参数化设计工作营（精选9篇）
参数化设计工作营 篇1
0 引言
平行分度凸轮机构通常用于两平行轴之间的分度传动。该类机构主动凸轮通常由两片同样的凸轮构成, 当主动凸轮旋转时, 其前后两侧廓线分别与从动盘上相应的滚子接触, 相继推动转盘分度转位或限位, 当主动凸轮圆弧轮廓线部分与滚子接触时, 转盘停止分度[1]。该类机构分度期运动规律可按要求设计, 与传统得槽轮、棘轮等间歇机构相比, 具有高转速、高分度精度、运行平稳、传递扭矩大等优点, 广泛用于食品、轻工、包装、制药、烟草、电子、化工等行业的生产机械中[2]。
平行分度凸轮机构的设计制造关键在于其高精度分度凸轮轮廓曲线的设计和加工。传统的分度凸轮设计方法精度低, 工作量大, 不能满足现代设计产品的更新换代要求。现提出并实现了分度凸轮轮廓曲线的数据采集方法, 设计的分度凸轮工作曲线CAD系统可以按照要求精度自动计算凸轮轮廓曲线的数据点, 对于提高分度凸轮机构的设计和制造精度, 缩短设计周期和提高产品品质等均具有重要的意义, 具有很大经济价值和实用价值。
1 平行分度凸轮轮廓曲线CAD数学模型
根据平行分度凸轮的基本原理, 推导平行分度凸轮工作曲线CAD数学模型, 设计中凸轮的理论轮廓线、实际轮廓线和安装相位角按以下公式计算[3]。
1) 凸轮理论轮廓线的计算公式为:
undefined
式中:xi, yi——与第i个转盘滚子所对应的有效凸轮理论轮廓线坐标;
H ——凸轮头数;
C ——凸轮与转盘间的中心距;
Rp ——转盘节圆半径;
θ ——凸轮转角;
φ ——转盘上第一个滚子的位置角, φ=φ10+φi;
φ10 ——转盘基准起始位置角;
φi ——滚子的角位移;
λ ——计算用辅助角, undefined。
2) 凸轮工作轮廓曲线的计算公式为:
undefined
式中:xki, yki——与第i个转盘滚子所对应的有效凸轮实际轮廓线坐标;
Rr——滚子半径;
α——压力角的计算值, undefined;
ω1——凸轮的角速度;
ω2——转盘的角速度。
3) 安装相位角的计算公式为:
H=1∶θp=180°-θf-2θ10
H≥2∶θp=360°-θf-2θ10
式中:θp——安装相位角, 是前后两片凸轮两条基准起始向径间的夹角;
θf——凸轮分度期转角;
θ10——凸轮的基准起始位置角。
分度凸轮工作曲线CAD系统, 将按输入的分度凸轮参数及上述计算公式计算出分度凸轮上每一点的理论的和实际的工作曲线坐标, 准确地绘制出相应的凸轮实际工作曲线, 并计算出凸轮安装相位角。
2 平行分度凸轮轮廓曲线CAD参数化软件设计
根据平行分度凸轮轮廓曲线CAD数学模型, 利用Visual Basic6.0编程, 开发了平行分度凸轮工作曲线CAD系统, 该系统以Windows XP操作系统为开发平台, 根据分度凸轮原始参数自动计算凸轮轮廓曲线的数据点[4]。
系统开发主要包括界面开发和程序实现两部分。系统总体框图如图1所示。
2.1 界面开发
该软件系统运行界面如图2所示。VB中包括很多现成控件, 系统包括多个标签 (Label) 、共计10个文本框 (Text) 用于原始参数的输入和采集的数据显示, 5个命令按钮 (Command) 包括清空、生成数据、保存数据、画图和退出系统, 4个通用对话框 (Common Dialog) 保存数据。
2.2 程序实现
由系统总体框图可见, 该系统主要包括:输入原始参数、生成数据、画图和保存数据四部分。
1) 输入原始参数到文本框.程序执行时将对应的文本框中的数据赋值给对应的变量, 例:C = Val (Text4.Text) , 将中心距赋值给了变量C。
2) 清空命令将输入原始参数文本框以及数据显示文本框清空.程序中只需将对应的控件的text属性值置空即可, 例:Text1.Text = “”。
3) 生成数据可以根据输入的分度凸轮原始参数, 一次计算出凸轮工作曲线的数据点以及安装相位角。按照前面的凸轮轮廓曲线的解析法以给定的精度要求自动计算出理论工作曲线和实际工作曲线, 该系统按照每一度生成一个数据点, 对于精度要求高的可以按照0.5°或者更小的间隔计算数据点。平行分度凸轮生成的数据点只有x, y坐标, 为了后续的分度凸轮CAD/CAM一体化设计做准备, 软件系统生成得数据点文件, 导入UG中进行凸轮实体建模, 还要加入z点坐标值, 将数据点都放置在z为零的xoy平面, 后续在z方向拉伸一定距离即可生成凸轮实体。输出的数据点显示在输出文本框中, 统一的在输出的数据点后面加上z 0.000, 输出数据到Text9文本框:Text9.Text = Text9.Text & Format (x, “0.000”) & “ ” & Format (y, “0.000”) & “ ” & “0.000” & Chr (13) & Chr (10) , xyz坐标值之间都间隔一个空格。例:39.161 34.689 0.000.最后计算出来安装相位角并输出。
4) 画图命令, 根据计算结果将凸轮工作曲线画出二维图形。在生成数据点的基础上将数据点按安装相位角一半位置 (即键槽位置) 的直线对称, 生成另一个凸轮的数据点, 然后将两片凸轮以不同的颜色按照装配的方式显示出来, 可直观的观看到装配后两片分度凸轮。
5) 保存文件, 将生成的数据点按照UG要求的格式一次性写入文本文件, 第一个文本文件保存原始参数, 然后每条轮廓曲线数据点都存一个文本文件。
6) 退出系统, 完成分度凸轮工作曲线数据点的自动计算。
3 设计实例
某自动化机械上分度凸轮机构上平行分度凸轮基本参数为中心距80mm, 凸轮头数2头, 转盘分度数为4, 分度期转角120°, 节圆半径26mm, 滚子半径10mm。
1) 运行分度凸轮曲线CAD系统, 输入基本参数。
2) 生成轮廓曲线数据。
3) 绘制出的凸轮工作曲线如图3所示。图示是两片分度凸轮装配后的视图, 键槽位置位于安装相位角的一半位置。
4) 保存数据点。4头的凸轮生成的数据点文件共4个, 第一个以文本格式保存分度凸轮的基本参数, 后面的3个文件分别保存分度凸轮工作曲线的数据点。
5) 退出系统。
4 结论
根据平行分度凸轮轮廓曲线数学模型, 利用VB编程实现了凸轮复杂工作曲线的数据点的自动采集, 轮廓图形的自动生成可以直观得检验分度凸轮轮廓曲线是否合理, 创建过程相对简单, 极大的提高了设计工作效率。后续结合UG等三维软件的二次开发, 构建分度凸轮实体模型, 用构建出来的实体模型在后续生成可控精度高的数控加工程序, 实现分度凸轮CAD/CAM一体化设计与制造, 这对提高分度凸轮设计制造精度, 缩短设计制造周期和提高产品品质等均具有重要的意义, 具有很大经济价值和实用价值。
摘要：根据平行分度凸轮的工作原理, 建立了平行分度凸轮工作曲线CAD数学模型, 采用Visual Basic6.0设计了平行分度凸轮工作曲线CAD参数化软件。该软件解决了设计人员复杂的计算, 缩短了设计周期, 提高了设计精度。
关键词：平行分度凸轮,工作曲线,CAD,软件设计
参考文献
[1]许洪基, 雷光.现代机械传动手册[M].北京:机械工业出版社, 2002.
[2]吴雪艳, 等.平行分度凸轮机构虚拟设计研究[J].机械设计, 2004 (6) :10-12.
