基于UG的道路交通减速带三维设计及仿真分析
2017-07-07武建国高航舵王奕博胡安玉
武建国+高航舵+王奕博+胡安玉
摘 要：随着计算机技术得飞速发展，CAD以及广泛应用与科研中，一般的CAD软件都具有广而博得通用性，利用UG等CAD軟件辅助进行产品的设计成为一种现代产品设计的新趋势。
本课题的主要研究内容包括以下两个部分：首先，采用功能强大的三维软件UG为开发平台，实现减速带三维参数化造型。其次，对压电陶瓷在减速带中具体的安装位置进行分析，可先通过定义减速带的材料特性参数，进行性能仿真，分析研究结果中的位移变形数据，得出最大的位移变形区，确定最有效的压电陶瓷片安装位置，为以后的实验提供具体、坚实的理论基础。
关键词：UG软件；压电陶瓷；减速带；仿真
1 CAD软件的简述
1.1 CAD技术发展状况概述
CAD技术是计算机科学与工程设计学科相结合形成的一门技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分，CAD技术包括二维工程绘图、三维几何模型设计、数控加工、有限元分析、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术（CAD/CAM）的集成技术等。现代CAD技术一方面向标准化、集成化、智能化、并行化、网络化的方向发展，另一方面由二维工程图形软件向三维实体图形软件转化。由于三维实体模型能够更直观地表达设计者意图，反映设计结果，三维模型设计已成为机械相关行业地主流方向。
随着信息化技术在我国地推广和发展，以三维实体造型为基础的国外先进CAD软件纷纷登陆中国市场，国内许多大学、科研院所也着力于各种CAD平台的二次开发以及自主知识产权的CAD软件开发，各种三维CAD软件不断出现。在我国市场推出的优秀的国外商品化软件主要有UG、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer等，国内自主版权的软件也逐渐成熟起来，如北航海尔的CAXA、清华大学研制开发的高华CAD和XTCAD、中科软件工程研制中心的CAD/CAM软件公司UEL合作，采用引进，消化、吸收、创新的方式，开发完成了具有中国自主知识产权的三维CAD/CAM软件SINOVATION V1.0，大大推进了我国CAD技术的发展。
1.2 UG软件的简介
UG（Unigraphics）是美国EDS公司推出的当今市场最先进的CAD/CAE/CAM高端软件平台之一，广泛应用于航空、航天、机械、汽车、造船、模具和电子等领域。UG自从1900年进入中国市场以来，在我国得到了非常广泛的应用，目前已成为我国主要使用的高端CAD/CAE/CAM软件之一。
UG是CAD/CAE/CAM一体化的软件系统，可应用于整个产品从概念设计到实际产品的开发全过程，包括产品的概念设计、建模、分析和加工。该软件具有实体建模模块、特征建模模块、曲线建模模块、工程制图模块、装配模块、分析模块、加工模块、知识工程模块和二次开发模块。不仅可以完成建模、装配、工程出图、数控加工等基本功能，还可以对建立的模型进行运动学、动力学仿真和有限元分析等操作
2 减速带的三维模型建立
UG拥有较强的建模功能，主要的建模方法有：UG/实体建模（UG/Golid Modeling）、UG特征建模（UG/Features Modeling）、UG自由曲面建模（UG/Freedom Modeling）、UG用户自定义特征（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建模中最为常用的建模模块。UG拥有强大的基于特征和约束的建模技术功能，并且操作简便，具有交互建立和编辑复杂实体模型的能力。通过使用这些特征建模功能，能够快速进行概念设计和结构细节设计。减速带的设计主要是拉伸特征，所以选择特征建模方法，可以快速有效的实现手机外壳的三维建模。
参数化建模的首要步骤是对模型零件进行形体分析，确定设计变量和建模方法，进行参数化三维实体建模和提取各个尺寸的参数，最后验证设计模型。根据产品的几何形状和零件的复杂程度，适当选择适用的参数化建模方法。常用的参数化建模方法：基于特征的参数化设计、基于草图的参数化设计和基于表达式的参数化设计。
2.1 参数化截面的建立
从减速带的整体结构分析可以发现，其模型的建立可以通过先建立模型的截面，然后利用拉伸特征实现减速带三维模型的建立，所以草图是建立模型的第一个步骤。草图是指各个曲线都具有对应约束关系的二维图形。草图约束主要包括几何约束和尺寸约束两种，其中几何约束用来确定二维图形的位置，而尺寸约束确定图形的尺寸，方便实现对象的尺寸驱动。当草图完全约束时，草图的自由度和约束是相等的。利用草图创建的三维实体如果需要改变尺寸参数时，通过改变草图的尺寸参数，保持原来的位置约束关系，实现参数化设计。
如图1所示，减速带截面的设计利用参数化建模的方法（宽300mm，高30mm），如果在草图成形以后发现系统的错误提示信息，可以直接对参数进行修改，避免了重新绘制草图的工作量，从而为设计节省了大量的时间和人力。
2.2 特征建模的应用
截面草图建立完后成，如图2通过一次拉伸（长500mm），完成减速带整体模型的建立，得到图3的结果。
通过拉伸，减速带的总体形状已基本确定，对其进行细节特征操作，以完善其模型。在减速带的底面四角处直径为30mm的螺钉孔截面，然后利用拉伸功能和布尔运算。UG的布尔运算功能提供了四种操作，包括合并、减去、相交和无操作，其中求差操作在螺钉孔的设计操作中提供了非常方便的路径。应用布尔运算，在草图上直接绘制出要去除的孔截面，设置好拉伸的方向和距离，以草图为基准创建拉伸功能再辅以布尔运算，能够快速地完成操作。如图4完成减速带模型地创建。
3 减速带模型的有限元分析
3.1 定义材料属性
进入UG的高级仿真模块，首先对减速带模型进行优化处理，并赋予模型一定的材料以及该材料的密度、弹性模量、泊松比等物理属性。其相关数据如下表所示。
3.2 网格划分
采用3D四面体网格（10节点），单元大小设置为8mm，对其进行三维网格划分如图5所示.
