計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用研究

王吉軍 李俊

摘要：本文研究了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)型材庫(kù)，以熱軋等邊角鋼為典型范例詳細(xì)描述了型材庫(kù)的建模過程，為型材庫(kù)、桁架結(jié)構(gòu)庫(kù)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了有效的建模方法、建模思路?；趪?guó)家標(biāo)準(zhǔn)型材庫(kù)設(shè)計(jì)開發(fā)了某型飛機(jī)水平安定面托架，介紹了結(jié)構(gòu)模塊常規(guī)的建模思路和操作方法。與單純的零件設(shè)計(jì)模塊、裝配設(shè)計(jì)模塊相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)工作效率明顯提高，方便設(shè)計(jì)人員快速設(shè)計(jì)開發(fā)。

關(guān)鍵詞：型材庫(kù)；桁架結(jié)構(gòu)庫(kù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 引言

CATIA是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司開發(fā)的三維設(shè)計(jì)軟件，在航空、航天、船舶和汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在飛機(jī)、汽車和船舶領(lǐng)域中有大量桁架結(jié)構(gòu)，在包裝箱設(shè)計(jì)領(lǐng)域大量使用型材，還有其他各種各樣的型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是外形結(jié)構(gòu)類似、批量化使用。如果按常規(guī)的三維制圖方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作量非常大，而且容易出錯(cuò)。CATIA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊（Structure Design）專門用于設(shè)計(jì)桁架、型材結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)員只需要關(guān)注桁架、型材布置的線路即可，設(shè)計(jì)好參考線的走向、位置，設(shè)計(jì)員根據(jù)型材庫(kù)選擇型材，自動(dòng)生成相應(yīng)的桁架、型材結(jié)構(gòu)，并可以快速編輯連接、過渡位置，在更改時(shí)也可以快速修改，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作量。

CATIA是法國(guó)軟件，主要按ISO標(biāo)準(zhǔn)和其他國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，CATIA自帶的型材庫(kù)遠(yuǎn)不能完全滿足國(guó)內(nèi)用戶的需求，國(guó)內(nèi)用戶需要專門開發(fā)適合的型材庫(kù)。

2 型材庫(kù)的設(shè)計(jì)開發(fā)

CATIA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊在實(shí)際應(yīng)用過程中需要根據(jù)不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)大量型材庫(kù)，本文僅介紹國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)型鋼庫(kù)的設(shè)計(jì)開發(fā)，其他專用型材庫(kù)可以參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)型鋼庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

2.1 更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料庫(kù)

首先查找CATIA安裝位置，例如：C：＼Program Files（x86）＼Dassault Systemes＼B21，個(gè)人軟件安裝時(shí)設(shè)置的安裝位置可能會(huì)有所不同?？梢赃x中桌面CATIA快捷方式圖標(biāo)，鼠標(biāo)右鍵單擊，出現(xiàn)豎排菜單，點(diǎn)擊打開文件位置，找到軟件的安裝位置。在安裝文件內(nèi)找到材料庫(kù)位置：intel_a＼startup＼EquipmentAndSystems＼Structure＼ StructuralCatalogs＼Materials，打開文件StructureMaterials。

材料庫(kù)文件中有3個(gè)系列，分別為AISC、EN和DIN系列，在AISC系列下已有Steel A36、Steel A42等多種材料，將原有的材料復(fù)制粘貼，增加一種新材料，雙擊剛復(fù)制創(chuàng)建的新材料圖標(biāo)，進(jìn)入屬性面板。在特征屬性中更改特性名稱，新材料重命名為“GB型鋼_熱軋等邊角鋼Q235A”，這個(gè)命名規(guī)則需要與型材庫(kù)型材規(guī)格相對(duì)應(yīng)。在材料屬性中編輯材料密度、剖面線類型及其他材料參數(shù)，以便于重量計(jì)算、工程制圖等，編輯完畢后點(diǎn)擊確定，關(guān)閉屬性面板。

以上這是新增一種材料的操作步驟，每新增一種新的型材均需要在AISC系列材料庫(kù)中新增一種新材料。如果需要新增多種材料，需按上述步驟重復(fù)進(jìn)行操作。新材料建立完畢后，將StructureMaterials文件保存并關(guān)閉。

2.2 新增型材截面文件

在安裝文件內(nèi)找到型材截面庫(kù)位置：intel_a＼startup＼ EquipmentAndSystems＼Structure＼StructuralCatalogs＼AISC＼ Models，新建CATIA文件，重命名為rezhadengbianjiaogang，進(jìn)入CATIA文件。CATIA不識(shí)別中文名稱，本文按拼音名稱進(jìn)行命名。

