实体建模

实体建模（精选8篇）

实体建模 篇1

摘要：对于三维CAD应用而言, 大都采用基于特征的实体建模系统进行零件的三维造型。但对于初学者而言, 由于产品的形状复杂多变, 很难快速准确地完成零件的三维实体建模。本文以NX特征建模系统为例, 探讨基于特征的实体建模思路以及建模过程中的注意事项, 从而解决建模思路的问题。

关键词：特征,实体建模,建模思路

UG NX是SIEMENS PLM系统集成公司的主要CAD/CAM应用软件，他提供了强大的基于特征的实体建模系统。但初级用户在基本掌握了大量的特征建模指令之后，在实际设计过程中往往会遇到以下一些问题：

1)拿到图纸之后无从下手;

2)部件的数据非常混乱，编辑困难。

对于第1)个问题，大多数情况下是由于用户不了解一般特征建模流程，无法构建有效地建模思路;而对于第2)个问题，一般往往出现在操作层面上，即没有很好地管理建模过程中的对象。下面将进行详细探讨。

1 实体建模的一般过程

在全面了解NX的主要建模功能之后，需要了解实体建模的一般过程，如图1所示。零件的建模一般可以分成四个阶段。

1.1 分析零件图纸，零件特征分解阶段

分析零件的形状特点，然后把它隔离成几个主要的特征区域。接着对每个区域再进行粗线条分解(“去精留粗”)，及至在脑子里有一个总体的建模思路以及一个粗略的特征图，同时要辨别出难点、容易出问题的地方。在对特征进行排序时，应该注意以下一些基本原则：

1)先粗后细：先作粗略的形状，再逐步细化。

2)先大后小：先作大尺寸形状，再完成局部的细化。

3)先外后里：先作外表面形状，再细化内部形状。

1.2 零件基础特征设计阶段

在零件特征分解之后，首先作出零件的毛坯形状，即零件的基础特征设计阶段。这是整个建模过程最重要的环节，毛坯的合理与否将直接影响后续的建模过程。一般可以通过两种方法进行构造：使用体素特征构造简单的形体;由草图或曲线扫描生成(拉伸、旋转等)实体。

1.3 零件主体的详细设计阶段

在基础实体上添加/移除材料，这是建模的核心阶段。一般通过以下方法实现：扫描特征、标准成型特征、关联复制操作以及其他一些必要的特征操作，如抽壳、修剪、联合体等。

在主体特征的设计阶段，有以下一些建议：

1)建立模型的关键结构，如主要轮廓，关键定位孔等。确定关键的结构对于建模过程起到关键作用;

2)如果一个结构不能直接用三维特征完成，则需要找到结构的某个二维轮廓特征。然后用拉伸或旋转扫描的方法，或者自由形状特征去建立模型。

3)用实体建模，曲面可作为辅助体来修剪实体 (Trim Body)。

4)确定的设计部分先造型，不确定的部分放在造型的后期。

5)设计基准(Datum)通常决定设计思路，好的设计基准将会简化造型过程并方便后期设计的修改。通常，大部分的造型过程都是从设计基准开始的。

1.4 零件的细节设计阶段

利用特征操作功能进行零件的细节设计。主要包括对零件的倒圆角、倒角、拔模等操作。

2 建模过程中应关注的问题

1)正确使用图层进行对象分类放置。许多初学者在建模过程中，往往只使用两个层(一层放实体，其他对象统统放入另外一层)，甚至根本就只使用一个层(其他对象统统隐藏)。设想一下，对于一个复杂产品的设计，往往需要使用大量的构造对象(草图、曲线、参考特征和片体等)，并且经常需要进行编辑操作，那么如何去查询已有的数据?如何快速找到所需要的对象?因此，建议用户重视图层的应用，在设计之前做统一规划。

2)在建模中避免使用一些非参数化操作。如使用“变换”命令来移动或复制对象(应该使用“引用”或“特征移动”等功能);使用复制对象到其他层来保留副本(应该使用“抽取”功能);使用“分割体”命令来分割实体(应该使用“修剪体”功能)等，这些操作会使模型非参数化，从而丢失特征历史信息，导致模型很难修改。

3)避免创建重复的对象。比如一般在一个模型中，建议只创建三个固定基准平面(或一个ACS基准坐标系)，其他应该使用相关基准平面。清理不需要的重复对象的一个简单方法是：在部件导航器“设计视图”模式下，检查“未使用的项”，将这些特征节点删除。

4)合理处理被抑制或更新出现问题的特征。如果在特征编辑的过程中，抑制了某些特征而没有及时释放它们，那么将会引起模型的拓扑结构出现问题。在模型更新过程中，当更新失败时，不要一味地选择“接受”等，而应该对更新出现问题的特征进行相关参数化编辑。

