proe在机械设计当中应用副本

1、. . . . PRO/ENGINEER技术在产品设计当中的应用摘 要经过漫长的发展岁月，产品设计手段在不断地提高，不断进步，不断成熟。从最早的手工绘图，到现在的广泛的使用计算机辅助设计来进行产品的设计，并且以后还会有更先进的设计手段出现。为了提高计算机辅助设计的效果和节约设计成本和加工时间，我们做了这个关于PRO/ENGINEER技术在产品设计当中的应用的毕业设计，主要从PRO/ENGINEER的参数化设计，有限元分析，动态仿真，逆向工程等方面阐述了PRO/ENGINEER在机械产品设计当中的应用价值与应用前景。本文介绍与应用了PRO/ENGINEER造型设计中的参数化设计方式，涉与到了孔特

2、征、倒圆角、螺旋扫描、阵列特征等的设计方法。然后通过PRO/ENGINEER的组件的应用程序里的机构功能实现动态仿真，实现了产品的设计，模拟装配，模拟运行等过程，充分体现了PRO/ENGINEER在机械产品设计当中的应用价值与应用前景，并且结合了相关的资料讨论了一下三维设计的发展趋势。关键词：Pro/e参数化设计，汽车模型，动态仿真，装配ABSTRACTAfter long years of develoPment, Product design methods are constantly imProving, making Progress and continue to mature.

3、From the earliest hand-drawing, to the current extensive use of comPuter-aided design to Product design, and thereafter there will be more advanced design means there. To enhance the effect of comPuter-aided design and design costs and Processing time savings, we do this on the PRO / ENGINEER Produc

4、t design in the aPPlication of the graduation Project which is mainly from the PRO / ENGINEER Parametric design, and finite element analysis, dynamic simulation, reverse analysis of the asPects of PRO / ENGINEER mechanical design in which the value and aPPlication. In this PaPer, using PRO / ENGINEE

5、R software design, in the shaPe design Parameters used in the design and analysis design reverse way, related to the hole features, rounding, sPiral scanning, array design method of characteristics. Then PRO / ENGINEER aPPlication comPonents function in the body dynamic simulation, to achieve a Prod

6、uct design, assembly modeling, simulation and other Processes running, fully embodies the PRO / ENGINEER mechanical design in which the value and ProsPects .KEY WORDS:Pro / e Design Parameters， Finite element analysis，Dynamic Simulation，assemble36 / 40目录前言1第1章计算机辅助设计技术的发展31.1计算机辅助设计技术的发展31.2计算机辅助设计在

7、各方面的应用31.2.1 制造业中的应用31.2.2 工程设计中的应用41.2.3 电气和电子电路方面的应用41.2.4 仿真模拟和动画制作51.2.5 其他应用51.3 PTC公司与 pro/e软件的简介51.4 Pro/e软件与传统二维计算机辅助软件的比较6第2章 pro/e的功能92.1基于特征与参数化的设计92.2 pro/e与动态仿真122.2.1 产品组装与机构仿真的一般方法122.2.2 产品组装与机构仿真的一般步骤122.3 pro/e与ANSYS的有限元分析142.4 pro/e软件在逆向工程中的应用192.5 pro/e的CAM/CAE模块在设计中的应用21第3章 pro/

8、e在产品设计中的应用实例233.1 PRO/E在减速箱设计中的应用233.2 PRO/E在汽车汽车覆盖件中设计中的应用253.2.1零件结构分析263.2.2产品数字化263.2.3 数据预处理273.2.4 模型重建273.3 PRO/E叉车模型建模与动态仿真应用实例283.3.1叉车模型零部件的三维造型293.3.2干涉检查和运动仿真31第4章三维计算机辅助设计软件的发展前景32结论34辞35参考文献36前言机械制造业是国家工业体系中的基础行业，在信息化快速发展的今天，作为计算机辅助设计中的PRO/E在产品的研发与生产中，起到了重要的作用。同时该类软件的应用使传统的产品设计方法与生产模式发

9、生了深刻的变化，产生了巨大的经济和社会效益。美国PTC公司的PRO/E软件自诞生那一天起，就引领机械行业的发展，将一场深刻的变化带进了工业生产的各个方面。其优势在航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等制造业的广泛、深入应用就能得到生动的说明。相关联的据库、参数化设计基于特征的实体模型化、以与多兼容的数据接口等，都是PRO/E的最大特点。建立在统一基层上的数据库上的特点令数据结构与工程设计结合，使得一件产品的设计能够在各个阶段称为一个完整一体的过程。工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角与圆角等特征，可以轻易改变模型。