3.3 施加约束
模拟现实中减速带的使用方法，对减速带的四个螺钉孔施加全约束，对底面施加法向的位移约束。结果如图6所示。
3.4 施加载荷
分别向图4中的五个面施加压力（按家用小车的一般质量为1.8吨计算，一个轮胎瞬时施加在单个面上（500mmX60mm）的压力为153125pa）。
3.5 求解
完成有限元模型的建立后，采用UG的求解模块进行求解。最后利用UG的后处理模块查看零件的变形结果。一般是通过后处理视图观察零件的变形情况、最大变形量、最大应变、应力等。也可以通过后处理中的动画操作模拟零件的不同变形过程。其结果如下图所示，并且选择每个面的几何中心点为标定点，分别记录其节点号为A（53689）、B（47273）、C（43241）、D（36882）、E（50408），统计各点在五种工况下的总变形位移，分析可以得出：在五种工况的作用下，面3上的点C的总位移最大。
4 结论
应用UG软件进行的减速带模型设计以及有限元分析的全过程，找到了应用UG的建模模块进行减速带模型设计的方法与操作技巧。UG软件将材料的特性融入到模型的静态分析中，逼真准确的表现实际反应情况，得到压电陶瓷片材料在减速带中最有效的安装位置，为后续的实验提供可靠的理论依据，推动了实验的进一步发展。相信基于UG建模的设计以及有限元分析的方法在未来的科学技术发展上有很大的用武之地。
参考文献
[1]刘加亮，基于UG的涂胶机器人结构设计与仿真
[2]吴利霞，基于UG的齿轮参数化设计及运动仿真分析研究
武建国 高航舵 王奕博 胡安玉
摘 要：随着计算机技术得飞速发展，CAD以及广泛应用与科研中，一般的CAD软件都具有广而博得通用性，利用UG等CAD软件辅助进行产品的设计成为一种现代产品设计的新趋势。
本课题的主要研究内容包括以下两个部分：首先，采用功能强大的三维软件UG为开发平台，实现减速带三维参数化造型。其次，对压电陶瓷在减速带中具体的安装位置进行分析，可先通过定义减速带的材料特性参数，进行性能仿真，分析研究结果中的位移变形数据，得出最大的位移变形区，确定最有效的压电陶瓷片安装位置，为以后的实验提供具体、坚实的理论基础。
关键词：UG软件；压电陶瓷；减速带；仿真
1 CAD软件的简述
1.1 CAD技术发展状况概述
CAD技术是计算机科学与工程设计学科相结合形成的一门技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分，CAD技术包括二维工程绘图、三维几何模型设计、数控加工、有限元分析、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术（CAD/CAM）的集成技术等。现代CAD技术一方面向标准化、集成化、智能化、并行化、网络化的方向发展，另一方面由二维工程图形软件向三维实体图形软件转化。由于三维实体模型能够更直观地表达设计者意图，反映设计结果，三维模型设计已成为机械相关行业地主流方向。
随着信息化技术在我国地推广和发展，以三维实体造型为基础的国外先进CAD软件纷纷登陆中国市场，国内许多大学、科研院所也着力于各种CAD平台的二次开发以及自主知识产权的CAD软件开发，各种三维CAD软件不断出现。在我国市场推出的优秀的国外商品化软件主要有UG、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer等，国内自主版权的软件也逐渐成熟起来，如北航海尔的CAXA、清华大学研制开发的高华CAD和XTCAD、中科软件工程研制中心的CAD/CAM软件公司UEL合作，采用引进，消化、吸收、创新的方式，开发完成了具有中国自主知识产权的三维CAD/CAM软件SINOVATION V1.0，大大推进了我国CAD技术的发展。
1.2 UG軟件的简介
UG（Unigraphics）是美国EDS公司推出的当今市场最先进的CAD/CAE/CAM高端软件平台之一，广泛应用于航空、航天、机械、汽车、造船、模具和电子等领域。UG自从1900年进入中国市场以来，在我国得到了非常广泛的应用，目前已成为我国主要使用的高端CAD/CAE/CAM软件之一。
UG是CAD/CAE/CAM一体化的软件系统，可应用于整个产品从概念设计到实际产品的开发全过程，包括产品的概念设计、建模、分析和加工。该软件具有实体建模模块、特征建模模块、曲线建模模块、工程制图模块、装配模块、分析模块、加工模块、知识工程模块和二次开发模块。不仅可以完成建模、装配、工程出图、数控加工等基本功能，还可以对建立的模型进行运动学、动力学仿真和有限元分析等操作