[3]石永刚, 徐振华.凸轮机构设计[M].上海:上海科学技术出版社, 1999.
[4]林俊杰.Visual B++6.0程序设计经典[M].北京:科学出版社, 2003.
参数化设计工作营 篇2
序号参数类型或单位公式描述 1a角度(deg)标准值：20deg压力角：(10deg≤a≤20deg) 2m长度(mm)——模数 3z整数——齿数(5≤z≤200) 4p长度(mm)m * π齿距 5ha长度(mm)m齿顶高=齿顶到分度圆的高度 6hf长度(mm)if m >1.25，hf = m * 1.25;else hf = m * 1.4齿根高=齿根到分度圆的深度 7rp长度(mm)m * z / 2分度圆半径 8ra长度(mm)rp + ha齿顶圆半径 9rf长度(mm)rp - hf齿根圆半径 10rb长度(mm)rp * cos( a )基圆半径 11rr长度(mm)m * 0.38齿根圆角半径 12t实数0≤t≤1渐开线变量 13xd长度(mm)rb * ( cos(t * π) +sin(t * π) * t * π )基于变量t的齿廓渐开线X坐标 14yd长度(mm)rb * ( sin(t * π) -cos(t * π) * t *π )基于变量t的齿廓渐开线X坐标 15b角度(deg)——斜齿轮的分度圆螺旋角 16L长度(mm)——齿轮的厚度
(在定义计算参数中舔加公式时，可以直接复制公式：注意单位一致)二.参数与公式的设置三.新建零件依次点击————————点击按钮现在零件树看起来应该如下：四.定义原始参数点击按钮，如图下所示：这样就可以创建齿轮参数：1.选择参数单位(实数，整数，长度，角度…)2.点击按钮3.输入参数名称4.设置初始值(只有这个参数为固定值时才用)现在零件树看起来应该如下：(直齿轮)(斜齿轮)多了个参数：b分度圆螺旋角一.齿轮参数与公式表格
序号参数类型或单位公式描述 1a角度(deg)标准值：20deg压力角：(10deg≤a≤20deg) 2m长度(mm)——模数 3z整数——齿数(5≤z≤200) 4p长度(mm)m * π齿距 5ha长度(mm)m齿顶高=齿顶到分度圆的高度 6hf长度(mm)if m >1.25，hf = m * 1.25;else hf = m * 1.4齿根高=齿根到分度圆的深度 7rp长度(mm)m * z / 2分度圆半径 8ra长度(mm)rp + ha齿顶圆半径 9rf长度(mm)rp - hf齿根圆半径 10rb长度(mm)rp * cos( a )基圆半径 11rr长度(mm)m * 0.38齿根圆角半径 12t实数0≤t≤1渐开线变量 13xd长度(mm)rb * ( cos(t * π) +sin(t * π) * t * π )基于变量t的齿廓渐开线X坐标 14yd长度(mm)rb * ( sin(t * π) -cos(t * π) * t *π )基于变量t的齿廓渐开线X坐标 15b角度(deg)——斜齿轮的分度圆螺旋角 16L长度(mm)——齿轮的厚度
(在定义计算参数中舔加公式时，可以直接复制公式：注意单位一致)二.参数与公式的设置三.新建零件依次点击————————点击按钮现在零件树看起来应该如下：四.定义原始参数点击按钮，如图下所示：这样就可以创建齿轮参数：1.选择参数单位(实数，整数，长度，角度…)2.点击按钮3.输入参数名称4.设置初始值(只有这个参数为固定值时才用)现在零件树看起来应该如下：(直齿轮)(斜齿轮)多了个参数：b分度圆螺旋角五.定义计算参数大部分的几何参数都由z,m,a三个参数来决定的，而不需要给他们设置值，因为CATIA能计算出他们的值来，
基于CATIA齿轮参数化设计
参数化设计研究与实践 篇3
一、理念探讨
张:近年来,“参数化”设计已成为建筑研究的热点之一,但对其概念似乎存在诸多误解,其定义到底是什么?
王:首先,我们可能需要对“参数”概念做一个解释,不同于变量,参数定义了一个系统的运作特征和系统成员间的相互关系。参数化模型可以被理解为一个系统,这个系统的成员之间“相互关联”。参数设计实际上是对系统各成员之间“关联关系”的设计,也就是制定系统运行的规则。而对参数化模型的调整也是指对这些关联关系的调整。只要能够明确给出各层级、层级各组成元素之间的关联关系,我们就可以建立起复杂但可控的参数化模型。这些“关系”也就是参数化设计的关键所在。
这种关系既有简单的线性关系,例如在定义了柱网与幕墙分隔之间的线性关系后,当柱网发生改变时,幕墙分隔也是自动更新的,这种更新作为一种在制图与施工方面的新技术,很大程度上节省了时间、提高了效率。当然其中也存在各种复杂的非线性的算法逻辑或几何逻辑关系,例如各种规律性很强的算法逻辑,包括递归、L系统,分形等,也有各种复杂的自组织系统,包括人工智能、细胞自动机、群智能系统等,这类关系的应用将会产生非预期性的设计结果,是一种全新的设计方式,可以说是参数化设计最有价值的应用。
张:参数化设计与数字化设计有何区别?如何识别“伪参数化设计”?
王:参数化设计与数字化设计是不同的,这一点对明确参数化设计的概念十分重要。
参数化设计是从制定成员间相互关系出发,建立一个关联系统,然后通过输入不同的条件得到不同的结果。是否能建立一个关联系统是判断其是否属于参数化设计的基本标准,因此运用何种软件并不是判定参数化设计的依据。
张:参数化设计的工具大致有哪些?应该如何选择?
王:参数化的设计工具随时间的发展和参数化设计的广泛应用,由一开始的应用其他领域的软件逐渐发展到应用为建筑领域专门开发的软件。如动画领域的Maya、3dsmax,虽然是为动画产业设计的软件,但其中有大量功能经恰当使用也可用来定义物体间的几何逻辑关系。
当建筑师发现可专门用来定义物体间相互关系的软件时,类似CATIA、UG、Top solid拥有明确的几何逻辑、强大的造型控制能力、极为准确的建模功能以及直接将模型转化为施工图纸的建造服务功能,它们虽属工业化设计软件却被用于辅助建筑设计。还有一类是专门为建筑师开发的软件或插件,如以CATIA为平台由GT开发的Digital Project、以rhino为平台的grasshopper、以Micro Station为平台开发的Generative Component等。上述软件可被应用于项目的不同阶段,也有各自不同的优势。如Grasshopper比较适合于前期方案构思阶段的快速实验,而DP则是整个工程全面设计、生产、管理的较好选择。建筑师以根据自己的情况选择学习和使用软件的种类。有兴趣的建筑师也可尝试进行脚本(程序)的编写,如Maya的Mel,Rhino的rhinoscript,还有在各软件里通用的VB及C#等。由于脚本(程序)是以纯代码形式呈现,相对比较抽象,但同时也正因为如此,它带给设计师的是前所未有的自由度和广阔的发挥空间。另外,和计算机专业技术人员合作也是一种很好的沟通方式,这样可更好地将各专业领域的知识进行结合,从而在设计上取得突破。在我们工作室中,建筑师会和软件编程人员一起合作,我们会针对问题提出自己的观点和解决方法,而程序员往往会在此基础上提出更加优化的算法,有时甚至是完全不同的解决方案。然后,我们会以建筑师的视角学习和理解这些新的知识,发掘它们在推进设计上的潜力。有时一个好算法的出现会完全改变我们的设计方案,这就形成一种很好的互动。
张:参数化设计的技术工具大致有哪些?应如何根据具体设计需求进行选择?
