叠板式多缸薄板成型液压机参数化设计

朱振华+李吉萍+张瑞

摘要： 在已有的300 MN多缸薄板成型液压机的基础上，运用基于VB的SolidWorks二次开发方法与自顶向下完全建模技术，通过驱动模型关键尺寸参数，对新产品进行参数化设计，并用ANSYS仿真优化.通过参数化设计可使该类产品系列化，提高新产品研发速度，促进该类型产品的国产化.

关键词： 多缸薄板成型液压机； 产品系列化； 尺寸驱动设计； 自顶向下建模； 二次开发； 有限元

中图分类号： TG315.4 文献标志码： B

0 引 言

薄板成型是一种十分重要的加工工艺，在汽车、航空、装备等工程领域应用广泛.[1]国内薄板成型液压机主要以单缸、双缸为主，结构形式单一，载荷作用不均，导致薄板成型压印深浅不一，质量不稳定，废品率较高.随着成型材料尺寸不断增大，成型工艺要求不断提高，对液压机的要求也越来越高.300 MN多缸薄板成型液压机组设备是一款全新设备，具有结构合理、运行可靠、坚固耐久、灵活稳定、操作简便、压印精度高等优点.此液压机组采用多缸设计，油缸板集成多个短行程高压油缸，从工作台下面向上施加压力，而不是从顶部向下作用的长行程油缸.多缸设计使所需的压力直接均匀产生，所以压印深度统一，可消除应力分布不均匀导致的变形，并采用压力分级设计，以适应不同的板片几何形状.300 MN多缸薄板成型液压机组的技术性能为世界先进水平，对其进行系列化可为该类型产品的国产化奠定坚实的基础.

SolidWorks是目前主流的三维设计软件，其运用参数化设计技术，可通过方程式和宏操作等技术修改模型尺寸参数而获得新模型，但其仍需手工修改尺寸，所以专业知识要求较高，通用性不强，容易混乱，不易操作，设计效率不高.对SolidWorks进行二次开发，设计可视化操作界面使尺寸修改简单从而更加关注整体模型，提高设计效率.SolidWorks的对象模型是一个多层次的对象网格，最高级别的对象类是SldWorks.该对象中已封装诸如OpenDoc2和ActivateDoc2等方法（Methods）.该方法之下还创建如ModelDoc和Frame等子类.每个对象都有自己的属性和方法，可通过调用API函数实现.[2-5]SolidWorks提供几百个API应用程序接口[4-6]，可以使用VB和VC等高级语言对其进行二次开发.SolidWorks自顶向下的建模方法在设计初期便从全局角度明确产品设计意图，即更加专注于产品整体设计，从概念布局到完成零件详细设计，各零件通过一定的属性和特征相互关联.[7]SolidWorks的二次开发是运用基于尺寸驱动的设计方法，使相关产品系列化.尺寸驱动是在产品拓扑结构不变的情况下，把产品的关键尺寸参数定义为尺寸变量，尺寸参数的修改将导致其他相关模块中相关尺寸的全盘更新，从而得到结构相同的一系列产品.[8]采用基于VB的SolidWorks二次开发[9-10]，用人机交互形式建立模型，选择合理的设计变量，通过VB驱动设计变量实现模型的更新，能省去大量的重复建模工作，提高工作效率.

1 参数化设计关键技术

参数化设计技术流程见图1.

在CAD中，参数化设计的关键是参数化建立三维模型，包含诸多几何约束和工程约束.首先从原模型中提取关键参数作为设计变量，然后编写程序通过基于尺寸驱动的方法驱动SolidWorks建立新模型，并用有限元分析软件ANSYS仿真优化，直至得到满足设计要求的产品.参数化建模的过程完全由程序控制，相当于将手动建模过程交由计算机自动完成.完全程序建模的方法特别适合生成具有多个变参数的模型.参数化建模的灵活性强，不需要模型库的支持，可大大缩短人工建模时间.

2 建立三维驱动模型

首先建立需要程序驱动的原三维模型.该模型的建立需要考虑诸多方面，还要特别注意建模顺序、草图几何关系、特征镜像等.所建立的三维模型特征应尽可能简单，参数尺寸尽可能少，最终要达到程序、模型的完美结合.300 MN薄板成型液压机主机本体由叠加式预应力组合框架、上下梳型块、活动梁、工作台、多缸板、下垫板、导向装置、活动梁提升缸、工作台回程缸等部件组成.模型见图2.

