基于Pro/E行为建模的型材结构优化设计

葛炜

（西子奥的斯电梯有限公司，杭州310019）

0引 言

行为建模（Behavioral Modeling）功能是PTC软件中特有的功能。它是一个功能扩展模块，其目的是使CAD软件不但能用于造型，更重要的是能用于智能设计，寻找最优解决方案。同时它也是一种参数设计分析工具，在特定设计意图和设计约束前提下，经一系列测试参数迭代运算后，为设计人员提供最佳的设计建议［1］。

现有对行为建模的应用主要集中在产品特征的优化，如容器容积的优化设计［2-3］。本文将行为建模的方法拓展到型材设计当中去，在实现产品性能达到目标的情况下，实现了产品成本的最优。

1 行为建模功能

Pro/E的行为建模模块可以对模型进行多种分析，包括物理性质、运动情况等测量，将分析结果反馈到模型，并自动修改设计。具体分析有：敏感度分析、可行性/优化分析、多目标设计研究。其中优化分析只适用于一个设计目标，多目标设计研究可以用于解决多个设计目标的优化问题。

2 行为建模的一般步骤

行为建模的一般过程如图1所示［4］。

分析特征属于基准特征的一种，包括基于模型测量和分析的特征参数、几何图元。其目的是对要设计优化或是可行的参数进行分析。

敏感度分析用于分析获取尺寸或者参数对设计目标的影响程度，减少优化参数数量和参数范围，从而加快设计速度。

可行性/优化分析是使系统计算出一些特殊尺寸值且满足某些指定约束，并从中找出可行的解决方案。

图1 行为建模的一般步骤

多目标设计研究侧重于处理大量设计变量与设计约束产生矛盾和众多设计目标的情况，并找出最优设计。

3 型材结构优化设计应用

3.1 设计案例

要求设计一个外形尺寸为30 mm×168 mm×1 500 mm的铝型材，满足在5 000 N/m2均布载荷的作用下变形不超过3 mm，且重量最轻。

3.2 建立设计模型

建立图2所示初始模型。

图2 初始模型

型材可视为简支梁，简支梁挠度计算公式为

式中：q为均布载荷大小；l为型材受载荷方向长度；E为材料弹性模量；I为惯性矩。

根据式（1）求得满足挠度要求下的型材最小惯性矩为 2.56×105mm4。

3.3 建立分析特征

对型材的截面属性进行分析。如图3所示，打开分析→横截面质量属性→选择横截面所在平面→选择特征。在特征选项卡中勾选横截面面积和主惯性矩（最小）两个选项。根据分析可得，初始模型的主惯性矩在（2.85～6.13）×105mm4之间，大于目标惯性矩。

图3 横截面属性界面

3.4 敏感度分析

通过敏感度分析找到各个参数的合适范围。打开分析→敏感度分析→选择变量尺寸→输入范围→选择出图用的参数MININERTIA（主惯性矩）。按以上步骤，对图4中的所有尺寸进行敏感度分析，可以得到图5所示两大类结果。

图4 敏感度分析界面

图5 敏感度分析结果

从第一张敏感度图中可以看到该尺寸的变化对主惯性矩影响是一条直线，这也就意味这个尺寸的变化与主惯性矩的大小基本无关，可以不将该尺寸放入到后续的分析中，以减少总参数量。

从第二张敏感度图中可以看到该尺寸的变化对主惯性矩的影响是一条斜线，这意味着这个尺寸的变化和主惯性矩的大小是线性相关的，需要将该尺寸纳入到后续的分析中去。

3.5 可行性/优化分析

在 可 行 性/优化分析对话框中选择可行性分析，并在设计约束中添加MININERTIA（ 主惯性矩）不小于2.56×105mm4这一约束条件。在设计变量中添加所有相关联的尺寸。进行计算→系统提示已找到可行解决方案。

接着在可行性/优化分析对话框中选择优化分析，在目标中选择“最小化”“AREA:SECTION”,将优化目标设定为型材的截面积最小。计算后得到图6所示优化目标收敛图，表明优化设计已完成。退出优化/可行性界面，可以得到图7所示优化后的型材形状。

图6 优化目标收敛图

图7 优化后型材形状

4结 语

型材在机械设计中应用相当广泛，Pro/E的行为建模技术为这类产品的优化设计提供了解决方案。在竞争激烈的今天，好的产品不仅仅需要具有良好的性能，更需要实现最优的性价比。

［1］魏艳春，蹇兴东，史庆春.Pro/E的行为建模技术［J］.组合机床与自动化加工技术，2006（ 12）：25－28.

［2］邓发云.Pro/E行为建模技术在容器设计中的应用［J］.机械管理开发，2010，25（ 2）：193－196.

［3］周建华.三维参数化行为建模技术在包装容器优化设计中的应用研究［ J］.包装工程，2005，26（ 4）：76－78.

［4］佟河亭，李超，王炳强.Pro/ENGINEER WILDFIRE 4.0机构运动仿真和动力分析［M］.北京：人民邮电出版社，2009：178.