UG软件在机械设计中的应用研究

郭小燕

摘要：UG软件作为当前产品设计和制造加工一体化过程提供数字化造型和实践验证常用的解决方案，可进行虚拟产品设计和三维造型，又可进行编程和同步建模等应用功能，在工业设计、产品设计、模具设计及机械制造加工行业应用较为广泛。本文从UG软件应用特点着手，结合UG软件各类应用功能模块和机械设计应用方向，分析研究其应用优势和对产品设计和制造加工的有利影响，提升产品设计和制造质量，缩短产品研发设计周期，优化产品性能，以期达到机械设计行业的社会经济效益。

关键词：UG软件;机械设计;参数化设计;运动仿真;三维造型

0  引言

现今，在产品设计和制造加工一体化领域中计算机虚拟制造和仿真技术不断自我革新和技术突破。CAD/CAE技术发展应用，到UG软件或Cimatron软件在三维建模造型和产品虚拟设计等方面的应用推广，其应用目的是为解决产品设计和制造加工过程中的研发周期长、经费支出大等问题，又能实现设计缺陷问题在线修改和产品优化等。将三维造型、参数化设计、虚拟现实等技术应用机械设计和工程设计中，使工业设计和制造行业得到突飞猛进的变化进步，对社会经济有着积极影响和推动发展。

1  UG软件概述

UG软件是Unigraphics NX软件名称简称，作为三维机械设计软件的引领者和应用倡导者，拥有较大的用户群体和各类成功的设计典型案例。其集成计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等技术为应用基础，以参数设计、三维造型等设计方式简捷高效设计出各类三维产品形体和虚拟产品制造，实现二维平面设计向三维立体设计升级的重要手段，其可视化程度高，能准确清晰地实现设计人员的意图构想，逼真模拟设计产品，为设计容错纠错、产品优化等带来诸多便利，为提升机械设计质量和缩短设计周期奠定技术基础。

2  UG软件功能模块

UG软件是由多个功能模块组成的。大致可分为4个模块即为：Gateway模块、CAD模块、CAM模块、CAE模块，以Gateway模块为基础，模块间既有联系又相互独立，软件应用时各模块可交叉、组合使用。

其中，Gateway模块可进行文件新建、打开、输入/输出不同格式设计文件、视图定义、显示控制、查询等操作，是UG软件应用的基础，为其他模块提供最基本的操作指令和数据库支持。CAD模块可实现实体建模、特征建模、自由形状建模、装配建模和工程制图功能。CAE模块主要作用实现对设计过程静态、动态结构分析，能够计算出机械设计样品的使用周期和可靠性，提供强大的在线求解器和完整的材料数据库。CAM模块提供如切削仿真、切割、钣金、机床仿真等加工方法的交互操作和辅助加工，可根据设计需求进行修改、优化调整。

3  UG软件在机械设计中的应用方向

3.1 基于参数化的优化设计

利用UG软件的参数化设计功能，和UG参数化草图、UG/WAVE技术，以所设计产品对象的形状、尺寸、特征等基本数据进行参数化建模，实现各部件参数数据间关联和参数调整。其设计目的是对设计产品进行灵活修改，便于不断改进完善产品性能。实现方法多有电子表格法、系统参数与尺寸约束、特征和表达式驱动图形等，以达到产品设计优化，计算出产品设计关键参数值，可有效降低产品设计时间和成本，显著提高设计效率。如在泵体设计、齿轮设计、螺栓设计等产品系列化设计应用较为广泛。如图1所示，泵体设计实例。

因为泵体性能取决于排量，即为它每分钟能排出空气的体积，与活塞直径、曲轴曲柄长度及曲轴转速有关。其中关键参数为：

活塞直径：piston_dia（变量）

曲轴曲柄长度：crankshaft_throw（常量）

曲轴转速：crankshaft_rpm（常量）

排量：pump_rating（应变量）

通过对关键参数间关联来实现优化设计。

3.2 UG软件的运动仿真设计

为了确保产品设计的准确性和运行质量，需要对所设计产品的机械结构进行运动仿真和运动分析，以来判断运行结果与设计初衷是否一致，校验机械结构运转过程是否发生部件干涉，以及通过运动仿真分析确定机械结构运动所需空间是否设计规范等。这些都需要利用UG软件的运动仿真功能来验证，对机械结构运动的速度、位移、加速度、行程、力和力矩等参数进行验算，并可进行调整机械结构参数或修改设计参数来实现。

设计流程大致为：首先利用Modeling模块对所设计产品进行三维建模，再利用虚拟装配模块完成设计产品的部件装配构造、装配零件生成等，依托所设计产品使用运动场景创建运动仿真分析方案，如连杆对象、移动速度、惯性矩等连杆运行仿真创建、运动度的运动副运动仿真创建、无运动驱动、恒定运动驱动、简谐运动驱动、运动函数、关节的运动驱动等运动驱动创建，最后按照各运动仿真分析方案进行运动仿真分析，得出机械结构运行优劣，实现机械结构的静力学分析和机械结构力学分析，其运动过程可生成静态图片、动态图片、动画和电影文件，以便设计人员后续进行调整或修改机械结构参数。

3.3 UG软件三维造型应用

UG软件拥有强大的三维立体造型功能，将设计者产品构思初步轮廓利用UG软件三维造型模块生成一个三维实体模型，可实现设计产品外部造型设计和内部结构设计，即提供一个可视化界面，再在该界面上进行逐步工程设计造型。一般三维造型是UG软件应用基础，再此基础上对部件创建、装配、整合等环节进行在线和实时设计计算，验算结构尺寸和设计参数合理性，并模拟设计产品在运行/热力/极端条件下的使用寿命、稳定可靠性。最后结合市场和用户需求，仔细分析计算机上虚拟现实产品从外观造型到色彩配置、从功能组合到内部结构、从加工工艺到使用条件，逐项讨论并用计算机分析优缺点，为优化设计提供依据。

4  结束语

UG软件是将三维造型技术、参数设计技术、虚拟现实技术等新技术、新设计理论融入产品设计研发制造环节中，并集成计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等技术为应用基础，以参数设计、三维造型等设计方式简捷高效设计出各类三维产品形体和虚拟产品制造，实现二维平面设计向三维立体设计升级的重要手段，其可视化程度高，能准确清晰地实现设计人员的意图构想，逼真模拟设计产品，为设计容错纠错、产品优化等带来诸多便利，提升机械设计质量和设计过程的科学性和准确性，缩短设计周期与经费支出，优化产品性能，以期达到机械设计行业的社会经济效益。

参考文献：

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