3 二次开发用户界面设计

人机交互界面的设计对参数化设计开发非常重要.本文对二次开发用户界面进行窗体划分，使得界面具有明显的层次感，更加人性化，见图3.整个界面划分为5个部分：工具栏可以实现画图、清空等各种功能；模型树窗口可以查看需要建立的零件；模型尺寸显示窗口可以直观方便地查找所需要的参数；模型关键尺寸控制框用于输入相应的参数值；模型螺纹孔尺寸控制区可以对螺纹孔进行编辑.

4 参数化驱动关键参数

参数化建模需要找到影响产品性能的关键参数，将关键参数作为合理的设计变量，并找到关键参数之间的联系.对于多缸薄板成型液压机主机，叠加式预应力组合框架首先要满足一定的强度和刚度要求，框架板的上下基和宽度是关键参数.工作台与活动梁是确保薄板成型精度的重要零部件，与模具接触区域内的总体变形精度控制在0.1 mm以内.工作台与活动梁不仅要满足工艺要求，也要满足一定的刚度和强度要求，其大小与厚度也是关键参数.多缸体是多缸薄板成型液压机主要承力元件之一，集成多个短行程超高压油缸.多缸体油缸的设计要满足载荷均匀性及一定的刚度和强度要求，所以多缸体的尺寸和油缸的排列方式也是关键参数.上下梳型块要满足活动梁的最大行程要求，所以梳齿的高度与厚度也是关键参数.

5 参数化程序代码编写

创建程序变量与函数等，代码如下：

Dim swApp As Object

Dim nassembly As Object

Dim part As Object

Dim longstatus As Long

基于VB的SolidWorks二次开发.创建一个SolidWorks应用对象启动SolidWorks，调用API函数完成相应的建模功能：

Set swApp = CreateObject（"SldWorks.Application"）

swApp.Visible （True）

打开建立的300 MN多缸薄板成型液压机主机三维驱动模型：

Set nassembly = swApp.OpenDoc

Set part = swApp.OpenDoc

激活300 MN多缸薄板成型液压机整机三维装配体模型：

Set nassembly = swApp.ActivateDoc

利用尺寸驱动的方法，驱动300 MN多缸薄板成型液压机三维模型底层数据（以建立250 MN多缸薄板成型液压机为例）：

part.parameter（"D1"）.systemvalue = Val（Text1.Text） / 1000

底层数据传递完成，重新建模生成250 MN多缸薄板成型液压机三维模型：

nassembly.EditRebuild

保存建好的250 MN多缸薄板成型液压机三维模型：

longstatus = nassembly.SaveAs3

6 参数化生成模型仿真分析

利用有限元仿真，采用准静态分析方法，对整台液压机进行分析，确保该设计参数满足设计要求.

6.1 多缸薄板成型液压机主机数值仿真分析

按照液压机设计的最大吨位25 000 t进行校核.此吨位下要求各个部件的强度满足设计要求，同时确定此吨位下活动梁与工作台在模具接触区域内的变形精度.模具尺寸为3 600 mm×1 600 mm，板片尺寸为3 300 mm×1 300 mm.该工况下整体分析结果以及活动梁/工作台与模具接触区域内的变形精度分析结果见图4～7.

250 MN多缸薄板成型液压机主机整体分析模型的等效应力最大值为301 MPa，各关键零部件的强度满足设计要求，有较高的结构安全因数.活动梁/工作台与模具接触区域的变形精度也在要求的设计范围之内，满足技术参数要求.

对参数化建立的250 MN多缸薄板成型液压机主机进行其他工况的分析，结果依然满足结构刚度与强度要求，活动梁/工作台与模具接触区域的变形精度也在设计要求的范围之内.

6.2 多缸薄板成型液压机主机的系列化

通过设置不同的参数，可以建立一系列多缸薄板成型液压机.对参数化建立的200 MN多缸薄板成型液压机主机进行数值仿真分析，在各种工况下，其均满足结构刚度与强度要求，板片成型精度也在要求的范围之内.

7 结束语

采用基于VB的SolidWorks软件本地化、专业化的二次开发，自建模最初阶段即考虑参数化驱动建模，设计出各方面满足设计强度要求的叠板式多缸薄板成型液压机主机系列产品.

虽然不同客户对叠板式多缸薄板成型液压机主机的最大吨位需求不同，但产品的核心结构、主参数间的相互关系一致.对其进行参数化，可避免每次设计从头开始，以致增加研发成本、延长研发周期.运用参数化设计技术，形成参数化设计软件，可节省设计生产系列产品所需的大量人工和前处理时间，最大限度地缩短产品研发设计周期.其次，对该产品进行系列参数化设计，根据客户的具体需求，选择合适的参数，快速建立三维模型，并进行仿真分析，极大地减少设计工作量，提高设计质量，节约成本，便于进行产品维修，改善售后服务质量.参数化设计可加速该类产品的系列化生产，填补国内空白，提升企业主打产品的市场竞争力.