本節(jié)以熱軋等邊角鋼為典型范例，介紹型材庫(kù)的建立過程。熱軋等邊角鋼（GB/T 9787-1988）的示意圖如圖1[1]所示。

在機(jī)械設(shè)計(jì)部分的零件設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，在CATIA文件里選擇XY平面建立草圖。建立典型的熱軋等邊角鋼樣式，按照?qǐng)D1的樣式繪制草圖輪廓。實(shí)用直線命令連續(xù)繪制直線，構(gòu)成空心L形截面，再使用圓角命令在L型尖端內(nèi)側(cè)倒圓角。

點(diǎn)擊約束命令，逐一標(biāo)注約束草圖輪廓，直至草圖完全約束、輪廓線全變?yōu)榫G色，詳見圖2。約束時(shí)，標(biāo)注的尺寸可以為任意值，輪廓接近圖1即可。

在創(chuàng)建完成草圖后，退出草圖工作臺(tái)。下一步進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊進(jìn)入工具菜單，點(diǎn)擊選項(xiàng)命令，進(jìn)入選項(xiàng)面板。在面板左側(cè)是選項(xiàng)面板的樹型菜單欄，點(diǎn)擊常規(guī)左側(cè)的“+”符號(hào)，進(jìn)入下一級(jí)目錄樹，點(diǎn)擊參數(shù)和測(cè)量，在右側(cè)是參數(shù)和測(cè)量的相關(guān)設(shè)置。在知識(shí)工程選項(xiàng)下有參數(shù)樹形視圖，下面是帶值、帶公式選項(xiàng)，點(diǎn)擊兩個(gè)空白小方塊，分別勾選帶值、帶公式選項(xiàng)。點(diǎn)擊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)左側(cè)的“+”符號(hào)，進(jìn)入下一級(jí)目錄樹，點(diǎn)擊零件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在右側(cè)是零件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)置。點(diǎn)擊顯示選項(xiàng)欄，在顯示選項(xiàng)下有“在結(jié)構(gòu)樹中顯示”選項(xiàng)，下面是外部參考、約束、參數(shù)和關(guān)系等選項(xiàng)，點(diǎn)擊空白小方塊，勾選“在結(jié)構(gòu)樹中顯示”下的所有選項(xiàng)。點(diǎn)擊選項(xiàng)面板右下角確認(rèn)，退出選項(xiàng)面板。以上是參數(shù)化設(shè)計(jì)的相關(guān)選項(xiàng)配置，設(shè)置完畢后下次可以直接使用，無須重復(fù)設(shè)置。

點(diǎn)擊公式命令，進(jìn)入公式面板。在新類型參數(shù)命令右側(cè)有兩個(gè)下拉菜單，默認(rèn)值一般為實(shí)數(shù)、單值，將第一個(gè)下拉菜單改為字符串，點(diǎn)擊新類型參數(shù)命令，建立單值的字符串類型參數(shù)，在上方白色窗口內(nèi)出現(xiàn)了新創(chuàng)建的參數(shù)，選中該參數(shù)，在“編輯當(dāng)前參數(shù)的名稱或值”下面的橫條窗口內(nèi)出現(xiàn)參數(shù)名稱，一般為“字符串.1”，將其重命名為PartNumber。在右側(cè)的另一個(gè)空白橫條窗口內(nèi)輸入“RZDBJG20x20x3”，這個(gè)編號(hào)表示熱軋等邊角鋼縮寫符號(hào)，前面的字母是熱軋等邊角鋼的拼音首字母，20x20x3表示熱軋等邊角鋼的牌號(hào)是20×20×3，即b=20 mm、d=3 mm。這個(gè)參數(shù)值也可以不填寫，等后續(xù)創(chuàng)建excel時(shí)再進(jìn)行賦值。