2 减速带的三维模型建立
UG拥有较强的建模功能，主要的建模方法有：UG/实体建模（UG/Golid Modeling）、UG特征建模（UG/Features Modeling）、UG自由曲面建模（UG/Freedom Modeling）、UG用户自定义特征（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建模中最为常用的建模模块。UG拥有强大的基于特征和约束的建模技术功能，并且操作简便，具有交互建立和编辑复杂实体模型的能力。通过使用这些特征建模功能，能够快速进行概念设计和结构细节设计。减速带的设计主要是拉伸特征，所以选择特征建模方法，可以快速有效的实现手机外壳的三维建模。
参数化建模的首要步骤是对模型零件进行形体分析，确定设计变量和建模方法，进行参数化三维实体建模和提取各个尺寸的参数，最后验证设计模型。根据产品的几何形状和零件的复杂程度，适当选择适用的参数化建模方法。常用的参数化建模方法：基于特征的参数化设计、基于草图的参数化设计和基于表达式的参数化设计。
2.1 参数化截面的建立
从减速带的整体结构分析可以发现，其模型的建立可以通过先建立模型的截面，然后利用拉伸特征实现减速带三维模型的建立，所以草图是建立模型的第一个步骤。草图是指各个曲线都具有对应约束关系的二维图形。草图约束主要包括几何约束和尺寸约束两种，其中几何约束用来确定二维图形的位置，而尺寸约束确定图形的尺寸，方便实现对象的尺寸驱动。当草图完全约束时，草图的自由度和约束是相等的。利用草图创建的三维实体如果需要改变尺寸参数时，通过改变草图的尺寸参数，保持原来的位置约束关系，实现参数化设计。
如图1所示，减速带截面的设计利用参数化建模的方法（宽300mm，高30mm），如果在草图成形以后发现系统的错误提示信息，可以直接对参数进行修改，避免了重新绘制草图的工作量，从而为设计节省了大量的时间和人力。
2.2 特征建模的应用
截面草图建立完后成，如图2通过一次拉伸（长500mm），完成减速带整体模型的建立，得到图3的结果。
通过拉伸，减速带的总体形状已基本确定，对其进行细节特征操作，以完善其模型。在减速带的底面四角处直径为30mm的螺钉孔截面，然后利用拉伸功能和布尔运算。UG的布尔运算功能提供了四种操作，包括合并、减去、相交和无操作，其中求差操作在螺钉孔的设计操作中提供了非常方便的路径。应用布尔运算，在草图上直接绘制出要去除的孔截面，设置好拉伸的方向和距离，以草图为基准创建拉伸功能再辅以布尔运算，能够快速地完成操作。如图4完成减速带模型地创建。
3 减速带模型的有限元分析
3.1 定义材料属性
进入UG的高级仿真模块，首先对减速带模型进行优化处理，并赋予模型一定的材料以及该材料的密度、弹性模量、泊松比等物理属性。其相关数据如下表所示。
3.2 网格划分
采用3D四面体网格（10节点），单元大小设置为8mm，对其进行三维网格划分如图5所示.
3.3 施加约束
模拟现实中减速带的使用方法，对减速带的四个螺钉孔施加全约束，对底面施加法向的位移约束。结果如图6所示。
3.4 施加载荷
分别向图4中的五个面施加压力（按家用小车的一般质量为1.8吨计算，一个轮胎瞬时施加在单个面上（500mmX60mm）的压力为153125pa）。
3.5 求解
完成有限元模型的建立后，采用UG的求解模块进行求解。最后利用UG的后处理模块查看零件的变形结果。一般是通过后处理视图观察零件的变形情况、最大变形量、最大应变、应力等。也可以通过后处理中的动画操作模拟零件的不同变形过程。其结果如下图所示，并且选择每个面的几何中心点为标定点，分别记录其节点号为A（53689）、B（47273）、C（43241）、D（36882）、E（50408），统计各点在五种工况下的总变形位移，分析可以得出：在五种工况的作用下，面3上的点C的总位移最大。
4 结论
应用UG软件进行的减速带模型设计以及有限元分析的全过程，找到了应用UG的建模模块进行减速带模型设计的方法与操作技巧。UG软件将材料的特性融入到模型的静态分析中，逼真准确的表现实际反应情况，得到压电陶瓷片材料在减速带中最有效的安装位置，为后续的实验提供可靠的理论依据，推动了实验的进一步发展。相信基于UG建模的设计以及有限元分析的方法在未来的科学技术发展上有很大的用武之地。
参考文献
[1]刘加亮，基于UG的涂胶机器人结构设计与仿真
[2]吴利霞，基于UG的齿轮参数化设计及运动仿真分析研究