3 实体建模应用举例

按照前面的建模思路，分析在图2所示的基座零件中，基础体由两部分拉伸(Extude)特征组成，将他们进行组合即可完成基体的创建，然后再使用成型特征和关联复制等功能进行详细设计即可完成零件的建模。

图3所示的汽车仪表盘是更为复制的产品。但将其特征进行分解后，可以得到基座和仪表框两部分基体，将这两部分进行组合完成基体的创建，后续建模过程就迎刃而解了。

4 总结

通过对实体建模思路的分析可以看出，根据零件的形状合理地进行特征进行分解是成功建模的关键。而其中基体的创建将直接影响后续的建模过程，又是是重中之重。因此，合理使用UGNX特征建模系统的功能，培养良好的建模思路是成功进行三维实体建模的关键。

参考文献

[1]李建康.基于UG的复杂零件参数化分步建模及完整约束方法[J].江南大学学报 (自然科学版) , 2009.

[2]吴德明.基于Pro/Engineer的参数化特征构建原则研究[J].装备制造技术, 2007.

实体建模 篇2

图1

首先，我们对该零件的结构进行简单的分析：我们可以看出，该机械零件的底部是长方体块，上部也可以认为是有立着的长方体倒圆角而成，然后再在底面和侧面上打两个孔――这样就构成了零件图。下面，我们就根据这个思路来执行具体的绘制步骤。

打开浩辰CAD机械2011软件，我们先在任意视图上绘制一个长为28，宽为20，高为8的长方体，然后调出软件中的建模菜单，使用【长方体】命令绘制长方体（如图2）。

图2

再在此长方体的边缘上绘制第二个长方体，其长为8，宽为20，高为28，两者求并集∪，得到如下图形（如图3），

图3

接下来，我们可以给侧面的长方体倒圆角，R10（如图4）。

图4

在底层的长方体上，我们可以绘制一个圆柱体，求差所得。这时候我们可以把视图方向调整为俯视图，方便我们作图（如图5）。

图5

这时，使用【UCS】命令将绘图平面移动到立着的长方体平面上，在上面绘制圆柱求差得到孔（如图6）。

AUTOCAD三维实体建模初探 篇3

三维模型包括线框模型、表面模型和实体模型。其中实体模型包括线、面、体的全部信息, 是三种模型中最高级的一种, 更接近于真实物体, 而且实体之间能通过布尔运算, 建立更加复杂的实体模型, 并能进行消隐、着色和渲染。此外, 实体模型还可以生成二维平面视图、剖视图和断面图。

如何更快、更好地做出三维实体模型, 显得尤为重要, 下面笔者结合几年来AutoCAD的教学实践, 对三维实体建模谈以下几点体会:

一、熟练运用布尔运算

创建三维实体模型时, 首先对模型的结构进行分析, 无论模型的结构多么复杂, 它总是由若干个简单实体构成。在AutoCAD中, 任何复杂的实体一般都可以看作由若干个简单实体经过叠加、切割等方式而形成。对于规则的简单实体, 可以使用长方体、球体、圆柱体、圆锥体、楔体等基本体, 通过布尔运算生成。因此, 复杂模型的建立过程实际上是不断创建简单实体并将其组合的过程。

AutoCAD的布尔运算有:并集 (UNION) 、交集 (INTERSECT) 、差集 (SUBTRACT) , AutoCAD中的布尔运算对二维及三维图形都可应用。几乎每个稍复杂的三维实体模型的制作都会应用到布尔运算, 如果能正确的使用布尔运算绘制复杂三维实体造型时, 会更简显化, 大大提高作图的效率, 为计算机绘图带来极大方便。

下面是一个三维实体模型:制作一个如图3的三维实体 (中间为通孔) 。

此图是由两个圆柱体和一个长方体组成。学生在进行布尔运算时常常会只使用差集运算:用大圆柱体与小圆柱体进行差运算, 结果会是底板处无孔, 不是通孔。正确的做法是:用大圆柱体与底板并集后再与小圆柱体进行差运算。

二、正确使用坐标系

在AutoCAD中, 坐标系分为世界坐标系 (WCS) 和用户坐标系 (UCS) 两种。二维绘图中使用的坐标系大都是世界坐标系, 它是唯一且不变的。但在三维绘图过程中, 为了便于绘制和观察图形, 除WCS外, 用户可以根据需要建立自己的坐标系———用户坐标系 (UCS) , 这样的坐标系其原点位置和x、y、z轴方向可以任意移动和旋转, 甚至可以依赖于图形中某个特定的对象而变化。学会建立用户坐标系将简化三维建模过程, 是三维建模的关键。

