計算機輔助設計軟件結構設計模塊在產品結構設計上的應用研究

王吉軍 李俊

摘要：本文研究了計算機輔助設計軟件結構設計模塊在產品結構設計上的應用。按照國家標準開發國家標準型材庫，以熱軋等邊角鋼為典型范例詳細描述了型材庫的建模過程，為型材庫、桁架結構庫的設計開發提供了有效的建模方法、建模思路?；趪覙藴市筒膸煸O計開發了某型飛機水平安定面托架，介紹了結構模塊常規的建模思路和操作方法。與單純的零件設計模塊、裝配設計模塊相比，結構設計模塊設計工作效率明顯提高，方便設計人員快速設計開發。

關鍵詞：型材庫；桁架結構庫；結構設計

1 引言

CATIA是法國達索系統公司開發的三維設計軟件，在航空、航天、船舶和汽車等領域有著廣泛的應用。在飛機、汽車和船舶領域中有大量桁架結構，在包裝箱設計領域大量使用型材，還有其他各種各樣的型鋼結構產品，這些產品的特點是外形結構類似、批量化使用。如果按常規的三維制圖方法進行設計，工作量非常大，而且容易出錯。CATIA結構設計模塊（Structure Design）專門用于設計桁架、型材結構，設計員只需要關注桁架、型材布置的線路即可，設計好參考線的走向、位置，設計員根據型材庫選擇型材，自動生成相應的桁架、型材結構，并可以快速編輯連接、過渡位置，在更改時也可以快速修改，大大簡化了設計人員的設計工作量。

CATIA是法國軟件，主要按ISO標準和其他國外標準設計，CATIA自帶的型材庫遠不能完全滿足國內用戶的需求，國內用戶需要專門開發適合的型材庫。

2 型材庫的設計開發

CATIA結構設計模塊在實際應用過程中需要根據不同產品設計大量型材庫，本文僅介紹國家標準型鋼庫的設計開發，其他專用型材庫可以參考國家標準型鋼庫進行設計開發。

2.1 更改結構設計材料庫

首先查找CATIA安裝位置，例如：C：＼Program Files（x86）＼Dassault Systemes＼B21，個人軟件安裝時設置的安裝位置可能會有所不同。可以選中桌面CATIA快捷方式圖標，鼠標右鍵單擊，出現豎排菜單，點擊打開文件位置，找到軟件的安裝位置。在安裝文件內找到材料庫位置：intel_a＼startup＼EquipmentAndSystems＼Structure＼ StructuralCatalogs＼Materials，打開文件StructureMaterials。

材料庫文件中有3個系列，分別為AISC、EN和DIN系列，在AISC系列下已有Steel A36、Steel A42等多種材料，將原有的材料復制粘貼，增加一種新材料，雙擊剛復制創建的新材料圖標，進入屬性面板。在特征屬性中更改特性名稱，新材料重命名為“GB型鋼_熱軋等邊角鋼Q235A”，這個命名規則需要與型材庫型材規格相對應。在材料屬性中編輯材料密度、剖面線類型及其他材料參數，以便于重量計算、工程制圖等，編輯完畢后點擊確定，關閉屬性面板。

以上這是新增一種材料的操作步驟，每新增一種新的型材均需要在AISC系列材料庫中新增一種新材料。如果需要新增多種材料，需按上述步驟重復進行操作。新材料建立完畢后，將StructureMaterials文件保存并關閉。

2.2 新增型材截面文件

在安裝文件內找到型材截面庫位置：intel_a＼startup＼ EquipmentAndSystems＼Structure＼StructuralCatalogs＼AISC＼ Models，新建CATIA文件，重命名為rezhadengbianjiaogang，進入CATIA文件。CATIA不識別中文名稱，本文按拼音名稱進行命名。

本節以熱軋等邊角鋼為典型范例，介紹型材庫的建立過程。熱軋等邊角鋼（GB/T 9787-1988）的示意圖如圖1[1]所示。

在機械設計部分的零件設計模塊進行設計的過程中，在CATIA文件里選擇XY平面建立草圖。建立典型的熱軋等邊角鋼樣式，按照圖1的樣式繪制草圖輪廓。實用直線命令連續繪制直線，構成空心L形截面，再使用圓角命令在L型尖端內側倒圓角。

