基于MBD的零件仿真信息三维标注方法研究*

谢宏成,曹文钢,姜 康

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

基于MBD的零件仿真信息三维标注方法研究*

谢宏成,曹文钢,姜 康

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

MBD技术能对零件仿真信息进行完整的数字化定义,提出了基于MBD的零件仿真信息三维标注方法。将零件仿真信息进行分类与整理,设计了各种MBD仿真信息符号,并通过编程实现对零件三维标注信息的自动表达。

MBD;仿真信息;符号;三维标注;自动表达

0 引 言

MBD,基于模型的定义(Model Based Definition)弥合了三维模型直接用于制造的间隙。实际上, MBD是一种基于3D的产品数字化标注技术,它采用三维数字化模型对产品数字化信息的完整描述[1]。这项技术由波音公司率先应用于飞机制造上,并且收到了显著的成果,这才有了新一代数字化模型的定义。MBD技术是最近几年在国内慢慢发展起来,我国的MBD技术随着越来越多人力物力的投入也日趋成熟。其核心思想是:全三维基于特征的表述方法,基于文档的过程驱动使用人员仅需一个数模即可获取全部信息,减少了对其他信息系统的过度依赖,使设计/制造厂之间的信息交换可不完全依赖信息系统的集成而保持有效连接。产品信息种类繁多主要包括设计信息、工艺信息、仿真信息等。本文主要讨论的是产品的仿真信息三维标注方法[2]。随着CAD与CAE技术的平行发展,二者的结合也越来越紧密。因此现代制造业的发展过程中,CAD/CAE技术渐渐成为了制造业中的主流技术。传统的产品CAE仿真分析过程繁琐,包括CAE前期处理,中期处理和后期处理。尤其是前期处理模型的构建,约束的施加,网格的划分都占据了仿真分析人员的大量时间。CAD/ CAE转换接口能够实现二者的过度衔接。笔者将讨论CAD/CAE转换接口实现的前期环节即在Proe上实现仿真信息的三维标注。

1 Proe模型构建

为了让读者在了解仿真信息标注方法的同时又能使标注符号清晰明确,因此采用带有简单特征的杆状零件。如图1所示。

图1 杆状零件图

2 仿真信息分类

CAE仿真分析之所以费时费力,因为要考虑的因素繁多,且不同情况下CAE的分析处理也不尽相同。但无论零件所受的环境影响如何,不外乎以下几种情况分别为:尺寸,公差,约束,力,力矩,位移,装夹,材料和载荷。

从以上几方面来对CAE仿真分析信息加以说明。其中尺寸信息是最基本的信息,它反应了零件的整体结构,是保证分析有效性的前提,因此我们应率先保证此类信息的标注准确性,其标注方法与传统三维零件标注基本相同。接下来是公差信息,它主要影响零件的配合精度,形位公差符号由形位公差手册查得,标注方法与在二维图纸上标注类似。约束信息是CAE仿真分析中一种比较常见的信息,尤其是固定约束与位置约束,在其他零件 MBD信息中很少见[3]。它们的三维标注符号与使用方式将在后面加以说明。力与力矩在MBD三维标注中又有其特殊性,尤其是力的种类繁多像分布力、集中力等都有不同的三维表达,在后文中将加以体现。位移体现了零件在某个方向的移动,其包含了方向、速度、加速度三个方面信息,其三维标注也将从这三个方面入手体现零件的位移信息。装夹信息多体现零件的可加工性,仿真分析时很少涉及,因此这里只略带说明。材料信息在CAE仿真分析中所占的比重很小且在仿真分析中很容易解决,所以这里不将其三维标注放在Proe中解决,而是在CAE处理软件中自行解决,这样更能提高CAD/CAE结合的效率,减少工作人员的时间。

3 仿真信息符号

将着重讨论上文提到的9类仿真信息的标注符号与方式。以图1所给的模型为例,首先是尺寸信息,如图2所示,由图可以看出其标注方法与三维零件尺寸标注类似。尺寸线、尺寸界线、箭头以及字体的高度都与二维图纸中的国标相同,其中尺寸线与尺寸界线标注规范参考标准(GB/T4458.4-2003)。字体标注规范参考标准GB2312,标注所用线条标注规范参考标准(GB/T4457.4-2001)。