10、这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。该软件的多数据的接口可以与多种CAE/CAM软件的的连接应用。而我国的三维设计起步较晚，但是经过近几年的发展，正在世界繁荣的设计环境下蓬勃的发展着。有限元分析的基本思想是将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值方法。物体被离散后通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到整个物体的分析。这类如ANSYS的软件与PRO/E的结合应用使两者的优势能够互补，更加解放了人的劳动，促进生产的发展。在机械加工中，机构的运动形式，机构的结构合理性以与产品的动态展现，都离不开动态仿真的协助。作为PRO/E动态仿真的的高级应用，在

11、论文中也相应作了介绍与演示。特别是在减速箱的模拟装配的实例应用。逆向工程作为消化吸收先进技术的一种手段，特别是随着现代计算机技术与测试技术的发展，逆向工程在CAD/CAM技术中的应用更为重要。该文对PRO/E在逆向工程中的应用也有相关的介绍。另外，本课题通过举例等方法阐述了PRO/ENGINEER在三维设计领域里的应用价值与应用前景，与以后的发展趋势。总之在信息化的今天，在设计手段不断更新，发展的国际大环境里，像PRO/E这类三维软件肯定会向着更加智能，功能更加全面，更加具有人性化的的方向发展。从事机械行业的工作者，要不断关注其发展，使其在自己的发展中起到应有的作用。第1章 计算机辅助设计技术

12、的发展1.1计算机辅助设计技术的发展计算机辅助设计（Computer Aided Design）是由计算机完成产品设计中的计算、分析、模拟、制图、编制技术文件等工作,由计算机辅助设计人员完成产品的全部设计过程,最后输出满意的设计结果和产品图纸的一种机械设计方法。它是最近几十年来迅速发展起来并得到广泛应用的多学科综性的新技术。计算机辅助设计技术的应用适应了当前产品需提高设计质量,快速更新换代的需求。计算机辅助设计技术从上世纪50年代末，伴随着计算机的发展、计算机运算能力的增强和储存管式图形显示技术的出现而产生。如今CAD技术已经发展了60多年，并且正以强大的冲击力，影响改变着工业生产，直至社会的

13、各个方面，使传统的设计流程、工业技术方法发生了深刻的变革。常见的计算机辅助设计软件可以分为二维软件与三维软件两种，它们在功能与效率上相差很大。Pro/e软件作为计算机辅助设计系统中非常重要的一款三维设计软件，它所具有的功能是计算机发挥辅助设计功能、提高设计效率的重要基础。1.2计算机辅助设计在各方面的应用计算机辅助设计技术目前已广泛应用于国民经济的各个方面，其主要的应用领域有以下几个方面。1.2.1 制造业中的应用计算机辅助设计技术已在制造业中广泛应用，其中以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等制造业应用最为广泛、深入。众所周知，一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟

14、等几个主要阶段。同时，现代设计技术将并行工程的概念引入到整个设计过程中，在设计阶段就对产品整个生命周期进行综合考虑。当前先进的计算机辅助设计应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统。现在较常用的软件有UG II、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等计算机辅助设计应用系统，这些系统主要运行在图形工作站平台上。在PC平台上运行的计算机辅助设计应用软件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。1.2.2 工程设计中的应用计算机辅助设计技术在工程领域中的应用有以下几个方面:（1）建筑设计，包括方案设计、三维造型、建筑渲染图设计

15、、平面布景、建筑构造设计、小区规划、日照分析、室装潢等各类计算机辅助设计应用软件。（2）结构设计，包括有限元分析、结构平面设计、框/排架结构计算和分析、高层结构分析、地基与基础设计、钢结构设计与加工等。（3）设备设计，包括水、电、暖各种设备与管道设计。（4）城市规划、城市交通设计，如城市道路、高架、轻轨、地铁等市政工程设计。（5）市政管线设计，如自来水、污水排放、煤气、电力、暖气、通信（包括、有线电视、数据通信等）各类市政管道线路设计。（6）交通工程设计，如公路、桥梁、铁路、航空、机场、港口、码头等。（7）水利工程设计，如大坝、水渠、河海工程等。（8）其他工程设计和管理，如房地产开发与物业管理

