參數化建模在空調研發中的應用

徐佳

摘要：介紹一種參數化的建模方法，以及這種方法對空調研發流程的優勢。

關鍵詞：參數化模型

0問題的提出

隨著越來越多的新產品面世，過長的研發周期顯然已經不能滿足日趨白熱化的市場競爭，產品很容易陷入“未上市，已淘汰”的尷尬局面。與此同時，人們越來越關注環境問題，制冷劑更新換代的周期變得越來越短，由此引發的設計變更也越來越多。如何縮短研發周期，如何在短期內完成設計，提交產品，對空調的研發工作來說是一個急需解決的問題。圖 1所示是目前的研發流程。

在目前的研發流程中，建立產品的三維模型需要花費大量的時間。如果需要測試幾種不同的方案，建立產品三維模型所需要的時間會更多。在開發產品的過程中，零件三維模型的建立速度是決定整個產品開發效率的關鍵之一。理想的解決方案是在保證正確率的情況下，縮短建模時間，同時提高模型的易修改性。

產品開發初期，零件的外觀形狀和尺寸有一定的不確定性，需要通過整機裝配驗證、性能分析和加工設備編程之后才能確定。如果三維模型具有易于修改的特性，就會為后期工作節省很多時間。這種情況下，參數化建模是一個比較好的方法。

1參數化建模

1.1 參數化建模的概念

參數化建模就是將模型中的定量信息用變量替代，使之成為可以任意調整的參數。在模型的后續使用中，只要賦予參數不同的數值，就可得到不同大小和形狀的三維零件模型。參數化建模可以大大提高模型的生成和修改速度，在產品的系列設計、相似設計和專用 CAD系統開發方面，都具有較大的應用價值。

參數化設計中的參數化建模方法主要包括變量幾何法和基于結構生成歷程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更適合于三維實體或曲面模型。參數化建模就是把零件尺寸定義成變量，配合一定的關系式創建參數化模型。參數化建模可用于創建多種不同的部件模型。可以這樣來理解，參數化模型建好之后，通過更改參數即可生成不同尺寸的零件，從而形成系列化的產品。

在參數化建模過程中，設計人員會根據工程關系和幾何關系來滿足最終的設計要求。要滿足這些設計要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數的初值，并且需要保證每次變更這些設計參數時，參數之間的基本關系不變。因此可將參數分為兩類：各種尺寸數值，稱為可變參數；幾何元素間的各種連續幾何關系，稱為不變參數。

參數化建模的本質是在可變參數的作用下，系統自動維護所有的不變參數。因此，設計人員會在參數化模型中建立各種約束關系，以此來體現了設計人員的設計意圖。需要注意的是，參數化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結構約束和尺寸約束。結構約束是指幾何元素之間的約束關系，例如平行、垂直、相等和同心等。尺寸約束則是通過尺寸標注數值所表示的約束，如直線尺寸、角度尺寸和半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關系，通過定義尺寸變量，以及它們之間的數值和邏輯關系來表示。

1.2 參數化建模流程

1.3 創建參數化模型示例

參數化模型可以大幅度地提升工作效率，因此如何在Creo中創建合理的參數化模型是關鍵。在開始參數化建模之前，首先需要考慮下面三個方面。

◎找出影響三維模型建立的關鍵尺寸；

◎分析關鍵尺寸是否可以用參數變量替代；

◎參數之間的相互關系。

下面以微通道換熱器為例，詳細介紹運用 Creo軟件創建參數化模型的流程。

圖 3微通道換熱器模型

1.3.1分析模型，列出參數及關系式

對于一個微通道換熱器的模型而言，長、寬、高以及集流管的管徑是決定模型外形所需的關鍵尺寸，這些尺寸可以用參數替代。通過進一步的分析，長、寬、高這幾個關鍵尺寸可以經由翅片數量、扁管數量、單片翅片高度及單根扁管厚度計算得出，至此，可以寫出上述幾個關鍵參數的關系式。

例如，微通道換熱器總高 =（翅片數量 ×單片翅片高度）+（扁管數量 ×單根扁管厚度），集流管高度 =微通道換熱器總高。

通常在性能模擬分析中，翅片數量和扁管數量是最容易取得的直接數據，所以提前寫出這些關系式會為后續的建模工作帶來很大的便利。

1.3.2創建模型

◎添加參數

單擊菜單“工具”，選擇“參數”，打開參數對話框，即可添加參數。

添加完參數后，可以為參數設置一個初始值，該值可以在后續的設計中更改。也可以在“權限”一組下選擇“鎖定”功能，確保該參數不能被修改。通常，需由關系式計算出結果的參數會選擇“鎖定”功能，防止誤操作。

◎添加關系式單擊菜單“工具”，選擇“關系”，打開關系對話框，即可為參數添加關系式。關系式是自定義的等式，用以捕獲特征之間、參數之間或組件之間的設計關系。前文所列舉的兩個關系式可在此輸入。

◎創建模型

使用 Creo軟件創建出一個模型，影響模型最終成型的尺寸都需由之前分析所得的參數替代。首先如圖 6所示，創建草圖。在創建過程中，“30”與“15”這兩個尺寸可以用參數 “FINNED_LENGTH”與“OVERALL_HEIGHT”替代。在后續的建模過程中，影響模型建立的關鍵尺寸都應用參數替代。

