UG的参数化建模方法

UG的参数化建模方法（精选7篇）

UG的参数化建模方法 第1篇

关键词：建模,设计,参数化,UG

1 参数化建模概念

参数化建模技术是UG软件的精华, 是CAD技术的发展方向之一。在整个产品开发过程中, Unigraphics提供给设计人员强大的设计功能。但怎样才能使产品之间在设计过程中产生关联, 以实现产品的各零部件间的协同变化、快速修改, 提高产品设计的效率, 减少设计人员的工作量, 这些都可以通过参数设计来实现。

参数是设计过程中的核心。参数化设计也可称为尺寸驱动, 是指参数化模型的所有尺寸, 部分或全部使用相应的表达式或其他方式指定, 而不需要给出指定具体数值的方法。参数化设计是可以修改若干个参数, 由UG NX自动完成表达式中或与之相关联的其他参数的改变, 从而方便的修改了一条曲线、一个轮廓, 甚至生成新的同类型模型。其本质是在保持原有图形的拓扑关系不变的基础上, 通过修改图形的尺寸 (即几何信息) , 而实现产品的系列化设计。

2 参数化建模分类

对产品进行设计建模的基础是对产品的了解程度。只有在了解了产品的结构特性及产品的设计意图为基础上, 才能更好的对产品设计和建模。设计时要根据零件产品的结构特性, 设计出零件各个部分的拓扑关系, 最终把设计者的设计意图通过UG的参数化工具反映到零件产品的设计建模中。设计过程是一项很艰巨的任务, 从提出设计方案到最终完成要经历漫长的积累, 这期间还要不断的修改。因此, 从这个意义上讲, 建模的过程就是不断修改的过程。利用UG进行参数化设计的优势就是能够方便的对产品模型进行修改, 减少设计人员的劳动量, 提高产品设计效率。

2.1 使用表达式进行参数化建模

表达式是UG中进行参数化设计的一个非常重要的手段。表达式的特点是把各参数之间的关系通过指定各参数的函数关系来表达。可以把参数定义为具体数字、三角函数、数学计算公式, 或者把几个参数用数学运算符连接使其产生关联。如想对零件进行修改, 只要改变表达式中一个或几个参数就可以实现。将这种易于修改的特性应用到汽车、航天等领域, 可实现系列化零件设计。

在UG NX表达式操作中, 会弹出“编辑表达式”对话框。在此对话框中, 可以对有特殊意义的表达式重命名, 便于和其他表达式区别, 同时利于查找。对表达式也可以加注解, 用来描述该表达式的含义。例如, 齿轮的分度圆直径可以表达为齿轮齿数的函数。当齿轮的齿数发生变化时, 只需修改齿数参数, 则齿轮的分度圆直径也自动随之改变。

在整个建模过程中, 如有某个表达式引用很频繁, 为了便于记忆与输入, 可给它输入一个简单易记的名称 (如半径可用R表示) 。在设计完成后, 再将其名称改为一个更具易于识别的名称即可。

2.2 利用电子表格进行参数化建模

在表达式操作功能中, UG NX提供了通用的电子表格、“用户入口” (Gateway) 电子表格、编辑表达式的电子表格和建模应用电子表格, 共四种电子表格。每一种电子表格与部件的关系都略有差异, 与其功能都略有不同, 各具特点, 需灵活运用。

电子表格能作为.prt文件保存。在电子表格中可以对表达式进行编辑, 也可以创建函数公式和注解等信息。为了更好的使用这些强大的参数化工具进行建模设计, 在建模之初就应提前理清思路, 以减少反复修改的工作量。

电子表格的创建步骤, 首先是参数化模型的创建, 然后是电子表格的创建。参数化模型创建后, 模型中的尺寸和位置含有若干参数。创建电子表格后, 需把这些参数一一摘出, 输入到电子表格中, 再对参数分别定义, 使参数与模型尺寸和位置分别对应。通过使用电子表格, 使得模型尺寸与表格中的参数建立了联系。此时, 若想对模型结构进行调整, 可以直接通过修改电子表格中的若干参数来轻松实现。此时的参数化模型也可通过改变参数成为多个同结构不同尺寸和位置的新的模型零件。因而可大大减少重新建立模型、修改模型所花费的时间和精力, 提高了工作效率。

2.3 基于特征进行参数化建模

UG NX的建模包含几何建模和特征建模两种方式。其提供的设计特征多达十数种。特征可拥有如下状态:被抑制 (suppressed) 、过期的 (out-of-date) 、父特征过时 (parent is out of date) 和不激活 (inactive) 。

UG NX的参数化建模的最核心技术就是基于特征的参数化建模。现在的产品模型不仅要包含各要素的尺寸、各结构的位置等信息, 还要有产品的精度、公差、注释等信息。可以说UG NX是第三代CAD技术的典型代表。其与前一代产品比较, 更符合当代技术飞速发展, 零件产品要求更高的趋势。

3 数化建模应用

参数化建模以其自身快速、高效、简单易用的特点得到了广泛的应用, 在汽车、航天、机械零件、模具加工、医疗器械等行业都使用较多。除了上述行业可以应用在单一零件设计以外, 利用参数化设计模型还可以进行零件的系列化产品建模。系列化产品建模其中最重要的工作就是对需要系列化建模的零件产品进行分类, 确定零件样板。此样板要求必须具备此系列零件的所有特征。在确定了零件样板的基础上, 接下来, 需选取一组合适的参数来定义模型。在众多的模型尺寸中究竟选择哪个尺寸做参数是个值得深究的问题。此参数选择不正确, 直接会影响到参数化模型的生成速度和优化程度。在这些前期工作完成的情况下, 设计人员可以对关键参数进行修改, 改变模型的尺寸和不同部件间的位置数值, 以得到系列化零件。

综上所述, UG参数化建模主要是维持模型的拓扑关系基本不变, 通过尺寸驱动模型, 即改变模型的尺寸, 或改变表达式中的参数值来实现模型的重建, 适合结构类似或同系列的产品设计。UG提供的参数化设计技术, 是较为高级的建模手段, 设计人员不需要投入大量精力掌握其建模方法, 易于理解和操作, 也为产品设计的各环节提供必要的信息支持。而且, 利用参数化设计可以极大的提高设计效率, 被越来越广泛的应用。

参考文献

[1]UG NX6.0零件与装配设计[M].清华大学出版社.