三、合理设置图层

图层 (Layer) 是AutoCAD组织管理图形对象最为有效的工具之一。通过将不同性质的对象放置在不同的层上, 可以方便地通过控制层的特性来显示和编辑对象。三维图形较二维图形更为复杂, 视觉干扰更大, 因此更应借助图层来管理图形。三维实体模型的分层可按照形体分析法, 把组成该模型的各个实体对象放置在不同的层上, 并以不同颜色加以区分, 以便更清晰地作图, 为后续的着色处理和材质的分配带来方便。当发生干扰时, 可通过关闭或冻结某些图层使一些实体不可见, 以便其他实体对象的定位或选择。另外, 借助图层管理三维图形时, 一般不要急于对不同图层间的实体对象做布尔运算, 除非已完成整个三维图形的绘制, 否则不利于后面的编辑工作。

四、灵活运用拉伸和旋转命令将二维图形生成三维图形

(一) 拉伸 (EXTRUDE)

对于一些不规则的简单实体, 常常是先切换到相应的视图平面, 绘制出它的平面图形, 组成面域后, 将平面图形沿其垂直方向按指定的高度或路径拉伸即可生成。

制作图4实体可先做出如图的二维图形, 面域后并把三个圆孔进行差运算, 然后在垂直方向拉伸一定高度, 则会做出右图的实体。

制作图5的一段弯管。它的做法是先做一个圆和一个如图圆弧。拉伸圆, 把圆弧作为拉伸路径即可得到弯管三维模型。

(二) 旋转命令 (REVOLVE) 招募于实心或空心回转体, 可先绘制出回

转体的截面, 组成面域后, 将其绕着回转轴旋转一定角度即可生成, 轴套类零件、圆盘类零件都可采用此方法绘制, 远比多次调用画圆柱、圆锥、球体命令, 再用布尔运算生成实体简单得多。

制作一个如图6轴套类零件图。先做出一个如图的平面图, 面域后绕着轴旋转360度, 即可得到此零件图。

实体建模 篇4

工业生产中大型发动机在石油、矿山以及在船舶中频繁使用,由于其处在高速、重载等恶劣工况下,导致发动机常因振动剧烈而损坏,同时产生极大的噪声,污染环境,影响正常生产。

因此,降低发动机的振动和噪声变得越来越来重要。曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件之一,它的振动特性及机械强度对发动机的可靠性、经济性、动力性影响较大。曲轴的普通静力设计和经验设计由于与实际偏离太大,已经不能满足要求[1]。据此,对曲轴做动力设计和动态特性分析,特别是振动特性的模拟就十分重要。国内外学者采用不同的研究方法,已经对曲轴这一重要特性进行了研究。Stefan Schagerberg[2]等建立了相关的曲轴动态空间模型,描述了压力与扭矩信号的动态关系并提出了算法,并经过了实验验证,但是该研究计算复杂,工作量巨大;刘永红[3]等建立了三维实体并进行了动特性分析,获得了曲轴轴系的扭转、弯曲、伸缩振动及其复合振动,但在计算中忽略了摩擦力和切向接触力;文献[4]、[5]分别建立了简化的曲轴实体模型和Timoshenko梁单元模型,采用模态分析法得到了较低频率的固有频率和振型,可是处理轴承支撑问题中过于简化,而且缺乏实际相关实验来进行对比。

2 曲轴三维有限元模型的建立

虽然现在的CAD/CAE技术可以实现信息共享,但是也存在相关缺陷:操作稍有不慎,会出现信息丢失,导致需要大量的时间进行修补,影响工作效率和计算精度。因此,采用ANSYS参数化来建模,通过改变参数的值可以对零件的属性进行修改,是实现设计和分析自动化的较佳手段。下面简要的介绍参数化建模的相关步骤及原则[4]。

有限元模型的建立包括单元类型的选择、材料的定义、网格的划分以及边界条件的应用。并遵循以下几条原则:

(1)选用的单元应该正常反应出结构所受载荷的响应。

(2)结构简化应保证有足够的计算精度。

(3)网格的划分要适当,过高的精度导致求解时间的增加,耗费大量计算机资源;过低的精度导致问题求解偏离实际,没有实用价值。

(4)设置适当的边界条件。正确边界条件的设定有利于更好的贴近实际来分析问题,得到可信的结果。

对四面体单元的网格划分技术已经相当成熟[6],本文选择Solid92四面体单元,它由10节点组成,每个节点有3个自由度;材料密度数值7.83E3,杨氏模量2.03E11,泊松比0.29。

虽然网格质量好坏也将影响计算精度[7],但是固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布,不存在类似应力集中的现象。所以模态分析时取均匀的网格就可以满足精度要求。节点总数为85642,单元总数为53203。划分网格前、后的模型见图1所示。

