UG軟件在機械設計中的應用研究

郭小燕

摘要：UG軟件作為當前產品設計和制造加工一體化過程提供數(shù)字化造型和實踐驗證常用的解決方案，可進行虛擬產品設計和三維造型，又可進行編程和同步建模等應用功能，在工業(yè)設計、產品設計、模具設計及機械制造加工行業(yè)應用較為廣泛。本文從UG軟件應用特點著手，結合UG軟件各類應用功能模塊和機械設計應用方向，分析研究其應用優(yōu)勢和對產品設計和制造加工的有利影響，提升產品設計和制造質量，縮短產品研發(fā)設計周期，優(yōu)化產品性能，以期達到機械設計行業(yè)的社會經濟效益。

關鍵詞：UG軟件;機械設計;參數(shù)化設計;運動仿真;三維造型

0 ?引言

現(xiàn)今，在產品設計和制造加工一體化領域中計算機虛擬制造和仿真技術不斷自我革新和技術突破。CAD/CAE技術發(fā)展應用，到UG軟件或Cimatron軟件在三維建模造型和產品虛擬設計等方面的應用推廣，其應用目的是為解決產品設計和制造加工過程中的研發(fā)周期長、經費支出大等問題，又能實現(xiàn)設計缺陷問題在線修改和產品優(yōu)化等。將三維造型、參數(shù)化設計、虛擬現(xiàn)實等技術應用機械設計和工程設計中，使工業(yè)設計和制造行業(yè)得到突飛猛進的變化進步，對社會經濟有著積極影響和推動發(fā)展。

1 ?UG軟件概述

UG軟件是Unigraphics NX軟件名稱簡稱，作為三維機械設計軟件的引領者和應用倡導者，擁有較大的用戶群體和各類成功的設計典型案例。其集成計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）等技術為應用基礎，以參數(shù)設計、三維造型等設計方式簡捷高效設計出各類三維產品形體和虛擬產品制造，實現(xiàn)二維平面設計向三維立體設計升級的重要手段，其可視化程度高，能準確清晰地實現(xiàn)設計人員的意圖構想，逼真模擬設計產品，為設計容錯糾錯、產品優(yōu)化等帶來諸多便利，為提升機械設計質量和縮短設計周期奠定技術基礎。

2 ?UG軟件功能模塊

UG軟件是由多個功能模塊組成的。大致可分為4個模塊即為：Gateway模塊、CAD模塊、CAM模塊、CAE模塊，以Gateway模塊為基礎，模塊間既有聯(lián)系又相互獨立，軟件應用時各模塊可交叉、組合使用。

其中，Gateway模塊可進行文件新建、打開、輸入/輸出不同格式設計文件、視圖定義、顯示控制、查詢等操作，是UG軟件應用的基礎，為其他模塊提供最基本的操作指令和數(shù)據(jù)庫支持。CAD模塊可實現(xiàn)實體建模、特征建模、自由形狀建模、裝配建模和工程制圖功能。CAE模塊主要作用實現(xiàn)對設計過程靜態(tài)、動態(tài)結構分析，能夠計算出機械設計樣品的使用周期和可靠性，提供強大的在線求解器和完整的材料數(shù)據(jù)庫。CAM模塊提供如切削仿真、切割、鈑金、機床仿真等加工方法的交互操作和輔助加工，可根據(jù)設計需求進行修改、優(yōu)化調整。

3 ?UG軟件在機械設計中的應用方向

3.1 基于參數(shù)化的優(yōu)化設計

利用UG軟件的參數(shù)化設計功能，和UG參數(shù)化草圖、UG/WAVE技術，以所設計產品對象的形狀、尺寸、特征等基本數(shù)據(jù)進行參數(shù)化建模，實現(xiàn)各部件參數(shù)數(shù)據(jù)間關聯(lián)和參數(shù)調整。其設計目的是對設計產品進行靈活修改，便于不斷改進完善產品性能。實現(xiàn)方法多有電子表格法、系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束、特征和表達式驅動圖形等，以達到產品設計優(yōu)化，計算出產品設計關鍵參數(shù)值，可有效降低產品設計時間和成本，顯著提高設計效率。如在泵體設計、齒輪設計、螺栓設計等產品系列化設計應用較為廣泛。如圖1所示，泵體設計實例。

