基于UG的道路交通減速帶三維設計及仿真分析

武建國+高航舵+王奕博+胡安玉

摘 要：隨著計算機技術得飛速發展，CAD以及廣泛應用與科研中，一般的CAD軟件都具有廣而博得通用性，利用UG等CAD軟件輔助進行產品的設計成為一種現代產品設計的新趨勢。

本課題的主要研究內容包括以下兩個部分：首先，采用功能強大的三維軟件UG為開發平臺，實現減速帶三維參數化造型。其次，對壓電陶瓷在減速帶中具體的安裝位置進行分析，可先通過定義減速帶的材料特性參數，進行性能仿真，分析研究結果中的位移變形數據，得出最大的位移變形區，確定最有效的壓電陶瓷片安裝位置，為以后的實驗提供具體、堅實的理論基礎。

關鍵詞：UG軟件；壓電陶瓷；減速帶；仿真

1 CAD軟件的簡述

1.1 CAD技術發展狀況概述

CAD技術是計算機科學與工程設計學科相結合形成的一門技術，是計算機在工程中最有影響的應用技術之一，也是先進制造技術的重要組成部分，CAD技術包括二維工程繪圖、三維幾何模型設計、數控加工、有限元分析、仿真模擬、產品數據管理、網絡數據庫以及上述技術（CAD/CAM）的集成技術等?，F代CAD技術一方面向標準化、集成化、智能化、并行化、網絡化的方向發展，另一方面由二維工程圖形軟件向三維實體圖形軟件轉化。由于三維實體模型能夠更直觀地表達設計者意圖，反映設計結果，三維模型設計已成為機械相關行業地主流方向。

隨著信息化技術在我國地推廣和發展，以三維實體造型為基礎的國外先進CAD軟件紛紛登陸中國市場，國內許多大學、科研院所也著力于各種CAD平臺的二次開發以及自主知識產權的CAD軟件開發，各種三維CAD軟件不斷出現。在我國市場推出的優秀的國外商品化軟件主要有UG、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer等，國內自主版權的軟件也逐漸成熟起來，如北航海爾的CAXA、清華大學研制開發的高華CAD和XTCAD、中科軟件工程研制中心的CAD/CAM軟件公司UEL合作，采用引進，消化、吸收、創新的方式，開發完成了具有中國自主知識產權的三維CAD/CAM軟件SINOVATION V1.0，大大推進了我國CAD技術的發展。

1.2 UG軟件的簡介

UG（Unigraphics）是美國EDS公司推出的當今市場最先進的CAD/CAE/CAM高端軟件平臺之一，廣泛應用于航空、航天、機械、汽車、造船、模具和電子等領域。UG自從1900年進入中國市場以來，在我國得到了非常廣泛的應用，目前已成為我國主要使用的高端CAD/CAE/CAM軟件之一。

UG是CAD/CAE/CAM一體化的軟件系統，可應用于整個產品從概念設計到實際產品的開發全過程，包括產品的概念設計、建模、分析和加工。該軟件具有實體建模模塊、特征建模模塊、曲線建模模塊、工程制圖模塊、裝配模塊、分析模塊、加工模塊、知識工程模塊和二次開發模塊。不僅可以完成建模、裝配、工程出圖、數控加工等基本功能，還可以對建立的模型進行運動學、動力學仿真和有限元分析等操作

2 減速帶的三維模型建立

UG擁有較強的建模功能，主要的建模方法有：UG/實體建模（UG/Golid Modeling）、UG特征建模（UG/Features Modeling）、UG自由曲面建模（UG/Freedom Modeling）、UG用戶自定義特征（UG/User-Defined Features）等。其中，特征建模是UG NX CAD功能的核心建模工具，是在UG建模中最為常用的建模模塊。UG擁有強大的基于特征和約束的建模技術功能，并且操作簡便，具有交互建立和編輯復雜實體模型的能力。通過使用這些特征建模功能，能夠快速進行概念設計和結構細節設計。減速帶的設計主要是拉伸特征，所以選擇特征建模方法，可以快速有效的實現手機外殼的三維建模。