(a)网格化前(b)网格化后

3 加载和求解

在对曲轴进行固有模态实验时,采用弹性绳将曲轴悬挂起来,以模拟不受约束的自由状态。在ANSYS计算时,为了模拟该自由—自由状态,对曲轴不加位移约束与力,计算曲轴的固有模态。在求取模态时,应注意刚体模态的出现,由于刚体模态所对应的固有频率为零,它对实际的分析没有意义。因此,在ANSYS中提取前20阶之内的非刚体固有模态。

4 模态结果分析

采用Block Lanczos法求解,得到曲轴固有频率和相对应振型,固有频率如表1,部分振型如图2~图7所示。

前6阶固有频率对应的是曲轴的刚体频率,由动态显示发现其对应的振型分别是曲轴整体的3个刚体平动和3个刚体转动,各曲轴并没有单独的产生弯曲和扭转变形,但刚体模态对实际的分析没有意义。通过研究曲轴前非刚体模态13阶,发现:

曲轴在第7阶固有频率处发生了整体的横向弯曲振动,如图2所示。

在第8阶处发生了整体的纵向弯曲振动,如图3所示。

第9、10阶处发生了纵向两次弯曲振动,如图4所示。

第11阶出现了曲轴的一阶扭转振动,如图5所示。

第12、13阶处产生了弯扭耦合振动,如图6所示。

第14阶以后直到第20阶的固有频率振型则完全表现为曲轴弯曲和扭转变形的叠加,振动情况也更加复杂,如图7所示。

可以从各个模态振型的应力图看到变形最大、应力集中的区域往往是曲柄臂和主轴颈、曲柄臂和连杆轴颈相连接处,这就是是曲轴振动的危险区域。因此,曲柄臂的设计要考虑到危险区域的应力集中问题,可以通过采用空心轴颈和提高轴颈重叠度加以改善,特别要注意曲柄臂与曲拐相连处的过渡圆角的选取[8]。

5 结论

通过ANSYS自带的APDL参数化建模技术,成功地对曲轴进行了三维实体模态计算,求解了曲轴的自由模态,分析了曲轴的固有特性;得出了曲轴较危险的部位,为曲轴的结构改进和曲轴的动特性分析提供了依据。

参考文献

[1]李震,桂长林,孙军.内燃机曲轴轴系振动分析研究的现状、讨论与展望[J].内燃机学报,2002,(5).

[2]Stefan Schagerberg,Tomas Mckelvey.Instantaneous Crankshaft Torque Measurements-Modeling and Validation.2003SAE World Congress,Michigan,March3-6,2003:713-728.

[3]刘永红,任工昌,王步康,等.曲轴轴系的动特性分析[J].内燃机学报,2003,21(5):351-355.

[4]金运涛.KM385BZL曲轴动态特性模拟[D].哈尔滨工业大学学报,2006,(4).

[5]李敏,黄晋英,潘宏侠.大功率发动机机体与曲轴组合结构自由模态分析.机械工程与自动,2004,(126):10-13.

[6]张玉峰,朱以文.有限元网格自动生成的典型方法与研究前瞻[J].武汉大学学报(工学版),2005,38(2):54-59.

[7]马霄.ANSYS网格划分技巧[J].矿山机械,2004,(5):65-66.

实体建模 篇5

关键词：Solidworks,凸轮机构,实体建模

一、引言

虚拟设计是一种新兴的多学科交叉技术, 是以计算机仿真和建模技术为支持, 利用虚拟产品模型, 在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测, 从而对设计方案进行评估和优化, 以达到产品生产的最优目标。机械产品虚拟设计的关键是实体建模, 通过接口为其他应用提供关于物体完整的计算机内部描述。

二、Solidworks简介

Solidworks软件是原创的三维实体设计软件, 它将基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统贯穿于设计、分析、加工和数据管理整个过程, 其模型采用参数化驱动, 能够应对频繁的设计变更。

Solidworks软件的主要特点如下: (1) 可利用拉伸、旋转、放样、扫描、抽壳、筋板、曲面延伸、缝合等功能创建复杂的曲面模型。 (2) 具有强大的工业装配设计能力, 提供自底向上或自顶向下的装配设计方法, 使设计者在设计零件、毛坯件时于零件间捕捉设计关系, 在装配体内设计新零件、编辑已有零件。 (3) 在设计的过程中利用Solidworks可以做机构分析、动态模拟或配合实体加工等, 功能完整。 (4) 能够自动生成爆炸视图并保持装配结构和零件间的装配关系, 通过动画演示爆炸过三、实体建模。

