疊板式多缸薄板成型液壓機參數化設計

朱振華+李吉萍+張瑞

摘要： 在已有的300 MN多缸薄板成型液壓機的基礎上，運用基于VB的SolidWorks二次開發方法與自頂向下完全建模技術，通過驅動模型關鍵尺寸參數，對新產品進行參數化設計，并用ANSYS仿真優化.通過參數化設計可使該類產品系列化，提高新產品研發速度，促進該類型產品的國產化.

關鍵詞： 多缸薄板成型液壓機； 產品系列化； 尺寸驅動設計； 自頂向下建模； 二次開發； 有限元

中圖分類號： TG315.4 文獻標志碼： B

0 引 言

薄板成型是一種十分重要的加工工藝，在汽車、航空、裝備等工程領域應用廣泛.[1]國內薄板成型液壓機主要以單缸、雙缸為主，結構形式單一，載荷作用不均，導致薄板成型壓印深淺不一，質量不穩定，廢品率較高.隨著成型材料尺寸不斷增大，成型工藝要求不斷提高，對液壓機的要求也越來越高.300 MN多缸薄板成型液壓機組設備是一款全新設備，具有結構合理、運行可靠、堅固耐久、靈活穩定、操作簡便、壓印精度高等優點.此液壓機組采用多缸設計，油缸板集成多個短行程高壓油缸，從工作臺下面向上施加壓力，而不是從頂部向下作用的長行程油缸.多缸設計使所需的壓力直接均勻產生，所以壓印深度統一，可消除應力分布不均勻導致的變形，并采用壓力分級設計，以適應不同的板片幾何形狀.300 MN多缸薄板成型液壓機組的技術性能為世界先進水平，對其進行系列化可為該類型產品的國產化奠定堅實的基礎.

SolidWorks是目前主流的三維設計軟件，其運用參數化設計技術，可通過方程式和宏操作等技術修改模型尺寸參數而獲得新模型，但其仍需手工修改尺寸，所以專業知識要求較高，通用性不強，容易混亂，不易操作，設計效率不高.對SolidWorks進行二次開發，設計可視化操作界面使尺寸修改簡單從而更加關注整體模型，提高設計效率.SolidWorks的對象模型是一個多層次的對象網格，最高級別的對象類是SldWorks.該對象中已封裝諸如OpenDoc2和ActivateDoc2等方法（Methods）.該方法之下還創建如ModelDoc和Frame等子類.每個對象都有自己的屬性和方法，可通過調用API函數實現.[2-5]SolidWorks提供幾百個API應用程序接口[4-6]，可以使用VB和VC等高級語言對其進行二次開發.SolidWorks自頂向下的建模方法在設計初期便從全局角度明確產品設計意圖，即更加專注于產品整體設計，從概念布局到完成零件詳細設計，各零件通過一定的屬性和特征相互關聯.[7]SolidWorks的二次開發是運用基于尺寸驅動的設計方法，使相關產品系列化.尺寸驅動是在產品拓撲結構不變的情況下，把產品的關鍵尺寸參數定義為尺寸變量，尺寸參數的修改將導致其他相關模塊中相關尺寸的全盤更新，從而得到結構相同的一系列產品.[8]采用基于VB的SolidWorks二次開發[9-10]，用人機交互形式建立模型，選擇合理的設計變量，通過VB驅動設計變量實現模型的更新，能省去大量的重復建模工作，提高工作效率.

1 參數化設計關鍵技術

參數化設計技術流程見圖1.

在CAD中，參數化設計的關鍵是參數化建立三維模型，包含諸多幾何約束和工程約束.首先從原模型中提取關鍵參數作為設計變量，然后編寫程序通過基于尺寸驅動的方法驅動SolidWorks建立新模型，并用有限元分析軟件ANSYS仿真優化，直至得到滿足設計要求的產品.參數化建模的過程完全由程序控制，相當于將手動建模過程交由計算機自動完成.完全程序建模的方法特別適合生成具有多個變參數的模型.參數化建模的靈活性強，不需要模型庫的支持，可大大縮短人工建模時間.

2 建立三維驅動模型

首先建立需要程序驅動的原三維模型.該模型的建立需要考慮諸多方面，還要特別注意建模順序、草圖幾何關系、特征鏡像等.所建立的三維模型特征應盡可能簡單，參數尺寸盡可能少，最終要達到程序、模型的完美結合.300 MN薄板成型液壓機主機本體由疊加式預應力組合框架、上下梳型塊、活動梁、工作臺、多缸板、下墊板、導向裝置、活動梁提升缸、工作臺回程缸等部件組成.模型見圖2.

3 二次開發用戶界面設計

人機交互界面的設計對參數化設計開發非常重要.本文對二次開發用戶界面進行窗體劃分，使得界面具有明顯的層次感，更加人性化，見圖3.整個界面劃分為5個部分：工具欄可以實現畫圖、清空等各種功能；模型樹窗口可以查看需要建立的零件；模型尺寸顯示窗口可以直觀方便地查找所需要的參數；模型關鍵尺寸控制框用于輸入相應的參數值；模型螺紋孔尺寸控制區可以對螺紋孔進行編輯.

