基于CATIA的真空張力輥虛擬設計

柴 源，丁 茹，費玉石

(1．沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159;2．中航世新燃氣輪機股份有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110043)

0 前言

虛擬設計技術是采用信息技術完成新產品整個開發的過程，其核心是利用先進的CAD建模技術和多體系統運動與動力學建模技術。基于計算機仿真建立產品數字模型，數字模型即電子樣機。電子樣機將不同工程領域的開發模型結合在一起，從外觀、功能和行為上模擬真實產品，使設計者實時了解產品的設計進度。

傳統的機械結構設計采用二維設計方法，主要靠經驗和類比同型機器，三維設計避免了周期長、反復性大、可靠性差、設計精度和質量難以保證的不足。借助CATIA軟件進行真空張力輥的虛擬設計，不僅可真實地反應真空輥的幾何形狀，通過裝配體還能反應各部件的空間位置，進而有效地檢測工作裝置各部件間是否發生干涉與碰撞，還可以進行結構的運動分析以及有限元的分析計算。同時，CATIA軟件還可以完成參數化設計，可為今后新產品的開發創建基礎模型，提高設計的重復性，縮短變形產品的設計周期，降低產品成本。因此，研究真空張力輥的虛擬設計具有重要的實用價值。

1 虛擬設計流程

應用CATIA進行虛擬設計，首先要明確設計任務，初步確定產品設計方案，然后細化，進行具體結構設計，分析計算零部件的尺寸，對零件建模，然后組裝零件，形成裝配體，并進行相應的干涉檢查，必要時進行碰撞檢查;對關鍵的零部件進行有限元計算分析，最后制作加工圖紙，交給客戶，具體設計流程，如圖1所示。

圖1 虛擬設計流程圖Fig.1 Flow chart of virtual design

2 設計步驟

2.1 真空張力輥的結構

真空張力輥的結構如圖2所示，主要由機架、支撐牌坊、真空輥部件裝配、減速器、制動器、傳動裝置以及動力裝置所組成。其工作過程為由西門子電機輸出動力，經過減速器－傳動軸－齒輪軸，經過內嚙合齒輪減速，使輥殼平穩運轉。交流電機帶動絲杠可對真空室寬度任意調整，在電機輸出端裝有制動器，起到安全保護作用。

圖2 真空張力輥總成Fig.2 Assembly of vacuum tension roller

2.2 實體建模

CATIA具有先進的混合建模技術，能對設計對象進行混合建模:在CATIA的設計環境中，無論是實體還是曲面，做到了真正的互操作;變量和參數化混合建模:在設計時，設計者不必考慮如何參數化設計目標，CATIA提供了變量驅動及后參數化能力，而且可促進企業對產品的創新設計。對不符合設計開發要求的產品，采用直接修改特征模型或關系來實現同種零件不同參數的設計。

CATIA提供的多模型鏈接的工作環境及混合建模方式，使得并行工程設計模式成為可能，總體設計部門只要將基本的結構尺寸發放出去，各分系統的人員便可開始工作，既可協同工作，又不互相牽連。由于模型之間的互相聯結性，使得上游設計結果可做為下游的參考，同時上游對設計的修改能直接影響到下游工作的刷新，實現真正的并行工程設計環境。同時CATIA軟件的外接插件可以快速生成某些標準件，如軸承、螺栓等，利用齒輪插件可快速生成齒輪模型，如圖3所示。然后在對其進行拉伸、切除、陣列等特征操作。

圖3 內嚙合齒輪零件模型Fig.3 Model of inside engaged gear

2.3 裝配

裝配設計分為自下向上和自上向下設計兩種方法。自下向上是一種局部到整體的設計方法，當裝配體中含有較多重復出現的零部件時，或裝配體零部件間的配合關系較為簡單時，優先考慮此方法;自上向下設計是由整體到局部的設計方法，此方法適用于相互配合復雜、相互影響配合關系較多，多數零部件外形尺寸未定的裝配體。兩種方法也可以結合使用，使設計更為簡便。

本設計中，通過CATIA的裝配功能，不但能夠將各零件按照設計要求裝配在一起，在反應產品裝配順序的基礎上還能對裝配過程中出現的干涉現象進行檢查。由于真空張力輥零部件較多，而且有重復零件，配合關系較為復雜，某些零件尺寸不易確定，因此采用自上向下和自下向上結合的裝配設計方法。裝配時，首先確定機架為固定部件，再依次導入其它已建好的零部件，對于尺寸不易確定的零件，可以利用零件間的關系生成新零件。導入零件后，要使零件達到精確配合，必須建立準確地裝配約束。在裝配體設計模塊中，系統提供了包括同軸、重合、角度、距離等標準配合，可以使用這些配合精確地放置實體，整個裝配過程猶如在實際生產中進行實物組裝一樣。本設計要注意齒輪組的配合和真空輥部裝內部各零部件的裝配關系，否則會導致裝配上的干涉。