实体建模就是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型, 可以全面完整地描述形体, 具有完备的几何结构的有关点、线、面、体的信息, 能够记录全部的点、线、面、体的几何拓扑关系, 可以实现对可见边的判断, 具有消隐的功能;能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。经常使用的方法有线架建模、曲面建模、实体建模、基于特征建模、参数化建模。

(一) 基于特征的几何建模

特征是指描述产品信息的集合, 并可按一定的规则分类, 使产品的设计及加工的全过程通过计算机并行展开。特征的引用直接体现了设计意图及一定的制造意义, 使设计、分析、工艺准备、加工制造及检验等各个环节有机地联系在一起。

基于特征的设计系统使用参数化特征, 并通过各类属性来描述零件的几何形状以及它们之间的功能关系, 所以系统通常提供特征库, 通过布尔运算等操作来生成零件的特征表示。

(二) 参数化建模

参数化建模就是将草图和模型中的定量信息通过工程方程变量化, 使之成为可以任意调整的参数即应用约束定义和修改几何模型, 实现尺寸和形状的变更。特点是要求设计者在设计初期及全过程中将形状和尺寸联合起来考虑, 并且通过尺寸约束来控制形状, 通过尺寸的改变来驱动形状的改变, 一切以尺寸为出发点。当修改某一尺寸时, 系统自动检索该尺寸在尺寸链中的位置, 找到它的起始几何元素和终止几何元素, 使它们按新尺寸值进行调整, 得到新的几何模型。如遇到几何元素不满足约束条件的情况, 则保持拓扑约束不变, 按尺寸约束修改几何模型。

三、分度凸轮的建模

(一) 零件的三维建模

在Solidworks环境下, 应用特征建模方法建立平行分度凸轮机构的实体模型。在对形状规则的零件进行建模时, 通常以草图为基础, 逐步添加特征来完成零件的建模。

(二) 凸轮廓线的生成

对于形状规则的零件, 可以由草图绘制工具绘制草图后通过最简单最基础的一些特征命令来生成, 例如拉伸基体、拉伸去除、旋转去除、旋转基体等等。但是由于凸轮的外廓线比较复杂, 无法由Solidworks中的草图绘制工具绘制而成。因此凸轮的外廓线只能通过特殊的曲线绘制工具来完成。在Solidworks中有多种曲线绘制途径, 可以通过编制程序生成凸轮廓线上点的坐标值。可以得到一系列形式为 (X, Y, Z) 的数值分别表示这个点在X轴、Y轴和Z轴上的坐标值。接下来就可以通过这些坐标点来绘制凸轮的外廓线。

首先在Solidworks中建立一个模型作为凸轮的毛坯, 坐标原点在凸轮中心。Solidworks中的曲线工具可以从各点的X、Y、Z坐标清单来生成样条曲线。在菜单中选择插入曲线, 选择通过X、Y、Z点的曲线。在导入之前已经得到的那一系列坐标值, 即可生成需要的凸轮外廓线, 如图1所示。此时生成的凸轮廓线并不是封闭的, 只是整个廓线中的起分度作用的部分。通过曲线的两个端点和圆心画弧, 画出实现间歇运动那部分的廓线, 为一段光滑的圆弧。接下来使用组合曲线命令将这两段曲线结合在一起形成一条完整的封闭曲线。此时生成的组合曲线已经是一个特征, 不可以在这个曲线的基础上进行特征建模。因此在凸轮毛坯的侧面上绘制草图, 使用样条曲线工具中的套合样条曲线选中之前已完成的封闭曲线, 组合曲线就被应用到草图中了, 如图2所示。通过拉伸切除命令去掉凸轮廓线以外不需要的材料, 即为成形的凸轮实体模型。

根据凸轮的运动规律, 最终安装完的凸轮结构如图2所示。

四、结束语

在Solidworks环境下, 应用其强大的样条曲线工具, 选择X、Y、Z点坐标值, 能够生成分度凸轮的外廓曲线并进行关键零件的实体建模操作, 表明了选择该曲线生成方法的正确性, 也为其他的具有复杂曲线的零部件的开发和设计提供了一定的参考, 同时也为复杂零部件的设计奠定了理论基础。

参考文献

[1]杨玉虎, 等.平行分度凸轮机构虚拟设计研究[J].机械设计, 2004, 21 (6) :10-12.

[2]蒋红斌.Solidworks2006中文版基础应用与实例分析[M].北京:机械工业出版社, 2005.

[3]秦东兴, 等.包络环面蜗杆传动的实体建模和几何分析[J].重庆大学学报 (自然科学版) , 1998, 21 (4) :79-83.

[4]黄安贻, 等.基于AutoCAD 2000的平面包络环面蜗杆三维实体建模与虚拟加工技术研究[J].机械设计与制造, 2003, 6 (3) :25-26.