[2]关意鹏, 关来德.基于Excel参数表的三维零件库的设计.

UG的参数化建模方法 第2篇

关键词：渐开线,圆柱齿轮,参数化,建模,UG

0引言

齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构, 关于渐开线圆柱齿轮的精确建模有不少文献涉及, 但总结起来有3类缺陷:①大多采用了软件中的草图功能, 使建模效率降低甚至无法实现自动化与成组化建模;②根据部分文献所提供的方法建立的模型只能更新生成某一类渐开线圆柱齿轮, 成组化范围不大;③部分文献将齿廓的过渡段与齿根圆弧段曲线设计得过于复杂, 主要是考虑到齿轮展成法加工时齿廓曲线的形成原理, 这样的处理虽然接近实际齿廓, 并在随后的仿真分析中避免了齿根部分的干涉, 但对仿真分析影响甚微, 却使建模效率大大降低。鉴于此, 本文在UG NX 5.0中利用其Expression功能独立于草图之外建立了齿廓曲线各段的参数化方程以及渐开线变位圆柱斜齿轮的全参数化模型, 通过改变模型Expression列表中的齿轮基本参数值, 便可自动更新生成所需的各类渐开线圆柱齿轮。

1齿轮端面相关曲线参数化方程的建立

齿轮端面相关曲线参数化方程的建立是通过UG NX5.0/Expression功能实现的, 主要分为以下几步:

(1) 在表达式中建立齿轮的基本参数并赋初值。其基本参数方程为:

齿根线方程:

其中:Rb为端面基圆半径;α为端面基圆齿厚对应圆心角;φ为端面任意圆展角;Rk为端面任意圆半径;Ra为端面齿顶圆半径;γ为端面齿顶圆展角;θ为端面齿顶圆齿厚对应圆心角;Rf为端面齿根圆半径;B为齿宽;t为系统变量, 0t1。

(2) 由基本参数建立计算齿轮结构尺寸的其他参数的表达式, 其初值由程序自动计算 (此处略) 。

(3) 建立齿轮端面相关曲线的参数方程, 这须事先在表达式中建立一个系统变量t, 且0t1。另外, 还须建立齿廓截面“扫掠”成齿体所需用到的“导引线”的参数方程以及“扫掠”时控制齿廓截面角度变化规律的方程:

undefined。 (8)

其中:β为螺旋角;R为端面分度圆半径。

各相关曲线见图1。

2齿轮实体模型的建立

(1) 通过使用UG NX 5.0/Law curve功能生成齿轮端面相关曲线, 生成方式指定为“根据方程”, 依次将各端面曲线生成。

(2) 将齿根圆沿+zc方向拉升, 高度由参数“B”驱动, 生成齿根圆柱;将齿廓曲线1、2、3、4和5进行“扫掠”, “导引线”选择为线7, 齿廓截面的方位用“角度规律”控制, 并用表达式“JDt”驱动, 生成齿体扫掠特征;将生成的齿体扫掠特征在原位引用一个副本, 并将齿根圆柱与齿体扫掠特征及其副本合并, 合并后自动生成一扫掠齿体实例特征, 将其进行“实例引用”并指定为“圆形阵列”, 阵列个数由齿数“z”驱动, 阵列角度由“360/z”驱动;具体设置与操作见图2 (a) ～图2 (d) 。

(3) 依次建立中心孔、孔口倒角、键槽、齿根圆角等特征, 各特征的尺寸仍用相关表达式驱动。最后得到齿轮的实体模型。

3模型的更新

通过修改模型表达式中的基本参数值对模型进行更新, 可自动生成所需的各种渐开线圆柱齿轮。特别是在接下来的齿根应力分析时可对齿根圆角半径进行优化, 以使非工作部分的齿廓过渡曲线与齿根圆弧曲线更接近于实际齿廓。显然, 本文建立的模型的过渡曲线为直线, 它同时与齿廓渐开线和齿根圆弧在端点处相切, 保证了整个齿廓曲线的相切连续性, 即不论齿轮是何种方法加工, 模型都精确适用;值得注意的是当z≥42时, 齿廓过渡曲线并非直线而是渐开线, 这一点模型是可以自动更新的。图3是通过修改表达式中的基本参数值, 自动更新生成的各类渐开线圆柱齿轮模型, 其具体参数见表2。

4结语

本文对渐开线圆柱齿轮全参数化精确建模方法进行了研究, 为快速建立渐开线圆柱齿轮模型提供了一种新思路, 实现了齿轮的精确化、全参数化、自动化和成组化建模, 避免了大量繁琐无效的工作, 从而为随后的CAE分析与CAM仿真打下了坚实的基础。不过, 如何继续应用本文的建模方法将各种渐开线齿轮的建模统一到渐开线圆锥变位斜齿轮的建模中, 还有待于进一步探讨。

参考文献

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[2]郑文纬, 吴克坚.机械原理[M].北京:高等教育出版社, 1997.

[3]沈智慧, 刘扬, 林益平.利用UG软件实现齿轮的精确建模[J].包装工程, 2001 (6) :44-45.

