基于参数关联模型的门式启闭机CAD/CAE集成的研究

王蕴弢

门式启闭机(简称门机)广泛应用于水电工程，主要实现闸门的启闭、吊运、安装和维修。门机主要由起升小车、回转吊车、大车运行机构、门架、卷筒、夹轨器、司机室、大车缓冲装置、小车供电装置、轨道、电气设备及门机附带的液压自动抓梁、清污装置等组成。由于门机各主要机构间空间布置关系非常复杂，造成各构件间运动关系、传力特性也非常复杂，如果仍然采用传统的设计方法，存在着知识的重用度不高和分析手段有限等问题，而CAD/CAE/CAM/PDM系统集成是现代制造系统的发展方向。就门机设计而言，关键问题是如何保证不同设计方案所需设计模型和分析模型构造的快速性和并行性以及如何对多个方案的性能进行比较，以实现结构的优化设计，即门机设计的CAD/CAE集成问题。因此，开展门机CAD/CAM集成研究显得尤为重要。

一、CAD/CAE集成研究的现状

国外对于CAD/CAE集成的研究已经有近20年的历史，近年来，由于三维CAD技术及三维CAD软件的发展，CAD/CAE集成研究也随之进入发展期，其中比较有代表性的是Georgia理工学院EIS实验室(Engineering Information Systems Laboratory)提出的集成方法、其他机构提出的基于语义、图表及公式等的集成理论等。国际标准化机构也对CAD/CAE之间的集成问题做了很多研究，形成了如初始图形交换规范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)和产品数据交换标准(Standard for the Exchange of Product Data，STEP)等表达形式的中性文件实现两者的集成。国内开展CAD/CAE集成的研究比国外要晚，但就其研究思路以及实现策略而言并无太大差异。

CAD/CAE集成方式包括以下4种：(1)通过专用数据接口实现集成；(2)利用中性文件(如IGES规范或STEP标准等) 实现集成；(3)基于统一产品参数关联模型数据库的集成；(4)基于产品数据管理(PDM)的系统集成。前2种集成方式存在文件结构复杂、数据信息丢失和冗余等致命问题，第4种方式开发周期比较长，开发风险高，且维护比较困难。因此本文主要讨论基于参数关联模型的门式启闭机CAD/CAE集成的研究。

二、门机的CAD和CAE模型

1.门机CAD模型

以QM2×1 250 kN/650 kN门机为例，其CAD模型主要借助于CATIA软件来完成，由于该门机由上千个零部件组成，在进行CAD建模时，对其组成零部件进行了必要的简化，其CAD模型如图1所示。

图1 门机的CAD模型

2.门机有限元分析模型

门机的有限元分析模型主要借助于ANSYS软件并利用APDL语言来建立。在建立有限元分析模型时，首先需要根据门机的受力特性，确定需要建模的关键承载构件，如门架结构、小车架结构、回转吊车结构和卷筒等；然后进行参数分析，定义与产品结构功能(如高度、宽度、规矩等)或结构强度刚度(如标准杆件型材号、箱形梁或工字形梁翼缘板和腹板板厚等)相关的参数变量；利用上述变量及APDL语言编写各关键承载构件的模型生成命令流，并生成自重、风载和工作载荷施加命令流；最后以批处理的方式运行ANSYS，就可完成各构件的有限元求解计算。各关键承载构件的有限元模型如图2、3、4所示。

图2 门架有限元分析模型

图3 小车架有限元分析模型

图4 回转吊有限元分析模型

三、CAD/CAE集成的实现

由于门机各关键承载构件的设计模型和分析模型采用不同软件构建而成，并且在通常情况下各构件设计特征和制造特征不是一一对应关系，所以设计模型中的参数信息与分析模型中的参数信息不能直接传递，需要通过某种机制建立两者之间的联系和集成。CAD/CAE系统集成的关键是信息的交换和共享，根据以上讨论，如图5所示，通过对门机主机进行研究与分析，提取了影响整机性能的关键参数，分别构建了参数关联模型和面向各种设计分析活动的参数化特征模型(包括面向设计的CAD模型和面向有限元分析的CAE模型)，通过参数关联模型并行驱动参数化特征模型实现CAD/CAE的集成，由此当设计模型结构尺寸修改后，参数关联模型更新数据，并利用编程语言自动实现对数据的提取和对APDL命令流文件的修改，从而保证分析模型与设计模型的同步变化，反之亦然，最终实现了设计与分析工作的并行化。

四、结论

通过以上的研究分析可知，基于参数关联模型的门式启闭机CAD/CAE集成具有以下特点：

第一，门机分解为设计模型(CAD模型)、分析模型(有限元模型)和参数关联模型3个模块，彼此间既相互独立，又通过信息传递建立联系，形成了一个开放式结构，可方便地采用参数关联模型驱动由其他工程软件和分析工具建立的分析模型，实现后期不同侧面分析的要求。

第二，参数关联模型与设计模型和分析模型建立映射，实现了信息共享，在建立任一模型的同时，直接生成另一个模型，实现了模型的实时建立。

第三，由参数关联模型参数驱动几何引擎生成几何模型对象，实现关联模型到几何模型直接映射，和关联模型操作几何模型的逆向操作。从而改变了几何模型到关联模型的单向性，实现了几何模型与关联模型的实时交互。

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