螺栓CAD-CAE 模型轉換自動化技術研究

沈 輝

（浙江吉利汽車研究院有限公司， 浙江 杭州 311228）

0 引言

機械連接是汽車行業最常用的裝配方式之一，一輛中小型商用車的緊固件數量往往能達到2000～3000 多個[1]。常用的機械連接主要有螺栓連接、螺釘連接、鉚釘連接以及卡扣連接[2]。 螺栓連接的實現在汽車CAE 整車裝配過程中至關重要。 而實現螺栓從CAD 幾何到CAE 連接模型的轉換，是這個過程的第一步。 目前實現螺栓從CAD模型轉換為CAE 連接信息的操作方式主要依靠人工，逐一識別螺栓位置，然后測量相關信息，如直徑，Washer 尺寸，長度等，最后在對應位置創建商業有限元軟件可以識別的Connector 信息。 由于螺栓數量多，造成此項工作極為繁瑣耗時。

ANSA 由于其自身優勢，近些年來在汽車、航天航空等各領域的CAE 仿真中應用越來越廣泛。作為一款通用CAE 前處理軟件，ANSA 提供了基于Python 語言的二次開發接口， 讓CAE 工程師能夠根據自身需求開發定制化的自動化流程[3-6]。

本文基于ANSA 的二次開發接口， 應用python 語言開發了一套實現螺栓從CAD 到CAE 模型轉換的自動化工具。 此工具從螺栓的CAD 模型識別獲取相關特征參數，以此創建螺栓Connector 信息，同時程序能夠自動識別螺栓螺母配對信息， 為實現螺栓裝配自動化提供了解決方案。

1 ANSA 二次開發介紹

ANSA 軟件除本身強大的快捷操作功能外，還提供了基于Python 語言的二次開發接口和便利的界面開發工具。 為方便用戶進行腳本開發，ANSA 還提供了專門的腳本編輯器，如圖1 所示。 用戶可在編輯器中快速查找API及其使用說明，此外還可直接在編輯器中調試運行腳本，為用戶進行定制開發提供了巨大便利。

ANSA 提供了大量的API，利用這些API，用戶可通過最短的代碼實現許多復雜的操作過程，同時可完成ANSA標準命令中無法直接完成的操作。 ANSA 的API 根據功能不同分為batchmesh、guitk、cad、base、connections、constants、utils、morph、calc、session、taskmanager 11 個模塊。

圖1 ANSA 腳本編輯器Fig.1 ANSAscript editor

2 螺栓轉換自動化流程

實現螺栓裝配的自動化，首先需要實現螺栓CAD 到CAE 的快速轉換。 ANSA 中螺栓Connector 模型如圖2 所示， 螺栓Connector 作為ANSA 的一種連接對象， 通過Connector 可快速實現零部件的連接。 ANSA 創建螺栓Connector 的卡片如圖3 所示，從圖中可以看出，創建螺栓Connector 的前提要有以下參數：原點X、Y、Z 坐標，螺栓軸向矢量， 螺栓長度， 螺栓直徑以及螺栓孔的washer 尺寸。螺栓Connector 創建完成后還需進行螺栓螺母的配對識別，這樣方可實現螺栓自動裝配。

螺栓CAD 到CAE 模型轉換自動化工具的具體開發流程如圖4 所示， 流程主要分為兩步： 一是創建螺栓Connector 創建；二是螺栓螺母配對識別。

圖2 螺栓CAD 與CAE 模型示例Fig.2 Bolt model of CAD and CAE

圖3 ANSA 螺栓連接卡片Fig.3 Bolt connector card of ANSA

圖4 自動化工具開發流程Fig.4 Development process for automation tool

3 螺栓轉換自動化關鍵技術

3.1 柱坐標系創建

螺栓和螺母通常都是軸對稱的，利用這一幾何特征，程序開發過程中首先在螺栓原點創建柱坐標系， 并對螺栓幾何劃分網格，再將單元節點坐標轉換到柱坐標系下，以便獲取直徑和長度。