[4]徐平, 高奇, 蒲志新.Pro/E Wildfire2.0中标准渐开线直齿圆柱齿轮参数化设计[J].现代制造工程, 2006 (4) :55-56.

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[6]从龙兴, 焦永和, 房凌晖.基于Pro/Engineer的渐开线完整齿廓直齿圆柱齿轮建模[J].现代机械, 2006 (1) :5-6.

[7]孙伏.基于Pro/E Wildfire的圆柱齿轮三维参数化设计[J].现代机械, 2006 (4) :48-49.

[8]祝雁冰.基于Pro/E的圆柱齿轮参数化设计[J].南通航运职业技术学院学报, 2007 (1) :46-48.

UG的参数化建模方法 第3篇

椭圆齿轮是最常见的节曲线封闭的非圆齿轮, 椭圆齿轮传动可以单向连续地转动, 获得周期性的变速比运动。齿轮副的结构紧凑、刚性好、传动平稳, 容易实现动平衡, 其广泛应用于纺织机械、造纸机械、卷烟机、往复式输送机等。

目前的机械三维实体造型软件有很多, 比较常用的有SolidEdge、UG、Pro/Engineer、SolidWorks、CATIA等, 有关直齿圆齿轮的三维造型的研究已有很多, 利用上述一些软件即可创建, 而对于椭圆齿轮, 还没有直接提供椭圆齿轮复杂轮廓线的实体造型方法。由于椭圆齿轮等非圆齿轮的节曲线具有非圆性和不规则性, 使得产品在设计和加工方法上就显得较为困难, 尤其对齿廓曲面的创建, 往往需要根据齿廓方程进行计算、编程和二次开发, 在一定程度上增加了设计难度和时间。因此本文在研究计算椭圆齿轮节曲线参数的基础上, 将UG的三维参数化造型功能与表达式工具相结合, 利用矩阵变换方法, 提出椭圆齿轮的设计与造型方法。

1椭圆齿轮的设计

1.1 椭圆齿轮节曲线周长的计算

如图1所示, 将极坐标的原点取在椭圆的左焦点o, 长轴方向作为极轴, 以椭圆的几何中心o′为坐标原点作直角坐标系 (o′xy) , x轴在椭圆长轴方向, y轴在短轴方向。则椭圆节曲线上点M (x, y) 的参数方程为:

undefined

。 (1)

undefined。 (2)

椭圆节曲线的周长计算式为:

undefined。 (3)

式中:a椭圆长半轴;

b 椭圆短半轴;

e 椭圆偏心率, undefined。

运用龙格积分法或数值积分法可将积分J求出。椭圆齿轮的节曲线是封闭的, 根据封闭节曲线上轮齿均匀分布的特点, 则有椭圆周长L=πmz (其中, m为模数, z为齿数) 。结合式 (2) , 按一定的偏心率e, 可求出符合轮齿均匀分布要求的椭圆节曲线的长半轴a, 短半轴undefined, 从而得到椭圆节曲线的方程。

1.2 确定轮齿在节曲线上的位置

圆齿轮的轮齿在分度圆上的位置是可以自由定的, 而椭圆齿轮在节曲线上的位置则不能随意定。由于主、从动轮的节曲线的切点位置是一一对应的, 轮齿在节曲线上是均匀分布且节曲线上齿厚与齿槽宽相等, 所以, 如果把节曲线按4z等分, 则这些等分点即为各轮齿的齿廓曲线与节曲线的交点。

进入UG建模环境, 利用UG的表达式, 输入椭圆齿轮的驱动参数, 见表1。利用曲线工具中的“椭圆”命令, 输入长半轴a、短半轴b, 即可得出椭圆曲线的形状。然后利用“点构造器”对椭圆进行4z等分, 即在“点构造器”中设置偏置选项为“沿曲线”, 选择椭圆节曲线, 设置4z等分的弧长为“L/ (4z) ”, 则无需通过计算弧长便可在节曲线得到4z等分点。

1.3 确定齿顶曲线与齿根曲线

椭圆齿轮的齿顶高和齿根高应在节曲线的法线方向计量, 所以, 齿轮的齿顶曲线和齿根曲线理论上是其节曲线的法向等距线, 它们与节曲线之间的法向距离分别是齿顶高和齿根高。利用UG绘制齿顶曲线与齿根曲线时, 采用UG曲线工具中的“偏置曲线”命令对节曲线进行等距偏置, 输入齿顶高ha和齿根高hf的值, 便可得到齿顶曲线和齿根曲线。

1.4 齿廓曲线设计及其绘制

严格来说, 椭圆齿轮的齿形应按其齿廓曲线的解析方程来确定。用直线和圆弧来拟合其上的点, 只要计算出的点多, 则用这种方法得到的齿廓就够精确, 不足之处就是方程式复杂, 计算量大、费时繁琐。另一种方法是折算齿形, 把各齿折算成其当量圆齿轮的齿形, 此法只要按每个轮齿分别进行折算, 得到的齿形也能达到一定的精确度, 该法无需大量的计算, 简便快捷、切实可行。选用标准的渐开线齿廓作为椭圆齿轮的齿廓, 它不仅能满足齿轮副运动时的共轭要求, 而且渐开线齿廓互换性好, 便于使用标准刀具加工。绘制椭圆齿轮的齿廓, 需要知道各轮齿处的曲率半径。由于椭圆齿轮的节曲线不是圆形的, 因此, 其上各点的曲率半径也不相同。

1.4.1 确定轮齿的曲率半径和曲率中心

椭圆齿轮节曲线上任一点M (x, y) 的曲率中心o1的坐标为:

undefined

。 (4)

