UG軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

郭小燕

摘要：UG軟件作為當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造加工一體化過程提供數(shù)字化造型和實(shí)踐驗(yàn)證常用的解決方案，可進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和三維造型，又可進(jìn)行編程和同步建模等應(yīng)用功能，在工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及機(jī)械制造加工行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。本文從UG軟件應(yīng)用特點(diǎn)著手，結(jié)合UG軟件各類應(yīng)用功能模塊和機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用方向，分析研究其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造加工的有利影響，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，縮短產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化產(chǎn)品性能，以期達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：UG軟件;機(jī)械設(shè)計(jì);參數(shù)化設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)仿真;三維造型

0 ?引言

現(xiàn)今，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造加工一體化領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)虛擬制造和仿真技術(shù)不斷自我革新和技術(shù)突破。CAD/CAE技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，到UG軟件或Cimatron軟件在三維建模造型和產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用推廣，其應(yīng)用目的是為解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造加工過程中的研發(fā)周期長、經(jīng)費(fèi)支出大等問題，又能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷問題在線修改和產(chǎn)品優(yōu)化等。將三維造型、參數(shù)化設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)中，使工業(yè)設(shè)計(jì)和制造行業(yè)得到突飛猛進(jìn)的變化進(jìn)步，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)有著積極影響和推動(dòng)發(fā)展。

1 ?UG軟件概述

UG軟件是Unigraphics NX軟件名稱簡稱，作為三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的引領(lǐng)者和應(yīng)用倡導(dǎo)者，擁有較大的用戶群體和各類成功的設(shè)計(jì)典型案例。其集成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等技術(shù)為應(yīng)用基礎(chǔ)，以參數(shù)設(shè)計(jì)、三維造型等設(shè)計(jì)方式簡捷高效設(shè)計(jì)出各類三維產(chǎn)品形體和虛擬產(chǎn)品制造，實(shí)現(xiàn)二維平面設(shè)計(jì)向三維立體設(shè)計(jì)升級(jí)的重要手段，其可視化程度高，能準(zhǔn)確清晰地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的意圖構(gòu)想，逼真模擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品，為設(shè)計(jì)容錯(cuò)糾錯(cuò)、產(chǎn)品優(yōu)化等帶來諸多便利，為提升機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 ?UG軟件功能模塊

UG軟件是由多個(gè)功能模塊組成的。大致可分為4個(gè)模塊即為：Gateway模塊、CAD模塊、CAM模塊、CAE模塊，以Gateway模塊為基礎(chǔ)，模塊間既有聯(lián)系又相互獨(dú)立，軟件應(yīng)用時(shí)各模塊可交叉、組合使用。

其中，Gateway模塊可進(jìn)行文件新建、打開、輸入/輸出不同格式設(shè)計(jì)文件、視圖定義、顯示控制、查詢等操作，是UG軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)，為其他模塊提供最基本的操作指令和數(shù)據(jù)庫支持。CAD模塊可實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模、特征建模、自由形狀建模、裝配建模和工程制圖功能。CAE模塊主要作用實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)過程靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析，能夠計(jì)算出機(jī)械設(shè)計(jì)樣品的使用周期和可靠性，提供強(qiáng)大的在線求解器和完整的材料數(shù)據(jù)庫。CAM模塊提供如切削仿真、切割、鈑金、機(jī)床仿真等加工方法的交互操作和輔助加工，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行修改、優(yōu)化調(diào)整。

3 ?UG軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方向

3.1 基于參數(shù)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用UG軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，和UG參數(shù)化草圖、UG/WAVE技術(shù)，以所設(shè)計(jì)產(chǎn)品對(duì)象的形狀、尺寸、特征等基本數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)各部件參數(shù)數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)和參數(shù)調(diào)整。其設(shè)計(jì)目的是對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行靈活修改，便于不斷改進(jìn)完善產(chǎn)品性能。實(shí)現(xiàn)方法多有電子表格法、系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束、特征和表達(dá)式驅(qū)動(dòng)圖形等，以達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，計(jì)算出產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)值，可有效降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，顯著提高設(shè)計(jì)效率。如在泵體設(shè)計(jì)、齒輪設(shè)計(jì)、螺栓設(shè)計(jì)等產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)應(yīng)用較為廣泛。如圖1所示，泵體設(shè)計(jì)實(shí)例。

