武建國(guó)+高航舵+王奕博+胡安玉

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)得飛速發(fā)展，CAD以及廣泛應(yīng)用與科研中，一般的CAD軟件都具有廣而博得通用性，利用UG等CAD軟件輔助進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成為一種現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。

本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括以下兩個(gè)部分：首先，采用功能強(qiáng)大的三維軟件UG為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)減速帶三維參數(shù)化造型。其次，對(duì)壓電陶瓷在減速帶中具體的安裝位置進(jìn)行分析，可先通過定義減速帶的材料特性參數(shù)，進(jìn)行性能仿真，分析研究結(jié)果中的位移變形數(shù)據(jù)，得出最大的位移變形區(qū)，確定最有效的壓電陶瓷片安裝位置，為以后的實(shí)驗(yàn)提供具體、堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：UG軟件；壓電陶瓷；減速帶；仿真

1 CAD軟件的簡(jiǎn)述

1.1 CAD技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r概述

CAD技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)學(xué)科相結(jié)合形成的一門技術(shù)，是計(jì)算機(jī)在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一，也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，CAD技術(shù)包括二維工程繪圖、三維幾何模型設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、有限元分析、仿真模擬、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)以及上述技術(shù)（CAD/CAM）的集成技術(shù)等。現(xiàn)代CAD技術(shù)一方面向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，另一方面由二維工程圖形軟件向三維實(shí)體圖形軟件轉(zhuǎn)化。由于三維實(shí)體模型能夠更直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)者意圖，反映設(shè)計(jì)結(jié)果，三維模型設(shè)計(jì)已成為機(jī)械相關(guān)行業(yè)地主流方向。

隨著信息化技術(shù)在我國(guó)地推廣和發(fā)展，以三維實(shí)體造型為基礎(chǔ)的國(guó)外先進(jìn)CAD軟件紛紛登陸中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)、科研院所也著力于各種CAD平臺(tái)的二次開發(fā)以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAD軟件開發(fā)，各種三維CAD軟件不斷出現(xiàn)。在我國(guó)市場(chǎng)推出的優(yōu)秀的國(guó)外商品化軟件主要有UG、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer等，國(guó)內(nèi)自主版權(quán)的軟件也逐漸成熟起來，如北航海爾的CAXA、清華大學(xué)研制開發(fā)的高華CAD和XTCAD、中科軟件工程研制中心的CAD/CAM軟件公司UEL合作，采用引進(jìn)，消化、吸收、創(chuàng)新的方式，開發(fā)完成了具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維CAD/CAM軟件SINOVATION V1.0，大大推進(jìn)了我國(guó)CAD技術(shù)的發(fā)展。

1.2 UG軟件的簡(jiǎn)介

UG（Unigraphics）是美國(guó)EDS公司推出的當(dāng)今市場(chǎng)最先進(jìn)的CAD/CAE/CAM高端軟件平臺(tái)之一，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、汽車、造船、模具和電子等領(lǐng)域。UG自從1900年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來，在我國(guó)得到了非常廣泛的應(yīng)用，目前已成為我國(guó)主要使用的高端CAD/CAE/CAM軟件之一。

UG是CAD/CAE/CAM一體化的軟件系統(tǒng)，可應(yīng)用于整個(gè)產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)全過程，包括產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、建模、分析和加工。該軟件具有實(shí)體建模模塊、特征建模模塊、曲線建模模塊、工程制圖模塊、裝配模塊、分析模塊、加工模塊、知識(shí)工程模塊和二次開發(fā)模塊。不僅可以完成建模、裝配、工程出圖、數(shù)控加工等基本功能，還可以對(duì)建立的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真和有限元分析等操作

