一种满足工程约束条件的变型设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种满足工程约束条件的变型设计方法，尤其涉及一种满足工程约束条件的变型设计方法。
【背景技术】
[0002]随着市场的竞争日益加剧，变型设计技术应用日益广泛。产品变型设计是根据设计任务要求，在保证整体的结构和功能不变的条件下，对已有的类似产品或模块进行局部结构或尺寸的变动，设计出新产品的过程。大多数的变型设计技术只针对产品几何结构的尺寸设计，而忽略了产品的实际应用意义，缺乏对产品在各种工况下刚度、强度等工程约束条件的判断，难以保证变型设计中产品的可靠性。近年来，CAE技术已经成为解决工程分析问题的主要途径，采用该技术对产品各种工作工况下的刚度、强度稳定可靠性等关键结构性能和安全可靠性问题进行分析评测，同样在设计阶段就能发现设计缺陷并进行及时处理。因此，CAD/CAE集成技术为满足工程约束条件的变型设计方法的研究提供了新的思路。
[0003]CAD/CAE集成是当前CAE领域的一项新技术，是CAD和CAE领域发展的一种必然趋势。其充分利用了各系统的应用功能，通过一定的集成方式，实现了 “设计-评价-再设计”操作的自动化过程，缩短了产品开发设计周期，保证了产品设计的性能，提高了产品的质量。通过CAD/CAE集成技术可以有效地解决参数化产品设计的有限元分析、结构优化设计及变型设计的工程条件满足性等问题。但CAD/CAE集成的应用也有一些不尽人意的地方。在CAD软件中完成零件参数化三维建模及变型设计，再进行CAE软件分析，如果分析结果符合要求，则完成设计；否则需对零件产品模型中的参数进行修改，这时需要重新建模，并手工对有限元模型进行修改，而一些信息处理过程也仍然离不开繁琐的人工处理过程，操作不便，效率低下，难以满足工程需求。因此提出一种满足工程约束条件的变型设计方法，对于解决无需要人工干预的满足工程约束条件的变型设计问题，缩短设计周期，提高建模效率与仿真精度等具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种满足工程约束条件的变型设计方法。这种方法能够高效、精确的建立仿真模型，并应用于仿真分析，方便循环重复性分析，解决无需要人工干预的满足工程约束条件的变型设计问题。
[0005]实现本发明目的所采用的技术方案:
[0006]—种满足工程约束条件的变型设计方法，包括以下步骤:
[0007](I)根据客户和设计的需求对机械系统零部件结构性能进行初步分析，并进行参数分析、提取;在CAD软件的So Iidworks中建立零件的参数化三维模型；
[0008](2)基于VC++为开发工具，对Sol idworks进行二次开发，构建参数化变型设计用户界面，所述界面的可执行步骤包括几何模型参数输入;CAE模型参数输入;后台启动ANSYS，读取Excel表格数据并执行步骤(3)编写的APDL命令流；
[0009](3)将模型参数导入到Excel中，并在Excel中编写APDL命令流;其中，在用户界面中修改参数时，ExceI中数据自动修改、更新;在ExceI中修改参数时，Sol idWorks也能自动读取Excel数据并模型更新；
[0010](4)在参数化变型设计用户界面中输入几何参数和CAE分析参数，SolidWorks根据输入参数对Excel表格数据和APDL命令流进行读取、修改与更新，进而对三维模型进行变型设计；
[0011](5)在参数化变型设计用户界面中后台启动ANSYS，自动读取更新后的Excel表格中的数据和APDL命令流并执行APDL命令流文件，建立参数化CAE分析模型、进行参数化CAE分析并输出结果；其中，若在Exce I中修改参数，可重新生成APDL命令流文件，并且ANSYS自动读取修改后的Excel表格中的数据和APDL命令流进行建模和分析；
[0012](6)根据CAE分析结果，判断是否满足工程约束;如果不满足工程约束则返回步骤
(4)自动进行参数修改，循环步骤(4)、(5)、(6)直到满足工程约束条件，如果满足工程约束进行下一步骤；
[0013](7)结果自动返回CAD软件中，模型更新、Excel表格更新，输出结果并保存数据文件。
[0014]进一步地，步骤(I)所述参数包括零件的可变参数、导出参数和不变参数，也分为几何参数、物理参数、力学参数及CAE分析参数。
[0015]进一步地，步骤(3)所述的APDL命令流为在ExceI中按照APDL代码的格式编写好代码，其中逗号不用输入；由于Excel自身具有的强大计算功能，在Excel环境下编写的APDL代码不需要使用*D0，*ENDD0循环命令。
[0016]进一步地，步骤(3)所述的Sol idWorks读取Excel数据并进行模型更新，具体为通过Excel输入参数，利用ExceI表格ActiveX控件并结合SoI idWorks宏功能实现对SolidWorks模型尺寸修改及更新。其中，Excel2003保存格式为.xls格式。
[0017]进一步地，所述的APDL命令流文件包括有限元建模、单元类型、材料属性、网格划分、约束位置、施加边界条件和载荷，进行分析，导出中性文件。其中，AroL宏文件为.mac文件。
[0018]进一步地，步骤(4)所述的变型设计步骤包括如下:
[0019]I)详细分析零件参数，启动Sol idworks;
[0020]2)根据零件各尺寸之间的关联，确定各参数之间的约束关系，并建立参数之间的约束关系式，进而构建参数化三维模型；