因為泵體性能取決于排量，即為它每分鐘能排出空氣的體積，與活塞直徑、曲軸曲柄長度及曲軸轉速有關。其中關鍵參數(shù)為：

活塞直徑：piston_dia（變量）

曲軸曲柄長度：crankshaft_throw（常量）

曲軸轉速：crankshaft_rpm（常量）

排量：pump_rating（應變量）

通過對關鍵參數(shù)間關聯(lián)來實現(xiàn)優(yōu)化設計。

3.2 UG軟件的運動仿真設計

為了確保產品設計的準確性和運行質量，需要對所設計產品的機械結構進行運動仿真和運動分析，以來判斷運行結果與設計初衷是否一致，校驗機械結構運轉過程是否發(fā)生部件干涉，以及通過運動仿真分析確定機械結構運動所需空間是否設計規(guī)范等。這些都需要利用UG軟件的運動仿真功能來驗證，對機械結構運動的速度、位移、加速度、行程、力和力矩等參數(shù)進行驗算，并可進行調整機械結構參數(shù)或修改設計參數(shù)來實現(xiàn)。

設計流程大致為：首先利用Modeling模塊對所設計產品進行三維建模，再利用虛擬裝配模塊完成設計產品的部件裝配構造、裝配零件生成等，依托所設計產品使用運動場景創(chuàng)建運動仿真分析方案，如連桿對象、移動速度、慣性矩等連桿運行仿真創(chuàng)建、運動度的運動副運動仿真創(chuàng)建、無運動驅動、恒定運動驅動、簡諧運動驅動、運動函數(shù)、關節(jié)的運動驅動等運動驅動創(chuàng)建，最后按照各運動仿真分析方案進行運動仿真分析，得出機械結構運行優(yōu)劣，實現(xiàn)機械結構的靜力學分析和機械結構力學分析，其運動過程可生成靜態(tài)圖片、動態(tài)圖片、動畫和電影文件，以便設計人員后續(xù)進行調整或修改機械結構參數(shù)。

3.3 UG軟件三維造型應用

UG軟件擁有強大的三維立體造型功能，將設計者產品構思初步輪廓利用UG軟件三維造型模塊生成一個三維實體模型，可實現(xiàn)設計產品外部造型設計和內部結構設計，即提供一個可視化界面，再在該界面上進行逐步工程設計造型。一般三維造型是UG軟件應用基礎，再此基礎上對部件創(chuàng)建、裝配、整合等環(huán)節(jié)進行在線和實時設計計算，驗算結構尺寸和設計參數(shù)合理性，并模擬設計產品在運行/熱力/極端條件下的使用壽命、穩(wěn)定可靠性。最后結合市場和用戶需求，仔細分析計算機上虛擬現(xiàn)實產品從外觀造型到色彩配置、從功能組合到內部結構、從加工工藝到使用條件，逐項討論并用計算機分析優(yōu)缺點，為優(yōu)化設計提供依據(jù)。

4 ?結束語

UG軟件是將三維造型技術、參數(shù)設計技術、虛擬現(xiàn)實技術等新技術、新設計理論融入產品設計研發(fā)制造環(huán)節(jié)中，并集成計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）等技術為應用基礎，以參數(shù)設計、三維造型等設計方式簡捷高效設計出各類三維產品形體和虛擬產品制造，實現(xiàn)二維平面設計向三維立體設計升級的重要手段，其可視化程度高，能準確清晰地實現(xiàn)設計人員的意圖構想，逼真模擬設計產品，為設計容錯糾錯、產品優(yōu)化等帶來諸多便利，提升機械設計質量和設計過程的科學性和準確性，縮短設計周期與經費支出，優(yōu)化產品性能，以期達到機械設計行業(yè)的社會經濟效益。

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