義用戶參數(shù)和尺寸約束確定板材厚度、外形、位置等。

　　要建立參數(shù)化模型，最好先建立坐標系和找出關鍵點--節(jié)點。節(jié)點的位置將決定模型的主體形狀，繼而影響結構件的承載能力。圖3-3從模型中抽取出來的節(jié)點圖。Inventor軟件提供了和Excel表鏈接的功能。該功能可以大大減少設置參數(shù)和更新模型的時間，而且Excel表內(nèi)可以設置不同的工作表，如圖3-4中有工作表“45米懸臂”，“38米懸臂”……不同的參數(shù)表擁有相同的參數(shù)名和不同的參數(shù)值，相當于設置了不同的方案，只要激活需要的工作表，就可以生成相應的方案。在零件造型、分析設置或后處理過程中，可以隨時定義和編輯參數(shù)。得出方案之后，如果更改了與載荷或約束關聯(lián)的參數(shù)，系統(tǒng)將啟用“更新”命令，即可以運行得到新的方案。

　　要得到參數(shù)化模型，在建模中需要注意的是，新的特征要盡可能利用已有的參數(shù)，必要的時候甚至可以引用參數(shù)方程式。其目的是盡可能減少參數(shù)的數(shù)量以及保證模型特征能夠與參數(shù)相關聯(lián)。

圖3-4 Excel參數(shù)表

　　3.2有限元分析和數(shù)值優(yōu)化……

　　Inventor中的應力分析，為機械產(chǎn)品的設計過程提供了一個便捷實用的工具。設計者可以在設計過程中隨時對零件進行靜力學基本分析和動力學的模態(tài)分析。Inventor具備ANSYS為內(nèi)核的分析模塊，又提供了很好的人機交互界面，因此非常實用。通過固定約束，施加載荷，設置應力分析環(huán)境等工作，就能得到分析結果。根據(jù)結果變更重要參數(shù)值就能得到最佳設計。

　　對于該文章中的塔架模型，我們僅以變動E和E的位置參數(shù)為例，通過多次更改和分析，得到了優(yōu)化后的設計。如圖3-5所示。

圖 3-5 應力分析和參數(shù)優(yōu)化

　　3.3生成工程圖

　　工程機械中的鋼結構件在目前尚無法實現(xiàn)CAM制造，因此在絕大多數(shù)情況下還需要出工程圖。Inventor三維設計軟件具有從三維模型到二維工程圖的直接轉換的功能。而且生成的工程圖與三維模型尺寸關聯(lián)，當三維模型參數(shù)變更之后，工程圖也能自動得到更新。

　　4.結論

　　本文以Inventor三維設計軟件為平臺，解決了一個復雜鋼結構件實現(xiàn)參數(shù)化設計的實例。可以看出，工程機械中復雜鋼結構件可以通過建立三維實體模型、設置Excel特征參數(shù)表格建立三維參數(shù)模型，根據(jù)有限元分析結果，調整和變更參數(shù)，將完成方案修改設計、分析和計算、方案評估、設計優(yōu)化直至最終完成工程圖設計等一系列環(huán)節(jié)。參數(shù)化設計在工程機械領域中的應用將極大的提高設計質量、縮短設計時間，是工程機械產(chǎn)品設計切實可行并富有成效的一種設計方法。