16、、工程概预算、施工过程控制与管理、旅游景点设计与布置、智能大厦设计等。1.2.3 电气和电子电路方面的应用计算机辅助设计技术最早曾用于电路原理图和布线图的设计工作。目前，计算机辅助设计技术已扩展到印刷电路板的设计（布线与元器件布局），并在集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的设计制造显身手，并由此大大推动了微电子技术和计算与技术的发展。1.2.4 仿真模拟和动画制作应用计算机辅助设计技术可以真实地模拟机械零件的加工处理过程、飞机起降、船舶进出港口、物体受力破坏分析、飞行训练环境、作战方针系统、事故现场重现等现象。在文化娱乐界已大量利用计算机造型仿真出逼真的现实世界中没有的原始动物、外星人

17、以与各种场景等，并将动画和实际背景以与演员的表演天衣无缝地合在一起，在电影制作技术上大放异彩，拍制出一个个激动人心的巨片。1.2.5 其他应用计算机辅助设计技术除了在上述领域中的应用外，在轻工、纺织、家电、服装、制鞋、医疗和医药乃至体育方面都会用到计算机辅助设计技术。1.3 PTC公司与 pro/e软件的简介Pro/Engineer是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一

18、。Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件与组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生与不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的

19、关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便。Pro/Engineer可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析与后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的

20、绘图仪(HP，HPGL)和黑白与彩色打印机的二维和三维图形输出。图1-1 Pro/e的应用图示1.4 Pro/e软件与传统二维计算机辅助软件的比较传统的计算机辅助设计系统主要是提供方便的设计工具和手段来辅助设计, 缺乏分析问题和解决问题的能力, 适用于解决算法型或确定型的任务问题。近几年来, 为了克服传统计算机辅助设计的不足, 人们将人工智能和专家系统技术应用于计算机辅助设计系统, 进行了智能计算机辅助设计系统的研究。众所周知, 机械产品设计不但涉与到一系列的计算公式、许多的设计标准和规以与制图技术, 而且还要用到许多非数值的经验性知识, 如开始的概念设计和产品的初步设计则要求设计专家凭借知识

21、和经验来思考、推理和判断；而设计过程最一个从“设计- 评价- 再设计直到产生最优设计结果”的反复过程, 这就更需要设计专家具有一定的知识性经验, 也就驱使着专家系统和计算机辅助设计进行结合。很显然, 概念设计是整个设计过程中最重要的一个阶段, 这一阶段是设计创造性最为集中的部分, 这一部分与问题的表达和理解的正确与否, 所提方案的优劣以与评价和决策的适当与否等有关, 它决定了最终设计的特色、水平和效益。传统的二维CAD系统起源于计算机图形学，其智能定位于图样绘制，没有从本身的需求来考虑，大多数停留在电子图版的水平。设计者用二维CAD系统来记录设计结果，设计活动只活动在设计者的头脑之中，当设计者

22、应用二维CAD系统的时候，设计差不多已经结束。其局限性表现如下：(1) 只是一个绘图工具而并非设计工具，不能帮助设计者定义设计关系和设计约束，更不能储存和保持设计关系。(2) 没有可变型的产品模型。(3) 不支持设计的全过程，只能完成绘图等对提高企业竞争力不很重要的工作。(4) 缺乏智力性，只记录几何数据，缺乏语义信息，不能有效表达设计意图。(5) 对产品缺乏完善的分析系统和检索机制。由于概念设计的重要性, 一些学者提出了基于决策的概念设计过程模型, 并且用超文本做了技术实现。与过去的设计方法学模型相比, 决策模型并不规定设计过程应该怎样,设计师自始至终控制着设计的流程, 具有更大的灵活性；

23、与形式化模型相比, 决策模型并不被动地模拟设计过程, 而是抽取关键的语义和联系, 用以描述和支持设计过程, 与传统的计算机辅助设计方法相比, 它不仅记录设计的结果, 更强调记录和表达设计的过程。总之, 智能化是机械计算机辅助设计中极具有前途的研究领域。Pro/Engineer能较好地完成挖掘机零部件的三维造型，三维造型时常用以下方法:对形状比较规则的简单零件，利用三维软件自带的标准几何体（方形、圆柱、圆管、圆锥和球、沟槽）库，直接生成零件实体，如方板、光轴、轴套等。绘制最能反映零件基本特征的几何草图，经拉伸、旋转生成三维实体。沿路径配置的二维几何图形经扫描，蒙皮生成曲面形实体。从草图入手建模