王:正如我们在第一个问题中所面提到的,基本的运用方式可分为两个大类。一类是以应用为主,鉴于工程本身的复杂程度而使用参数化方法控制复杂的几何形体及其施工过程。在这一类中,参数化工具对项目介入的迟早也会对项目本身产生很大影响。有的事务所从项目前期设计过程就采用参数化工具,同时还会有其他专业软件的介入,比如Ansys,Robot等结构计算软件和Eco Tect等环境计算软件等,各软件间相互传递数据,参数化模型则根据各个数据进行调整,最终得到经过优化的设计成果,如大英博物馆玻璃顶棚。还有的事务所是在项目后期采用参数化工具进行设计深化和控制施工过程,项目前期还是采用较为直观的物理模型作为设计手段。另一类是不同于上文提到的偏重于解决技术问题的应用方式,一些先锋事务所则尝试从根本上改变设计思想,他们将几何规律、算法逻辑等参数设计所依赖的根本知识直接作为设计的原动力,运用参数化的思维方式创造出全新的建筑形式和设计方法。从某种意义上讲,这种方式更有力地推动了建筑学的发展。
张:除了技术革新之外,你们认为参数设计与传统设计方式最大的区别是什么?
王:我们认为得了技术上存在很明显的不同之外,参数化设计结果的“不可预期性”可能就是这两者最大的区别,某种意义上讲也是这种设计方式的最大魅力所在。由于参数化设计只是对关系进行限定,因此提供了“预想之外”结果产生的可能。如果以编写程序作为参数化工具,这种情况出现的几率就会更大。我们常做的一件事就是在编写完代码之后,无数次地改变变量值,令程序生成大量不同的结果,试图从中发现既符合规则要求又超出我们预想的方案,这个过程是传统设计方法不可能实现的。例如在“植入计划“立面生成过程中,简单改变分形停止的边界条件(三角形最小面积和最小角的角度)就会得到截然不同的结果。
张:除了掌握参数化软件之外,是否还有其他领域的知识对提升参数化设计起到重要的促进作用?王:建筑师对“参数化思维”的掌握远比对“参数化软件”的掌握更有意义,有了“参数化思维”才能使建筑师以不同的方式思考,从不同的视角看待问题。而对数学、几何以及计算机算法等知识的较好掌握,是掌握参数化思维、做好参数化设计的基础。如“拓扑”是参数设计中经常要面对的一个概念,如果不能从数学层面真正了解它的意义就不可能正确地将其运用到设计中。
参数设计实际上是关系设计,而参数化模型是建立在严谨的几何关系和数学逻辑之上的关联系统。对于建筑师来讲最大的难点不是软件的学习,而是如何创造出一个相互关联的系统,也就是说如何将传统的设计一座房屋转化为设计一个系统。例如在AD3中将住宅设计转化为住宅要素间相互关系的设计,将居住区设计转化为组成居住区要素——院落间相互关系的设计。当然参数化软件也起着不可或缺的作用,也正是凭借此种技术手段,才能在短时间内对我们所设计系统的优劣进行大量的测试,并对系统机制进行调整,进一步完善系统设计,使参数化设计不只停留在空想阶段,而具有可实施的价值。
张:可否简单介绍一下运用参数化思维方式进行设计的一般过程?
王:首先根据每个设计的主导构思建构系统,然后根据系统建立参数化模型或构建计算机程序(可能不是唯一的),并测试所构建的系统在各设计层面上的性能,加入评价机制,从系统中寻找适合条件的解作为设计结果(也可能不是唯一的)。
举一个简单的例子,在城市中心一块方形土地上设计一个高层群体,要求最大化地利用城市景观,高层建筑的功能为办公及城市型酒店。设计中的很多因素均会影响建筑组群的排布方式,但争取最大化的景观无疑是头等重要的,这也就意味着应寻求一种建筑间互相遮挡最少的排布方式。这一城市设计问题使我们联想到历史上的一个著名数学问题,“N皇后”问题,即如何在一个“N×N”的国际象棋棋盘上放置N个皇后使其不能相互攻击。根据国际象棋的规则,这就意味着不能有任何两个皇后在同一行、同一列或同一对角线上,不难看出,在保证不相互攻击的同时,每个“皇后”的“视野“在这时也是最好的(图1)。因此这个城市设计系统的可能性之一就是被设计成一个以“N皇后”算法为基础的系统。通过编制一段计算机程序,我们可以得出N=8时问题的所有解,共计92个,也就是说这92种排布方式均能满足“景观最好”的要求。而这92种排布方式就成为我们设计的出发点,再逐步加入其他影响因素,从而选出最合理的方案。综上所述,这样的参数化思维模式和传统的思考方法是有着本质区别的。
张:当今各建筑教育的前沿阵地,如建筑联盟学校(AA)和贝尔拉格学院(Berlage institute)都有关于参数设计的研究,但他们关注的重点并不相同。贝尔拉格学院的“Associative Design”是致力于城市尺度上大批量生产所涉及的社会、环境等因素的影响,对多个因素变化法则的研究,设计出相应的参数系统最终达成城市实体的理想状态;而建筑联盟学校似乎更加关注建筑单体部分以制定某种可控制的句法,以不同的参数达到满足不同需求的建筑几何形体。这是否说明参数设计的运用其实是一个比较宽泛且广阔的范围?
王:参数设计是一种具有普遍意义的方法,只要是可以建立明确关系的问题就有可能用参数设计解决。这种方法可以被广泛地运用到各个领域、各种尺度,参数设计在方法论上的意义远大于其在技术上的意义。
在不同尺度上我们所面临的问题是不同的,解决方法自然也有差异,参数设计的核心是研究元素之间的关系,而这一特性恰巧提供了应用于各类不同问题的可能性。我们可针对各种具体问题建立不同的参数化模型,由于参数化模型之间存在相互关联的特性,我们可以将各个不同尺度或领域的问题综合起来建立一套关联系统,将各方面因素综合考虑,得出一系列设计成果,从而避免孤立解决多个单独问题所带来的不同步性。下文案例中的“关联设计”(AD3)就是这方面探索中的比较全面的例子。
张:参数设计的方法显现出强烈的技术理性倾向,在应对处理复杂的建筑技术要素如日照、风向、温度、结构、几何等等方面相当有利,但是建筑所需面对的,尚且有诸如社会、政治、文化等等人文因素,这些问题似乎难以用数学模型进行解决。我们想知道,参数化设计如何应对这一类要素?
