基于CATIA的真空张力辊虚拟设计

柴 源，丁 茹，费玉石

(1．沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159;2．中航世新燃气轮机股份有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110043)

0 前言

虚拟设计技术是采用信息技术完成新产品整个开发的过程，其核心是利用先进的CAD建模技术和多体系统运动与动力学建模技术。基于计算机仿真建立产品数字模型，数字模型即电子样机。电子样机将不同工程领域的开发模型结合在一起，从外观、功能和行为上模拟真实产品，使设计者实时了解产品的设计进度。

传统的机械结构设计采用二维设计方法，主要靠经验和类比同型机器，三维设计避免了周期长、反复性大、可靠性差、设计精度和质量难以保证的不足。借助CATIA软件进行真空张力辊的虚拟设计，不仅可真实地反应真空辊的几何形状，通过装配体还能反应各部件的空间位置，进而有效地检测工作装置各部件间是否发生干涉与碰撞，还可以进行结构的运动分析以及有限元的分析计算。同时，CATIA软件还可以完成参数化设计，可为今后新产品的开发创建基础模型，提高设计的重复性，缩短变形产品的设计周期，降低产品成本。因此，研究真空张力辊的虚拟设计具有重要的实用价值。

1 虚拟设计流程

应用CATIA进行虚拟设计，首先要明确设计任务，初步确定产品设计方案，然后细化，进行具体结构设计，分析计算零部件的尺寸，对零件建模，然后组装零件，形成装配体，并进行相应的干涉检查，必要时进行碰撞检查;对关键的零部件进行有限元计算分析，最后制作加工图纸，交给客户，具体设计流程，如图1所示。

图1 虚拟设计流程图Fig.1 Flow chart of virtual design

2 设计步骤

2.1 真空张力辊的结构

真空张力辊的结构如图2所示，主要由机架、支撑牌坊、真空辊部件装配、减速器、制动器、传动装置以及动力装置所组成。其工作过程为由西门子电机输出动力，经过减速器－传动轴－齿轮轴，经过内啮合齿轮减速，使辊壳平稳运转。交流电机带动丝杠可对真空室宽度任意调整，在电机输出端装有制动器，起到安全保护作用。

图2 真空张力辊总成Fig.2 Assembly of vacuum tension roller

2.2 实体建模

CATIA具有先进的混合建模技术，能对设计对象进行混合建模:在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作;变量和参数化混合建模:在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力，而且可促进企业对产品的创新设计。对不符合设计开发要求的产品，采用直接修改特征模型或关系来实现同种零件不同参数的设计。

CATIA提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式成为可能，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连。由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新，实现真正的并行工程设计环境。同时CATIA软件的外接插件可以快速生成某些标准件，如轴承、螺栓等，利用齿轮插件可快速生成齿轮模型，如图3所示。然后在对其进行拉伸、切除、阵列等特征操作。

图3 内啮合齿轮零件模型Fig.3 Model of inside engaged gear

2.3 装配

装配设计分为自下向上和自上向下设计两种方法。自下向上是一种局部到整体的设计方法，当装配体中含有较多重复出现的零部件时，或装配体零部件间的配合关系较为简单时，优先考虑此方法;自上向下设计是由整体到局部的设计方法，此方法适用于相互配合复杂、相互影响配合关系较多，多数零部件外形尺寸未定的装配体。两种方法也可以结合使用，使设计更为简便。

本设计中，通过CATIA的装配功能，不但能够将各零件按照设计要求装配在一起，在反应产品装配顺序的基础上还能对装配过程中出现的干涉现象进行检查。由于真空张力辊零部件较多，而且有重复零件，配合关系较为复杂，某些零件尺寸不易确定，因此采用自上向下和自下向上结合的装配设计方法。装配时，首先确定机架为固定部件，再依次导入其它已建好的零部件，对于尺寸不易确定的零件，可以利用零件间的关系生成新零件。导入零件后，要使零件达到精确配合，必须建立准确地装配约束。在装配体设计模块中，系统提供了包括同轴、重合、角度、距离等标准配合，可以使用这些配合精确地放置实体，整个装配过程犹如在实际生产中进行实物组装一样。本设计要注意齿轮组的配合和真空辊部装内部各零部件的装配关系，否则会导致装配上的干涉。

