全柔性化CAD系统在系列产品结构设计中的应用研究

徐 彬，张海燕

(广东工业大学 机械工程学院，广东 广州 510006)

0 引言

产品设计是制造业的灵魂，产品的生产周期主要由产品前期的设计过程决定。缩短产品设计周期常用的方法有产品结构的模块化、零部件的系列化、运用并行工程等。T-FLEX CAD/CAM是俄罗斯TOP Systems Ltd开发并广泛运用于制造业的计算机辅助系统，它结合参数化CAD技术，关联设计对象，通过参数或变量关系表达式控制图形的表达，通过参数变化可实时地驱动二维工程图和三维造型的变化；可通过变量之间的关系实现整套模型的变化，实现柔性化设计，以缩短设计周期。

1 T-FLEX CAD主要特征

图形绘制时，基于目标尺寸绘制底层构造线进行定位，利用图形线连接构造线上的结点实现图形的显示。构造线不仅是图素的定位依据，也约束了图素之间的关系，这样整个图形的变化依赖于构造线的变化。构造线可通过变量及相关表达式进行约束和控制，即T-FLEX CAD柔性的参数化设置，在绘制构造线时设定变量并赋值，建立尺寸参数表。通过编辑变量值，可在保持原有几何约束的情况下，驱动相关构造线联动变化来变换图形，得到目标的二维工程图和三维图形。

利用T-FLEX CAD绘制三维图形可直接进行三维建模，也可通过二维工程图拓展，利用其多个视图之间的配合直接引申到三维空间，经过对应的三维运算功能建立模型。两种方法都可以基于变量设置尺寸和驱动尺寸获得新的模型及其工程图。第二种方法修改二维工程图时，可以实时更新三维造型的变化，能够更加清晰地观察图形变换，便于更立体的思考和更直观的修改。

动态模拟和仿真是分析机构运动、干涉检验的重要环节。T-FLEX CAD系统的动态模拟等功能基于其参数化的特性，使用变量编辑器对运动目标变量进行选择设置。在合理的范围内，给变量参数设置运动的起始坐标，就可完成符合机械运动规律的轨迹仿真设置，操作步骤更加简便。

2 共享单车主要结构参数设计

本文以共享单车为例，利用T-FLEX CAD 进行单车的柔性化研究，以解决共享单车规格单一的问题。本文拟以身高为基准，确定单车结构参数，进行共享单车的系列化设计。

2.1 建立人体数据指数表

依照GB 10000—88中国成年人体尺寸表，统计相关参数得出对应身高的尺寸指数表[(躯干长度/身高)*100]，如表1所示

表1 身高尺寸指数表 %

2.2 自行车尺寸参数确立

自行车设计主要考虑骑行的舒适度和安全因素、车辆结构是否符合人体运动学规律等。自行车设计应考虑以下三个因素：①鞍座与中轴的距离；②鞍座与把手的距离；③鞍座与地面的高度要求。以此为基础设计自行车结构参数。

2.2.1 基于经验法部分基础尺寸的确立

结合人体结构数据统计，根据常用经验方法，可以确定部分基本尺寸：车把长度b=0.225L；车轮半径R=0.2L；曲柄L3=0.1L；座管h1、头管h2设置为0.05L，可调范围为0.1L。

2.2.2 基于人体结构的关键尺寸确立

结合人体关节结构分析，理想的骑行姿势各关节运动角度区间为：膝关节角度θ2最大为130°，躯干与鞍座水平面的夹角θ3为20°～60°，躯干与手臂之间的角度θ4为90°～120°，肘关节角θ5为95°～180°。自行车及骑行姿势注释如图1所示，具体角度值可结合设计需求进行选取。

(1) 鞍座与中轴距离为座管h1与立管L4的长度之和。曲柄L3、鞍座到中轴的距离h1+L4、大腿L1以及小腿L2构成一个曲柄摇杆机构，当曲柄与立管共线时，取最大膝关节角度130°时可得鞍座到中轴最适合人体的长度距离，由此确定立管长度，保障自行车结构合理。由几何关系得:

代入相关尺寸可得立管长度L4=0.302L。

(2) 鞍座与地面的高度H=h3+h4,根据国家自行车安全要求当踏板处于最低端与地面距离应大于95×R/330，即为0.06L,结合单车设计经验，立管倾斜角度θ1=70°。h3=L3+0.06L=0.16L，h4=L4×sinθ1=0.283L，所以H=0.443L，小于腿长的95%，符合高度要求。

(3) 当躯干与车架形成近似直角三角形时(如图1所示)，车把与鞍座水平距离L7最短:

L7=L5cosθ3+Lacos(180°-θ3-θ4)+Lbcos(θ5-θ3-θ4)=0.452L.

(4) 车架水平管L8由车轮半径、曲柄长度以及曲柄与车轮的间隙组成，根据国标规定自行车曲柄与车轮的间隙应不小于89 mm,设置为0.08L，可得平叉在水平方向的长度为0.38L。因为平叉与竖直方向的夹角和立管的倾斜角相等，为θ1=70°，则可得:

L8=0.38L÷sinθ1=0.404L.

综合以上计算，单车尺寸运算公式如表2所示，确定尺寸之间的关系后，利用T-FLEX CAD进行自行车零件库的柔性化绘制。

图1 自行车及骑行姿势注释

3 建立柔性的自行车零件库

3.1 零件图形与三维造型

根据表2中的参数关系，设置参数变量来确定结构线尺寸，通过目标结点的连接绘制图形线，从而完成车架的二维工程图设计，如图2(a)所示。

基于T-FLEX CAD建立二维工程图，以此为基础完成三维实体的造型。首先确定定位结点在三维空间中的位置，作为图形在空间定位的基准和立体面之间的相对距离。定位结点在三视图中的对应位置有三点，拾取其中两点确定该点的空间位置，以此来确定车架在空间中的放置位置。其次，选择需要三维变换的轮廓面，将车架二维工程图中需要进行三维运算的轮廓面依次放置在定位结点的空间位置上，对轮廓面进行拉伸旋转等相应的处理，得到柔性化的三维构造图，这样在改变二维图形中的结点位置时，可驱动三维图形也随之变化。

表2 单车尺寸运算公式

3.2 零件变量表的建立和柔性变换

依据表2中确定的关键参数，设置其他相关参数，在变量表中建立参数之间的关系表达式。如需要选择不同身高区间时，可以采用下拉式的菜单来选择身高数据列表中对应的参数，同时其他关联尺寸数值也随之改变，如图2(b)所示，参数驱动图形产生相应的变化，获得该规格下零部件的二维和三维图形。

图2 零部件绘制及变量参数表

针对特殊需求，可以对参数列表中关键尺寸参数或表达式进行编辑以实现个性化设计。例如客户对大车轮有偏好时，只需修改车轮系数为0.25，则与车轮半径相关的参数会产生相应的变换，达到该条件下自行车的适当尺寸，保证零部件之间不会产生干涉。平叉尺寸L8与其相关联曲柄尺寸L3、立管倾角θ1、轮胎半径R的关系表达式为：L8=(0.08L+R+L3)÷sin(75°-θ1) ，当对个人偏好尺寸参数R产生修改时，L8产生联动变化，保证在水平方向上自行车曲柄与车轮间隙仍然符合国家标准，既满足了设定的约束，也保证了设计的灵活性，相应图形变化如图3所示。

4 自行车管静力分析与材料选择

考虑车架朝轻量化发展的趋势以及经济性，本文拟选用密度小的镁合金作为车架的材料。目前铬钼钢应用最为广泛，现将铬钼钢和镁合金性能进行比较，以观察镁合金材料的适用性与经济性，材料相关特性如表3所示。

图3 参数修改时相应的图形变化

材料密度(kg/m3)屈服强度(MPa)弹性模量(GPa)泊松比铬钼钢7 8007002000.3镁合金1 800169450.35

据GB 10000—88可知，人体重的99分位最高为83 kg,为满足更多人群需求，设定承重为90 kg。据国家安全标准设定自行车前管受力为100 N,座垫受力为800 N。用ANSYS 14.0进行建模，通过仿真来分析不同材料车架的自行车在正常负载下的工作情况，分析结果如图4～图7所示。

由图4～图7分析结果可知：铬钼钢和镁合金材料最大位移量分别为0.118×10-6m和0.521×10-6m，远小于自行车标准的最大变形量5 mm,满足刚度要求；两种材料在相同的车架尺寸和结构下，其最大应力分别为13 817.2 Pa和13 606.3 Pa,均远小于其自身的屈服强度700 MPa和169 MPa,两者的最大应力位置相同,均处于车立管与辅助下管相交的位置，可通过倒圆角来减小应力集中。

图4 铬钼钢车架变形云图

图5镁合金车架变形云图图6铬钼钢车架应力云图图7镁合金车架应力云图

材料性能上两者均可满足自行车的结构要求，市场上镁合金价格为铬钼钢的3倍～4倍，铬钼钢的密度为镁合金的4倍左右，材料成本差别小，考虑到轻量化可选用镁合金作为自行车主要材料。

此外，如果设计的结构参数不能满足受力要求，可以对T-FLEX CAD绘图参数数据表中的变量参数直接进行调整，快速完成图形的修改，然后进行仿真分析，如此反复直至满足目标任务的结构要求，避免了图形需要不断重新绘制的麻烦。

5 结束语

基于T-FLEX CAD全柔性化的特点，以解决共享单车规格单一问题为例，并进行产品系列化研究。根据人体工程学知识推算尺寸间的关系表达式，运用T-FLEX CAD绘制参数化自行车零部件图库；并利用ANSYS进行结构分析，并进行材料的选择和结构参数的合理性检测，完成单车的柔性化设计研究，为以后的柔性化设计提供了一个新的研究思路。