当然，参数化设计需要在编程及参数化的过程中不断发现建模中的不合理之处，反复修改，以使程序、模型达到完美结合.

参考文献：

[1] 杨立军， 孙荣创. 金属薄板成型的有限元仿真技术[J]. 机床与液压， 2010， 38（6）： 104-106. DOI： 10.3969/j.issn.1001-3881.2010.06.036.

YANG L J， SUN R C. Finite element simulation technology of sheet metal forming[J]. Machine Tool & Hydraulics， 2010， 38（6）： 104-106. DOI： 10.3969/j.issn.1001-3881.2010.06.036.

[2] 吕晓燕， 贾海英， 张晓钟. 基于VB对SolidWorks二次开发方法的研究[J]. 机械设计与制造， 2005（3）： 114-116. DOI： 10.3969/j.issn.1001-3997.2005.03.053.

LYU X Y， JIA H Y， ZHANG X Z. Research of SolidWorks API in its further development based on visual basic[J]. Machinery Design & Manufacture， 2005（3）： 114-116. DOI： 10.3969/j.issn.1001-3997.2005.03.053.

[3] 索超， 李玉翔， 林树忠. 基于VB语言对SolidWorks参数化设计的二次开发[J]. 制造业自动化， 2013， 35（8）： 137-139. DOI： 10.3969/j.issn.1009-0134.2013.15.042.

SUO C， LI Y X， LIN S Z. Secondary development of SolidWorks parametric design based on VB language[J]. Manufacturing Automation， 2013， 35（8）： 137-139. DOI： 10.3969/j.issn.1009-0134.2013.15.042.

[4] 崔虹燕， 陈洁婧， 顾芸. 基于VB的SolidWorks的二次开发与应用[J]. 精密制造与自动化， 2006（4）： 48-50. DOI： 10.3969/j.issn.1009-962X.2006.04.016.

CUI H Y， CHENG J J， GU Y. The secondary development and application of solidworks based on VB[J]. Precise Manufacturing & Automation， 2006（4）： 48-50. DOI： 10.3969/j.issn.1009-962X.2006.04.016.

[5] 沈海荣， 杨勇生， 张军. 基于VB技术的SolidWorks二次开发方法[J]. 计算机辅助工程， 2004， 13（4）： 51-56. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2004.04.013.

SHEN H R， YANG Y S， ZHANG J. SolidWorks API methods based on VB technology[J]. Computer Aided Engineering， 2004， 13（4）： 51-56. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2004.04.013.

[6] SolidWorks公司. SolidWorks高级教程： 二次开发与API[M]. 杭州新迪数字工程系统有限公司， 编译. 北京： 机械工业出版社， 2009： 107-253.

[7] 宋瑞菊， 牛景丽. 基于自顶向下的装配体参数化建模[J]. 现代制造技术与装备， 2009（3）： 33-35. DOI： 10.3969/j.issn.1673-5587.2009.03.015.

SONG R J， NIU J L. Parametric modeling of assembly based on top-down design method[J]. Modern Manufacturing Technology and Equipment， 2009（3）： 33-35. DOI： 10.3969/j.issn.1673-5587.2009.03.015.

[8] 陈璐. 基于SolidWorks的参数化建模[J]. CAD/CAM与制造业信息化， 2007（2）： 72-74. DOI： 10.3969/j.issn.1671-8186.2007.02.027.

CHENG L. SolidWorks parametric design[J]. CAD/CAM &Digital Manufacturing industry， 2007（2）： 72-74. DOI： 10.3969/j.issn.1671-8186.2007.02.027.

[9] 李昌平， 饶建华， 胡俊林. 基于VB.NET的潜孔钻头SolidWorks二次开发系统设计与实现[J]. 制造业自动化， 2013， 35（8）： 96-99. DOI： 10.3969/j.issn.1009-0134.2013.16.029.

LI C P， RAO J H， HU J L. Design and realization of DTH drilling bits SolidWorks secondary development system based on VB.NET[J]. Manufacturing Automation， 2013， 35（8）： 96-99. DOI： 10.3969/j.issn.1009-0134.2013.16.029.

[10] 苟平章， 任小康. Visual Basic程序设计[M]. 北京： 科学出版社， 2008： 60-240.