[0021]3)建立变型设计模块，利用建立的变型设计模块快速地提取零件模型中的尺寸参数和约束关系式；
[0022]4)修改尺寸参数、约束关系式，零件变型；
[0023]5)保存模型和数据文件。
[0024]进一步地，步骤(5)所述的建立参数化CAE分析模型是:ANSYS读取把Excel表格数据读到数组中，用数组中数据建模。
[0025]其中，MWRITE,ParP,Fname，Ext，一，label，nl，n2，n3此命令可读数组
[0026]VWRITE，Par I，Par2，Par3，……，Parl9 此命令可读单个数值
[0027]进一步地，所述的CAE分析步骤包括如下:
[0028]I)后台启动有限元分析软件ANSYS;
[0029]2)根据需求，将APDL命令流文件中的几何参数和CAE分析参数进行参数化，建立有限元模型；
[0030]3)定义单元类型、材料属性、网格划分；
[0031]4)施加边界约束条件和载荷，其中零件所受到的约束包括一端固定、两端固定、转动或平动，载荷包括切削力、拉力或扭矩；
[0032]5)进行求解分析，输出分析结果，退出ANSYS。
[0033]进一步地，所述几何参数包括外形尺寸和载荷位置，CAE分析参数包括网格尺寸、载荷大小和材料属性，其中材料属性包括弹性模量、泊松比和材料密度。
[0034]本发明的优点为:应用本发明的满足工程约束条件的变型设计方法可实现“设计-分析-评价-再设计”操作的自动化过程，利用建立的界面与接口程序可实现参数化建模，模型自动变型设计;充分利用Excel表格强大的公式计算、直观的参数输入、方便的数据维护功能，来实现产品的参数化、系列化设计;ANSYS软件读取Exce I表格数据和APDL命令流进行参数化建模和分析，自动修改参数、分析直到输出满足工程约束的结果，解决繁琐的循环重复性分析问题，缩短产品研发周期；最终分析结果自动返回CAD软件中重建模型，Excel更新，对模型参数修改和APDL代码批量修改更加方便;整个过程无需人工干预，解决了满足工程约束条件的变型设计问题，提高了效率，缩短了设计周期具有很好的工程应用价值。
【附图说明】
[0035]图1是本发明的一种满足工程约束条件的变型设计方法流程图；
[0036]图2是本发明的变型设计流程图；
[0037]图3是本发明的CAE分析流程图；
[0038]图4是本发明实施例的轴的参数化变型设计用户界面图；
[0039]图5是本发明实施例的轴的静力分析结果图。
【具体实施方式】
[0040]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体内容作进一步说明，但本发明的【具体实施方式】不限于此。
[0041 ] 一种满足工程约束条件的变型设计方法，包括的步骤为:Solidworks参数化三维建模、开发参数化变型设计用户界面、Excel中编写模型参数和APDL命令流并根据用户界面参数输入而修改和更新、后台启动ANSYS自动读取更新后的Excel建模与分析、自动修改参数与分析直到输出满足工程约束的结果、结果返回CAD重塑模型及Excel数据更新，图1是其主要流程图，具体步骤如下:
[0042](I)根据客户和设计的需求对零件参数进行分析，如对一个输出轴，各轴段的长、直径以及各个轴长或轴径之间的约束关系进行分析，其中参数主要包括长、宽、高或直径等，在CAD软件的So I i dworks中建立零件的参数化三维模型；
[0043](2)基于VC++为开发工具，对Solidworks进行二次开发，构建参数化变型设计用户界面，所述界面的可执行步骤包括几何模型参数输入;CAE模型参数输入;后台启动ANSYS，读取Excel表格数据并执行步骤(3)编写的APDL命令流；
[0044](3)将模型参数导入到Excel中，并在Excel中编写APDL命令流文件。编写APDL命令流文件时，在ExceI中按照APDL代码的格式编写好代码，其中逗号不用输入；由于ExceI自身具有的强大计算功能，在Excel环境下编写的APDL代码不需要使用*D0，*ENDD0循环命令。其中，在用户界面中修改参数时，E X c e I中数据自动修改、更新；在E X c e I中修改参数时，Sol idWorks也能自动读取Excel数据并进行模型更新，Sol idWorks读取Excel数据并进行模型更新的具体方法为通过Exce I输入参数，利用Exce I表格ActiveX控件并结合So I idWorks宏功能实现对SolidWorks模型尺寸修改及更新。其中，Excel2003保存格式为.xls格式。所编写的APDL命令流文件包括有限元建模、单元类型、材料属性、网格划分、约束位置、施加边界条件和载荷，进行分析，导出中性文件。其中，APDL宏文件为.mac文件。
[0045](4)在参数化变型设计用户界面中输入外形尺寸、参数之间的约束关系等几何参数和网格尺寸、施加载荷和材料属性等CAE分析参数，其中材料属性包括:弹性模量、泊松比、材料密度，根据输入参数对Exce I表格数据和APDL命令流进行读取、修改与更新，进而对三维模型进行变型设计;所述的变型设计步骤如图2所示，包括如下:
[0046]I)详细分析零件参数，启动Sol idworks ；
[0047]2)根据零件各尺寸之间的关联，确定各参数之间的约束关系，并建立约束关系式，进而构建参数化三维模型；
[0048]3)建立变型设计模块，利用建立的变型设计模块快速地提取零件模型中的尺寸参数和约束关系式；
[0049]4)修改尺寸参数、约束关系