2 減速帶的三維模型建立

UG擁有較強(qiáng)的建模功能，主要的建模方法有：UG/實(shí)體建模（UG/Golid Modeling）、UG特征建模（UG/Features Modeling）、UG自由曲面建模（UG/Freedom Modeling）、UG用戶自定義特征（UG/User-Defined Features）等。其中，特征建模是UG NX CAD功能的核心建模工具，是在UG建模中最為常用的建模模塊。UG擁有強(qiáng)大的基于特征和約束的建模技術(shù)功能，并且操作簡(jiǎn)便，具有交互建立和編輯復(fù)雜實(shí)體模型的能力。通過使用這些特征建模功能，能夠快速進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。減速帶的設(shè)計(jì)主要是拉伸特征，所以選擇特征建模方法，可以快速有效的實(shí)現(xiàn)手機(jī)外殼的三維建模。

參數(shù)化建模的首要步驟是對(duì)模型零件進(jìn)行形體分析，確定設(shè)計(jì)變量和建模方法，進(jìn)行參數(shù)化三維實(shí)體建模和提取各個(gè)尺寸的參數(shù)，最后驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型。根據(jù)產(chǎn)品的幾何形狀和零件的復(fù)雜程度，適當(dāng)選擇適用的參數(shù)化建模方法。常用的參數(shù)化建模方法：基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于草圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于表達(dá)式的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.1 參數(shù)化截面的建立

從減速帶的整體結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，其模型的建立可以通過先建立模型的截面，然后利用拉伸特征實(shí)現(xiàn)減速帶三維模型的建立，所以草圖是建立模型的第一個(gè)步驟。草圖是指各個(gè)曲線都具有對(duì)應(yīng)約束關(guān)系的二維圖形。草圖約束主要包括幾何約束和尺寸約束兩種，其中幾何約束用來確定二維圖形的位置，而尺寸約束確定圖形的尺寸，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)象的尺寸驅(qū)動(dòng)。當(dāng)草圖完全約束時(shí)，草圖的自由度和約束是相等的。利用草圖創(chuàng)建的三維實(shí)體如果需要改變尺寸參數(shù)時(shí)，通過改變草圖的尺寸參數(shù)，保持原來的位置約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

如圖1所示，減速帶截面的設(shè)計(jì)利用參數(shù)化建模的方法（寬300mm，高30mm），如果在草圖成形以后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的錯(cuò)誤提示信息，可以直接對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，避免了重新繪制草圖的工作量，從而為設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的時(shí)間和人力。

2.2 特征建模的應(yīng)用

截面草圖建立完后成，如圖2通過一次拉伸（長(zhǎng)500mm），完成減速帶整體模型的建立，得到圖3的結(jié)果。

通過拉伸，減速帶的總體形狀已基本確定，對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)特征操作，以完善其模型。在減速帶的底面四角處直徑為30mm的螺釘孔截面，然后利用拉伸功能和布爾運(yùn)算。UG的布爾運(yùn)算功能提供了四種操作，包括合并、減去、相交和無操作，其中求差操作在螺釘孔的設(shè)計(jì)操作中提供了非常方便的路徑。應(yīng)用布爾運(yùn)算，在草圖上直接繪制出要去除的孔截面，設(shè)置好拉伸的方向和距離，以草圖為基準(zhǔn)創(chuàng)建拉伸功能再輔以布爾運(yùn)算，能夠快速地完成操作。如圖4完成減速帶模型地創(chuàng)建。

3 減速帶模型的有限元分析

3.1 定義材料屬性

進(jìn)入U(xiǎn)G的高級(jí)仿真模塊，首先對(duì)減速帶模型進(jìn)行優(yōu)化處理，并賦予模型一定的材料以及該材料的密度、彈性模量、泊松比等物理屬性。其相關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示。

3.2 網(wǎng)格劃分

采用3D四面體網(wǎng)格（10節(jié)點(diǎn)），單元大小設(shè)置為8mm，對(duì)其進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分如圖5所示.