王:这是一个非常好的问题,也是大家往往认为参数化设计只能用来解决技术问题或创造复杂形体的一个原因。我觉得也许应该换一种角度来看待这个问题,“参数化模型只可以接受和处理能够量化的参数”——这是对参数化设计技术层面的认识,参数化设计并非是上世纪人们所尝试的让计算机去做设计,它是一种全新的思考方式,这意味着它依旧需要建筑师的思考及对设计的判断,同样使用了参数化设计手段的建筑师所得到成果可以完全不同,这些成果充分体现了建筑师个人对社会,政治、文化等因素的思考。如AD3项目,由于其所处的城市环境,院落这一中国住宅的主题被建筑师加以选择并作为构成居住区的元素,通过对院落间相互关系的设计从而构成整个居住区,也体现了建筑师对当地社会文化的理解。因此参数化设计不仅体现在对变量的控制上,更体现在设计系统对当地社会文化因素的考量上。
二、实践部分
1. 天津于家堡工程指挥中心
于家堡工程指挥中心作为天津滨海新区未来五年内于家堡金融区所有建设工程的办公中心,需要在极短的时间内完成设计和施工工作,以适应金融区整体工程进度。在此项目中参数化设计在工程进度及施工过程中的优势被凸现出来,即便是在普遍被认为是低技施工状态的中国。作为整个金融区的工程管理中心,建筑二层以上所有房间的外侧均设有环通的走廊以便对整个工地进行观察。依据各房间功能的不同,按采光需求可分为办公、休息、大厅、库房、电梯厅等。通过一段脚本可将立面采光信息转化成为一个曲面,此曲面上高低不同的每一点对应着该点采光率的高低,因此立面构件应满足其所在位置的采光要求(图2)。外廊的外立面处理以此为基础形成不同的开孔率,以适应内部功能的不同需求,同时还为外廊生成了不同的景窗,使观赏过程变得更加有趣。立面构件被设计成一系列的通过旋转改变采光率的几何构件,构件间既有连续的拓扑等价变化,又有连续的拓扑不等价变化,即由开放式的线性高采光率的景窗连续变化到封闭的四边形及六边形的低采光率景窗(图3)。即使是极为简单的几何关联,在对其特性进行充分研究后经过简单的罗列也可以产生丰富的几何变换关系。将这个曲面通过另外一段脚本的运算应用于不同模块的控制、安装和排列。为节省工期,立面方案最后被限制在6种不同的模块内,这6种连续变化的模块代表了6种不同的采光率,经过另外一段脚本对控制曲面的计算,不同模块排列位置的施工图纸自动生成(图4)。
2. 植入计划(Embedded Project)
植入计划是为2008年上海电子艺术节设计的互动艺术装置,它是一套建筑再植计划,创作者基于“复杂系统”概念,将我们生活的世界、社会,甚至人体本身作为一个复杂的系统进行观察、认知与研究,抛弃传统的建筑设计思维,通过对计算机算法的应用,改变传统意义上自上而下的设计方式,尝试将算法的内在逻辑及执行过程与建筑(物体)本身的逻辑相联系,从而产生出超出预想的设计成果,并将由此产生的数字文件(3D建筑模型)植入Google Earth中,形成虚拟再现,装置本身同时作为虚拟算法建筑的现实版本而存在,合作艺术家为徐文恺(Aaajiao)(图5)。
Google Earth的界面被放大并投射到地面,借助互动技术及数据算法,不佩戴任何设备的观众可单纯地通过身体在投影区域内的位移,或通过改变彼此间的距离来触发、控制Google Earth画面(镜头焦距、角度)的变化,以某种超越日常经验的视角观察我们生活的地球、城市、原野……及本计划中所植入的多件算法建筑。
作品在身体行为、视觉体验及“城市”讯息间建立起某种逻辑关联,人们在其中观察城市的变化过程,体验、思考个体行为对城市的影响。在植入计划中,“细胞自动机”、“遗传基因算法”、“L系统”等10种不同的计算机算法被分别用在不同地点生成10个算法建筑,以适应不同的环境下特殊要求。
分形几何学以及递归算法被用来生成装置本身,分形是指具有自相似特性的现象,图像或者物理过程等,分形一般有以下特质:有统计的或近似的自相似形式和任意小比例的细节,分形可以用例如迭代的简单方法定义,其维数大于其拓扑维数。一个简单的分形原则被作为设计的起点(图6),选择一个三角形,找到它的重心,分别连接重心和三个顶点可以得到三个小三角形,对这三个小三角形进行同样的操作则产生九个小三角形,不断的运用此规则进行迭代即可得到一个分形立面。如果每次只对三个三角形中的两个进行细分,则同时会生成不同尺度的三角形,装置的出入口就自然产生。同时,三角形面积和最小角角度成为细分终止的条件,当其中任何一个值小于临界值时细分都将终止。一段计算机程序被用做生成装置的参数化工具,从而使高效的调整成为可能,同时直接生成工厂制作所需的图纸。
3. 形态寻找
2009 Vision作为一个多媒体互动装置项目被要求充满整个展览空间,设计结合了计算机算法、几何逻辑及互动技术,试图给参观者提供一种从未体验过的视觉及互动感受(图7,图8)。此装置采用线性的光纤作为主要材料,利用光纤的灵活性来实现几何形态构成,利用其本身的物理特性实现互动效果。线性光纤将通过悬挂的方式固定在空间内,其形态寻找(form finding)的过程实现了对可控复杂性系统的应用。其中,群智能算法(Swarm Intelligence Algorithms)是典型的具有自组织特征的计算机算法,也是一种仿生自然界动物觅食、筑巢行为的新兴演化计算技术,是由大量个体按照相互默契的某种规则,各尽其责而又协调、自动地形成有序结构,其中所产生的聚集现象即被称为“涌现”。装置的起始状态是由均匀分布在空间内六个平面上的240个用于固定光纤的构造点构成的,之后每个平面上的40个点以特定的方式运动,形成涌现的结果,将这240个点以顺序的方式连接起来,最后形成的这种线性的集束形态,是完全的自组织涌现的结果(图9)。装置将会以整个会场内声音的声量及频率与观众进行互动,会场内的声音被探测麦克收集到一起经计算机处理后,以控制每一颗光纤的亮度及发光频率(图10)。
4. 关联设计3(AD3)
关联设计作为荷兰贝尔拉格(Berlage Institute)二年级的全年研究设计课程已经有5年的历史了。从2005年鹿特丹都市家具(Urban Furniture)到对全球各个不同地区、不同城市的邻里社区模式的探索,关联设计对不同尺度的建筑问题、设计问题甚至社会问题均尝试给出自己独特的答案。关联设计实际上是一种基于关联几何的规律、利用几何关系和参数生成大量变体的参数化设计的技术。在技术层面上,关联设计—Associative Design与参数化设计—Parametric Design并无区别,都是基于运用工业设计领域中早已成熟的软件,如CATI、Topsolid等。利用这类具有逻辑历史记录软件区别于传统建模软件的特性,试图创造出前所未有且传统方式无法做到的形体。但是在方法论方面,贝尔拉格关联设计项目组有着其特殊的方式和方法,这得益于这些项目组的创始者Bernard Cache、Peter Trumer及当时的系主任Alejandro Zera-Polo,关联设计组不只满足于形式和几何关系方面的创新,更注重于形式逻辑关系的产生,如建造逻辑、使用逻辑、交通逻辑、能源逻辑、空间组织逻辑等。所有这些逻辑的生成依赖对于当地各种条件、建造方式、能源利用等多种知识的大量研究。
AD3选择在上海近郊水乡朱家角进行设计,旨在探索一种中国传统自组织城市结构在当代高密度的城市环境下的新模式。江南水乡的城市结构与中国传统规划出来的城市截然不同,是经过长时间的自组织,在复杂的空间环境及自然环境下,由于不同时期的政治、经济、文化影响而形成的,是典型的未经统筹规划过的聚落。当代中国经济飞速发展,人口激增,传统的城市结构及组成方式已不能满足现代在社会的需求,而短时间内的高强度房地产开发,形成了中国城市忽略空间品质千人一面的城市面貌。因而,该如何向传统的水乡学习,形成宜人的城市空间,同时满足现代社会高密度的要求成为项目组的研究目标。为此在设计开始前,项目组在统一的理论框架下进行了大量集体研究工作,如关于中国近代住宅政策和历史的研究,关于中国民居在社会构成、气候环境及建造材料与技法三个方面的研究及在中国不同地区间的横向比较,关于江南水乡民居及聚落的研究,关于对朱家角当地政治、经济、住宅市场、城市规划、气候特征的研究。