公差在三维图上的标注方法与在二维图上标注类似,形状公差标注规范参考标准(GB/T4458.5-2003),位置公差标注规范参考标准(GB/T4458.5-2003)。由于CAE仿真分析很少涉及到对公差提出硬性要求,因此这里将不以图例的形式展出而是以国家标准的形式给出。约束在仿真分析时比较常见,常见的约束有位置约束、固定约束、水平约束、垂直约束、平行约束等。其中尤以位置约束与固定约束比较常见,位置约束符号由三角图形符号与方位数值组成,其中等边三角图形的上顶点代表位置约束方向,下方是方位数值,它由三部分组成,第一部分是字母符号,文章采用U表示。第二部分是数值,第三部分是单位。固定约束由三个正三角形组成,代表三个方向同时被约束,即固定[4]。位置约束与固定约束一般标注在零件底部来与其它仿真信息进行区分。所有零件都会受到力或力矩的影响,零件所受力的种类不同时CAE分析结果也大不相同,为此必须对零件所受力的种类进行分类其中集中力一般标注在零件表面上,箭头指示作用点,数值部分由三部分组成分别是符号、数值与单位[5]。为了使标注符号能够显得更加清晰体力一般标注在零件实体一侧,箭头代表体力方向,数值部分同样由三部分组成。分布力分为两种,一种是渐变式分布力,另一种是函数分布力。渐变式分布力的数值部分由符号、初始值、递增(或递减)值、单位组成。函数分布力数值部分则由幅值符号、幅值、单位、相位符号、相位值组成[6]。这两种分布力都标注在零件表面。扭矩符号数值部分由符号、数值、单位组成。其一般标注在零件外侧顶部,来显示零件所受扭矩方向。位移信息同样也分为三种,分别是位移、速度、加速度。为了清楚表达零件仿真信息三维标注符号,位移、速度、加速度符号一般标注在零件实体外侧与体力符号标注类似[7]。它们的数值部分也是由三部分组成,分别是符号、数值与单位。装夹与材料信息在第二节中已经进行了说明这里不再缀余。这里所说的载荷信息是指零件所受冲击与交变载荷等复杂载荷。这里不单独列出其仿真信息三维标注符号是因为当零件受到复杂载荷影响时,其相应物理量必然发生改变[8-9]。比如说位移、速度、加速度发生改变,因此此类信息的三维仿真标注可归结到位移信息标注里。至此基于MBD仿真信息三维标注方法已全部说明,下面给出整体标注完成实例如图3所示。

图2 尺寸标注图

图3 仿真信息标注图

4 标注窗口

MBD仿真信息的自动标注是基于Proe的二次开发,这里是通过C++编程语言在Visual Studio编程环境上实现零件仿真信息的自动标注,标注窗口如图4。标注窗口实现了仿真信息的清楚表达,部分编程代码如图5所示。

图4 标注窗口图

图5 代码图

5 结 语

主要研究了CAD/CAE仿真分析的前期部分即MBD仿真信息的三维标注。通过对影响仿真分析的各类信息进行研究,给出了仿真信息三维标注符号与方法。这将为通过CAD模型的导入来实现CAE前处理模型的自动构建提供帮助。

[1] 周秋忠,查浩宇.基于三维标注技术的数字化产品定义方法[J].机械设计,2011(1):33-36.

[2] 潘康华.基于MBD的机械产品三维设计标准关键技术与应用研究[D].北京:机械科学研究总院,2012.

[3] 潘康华.MBD技术的发展历程与展望[J].机械工业标准化与质量,2013(2):15-17.

[4] 将向前.现代产品几何量技术规范国际标准体系[J].机械工程学报,2004,40(12):133-138.

[5] 程五四,陈兴玉,张祥祥,等.面向三维工艺的产品设计制造信息三维标注研究[J].现代设计与先进制造技术,2012(17):51-55.

[6] 周秋忠,范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用[J].航空维修与工程,2008(3):55-57.

[7] Model-based manufacturing.http://www.model-based-enterprise.org,2010.

[8] 卢 鹄,于 勇,杨五兵,等.飞机单一产品数据源集成模型研究[J].航空学报,2010,37(4):836-84.

[9] 丘宏俊.基于知识的飞机装配工艺设计关健技术研究[D].西安:西北工业大学,2006.

Research on 3D Annotation Method of Simulation Information of Parts Based on the MBD

XIE Hong-cheng,CAO Wen-gang,JIANG Kang
(School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei Anhui 230009,China)

The MBD technology can give the complete digital definition to the simulation information of parts;3D annotation method of simulation information of parts based on the MBD is proposed in this paper.Through classification and sorting of the parts′simulation information,variety of the simulation information symbols are designed,and the automatic expression of the parts′3D annotation information is completed through the programming.

MBD;simulation information;symbol;3D annotation;automatic expression

TP371.51

A

1007-4414(2015)05-0005-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.002

2015-06-29

谢宏成(1991-),男,安徽宣城人,研究方向:CAD/CAM。