3.3 施加約束

模擬現(xiàn)實(shí)中減速帶的使用方法，對(duì)減速帶的四個(gè)螺釘孔施加全約束，對(duì)底面施加法向的位移約束。結(jié)果如圖6所示。

3.4 施加載荷

分別向圖4中的五個(gè)面施加壓力（按家用小車的一般質(zhì)量為1.8噸計(jì)算，一個(gè)輪胎瞬時(shí)施加在單個(gè)面上（500mmX60mm）的壓力為153125pa）。

3.5 求解

完成有限元模型的建立后，采用UG的求解模塊進(jìn)行求解。最后利用UG的后處理模塊查看零件的變形結(jié)果。一般是通過后處理視圖觀察零件的變形情況、最大變形量、最大應(yīng)變、應(yīng)力等。也可以通過后處理中的動(dòng)畫操作模擬零件的不同變形過程。其結(jié)果如下圖所示，并且選擇每個(gè)面的幾何中心點(diǎn)為標(biāo)定點(diǎn)，分別記錄其節(jié)點(diǎn)號(hào)為A（53689）、B（47273）、C（43241）、D（36882）、E（50408），統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)在五種工況下的總變形位移，分析可以得出：在五種工況的作用下，面3上的點(diǎn)C的總位移最大。

4 結(jié)論

應(yīng)用UG軟件進(jìn)行的減速帶模型設(shè)計(jì)以及有限元分析的全過程，找到了應(yīng)用UG的建模模塊進(jìn)行減速帶模型設(shè)計(jì)的方法與操作技巧。UG軟件將材料的特性融入到模型的靜態(tài)分析中，逼真準(zhǔn)確的表現(xiàn)實(shí)際反應(yīng)情況，得到壓電陶瓷片材料在減速帶中最有效的安裝位置，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供可靠的理論依據(jù)，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展。相信基于UG建模的設(shè)計(jì)以及有限元分析的方法在未來的科學(xué)技術(shù)發(fā)展上有很大的用武之地。

參考文獻(xiàn)

[1]劉加亮，基于UG的涂膠機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

[2]吳利霞，基于UG的齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析研究

武建國(guó) 高航舵 王奕博 胡安玉

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)得飛速發(fā)展，CAD以及廣泛應(yīng)用與科研中，一般的CAD軟件都具有廣而博得通用性，利用UG等CAD軟件輔助進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成為一種現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。

本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括以下兩個(gè)部分：首先，采用功能強(qiáng)大的三維軟件UG為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)減速帶三維參數(shù)化造型。其次，對(duì)壓電陶瓷在減速帶中具體的安裝位置進(jìn)行分析，可先通過定義減速帶的材料特性參數(shù)，進(jìn)行性能仿真，分析研究結(jié)果中的位移變形數(shù)據(jù)，得出最大的位移變形區(qū)，確定最有效的壓電陶瓷片安裝位置，為以后的實(shí)驗(yàn)提供具體、堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：UG軟件；壓電陶瓷；減速帶；仿真

1 CAD軟件的簡(jiǎn)述

1.1 CAD技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r概述

CAD技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)學(xué)科相結(jié)合形成的一門技術(shù)，是計(jì)算機(jī)在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一，也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，CAD技術(shù)包括二維工程繪圖、三維幾何模型設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、有限元分析、仿真模擬、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)以及上述技術(shù)（CAD/CAM）的集成技術(shù)等?，F(xiàn)代CAD技術(shù)一方面向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，另一方面由二維工程圖形軟件向三維實(shí)體圖形軟件轉(zhuǎn)化。由于三維實(shí)體模型能夠更直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)者意圖，反映設(shè)計(jì)結(jié)果，三維模型設(shè)計(jì)已成為機(jī)械相關(guān)行業(yè)地主流方向。