24、设计者根据设计的要求用手勾画出理想的结构形状，然后赋予每一条曲线以尺寸约束或几何约束，使曲线按照设计者的意图去更新交换，生成参数化特征的实体建模。从草图入手建模很容易实现参数化、标准化、系列化设计，是挖掘机最理想的建模方式。利用三维实体间的布尔运算（交、并、补），将多个简单零件组合成一体，生成新的实体等等，且生成的实体模型均采用参数化特征造型。第2章 pro/e的功能2.1基于特征与参数化的设计参数化技术是指设计对象的结构形状比较定型, 可以用一组参数来约定尺寸的关系。多数与设计对象的控制尺寸有显然的对应, 设计结果的修改受到尺寸驱动, 所以也称为参数化尺寸驱动, 参数化设计技术以其强有力的草

25、图设计、尺寸驱动修改图形的功能, 成为初始设计、产品建模与修改系列化设计、多方案比较和动态设计的有效手段。参数化技术的研究工作可追溯到Sutherland早期的 Sketchpad系统, 当时已经提出并利用了基于几何约束进行设计与修改的思想。近几年参数化技术已有不少种方法, 如变动几何法、几何推理法与参数化操作法等。变动几何法将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组, 通过数值法解非线性方程组确定出几何细节, 该方法必须用户输入充分且一致的几何约束才能求出约束方程的解, 对不一致的约束模型则以进行有效的判别与处理, 也难以有效地将局部变动限制在局部围求解； 几何推理法是建立在专家系统

26、的基础上, 采用谓词表示几何约束, 通过推理机导出几何细节, 这种方法可以检查约束模型的有效性, 并具有局部修改功能, 但存在着推理速度馒、系统庞大等问题； 参数化操作法采用参数化操作表示与处理几何约束, 并通过与参数化操作对应的几何计算程序逐步确定出精确几何模型, 该方法简单、实用, 但难以表示与处理复杂的几何约束。工程设计人员利用参数化技术, 可以大大计提高只有几何尺寸发生变化的零件的设计效率, 避免繁琐的重复性工作。因此, 参数化技术已成为pro/e设计中重要的研究容。以下是基于特征与参数化的设计的实例，从中我们可以加深PRO/E在产品构件中的优势的直观了解。图2-1拉伸特征图2-2旋转

27、特征图2-3扫描特征图2-4齿轮的参数化设计2.2 pro/e与动态仿真产品装配与机构仿真是pro/e的一项重要功能。当设计师进行产品组装与机构仿真时，能将设计师的设计意图直观的进行表达，可以以动态的方式将产品进行模拟的运行，也能从中检验机构是否存在不合理的像干涉、自由度不满足等缺陷。总之该项功能对设计师提供重要帮助。2.2.1 产品组装与机构仿真的一般方法在pro/e的装配模块中，对产品组装与机构仿真提供了两种不同的装配方法。1产品装配的两种方法（1） 约束装配 当进行普通产品装配中，不考虑机构运动，或某些元件是固定不动的，那么在装配时可采用约束条件进行装配。（2） 连接装配当进行机构运动仿

28、真时，其机构组装必须考虑到哪些元件是运动的，哪些元件是固定不动的，对运动的元件要采用连接条件进行装配。 其中约束装配仅仅时按系统提供的方式，将机构各元件按一定的连接方式进行组装。这样得到的只是一个相对直观的产品外观的展示。而要想实现机构的动态仿真，各元件的连接方式就必须采用“连接装配”。因为系统中所提供的连接方式具有不同的自由度，在装配过程中就要按照自己的装配关系意图，再采用相应的连接方式。这样“应用程序”中的“机构”分析模块中才能定义各种伺服电机的参数，得到预期的动态仿真过程。2.2.2 产品组装与机构仿真的一般步骤 为了实现相应机构在动态分析前的连接方式，下面介绍组装与分析图 2-5装配中

