复杂机械产品CAD/CAE并行开发流程定制及实例应用

石晓梅

（营口职业技术学院，辽宁 营口 115000）

1 CAD/CAE 在复杂机械产品设计中的作用

复杂机械产品从产品设计到产品完成，大致可以分为产品设计、工艺设计、加工装配、产品验收四个重要的阶段。以传统的机械设计生产方式来说，产品设计阶段所消耗的成本最大。在传统的机械设计中，是以手工设计复杂机械产品，用特殊的方式进行计算和画图，然后通过反复修改完成机械产品设计的工作。这个过程耗时长、设计人员耗费的精力多、修改起来十分麻烦，而且传统流程使机械产品的设计所需要消耗的成本极大。将CAD/CAE 技术应用到机械产品设计中，它能用数字的方法自动地完成产品计算分析、性能仿真、优化设计、自动绘图等工作，通过该种方法进行设计，能使设计的产品信息化和集成化，使设计出的产品根据产品需要打破距离限制发送到任何需要设计图的工作岗位。CAD/CAE 目前被广泛地应用到机械设计中，特别是复杂的机械产品设计中，通过CAD/CAE 软件的应用，更能体现出机械产品信息化的重要作用。

2 CAD/CAE 在机械产品设计中的应用流程

CAD/CAE 并行开发是指借用CAD/CAE 类软件，使复杂机械产品的设计与开发流程可以同时进行，通过信息化的方式使复杂的机械设计以成本少、速度快、质量好的方式完成设计和开发的全部工作。本文以设计和开发一款复杂机械设计中常用的齿轮为例，介绍CAD/CAE 软件在复杂机械产品设计的全部流程。

2.1 选用Pro/E 设计

根据机械设计的要求，该次设计选用Pro/E 软件，该软件是根据CAD/CAE/CAM 领域的新标准设计出的专门满足机械设计需要的软件。

1）标准的参数设计。在设计和绘图时，要求用户直接输入大量的标准参数，软件能根据用户给出的参数不断设计出模型，用户通过不断地修正参数来完成产品的开发，通过该种方式能完成设计和生产一体化的过程，实现CAD/CAE 并行开发的过程。

2）使用模块化设计。在复杂机械产品设计的过程中，有数种绘图要求，比如任务规划、概念设计、结构设计、工程分析等不同流程。在不同的流程中，绘制图的细节也有区别，该款软件针对机械设计的需要，用模块化的方式区分各个设计与生产的绘图方式，通过模块化的方式绘制图形，让它能在不改变原图设计的情况下，使设计出的产品能直观地表现出不同的效果。

3）智能生产模型。用户在完成参数设计的绘制工作后，会根据机械设计的一些特点，要求用户给予一些常用的模型参数，只要用户能够完成参数设定，软件就可智能地生成需要的模型。同样，如果用户对设计出的齿轮不满意，则可不断修正参数，直到满足用户的需求为止。

4）实用的工具包。该软件提供了大量的工具包，用户在设计时可以根据工具包用不同的角度对设计出的作品进行观察和调整，它形成的工具包能让用户非常直观地、全方位地看到产品设计的效果，并随时可对产品进行修改，直到产品设计真正满足用户的需求。

2.2 使用齿轮渐开线生成原理完成齿轮设计

1）齿轮渐开线参数设计

渐开线公式为：rk=rb/cosα；θk=tanαk-αk。根据机械设计设计标准与专用的设计公式及渐开线原理，此次使用齿轮渐开线原理对齿轮设计的参数如表1。

表1 新齿轮设计的参数

2）在软件中设计参数

打开软件，点击工具栏中“新建”文件的菜单，选择helical_gear 零件模块，调出相关的文件，根据模块设计好的数据参数进行填写，其填写结果如图1。

3）绘制齿轮曲线

打开“草图”绘制工具栏，根据设计要求填写齿轮的圆曲线参数；点击“圆曲线”，根据以上设计的渐开线原理及设定的参数填写相关的参数；在基准轴、基准面、基准点中一一输入以上渐开线中设计出的参数；在镜像齿轮廓中填写渐开线设计中设定的参数。

图1 填写结果

4）完成3D 草绘设计

在以上参数完成后，点选“拉伸”，软件完成草绘的圆柱体，此时软件自动完成齿轮的草绘工作。用户在完成产品设计时，可以一边填写参数一次移动或旋转设计图，看是否满足自己的需求。完成草绘后，在“从边创建图元”的菜单中选择“环”，齿根圆曲线选“圆角”；齿根圆的设计参数为LONGTH=B。

5）轮齿设计效果

点击“草绘约束器”设定半径的参数为r=0.38mn，此参数为轮齿设计要求的参数，以两圆角半径相等的方式修剪圆角。转动轮齿的角度，设定齿轮端面轮廓的关系为 ：theta=2*b*tan（beta）*180/（pi*d）。完成齿廓时，可以根据原先设定的要求在软件中填写参数，其填写参数为渐开线原理设计的参数，其2D 的效果图为图2，在完成齿廓设计时，将轮齿的设计参数定义为“阵列”，方式选为“轴”。

6）轴孔的设计效果

轴孔的设计效果全部依照生产要求与设计标准直接进行参数输入，其参数如图3。

7）成品图设计效果

在完成所有的参数设置后，软件自动绘制出需要的3D 效果图，如果用户不满足成品的效果，可以修改参数重新调整设计，成品图如图4。

图2 2D 效果图

图3 轴孔参数

图4 成品图

2.3 CAE 完成产品封装

Pro/E5.0 以上便有集成CAE 封装的功能，是指软件在完成绘图工作以后，不仅保留有绘制的3D 效果图，还将各种设定的数据集成到相关的数据库里，以便在设计初评未达成满意的设计效果时随时可对参数进行调整，让软件对绘图进行修正。

3 机械产品CAD/CAE 并行开发流程评估

在机械产品中进行CAD/CAE 对产品进行设计时，可以一边设计一边对产品进行开发。这是指软件具有智能绘图的功能，它可以一边设计，一边评估，设计与开发并行。在机械设计与开发的过程中，有两个关键的评审，一个为设计评审，一个为分析评审。以齿轮设计为例，在产品完成设计进入设计评审阶段时，无论产品设计能否满足要求，它都可对产品设计进行评估，如果评估结果不合格，它就要从“齿轮渐开线参数设计”的环节开始，重新分析齿轮的需求，对参数重新进行设计，直到绘制的结果评审合格进入下一个阶段。当产品设计到分析评审阶段时，它可以对目前设计的结果是否满足机械设计的需要进行评估，考虑产品是进行设计评审阶段，还是直接再进入“齿轮渐开线参数设计”重新设计。齿轮的CAD/CAE 并行开发的流程方式如图5。

图5 流程图

通过使用CAD/CAE，可以实现复杂机械产品的设计与开发并行的流程，通过齿轮的设计与开发并行流程实例，证明应用该种设计方式方法能节省大量精力、成本、时间，同时能精准地保证设计的质量，使机械产品生产时，能提高效益。

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