由式 (1) 可求得:

undefined

将x、y、y′、y″代入式 (4) , 得曲率中心o1的坐标为:

undefined

。 (5)

M点的曲率半径为:

undefined。 (6)

1.4.2 确定齿廓曲线

以M点的曲率中心o1为中心, 以M点的曲率半径为分度圆半径的当量圆齿轮的齿形方程可引入渐开线直齿圆柱齿轮的有关公式。当量齿轮基圆半径rb=ρcosα, 标准压力角α=20o。当量圆齿轮齿廓方程为:

undefined

。

其中:u=arctanα。

1.4.3 齿廓曲线的绘制

利用UG“分析”菜单的“角度”获得各轮齿中心所对应的中心角θ, 代入式 (2) 求出Φ, 代入式 (6) 可得椭圆曲线上轮齿中心的曲率半径ρ, 从而求出当量圆齿轮的基圆半径。

利用UG的表达式, 输入当量圆齿轮的驱动参数和计算参数, 见表2。

利用UG的“规律曲线”绘制当量圆齿轮渐开线即椭圆齿廓曲线, 再把得到的齿廓曲线以各轮齿处的曲率中心为基点旋转, 使其通过轮齿两侧齿廓与节曲线的交点 (4z等分点中的一部分) , 把齿顶曲线以外多余的渐开线条“剪裁”掉, 便得到轮齿中心M1, M2, M3等处的渐开线齿廓, 结果如图2所示。

1.5 确定过渡曲线

图2得到的齿形, 只是轮齿的渐开线部分, 还不是一个完整的轮齿。对于齿根部分需进行过渡处理, 用绘制“基本曲线”命令中的“曲线倒圆”, 过齿廓曲线的下端点做其切线与齿根曲线相交。为避免根切及降低齿根处的弯曲应力, 过渡曲线采用圆弧“过渡”, 过渡半径ρ′=3 mm, 便得到了一个完整的齿形轮廓。其他齿形的确定与此类似。最后, 把齿顶和齿根曲线中多余的线条剪去, 便完成了椭圆齿轮轮廓的绘制。图3是z=21, m=3, e=0.65的椭圆齿轮轮廓图。

2创建三维特征造型

利用UG成形特征命令中的“拉伸”, 在弹出的对话框中输入欲拉伸的厚度值, 然后拾取轮廓曲线, 确定之后即拉伸成三维特征图。图4是齿数z=21, 模数m=3, 偏心率e=0.65的椭圆齿轮的三维造型图。

3结束语

利用UG三维参数化造型功能与表达式工具相结合的方法, 减少了编程工作量, 保证了计算精度, 所建立的方程只需要改变其中的部分参数就可以生成新的曲线, 重复利用率高, 有效地提高了设计效率。采用精确的特征实体造型技术, 为非圆齿轮特征造型的创建提供了一个方便、快捷的方法和设计环境, 为椭圆齿轮的数控加工与制造提供了一种快捷的方法, 同时也为椭圆齿轮进行产品检测、装配设计、运动仿真和有限元分析奠定了基础。

参考文献

[1]吴序堂.非圆齿轮及非运速比传动[M].北京:机械工业出版社, 1997.

[2]齿轮手册编委会.齿轮手册 (上册) [M].第2版.北京:机械工业出版社, 2001.

UG的参数化建模方法 第4篇

在车刀的加工过程中, 前刀面的形状直接影响到刀具的排屑、容屑和断屑性能及刀具的几何参数、强度以及刚度等, 所以设计良好的前刀面形状显得尤为重要。对于不同形状前刀面刀具强度的研究, 传统的方法是运用力学、材料力学及弹性力学的理论, 对刀具的强度做出计算, 但传统方法不能对刀尖弯曲应力场的分布作出分析。同传统的计算方法相比, 有限元分析法能处理复杂的边界条件和载荷工况。本文利用有限元分析软件对车刀进行应力应变分析, 全面地反映车刀的应力场、刀尖的应力集中及变形。了解刀具内部的应力应变状态, 不仅有利于在加工过程中合理选择刀具参数, 而且可为进一步改善刀具内部受力状态、提高刀具使用寿命提供重要理论依据。

1 UG参数化建模

1.1 余弦曲面前刀面车刀的参数确立

在UG软件中, 一部分二次曲线如椭圆、双曲线、抛物线等可直接用曲线功能建立, 但还有一些如正余弦曲线、渐开线齿廓曲线、蜗杆螺旋线、摆线齿廓曲面以及阿基米德螺旋线等不能直接建立平面, 必须通过规律曲线和表达式功能 (Law Curve-By Equation) 才能构建这些参数化曲线, 从而建立相应的模型。

1.2 截面曲线模板的建立

车刀的余弦柱面型前刀面是一个有规律的余弦曲线拉伸而形成的, 所以车刀前刀面在UG参数化建模中, 如何生成余弦曲线最重要。首先根据余弦曲线方程 (参数方程) 建立相应的表达式, 余弦曲线参数方程是:x=0, y=t, z=cost;其中t为变量要从0到360, 但UG里的t永远只从0递增到1, 所以UG中的余弦曲线方程xt=0, yt=t, zt=cos (360*t) (UG中默认y, z变量为yt, zt) 。为了得到合理的槽深和前角, 需对余弦曲线进行适当的伸缩平移变换, 得到的曲线方程表达式:zt=0.6*cos (354.980 852*t+5.019 148) -0.597 699 309 (如图1) , 最后使用规律曲线功能建立余弦曲线模型 (如图2) 。

