基于Txt與Excel中心數(shù)據(jù)庫(kù)的CAD/CAE集成方法研究

黃寶案，劉夫云

（1.百色學(xué)院，廣西 百色 531400；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在基于尺寸驅(qū)動(dòng)的變形設(shè)計(jì)做了大量工作[1-5]，已開(kāi)發(fā)的CAD商業(yè)軟件，技術(shù)相對(duì)成熟。然而簡(jiǎn)單的變形設(shè)計(jì)存在以下缺陷：

（1）缺乏系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。變形設(shè)計(jì)后產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求，這是對(duì)變型后模型重要評(píng)價(jià)。通常采用有限元法對(duì)模型進(jìn)行校核，但需要人工不斷干預(yù)，容易導(dǎo)致模型失真[5]。

（2）缺乏結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的變型設(shè)計(jì)缺乏結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為了保證安全性，往往通過(guò)加大安全系數(shù)，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)臃腫[6，7]。

（3）缺乏滿足工程條件的變形設(shè)計(jì)方法[8]。傳統(tǒng)的變形設(shè)計(jì)只對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單變型，缺乏產(chǎn)品在不同工況下是否滿足工程約束條件的判斷。工程上急需一種可靠的評(píng)價(jià)方法來(lái)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

當(dāng)前，變型設(shè)計(jì)研究更多趨于CAD/CAE集成。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式劃分，可分為直接傳遞法、標(biāo)準(zhǔn)化CAE模型庫(kù)傳遞法、中心數(shù)據(jù)庫(kù)傳遞法[9]。前兩種易于實(shí)現(xiàn)，但都存在模型失真，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。后者通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸，易實(shí)現(xiàn)CAD/CAE數(shù)據(jù)共享，與兩種方法相比，該方法具有解決數(shù)據(jù)傳輸失真問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE數(shù)據(jù)雙向傳輸。文獻(xiàn)[10]提出一種基于Excel的CAD/CAE集成方法，通過(guò)特定的集成方法，實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)-評(píng)估-重新設(shè)計(jì)”操作自動(dòng)化，為滿足多目標(biāo)工程約束條件的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 基于Txt與Excel的CAD/CAE集成關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)原理

以SolidWords和ANSYS作為研究平臺(tái)，由于C語(yǔ)言和APDL存在語(yǔ)言兼容性問(wèn)題，數(shù)據(jù)傳輸易失真。研究發(fā)現(xiàn)：Txt可操作性好，CAD和CAE系統(tǒng)能實(shí)時(shí)讀取與寫入數(shù)據(jù)；Excel有豐富的庫(kù)函數(shù)，通過(guò)Excel處理數(shù)據(jù)，可減少編輯框輸入量。以Txt作為命令流存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)文件，以Excel作為數(shù)據(jù)輸入及后處理文件，通過(guò)API將CAD與CAE建立通信連接。

圖1在CAD建立參數(shù)化模型，將幾何模型寫入數(shù)據(jù)庫(kù)文件，建立CAE參數(shù)化模型，啟動(dòng)CAE系統(tǒng)，讀取庫(kù)文件，對(duì)CAE模型進(jìn)行仿真，將分析結(jié)果導(dǎo)入庫(kù)文件，最后CAD讀取仿真結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)原理

1.2 CAD/CAE數(shù)據(jù)雙向傳遞

（1）CAD對(duì)Txt和Excel的操作。根據(jù)Excel提供的庫(kù)函數(shù)，如lpDisp=books.Open（）、lpDisp=sheet.GetRange（）、range.AttachDispatch（）等函數(shù)，運(yùn)用MFC工程，通過(guò)API接口將CAD與Excel建立通信連接，可實(shí)現(xiàn)CAD對(duì)Excel數(shù)據(jù)的讀寫操作。

（2）CAE對(duì)Txt的操作?；贏NSYS批處理功能，通過(guò)ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）編程自動(dòng)讀取Txt文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件CAE自動(dòng)分析。

1.3 CAE批處理

傳統(tǒng)的GUI操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，CAE批處理具備后臺(tái)運(yùn)算功能，避免了GUI顯示占用內(nèi)存?；贑++面向?qū)ο缶幊?，通過(guò)定義模型參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)ANSYS的核心計(jì)算功能，可采用以下接口：第一，采用WinExec（）函數(shù)，需指定ANSYS執(zhí)行文件的目錄、工作目錄、輸入及輸出文件的位置。如