下面新增其他參數(shù)，將新類型參數(shù)命令右側(cè)的第一個(gè)下拉菜單改為長(zhǎng)度，點(diǎn)擊新類型參數(shù)命令，建立單值的長(zhǎng)度類型參數(shù)，在上方白色窗口內(nèi)出現(xiàn)了新創(chuàng)建的參數(shù)，選中該參數(shù)，在“編輯當(dāng)前參數(shù)的名稱或值”下面的橫條窗口內(nèi)出現(xiàn)參數(shù)名稱，一般為“長(zhǎng)度.1”，將其重命名為b。在右側(cè)的另一個(gè)空白橫條窗口內(nèi)輸入“20”，這表示零件寬度b為20，這個(gè)參數(shù)值也可以不是20，等后續(xù)創(chuàng)建excel時(shí)再進(jìn)行賦值。按上述方法再建立兩個(gè)長(zhǎng)度類型的參數(shù)，參數(shù)名稱分別為d、r，賦值為3、3.5。共建立了4個(gè)新類型參數(shù)，分別為PartNumber、b、d和r，其中b、d和r是長(zhǎng)度類型參數(shù)。

白色窗口內(nèi)除了新創(chuàng)建的參數(shù)外，還有其他已有的參數(shù)。找到參數(shù)“Part1＼零件編號(hào)”，選中后點(diǎn)擊添加公式命令，進(jìn)入公式編輯器，在空白橫條窗口內(nèi)增加參數(shù)“PartNumber”，點(diǎn)擊確定。此時(shí)“Part1＼零件編號(hào)”的名稱變?yōu)榱恕癛ZDBJG20x20x3”。

找到草圖中約束邊厚度的參數(shù)，即圖2中的尺寸63.8、60，即公式面板內(nèi)的“零件幾何體＼草圖.1＼偏移.31＼Offset”、“零件幾何體＼草圖.1＼長(zhǎng)度.25＼長(zhǎng)度”。由于草圖建立過程中尺寸可以是任意值、操作步驟也不相同，公式中的參數(shù)名稱、值也會(huì)不相同。將這兩個(gè)寬度參數(shù)分別添加公式“b”，此時(shí)參數(shù)值會(huì)變?yōu)?0，草圖中尺寸也會(huì)發(fā)生變化。

找到草圖中約束寬度的參數(shù)，即圖2中的尺寸10、10，將這兩個(gè)寬度參數(shù)分別添加公式“d”，此時(shí)參數(shù)值會(huì)變?yōu)?。找到草圖中約束圓角的參數(shù)，即圖2中的尺寸8.726，將這個(gè)參數(shù)添加公式“r”，此時(shí)參數(shù)值會(huì)變?yōu)?.5。找到草圖中約束型鋼邊端內(nèi)圓弧半徑的參數(shù)，即圖2中的尺寸4.257、5.771，將這兩個(gè)寬度參數(shù)分別添加公式“d/3”。點(diǎn)擊確定，草圖中所有尺寸已經(jīng)更新。左側(cè)樹形結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了有關(guān)參數(shù)、關(guān)系的集合。

點(diǎn)擊設(shè)計(jì)表，在面板中選擇使用當(dāng)前的參數(shù)值創(chuàng)建設(shè)計(jì)表，點(diǎn)擊確定，查找到PartNumber、b、d和r四個(gè)參數(shù)，選中依次點(diǎn)擊箭頭將面板左側(cè)這四個(gè)參數(shù)插入到右側(cè)，點(diǎn)擊確定，彈出另存為對(duì)話框，文件命名為rezhadengbianjiaogang，存儲(chǔ)位置設(shè)置為intel_a＼startup＼EquipmentAndSystems＼ Structure＼StructuralCatalogs＼AISC＼Models，也可以存儲(chǔ)到其他位置，點(diǎn)擊保存。設(shè)計(jì)表面板點(diǎn)擊確定。

打開剛創(chuàng)建的excel參數(shù)文件rezhadengbianjiaogang. xls，表格中有四列數(shù)據(jù)，題頭為PartNumber、b（mm）、d（mm）和r（mm），表格僅有一組數(shù)據(jù)，即CATIA文件已有的數(shù)據(jù)。按照熱軋等邊角鋼（GB/T 9787—1988）中各個(gè)規(guī)格型鋼的b、d和r數(shù)據(jù)，逐一錄入excel表格，在PartNumber列中輸入“=”RZDBJG”&B2&”x”&B2&”x”&C2”，其中B2、C2是引用右側(cè)單元格的數(shù)據(jù)，即型鋼的b、d數(shù)據(jù)，下拉復(fù)制單元格，形成完整數(shù)據(jù)表，參見表1。保存并關(guān)閉excel參數(shù)文件，CATIA文件的數(shù)據(jù)表與excel參數(shù)文件相關(guān)聯(lián)，會(huì)自動(dòng)更新，至此完成參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.3新增型材規(guī)格