29、的连接方式的一般步骤。根据各元件所要模拟的运动的不同，在图2-5中的11种连接方式中，选择要约束相应自由度的连接方式。然后按照下面的步骤进行：（1）使用约束条件将固定不动的零件或组件装配起来 （2） 使用连接条件将运动的零件装配起来（3） 进入机构模块。当以约束和连接条件将元件组装在一起之后，即可通过下拉式菜单“应用程序/机构”进入设计模块。（4） 手工拖动元件运动。进入机构模块后，选择拖动图标，手动拖拽元件，使元件按语定运动方式运动，以测定元件装配是否正确，机构运动方式是否合乎理想。如果元件装配正确，机构运动合乎理想，则进行下一步，否则回到组装环境重新组装。（5） 设置齿轮副、凸轮从动机构。

30、如果机构中含有齿轮副或凸轮从动机构，则在机构组装并测试正确后，进行齿轮副或凸轮从动机构的设置，建立机构元件连接条件之间的关系，以便驱动。（6） 添加伺服电机。当连接完成设定后，即可设置伺服电机，以作为机构的动力来源。（7） 其他设定。如果运动复杂，还需要添加其他设置，如弹簧、力、转矩等。（8） 分析与仿真。当机构设置完成后，进行各种分析。如位置、运动学、动态等，并可根据分析获得结果报告。最终在动态仿真中的运动参数可以用一下图示为一例进行表达：图2-6 某动态仿真中选定三点的运动分析在动态仿真中能够进行简单的运动与受力分析，但是复杂的分析这里就不能显现出相应的作用与优势。这样就提出了下文的有限元

31、分析。2.3 pro/e与ANSYS的有限元分析有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度

32、高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是一样的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题与求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量与误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量与控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状

33、态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要

34、满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量与其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件

35、公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模与网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以与多物理

36、场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析与优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明与半透明显示（可看到结构部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 ANSYS软件提供的分析类型1. 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变与接触分析。图2-7构件的静力分析2.结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对

37、结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以与它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析与随机振动响应分析。 3.结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4.动力学分析 ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。 5.热分析图2-8发动机箱体的热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、

38、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以与模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。 6.电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽与无损检测装置等的设计和分析领域。 7.流体动力学分析 ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用

39、三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 8.声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。 9.压电分析 用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件与其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析 。在数据兼容的基础上，PRO/E与这些专业的有限元分析的软件的结合，

40、使产品研发的过程更加的科学与便利。较传统实物检测相比，大大降低了成本，提高了产品的市场竞争力。2.4 pro/e软件在逆向工程中的应用在全球化的今天面对日趋激烈的竞争，要想更快、更好地发展科技与技术，世界各国、各企业都在研究对策，充分利用他人的科技成果，对其进行消化吸收与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。但由于技术，除非购买转让，否则要获得产品的图样、技术文档、工艺等技术资料几乎是不可能实现的，而产品实物作为商品和最终的消费品是最容易获得的一类研究“对象”。在只有产品原型或实物模型的条件下，可以基于产品实物逆向工程对产品零件进行生产制造，另外通过重构产品零件的CAD模型，在探询和了解原

41、设计的基础上，实现对原型的修改和再设计，已达到设计创新、产品更新之目的。“逆向工程”（Reverse Engineering,RE）,也称反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游的反馈信息的回路。图2-9逆向工程过程目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的CAS模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”。这是因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍与许多产品，由于种种原因，最初并不

42、是由计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要经过一定途径将实物样件转化为CAD模型，一起利用计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture,CAM）、产品数据管理（Product Data Management，PDM）与计算机集成制造系统（computer integrate manufacture system，CIMS）等先进技术对其进行处理或管理。同时，随着现代测试技术的发展，快速精确的获取食物的几何信息已变成事实。目前，CAMCAD系统中的一个研究与应用热点，并

43、发展成为一个相对独立的领域。在这一意义下，“实物逆向工程”（简称实物逆向工程）可定义为；逆向工程时和将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。 ProSCAN-TOOLS时一个专用的逆向设计模块，能通过数据点构造网格曲线（Style Cure），在给定误差围，检查出“坏”点，选定数据点作为参考点对曲线进行拟合、光滑处理。以网格曲线为基础构造网格曲面（Style Suface）、近似曲面（Approximate Surface）和骨架曲面（Skeleton Surface），也可以生成一种基础曲面（Underlying Surface），以测量点为参考点进行拟