因?yàn)楸皿w性能取決于排量，即為它每分鐘能排出空氣的體積，與活塞直徑、曲軸曲柄長度及曲軸轉(zhuǎn)速有關(guān)。其中關(guān)鍵參數(shù)為：

活塞直徑：piston_dia（變量）

曲軸曲柄長度：crankshaft_throw（常量）

曲軸轉(zhuǎn)速：crankshaft_rpm（常量）

排量：pump_rating（應(yīng)變量）

通過對(duì)關(guān)鍵參數(shù)間關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)

為了確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和運(yùn)行質(zhì)量，需要對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)分析，以來判斷運(yùn)行結(jié)果與設(shè)計(jì)初衷是否一致，校驗(yàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程是否發(fā)生部件干涉，以及通過運(yùn)動(dòng)仿真分析確定機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所需空間是否設(shè)計(jì)規(guī)范等。這些都需要利用UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能來驗(yàn)證，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度、位移、加速度、行程、力和力矩等參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，并可進(jìn)行調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)或修改設(shè)計(jì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)流程大致為：首先利用Modeling模塊對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模，再利用虛擬裝配模塊完成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的部件裝配構(gòu)造、裝配零件生成等，依托所設(shè)計(jì)產(chǎn)品使用運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)仿真分析方案，如連桿對(duì)象、移動(dòng)速度、慣性矩等連桿運(yùn)行仿真創(chuàng)建、運(yùn)動(dòng)度的運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建、無運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、恒定運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)函數(shù)、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建，最后按照各運(yùn)動(dòng)仿真分析方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行優(yōu)劣，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析和機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，其運(yùn)動(dòng)過程可生成靜態(tài)圖片、動(dòng)態(tài)圖片、動(dòng)畫和電影文件，以便設(shè)計(jì)人員后續(xù)進(jìn)行調(diào)整或修改機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.3 UG軟件三維造型應(yīng)用

UG軟件擁有強(qiáng)大的三維立體造型功能，將設(shè)計(jì)者產(chǎn)品構(gòu)思初步輪廓利用UG軟件三維造型模塊生成一個(gè)三維實(shí)體模型，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品外部造型設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即提供一個(gè)可視化界面，再在該界面上進(jìn)行逐步工程設(shè)計(jì)造型。一般三維造型是UG軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，再此基礎(chǔ)上對(duì)部件創(chuàng)建、裝配、整合等環(huán)節(jié)進(jìn)行在線和實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)合理性，并模擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品在運(yùn)行/熱力/極端條件下的使用壽命、穩(wěn)定可靠性。最后結(jié)合市場(chǎng)和用戶需求，仔細(xì)分析計(jì)算機(jī)上虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品從外觀造型到色彩配置、從功能組合到內(nèi)部結(jié)構(gòu)、從加工工藝到使用條件，逐項(xiàng)討論并用計(jì)算機(jī)分析優(yōu)缺點(diǎn)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4 ?結(jié)束語

UG軟件是將三維造型技術(shù)、參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新技術(shù)、新設(shè)計(jì)理論融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)制造環(huán)節(jié)中，并集成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等技術(shù)為應(yīng)用基礎(chǔ)，以參數(shù)設(shè)計(jì)、三維造型等設(shè)計(jì)方式簡捷高效設(shè)計(jì)出各類三維產(chǎn)品形體和虛擬產(chǎn)品制造，實(shí)現(xiàn)二維平面設(shè)計(jì)向三維立體設(shè)計(jì)升級(jí)的重要手段，其可視化程度高，能準(zhǔn)確清晰地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的意圖構(gòu)想，逼真模擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品，為設(shè)計(jì)容錯(cuò)糾錯(cuò)、產(chǎn)品優(yōu)化等帶來諸多便利，提升機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)過程的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，縮短設(shè)計(jì)周期與經(jīng)費(fèi)支出，優(yōu)化產(chǎn)品性能，以期達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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