4 參數化驅動關鍵參數

參數化建模需要找到影響產品性能的關鍵參數，將關鍵參數作為合理的設計變量，并找到關鍵參數之間的聯系.對于多缸薄板成型液壓機主機，疊加式預應力組合框架首先要滿足一定的強度和剛度要求，框架板的上下基和寬度是關鍵參數.工作臺與活動梁是確保薄板成型精度的重要零部件，與模具接觸區域內的總體變形精度控制在0.1 mm以內.工作臺與活動梁不僅要滿足工藝要求，也要滿足一定的剛度和強度要求，其大小與厚度也是關鍵參數.多缸體是多缸薄板成型液壓機主要承力元件之一，集成多個短行程超高壓油缸.多缸體油缸的設計要滿足載荷均勻性及一定的剛度和強度要求，所以多缸體的尺寸和油缸的排列方式也是關鍵參數.上下梳型塊要滿足活動梁的最大行程要求，所以梳齒的高度與厚度也是關鍵參數.

5 參數化程序代碼編寫

創建程序變量與函數等，代碼如下：

Dim swApp As Object

Dim nassembly As Object

Dim part As Object

Dim longstatus As Long

基于VB的SolidWorks二次開發.創建一個SolidWorks應用對象啟動SolidWorks，調用API函數完成相應的建模功能：

Set swApp = CreateObject（"SldWorks.Application"）

swApp.Visible （True）

打開建立的300 MN多缸薄板成型液壓機主機三維驅動模型：

Set nassembly = swApp.OpenDoc

Set part = swApp.OpenDoc

激活300 MN多缸薄板成型液壓機整機三維裝配體模型：

Set nassembly = swApp.ActivateDoc

利用尺寸驅動的方法，驅動300 MN多缸薄板成型液壓機三維模型底層數據（以建立250 MN多缸薄板成型液壓機為例）：

part.parameter（"D1"）.systemvalue = Val（Text1.Text） / 1000

底層數據傳遞完成，重新建模生成250 MN多缸薄板成型液壓機三維模型：

nassembly.EditRebuild

保存建好的250 MN多缸薄板成型液壓機三維模型：

longstatus = nassembly.SaveAs3

6 參數化生成模型仿真分析

利用有限元仿真，采用準靜態分析方法，對整臺液壓機進行分析，確保該設計參數滿足設計要求.

6.1 多缸薄板成型液壓機主機數值仿真分析

按照液壓機設計的最大噸位25 000 t進行校核.此噸位下要求各個部件的強度滿足設計要求，同時確定此噸位下活動梁與工作臺在模具接觸區域內的變形精度.模具尺寸為3 600 mm×1 600 mm，板片尺寸為3 300 mm×1 300 mm.該工況下整體分析結果以及活動梁/工作臺與模具接觸區域內的變形精度分析結果見圖4～7.

250 MN多缸薄板成型液壓機主機整體分析模型的等效應力最大值為301 MPa，各關鍵零部件的強度滿足設計要求，有較高的結構安全因數.活動梁/工作臺與模具接觸區域的變形精度也在要求的設計范圍之內，滿足技術參數要求.

對參數化建立的250 MN多缸薄板成型液壓機主機進行其他工況的分析，結果依然滿足結構剛度與強度要求，活動梁/工作臺與模具接觸區域的變形精度也在設計要求的范圍之內.

6.2 多缸薄板成型液壓機主機的系列化

通過設置不同的參數，可以建立一系列多缸薄板成型液壓機.對參數化建立的200 MN多缸薄板成型液壓機主機進行數值仿真分析，在各種工況下，其均滿足結構剛度與強度要求，板片成型精度也在要求的范圍之內.

7 結束語

采用基于VB的SolidWorks軟件本地化、專業化的二次開發，自建模最初階段即考慮參數化驅動建模，設計出各方面滿足設計強度要求的疊板式多缸薄板成型液壓機主機系列產品.

雖然不同客戶對疊板式多缸薄板成型液壓機主機的最大噸位需求不同，但產品的核心結構、主參數間的相互關系一致.對其進行參數化，可避免每次設計從頭開始，以致增加研發成本、延長研發周期.運用參數化設計技術，形成參數化設計軟件，可節省設計生產系列產品所需的大量人工和前處理時間，最大限度地縮短產品研發設計周期.其次，對該產品進行系列參數化設計，根據客戶的具體需求，選擇合適的參數，快速建立三維模型，并進行仿真分析，極大地減少設計工作量，提高設計質量，節約成本，便于進行產品維修，改善售后服務質量.參數化設計可加速該類產品的系列化生產，填補國內空白，提升企業主打產品的市場競爭力.

當然，參數化設計需要在編程及參數化的過程中不斷發現建模中的不合理之處，反復修改，以使程序、模型達到完美結合.

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