參數化建模的首要步驟是對模型零件進行形體分析，確定設計變量和建模方法，進行參數化三維實體建模和提取各個尺寸的參數，最后驗證設計模型。根據產品的幾何形狀和零件的復雜程度，適當選擇適用的參數化建模方法。常用的參數化建模方法：基于特征的參數化設計、基于草圖的參數化設計和基于表達式的參數化設計。

2.1 參數化截面的建立

從減速帶的整體結構分析可以發現，其模型的建立可以通過先建立模型的截面，然后利用拉伸特征實現減速帶三維模型的建立，所以草圖是建立模型的第一個步驟。草圖是指各個曲線都具有對應約束關系的二維圖形。草圖約束主要包括幾何約束和尺寸約束兩種，其中幾何約束用來確定二維圖形的位置，而尺寸約束確定圖形的尺寸，方便實現對象的尺寸驅動。當草圖完全約束時，草圖的自由度和約束是相等的。利用草圖創建的三維實體如果需要改變尺寸參數時，通過改變草圖的尺寸參數，保持原來的位置約束關系，實現參數化設計。

如圖1所示，減速帶截面的設計利用參數化建模的方法（寬300mm，高30mm），如果在草圖成形以后發現系統的錯誤提示信息，可以直接對參數進行修改，避免了重新繪制草圖的工作量，從而為設計節省了大量的時間和人力。

2.2 特征建模的應用

截面草圖建立完后成，如圖2通過一次拉伸（長500mm），完成減速帶整體模型的建立，得到圖3的結果。

通過拉伸，減速帶的總體形狀已基本確定，對其進行細節特征操作，以完善其模型。在減速帶的底面四角處直徑為30mm的螺釘孔截面，然后利用拉伸功能和布爾運算。UG的布爾運算功能提供了四種操作，包括合并、減去、相交和無操作，其中求差操作在螺釘孔的設計操作中提供了非常方便的路徑。應用布爾運算，在草圖上直接繪制出要去除的孔截面，設置好拉伸的方向和距離，以草圖為基準創建拉伸功能再輔以布爾運算，能夠快速地完成操作。如圖4完成減速帶模型地創建。

3 減速帶模型的有限元分析

3.1 定義材料屬性

進入UG的高級仿真模塊，首先對減速帶模型進行優化處理，并賦予模型一定的材料以及該材料的密度、彈性模量、泊松比等物理屬性。其相關數據如下表所示。

3.2 網格劃分

采用3D四面體網格（10節點），單元大小設置為8mm，對其進行三維網格劃分如圖5所示.

3.3 施加約束

模擬現實中減速帶的使用方法，對減速帶的四個螺釘孔施加全約束，對底面施加法向的位移約束。結果如圖6所示。

3.4 施加載荷

分別向圖4中的五個面施加壓力（按家用小車的一般質量為1.8噸計算，一個輪胎瞬時施加在單個面上（500mmX60mm）的壓力為153125pa）。

3.5 求解

完成有限元模型的建立后，采用UG的求解模塊進行求解。最后利用UG的后處理模塊查看零件的變形結果。一般是通過后處理視圖觀察零件的變形情況、最大變形量、最大應變、應力等。也可以通過后處理中的動畫操作模擬零件的不同變形過程。其結果如下圖所示，并且選擇每個面的幾何中心點為標定點，分別記錄其節點號為A（53689）、B（47273）、C（43241）、D（36882）、E（50408），統計各點在五種工況下的總變形位移，分析可以得出：在五種工況的作用下，面3上的點C的總位移最大。

4 結論

應用UG軟件進行的減速帶模型設計以及有限元分析的全過程，找到了應用UG的建模模塊進行減速帶模型設計的方法與操作技巧。UG軟件將材料的特性融入到模型的靜態分析中，逼真準確的表現實際反應情況，得到壓電陶瓷片材料在減速帶中最有效的安裝位置，為后續的實驗提供可靠的理論依據，推動了實驗的進一步發展。相信基于UG建模的設計以及有限元分析的方法在未來的科學技術發展上有很大的用武之地。