ANSA 導入CAD 后，在模型瀏覽器中可查看CAD 相關信息，如螺栓的質心和原點坐標，如圖5 所示。

圖5 ANSA 模型瀏覽器Fig.5 ANSA model browser

首先通過程序獲取原點和質心坐標， 并計算螺栓的軸向矢量。以螺栓原點坐標為柱坐標系原點，軸向矢量為Z 方向創建局部柱坐標系，如圖6 所示。

圖6 螺栓柱坐標創建原理Fig.6 Principle of cylindrical coordinate system creation for bolt

3.2 螺栓螺母識別

由于螺栓螺母直徑計算方法不同， 且為方便后續螺栓螺母的配對識別，需對螺栓和螺母區別處理，為此程序開發了識別螺栓螺母的算法： 首先將網格單元節點坐標轉換到局部柱坐標系下，獲取所有節點徑向坐標值，從中獲取最小徑向坐標Rmin。 從圖7 可以看出，對于螺栓而言Rmin≈0，而對于螺母Rmin≈螺栓直徑。

3.3 螺栓直徑計算

螺栓直徑的計算原理如圖8 所示，首先在柱坐標系下獲取螺桿末端的z 向 坐 標 值L0、r 方 向最大尺寸平面的坐標值Rmax 及對應的z 向坐標值L1。 然后從Rmax 平面與螺栓末端平面的中點開始沿著螺栓末端方向進行掃描，獲取最大的半徑值Rj，即為螺栓的半。對于螺母則恰好相反，螺栓半徑為螺母的最小半徑。

圖7 螺栓螺母識別原理Fig.7 Identificationprinciple of bolt and nut

圖8 螺栓直徑計算原理Fig.8 Boltdiametercalculationprinciple

攻克以上關鍵技術難點后， 通過程序可獲取創建螺栓Connector 所需的所有參數：原點坐標、螺栓直徑、螺栓長度、軸向矢量、Washer 尺寸等。 通過ANSA 的內置API命令可快速創建螺栓Connector。

4 螺栓螺母配對識別技術

圖9 螺栓螺母配對原理Fig.9 Boltand nut matching identificationprinciple

實現螺栓自動裝配的前提需要將螺栓螺母進行配對。螺栓螺母配對需滿足三個條件， 以圖9為例進行說明：一是螺栓螺母原點間距L5 小于螺栓長度L0；二是螺栓螺母原點矢量V1 與螺栓軸向矢量V0 平行且方向一致； 三是螺母原點到螺栓軸向的投影距離為0，即Δd=0，實際程序開發過程中考慮幾何數據誤差，滿足Δd≤R 即可。

由于螺栓螺母數量多，為提高配對效率，程序開發過程中做了以下特殊操作：螺栓Connector 創建時預先將識別出的螺栓螺母分開存儲， 其中螺栓添加到列表screwlist，螺母添加到列表nutlist；然后對所有螺栓進行循環處理， 首先從螺母列表nutlist 中篩選出螺栓長度范圍內的螺母集合，然后在篩選結果中搜索配對螺母。

配對成功后，配對信息將添加到螺栓Connector 卡片中，如圖10 所示，卡片comment 中標識了螺栓類型以及與其連接的螺母ID，方便后續自動化裝配快速識別。

圖10 螺栓配對信息標識Fig.10 Boltand nut matching information

5 結論

本文基于ANSA 軟件開發了一套螺栓CAD 到CAE模型轉換的自動化工具。 此工具除實現螺栓Connector 批量創建外，還可自動識別螺栓螺母配對信息，為后續實現螺栓自動化裝配提供了有效解決方案。 與傳統人工建模方法相比，通過自動化工具，可顯著提高了工作效率，有效縮短汽車CAE 建模周期。 通過程序進行處理，可避免因人為原因造成的遺漏等情況發生。