44、合。具有找色和反射线等曲面分析工具。和ProSURFACE模块配合使用，曲面生成后能转换为一薄壁实体，然后在实体上进行特征构造。由于ProEngineer软件的参数化特征功能，曲面、实体均以特征形式表现在造型树记录上，其修改和再定义也容易实现，为产品的创新设计带来方便。2.5 pro/e的CAM/CAE模块在设计中的应用PRO/E的CAM/CAE功能模块有：Pro/FEMPOST有限元分析、Pro/MECHANICACUSTOMLOADS载荷处理、Pro/MECHANICAMOTION装配体运动分析、Pro/MECHANICASTRUCTURE灵敏度优化分析、Pro/MECHANICATHER

45、MAL热分析、Pro/MECHANICATIREMODEL路面分析、Pro/MECHANICAVIBRATION振动模、Pro/MECHANICAMESH有限元网格划分态分析。其CAM功能，提供了最佳的交给那个路径公职和创建智能化加工路径的功能，语序数控编程人员控制整体的加工路径知道最细节的部分。该软件还支持而普通加工和多轴加工，带有多种图形文件接口。Pro/INTERFACE提供了PRO/E与其他设计自动化系统之间的各种标准数据交换格式，转换器支持由其他系统输入IGES、SET 、VDA、CGM、和DXF，PRO/E也输出信息到这些一样的标准中，同时也提供SLA文件等格式。PRO/LEGAC

46、Y可以使工程师在PRO/E环境中对2D和3D数据文件进行维护，它的流畅的用户界面经过了优化处理，因此工程师可以在PRO/E环境中对模型的表面、现况等进行修改综合而不必重新生成。 PRO/MANUFACTURING从加工模块中生产加工工艺计划、刀具编程和时间价格比的估计。PRO/MANUFACTURING将工艺步骤与设计模块链起来，这样，当设计改变时，加工信息可自动生成。此模块支持的加工过程包括钻孔加工车削加工和直到五轴的铣削加工。PRO/MOLDESIGN用于模具部件和模具装配的设计，其包括浇注系统、浇道、浇槽等特征。并且允许用户做注模模拟PRO/MOLDESIGN为用户节省了大量的时间，并使

47、用户的零件设计和模具设计并行进行。以上对其几种模块进行了介绍，说明PRO/E是一个很好的软件平台，它支持很多的扩展，由于所提供的这样的平台，该软件就更具竞争力。第3章 pro/e在产品设计中的应用实例3.1 PRO/E在减速箱设计中的应用在该实例中，pro/e在减速箱中的应用包括三方面：减速箱箱体与其他各部件的设计；关键部件如轴、键和齿轮齿面等的校核；减速箱的装配动态仿真。首先，在箱体与其他部件的设计中，几乎应用了孔、倒角、基准设置、轴、平面，还有壳、筋、拔模、切口、修饰等基本建模特征。另外，像扫描、混合等高级特征 中pro/e的参数化设计得到了充分的体现。图 3-1齿轮特征的参数设定齿轮的齿

48、数、模数、压力角等参数输入（图 3-1）的编辑面板中，再在工具下拉菜单中，“关系”中加入相应的关系式，再生就能自动生成其基本特征。而且在创建一个圆柱齿轮后，就可以将不同的参数输入这样的表中，得到不同的元件。这就是参数化的优势的体现。在齿轮渐开线齿面的构建中，在编辑的“参数关系”中运用了渐开线的方程。这也从侧面体现了pro/e对高级计算机语言的支持能力。其次，在设计过程中关键部件如轴、轴承、齿轮齿面的应力载荷是设计的重中之重。Pro/e与ansys的有限元分析，在这里表现了较传统方式的优势所在。在校核分析中，简单的静力的分析与简单的动点的载荷分析，pro/e的机构分析就能够胜任。如轴上键的扭矩的

49、校核，但在相对复杂的轴的剪力与弯矩的分析中，就可以在ANSYS软件中进行分析，以轴上所受的力在ANSYS中建模，就能得到其受力分布的直观显示。图3-2轴上力的分析示例此外，在齿轮的齿面的校核、轴承的动载循环载荷的变力分析中都能用有限元分析的方法得到完美的解决。从把人从繁杂的计算中解放出来，就能看出新的工具在效率上的优越性。再者，pro/e的动态分析在减速箱的动态装配中得到了应用于体现。利用pro/e装配中的“连接装配”来定义各元件的装配方式。这样的原理在上文的论述中就有所论述。利用“连接方式”中的“圆柱”能提供“平移”、“旋转”两个自由度。所以在本次装配的动态仿真中基本上都采用这样的连接方式，