點擊約束命令，逐一標注約束草圖輪廓，直至草圖完全約束、輪廓線全變為綠色，詳見圖2。約束時，標注的尺寸可以為任意值，輪廓接近圖1即可。

在創建完成草圖后，退出草圖工作臺。下一步進行參數化設計，點擊進入工具菜單，點擊選項命令，進入選項面板。在面板左側是選項面板的樹型菜單欄，點擊常規左側的“+”符號，進入下一級目錄樹，點擊參數和測量，在右側是參數和測量的相關設置。在知識工程選項下有參數樹形視圖，下面是帶值、帶公式選項，點擊兩個空白小方塊，分別勾選帶值、帶公式選項。點擊基礎結構左側的“+”符號，進入下一級目錄樹，點擊零件基礎結構，在右側是零件基礎結構的相關設置。點擊顯示選項欄，在顯示選項下有“在結構樹中顯示”選項，下面是外部參考、約束、參數和關系等選項，點擊空白小方塊，勾選“在結構樹中顯示”下的所有選項。點擊選項面板右下角確認，退出選項面板。以上是參數化設計的相關選項配置，設置完畢后下次可以直接使用，無須重復設置。

點擊公式命令，進入公式面板。在新類型參數命令右側有兩個下拉菜單，默認值一般為實數、單值，將第一個下拉菜單改為字符串，點擊新類型參數命令，建立單值的字符串類型參數，在上方白色窗口內出現了新創建的參數，選中該參數，在“編輯當前參數的名稱或值”下面的橫條窗口內出現參數名稱，一般為“字符串.1”，將其重命名為PartNumber。在右側的另一個空白橫條窗口內輸入“RZDBJG20x20x3”，這個編號表示熱軋等邊角鋼縮寫符號，前面的字母是熱軋等邊角鋼的拼音首字母，20x20x3表示熱軋等邊角鋼的牌號是20×20×3，即b=20 mm、d=3 mm。這個參數值也可以不填寫，等后續創建excel時再進行賦值。

下面新增其他參數，將新類型參數命令右側的第一個下拉菜單改為長度，點擊新類型參數命令，建立單值的長度類型參數，在上方白色窗口內出現了新創建的參數，選中該參數，在“編輯當前參數的名稱或值”下面的橫條窗口內出現參數名稱，一般為“長度.1”，將其重命名為b。在右側的另一個空白橫條窗口內輸入“20”，這表示零件寬度b為20，這個參數值也可以不是20，等后續創建excel時再進行賦值。按上述方法再建立兩個長度類型的參數，參數名稱分別為d、r，賦值為3、3.5。共建立了4個新類型參數，分別為PartNumber、b、d和r，其中b、d和r是長度類型參數。

白色窗口內除了新創建的參數外，還有其他已有的參數。找到參數“Part1＼零件編號”，選中后點擊添加公式命令，進入公式編輯器，在空白橫條窗口內增加參數“PartNumber”，點擊確定。此時“Part1＼零件編號”的名稱變為了“RZDBJG20x20x3”。

找到草圖中約束邊厚度的參數，即圖2中的尺寸63.8、60，即公式面板內的“零件幾何體＼草圖.1＼偏移.31＼Offset”、“零件幾何體＼草圖.1＼長度.25＼長度”。由于草圖建立過程中尺寸可以是任意值、操作步驟也不相同，公式中的參數名稱、值也會不相同。將這兩個寬度參數分別添加公式“b”，此時參數值會變為20，草圖中尺寸也會發生變化。

找到草圖中約束寬度的參數，即圖2中的尺寸10、10，將這兩個寬度參數分別添加公式“d”，此時參數值會變為3。找到草圖中約束圓角的參數，即圖2中的尺寸8.726，將這個參數添加公式“r”，此時參數值會變為3.5。找到草圖中約束型鋼邊端內圓弧半徑的參數，即圖2中的尺寸4.257、5.771，將這兩個寬度參數分別添加公式“d/3”。點擊確定，草圖中所有尺寸已經更新。左側樹形結構上出現了有關參數、關系的集合。

點擊設計表，在面板中選擇使用當前的參數值創建設計表，點擊確定，查找到PartNumber、b、d和r四個參數，選中依次點擊箭頭將面板左側這四個參數插入到右側，點擊確定，彈出另存為對話框，文件命名為rezhadengbianjiaogang，存儲位置設置為intel_a＼startup＼EquipmentAndSystems＼ Structure＼StructuralCatalogs＼AISC＼Models，也可以存儲到其他位置，點擊保存。設計表面板點擊確定。