參考文獻

[1]劉加亮，基于UG的涂膠機器人結構設計與仿真

[2]吳利霞，基于UG的齒輪參數化設計及運動仿真分析研究

武建國 高航舵 王奕博 胡安玉

摘 要：隨著計算機技術得飛速發展，CAD以及廣泛應用與科研中，一般的CAD軟件都具有廣而博得通用性，利用UG等CAD軟件輔助進行產品的設計成為一種現代產品設計的新趨勢。

本課題的主要研究內容包括以下兩個部分：首先，采用功能強大的三維軟件UG為開發平臺，實現減速帶三維參數化造型。其次，對壓電陶瓷在減速帶中具體的安裝位置進行分析，可先通過定義減速帶的材料特性參數，進行性能仿真，分析研究結果中的位移變形數據，得出最大的位移變形區，確定最有效的壓電陶瓷片安裝位置，為以后的實驗提供具體、堅實的理論基礎。

關鍵詞：UG軟件；壓電陶瓷；減速帶；仿真

1 CAD軟件的簡述

1.1 CAD技術發展狀況概述

CAD技術是計算機科學與工程設計學科相結合形成的一門技術，是計算機在工程中最有影響的應用技術之一，也是先進制造技術的重要組成部分，CAD技術包括二維工程繪圖、三維幾何模型設計、數控加工、有限元分析、仿真模擬、產品數據管理、網絡數據庫以及上述技術（CAD/CAM）的集成技術等?，F代CAD技術一方面向標準化、集成化、智能化、并行化、網絡化的方向發展，另一方面由二維工程圖形軟件向三維實體圖形軟件轉化。由于三維實體模型能夠更直觀地表達設計者意圖，反映設計結果，三維模型設計已成為機械相關行業地主流方向。

隨著信息化技術在我國地推廣和發展，以三維實體造型為基礎的國外先進CAD軟件紛紛登陸中國市場，國內許多大學、科研院所也著力于各種CAD平臺的二次開發以及自主知識產權的CAD軟件開發，各種三維CAD軟件不斷出現。在我國市場推出的優秀的國外商品化軟件主要有UG、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer等，國內自主版權的軟件也逐漸成熟起來，如北航海爾的CAXA、清華大學研制開發的高華CAD和XTCAD、中科軟件工程研制中心的CAD/CAM軟件公司UEL合作，采用引進，消化、吸收、創新的方式，開發完成了具有中國自主知識產權的三維CAD/CAM軟件SINOVATION V1.0，大大推進了我國CAD技術的發展。

1.2 UG軟件的簡介

UG（Unigraphics）是美國EDS公司推出的當今市場最先進的CAD/CAE/CAM高端軟件平臺之一，廣泛應用于航空、航天、機械、汽車、造船、模具和電子等領域。UG自從1900年進入中國市場以來，在我國得到了非常廣泛的應用，目前已成為我國主要使用的高端CAD/CAE/CAM軟件之一。

UG是CAD/CAE/CAM一體化的軟件系統，可應用于整個產品從概念設計到實際產品的開發全過程，包括產品的概念設計、建模、分析和加工。該軟件具有實體建模模塊、特征建模模塊、曲線建模模塊、工程制圖模塊、裝配模塊、分析模塊、加工模塊、知識工程模塊和二次開發模塊。不僅可以完成建模、裝配、工程出圖、數控加工等基本功能，還可以對建立的模型進行運動學、動力學仿真和有限元分析等操作

2 減速帶的三維模型建立

UG擁有較強的建模功能，主要的建模方法有：UG/實體建模（UG/Golid Modeling）、UG特征建模（UG/Features Modeling）、UG自由曲面建模（UG/Freedom Modeling）、UG用戶自定義特征（UG/User-Defined Features）等。其中，特征建模是UG NX CAD功能的核心建模工具，是在UG建模中最為常用的建模模塊。UG擁有強大的基于特征和約束的建模技術功能，并且操作簡便，具有交互建立和編輯復雜實體模型的能力。通過使用這些特征建模功能，能夠快速進行概念設計和結構細節設計。減速帶的設計主要是拉伸特征，所以選擇特征建模方法，可以快速有效的實現手機外殼的三維建模。