AD3项目组的设计成果最后分为4组,每组由1~3人完成。关联设计的核心主要是设计有关联特性且可嵌套的几何逻辑,这些几何逻辑还必须在各个尺度满足其所需解决的建筑或城市问题,不同层级上的几何逻辑既不能相,又需要嵌套在一起,同一级别上的几何逻辑在具有相似性的同时一定要留有变化的可能性,这种变化既有拓扑等价的变化也有拓扑不等价的变化,同时当同一级别的几何逻辑聚集在一起后要产生质变。
参数化设计工作营 篇4
掘进机截割头截齿参数参数化设计分三个步骤，首先，根据截齿切割原理及不同截割头外形确定每个截齿的空间姿态，即计算出截齿轴向距离、切割半径、圆周角、倒角及转角五个参数，然后根据这些参数通过自编程序软件利用三维实体软件进行自动虚拟装配，为截割头实体仿真提供建模模型，最后通过自编程序软件生成二维平面图纸，供车间加工生产使用。
纵轴式掘进机截割头截齿数据参数化设计。
根据截割头外形尺寸和截齿外形尺寸，通过编程，设计截割头截齿参数计算程序（程序界面见图1），该程序能够根据输入的相关外形尺寸自动计算截齿的空间参数，同时计算截齿齿尖包络线，并且自动计算内喷雾水孔位置坐标。生成的相关参数自动保存，供截齿自动化虚拟装配使用。
纵轴式掘进机截割头截齿自动化虚拟装配。
由于截齿虚拟装配过程复杂，所以开发了截齿安装程序（程序界面见图2），截齿虚拟装配为了进一步检验截齿参数的合理性，同时为截割头实体仿真提供建模模型，通过虚拟装配，设计人员可以直观了解每个截齿的空间姿态，自动化虚拟装配完全省去设计人员手工定位截齿的过程，降低工作强度。
纵轴式掘进机截割头图纸自动化生成。
截割头截齿自动化虚拟装配后，就可以利用截割头参数设计软件自动生成二维图纸如图3所示，供车间加工生产使用。至此，纵轴式掘进机截割头参数化设计全部完成。结语
通过对纵轴式掘进机截割头参数化设计研究，开发了这套设计软件，该软件还能够自动确定内喷雾水孔位置参数和导煤叶片的参数，使截割头设计工作效率得到了很大提升，缩短产品设计开发周期。
参考文献
船体曲面参数化设计方式分析 篇5
关键词：船体曲面,参数化,设计,光顺性
文中所提到的参数化设计主要是在变量化设计思想理论产生之后才出现的, 随着参数化设计理念及其相关技术的提出、发展与应用, 极大的提高了船体模型的生成、修改的速度。
1 船体曲线和曲面的参数化设计
参数化设计的实现框架:
首先就是要根据船舶所需要的实际用途及其标准要求, 系统化的选取并确定多组合理的船舶特征参数, 这是因为船舶特征参数的重要性所在, 所以, 对于船体曲线与曲面的参数化设计, 主要参照着船体的纵向与横向截面曲线等基本参数。在这里可以将其分为三种不同的类别, 第一类主要是船舶船体的基本特征要素相关的参数, 包括像艉部参数和球艏参数等;第二类就是本文重点研究探讨的船体的纵向和横向截面曲线参数特征;第三类主要包括船体的横向剖析面及其所生成的曲面曲线特征参数。
2 船体曲面参数化设计方式分析
在本部分主要阐述蒙皮法在船体曲面参数化设计中的应用, 蒙皮化是由伍德沃德—— (Woodward) 首先提出来的, 它是一种曲面生成方法, 这种方式的最大优点与创新之处就在于, 可以不再通过给定的数据点阵来实现, 而是仅仅使插值通过一组刨面曲线就可以完成, 目前在国内外广泛应用于汽车行业、飞机轮船制造设计等领域。
2.1 设计船体的截面曲线
第一步就是设计船体的截面曲线, 在船体曲面参数化设计过程中, 可通过建立xyz坐标系, 能够将这类平面曲线以一种三维的姿态呈现在三维空间内。具体实施如下:首先, 提取参数, 生成我们在参数化设计时所需要的截面曲线, 然后就是采用NURBS的曲线方式来表示出来;其次, 在上述任务完成之后, 就是要统一次数, 也就是说每一条次数较低的截面曲线全部都可以通过升阶的方法来提升自身的次数;第三, 实现参数域变换, 进一步规范截面曲线的定义域, 一般都设为[0, 1]。
2.2 设计船体曲面脊线及截面曲线变换到三维空间
第二步就是要设计船体的曲面脊线, 脊线是船体平面线的形式, 在参数化设计时依据着NURBS曲线来进行, 在xyz坐标系当中构建三维NURBS曲线。根据三维空间内的相对应点 (目标点) , 将之前选取好的船体截面曲线进行平移, 之后再将其 (截面曲线) 进行旋转。
2.3 生成曲面
这也是最后一个关键的环节, 在将船体纵向与横向所截取的曲线生成曲面过程中, , 可以充分利用NURBS曲面来进行反算, 并且依照着上述步骤中所提到的三位空间和控制顶点来计算。在计算过程中, 可以取权因子为1, 同时对于所运用的参数设计方法, 可以分别取K次和L次。
最终生成曲面为:
3 实例测试
首先将局部坐标系设定为xoy, 与之相对应的全局坐标系可设为xyz。此次选取的船舶模型是内河流域运输船舶, 以下是该船舶形状及其特征参数。
船的总长度为50m, 船的宽度为3.5m, 吃水为T=3.5m, 其中船长用L表示, 船宽用B表示。 (表1)
通过转换关系来将局部坐标系下的无因次化控制点转换成全局坐标系的船体控制点。
4 结论
本文关于船体曲面参数化设计方法的研究与探讨, 重点基于变换函数来进行分析。当前, 随着国内铁路运输、公路运输体系趋于完善, 国家政府在航运领域逐渐重视起来。在船舶建造领域, 为了能够进一步提高船体曲面的设计质量及其设计效率, 国内许多专家学者进行了大量的研究工作, 其中研究的重点就是船体曲面的快速变换方面。
参考文献
[1]陈红梅, 于海, 蔡荣泉, 等.一种船体型线整体优化设计方法研究[J].中国造船, 2013 (4) :1-9.
吊钩部件的三维参数化设计 篇6
SolidWorks是参数化特征造型软件的新秀，有全面的零件实体建模功能、变量化的草图轮廓绘制、驱动参数改变特征的大小和位置，并能够自动进行动态过程约束检查。在屏幕左侧显示的特征树使设计者可直观有效地管理整个设计过程，可以随意地改变零件的形状和设计意图，可以进行特征的拖动、剪贴和换序。当设计完成的零件被其他设计人员调用时，能够很快地通过特征树了解设计意图和设计过程，并可以马上按自己的设计思想进行修改。实体模型、工程图纸和装配的全相关性为评价不同的设计方案、减少设计错误和提高设计质量提供了强有力的途径。
SolidWorks在工业上的应用前景直接以三维概念进行产品的设计，具有现代设计方法的优越性;SolidWorks的设计输出是“所见即所得”的三维实体模型，可非常直观地表现产品的实际情况，提高产品的可信度和竞争力;SolidWorks由三维零件产品可以实现产品的虚拟装配，进行产品的结构验证、运动分析，提高设计的准确性;用SolidWorks软件设计的零件、装配体、工程图具有全相关性，可大大减轻设计修改的工作量，缩短产品研发周期;SolidWorks与加工编程软件CAMWorks、有限元分析软件Cos Mos/Works、流体力学分析软件Flo Works软件直接结合，使SolidWorks更加如虎添翼，功能更加强大，再借助于SolidWorks本身丰富的数据接口在机械设计和制造方面进行产品的虚拟样机测试、仿真分析和快速制造，可大幅度缩短产品研发周期，降低开发成本。
2 吊钩部件的三维参数化设计过程
2.1 零部件建模
SolidWorks有全面的零件实体建模功能和变量草图轮廓绘制功能，能够自动进行动态过约束检查;用SolidWorks的拉伸、旋转、倒角、抽壳、倒圆等功能可以更简便地得到要设计的实体模型;用户可定义坐标系，可自动计算零部件的物理参数，进行可控制的几何测量;所有特征都可以用拖动手柄改变，并有动态的形状变化预览功能;可进行变半径倒圆、指定区域倒圆、填角和圆角过渡等操作。图1、图2所示为采用SolidWorks建模完成的吊钩部件中滑轮、吊钩的三维模型。
2.2 装配体设计
SolidWorks装配体建模可分为自底向上和自顶向下两种方法。自底向上建模方法是先采用SolidWorks生成部件中的一系列零件，再由这些零件通过一些配合关系组合成装配体。此方法使用配合关系，可相对于其它零部件来精确地定位零部件，还可定义零部件如何相对于其它的零部件移动和旋转。通过继续添加配合关系，可以将零部件移到所需的位置，最后得到一个完整的装配体。此建模方法对各零件建模时必须保证其尺寸完全正确，否则建装配体时会发生许多干涉，修改起来较麻烦;另一种就是自顶向下设计方法，它是一种从装配入手的设计方法，允许你在装配体中对零件进行建立和编辑，零件的草图轮廓，终止关系，建构平面等都可参考装配体中其它实体。当在零部件之间建立参考关系时，模型将完全相关联。对参考零部件所做的改变会使其它零部件相应更新。在进行装配体自顶向下建模时，其中之一就要合理的建好装配体的布局草图，通过零件与装配体草图的关联自上而下地设计一个装配体。可以绘制一个或多个草图，用草图显示每个装配体的零部件的位置。此方法应用起来较困难，要求设计者思路非常明确，而且要想得周到。