实体建模 篇6

1 整体叶轮的实体造型

整体叶轮是离心式压缩机最为关键的部分, 一般由轮毂和叶片两个部分组成, 其中叶片从几何层面上看分为四个曲面, 分别是包覆曲线、轮毂曲线、包覆端曲面以及轮毂端曲面四个部分。在设计整体叶轮的外观造型是需要同时考虑轮毂和叶片这两个部分的造型。

1.1 叶片的创建

叶片曲面对整体造型设计的要求较高, 其横截面呈现自由变化的趋势, 因此, 对造型设计和实际加工操作的难度要求很高。

1.1.1 叶片造型方法分析

基于大量的实际生产操作和设计经验, 已经形成了一套完整的整体造型设计方案。首先要确定一个截面线, 其次根据已经创建的截面线来设计整体叶片的曲面造型。由于叶片的实体造型阶段是整体叶轮造型首先要完成的部分, 特别是其曲面特征复杂多变, 对设计造型的要求非常高, 因此要严格依照叶轮的设计图纸进行操作。根据设计图纸提供的叶片节点作为依托, 基于Pro/Engineer的曲面造型操作。

1.1.2 建立叶片空间截面列表曲线点坐标

如何确定叶片空间截面的曲线点左边, 现在通常使用的方法分为以下几个步骤。首先是要完善叶片的包括顶部曲面、底部曲面以及前后方曲面在内的四个方面的曲面坐标, 从整体上把我叶片的外观造型;其次要根据隐藏的其他坐标量形成叶片的实体造型。

1.2 轮毂的创建

轮毂的创建过程相对叶片来说较为简单, 其方法为根据设计图纸首先创建一个截面线串, 最后根据旋转的规则旋转截面线串, 最终形成轮毂实体。

1.3 创建整体叶轮

叶片创建的最后一个步骤是创建整体叶轮, 首先, 要将先前创建的叶片实体复制并镜像生成额外六个叶片;其次, 要将生成的叶片变倒角;最后, 根据设计方案修改不符合要求的部分, 最终生成一个叶轮实体。

2 刀位轨迹生成

根据加工要求和对象的不同, 加工过程中采取的刀路生成方法也有所不同。通常采用的刀路生成方法有等参数线法、等距截平面法、等距偏置法、等残留高度法和自适应等参数法六种。在实际操作过程中需要参考以下几个方面。

2.1 切削刀具的选择

五轴机床的加工对象一般情况下需要采用的加工刀具有三种, 分别是环形刀具、锥形球头铣刀具及圆柱铣刀。环形刀具的加工对象为毛胚粗加工。当进行轮毂精加工时一般采用锥形球头铣刀具, 这是由于其加工方式要求降低刀具之间的相互干扰。圆柱铣刀能够有效的提高五轴机床的加工效率和产品品质, 因此在需要精加工时, 一般采用圆柱铣刀。

2.2 刀具避让及干涉检查

五轴机床的一大优势在于其实现了刀具之间的有效避让功能。一方面其只需要一次安装就能完成全部刀具的装配工作, 不但能够节省大量的加工时间, 提高加工的效率;另一方面还能实现机器的自动运转, 只需要按照程序人员事先设定好的频率自动调整刀具的安装位置和角度, 降低了操作人员手工操作发生安全事故的可能性。

3 加工仿真和产生NC程序文件

3.1 叶轮的模拟加工

进行了刀具避让和干涉检查功能后, 再进行另一项检查就是模拟加工检查。按照既定的加工策略和选择好的刀具, 以及生成好的走刀路径, 可以进行毛坯的粗加工、轮毂的精加工和叶片的精加工。

3.1.1 叶轮的模拟粗加工

叶轮的模拟粗加工阶段的主要目的是切除毛坯的不规则部分, 因此在加工完成品的精度方面可以适当降低, 为了尽可能的提高加工数量, 首先要保证机器加工时加工量的最大数目和切削的最大角度和深度。刀具方面可以使用球刀头来加工出叶轮和轮毂。

3.1.2 叶轮叶片的模拟精加工

叶轮的实体建模的最后一步是对叶轮叶片的精加工。由于叶片在五轴机床中的作用至关重要, 对其安全性和精准性的要求最高, 因此对叶片的精加工在整个叶轮的加工过程中所占的时间比重、人力比重都最大。

3.2 NC程序文件代码

经过刀具避让、干涉检查和模拟加工, 确定无错误和失误后, 就可以将加工策略生成为走刀路径, 其后就可以将走刀路径生成NC程序文件。Power Mill的后处理文件采用的是文本结构, 虽然目前Delcam公司并没有公开其后处理文件的编制方法, 但从目前发布的机床后处理文件分析, Power Mill后处理文件采用的是自然语言结构。用户可以根据自己的需要, 对后处理程序进行修改和优化。