1.3 余弦柱面形前刀面空间曲面的生成

在建模过程中, 对于那些形状比较复杂的部分 (如前刀面) 要综合运用各种特征建模方法, 例如拉伸、拔模、旋转、平移、截面曲线参数化设计等。以创建正切削平面与副切削平面为90°的余弦柱面形前刀面的外圆车刀为例, 创建过程 (如图3) 。在建模过程要重点突破的几个难点:1) 为了把余弦曲线准确定位在前刀面上, 建立以刀尖为原点的工作坐标系O-XcYcZc, 通过旋转工作坐标系, 使车刀副切削平面与YcOZc平面重合;2) 通过对曲线进行适当的平移变换, 使曲线上的某点 (该点处的切平面与水平面夹角即为前角) 与刀尖重合, 并在YcOZc平面内绘制一个周期的余弦规律曲线, 把余弦曲线绕Yc轴旋转一个刃倾角的角度, 最后拉伸成余弦柱面形前刀面 (如图4) 。

2余弦柱面形前刀面车刀及平面形车刀有限元分析

ANSYS求解中的3个步骤:读入或创建几何模型 (前处理) , 施加约束及载荷并求解 (求解) , 查看结果 (后处理) 。

2.1 试验参数的选择与切削力的计算

余弦柱面形车刀与平面形车刀选取的试验参数相同, 切削试验参数:主轴转速vc=800 m/min, 进给量f=0.5 mm/r, 背吃刀量ap=3 mm。查阅参考文献[5]选取刀具参数:刀柄材料为45钢;刀柄几何尺寸:BH=25 mm40 mm, L=200mm。刀片材料为涂层硬质合金YT15;查阅参考文献[6]刀具材料的屈服极限σs=355 MPa;强度极限σb=600 MPa;弹性模量E=206 GPa;泊松比μ=0.27。车刀主要角度:前角γ0=5°, 后角α0=5°, 主偏角Kr=45°, 刃倾角λs=5°。

在切削过程中, 作用在刀具上的切削合力Fr, 可分解为相互垂直的三个分力:主切削力切Fc, 径向力Fp和进给力Ff。查文献[3]得切削力的经验计算公式为:

式中:ap为背吃刀量, mm;f为进给量, mm/r;vc为切削速度, m/min;CFc、CFf、CFp为工件材料和切削条件对三个分力的影响系数;xFc、yFc、nFc、xFf、yFf、nFf、xFp、yFp、nFp为表示各因素对切削力的影响程度指数;KFc、KFf、KFp为不同加工条件对各切削力的影响修正系数。

把查得的系数和指数带入切削分力计算公式, 得各切削分力为:

2.2 余弦柱面形车刀几何模型的导入及有限元网格的划分

利用UG建立余弦柱面形及平面形车刀的三维实体模型, 在ANSYS文件菜单中导入几何模型, 并建立三维有限元模型。

余弦柱面形及平面形车刀有限元网格的划分:定义刀具单元属性, 在几何模型上, 采用10节点四面体Solid划分单元, 采用自由网格划分技术划分网格。为了更精确快速地反映出刀尖部位应力应变情况, 分别对刀尖、刀杆设置不同的网格密度, 对刀尖网格划分较细, 对刀杆部位网格划分较粗, 模型及网格划分结果分别如图4~图5。

2.3 施加位移约束及载荷并求解

为了保证分析的准确性, 需要在刀具末端施加全部的位移约束。考虑切削条件最不利的情况, 将Fz, Fx, Fy集中作用于刀尖一点进行模拟加载。得到刀具内部应变分布及大小如图6~图11。

根据以上计算的应力、应变及位移矢量和的结果列于表1。

2.4 结果分析

由表1可知, 余弦柱面形车刀最大等效应力为166 MPa, 最大等效应变为0.182, 最大合位移为0.051 6 mm。而平面形车刀最大等效应力为404 MPa, 最大等效应变为2.198, 最大合位移为0.056 7 mm。显然, 在相同载荷下, 平面形车刀受到的应力、应变大, 位移矢量和 (即变形量) 大, 刀具容易被破坏, 所以余弦柱面形前刀面的刀刃强度大于平面形前刀面的刀刃强度。这种既有利于适当增大前角, 又不削弱刀具强度的前刀面, 对改进车刀的切削性能具有重要的现实意义。

3 结语

本文运用UG强大的参数化建模功能建立了余弦柱面型前刀面车刀, 又结合有限元分析软件ANSYS对不同形状的前刀面车刀进行了应力应变分析, 结果表明曲面形前刀面的强度比平面形前刀面高。采用ANSYS对车刀进行强度分析计算, 可完成传统计算方法难以完成的强度模拟分析计算工作, 对车削加工生产具有深远的意义。

参考文献

[1]何宁, 侯红玲, 白海清, 等.车刀前刀面影响刃磨强度的研究[J].机床与液压, 2011, 39 (5) :32-34.

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[3]金建国, 周明华, 王明怡, 等.曲线参数化模型研究[J].浙江大学学报:工学版, 2002, 36 (1) :74-77.

[4]张文兵, 高慧, 孙铁城, 等.基于UG的复杂零件三维建模[J].北京工业职业技术学院学报, 2011, 11 (1) :38-42.

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[6]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2008.

[7]陈雪春, 何邦贵.基于ANSYS的梯形螺纹车刀强度有限元分析[J].机械制造与研究, 2007, 36 (3) :30-33.

