基于UG的道路交通減速帶三維設(shè)計及仿真分析

武建國+高航舵+王奕博+胡安玉

摘 要：隨著計算機技術(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軟件輔助進行產(chǎn)品的設(shè)計成為一種現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的新趨勢。

本課題的主要研究內(nèi)容包括以下兩個部分：首先，采用功能強大的三維軟件UG為開發(fā)平臺，實現(xiàn)減速帶三維參數(shù)化造型。其次，對壓電陶瓷在減速帶中具體的安裝位置進行分析，可先通過定義減速帶的材料特性參數(shù)，進行性能仿真，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，為以后的實驗提供具體、堅實的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：UG軟件；壓電陶瓷；減速帶；仿真

1 CAD軟件的簡述

1.1 CAD技術(shù)發(fā)展狀況概述

CAD技術(shù)是計算機科學(xué)與工程設(shè)計學(xué)科相結(jié)合形成的一門技術(shù)，是計算機在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一，也是先進制造技術(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、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)一方面向標準化、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體圖形軟件轉(zhuǎn)化。由于三維實體模型能夠更直觀地表達設(shè)計者意圖，反映設(shè)計結(jié)果，三維模型設(shè)計已成為機械相關(guān)行業(yè)地主流方向。

隨著信息化技術(shù)在我國地推廣和發(fā)展，以三維實體造型為基礎(chǔ)的國外先進CAD軟件紛紛登陸中國市場，國內(nèi)許多大學(xué)、科研院所也著力于各種CAD平臺的二次開發(fā)以及自主知識產(chǎn)權(quán)的CAD軟件開發(fā)，各種三維CAD軟件不斷出現(xiàn)。在我國市場推出的優(yōu)秀的國外商品化軟件主要有UG、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer等，國內(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，消化、吸收、創(chuàng)新的方式，開發(fā)完成了具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的三維CAD/CAM軟件SINOVATION V1.0，大大推進了我國CAD技術(shù)的發(fā)展。

1.2 UG軟件的簡介

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

UG是CAD/CAE/CAM一體化的軟件系統(tǒng)，可應(yīng)用于整個產(chǎn)品從概念設(shè)計到實際產(chǎn)品的開發(fā)全過程，包括產(chǎn)品的概念設(shè)計、建模、分析和加工。該軟件具有實體建模模塊、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，還可以對建立的模型進行運動學(xué)、動力學(xué)仿真和有限元分析等操作

2 減速帶的三維模型建立

UG擁有較強的建模功能，主要的建模方法有：UG/實體建模（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擁有強大的基于特征和約束的建模技術(shù)功能，并且操作簡便，具有交互建立和編輯復(fù)雜實體模型的能力。通過使用這些特征建模功能，能夠快速進行概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計。減速帶的設(shè)計主要是拉伸特征，所以選擇特征建模方法，可以快速有效的實現(xiàn)手機外殼的三維建模。

參數(shù)化建模的首要步驟是對模型零件進行形體分析，確定設(shè)計變量和建模方法，進行參數(shù)化三維實體建模和提取各個尺寸的參數(shù)，最后驗證設(shè)計模型。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、基于草圖的參數(shù)化設(shè)計和基于表達式的參數(shù)化設(shè)計。

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步驟。草圖是指各個曲線都具有對應(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，方便實現(xiàn)對象的尺寸驅(qū)動。當(dāng)草圖完全約束時，草圖的自由度和約束是相等的。利用草圖創(chuàng)建的三維實體如果需要改變尺寸參數(shù)時，通過改變草圖的尺寸參數(shù)，保持原來的位置約束關(guān)系，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。

如圖1所示，減速帶截面的設(shè)計利用參數(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)的錯誤提示信息，可以直接對參數(shù)進行修改，避免了重新繪制草圖的工作量，從而為設(shè)計節(jié)省了大量的時間和人力。

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，對其進行細節(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算。UG的布爾運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)計操作中提供了非常方便的路徑。應(yīng)用布爾運算，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，以草圖為基準創(chuàng)建拉伸功能再輔以布爾運算，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

進入UG的高級仿真模塊，首先對減速帶模型進行優(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），單元大小設(shè)置為8mm，對其進行三維網(wǎng)格劃分如圖5所示.

3.3 施加約束

模擬現(xiàn)實中減速帶的使用方法，對減速帶的四個螺釘孔施加全約束，對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中的五個面施加壓力（按家用小車的一般質(zhì)量為1.8噸計算，一個輪胎瞬時施加在單個面上（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，并且選擇每個面的幾何中心點為標定點，分別記錄其節(jié)點號為A（53689）、B（47273）、C（43241）、D（36882）、E（50408），統(tǒng)計各點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C的總位移最大。

4 結(jié)論

應(yīng)用UG軟件進行的減速帶模型設(shè)計以及有限元分析的全過程，找到了應(yīng)用UG的建模模塊進行減速帶模型設(shè)計的方法與操作技巧。UG軟件將材料的特性融入到模型的靜態(tài)分析中，逼真準確的表現(xiàn)實際反應(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)的實驗提供可靠的理論依據(jù)，推動了實驗的進一步發(fā)展。相信基于UG建模的設(shè)計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