为进行快速的装配设计，SolidWorks有一个鼠标引导的自动装配对准功能(Smart Mates)可以捕捉要定义装配关系的位置，能观察在完全动态的装配设计中可运动的零部件的运动形式。在调用大装配时“轻化”零部件的功能可极大地提高运行速度，通过产品配置管理器，设计者可以建立和修改指定产品配置、几何形状、装配关系、零部件颜色和其它属性都能在产品配置中控制。本文采用自底向上方法进行装配体建模，得到的吊具装配体模型见图3。
2.3 绘制工程图
SolidWorks能快捷地生成完整的、符合实际产品需要的工程图样;由三维实体自动生成任何不同的视图、局部视图、剖视图和相关视图;在剖视图上自动生成剖面线。图纸的全相关性简化了设计的过程，实体模型、图纸和装配能自动相关地更新。当图纸中的视图修改时，三维几何模型也随之改变，也可以人为控制相关的更新。能自动消除在视图中的相关隐藏线，也可以进行人工有选择地消隐。在应用过程中，通过引用已定义的标注符号、文字说明和图纸模板，自然形成企业的标准。有完整的尺寸和符号标注工具，在视图中可以控制三维模型中已有标注的显示，在视图上标注参考尺寸，并可以控制单个尺寸的表示方式，自动生成图纸中的材料明细表。图4为吊钩装配工程图。
3 结论
SolidWorks相对于二维计算机辅助设计软件来说，有许多优点。比如外形直观、尺寸精确并智能化;装配时可以在计算机中就发现零部件之间的碰撞;重量自动计算、能自动测量尺寸、距离;可对零部件进行应力、应变分析以及完整的反映设计者的设计意图等。尽管如此，SolidWorks软件也有一些缺点。如SolidWorks工程图与AUTOCAD图的转换有时会出现乱码，需要较多的修改。技术上要求更高，对硬件的要求也更高，对于一些大型装配体的设计此问题更显突出;
在设计过程中，对SolidWorks应用要扬长避短。比如在零部件建模时要注意几个问题：
(1)画草图时要使尺寸、注释的位置摆放合理、有序，便于自动生成合理的工程图，减少修改。
(2)特征的生成要体现设计意图，便于实现参数化。
(3)对于外形特征相同而尺寸不同的零件，可通过配置，利用同一个模型按不同的尺寸作变量建立系列零件设计表生成系列零件。
(4)定制企业标准模板，建立企业通用件库。
总之，采用三维软件进行机械零部件设计是大势所趋，但要真正让它很好地为企业服务还需要做大量的工作。
参考文献
[1]常少莉, 姚锡凡.Solid Works在装载机设计中的运用[J].机械设计与制造, 2004.
[2]宁朝阳.Solidworks软件在机械设计中的应用[J].现代机械, 2007.
[3]付永忠.中文Solid Works实用技术精华[M].北京:科学出版社, 2003
[4]成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社, 2002.
[5]宁朝阳.桥式起重机优化设计软件[J].起重运输机械, 2006.
[6]赵汝嘉.Solid Works2001精通与提高篇.北京:机械工业出版社, 2002.
齿轮参数化设计与系统的实现 篇7
一、齿轮设计中的数据处理
1. 函数型数表。
很多数表中涉及的数据都有经验公式或者理论公式, 以及经过某一些数学方法得出的近似函数关系描述数表, 这种数表就被称为函数型数表。函数型数表能够直接使用原有公式或者推导公式进行相应编程, 并且采用相应公式进行数据计算。
2. 非函数型数表。
这种数表是对于没有原始理论公式或很难采用数学方法将近似公式推导出来的数据, 一旦出现了这样数表, 最好是采用数组形式将数据直接写进数据库, 以保存在数据库中。当需要检索之时, 就用相应程序将数据从数据库中调出来。如, 齿轮的传动工况系数用Ki表示, 工作原动机荷载与机载荷特性采用2个非数值变量, 用变量i= (0~2) 与j= (0~2) 表示出不同工况, 之后使用二维空间建立数组Ki (3, 3) 用来存储表里的系数值。在这种情况下, 只需要输入表示工况中的变量i, j值, 就能够查出相对应系数的Ki值。对于比较复杂的数表, 当不便于采用数组处理时, 最好使用数据库存储相关数表。事实上齿轮材料的特性表大都能够通过数据库查询出来, 但是在一些非函数型的数表之中, 某些数表仅仅提供有限节点数据, 如果这些节点数据没有在列表中, 而是处于节点之间位置上, 要使用插值法来计算出最终函数值。
二、齿轮参数化设计与系统的实现
打开Pro/E软件, 在零件模式中采用交互方式创建出圆柱斜齿轮、圆柱直齿轮以及圆锥齿轮涉及的参数化模型。本文, 笔者以圆柱斜齿轮为例, 创建该齿轮的参数化基准模型。
1. 设计齿轮参数。
圆柱斜齿轮参数涉及内容较多, 主要涉及到的参数有齿数、法向模数、螺旋角、压力角、齿高系数、变位系数、顶隙系数, 以及几何参数才能确定下来的分度圆直径 (D、齿根圆直径、齿顶圆直径、基圆直径、齿根高、齿顶高等尺寸参数。利用Pro/E窗口中的“参数设置”菜单设置齿轮参数, 并且通过该栏目赋予相应初始值。一旦确定好了基本的几何参数, 在确定其他的几何尺寸时就要使用Pro/E中对应的“添加关系式 (Relations) ”命令, 输入关系式子, 实现齿轮尺寸的参数化。
2. 对齿廓渐开线的参数化。
先使用Pro/E功能栏中的“基准曲线”与“从方程”2个命令, 之后在出现显示器上的记事本中输入相应参数化直角坐标系下齿廓的渐开线方程。最后, 使用Pro/E功能栏目的“零件模块”中的各种特征输出创建命令, 即可创建出斜齿轮的参数化三维模型。
3. 设计系统菜单。
在这项设计中, 为了便于用户使用齿轮模型, 方便用户修改参数并增强使用效率, 一定要在Pro/E的NGINEER菜单栏中增添自定义菜单, 之后再将各种功能激活。在Pro/Toolkit中有许多操作函数, 能够创建应用程序与管理菜单。之后, 在该系统调用Pro Mneubarmenu Pushbutton Add () 以及Pro M enue bar Menu Add () , 还可以给Pro/E加入设计中使用到的菜单和按钮, 再使用函数Pro Cmd Action Add () 把动作函数与菜单函数有机联系起来。设计中使用到的菜单栏、下级菜单和创建函数语句实例如下:
Status=Pro Menubar Menu Add (“User Menu”, “USER–User Menu”, “Utilities”, PRO_B_TRUE, User Msg) ;//这个地方要添加进“齿轮设计”。
Status=Pro Menubarmenu Menu Add (“User Menu”, “Sub”, “USER–Sub”, “Button2”, PRO_B_TRUE, User Msg) ;//这个地方要添加进“斜齿圆柱齿轮”。
status=Pro Menubarmenu Pushbutton Add (“Sub”, “SubButton1”, “USER–Sub Button1”, “Add new buttons”, NULL, PRO_B_TRUE, cmd_id, User Msg) ;//这个地方要添加进“左旋”。
status=Pro Menubarmenu Pushbutton Add (“Sub”, “Sub Button2”, “USER–Sub Button2”, “Add new buttons”, NULL, PRO_B_TRUE, cmd_id, User Msg) ;//这个地方要添加进“右旋”。
4. 设计的演示实例。
本文, 笔者以左旋斜齿的设计圆柱齿轮为例, 展示该齿轮参数化系统效果, 进而验证其稳定性及正确性。打开了Pro/E软件之后, 经过加载成功, 就会显示系统的输入对话框, 如图1所示。