WinExec（"軟件安裝位置-p ane3flds-dir命令流文件-j file14-s read-l en-us-b-i數(shù)據(jù)導(dǎo)出文件-o截圖導(dǎo)出文件夾"，SW_HIDE）

其中：-p表示指定license；ane3flds表示指定的license為ANSYS Multiphisics；-j表示該任務(wù)的名稱；-s表示模式為read；-l表示語(yǔ)言環(huán)境；-b表示ANSYS的batch批處理模式。

第二，采用CreateProcess（）函數(shù)，同樣需要指定ANSYS執(zhí)行文件的目錄、輸入及輸出文件的位置。圖2在執(zhí)行上述命令前，工作目錄中只含有pan_gu.txt命令流文件，執(zhí)行完畢后，生成結(jié)果文件，通過(guò)第三方軟件處理，避免了GUI操作的局限性。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行前后數(shù)據(jù)對(duì)比

2 基于Txt與Excel的CAD/CAE集成技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證

2.1 建立約束

為了滿足企業(yè)需求，以某430型離合器二級(jí)減振從動(dòng)盤為原型，開(kāi)發(fā)從動(dòng)盤數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從動(dòng)盤數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)，采用從動(dòng)盤模型，摩擦片外徑D=430 mm，內(nèi)徑d=240 mm。

（1）建立從動(dòng)片內(nèi)環(huán)約束關(guān)系。從動(dòng)片內(nèi)環(huán)外直徑受到摩擦片內(nèi)直徑約束，對(duì)外徑建立約束關(guān)系

式中，d是摩擦片內(nèi)直徑，R1是從動(dòng)片內(nèi)環(huán)外半徑，t1min是裝配間隙極限值。從動(dòng)片內(nèi)環(huán)內(nèi)半徑受旋轉(zhuǎn)半徑和主減振彈簧的外直徑約束，建立約束關(guān)系

式中，R2是從動(dòng)片內(nèi)環(huán)內(nèi)半徑，t2min是內(nèi)壁厚極限值，R0為旋轉(zhuǎn)半徑，D122為主減振彈簧直徑。

（2）建立花鍵盤約束關(guān)系?；ㄦI盤主要用來(lái)傳遞扭矩和限位，采用齒輪嚙合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了保證花鍵盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)壁厚建立約束關(guān)系

式中，R3花鍵盤外齒半徑，R2=R3；R4內(nèi)齒半徑，t3min花鍵盤壁厚極限值。

（3）建立盤轂約束關(guān)系。盤轂聯(lián)接變速箱輸入軸，用來(lái)傳遞扭矩及限位功能。盤轂花鍵受輸入軸約束，盤轂大徑受預(yù)減振限位半徑約束，為了保證限位齒強(qiáng)度，對(duì)壁厚建立約束關(guān)系

式中，R5是預(yù)減振限位半徑，R4=R5；De是矩形花鍵外直徑，t4min是限位齒極限厚度。預(yù)減振限位半徑根據(jù)預(yù)減振旋轉(zhuǎn)半徑選定，一般取R5/R01=0.55～0.64[9]。

（4）建立撥盤約束關(guān)系。撥盤用于安裝預(yù)減振彈簧。撥盤受預(yù)減振旋轉(zhuǎn)半徑、主減振旋轉(zhuǎn)半徑、主減振彈簧外徑等參數(shù)約束，為了防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉，對(duì)撥盤建立約束關(guān)系：

式中，R01為預(yù)減振旋轉(zhuǎn)半徑，δr1為預(yù)減振彈簧離心量，t5為預(yù)減振彈簧罩板厚，r6為撥盤外半徑，t6為撥盤板厚。

2.2 從動(dòng)盤數(shù)字化設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。根據(jù)扭轉(zhuǎn)減振特性曲線來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)客戶需求來(lái)確定驅(qū)動(dòng)參數(shù)。經(jīng)研究，驅(qū)動(dòng)參數(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)極限扭矩Temax、后備系數(shù)β、主減振角剛度K1、預(yù)減振角剛度K2、彈簧材料切變模量G、彈簧材料切應(yīng)力τ、阻尼矩Tμ、阻尼材料摩擦系數(shù)μ、波形彈簧材料彈性模量E、花鍵型號(hào)。開(kāi)發(fā)數(shù)字化系統(tǒng)，系統(tǒng)以.dll插件形式在SolidWorks運(yùn)行，圖3為系統(tǒng)GUI界面。