打開剛創建的excel參數文件rezhadengbianjiaogang. xls，表格中有四列數據，題頭為PartNumber、b（mm）、d（mm）和r（mm），表格僅有一組數據，即CATIA文件已有的數據。按照熱軋等邊角鋼（GB/T 9787—1988）中各個規格型鋼的b、d和r數據，逐一錄入excel表格，在PartNumber列中輸入“=”RZDBJG”&B2&”x”&B2&”x”&C2”，其中B2、C2是引用右側單元格的數據，即型鋼的b、d數據，下拉復制單元格，形成完整數據表，參見表1。保存并關閉excel參數文件，CATIA文件的數據表與excel參數文件相關聯，會自動更新，至此完成參數化設計。

2.3新增型材規格

在安裝文件內找到材料庫位置：intel_a＼startup＼ EquipmentAndSystems＼Structure＼StructuralCatalogs＼ Materials，打開文件StructureMaterialSpecifications。文件中已經有多種型材規格，點擊左側結構樹，Specifications下有AISC系列。雙擊AISC，點擊增加章節命令，在AISC系列下增加章節，重命名為GB型鋼，勾選復制關鍵字，點擊確認。雙擊GB型鋼，點擊增加章節命令，在GB型鋼下增加章節，重命名為“熱軋等邊角鋼Q235A”，勾選復制關鍵字，點擊確認。雙擊“熱軋等邊角鋼Q235A”，點擊添加系列命令，彈出對話框，將名稱重命名為“Profile”，勾選復制關鍵字，點擊確認。雙擊“Profile”，點擊添加生成的零件命令，彈出對話框，點擊選擇文檔命令，根據CATIA文件的保存路徑，查找并選擇已建立的CATIA文件rezhadengbianjiaogang.CATPart，點擊確定，此時已經導入CATIA參數。選中“Profile”，點擊右鍵，點擊Profile對象，右側擴展出命令菜單，選擇解析命令。參考界面下有大量規格型材文件，這是從CATIA文件導入的截面參數，解析后各個文件的路徑發生了變化，解析生成的文件一般保存在C：＼用戶＼Administrator＼AppData＼Local＼ DassaultSystemes＼CATTemp。解析完成后保存關閉，至此已完成型材庫的建立。

以上是新增一種型材的操作步驟，如果需要新增多種型材，需按上述步驟重復進行操作。

3 結構設計模塊的應用

以某型飛機水平安定面托架為例展示結構設計模塊典型的產品設計。

進入CATIA，點擊開始下拉菜單，進入機械設計下一級擴展菜單，點擊structuredesign，進入結構設計模塊。進入結構設計模塊后，點擊Grid（網格）命令，進入定義網格界面。在Name右側輸入網格名稱，網格命令會生成單獨網格文件，名稱應與零件代號不同，建議名稱命名為“型材結構裝配圖代號-Grid”。根據結構設計的需要劃分網格線，在Spacing along X axis、Spacing along Y axis和Spacing along Z axis右側的空白窗口內，分別填入網格沿X軸、Y軸和Z軸的網格大小、網格數量，點擊確認，生成網格，生成的網格后可以再次編輯網格大小，并在網格基礎進行增加網格線，典型網格線如圖3所示。

點擊shape命令，進入型材選型對話框，在Geometry界面下，type類型設置為Select Support，點擊Support右側空白窗口，選取網格上的直線段。點擊Material& Orientation，進入界面后Material右側材料選擇之前建立的型材庫“GB型鋼”，Grade右側材料選擇熱軋等邊角鋼Q235A，Section右側材料選擇型鋼的規格，調整型鋼位置，點擊確定，此時在該直線段上生成了型鋼。按照此方法在網格線上繪制出骨架結構，使用Merge命令合并相同型鋼，使用CutBack命令擬合型鋼搭接區域，使用Plate命令裝配平板。編輯完畢的型鋼結構如圖4所示。

4 結語

雖然建立型材庫需要花費時間，但結構設計模塊使用非常方便，極大地提高了設計效率，建模的時間不足原先1/10，而且更改十分方便。

參考文獻

[1] 國家技術監督局.熱軋等邊角鋼 尺寸、外形、重量及允許偏差：GB/T 9787-1988[S].北京：中國標準出版社，1989：1.