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

[2]吳利霞，基于UG的齒輪參數(shù)化設(shè)計及運動仿真分析研究

武建國 高航舵 王奕博 胡安玉

摘 要：隨著計算機技術(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軟件輔助進行產(chǎn)品的設(shè)計成為一種現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的新趨勢。

本課題的主要研究內(nèi)容包括以下兩個部分：首先，采用功能強大的三維軟件UG為開發(fā)平臺，實現(xiàn)減速帶三維參數(shù)化造型。其次，對壓電陶瓷在減速帶中具體的安裝位置進行分析，可先通過定義減速帶的材料特性參數(shù)，進行性能仿真，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，為以后的實驗提供具體、堅實的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：UG軟件；壓電陶瓷；減速帶；仿真

1 CAD軟件的簡述

1.1 CAD技術(shù)發(fā)展狀況概述

CAD技術(shù)是計算機科學(xué)與工程設(shè)計學(xué)科相結(jié)合形成的一門技術(shù)，是計算機在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一，也是先進制造技術(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、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)一方面向標準化、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體圖形軟件轉(zhuǎn)化。由于三維實體模型能夠更直觀地表達設(shè)計者意圖，反映設(shè)計結(jié)果，三維模型設(shè)計已成為機械相關(guān)行業(yè)地主流方向。

隨著信息化技術(shù)在我國地推廣和發(fā)展，以三維實體造型為基礎(chǔ)的國外先進CAD軟件紛紛登陸中國市場，國內(nèi)許多大學(xué)、科研院所也著力于各種CAD平臺的二次開發(fā)以及自主知識產(chǎn)權(quán)的CAD軟件開發(fā)，各種三維CAD軟件不斷出現(xiàn)。在我國市場推出的優(yōu)秀的國外商品化軟件主要有UG、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer等，國內(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，消化、吸收、創(chuàng)新的方式，開發(fā)完成了具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的三維CAD/CAM軟件SINOVATION V1.0，大大推進了我國CAD技術(shù)的發(fā)展。

1.2 UG軟件的簡介

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

UG是CAD/CAE/CAM一體化的軟件系統(tǒng)，可應(yīng)用于整個產(chǎn)品從概念設(shè)計到實際產(chǎn)品的開發(fā)全過程，包括產(chǎn)品的概念設(shè)計、建模、分析和加工。該軟件具有實體建模模塊、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，還可以對建立的模型進行運動學(xué)、動力學(xué)仿真和有限元分析等操作

2 減速帶的三維模型建立

UG擁有較強的建模功能，主要的建模方法有：UG/實體建模（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擁有強大的基于特征和約束的建模技術(shù)功能，并且操作簡便，具有交互建立和編輯復(fù)雜實體模型的能力。通過使用這些特征建模功能，能夠快速進行概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計。減速帶的設(shè)計主要是拉伸特征，所以選擇特征建模方法，可以快速有效的實現(xiàn)手機外殼的三維建模。

參數(shù)化建模的首要步驟是對模型零件進行形體分析，確定設(shè)計變量和建模方法，進行參數(shù)化三維實體建模和提取各個尺寸的參數(shù)，最后驗證設(shè)計模型。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、基于草圖的參數(shù)化設(shè)計和基于表達式的參數(shù)化設(shè)計。

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步驟。草圖是指各個曲線都具有對應(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，方便實現(xiàn)對象的尺寸驅(qū)動。當(dāng)草圖完全約束時，草圖的自由度和約束是相等的。利用草圖創(chuàng)建的三維實體如果需要改變尺寸參數(shù)時，通過改變草圖的尺寸參數(shù)，保持原來的位置約束關(guān)系，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。

如圖1所示，減速帶截面的設(shè)計利用參數(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)的錯誤提示信息，可以直接對參數(shù)進行修改，避免了重新繪制草圖的工作量，從而為設(shè)計節(jié)省了大量的時間和人力。

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，對其進行細節(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算。UG的布爾運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)計操作中提供了非常方便的路徑。應(yīng)用布爾運算，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，以草圖為基準創(chuàng)建拉伸功能再輔以布爾運算，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

進入UG的高級仿真模塊，首先對減速帶模型進行優(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），單元大小設(shè)置為8mm，對其進行三維網(wǎng)格劃分如圖5所示.

3.3 施加約束

模擬現(xiàn)實中減速帶的使用方法，對減速帶的四個螺釘孔施加全約束，對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中的五個面施加壓力（按家用小車的一般質(zhì)量為1.8噸計算，一個輪胎瞬時施加在單個面上（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，并且選擇每個面的幾何中心點為標定點，分別記錄其節(jié)點號為A（53689）、B（47273）、C（43241）、D（36882）、E（50408），統(tǒng)計各點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C的總位移最大。

4 結(jié)論

應(yīng)用UG軟件進行的減速帶模型設(shè)計以及有限元分析的全過程，找到了應(yīng)用UG的建模模塊進行減速帶模型設(shè)計的方法與操作技巧。UG軟件將材料的特性融入到模型的靜態(tài)分析中，逼真準確的表現(xiàn)實際反應(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)的實驗提供可靠的理論依據(jù)，推動了實驗的進一步發(fā)展。相信基于UG建模的設(shè)計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

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

[2]吳利霞，基于UG的齒輪參數(shù)化設(shè)計及運動仿真分析研究