UG的参数化建模方法 第5篇

在UG软件中,对于渐开线直齿圆柱齿轮的建模有两种方法:一是齿轮模块建模,二是通过参数化建模[1]。齿轮模块提供了一种快速、便捷的设计方法,简化了设计过程,在设计过程中只需要通过输入模块所涉及的基本参数就能直接生成齿轮的实体模型;而参数化建模能够准确地控制齿轮齿廓的形状和齿轮的基本轮廓,对于渐开线的齿廓,关键是如何写出其对应的函数便能生成与之对应的齿廓曲线。

1 渐开线数学形成原理

1.1 渐开线的形成

当一条直线L沿一圆周作纯滚动时,此直线上任意一点K的轨迹即称为该圆的渐开线。该圆称为渐开线的基圆,基圆半径以rb表示,该直线L称为渐开线的发生线[2],如图1。

1.2 公式推导

其中θk为渐开线在KA段的展角,αk为齿轮的压力角,φ为渐开线滚动角。

在极坐标系中渐开线方程为:

在UG建模环境中,我们采用的是直角坐标系,规律曲线能识别的也是直角坐标系,所以上式不能在UG建模环境中应用。

设渐开线上K点处坐标为(X,Y),则X=OB+BC,Y=NB-PN,由渐开线性质可知:

所以,渐开线的直角坐标参数方程就是:

1.3 渐开线表达式的建立

令s=φ=90*t,其中t为UG系统变量,取值范围为0t1,UG表达式中初始值取t=0。

则渐开线滚动角0φ90。

将渐开线直角坐标参数方程(2)转化为UG能识别的方程

公式3中,用rad(s)代替渐开线滚动角φ,一方面rad()属于UG系统中默认代码,为滚动角的φ单位,即弧度,另一方面便于在表达式中输入。否则系统将会报警。

2 齿轮建模过程

2.1 齿轮参数的确定

齿轮草图的绘制中需要用到齿轮的5个基本参数,它们是齿数、模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数,分别用字母Z、M、αk、ha*、c*表示。利用这几个参数计算齿轮的各个部分的几何特征参数。

这里设定Z=50,M=2;正常齿:ha*=1,c*=0.25,短齿:ha*=0.8,c*=0.3。

2.2 齿轮参数表达式的建立

2.3 齿轮建模

(1)输入表达式。启动UG6.0,在建模环境下,点击[工具]/[表达式],弹出表达式输入窗口,开始渐开线圆柱齿轮表达式的输入,结果如图2所示。

(2)生成渐开线。单击“规律曲线”按钮,弹出“规律函数”对话框,选择“根据方程”,图3所示。

以t为系统参数分别定义xt、yt、zt的参数,在弹出“规律曲线”窗口后,单击“点构造器”将渐开线参考点建立在坐标系原点。在XC-YC平面内出现90范围内的一段渐开线,图4所示。

(3)绘制草图。在[格式]/[图层设置]中,将工作图层设置为2。在XC-YC平面创建草图,分绘出齿轮的齿顶圆、齿根圆、基圆、分度圆。用公式驱动,如图5。

用公式驱动直径

分度圆d1=2*r

齿顶圆d2=2*ra

齿根圆d3=2*rf

基圆d4=2*rb

(4)投影曲线。将图层1中创建的渐开线,投影到图层2的草图中。如图5所示,当标注完各个圆的尺寸后,在草图环境中,单击【投影曲线】图标,弹出【投影曲线】窗口后,选择渐开线,并将公差减小至【0.0001】,单击确定,完成投影曲线操作。隐藏尺寸线,关闭图层1。

(5)创建辅助线。单击【直线】图标,创建一条辅助线,起点为工作坐标系原点,终点为渐开线和分度圆的交点,如图6。

创建第二条辅助线,在XC-YC平面内,以坐标系原点为参考点,将辅助线1旋转360°/4Z,即1.8°,目的为了创建在分度圆上齿槽宽度的对称中心线,以镜像渐开线。如图7。

单击【移动对象】按钮,在弹出的窗口中进行参数设置,【变换】项中,【运动】设为:角度;【角度】设为:-1.8;【结果】项中,选定“复制原先的”。

(6)修剪曲线。单击【快速修剪】图标,将渐开线修剪成为齿槽轮廓线,如图8所示。完成草图。

(7)拉伸。点击【拉伸】按钮,以齿顶圆为拉伸对象,拉伸厚度为20,再以齿槽轮廓线为拉伸对象,布尔运算为【求差】,如图9所示。

(8)阵列齿槽。单击【实例特征】/【圆形阵列】,选择齿槽的拉伸特征,阵列数目为齿数50,角度为360/Z,选择Z轴为基准轴。如图10所示。

3 结束语

以UG为平台的渐开线直齿圆柱齿轮的建模过程研究,分为两个部分,一是渐开线数学公式的推导过程,一是渐开线直齿圆柱齿轮的建模过程。渐开线的数学形成原理及如何转化为UG默认的格式,好多文献都没有提及,只是给了一个结果,这便增加的理解的难度;齿轮的建模过程,特别是渐开线齿廓的形成,也都是一代而过,很不明了。基于以上存在的问题,便是本文的最终目的。

摘要：参数化建模能够准确地控制齿轮齿廓的形状和齿轮的基本轮廓,对于渐开线的齿廓,关键是在表达式中正确输入其对应的函数,并理解并掌握其数学形成原理及建模思路。

关键词：UG,渐开线,齿轮建模,过程研究

参考文献

[1]高海兵,李春英.基于UG平台的齿轮三维实体建模.[J].机械工程与自动化,2008(3):69-71.

[2]梁建和.机械设计基础.郑州:黄河水利出版社,2002.8.