圖3 從動(dòng)盤數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

（2）數(shù)字化設(shè)計(jì)。對(duì)4種430型從動(dòng)盤進(jìn)行分析，圖4為扭轉(zhuǎn)減振特性曲線。根據(jù)要求，取Tμ=130 N·m；扭轉(zhuǎn)彈簧采用SWOSC-V-JIS G 3561；波形彈簧采用65Mn；阻尼片采用BQB 401冷連軋鋼板；表1為輸入?yún)?shù)，圖5為變形設(shè)計(jì)效果，計(jì)算數(shù)據(jù)通過(guò)Excel文件保存。

圖4 扭轉(zhuǎn)減振特性曲線

圖5 從動(dòng)盤數(shù)字化設(shè)計(jì)

表1 參數(shù)輸入

2.3 關(guān)鍵零部件CAD/CAE集成

從動(dòng)盤主要受力部件為盤榖、從動(dòng)盤、減振盤、減振彈簧等。以盤榖為例，建立CAE模型。在限位齒面施加周向載荷，在花鍵齒面施加面約束，通過(guò)APDL對(duì)模型參數(shù)化設(shè)置，結(jié)合SolidWorks API和ANSYS批處理功能，圖6為設(shè)計(jì)CAD/CAE集成系統(tǒng)界面圖。盤轂采用40CrGB/T 3077，調(diào)質(zhì)硬度25～32HRC。參考文獻(xiàn)[11]，對(duì)材料參數(shù)設(shè)置，表2為盤轂有限元分析參數(shù)。

表2 盤轂CAD/CAE參數(shù)輸入

圖6 盤轂CAD/CAE集成系統(tǒng)GUI界面

盤轂靜應(yīng)力分析如圖7所示。參數(shù)a節(jié)點(diǎn)最大等效變形0.016768 mm，最大等效應(yīng)力是419.147 MPa。參數(shù)b節(jié)點(diǎn)最大等效變形0.012775 mm，最大等效應(yīng)力是279.966 MPa。擠壓強(qiáng)度合格。

圖7 應(yīng)力分析

盤轂疲勞分析。試驗(yàn)采用水壓法，試驗(yàn)系數(shù)為1.44，每組循環(huán)5次，循環(huán)系數(shù)為1.4×106。圖8為疲勞分析圖，參數(shù)a提取到節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力值344.54 MPa，使用系數(shù)為0.03812＜ 1；參數(shù)b提取到節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力值245.45 MPa，使用系數(shù)為0.02674＜1，試驗(yàn)結(jié)果合格。疲勞試驗(yàn)主要受最高工作壓力和材料影響，由于材料參數(shù)從文獻(xiàn)[10]提取，可能存在較大誤差，分析結(jié)果不太準(zhǔn)確，后期客戶應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)法來(lái)獲取材料參數(shù)，建立材料數(shù)據(jù)庫(kù)，分析結(jié)果才具備參考價(jià)值。

圖8 疲勞分析

3 結(jié)語(yǔ)

（1）研究CAD與CAE的集成方式和數(shù)據(jù)傳遞手段，結(jié)合參數(shù)化的CAD技術(shù)和參數(shù)化的CAE技術(shù)，提出了一種基于Txt和Excel中心數(shù)據(jù)的CAD/CAE集成方法。

（2）基于SolidWorks API和ANSYS批處理功能，以某430型從動(dòng)盤為原型，開(kāi)發(fā)CAD/CAE數(shù)字化設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)，驗(yàn)證集成方法的可行性?？紤]到設(shè)計(jì)成本，在試用中未試制新的從動(dòng)盤。后期應(yīng)試制產(chǎn)品，并對(duì)從動(dòng)盤進(jìn)行檢測(cè)，借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)修改模型約束，力求系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

（3）ANSYS不是專業(yè)的CAD建模軟件，基于參數(shù)化CAE技術(shù)建立的模型，只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件的性能校核與優(yōu)化，無(wú)法對(duì)整個(gè)從動(dòng)盤進(jìn)行分析。ANSYS Workbench可以解決上述問(wèn)題，后期可對(duì)基于AWE的CAE二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究。