CATIA对装配体进行的检查主要有干涉检查和碰撞检查，用来检查装配体各零部件装配后的正确性，可判断零件间是否有干涉，保证任意两个零件在空间上不出现相互重叠的现象。通过移动或旋转来检查零部件的间隙，避免实物安装时产生干涉，发现问题及时对数模进行修改，直到获得满意效果，从工作装置虚拟装配的过程可以看出，整个过程完全符合实际生产中进行的组装过程。

为了能清楚形象地查看装配中各部件间的装配关系，在完成装配后，可用爆炸图将其装配的各部件按照预先设定的方向和距离自动爆炸分离。通过Ass装配模块下的爆炸视图中的选项对真空张力辊部装创建爆炸图，如图4所示。

图4 真空辊部装爆炸图Fig.4 Exploded viws of vacuum roller

3.4 有限元分析

在真空张力辊工作过程中，真空辊辊壳通过内部的真空室形成真空(低于1标准大气压)，辊壳内外形成压力差，带材被吸附到真空辊壳体上。辊壳是真空辊工作过程中与带材直接接触的部件，因此需对壳体进行有限元分析，验证其工作时能够保证一定强度。在进行有限元分析前，先将所建模型简化，忽略圆角、倒角以及表面钻孔等设计细节。通过CATIA混合设计功能，将零部件设计模块转到分析与模拟模块，在辊壳两端添加约束，在辊壳表面施加均布载荷，划分网格后，进行有限元计算分析，得到真空辊壳应力分布情况和变形状况，计算出危险点的应力及应变，如图5、6所示。有限元分析为真空辊辊壳的设计提供指导，同时对设计是否合理进行了快速的评估。

2.5 工程图

尽管随着科学技术的发展，三维设计有了很大的提高与进步，但三维模型并不能将所有的设计参数表达清楚，有些信息，如加工精度、形位公差、表面粗糙度等仍需要借助二维工程图来将其表达清楚，因此工程图的创建是三维设计中的重要环节。

CATIA制图产品是2D线框和标注产品的一个扩展。制图产品使用户可以方便地建立工程图样，并为文本、尺寸标注、客户化标准、2D参数化和2D浏览功能提供一整套工具。利用模型文件可快速自动转换成工程图文件，和传统的计算机辅助绘图相比，利用模型文件生成的工程图只需要简单地指定投影方向，插入模型的尺寸或添加其它的工程图细节，就可完成工程图的操作。经过转换的图形十分精确，并且可生成各种视图，如剖视图、轴测图、局部放大图等。通过设置图纸的大小，填写标题栏等操作，可生成符合机械制图标准的二维工程图，如图7所示。

图7 真空张力辊工程图Fig.7 Engineering drawing of vacuum tension roller

3 结论

基于CATIA的真空张力辊的虚拟设计充分利用了CATIA三维软件的强大功能，实现对真空张力辊的虚拟设计，为探索真空张力辊新的设计方法提供了良好的途径，应用此技术可及早发现设计中的错误，降低设计成本，提升产品质量。实践表明基于CATIA的软件虚拟设计技术在真空张力辊的设计具有良好应用前景，虚拟设计技术可广泛地应用在各类行业的设计中。

［1］ 薛建华，安秀．论虚拟设计在现代产品开发中的重要作用［J］．计算机技术与发展，2006，16(11):182－184．

［2］ 袁名松，迟毅林，张淼．虚拟设计发展现状及未来发展方向［J］．昆明理工大学学报，2002，27(5):21－26．

［3］ 刘宏增，黄靖远．虚拟设计［M］．北京:机械工业出版社，1999．

［4］ 盛选禹，盛选军．CATIA V5基础与实例教程［M］．北京:化学工业出版社，2009．

［5］ 盛选禹．CATIA V5运动和动力分析［M］．北京:化学工业出版社，2008．

［6］ 王霄，刘会霞．CATIA V5R17高级设计实例教程［M］．北京:冶金工业出版社，2006．