液压支架立柱参数化设计与校核 篇8
1液压支架立柱参数化设计的概念
三维造型应用软件的使用已经比较普遍, 如Pro/Engineer、Solid/Edge、UG、Solid Works、CAXA、AutoCAD等, 在我国机械企业中都已采用。无论采用哪种三维CAD软件, 都可以较好地完成液压支架零部件的三维造型。利用三维软件建模, 很容易实现参数化、标准化、系列化设计, 是液压支架最理想的建模方式。利用三维实体间的布尔运算 (交、并、补) , 将多个简单零件组合成一体, 生成新的实体等, 生成的实体模型均采用参数化特征造型。
参数化设计是近几年才发展起来的先进造型技术, 从产品设计到制造的整个过程, 产品的几何形状和尺寸不可避免地要反复修改、协调和优化。参数化设计就是利用数值驱动零件和部件的特征尺寸, 在进行系列产品的设计时, 只需添加多组数据;重新设计时, 只需修改部分数据即可。
2参数化建模
本文选取ZY12000/28/63液压支架用直径400 mm的大立柱为对象, 采用Solid/Edge软件进行参数化建模, 利用欧洲标准, 采用有限元分析软件进行强度校核。
建立了立柱各零部件 (中缸、外缸、活柱、导向套等) 的3D模型, 就可以对立柱进行装配。装配好的立柱如图1所示。
完成了立柱的3D建模和装配, 即实现了立柱的参数化设计。在应用中, 如果要修改立柱的某一尺寸, 装配件中此零件的尺寸也会相应改变, 由此生成的工程图的尺寸也会相应产生变化。因此, 通过参数化设计, 可以保证设计的快速性和准确性。
3强度校核
按照欧洲标准, 立柱的强度校核主要是对2种工况下的安全系数进行校核:①立柱承受1.5倍额定载荷时;②活柱顶端承受1.1倍、偏心33 mm的额定载荷时。
立柱的强度校核有很多方式, 可以通过经验公式自行计算, 也可以利用三维设计软件中自带的相关模块进行核算, 如Solid Works和Pro/E等软件都具有相关的功能, 或者基于三维软件进行二次开发, 自行设计立柱强度校核软件, 如基于NX Nastran、UG的二次开发软件, 可将软件设计为界面形式, 由用户直接输入参数, 得出立柱各个部分的挠度, 进而得出立柱的稳定性和安全系数, 免去了繁琐的公式计算, 整个过程简单、明了。
3.1有限元分析法概述
在众多立柱的强度校核方式中, 较为成熟和被广泛采用的是有限元分析校核方式。有限元法是最重要的工程分析技术之一。有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用, 现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业, 是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。
3.2中缸的有限元分析
根据以往的经验, 中缸是整个双伸缩立柱当中受力最为复杂的部件, 在这里选取中缸为分析对象。启动UG软件, 导入先前建立的立柱中缸3D模型, 选择高级仿真, 进入有限元分析界面, 对模型进行网格划分, 如图2所示。
按照1.5倍额定载荷施加力, 计算出中缸内部的液体压力, 根据设计计算该数值为36.3 MPa, 对中缸进行底部和缸口部位固定, 内部施加载荷 (液体压力) 。经过计算, 得中缸的位移与应力情况如图3、图4、图5所示。
由分析得出, 中缸内壁最大的应力值为546.7 MPa, 由于中缸的许用应力为700 MPa, 因此, 中缸的安全系数为700/546.7=1.28。以上分析了立柱中缸的最大应力, 利用对立柱的强度校核, 可以验证设计所选的参数。对于立柱来说, 中缸的情况最恶劣, 因此, 在设计中要提高中缸的强度, 从而提高整个双伸缩立柱的稳定性。
4结论
主要对液压支架立柱部件进行了参数化三维造型设计, 针对ZY12000/28/63液压支架用Ø400 mm的大立柱, 依据欧洲标准, 采用有限元分析方式进行了分析, 得出以下结论:
(1) 参数化设计不仅能够更加直观、迅速地进行立柱设计, 而且为以后的修改工作带来很大的方便。只需更改需要改动的尺寸, 总装配图和二维工程图均会相应改变。
(2) 立柱强度校核。通过有限元分析的方法对立柱进行强度校核, 结论表明, 中缸的受力情况最恶劣, 符合其他校核方式的结果。通过立柱的强度校核, 可以对设计的参数进行验证, 从而指导设计。
参考文献
基于UG的齿轮参数化设计 篇9
关键词：齿轮,UG,参数化造型
1 参数化和建模概述
建模技术是CAD的核心技术, 参数化造型技术和特征造型技术是新一代继承化CAD系统应用研究的热点理论, 也是齿轮参数化造型的基础理论依据, 对齿轮建模和系统设计起着指导性作用。特征是80年代中后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念, 它是对诸如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述, 是反映零件特点的可按一定的规则分类的产品描述信息。这表明:特征不是体素, 不是某个或几个加工表面, 不是完整的零件, 对于制造特征, 其分类与其加工工艺规程密切相关, 用不同的加工方法加工零件, 要定义成不同的特征。描述特征的信息中, 除表达形状的几何信息及约束关系信息外, 还包括材料、精度等制造信息, 通过定义简单的特征还可以生成组合特征。一个完整的产品模型不仅仅是产品数据的集合, 还反映出各类数据的表达方法以及相互之间的关系。只有建立在一定表达方式基础上的产品模型, 才能有效地为各应用系统所接受和处理, 作为完整表达产品信息的产品信息模型。参数化设计是新一代智能化、集成化系统的核心内容。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能, 成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。
2 UG软件简介
Unigra Phics软件起源于美国麦道公司。目前己成为世界一流的集成化机械软件CAD/CAM/CAE, 广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械、模具和家用电器等领域。他提供了参数化、特征化的概念设计, 采用区别于多面体的曲面实体造型, 使线框造型、曲面造型和实体造型融为一体。提供可以独立运行的面向对象的集成管理数据库系统, 是CAD/CAM/CAE各部分的数据能够进行自由切换, 是具有良好的二次开发接口和工具。UG为制造行业产品开发的全过程提供解决方案, 功能包括概念设计、工程设计、性能分析和制造。具体说来, 该软件具有以下主要技术特点:
1) 集成的产品的开发:UG是一个完全集成的CAD/CAM/CAE软件集, 它致力于从概念设计到工程分析到数字制造整个产品开发过程。
2) 相关性:应用主模型方法, 使得从设计到制造所有应用相关联。
3) 并行协作:通过使用主模型, 产品数据管理, 产品可视化以及应用Internet技术, 支持扩展企业范围的并行协助。
4) 基于知识的工程:知识通常包括“业界标准”知识和“公司独特”的知识。针对“业界标准”知识, 知识驱动自动化提供了过程向导和助理, 它们有更强的功能, 更易于使用和更高的生产率, 比如模具向导 (Mold Wizard) 、UG/齿轮工程向导 (Gear Engineering wizard) 和UG/冲模工程向导 (Die Engineering Wizard) 。
