Autodesk Inventor 应用案例-转载于CADCAM

SHUIXI

数字化设计

在设计的同时进行仿真

——Autodesk Inventor Professional在DANIELI冶金设备（北京）有限公司的应用
Inventor Professional 11（以下简称AIP11）在很好地解决设计中的尺寸结构问题的同时，还内嵌了运动仿真和有限元分析模块，对上述问题提供了很好的解决方案，能够让设计人员在一款CAD软件中从产品概念设计到运动分析，再到出具相关计算报告都轻松完成。
下面就讨论一下，如何在AIP11中完成起停式曲柄飞剪机构的运动学性能分析。
首先根据订单需求，利用AIP11方便快捷的造型功能，完成曲柄、飞剪机框架和剪刀的设计。对于这些常规机构模型，使用AIP11中的拉伸、旋转命令便能够完成（这里需要注意的是，在AIP11中拉伸和旋转等草图特征命令中包含了加材料和减材料的功能）。在“设计加速器”中输入压力角、螺旋角和中心距，利用系数求解一对传动的圆柱斜齿轮，如图3所示。然后在部件环境中对各个零件按实际要求拼装（这里可以使用添加“装配约束”的命令进行拼装，并确定哪些零件需要降级成为子装配），以便日后生成工程图中需要的明细表。最后还要校验设计尺寸，以确保零部件在实际装配位置上处于无干涉状态。这些操作相信对用过AIP11的设计人员，并不是一件难事，所以具体操作这里不再赘述。
 

图3 使用设计加速器生成所需齿轮
接着保存刚才装配完成的起停式曲柄飞剪，并改变此模型中的装配关系，让所有零件都置于同一级装配树中（因为在实际机构运动中并没有总装和子装配的概念，都是
 
飞剪机的主要任务是将运行着的轧件按照工艺要求定尺剪断。随着轧机轧制速度和生产能力的不断提高，提高飞剪的速度和性能已成为人们致力研究的问题之一。飞剪机种类很多，根据其不同的剪切断面和速度快慢，被应用于不同的场合。目前较先进的机型为起停式曲柄飞剪，该飞剪一般处于静止状态，剪切时采用低惯量大扭矩直流电机，直接完成起动、剪切和制动等工艺过程。其实物模型如图1所示。
起停式曲柄飞剪机剪切机构设计要求为：
1 两剪刃运动必须为一定轨迹的封闭曲线，且剪切工程中要求剪刃运动轨迹水平平滑，水平分速度呈匀速线形，并大于等于轧件的运动速度。
2 在剪刃剪切过程中出现最大应力时，确保承受载荷的曲柄是安全的。

 
□ 北京锐和华泰科技有限公司 王峥
如果采用传统的手工计算，设计人员首先要做出机构简图，并套用各种力学公式及平面几何的概念求解结果，然后再根据结果描绘所需各种曲线。由于模型已简化为最基本的杆单元，且还有计算工程中数值近似取整等问题，造成得出结果只能作为一个理论值，和实际设计要求还有一段距离，所以通常计算得出的结果安全系数要大于等于10（安全系数因企业设计要求不同而不同，这里所列出的只是笔者企业所采用的数值），才能放心使用。同时因为传统算法，手算量大，易出现人为计算纰漏，最终造成设计误差。曲柄飞剪机的机构示意图如图2所示。
 

 
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设计人员为便于明细统计和后期的生产制造而人为定义的，所以笔者为求与真实环境一致，尽量将其还原真实条件），并进行适当的结构简化（例如删除轴承），使之真正成为一个力学模型。如图4所示。
 

图4 简化的力学模型
接着进入仿真环境，工具栏中的第一个命令可用来给零件间添加包括铰接在内的各种运动连接条件，如图5所示。我们也可以使用“继承装配”的功能把装配中的对齐、配合和插入等装配条件自动转成运动仿真中的连接条件。这里应该注意的是装配中的角度约束问题，过度和运动约束是不可以转换的。
 

图5 插入连接功能
在这里应尽量使用从装配环境继承连接条件的方法进行装配关系的转化，这样可以减少许多不必要重复性劳动，如图6所示。使用过AIP11仿真功能的读者，可能都遇到过一个有趣的问题，下面以四连杆机构为例说明。
在原有的装配环境中，每根杆都使用插入约束进行连接，模型完全可以运动，而且没有提示任何错误。在进入仿真环境并对这些插入约束一一进行转化后，会发现前三个插入条件都能够顺利转成铰接，但在转成铰接后，系统会自动提示添加条件自由度出现问题，如图7所示。
 http://images20.51.com/5002/a/b0 ... 8374_0.08418000.jpg
 
图7 添加条件出现冗余错误
开始笔者以为是操作问题，进行多次尝试后仍出现该问题，但不会影响机构的模拟运动，然而在对同一根杆进行多次受力分析后，发现模拟得到的结果出入很大，这是为什么呢？
笔者为此翻阅了大学时代的课本，并请教了Autodesk公司的技术工程师。原来AIP11运动仿真模块的底层计算完全基于我们所学的机械原理中的概念公式，关于连杆机构自由度条件计算我们可参考“GRUEBLER定理”。
为使空间四连杆机构只有一个可动度M=1（M=6（N-J-1）+∑J，其中N为杆件数，J为接点数，∑J为接点自由度之和），经计算得出最后一个连接点自由度数为4，故最后一个连接应改为“球面圆槽运动”。
同理修改起停式曲柄飞剪机构中出现连接错误的接点，建议读者使用软件自带的“修复冗余”命令解决类似问题，如图8所示。对于较简单的动力学模型，在“修复冗余”命令菜单中可以直接对其进行修改，而对于复杂的动力学模型，此处只能提出合理化建议，设计人员需要使用“插入连接”的命令，重新定义连接关系，如图9所示。
 

 
图9 修复界面
本例中的主传动齿轮连接可采用“外齿轮啮合运动”，选择两个斜齿轮的分度圆即可完成条件添加，如图10所示。这里需要注意的是，此时的连接条件只为计算传动功率，并不校验齿轮的啮合，如减速箱功率的计算等。如需校验每一个齿可以考虑使用“接触集合”的条件。对于一些专业的CAE软件所提供的实体块和定义地面的功能，我们可以使用“焊接零件”和“固定”命令加以替代，如图11和图12所示。细心的读者可能会发现，在AIP11的连接条件中也有一个“焊
 
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接连接”的条件，这和刚才提到的焊接零件是两个不同的概念。两者的本质区别是“焊接零件”允许把几个零件在运动仿真中定义成一个整体，但是作用力不能在这几个零件间传递，且“焊接连接”功能只能进行两个零件的添加，不能同时选择几个零件集体定义，而“焊接连接”则可以做到力的传递。因为要计算剪切过程中曲柄的受力，所以在这里只需要把飞剪机的曲柄和剪刃定义为“焊接连接”即可，如图13所示。

 
图10
外齿轮啮合运动
 
图11 焊接零件
 

图12 定义固定
 

图13 焊接连接
连接条件定义完成后，定义一个垂直向下的重力9.8N，根据电机的输出功率可求得起停式曲柄飞剪机的转速为280deg/s，根据轧件厚度和转速，可求得剪切过程为
0.35s。然后在剪刃处添加一个剪切力（两个剪刃均要添加）。在AIP11的运动仿真模块中，设计人员可以根据实际需要给零件编辑添加力学曲线，在这里我们近似使用剪切过程中的最大冲击力计算。经计算后可得出，曲柄在运动0.15s后出现剪切力，0.5s后剪切力消失，方向与受力方向一直保持垂直，所以这里应选择“固定载荷方向”，如图14所示。为捕捉剪刃运动形成的封闭曲线，还需要在剪刃处添加一个运动轨迹，如图15所示。
 
 

图15 加载运动轨迹
至此，所有的力学条件全部加载完毕，设计人员可以点击左下方的模拟模版，进入运动模拟过程，如图16所示，飞剪的运动轨迹清楚地展现出来，并把其每一点的参数输出到电子表格以备日后使用，如图17所示。但这还不够，我们还需要具体分析每个位置的力学变化。首先点击工具面板的“输出图示器”，选择需要查看的铰接点受力变化曲线并搜索通过模拟生成的这条曲线的最大值，如图18所示，然后将得到的数据转入有限元模块进行分析（这里需要定义一些相关的连接点）。
 

 
 
图18 搜索曲线中最大受力点
将图表中搜索出的最大应力加载到曲柄定义曲柄的连接点，然后双击曲柄进入零件应力分析环境，点击“运动载荷”，软件就会自动加载运动仿真中零件的受力状况并进行受力分析了。由于所设计的曲柄属于不对称结构，通过有限元云图我们可以清楚看到受力偏载的情况，同时发现曲柄与曲轴连接处设计不合理处，需要进行设计修改加厚连接处，并出具相关问题修改报告，如图19所示。
 
 

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精度和准确性。其实一个机构性能分析结果的准确与否，主要看分析人员的力学理论基础及实际经验多少，往往在使用同样的软件分析相同的模型时，两个分析员会得出不同的结果。但笔者在这里可以给读者一颗定心丸，我们来做一个量化的对比：把模型导入目前比较主流分析软件ANSYSWorkbench10.0中，利用作用力与反作用力的原理添加相应的约束和力学条件，如图20所示，在进行分析后，笔者发现两款软件的分析出的受力趋势和结果相差无几，AIP11的应力值显得相对保守些。以此来看，AIP11虽然是一款设计软件，但是其力学分析能力还是值得信赖的。
设计人员通常会采取微调受力物体的几何结构，如倒圆角、打孔、
用户体会

加厚关键部位和放置加强筋等方法，甚至是分割应力曲线分布方式的方法来降低应力。关于此模型的修改设计变更，笔者在这里不再赘述。
 

图20 ANSYS Workbench分析结果
通过对起停式曲柄飞剪机中的实际设计问题的简单描述，笔者希望广大读者能够了解如何使用AIP11的运动仿真模块，并了解整个操作的流程，以解决实际设计中困扰我们的问题。AIP11作为一款三维机械设计软件，很好地提供了从产品研发到校核的一套合理解决方案，并出具了与设计相关的分析报告，是对传统设计模式的一次更新，一次变革，一次推动及飞跃，在提高产品质量的前提下，优化了设计流程。AIP11做为一款设计软件，模型的修改过程异常简单，随着设计人员的修改马上就可以直接分析并得出所需要的结果。同时伴随设计调整，从零件到装配，甚至指导生产的工程图都会关联更新，这是任何一款CAE软件所无法比拟的。当然作为运动仿真的一个版本，里面还有一些使用起来不甚方便的地方，但相信经过未来的几个版本更新后，该模块会做得更完善，操作也会更加容易。
 
 
 
