王蘊(yùn)弢

門式啟閉機(jī)(簡(jiǎn)稱門機(jī))廣泛應(yīng)用于水電工程，主要實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉、吊運(yùn)、安裝和維修。門機(jī)主要由起升小車、回轉(zhuǎn)吊車、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、門架、卷筒、夾軌器、司機(jī)室、大車緩沖裝置、小車供電裝置、軌道、電氣設(shè)備及門機(jī)附帶的液壓自動(dòng)抓梁、清污裝置等組成。由于門機(jī)各主要機(jī)構(gòu)間空間布置關(guān)系非常復(fù)雜，造成各構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系、傳力特性也非常復(fù)雜，如果仍然采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，存在著知識(shí)的重用度不高和分析手段有限等問題，而CAD/CAE/CAM/PDM系統(tǒng)集成是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的發(fā)展方向。就門機(jī)設(shè)計(jì)而言，關(guān)鍵問題是如何保證不同設(shè)計(jì)方案所需設(shè)計(jì)模型和分析模型構(gòu)造的快速性和并行性以及如何對(duì)多個(gè)方案的性能進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即門機(jī)設(shè)計(jì)的CAD/CAE集成問題。因此，開展門機(jī)CAD/CAM集成研究顯得尤為重要。

一、CAD/CAE集成研究的現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于CAD/CAE集成的研究已經(jīng)有近20年的歷史，近年來，由于三維CAD技術(shù)及三維CAD軟件的發(fā)展，CAD/CAE集成研究也隨之進(jìn)入發(fā)展期，其中比較有代表性的是Georgia理工學(xué)院EIS實(shí)驗(yàn)室(Engineering Information Systems Laboratory)提出的集成方法、其他機(jī)構(gòu)提出的基于語義、圖表及公式等的集成理論等。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)也對(duì)CAD/CAE之間的集成問題做了很多研究，形成了如初始圖形交換規(guī)范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(Standard for the Exchange of Product Data，STEP)等表達(dá)形式的中性文件實(shí)現(xiàn)兩者的集成。國(guó)內(nèi)開展CAD/CAE集成的研究比國(guó)外要晚，但就其研究思路以及實(shí)現(xiàn)策略而言并無太大差異。

CAD/CAE集成方式包括以下4種：(1)通過專用數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)集成；(2)利用中性文件(如IGES規(guī)范或STEP標(biāo)準(zhǔn)等) 實(shí)現(xiàn)集成；(3)基于統(tǒng)一產(chǎn)品參數(shù)關(guān)聯(lián)模型數(shù)據(jù)庫的集成；(4)基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)的系統(tǒng)集成。前2種集成方式存在文件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)信息丟失和冗余等致命問題，第4種方式開發(fā)周期比較長(zhǎng)，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高，且維護(hù)比較困難。因此本文主要討論基于參數(shù)關(guān)聯(lián)模型的門式啟閉機(jī)CAD/CAE集成的研究。

二、門機(jī)的CAD和CAE模型

1.門機(jī)CAD模型

以QM2×1 250 kN/650 kN門機(jī)為例，其CAD模型主要借助于CATIA軟件來完成，由于該門機(jī)由上千個(gè)零部件組成，在進(jìn)行CAD建模時(shí)，對(duì)其組成零部件進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，其CAD模型如圖1所示。

圖1 門機(jī)的CAD模型

2.門機(jī)有限元分析模型

門機(jī)的有限元分析模型主要借助于ANSYS軟件并利用APDL語言來建立。在建立有限元分析模型時(shí)，首先需要根據(jù)門機(jī)的受力特性，確定需要建模的關(guān)鍵承載構(gòu)件，如門架結(jié)構(gòu)、小車架結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)吊車結(jié)構(gòu)和卷筒等；然后進(jìn)行參數(shù)分析，定義與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能(如高度、寬度、規(guī)矩等)或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度(如標(biāo)準(zhǔn)桿件型材號(hào)、箱形梁或工字形梁翼緣板和腹板板厚等)相關(guān)的參數(shù)變量；利用上述變量及APDL語言編寫各關(guān)鍵承載構(gòu)件的模型生成命令流，并生成自重、風(fēng)載和工作載荷施加命令流；最后以批處理的方式運(yùn)行ANSYS，就可完成各構(gòu)件的有限元求解計(jì)算。各關(guān)鍵承載構(gòu)件的有限元模型如圖2、3、4所示。

圖2 門架有限元分析模型

圖3 小車架有限元分析模型

圖4 回轉(zhuǎn)吊有限元分析模型

三、CAD/CAE集成的實(shí)現(xiàn)

由于門機(jī)各關(guān)鍵承載構(gòu)件的設(shè)計(jì)模型和分析模型采用不同軟件構(gòu)建而成，并且在通常情況下各構(gòu)件設(shè)計(jì)特征和制造特征不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以設(shè)計(jì)模型中的參數(shù)信息與分析模型中的參數(shù)信息不能直接傳遞，需要通過某種機(jī)制建立兩者之間的聯(lián)系和集成。CAD/CAE系統(tǒng)集成的關(guān)鍵是信息的交換和共享，根據(jù)以上討論，如圖5所示，通過對(duì)門機(jī)主機(jī)進(jìn)行研究與分析，提取了影響整機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)，分別構(gòu)建了參數(shù)關(guān)聯(lián)模型和面向各種設(shè)計(jì)分析活動(dòng)的參數(shù)化特征模型(包括面向設(shè)計(jì)的CAD模型和面向有限元分析的CAE模型)，通過參數(shù)關(guān)聯(lián)模型并行驅(qū)動(dòng)參數(shù)化特征模型實(shí)現(xiàn)CAD/CAE的集成，由此當(dāng)設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)尺寸修改后，參數(shù)關(guān)聯(lián)模型更新數(shù)據(jù)，并利用編程語言自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的提取和對(duì)APDL命令流文件的修改，從而保證分析模型與設(shè)計(jì)模型的同步變化，反之亦然，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與分析工作的并行化。

四、結(jié)論

通過以上的研究分析可知，基于參數(shù)關(guān)聯(lián)模型的門式啟閉機(jī)CAD/CAE集成具有以下特點(diǎn)：

第一，門機(jī)分解為設(shè)計(jì)模型(CAD模型)、分析模型(有限元模型)和參數(shù)關(guān)聯(lián)模型3個(gè)模塊，彼此間既相互獨(dú)立，又通過信息傳遞建立聯(lián)系，形成了一個(gè)開放式結(jié)構(gòu)，可方便地采用參數(shù)關(guān)聯(lián)模型驅(qū)動(dòng)由其他工程軟件和分析工具建立的分析模型，實(shí)現(xiàn)后期不同側(cè)面分析的要求。

第二，參數(shù)關(guān)聯(lián)模型與設(shè)計(jì)模型和分析模型建立映射，實(shí)現(xiàn)了信息共享，在建立任一模型的同時(shí)，直接生成另一個(gè)模型，實(shí)現(xiàn)了模型的實(shí)時(shí)建立。

第三，由參數(shù)關(guān)聯(lián)模型參數(shù)驅(qū)動(dòng)幾何引擎生成幾何模型對(duì)象，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)模型到幾何模型直接映射，和關(guān)聯(lián)模型操作幾何模型的逆向操作。從而改變了幾何模型到關(guān)聯(lián)模型的單向性，實(shí)現(xiàn)了幾何模型與關(guān)聯(lián)模型的實(shí)時(shí)交互。

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