5) 客户化:UG提供CAD/CAE/CAM业界先进的编程工具集, 满足了企业的需要。CAE方面UG的做法是解算器采用国际上先进的即得到国际上一致认可的软件:如MSC/NASTRAN、NSC/PATRAN、MDI/ADMAS、MOLDFLOW等, UG对这些一流的软件并不是做简单的集成, 而是“植入”UG中, 做到用户界面的一致性, 并根据需要做相应的功能扩充。正是“先进、植入、扩充”的战略做法使得UG在CAD/CAE集成上占据了一流的地位。为了更方便、更直观地进行工程分析, UG推出了UG/Scenario模块。它允许工程技术人员仅在CAE极端就可根据前次的计算结果针对设计对象, 进行必要的结构参数的改变。UG/Scenario会自动对网络划分、边界约束、载荷工况做相应的变化, 从而得出结果。这样反复多次, 工程师就可很方便地进行多方案的分析, 从中再选出最优秀的方案。一经确认, CAD模块的数字模型也会自动的改变, 从而得到最佳的设计模型。其内部解算器可进行有限元、机构运动学和动力学、稳态热传导等分析, 基本上满足了常用的分析计算。同时提供了与世界最新的专业分析软件系统的接口。CAM方面, UG系统在产品加工方面提供的解决方案不仅得到用户的公认, 就是在CAD/CAM系统的软件开发行业, 也是得到公认的。UG最初就是在一个专业加工软件系统基础之上发展起来的, 其CAM模块覆盖了从孔加工到五轴加工的全部过程。同一个产品可选择不同的加工方式及加工路线, 提供了对话框式的机床参数定义系统, 可控制绝大多数的NC机床, 并能进行加工过程的动态仿真和模拟校核等功能。NG提供的二次开发工具功能齐全, 几乎包含UG软件所有模块的开发函数。并可通过高级语言接口, 使UG图形功能与高级语言的计算等功能结合起来, 有利于二次开发。
3 开发方式
利用UG提供的Open及Open++API, 以VC++作为开发和编译调试环境进行二次开发, 这是当前用户应用最为广泛的一种方法。UG/Open也称User Function及Open++API为开发者提供了多个函数及相应的接口, 经过组合调用可以实现大部分UG功能。为了实际开发需要, UG还提供了相应的用户对话框生成工具UG/Open UIStyler以及嵌入式菜单编辑器UG/Open Menuscript, 从而大大提高二次开发的性能。
4 UG/OPEN API模块
UG/OPEN API模块是UG软件中的一个重要的模块, 是UG的二次开发工具之一。作为UG/Open a PI与外部应用程序之间的接口, 是一系列函数的集合。UG/Open a PI能够在两种环境下运行:
1) Internet环境。内部环境下开发的程序只能在UG内部运行, 以动态链接库的形式被加载到UG的进程运行空间, 并一直保留, 除非调用API的卸载函数进行卸载。因此内部程序的执行代码少, 链接速度快, 其运行的结果在UG的图形窗口是可见的。
2) External环境外部环境下开发的程序是可以在操作系统中独立运行, 或者当作一个子进程运行。外部环境下运行的程序通常没有图形显示界面, 如绘图仪打印和建立CGM文件。通过UG/OPEN API的编程, 用户几乎能够实现所有的UG功能, 开发者可以通过用C+和C++编程来调用这些函数, 从而达到实现系统整合和用户化的需要。
5 UG/OPEN API的函数名称及参数约定
在没有特别说明的情况下, UG/OPEN API的函数是用C语言编写的, 并遵循ANSIC标准。
5.1 函数命名的标准约定
大多数函数名称是按照这种格式命名的UF_
5.2 参数约定
UG/Ope n API提供的函数遵守ANS/ISOC的标准, 并以下列格式在头文件声明函数的原型。
<返回值数据类型><函数名称> (变量列表) 。其中变量列表中的变量主要有一下三个种类:
input:函数的输入变量
output:函数的输出变量
output to be freed:函数的输出变量, 使用完成后必须调用UG/OPEN API的函数释放内存空间。
例如, UG_PART_open函数
函数名称OF PART open
运行环境internal和External
其中, int UF_PART_open (dhar*part_name, tage*part, UF+PART_load_statrs*error_status)
part_name:Input, 表示要打开的文件名称。
part:Output表示打开的文件标识, 当打开错误时返回TAG_NULL。
error_status:Output to be freed, 当加载失败时储存错误信息和文件名称, 使用结束后需要调用和函数释放内存。
return:output表示函数的返回值, 0表示加载成功, 非0表示加载失败。
5.3 UG/Open a PI的数据类型
UG/Open API除了使用了C言语的基本数据类型, 还大量应用了C++定义的数据类型, 例如structures, mums, unions, pointers等。UG/Open API对数据结构的命名与函数的命名方法相似, 通过约定的后缀, 定义数据结构的类型如下:
_t数据类型Data type Data type
_p_t数据类型指针Pointer to that type
_s结构标识Structure tag
_u_t联合类型Union type
_u_p_t联合类型的指针Pointer to a union type
_f_t函数指针Pointer to a function
5.4 UG/Open API的对象类型及操作
所有的UG对象都必须通过进行操作, 这些对象主要分为三类:
1) UF对象。UG中的大部分公共对象都是头文件uf_object_types.h中定义的对象, 所有这些对象都有明确的函数与它们对应, 只有特定的对象子类和可显示的UF对象有另外的函数与它们对应。UG/Open API函数支持对UF对象进行指定、查询及删除, 设定和访问属性。对于可显示的UF对象可以对显示颜色、状态及亮度等进行设置。
2) 表达式。UG支持参数化的建模机制, 使用表达式控制特征, 特征也随着表达式的变化而变化。UG/Open API函数可以创建和编辑表达式, 与UG的交互界面产生的表达式同样在表达式编辑器中可见。
3) 部件对象。对每个加载到UG环境中的部件文件, 都有一个关联的部件对象代表它, 同时还为每一个部件对象分配一个类型的变量供用户程序调用。部件对象主要保存的信息有:创建该文件的计算机类型;保存文件的UG的版本;部件文件的状态、描述信息;文件的历史信息, 如存盘的日志信息等等。UG/Open API函数可以对部件对象进行查询, 访问部件的属性, 关闭打开部件, 获取部件的名称, 设置状态和信息, 查询部件文件的历史信息等。
5.5 MFC在UG二次开发技术中的应用
MFC (Microsoft Foundation Class) 类库是Windows下C++编程使用最广泛的类库。它封装了WIN32 API函数, 并设计了一套方便使用的消息映射机制。Visaul C++及其MFC的界面灵活性和表达能力均优于UIStyler的功能。有效灵活MFC的框架结构大大方便了开发者的编程工作, 达到事半功倍的效果。尽管UG/Open API应用程序一直采用Visual C++作为编译器, 但是UG/Open API中没有直接提供对MFC的支持, 所以在UG开发中不能直接提供对MFC的支持, 同目前流行的Windows应用程序开发工具相比, UG应用程序界面的专用工具UIStyler中包含的控件较少, 功能有限, 使得在开发的灵活性上受到一定的局限, 使用起来很不方便, 有的功能甚至难以实现。为了解决这个问题, 本论文采用MFC应用向导 (MFC APP Wizard) 建立系统框架, 在该框架下则可以方便的调用MFC类库中的资源。
6 渐开线数学模型
当直线BK沿半径rb为圆周作纯滚动, 直线之上任意一点K的轨迹AK展开渐开线。直线BK称为渐开线的发生线。角θk称为渐开线上K点的展开角。
如图1, A为渐开线在基圆上的起点, K为渐开线上任意点, 其矢径为rk, 渐开线AK段的展开角为θk。当渐开线作为齿轮的齿廓在点K啮合时, 则此齿廓在点K所的正压力方向 (即法线方向) 与速度方向 (沿a K方向) 所夹的锐角ak为渐开线在点K的力角。由图可见, ak=∠BOK, 且
又因故得θk=tanak=ak, 由上式知, 展开角θk是压力角ak的函数, 称其为渐开线函数, 工程上常用invak表示, 即
由式 (1) 及 (2) 可得渐开线的极坐标方程式为:
如己知基圆半径rb, 在每取一个ak值时, 就可算出渐开线上各相应点的极坐标 (rk, θk) 。
当算出若干点后, 就可得出整条渐开线。
渐开线的绘制:对 (3) 式渐开线曲线建立如图2符合UG要求的表达式: