螺栓CAD-CAE 模型转换自动化技术研究

沈 辉

（浙江吉利汽车研究院有限公司， 浙江 杭州 311228）

0 引言

机械连接是汽车行业最常用的装配方式之一，一辆中小型商用车的紧固件数量往往能达到2000～3000 多个[1]。常用的机械连接主要有螺栓连接、螺钉连接、铆钉连接以及卡扣连接[2]。 螺栓连接的实现在汽车CAE 整车装配过程中至关重要。 而实现螺栓从CAD 几何到CAE 连接模型的转换，是这个过程的第一步。 目前实现螺栓从CAD模型转换为CAE 连接信息的操作方式主要依靠人工，逐一识别螺栓位置，然后测量相关信息，如直径，Washer 尺寸，长度等，最后在对应位置创建商业有限元软件可以识别的Connector 信息。 由于螺栓数量多，造成此项工作极为繁琐耗时。

ANSA 由于其自身优势，近些年来在汽车、航天航空等各领域的CAE 仿真中应用越来越广泛。作为一款通用CAE 前处理软件，ANSA 提供了基于Python 语言的二次开发接口， 让CAE 工程师能够根据自身需求开发定制化的自动化流程[3-6]。

本文基于ANSA 的二次开发接口， 应用python 语言开发了一套实现螺栓从CAD 到CAE 模型转换的自动化工具。 此工具从螺栓的CAD 模型识别获取相关特征参数，以此创建螺栓Connector 信息，同时程序能够自动识别螺栓螺母配对信息， 为实现螺栓装配自动化提供了解决方案。

1 ANSA 二次开发介绍

ANSA 软件除本身强大的快捷操作功能外，还提供了基于Python 语言的二次开发接口和便利的界面开发工具。 为方便用户进行脚本开发，ANSA 还提供了专门的脚本编辑器，如图1 所示。 用户可在编辑器中快速查找API及其使用说明，此外还可直接在编辑器中调试运行脚本，为用户进行定制开发提供了巨大便利。

ANSA 提供了大量的API，利用这些API，用户可通过最短的代码实现许多复杂的操作过程，同时可完成ANSA标准命令中无法直接完成的操作。 ANSA 的API 根据功能不同分为batchmesh、guitk、cad、base、connections、constants、utils、morph、calc、session、taskmanager 11 个模块。

图1 ANSA 脚本编辑器Fig.1 ANSAscript editor

2 螺栓转换自动化流程

实现螺栓装配的自动化，首先需要实现螺栓CAD 到CAE 的快速转换。 ANSA 中螺栓Connector 模型如图2 所示， 螺栓Connector 作为ANSA 的一种连接对象， 通过Connector 可快速实现零部件的连接。 ANSA 创建螺栓Connector 的卡片如图3 所示，从图中可以看出，创建螺栓Connector 的前提要有以下参数：原点X、Y、Z 坐标，螺栓轴向矢量， 螺栓长度， 螺栓直径以及螺栓孔的washer 尺寸。螺栓Connector 创建完成后还需进行螺栓螺母的配对识别，这样方可实现螺栓自动装配。

螺栓CAD 到CAE 模型转换自动化工具的具体开发流程如图4 所示， 流程主要分为两步： 一是创建螺栓Connector 创建；二是螺栓螺母配对识别。

图2 螺栓CAD 与CAE 模型示例Fig.2 Bolt model of CAD and CAE

图3 ANSA 螺栓连接卡片Fig.3 Bolt connector card of ANSA

图4 自动化工具开发流程Fig.4 Development process for automation tool

3 螺栓转换自动化关键技术

3.1 柱坐标系创建

螺栓和螺母通常都是轴对称的，利用这一几何特征，程序开发过程中首先在螺栓原点创建柱坐标系， 并对螺栓几何划分网格，再将单元节点坐标转换到柱坐标系下，以便获取直径和长度。

ANSA 导入CAD 后，在模型浏览器中可查看CAD 相关信息，如螺栓的质心和原点坐标，如图5 所示。

图5 ANSA 模型浏览器Fig.5 ANSA model browser

首先通过程序获取原点和质心坐标， 并计算螺栓的轴向矢量。以螺栓原点坐标为柱坐标系原点，轴向矢量为Z 方向创建局部柱坐标系，如图6 所示。

图6 螺栓柱坐标创建原理Fig.6 Principle of cylindrical coordinate system creation for bolt

3.2 螺栓螺母识别

由于螺栓螺母直径计算方法不同， 且为方便后续螺栓螺母的配对识别，需对螺栓和螺母区别处理，为此程序开发了识别螺栓螺母的算法： 首先将网格单元节点坐标转换到局部柱坐标系下，获取所有节点径向坐标值，从中获取最小径向坐标Rmin。 从图7 可以看出，对于螺栓而言Rmin≈0，而对于螺母Rmin≈螺栓直径。

3.3 螺栓直径计算

螺栓直径的计算原理如图8 所示，首先在柱坐标系下获取螺杆末端的z 向 坐 标 值L0、r 方 向最大尺寸平面的坐标值Rmax 及对应的z 向坐标值L1。 然后从Rmax 平面与螺栓末端平面的中点开始沿着螺栓末端方向进行扫描，获取最大的半径值Rj，即为螺栓的半。对于螺母则恰好相反，螺栓半径为螺母的最小半径。

图7 螺栓螺母识别原理Fig.7 Identificationprinciple of bolt and nut

图8 螺栓直径计算原理Fig.8 Boltdiametercalculationprinciple

攻克以上关键技术难点后， 通过程序可获取创建螺栓Connector 所需的所有参数：原点坐标、螺栓直径、螺栓长度、轴向矢量、Washer 尺寸等。 通过ANSA 的内置API命令可快速创建螺栓Connector。

4 螺栓螺母配对识别技术

图9 螺栓螺母配对原理Fig.9 Boltand nut matching identificationprinciple

实现螺栓自动装配的前提需要将螺栓螺母进行配对。螺栓螺母配对需满足三个条件， 以图9为例进行说明：一是螺栓螺母原点间距L5 小于螺栓长度L0；二是螺栓螺母原点矢量V1 与螺栓轴向矢量V0 平行且方向一致； 三是螺母原点到螺栓轴向的投影距离为0，即Δd=0，实际程序开发过程中考虑几何数据误差，满足Δd≤R 即可。

由于螺栓螺母数量多，为提高配对效率，程序开发过程中做了以下特殊操作：螺栓Connector 创建时预先将识别出的螺栓螺母分开存储， 其中螺栓添加到列表screwlist，螺母添加到列表nutlist；然后对所有螺栓进行循环处理， 首先从螺母列表nutlist 中筛选出螺栓长度范围内的螺母集合，然后在筛选结果中搜索配对螺母。

配对成功后，配对信息将添加到螺栓Connector 卡片中，如图10 所示，卡片comment 中标识了螺栓类型以及与其连接的螺母ID，方便后续自动化装配快速识别。

图10 螺栓配对信息标识Fig.10 Boltand nut matching information

5 结论

本文基于ANSA 软件开发了一套螺栓CAD 到CAE模型转换的自动化工具。 此工具除实现螺栓Connector 批量创建外，还可自动识别螺栓螺母配对信息，为后续实现螺栓自动化装配提供了有效解决方案。 与传统人工建模方法相比，通过自动化工具，可显著提高了工作效率，有效缩短汽车CAE 建模周期。 通过程序进行处理，可避免因人为原因造成的遗漏等情况发生。