隨著信息化技術(shù)在我國(guó)地推廣和發(fā)展，以三維實(shí)體造型為基礎(chǔ)的國(guó)外先進(jìn)CAD軟件紛紛登陸中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)、科研院所也著力于各種CAD平臺(tái)的二次開發(fā)以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAD軟件開發(fā)，各種三維CAD軟件不斷出現(xiàn)。在我國(guó)市場(chǎng)推出的優(yōu)秀的國(guó)外商品化軟件主要有UG、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer等，國(guó)內(nèi)自主版權(quán)的軟件也逐漸成熟起來，如北航海爾的CAXA、清華大學(xué)研制開發(fā)的高華CAD和XTCAD、中科軟件工程研制中心的CAD/CAM軟件公司UEL合作，采用引進(jìn)，消化、吸收、創(chuàng)新的方式，開發(fā)完成了具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維CAD/CAM軟件SINOVATION V1.0，大大推進(jìn)了我國(guó)CAD技術(shù)的發(fā)展。

1.2 UG軟件的簡(jiǎn)介

UG（Unigraphics）是美國(guó)EDS公司推出的當(dāng)今市場(chǎng)最先進(jìn)的CAD/CAE/CAM高端軟件平臺(tái)之一，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、汽車、造船、模具和電子等領(lǐng)域。UG自從1900年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來，在我國(guó)得到了非常廣泛的應(yīng)用，目前已成為我國(guó)主要使用的高端CAD/CAE/CAM軟件之一。

UG是CAD/CAE/CAM一體化的軟件系統(tǒng)，可應(yīng)用于整個(gè)產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)全過程，包括產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、建模、分析和加工。該軟件具有實(shí)體建模模塊、特征建模模塊、曲線建模模塊、工程制圖模塊、裝配模塊、分析模塊、加工模塊、知識(shí)工程模塊和二次開發(fā)模塊。不僅可以完成建模、裝配、工程出圖、數(shù)控加工等基本功能，還可以對(duì)建立的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真和有限元分析等操作

2 減速帶的三維模型建立

UG擁有較強(qiáng)的建模功能，主要的建模方法有：UG/實(shí)體建模（UG/Golid Modeling）、UG特征建模（UG/Features Modeling）、UG自由曲面建模（UG/Freedom Modeling）、UG用戶自定義特征（UG/User-Defined Features）等。其中，特征建模是UG NX CAD功能的核心建模工具，是在UG建模中最為常用的建模模塊。UG擁有強(qiáng)大的基于特征和約束的建模技術(shù)功能，并且操作簡(jiǎn)便，具有交互建立和編輯復(fù)雜實(shí)體模型的能力。通過使用這些特征建模功能，能夠快速進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。減速帶的設(shè)計(jì)主要是拉伸特征，所以選擇特征建模方法，可以快速有效的實(shí)現(xiàn)手機(jī)外殼的三維建模。

參數(shù)化建模的首要步驟是對(duì)模型零件進(jìn)行形體分析，確定設(shè)計(jì)變量和建模方法，進(jìn)行參數(shù)化三維實(shí)體建模和提取各個(gè)尺寸的參數(shù)，最后驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型。根據(jù)產(chǎn)品的幾何形狀和零件的復(fù)雜程度，適當(dāng)選擇適用的參數(shù)化建模方法。常用的參數(shù)化建模方法：基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于草圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于表達(dá)式的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.1 參數(shù)化截面的建立

從減速帶的整體結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，其模型的建立可以通過先建立模型的截面，然后利用拉伸特征實(shí)現(xiàn)減速帶三維模型的建立，所以草圖是建立模型的第一個(gè)步驟。草圖是指各個(gè)曲線都具有對(duì)應(yīng)約束關(guān)系的二維圖形。草圖約束主要包括幾何約束和尺寸約束兩種，其中幾何約束用來確定二維圖形的位置，而尺寸約束確定圖形的尺寸，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)象的尺寸驅(qū)動(dòng)。當(dāng)草圖完全約束時(shí)，草圖的自由度和約束是相等的。利用草圖創(chuàng)建的三維實(shí)體如果需要改變尺寸參數(shù)時(shí)，通過改變草圖的尺寸參數(shù)，保持原來的位置約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