4 实际加工离心叶轮

完成叶轮叶片和轮毂的实体加工后, 最后还需要完成五轴机床的自动化设置。首先需要将NC程序设置到计算机中, 并建立TCP/IP协议, 创建好联系;其次要在计算机和五轴机床间创建连接, 将设置好的NC程序分别连接至计算机和机床间, 并导入好程序, 将其开启。

5 结语

本文针对具有复杂型面的叶轮, 通过Pro/Engineer进行三维实体造型, 运用了Power Mill对整体叶轮加工轨迹进行了规划、加工仿真, 有效地避免了相邻叶片之间由于空间小而产生的碰撞干涉, 并生成NC程序, 在DMU 60P hidyn五轴加工中心完成了某离心式压缩机整体叶轮。该整体叶轮精度较高, 可见选取的走刀路径还是比较成功的, 加工后的叶轮能满足使用要求, 误差在允许范围内。但由于受刀具材料和刀具长度的限制, 导致刀具震颤和刀具硬度不够, 致使加工时间较长一些。实验结果表明该方法是可行的, 对复杂结构的造型、加工具有指导意义。

本文在对叶轮实体建模与加工方面的探讨并不全面, 没有设计到叶片加工过程中的变形问题。叶片的变形主要是由于在加工过程中承受一定的加工力。由于其加工过程是一个动态的过程, 刀具的误差和受力的不确定性导致叶片会发生无法预估的变形。为了进一步提高机床的生产效率, 提高产品质量, 在接下来的研究和实际生产生活中, 如何克服叶片受力后变形问题是必须要重视的问题。

摘要：五轴机床广泛应用在工业生产的各个领域中, 包括航空、航天、机械制造等等。叶轮式五轴机床的最关键的部件, 在生产加工中需要的精度和安全度较高。因此研究五轴机床的叶轮实体建模与加工对提高工业生产效率, 增强产品质量产生至关重要的作用。本文借助Pro/Engineer进行三维实体造型, 主要研究具有复杂型面的叶轮。

关键词：叶轮,叶轮建模,轮毂

参考文献

[1]刘大响, 金捷.21世纪世界航空动力技术发展趋势与展望[J].中国工程科学, 2004 (9) .

UG软件在实体建模中的应用 篇7

关键词：草图,实体造型,建模

前言

UG软件是现在世界上应用最为广泛最普遍的计算机辅助设计和辅助制造系统软件之一。它集合了设计、分析、制造加工的功能, 实现了优化设计和产品生产制造的组合一体化。

UG软件具有很好的绘图界面, 灵活性能较好, 能够更高的提高绘图效率, 为绘图人员节省时间。能够简单快速的设计工作环境, 从最基本的草图线条绘制到实体、片体、曲面、模具一气呵成, 可以在较短的时间内掌握它的最基本操作和软件使用。而且UG软件具有完善的数据库, 真正实现了CAD/CAM/CAE等各种模块之间, 数据之间的自由转换。

UG软件在数控加工中心应用中, 可以直接的建立三维模型, 直接生成NC代码, 并用于产品的加工制造。而且UG软件其后置处理所生成的程序代码可以支持较多种类型的数控机床。

现在计算机辅助设计软件在加工制造业中的应用已经很普遍。

一、UG软件的具体特点如下:

1、UG软件用基于特征 (孔、凸台、槽沟等) 的建模与编辑方法作为实体造型的基础, 形象直观。

2、UG软件引入了复合建模的概念, 将实体建模、曲面建模、线框建模、半参数化和参数化建模的概念融为一体。

3、UG软件具有统一的数据库, 真正实现CAD、CAM、CAE等模块之间的无数据交换的自由切换。

4、UG软件具有很好的用户界面, 绝大多数功能都可以通过操作鼠标完成;进行操作对象时, 具有自动推理功能;在进行每一步造作时, 都会有相应的提示信息, 以便用户做出正确的选择。

二、UG在实体造型中的实例

在实体造型中UG软件的运用很重要, 在造型前必须绘制出正确的基本曲线。UG的基本曲线图形必须是与实体建模相关联的一种二维图形。

二维图形是通过对一些近似的已经绘制出的曲线轮廓, 进行尺寸判断以及几何约束, 用来准确的表达设计人员的设计意图。并且运用一些拉伸、旋转、以及扫描等实体建模的方法来创建实体模型。

并且利用草图创建的实体模型有很多的优点:

1、方便用于编辑和修改。

2、便于实现参数化和设计。

以下就是通过在UG NX环境中利用草图等一些表达功能进行的实体建模的实例, 如图一所示:

第一步:首先打开UG软件的模板, 如图2所示:

创建绘图界面如下图3:

第二步:开始进行二维图形的绘制, 在此例绘图的开始应该对图纸进行绘图步骤的分析。

在实例中, 建立实体模型要分成三个部分。所以绘制图形的时候分三部分二维图形, 但是本例子中的图形不是在同一个平面中, 需要创建基准坐标系。

三、创建实体模型

模型是实际物体在计算机中的数学表示, 它描述了物体的几何信息。其中的几何信息就是物体在几何空间的形状、位置和大小。而且实体模型能够完整的反应一物体的所有形状信息, 能方便的计算出实体的各种物理属性, 是目前在机械制造行业中应用最为广泛的一种建造模型方法。

在计算机构建实体模型方法的过程叫做建模, 其中建立模型的方法叫实体建模。使用UG软件进行的实体建模时, 我们可以优先考虑一些基本指令

1、利用实体体素:块、圆柱、圆锥、球

2、布尔操作:求和、求差、求交

3、显示的编辑命令:移动、旋转、删除、偏置等

4、轮廓可以被扫描、拉伸、或者旋转形成实体

在本文中运用了自由建模的特征进行的创建的实体模型。创建的不必闭合的片体和自由形状并且独立建立的一些实体设计, 运用修剪指令得出的实体模型。

结束语

实体建模 篇8

连杆是发动机的重要构件之一,其可靠性对发动机有着决定性的影响,有限元法作为工程技术领域中常用的计算分析工具,被许多学者用于研究发动机连杆的应力、应变等相关问题。

1 连杆三维实体模型

有限元几何模型的构建是一项非常重要的工作,要求比较精确。通常要对影响计算结果极小的圆角、倒角进行简化处理,以避免有限元网格的尺寸大小相差悬殊,影响有限元单元质量和计算精度。三维设计软件Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准,得到了业界的认可和推广,本文应用Pro/E对连杆进行三维实体建模,如图1所示。

2连杆有限元模型

将连杆三维实体模型导入到ANSYS 中,采用二阶10节点四面体单元类型对连杆实体模型进行网格划分,采用SOLID187单元,共34 400个网格,43 000个节点,连杆的网络划分模型如图2所示。发动机连杆的材料是中碳结构钢40 CrMn,泊松比0.3,弹性模量206 GPa,密度7 800 kg/m3。

3边界约束条件

边界条件的施加方式与有限元网格模型的生成方式直接相关,由于实际情况往往是比较复杂的,如果完全按照实际情况约束,实际上是不必要的,有时也是不可能的。所以在施加边界条件的时候,本文进行了合理的简化假设。

在模拟计算中,连杆作为一个二力杆,在一端固定中心线,另一端上施加作用力。应力云图和位移变形图在下面的分析中分成拉工况和压工况两种情况。在拉工况中按照半圆分布规律,分析施加载荷,一端固定,另一端施加载荷。在压工况中分为连杆大头端受压、小头端受约束和小头端受压、大头端受约束两种工况。

4有限元结果分析

4.1压缩工况应力分析

图3、图4为压缩工况下,固定连杆小端、连杆大端的应力云图和固定连杆大端、连杆小端的应力云图。从图中可以看出,在压缩工况中,连杆小端与杆身过渡圆角处,连杆大端应力值达到最大,而在连杆的大端与连杆杆身的过渡圆角处,连杆小端应力值达到最大,分析结果与实际情况吻合。

4.2拉伸工况强度分析

图5和图6所示为拉伸工况下,固定连杆小端、连杆大端的应力云图和固定连杆大端、连杆小端的应力云图。从图中可以看出,在拉伸工况下,大头孔的内侧出现连杆的大端最大应力值。小头孔内侧出现连杆小端最大应力值,同时,高应力区分别出现在连杆大端接近90°的载面位置和小端接近45°的截面位置以及连杆杆身与大端的过渡圆角,分析结果与实际情况吻合。

5 结束语

本文利用PRO/E建立三维实体模型,通过有限元法对连杆进行强度分析,结果表明:应力最严重的地方出现在连杆的连杆大、小端与杆身的过渡区。因此,在连杆的设计中,应确保小端孔足够的壁厚,并使小端与杆身的过渡圆角在合理的范围内尽量大些,以减少应力集中。ANSYS分析结果与实际情况吻合,可见,有限元方法是工程设计、开发领域中一种实用、可靠的方法。

摘要：应用Pro/E建立发动机连杆的三维实体模型,将简化后的模型导入ANSYS软件中,再进行网格划分。施加约束和载荷,建立连杆有限元模型,然后进行连杆有限元分析,得到变形过程中的应力场、应变场的分布。为进行发动机连杆的结构分析建立基础。

关键词：发动机,连杆,有限元,静力学分析

参考文献

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