UG的参数化建模方法 第6篇

SIEMENS UG NX是SIEMENS PLM SOFTWEAR公司的一款大型CAD/CAM/CAE软件，被当前许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化制造等多个领域，尤其是在当今面临的零部件复杂化程度、精度越来越高的趋势下，大型集成化的软件在缩短由产品设计到制造的过程中更具有整体优势。

UG NX具有以下几个方面的特性：(1)高度集成的产品开发。UG NX是一个高度集成的CAD/CAE/CAM软件，涵盖了从产品的概念设计机械设计工程分析工程图加工制造的整个产品过程[1]。UG工作流程如图1所示。(2)协作性。通过使用主模型、产品数据管理PDM、产品可视化(PV)以及Internet等技术，支持企业间的并行协作。产品的并行协作如图2所示。

2 基于UG/CAD航空发动机压气机转子参数化建模

2.1 UG/CAD建模方法

(1)参数化建模。为了对模型进行参数化编辑，用模型定义的参数值随模型存贮。参数可以相互引用以建立模型的各个特征间的关系。

(2)实体建模。是非参数化建模，对象是相对于模型空间建立。

(3)基于约束的建模。用约束条件来构建草图从而建立模型几何体的建模方法。

(4)复合建模。上述三种建模方法的选择性组合。UG复合建模支持实体建模、基于约束的草绘和参数化特征建模。

2.2 基于UG/CAD航空发动机压气机转子参数化建模

为了航空发动机转子叶片的加工和仿真，首先要进行叶片的造型。叶片作为典型的自由曲面特征，其曲面的造型是先根据图纸设计出叶型的各截面曲线(拟合)，然后将各个截平面的拟合线在径向进行叠加(曲面放样)。截面线拟合有插值和逼近两种方法，在构造叶片截面线时常采用插值方法。叶片截面线拟合是造型中最关键的步骤，截面线是叶片曲面放样的基础。本文讨论的是某进口材质压气机转子铝合金叶片的造型，其简图如图3所示。

(1）叶片曲面特征分类

特征就是参数化的基本体素。在产品特征造型时，可以用基本体素特征构造出零件模型。基于特征的产品造型是以特征技术为基础，设计人员可以利用这些特征方便快速地设计出CAM所需要的产品模型[2]。

对于航空发动机转子叶片这样具有复杂外形的曲面特征，在实现特征造型时，首先需要进行特征定义，本文根据前述某航空发动机压气机转子叶片的形状，将叶片截面定义为最基本的特征，截面由进气边、叶背、排气边、叶盆四个局部特征组合而成，考虑了与叶形有重要关系的若干特征参数及其相关操作，对前述叶片进行了特征分类，如表1所示。

(2）叶片曲面造型操作

对于叶片这类由多个不规则曲面组成的零件，在造型时，可以利用UG曲面造型功能中的曲面拟和方法进行造型。用UG软件对叶片造型时不可能一次成型，应先分类分区域进行曲面构建，再对曲面做拟合处理，才能达到比较好的效果[3]。

(a）叶片曲面点云输入

在叶片的造型过程中，根据叶片图纸上的有关数据，得到叶片若干个不同位置处的截面线的点云数据，由于各截面上的三维坐标点数据量较大，精度要求又较高，因此将这些点云通过数据文件输入，能减少出错的机会[4]。

利用UG里面的插入曲面命令，点击“”命令，选取来自数据文件的点云，通过点云建立的不同位置处的截面线，如图4所示。

(b）叶片型面拟合

接着点击UG软件工具栏上的拟合图标，系统将自动按3阶拟合样条曲线形成曲面。如图5所示。

(c）曲面修整

通常情况下，由于数据问题可能造成生成的曲面在过渡部分曲率变化剧烈，甚至出现扭曲现象，影响曲面质量和后续的加工质量，可以利用UG的分析检查几何体功能对曲面进行曲面光顺性分析[5]，从而提高曲面质量[6]。如果曲面质量达不到要求，可以对原来的点云和样条进行调整，直到达到要求为止。经过分析和调整后形成的叶片型面如图6。

3 结语

对于航空发动机转子叶片这样具有复杂外形曲面特征的零件，一般没有确定的解析方程来定义这些曲面，本文采用UG造型功能中的曲面拟合方法进行曲面造型，先分类分区域地对曲面进行构建，然后再对曲面再做拟合处理，才能达到比较好的效果。

摘要：为了航空发动机转子叶片的加工和仿真,首先要进行叶片的造型。叶片作为典型的自由曲面特征,其曲面的造型是先根据图纸设计出叶型的各截面曲线,然后将各个截平面的拟合线在径向进行叠加。

关键词：曲面特征,参数化建模,转子叶片,实体建模,加工仿真

参考文献

[1]刘维伟,任军学,潘天丽.叶轮类零件测量造型方法研究[J].航空计算技术,2000(4):52-55.

[2]CUI Zhu.Tool-Path Generation in Manufacturing Sculptured Surfaces with a Cylindrical End-Milling Cutter[J].Computers in Industry,1991(17):385.

[3]Unigraphics Solutions Inc.UG CAD实用教程[M].赵波,等译.北京:清华大学出版社,2002.

[4]Unigraphics Solutions Inc.UG自由形状特征建模培训教程[M].龚勉,等译.北京:清华大学出版社,2002.

[5]Unigraphics Solutions Inc.UG相关参数化设计培训教程[M].张琴,等译.北京:清华大学出版社,2002.