在安裝文件內(nèi)找到材料庫(kù)位置：intel_a＼startup＼ EquipmentAndSystems＼Structure＼StructuralCatalogs＼ Materials，打開文件StructureMaterialSpecifications。文件中已經(jīng)有多種型材規(guī)格，點(diǎn)擊左側(cè)結(jié)構(gòu)樹，Specifications下有AISC系列。雙擊AISC，點(diǎn)擊增加章節(jié)命令，在AISC系列下增加章節(jié)，重命名為GB型鋼，勾選復(fù)制關(guān)鍵字，點(diǎn)擊確認(rèn)。雙擊GB型鋼，點(diǎn)擊增加章節(jié)命令，在GB型鋼下增加章節(jié)，重命名為“熱軋等邊角鋼Q235A”，勾選復(fù)制關(guān)鍵字，點(diǎn)擊確認(rèn)。雙擊“熱軋等邊角鋼Q235A”，點(diǎn)擊添加系列命令，彈出對(duì)話框，將名稱重命名為“Profile”，勾選復(fù)制關(guān)鍵字，點(diǎn)擊確認(rèn)。雙擊“Profile”，點(diǎn)擊添加生成的零件命令，彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊選擇文檔命令，根據(jù)CATIA文件的保存路徑，查找并選擇已建立的CATIA文件rezhadengbianjiaogang.CATPart，點(diǎn)擊確定，此時(shí)已經(jīng)導(dǎo)入CATIA參數(shù)。選中“Profile”，點(diǎn)擊右鍵，點(diǎn)擊Profile對(duì)象，右側(cè)擴(kuò)展出命令菜單，選擇解析命令。參考界面下有大量規(guī)格型材文件，這是從CATIA文件導(dǎo)入的截面參數(shù)，解析后各個(gè)文件的路徑發(fā)生了變化，解析生成的文件一般保存在C：＼用戶＼Administrator＼AppData＼Local＼ DassaultSystemes＼CATTemp。解析完成后保存關(guān)閉，至此已完成型材庫(kù)的建立。

以上是新增一種型材的操作步驟，如果需要新增多種型材，需按上述步驟重復(fù)進(jìn)行操作。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊的應(yīng)用

以某型飛機(jī)水平安定面托架為例展示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊典型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

進(jìn)入CATIA，點(diǎn)擊開始下拉菜單，進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)下一級(jí)擴(kuò)展菜單，點(diǎn)擊structuredesign，進(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊。進(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊后，點(diǎn)擊Grid（網(wǎng)格）命令，進(jìn)入定義網(wǎng)格界面。在Name右側(cè)輸入網(wǎng)格名稱，網(wǎng)格命令會(huì)生成單獨(dú)網(wǎng)格文件，名稱應(yīng)與零件代號(hào)不同，建議名稱命名為“型材結(jié)構(gòu)裝配圖代號(hào)-Grid”。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格線，在Spacing along X axis、Spacing along Y axis和Spacing along Z axis右側(cè)的空白窗口內(nèi)，分別填入網(wǎng)格沿X軸、Y軸和Z軸的網(wǎng)格大小、網(wǎng)格數(shù)量，點(diǎn)擊確認(rèn)，生成網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格后可以再次編輯網(wǎng)格大小，并在網(wǎng)格基礎(chǔ)進(jìn)行增加網(wǎng)格線，典型網(wǎng)格線如圖3所示。

點(diǎn)擊shape命令，進(jìn)入型材選型對(duì)話框，在Geometry界面下，type類型設(shè)置為Select Support，點(diǎn)擊Support右側(cè)空白窗口，選取網(wǎng)格上的直線段。點(diǎn)擊Material& Orientation，進(jìn)入界面后Material右側(cè)材料選擇之前建立的型材庫(kù)“GB型鋼”，Grade右側(cè)材料選擇熱軋等邊角鋼Q235A，Section右側(cè)材料選擇型鋼的規(guī)格，調(diào)整型鋼位置，點(diǎn)擊確定，此時(shí)在該直線段上生成了型鋼。按照此方法在網(wǎng)格線上繪制出骨架結(jié)構(gòu)，使用Merge命令合并相同型鋼，使用CutBack命令擬合型鋼搭接區(qū)域，使用Plate命令裝配平板。編輯完畢的型鋼結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然建立型材庫(kù)需要花費(fèi)時(shí)間，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊使用非常方便，極大地提高了設(shè)計(jì)效率，建模的時(shí)間不足原先1/10，而且更改十分方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.熱軋等邊角鋼 尺寸、外形、重量及允許偏差：GB/T 9787-1988[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989：1.