在創建草圖的過程中，應盡量使用結構約束代替尺寸數值，避免發生未將尺寸替換為參數的情況，降低后期模型報錯或生成錯誤模型的概率。

在模型的創建過程中，有時也會發現之前分析過程中遺漏了一些可以使用參數代替的尺寸，這時只需再次打開參數頁面，添加新的參數就可以了。

◎附加功能在模型的創建過程中，通常會結合 Creo的自帶功能對

輸入參數的界面做出一些調整，使參數修改界面更直觀。單擊“工具”，選擇“模型意圖” >“程序” >“編輯設計”。如圖 7所示，在“INPUT”與“ENDINPUT”之間

輸入參數的名字，保存文件并退出。如需添加多個參數，分行輸入參數名即可。

當參數對話框中的參數數量非常多的時候，該功能還可幫助設計人員過濾掉不需要修改的參數。具體使用方法會在下文中介紹。

1.4 參數化模型的日常使用

研發人員在日常使用中，只需打開參數頁面，修改具體數值，一個完整的微通道換熱器就會自動生成。

如果在建立模型時使用了附加功能，則不需要打開“工具”菜單下的“參數”界面。只需單擊“模型”下的“重新生成”，在彈出的參數選擇對話框中選擇需要修改的尺寸“FINNED_LENGTH”，就會彈出如圖 8所顯示的參數輸入的窗口。如果選中的參數有初始值，該初始值會顯示在圖 9所示參數名的右邊。如沒有初始值，則如圖 9所示為空白。

1.5 參數化模型的日常維護

參數化模型不需要特殊的維護。如果有多名設計人員同時使用該模型，為了防止誤操作，可以將服務器上的基礎模型文件設置為只讀。設計人員每次使用時，另存該文件為一個可修改的文件即可。

2優勢分析

2.1 效率的提高

目前空調整機的三維模型通常都由多個組件組成，各個組件會根據不同的設計要求而使用不同的型號。對于三維模型而言，不同型號組件的差別多數在于外形尺寸。參數化建模能夠減少重復建模和出圖紙的工作，設計軟件代替人工可以降低設計人員的枯燥感。設計人員只需輸入特定的尺寸，

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結合設計軟件就能創建模型，能夠大幅縮短設計時間，從而加快產品設計。

表 1是對于現有的多個空調整機產品，使用微通道換熱器參數模型前后，建立整機三維模型所需工作時間的比較。

表1 參數化設計引入前后，空調整機三維建模工作時間對比

編號 項目名稱 原始建模所需時間（小時） 現在建模所需時間（小時） 參數模型應用次數 節省時間（小時）

例如，項目一創建微通道換熱器需要 16小時，相當于一位研發人員兩天的工作時長。現在使用了參數化模型，單個微通道換熱器的建模時間縮短至半小時。而這個項目一共需要 10個不同的微通道換熱器，所以整個項目在微通道換熱器建模時間上節省了 155小時，相當于一位研發人員二十天的工作時間。

由此可見，參數化模型可以大幅減少工作量，提高工作效率。若用于產品范圍跨度大或選項復雜的產品，其優勢更為明顯。

2.2 多種備選方案

使用參數化模型不僅能夠幫助產品開發人員提高工作效率，減少重復性工作。同時，它還能幫助研發人員在現有的基礎設計上快速改變設計，生成多個產品方案，從而選擇最優方案，以滿足客戶的需求。變更設計的靈活性不僅能應用在產品的研發設計階段，在非標準訂單的生產過程中發揮著更重要的作用。

2.3 優化設計

參數化模型由可變參數及關系式代替了尺寸的具體數值，因此可以通過設計軟件 Creo的運算滿足一些特定要求，找到一組最合理的設計。在合理的范圍內，使所設計的產品結構最合理、性能最好、質量最高和成本最低，更具市場競爭力。

例如，我們經常會遇到為一個已建立三維模型的零件設計外包裝箱的工作。我們可以將外包裝箱的長、寬、高設置為參數，列出關系式。通過 Creo的運算，就可以分別求出長、寬、高的具體數值，實現包裝箱原材料最少的目標。

2.4 結構分析

就目前的空調整機而言，搭建樣機進行測試是檢測其各方面指標的一個常用方法。這個方法相對耗時，而且測試成本很高。我們可以使用分析軟件進行參數化模型的模擬分析，代替部分的整機實測，從而縮短測試時間，降低測試成本。

參數化模型是由參數（變量）而不是具體數值建立的模型，通過改變模型參數值就能建立新的模型。參數化模型中的參數不僅可以是幾何參數，也可以是溫度、材料和密度等屬性。在參數化模型的幾何造型過程中，幾何參數的作用范圍是幾何模型。如果希望以幾何模型中的設計參數作為形狀優化的設計變量，可將設計參數的作用范圍延拓至有限元模型，使有限元模型能夠根據設計變量的變化，實現有限元模型的參數化，這樣就能為仿真分析軟件所用。本文篇幅有限，在此不再贅述。

3結束語

本文主要闡述了參數化模型在空調產品開發設計中的應用，實施快速設計和變更設計，以滿足日趨個性化和多元化的市場需求。

參考文獻

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