结构力学求解器的参数化建模方法 第7篇

结构力学求解器 (SM SolverStructural Mechanics Solver, 以下简称为“求解器”) 是清华大学袁驷教授主持研发的结构力学分析计算软件, 能够求解经典结构力学课程中所涉及的杆系结构的几何组成、静定、超静定、位移、内力、影响线、包络图、自由振动、弹性稳定、极限荷载等问题。结构分析结果可以以三种方式显示:数值、图形和动画。这些显示方式能够让用户全方位地认识和理解分析结果, 尤其是图形和动画显示方式能够让用户直观地认识结构的各种性质。该软件算法先进、结果精确、界面友好、操作方便, 既可供教师拟题、改题、演练, 亦可供学生作题、解题、研习, 还可供工程技术人员设计、计算、验算之用。

求解器的界面主要由两个窗体组成:文档编辑器, 以下简称编辑器, 用来输入、编辑结构模型的命令数据文档 (扩展名为“INP”) ;具备常用的剪切、复制、粘贴等文本编辑功能, 如图1所示。图形观览器, 以下简称观览器, 用来即时显示各种相关图形, 如结构图、内力图等;具备常用的缩放、平移等图形显示功能, 如图2所示[1]。

2 结构力学求解器的建模方法

结构力学求解器的建模流程一般为:定义结点定义单元位移约束材料性质荷载条件等。软件提供了两种输入方式:

(1) 对话框输入:通过对话框输入命令, 命令输入后, 求解器自动检查命令格式, 若输入正确, 则立即显示在图形观览器中;若输入的命令格式有误, 则会给出相应的提示。采用对话框输入命令无需记忆命令格式, 还可以先对输入的命令进行“预览”, 以检查是否符合要求, 若输入有误, 则可对输入的命令进行修正后再“应用”。

(2) 命令行输入:直接在编辑器中输入命令行。求解器采用了类似于著名有限元分析软件ANSYS的命令语言, 每一条命令都以关键词作为先导, 关键词允许为英文字符或中文汉字, 便于学习和记忆。在命令中可以定义变量、按Fortran语法输入标准的数学表达式和标准的数学函数 (如:sqrt、exp、log、sin、cos、tan、atan等) , 便于修改数据和调整参数, 为参数化建模提供了技术基础。

3 结构力学求解器在应用中遇到的问题

在进行结构分析时, 对于同一类型的结构, 经常需要分析其在不同的结构尺寸、截面特性以及不同的荷载工况 (永久荷载、可变荷载、地震作用等) 下的力学性能。对于这样的问题, 如果采用结构力学求解器进行分析, 则每当任一结构参数发生变化时, 都需要重新建立结构分析模型, 或者在已有的模型上进行修改。然而, 无论是反复重新建模还是修改模型, 都是非常繁琐和枯燥的, 不但费时费力, 而且容易出错;因此, 需要改进结构力学求解器的建模方法以解决这个问题。

4 结构力学求解器的参数化建模方法

4.1 参数化建模方法简介

参数化建模方法不是采用具体数值, 而是采用参数 (变量) 建立模型, 通过简单的改变模型中的参数值, 就能建立新的模型[2]。参数化建模的参数不仅可以是几何参数, 还可以是材料性质、荷载参数等。对于同一类型的结构, 采用参数化建模方法, 不但能够避免反复重新建模或修改模型的重复劳动, 减少工作量, 提高建模效率;而且可以减少建模过程中的人为差错, 保证建模质量。

4.2 结构力学求解器参数化建模的流程及技术要点

本节以单跨等高排架结构为例, 说明结构力学求解器参数化建模的流程及技术要点。排架的计算简图如图3所示。

首先, 根据结构的形式、特点及分析要求确定模型参数, 在模型的命令数据文档 (扩展名为“INP”) 中, 利用变量定义模型参数, 并指定具体数值。模型参数一般包括几何参数、材料性质、荷载参数等, 所有参数必须采用统一的单位制。模型参数的数目应当合理, 若参数过少, 则不能满足结构分析的要求;反之, 若参数过多, 则会增加模型的复杂程度和建模难度。模型参数对应的变量名称应当具有良好的可读性, 其只能是字母和数字的组合, 并且首字符必须是字母。

如图3所示, 排架的几何参数包括:跨度、上柱高度、下柱高度、吊车梁高度, 详见表1。

根据排架结构的特点, 其材料性质仅需定义柱的相对抗弯刚度;因此, 钢筋混凝土的弹性模量设为1, 柱截面的惯性矩取相对值即可, 详见表2。

作用在排架结构上的荷载有恒载、屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载以及地震作用等, 这些荷载在排架上的作用可以看作是柱顶力矩、牛腿顶面力矩、吊车梁顶水平力、柱顶水平力、全柱均布水平力这五种受力情况中的一种或者几种的组合;因此, 需要对这五种受力情况分别定义荷载参数, 每种受力情况的荷载参数包括:计算开关、方向参数、荷载数值, 以柱顶水平力作用时的情况为例, 其荷载参数详见表3。由于结构力学求解器的命令仅支持顺序结构, 不支持分支和循环结构;因此, 设置“计算开关”这一参数, 用于控制该受力情况是否参与计算。

模型参数定义完成以后, 即可按结构力学求解器的一般建模流程, 采用预先定义的参数建立模型。以柱顶水平力作用时的情况为例, 采用参数化建模方法建立的排架分析模型如图4所示, 图中的数字“1~8”为结点编码。此时, 定义荷载参数及加载的命令代码如下 (以字母“C”开头的命令行用于注释) , 其中除了柱顶水平力的“计算开关”设为“1”外, 其余受力情况的“计算开关”均应设为“0”。

在结构力学求解器中, 修改相应的几何参数、材料性质、荷载参数, 即可便捷的得到单跨等高排架结构在不同的结构尺寸、截面特性以及不同的荷载工况下的分析模型。

5 结语

本文介绍了结构力学求解器的参数化建模方法, 并以单跨等高排架结构为例, 说明了结构力学求解器参数化建模的流程及技术要点。采用参数化建模方法, 能够便捷地得到同一类型的结构在不同的结构尺寸、截面特性以及不同的荷载工况下的分析模型。在参数化建模的基础上, 可以编制前处理程序, 以实现常见结构的快捷建模。

参考文献

[1]袁驷, 叶康生, 袁征.《结构力学求解器》的算法与性能——第十届全国结构工程学术会议特邀报告[A].第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C].北京:《工程力学》期刊社, 2001.174-181.