葛煒

（西子奧的斯電梯有限公司，杭州310019）

0引 言

行為建模（Behavioral Modeling）功能是PTC軟件中特有的功能。它是一個功能擴(kuò)展模塊，其目的是使CAD軟件不但能用于造型，更重要的是能用于智能設(shè)計，尋找最優(yōu)解決方案。同時它也是一種參數(shù)設(shè)計分析工具，在特定設(shè)計意圖和設(shè)計約束前提下，經(jīng)一系列測試參數(shù)迭代運(yùn)算后，為設(shè)計人員提供最佳的設(shè)計建議［1］。

現(xiàn)有對行為建模的應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品特征的優(yōu)化，如容器容積的優(yōu)化設(shè)計［2-3］。本文將行為建模的方法拓展到型材設(shè)計當(dāng)中去，在實現(xiàn)產(chǎn)品性能達(dá)到目標(biāo)的情況下，實現(xiàn)了產(chǎn)品成本的最優(yōu)。

1 行為建模功能

Pro/E的行為建模模塊可以對模型進(jìn)行多種分析，包括物理性質(zhì)、運(yùn)動情況等測量，將分析結(jié)果反饋到模型，并自動修改設(shè)計。具體分析有：敏感度分析、可行性/優(yōu)化分析、多目標(biāo)設(shè)計研究。其中優(yōu)化分析只適用于一個設(shè)計目標(biāo)，多目標(biāo)設(shè)計研究可以用于解決多個設(shè)計目標(biāo)的優(yōu)化問題。

2 行為建模的一般步驟

行為建模的一般過程如圖1所示［4］。

分析特征屬于基準(zhǔn)特征的一種，包括基于模型測量和分析的特征參數(shù)、幾何圖元。其目的是對要設(shè)計優(yōu)化或是可行的參數(shù)進(jìn)行分析。

敏感度分析用于分析獲取尺寸或者參數(shù)對設(shè)計目標(biāo)的影響程度，減少優(yōu)化參數(shù)數(shù)量和參數(shù)范圍，從而加快設(shè)計速度。

可行性/優(yōu)化分析是使系統(tǒng)計算出一些特殊尺寸值且滿足某些指定約束，并從中找出可行的解決方案。

圖1 行為建模的一般步驟

多目標(biāo)設(shè)計研究側(cè)重于處理大量設(shè)計變量與設(shè)計約束產(chǎn)生矛盾和眾多設(shè)計目標(biāo)的情況，并找出最優(yōu)設(shè)計。

3 型材結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

3.1 設(shè)計案例

要求設(shè)計一個外形尺寸為30 mm×168 mm×1 500 mm的鋁型材，滿足在5 000 N/m2均布載荷的作用下變形不超過3 mm，且重量最輕。

3.2 建立設(shè)計模型

建立圖2所示初始模型。

圖2 初始模型

型材可視為簡支梁，簡支梁撓度計算公式為

式中：q為均布載荷大??；l為型材受載荷方向長度；E為材料彈性模量；I為慣性矩。

根據(jù)式（1）求得滿足撓度要求下的型材最小慣性矩為 2.56×105mm4。

3.3 建立分析特征

對型材的截面屬性進(jìn)行分析。如圖3所示，打開分析→橫截面質(zhì)量屬性→選擇橫截面所在平面→選擇特征。在特征選項卡中勾選橫截面面積和主慣性矩（最?。﹥蓚€選項。根據(jù)分析可得，初始模型的主慣性矩在（2.85～6.13）×105mm4之間，大于目標(biāo)慣性矩。

圖3 橫截面屬性界面

3.4 敏感度分析

通過敏感度分析找到各個參數(shù)的合適范圍。打開分析→敏感度分析→選擇變量尺寸→輸入范圍→選擇出圖用的參數(shù)MININERTIA（主慣性矩）。按以上步驟，對圖4中的所有尺寸進(jìn)行敏感度分析，可以得到圖5所示兩大類結(jié)果。

圖4 敏感度分析界面

圖5 敏感度分析結(jié)果

從第一張敏感度圖中可以看到該尺寸的變化對主慣性矩影響是一條直線，這也就意味這個尺寸的變化與主慣性矩的大小基本無關(guān)，可以不將該尺寸放入到后續(xù)的分析中，以減少總參數(shù)量。

從第二張敏感度圖中可以看到該尺寸的變化對主慣性矩的影響是一條斜線，這意味著這個尺寸的變化和主慣性矩的大小是線性相關(guān)的，需要將該尺寸納入到后續(xù)的分析中去。

3.5 可行性/優(yōu)化分析

在 可 行 性/優(yōu)化分析對話框中選擇可行性分析，并在設(shè)計約束中添加MININERTIA（ 主慣性矩）不小于2.56×105mm4這一約束條件。在設(shè)計變量中添加所有相關(guān)聯(lián)的尺寸。進(jìn)行計算→系統(tǒng)提示已找到可行解決方案。

接著在可行性/優(yōu)化分析對話框中選擇優(yōu)化分析，在目標(biāo)中選擇“最小化”“AREA:SECTION”,將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為型材的截面積最小。計算后得到圖6所示優(yōu)化目標(biāo)收斂圖，表明優(yōu)化設(shè)計已完成。退出優(yōu)化/可行性界面，可以得到圖7所示優(yōu)化后的型材形狀。

圖6 優(yōu)化目標(biāo)收斂圖

圖7 優(yōu)化后型材形狀

4結(jié) 語

型材在機(jī)械設(shè)計中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，Pro/E的行為建模技術(shù)為這類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供了解決方案。在競爭激烈的今天，好的產(chǎn)品不僅僅需要具有良好的性能，更需要實現(xiàn)最優(yōu)的性價比。

［1］魏艷春，蹇興東，史慶春.Pro/E的行為建模技術(shù)［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2006（ 12）：25－28.

［2］鄧發(fā)云.Pro/E行為建模技術(shù)在容器設(shè)計中的應(yīng)用［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2010，25（ 2）：193－196.

［3］周建華.三維參數(shù)化行為建模技術(shù)在包裝容器優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用研究［ J］.包裝工程，2005，26（ 4）：76－78.

［4］佟河亭，李超，王炳強(qiáng).Pro/ENGINEER WILDFIRE 4.0機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真和動力分析［M］.北京：人民郵電出版社，2009：178.