參數化建模的首要步驟是對模型零件進行形體分析，確定設計變量和建模方法，進行參數化三維實體建模和提取各個尺寸的參數，最后驗證設計模型。根據產品的幾何形狀和零件的復雜程度，適當選擇適用的參數化建模方法。常用的參數化建模方法：基于特征的參數化設計、基于草圖的參數化設計和基于表達式的參數化設計。

2.1 參數化截面的建立

從減速帶的整體結構分析可以發現，其模型的建立可以通過先建立模型的截面，然后利用拉伸特征實現減速帶三維模型的建立，所以草圖是建立模型的第一個步驟。草圖是指各個曲線都具有對應約束關系的二維圖形。草圖約束主要包括幾何約束和尺寸約束兩種，其中幾何約束用來確定二維圖形的位置，而尺寸約束確定圖形的尺寸，方便實現對象的尺寸驅動。當草圖完全約束時，草圖的自由度和約束是相等的。利用草圖創建的三維實體如果需要改變尺寸參數時，通過改變草圖的尺寸參數，保持原來的位置約束關系，實現參數化設計。

如圖1所示，減速帶截面的設計利用參數化建模的方法（寬300mm，高30mm），如果在草圖成形以后發現系統的錯誤提示信息，可以直接對參數進行修改，避免了重新繪制草圖的工作量，從而為設計節省了大量的時間和人力。

2.2 特征建模的應用

截面草圖建立完后成，如圖2通過一次拉伸（長500mm），完成減速帶整體模型的建立，得到圖3的結果。

通過拉伸，減速帶的總體形狀已基本確定，對其進行細節特征操作，以完善其模型。在減速帶的底面四角處直徑為30mm的螺釘孔截面，然后利用拉伸功能和布爾運算。UG的布爾運算功能提供了四種操作，包括合并、減去、相交和無操作，其中求差操作在螺釘孔的設計操作中提供了非常方便的路徑。應用布爾運算，在草圖上直接繪制出要去除的孔截面，設置好拉伸的方向和距離，以草圖為基準創建拉伸功能再輔以布爾運算，能夠快速地完成操作。如圖4完成減速帶模型地創建。

3 減速帶模型的有限元分析

3.1 定義材料屬性

進入UG的高級仿真模塊，首先對減速帶模型進行優化處理，并賦予模型一定的材料以及該材料的密度、彈性模量、泊松比等物理屬性。其相關數據如下表所示。

3.2 網格劃分

采用3D四面體網格（10節點），單元大小設置為8mm，對其進行三維網格劃分如圖5所示.

3.3 施加約束

模擬現實中減速帶的使用方法，對減速帶的四個螺釘孔施加全約束，對底面施加法向的位移約束。結果如圖6所示。

3.4 施加載荷

分別向圖4中的五個面施加壓力（按家用小車的一般質量為1.8噸計算，一個輪胎瞬時施加在單個面上（500mmX60mm）的壓力為153125pa）。

3.5 求解

完成有限元模型的建立后，采用UG的求解模塊進行求解。最后利用UG的后處理模塊查看零件的變形結果。一般是通過后處理視圖觀察零件的變形情況、最大變形量、最大應變、應力等。也可以通過后處理中的動畫操作模擬零件的不同變形過程。其結果如下圖所示，并且選擇每個面的幾何中心點為標定點，分別記錄其節點號為A（53689）、B（47273）、C（43241）、D（36882）、E（50408），統計各點在五種工況下的總變形位移，分析可以得出：在五種工況的作用下，面3上的點C的總位移最大。

4 結論

應用UG軟件進行的減速帶模型設計以及有限元分析的全過程，找到了應用UG的建模模塊進行減速帶模型設計的方法與操作技巧。UG軟件將材料的特性融入到模型的靜態分析中，逼真準確的表現實際反應情況，得到壓電陶瓷片材料在減速帶中最有效的安裝位置，為后續的實驗提供可靠的理論依據，推動了實驗的進一步發展。相信基于UG建模的設計以及有限元分析的方法在未來的科學技術發展上有很大的用武之地。

參考文獻

[1]劉加亮，基于UG的涂膠機器人結構設計與仿真

[2]吳利霞，基于UG的齒輪參數化設計及運動仿真分析研究