如圖1所示，減速帶截面的設(shè)計(jì)利用參數(shù)化建模的方法（寬300mm，高30mm），如果在草圖成形以后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的錯(cuò)誤提示信息，可以直接對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，避免了重新繪制草圖的工作量，從而為設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的時(shí)間和人力。

2.2 特征建模的應(yīng)用

截面草圖建立完后成，如圖2通過一次拉伸（長(zhǎng)500mm），完成減速帶整體模型的建立，得到圖3的結(jié)果。

通過拉伸，減速帶的總體形狀已基本確定，對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)特征操作，以完善其模型。在減速帶的底面四角處直徑為30mm的螺釘孔截面，然后利用拉伸功能和布爾運(yùn)算。UG的布爾運(yùn)算功能提供了四種操作，包括合并、減去、相交和無操作，其中求差操作在螺釘孔的設(shè)計(jì)操作中提供了非常方便的路徑。應(yīng)用布爾運(yùn)算，在草圖上直接繪制出要去除的孔截面，設(shè)置好拉伸的方向和距離，以草圖為基準(zhǔn)創(chuàng)建拉伸功能再輔以布爾運(yùn)算，能夠快速地完成操作。如圖4完成減速帶模型地創(chuàng)建。

3 減速帶模型的有限元分析

3.1 定義材料屬性

進(jìn)入U(xiǎn)G的高級(jí)仿真模塊，首先對(duì)減速帶模型進(jìn)行優(yōu)化處理，并賦予模型一定的材料以及該材料的密度、彈性模量、泊松比等物理屬性。其相關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示。

3.2 網(wǎng)格劃分

采用3D四面體網(wǎng)格（10節(jié)點(diǎn)），單元大小設(shè)置為8mm，對(duì)其進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分如圖5所示.

3.3 施加約束

模擬現(xiàn)實(shí)中減速帶的使用方法，對(duì)減速帶的四個(gè)螺釘孔施加全約束，對(duì)底面施加法向的位移約束。結(jié)果如圖6所示。

3.4 施加載荷

分別向圖4中的五個(gè)面施加壓力（按家用小車的一般質(zhì)量為1.8噸計(jì)算，一個(gè)輪胎瞬時(shí)施加在單個(gè)面上（500mmX60mm）的壓力為153125pa）。

3.5 求解

完成有限元模型的建立后，采用UG的求解模塊進(jìn)行求解。最后利用UG的后處理模塊查看零件的變形結(jié)果。一般是通過后處理視圖觀察零件的變形情況、最大變形量、最大應(yīng)變、應(yīng)力等。也可以通過后處理中的動(dòng)畫操作模擬零件的不同變形過程。其結(jié)果如下圖所示，并且選擇每個(gè)面的幾何中心點(diǎn)為標(biāo)定點(diǎn)，分別記錄其節(jié)點(diǎn)號(hào)為A（53689）、B（47273）、C（43241）、D（36882）、E（50408），統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)在五種工況下的總變形位移，分析可以得出：在五種工況的作用下，面3上的點(diǎn)C的總位移最大。

4 結(jié)論

應(yīng)用UG軟件進(jìn)行的減速帶模型設(shè)計(jì)以及有限元分析的全過程，找到了應(yīng)用UG的建模模塊進(jìn)行減速帶模型設(shè)計(jì)的方法與操作技巧。UG軟件將材料的特性融入到模型的靜態(tài)分析中，逼真準(zhǔn)確的表現(xiàn)實(shí)際反應(yīng)情況，得到壓電陶瓷片材料在減速帶中最有效的安裝位置，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供可靠的理論依據(jù)，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展。相信基于UG建模的設(shè)計(jì)以及有限元分析的方法在未來的科學(xué)技術(shù)發(fā)展上有很大的用武之地。

參考文獻(xiàn)

[1]劉加亮，基于UG的涂膠機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

[2]吳利霞，基于UG的齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析研究