基于參數關聯模型的門式啟閉機CAD/CAE集成的研究

王蘊弢

門式啟閉機(簡稱門機)廣泛應用于水電工程，主要實現閘門的啟閉、吊運、安裝和維修。門機主要由起升小車、回轉吊車、大車運行機構、門架、卷筒、夾軌器、司機室、大車緩沖裝置、小車供電裝置、軌道、電氣設備及門機附帶的液壓自動抓梁、清污裝置等組成。由于門機各主要機構間空間布置關系非常復雜，造成各構件間運動關系、傳力特性也非常復雜，如果仍然采用傳統的設計方法，存在著知識的重用度不高和分析手段有限等問題，而CAD/CAE/CAM/PDM系統集成是現代制造系統的發展方向。就門機設計而言，關鍵問題是如何保證不同設計方案所需設計模型和分析模型構造的快速性和并行性以及如何對多個方案的性能進行比較，以實現結構的優化設計，即門機設計的CAD/CAE集成問題。因此，開展門機CAD/CAM集成研究顯得尤為重要。

一、CAD/CAE集成研究的現狀

國外對于CAD/CAE集成的研究已經有近20年的歷史，近年來，由于三維CAD技術及三維CAD軟件的發展，CAD/CAE集成研究也隨之進入發展期，其中比較有代表性的是Georgia理工學院EIS實驗室(Engineering Information Systems Laboratory)提出的集成方法、其他機構提出的基于語義、圖表及公式等的集成理論等。國際標準化機構也對CAD/CAE之間的集成問題做了很多研究，形成了如初始圖形交換規范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)和產品數據交換標準(Standard for the Exchange of Product Data，STEP)等表達形式的中性文件實現兩者的集成。國內開展CAD/CAE集成的研究比國外要晚，但就其研究思路以及實現策略而言并無太大差異。

CAD/CAE集成方式包括以下4種：(1)通過專用數據接口實現集成；(2)利用中性文件(如IGES規范或STEP標準等) 實現集成；(3)基于統一產品參數關聯模型數據庫的集成；(4)基于產品數據管理(PDM)的系統集成。前2種集成方式存在文件結構復雜、數據信息丟失和冗余等致命問題，第4種方式開發周期比較長，開發風險高，且維護比較困難。因此本文主要討論基于參數關聯模型的門式啟閉機CAD/CAE集成的研究。

二、門機的CAD和CAE模型

1.門機CAD模型

以QM2×1 250 kN/650 kN門機為例，其CAD模型主要借助于CATIA軟件來完成，由于該門機由上千個零部件組成，在進行CAD建模時，對其組成零部件進行了必要的簡化，其CAD模型如圖1所示。

圖1 門機的CAD模型

2.門機有限元分析模型

門機的有限元分析模型主要借助于ANSYS軟件并利用APDL語言來建立。在建立有限元分析模型時，首先需要根據門機的受力特性，確定需要建模的關鍵承載構件，如門架結構、小車架結構、回轉吊車結構和卷筒等；然后進行參數分析，定義與產品結構功能(如高度、寬度、規矩等)或結構強度剛度(如標準桿件型材號、箱形梁或工字形梁翼緣板和腹板板厚等)相關的參數變量；利用上述變量及APDL語言編寫各關鍵承載構件的模型生成命令流，并生成自重、風載和工作載荷施加命令流；最后以批處理的方式運行ANSYS，就可完成各構件的有限元求解計算。各關鍵承載構件的有限元模型如圖2、3、4所示。

圖2 門架有限元分析模型

圖3 小車架有限元分析模型

圖4 回轉吊有限元分析模型

三、CAD/CAE集成的實現

由于門機各關鍵承載構件的設計模型和分析模型采用不同軟件構建而成，并且在通常情況下各構件設計特征和制造特征不是一一對應關系，所以設計模型中的參數信息與分析模型中的參數信息不能直接傳遞，需要通過某種機制建立兩者之間的聯系和集成。CAD/CAE系統集成的關鍵是信息的交換和共享，根據以上討論，如圖5所示，通過對門機主機進行研究與分析，提取了影響整機性能的關鍵參數，分別構建了參數關聯模型和面向各種設計分析活動的參數化特征模型(包括面向設計的CAD模型和面向有限元分析的CAE模型)，通過參數關聯模型并行驅動參數化特征模型實現CAD/CAE的集成，由此當設計模型結構尺寸修改后，參數關聯模型更新數據，并利用編程語言自動實現對數據的提取和對APDL命令流文件的修改，從而保證分析模型與設計模型的同步變化，反之亦然，最終實現了設計與分析工作的并行化。

四、結論

通過以上的研究分析可知，基于參數關聯模型的門式啟閉機CAD/CAE集成具有以下特點：

第一，門機分解為設計模型(CAD模型)、分析模型(有限元模型)和參數關聯模型3個模塊，彼此間既相互獨立，又通過信息傳遞建立聯系，形成了一個開放式結構，可方便地采用參數關聯模型驅動由其他工程軟件和分析工具建立的分析模型，實現后期不同側面分析的要求。

第二，參數關聯模型與設計模型和分析模型建立映射，實現了信息共享，在建立任一模型的同時，直接生成另一個模型，實現了模型的實時建立。

第三，由參數關聯模型參數驅動幾何引擎生成幾何模型對象，實現關聯模型到幾何模型直接映射，和關聯模型操作幾何模型的逆向操作。從而改變了幾何模型到關聯模型的單向性，實現了幾何模型與關聯模型的實時交互。

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