CATIA對裝配體進行的檢查主要有干涉檢查和碰撞檢查，用來檢查裝配體各零部件裝配后的正確性，可判斷零件間是否有干涉，保證任意兩個零件在空間上不出現相互重疊的現象。通過移動或旋轉來檢查零部件的間隙，避免實物安裝時產生干涉，發現問題及時對數模進行修改，直到獲得滿意效果，從工作裝置虛擬裝配的過程可以看出，整個過程完全符合實際生產中進行的組裝過程。

為了能清楚形象地查看裝配中各部件間的裝配關系，在完成裝配后，可用爆炸圖將其裝配的各部件按照預先設定的方向和距離自動爆炸分離。通過Ass裝配模塊下的爆炸視圖中的選項對真空張力輥部裝創建爆炸圖，如圖4所示。

圖4 真空輥部裝爆炸圖Fig.4 Exploded viws of vacuum roller

3.4 有限元分析

在真空張力輥工作過程中，真空輥輥殼通過內部的真空室形成真空(低于1標準大氣壓)，輥殼內外形成壓力差，帶材被吸附到真空輥殼體上。輥殼是真空輥工作過程中與帶材直接接觸的部件，因此需對殼體進行有限元分析，驗證其工作時能夠保證一定強度。在進行有限元分析前，先將所建模型簡化，忽略圓角、倒角以及表面鉆孔等設計細節。通過CATIA混合設計功能，將零部件設計模塊轉到分析與模擬模塊，在輥殼兩端添加約束，在輥殼表面施加均布載荷，劃分網格后，進行有限元計算分析，得到真空輥殼應力分布情況和變形狀況，計算出危險點的應力及應變，如圖5、6所示。有限元分析為真空輥輥殼的設計提供指導，同時對設計是否合理進行了快速的評估。

2.5 工程圖

盡管隨著科學技術的發展，三維設計有了很大的提高與進步，但三維模型并不能將所有的設計參數表達清楚，有些信息，如加工精度、形位公差、表面粗糙度等仍需要借助二維工程圖來將其表達清楚，因此工程圖的創建是三維設計中的重要環節。

CATIA制圖產品是2D線框和標注產品的一個擴展。制圖產品使用戶可以方便地建立工程圖樣，并為文本、尺寸標注、客戶化標準、2D參數化和2D瀏覽功能提供一整套工具。利用模型文件可快速自動轉換成工程圖文件，和傳統的計算機輔助繪圖相比，利用模型文件生成的工程圖只需要簡單地指定投影方向，插入模型的尺寸或添加其它的工程圖細節，就可完成工程圖的操作。經過轉換的圖形十分精確，并且可生成各種視圖，如剖視圖、軸測圖、局部放大圖等。通過設置圖紙的大小，填寫標題欄等操作，可生成符合機械制圖標準的二維工程圖，如圖7所示。

圖7 真空張力輥工程圖Fig.7 Engineering drawing of vacuum tension roller

3 結論

基于CATIA的真空張力輥的虛擬設計充分利用了CATIA三維軟件的強大功能，實現對真空張力輥的虛擬設計，為探索真空張力輥新的設計方法提供了良好的途徑，應用此技術可及早發現設計中的錯誤，降低設計成本，提升產品質量。實踐表明基于CATIA的軟件虛擬設計技術在真空張力輥的設計具有良好應用前景，虛擬設計技術可廣泛地應用在各類行業的設計中。

［1］ 薛建華，安秀．論虛擬設計在現代產品開發中的重要作用［J］．計算機技術與發展，2006，16(11):182－184．

［2］ 袁名松，遲毅林，張淼．虛擬設計發展現狀及未來發展方向［J］．昆明理工大學學報，2002，27(5):21－26．

［3］ 劉宏增，黃靖遠．虛擬設計［M］．北京:機械工業出版社，1999．

［4］ 盛選禹，盛選軍．CATIA V5基礎與實例教程［M］．北京:化學工業出版社，2009．

［5］ 盛選禹．CATIA V5運動和動力分析［M］．北京:化學工業出版社，2008．

［6］ 王霄，劉會霞．CATIA V5R17高級設計實例教程［M］．北京:冶金工業出版社，2006．