□ DANIELI冶金设备（北京）有限公司 王春会
良好的传承性，二维平滑升级三维
DANIELI是世界三大冶金设备制造商之一，在意大利、美国、瑞典、德国、英国和法国都设有强有力的技术中心和大型制造车间，能够提供完整的集成生产线或单独的生产线。DANIELI公司主要从事冶金设备的设计制造，涵盖了钢铁冶炼、连续铸造以及钢材轧制等钢铁行业各个环节。DANIELI冶金设备(北京)有限公司，隶属于DANIELI集团，成立于2005年4月。DANIELI公司的主要客户是各大钢铁生产企业，首钢、宝钢、鞍钢、唐钢和淮钢等钢铁企业都有DANIELI公司生产制造的设备。
虽然DANIELI冶金设备（北京）有限公司是很多大型企业的首选合作对象，但市场竞争日益激烈，设计周期、设计质量和设计复杂度无一不左右着客户的选择，如何在竞争中立于不败之地、如何更好地服务于客户、如何提高设计效率，是现在必须要考虑的问题。客户选择的多样性是一方面，而设计本身的复杂性也是我们必须要关注的，在合作的后期遇到了一些无法避免的设计问题，如轧机管路的设计，用二维软件进行设计需要更长的时间，还不能完全保证设计的合理性。种种客观原因，都促使我们选择三维软件进行设计及相关计算。
在选型初期，我们了解并试用了许多的同类软件，因为公司所有子公司的图样都要入库，并以DWG文件形式进行管理，如果一个三维软件不能做到与DWG格式的无缝转换，基本上我们是不会考虑使用的。
通过对软件的操作性、设计性、应力分析功能以及与其他软件的兼容性等方面的考察，公司最终选择了INVENTOR软件。相对于其他的三维软件，INVENTOR软件的最大优势是易于操作，可以很方便地将三维图转化为二维图。另外，在冶金行业内，选择AutoCAD作为主流设计平台的企业还是多数，我们选择INVENTOR软件，也可以更方便地进行数据交换。
而冶金机械设计行业也有其特殊性，即冶金机械设计属于非标设计，没有任何两个产品的设计是
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完全相同的。但事实上，为了缩短设计周期，大部分的设计工作是在大量原有设计的基础上进行改进，重新校核，所以要求软件可以迅速对修改方案进行计算校核，而INVENTOR的应力分析功能就很符合我们的需要。
在试用阶段，我们最早使用INVENTOR进行江阴兴澄大棒开坯机的管路设计，利用INVENTOR优秀的模拟仿真功能对设备动作进行了模拟仿真，成功避免了各个部件间可能存在的干涉和碰撞。试用后，技术部共采购了14套INVENTOR 10，主要用于对设备进行全新设计和对现有设备的干涉检查。
INVENTOR与AutoCAD良好的传承性、兼容性，也使我们缩短了大量的培训时间，在不影响设计进度的前提下，从二维平台顺利地升级为三维软件设计平台。
当然事无完美，在某些方面，INVENTOR在某些方面也有一些欠缺，比如：
(1)INVENTOR软件的应力分析是很有用的，但遗憾的是INVENTOR的应力分析精确度不是很高，只能参考其应力趋势分布；
(2)我们在与国内客户进行图样交流时，曾遇到过DWG文件的版本问题和汉字字体的显示问题，不过现在都已在软件供应商的帮助下解决了。
了解加深，惊喜无限
平稳升级到三维设计软件后，很多以前难以解决的问题都变得容易了，INVENTOR已经基本满足了干涉检查、建立计算模型以及快速生成基本设计图等工作的需要。而随着我们对INVENTOR软件了解的加深，软件的功能也给了我们很多的惊喜。虽然目前INVENTOR软件还不是我们公司的主要设计平台，但使用者的数量却是一直增加的。这与它的优点是分不开的。
1 软件的易操作性。我们的设计人员有2/3是30岁以下的年轻设计师，一般新员工的培训时间为期1个月。而对于在大学期间接触过INVENTOR软件的新员工来说，基本上只需要花费1周左右的熟悉期，就可以进行三维造型设计，且能够在工作中不断熟练。同时我们也感谢Autodesk公司为我们提供了大量的培训和技术支持。
2 软件的高效率。因为我们现有的设计工作多是基于公司多年积累的图样所进行的修改，主要的设计软件仍采用AutoCAD MECHANICAL。但是在对设备进行全新设计时，INVENTOR的高效率是勿庸置疑的。如我们公司正在承接的巴西BARAMANSA钢铁厂的线材轧制生产线，其中2号、4号、6号、8号、10号和12号立辊轧机减速机的设计图样全部只用1000个工作时就可以完成，而以正常来说，每个减速机的设计时间应为250个工作日，可见采用INVENTOR软件可以数倍提高工作效率。
3 软件的替代性。经过一段时间的应用后，我们有了一些意外收获。如果对INVENTOR进行适当设置，它完全可以替代原有的二维CAD软件进行设计，工程图的所有操作全部都可以在INVENTOR中完成。
 (4)二维设计软件最明显的缺陷之一，就是无法很好地对设备进行干涉检查，应用INVENTOR软件，这些问题就变得极为简单。另外，利用INVENTOR进行工程图转化时，只要设置适当就可以完全满足图样管理系统的要求。
 (5)INVENTOR中除去常规的三维造型功能外，应用最多的就是衍生功能。衍生功能可以反映基本概念设计和后期详细设计的关系，非常好地实现了我们的设计过程。
4 相对于AutoCAD来说，INVENTOR软件的BOM功能降低了

BOM的错误率，而BOM的基本数据是自动统计的，这也提高了我们的设计效率。
另外在使用过程中，我们还积累了一些能够提高设计效率的技巧。如尽量使用快捷键；在设计前选好各个零件在装配空间的基准面以实现基准面安装；在协同工作时，事先要写好一些通用规则，所有设计人员共同遵守等。而INVENTOR11的动态仿真功能，对计算组而言是一个非常有用的功能，在这方面我们还有升级的可能。
当然，在实际的应用过程中，我们也发现了一些存在的问题。
(1)从功能上来说，INVENTOR对大型件的设计支持还是很好的，但是对内存要求太大。我们的计算机硬件配置是P43.2GHz，内存为1G，显存为256M，但在进行大装配时，机器运行并不流畅。对计算机要求配置是三维设计软件的通病，其中内存是关键。
(2)INVENTOR软件的自适应功能在小部件设计时较为出色，在复杂的大装配时，对设计者的逻辑思维清晰程度要求较高。
(3)INVENTOR软件在反映设计者的设计思路方面做的很好。但是在造型方面，尤其是曲面造型方面功能并不完善。
(4)在三维转二维时，INVENTOR并不能对一些经典的机械机构实现简化画法（如齿轮、轴承等），要完全按照三维投影来生成工程图，而不是现行机械制图中的简化画法，但这也许是所有三维设计软件的通病。
栏目主持：苏向鹏　　本文索引号：121投稿信箱：suxp@icad.com.cn
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谢谢大家。的 支持啦。。嘿嘿版猪都给我们拜年了：）