50、以此作为各元件相对运动仿真的基础。但是这样的连接方式的弊端就是要采用很多的伺服电机，在操作上比较费时。“圆柱”连接的方式的表达方法由下图来表示。动态仿真过程在论文的电子档中展现。图3-3减速箱的动态装配仿真3.2 PRO/E在汽车汽车覆盖件中设计中的应用据有关部门统计，到2008年，我国汽车总需求量约为1100万辆，基本车型将达220种，另有更新车型和改装车型430种。对于车型的更新，最主要的工作就是获得原有车型的几何模型（其型覆盖件的设计是整个新车型开发的关键），基于逆向技术（三坐标数据扫描）、CAD/CAM技术（曲面构建、模型重建）是目前获取几何模型应用最广的方法。根据逆向工程中研究对象的

51、不同，逆向工程分为影像逆向、软件逆向、实物逆向等。就实物逆向而言，又包括形状（几何）逆向、功能逆向、材料逆向、工艺逆向，汽车覆盖件的逆向工程属于实物逆向。逆向工程研究容主要有两个方面，即产品数字化和曲面重构技术，它的两个主要发展领域是自由曲面的逆向工程和表面简单但具有复杂拓扑关系的逆向工程。图（3-4）a为某款汽车的车门零件，图（3-4）b分别为车门的外形和形表面形状，需获得该零件的几何模型。本部分结合逆向技术和CAD/CAM技术，应用三坐标测量机获得零件的点数据，然后在Pro/ENGINEER软件中完成其模型重建。图3-4某款汽车车门零件外形本部分有关数据的测量是基于英国LK公司生产的G-9

52、0C型三坐标测量机实的。3.2.1零件结构分析在测量前，应该对零件形状结构进行必要的分析，针对零件的形状结构特点，有目的性地对零件进行测量。这样可以用较少的测量点（零件的特征点）即可反映出零件的形状，从而做到“事半功倍”。图（3-5）a所示的汽车覆盖件的外形为一个扫描曲面和一个自由曲面，扫描曲面需要确定扫描曲线和截面曲线，这里扫描曲线为一直线，因此，只需测量零件的截面形状；对于块所示的自由曲面，则可用放样曲面或混成曲面等方式来生成。该零件形有多处起伏和冲孔，其形状较为规则，只需测量各处的形状尺寸和定位尺寸即可，但需注意各组成部分间具有较高的位置度要求。3.2.2产品数字化数据采集是指通过特定的

53、测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，数据采集是逆向工程的关键技术之一。目前，数据采集使用的方法很多，常用的有接触式测量法、非接触测量法和工业计算机断层扫描成像法等，G-90C三坐标测量机属于接触式测量法。该汽车覆盖件外形表面由两个曲面经过曲面延伸、曲面过渡、曲面裁剪等混合而成，为了减少测量数据，便于建立零件模型，将两个曲面进行分块测量，每个曲面使用不同的方法完成曲面重构。图（4-7）a所示为零件外形块截面所测得的测量点数据，图（4-7）b所示为零件外形块曲面所测得的测量点数据。ab图3-5 零件外形测量的特征点3.2.3 数据预处理通过测量设备所得到的点数据一般较多（尤其是应用

54、激光测量设备所测得的数据有时多达几兆甚至几十兆），因此，在对这么多的点数据进行曲面重构前，应对数据进行必要的预处理。数据预处理一般包括数据平滑、数据清理、补齐遗失点、数据分割、数据对齐、零件对称基准面的构建等。这里，需要对图（3-5）b所示的测量数据分成两部分，即用来重构扫描曲面的测量点数据和用来重构自由曲面的测量点数据，每一部分拟合出一块曲面，然后通过曲面编辑方法（如曲面求交、曲面过渡等）将两块曲面合并构成一个完整的曲面。3.2.4 模型重建模型重建是指由测量点还原成实体，目前较为成熟的模型重建技术是通过构建曲面来实现模型重建，因此，构建曲面是模型重建的关键。曲面重构有基于点-样条的曲面重构

55、和基于测量点的曲面重构，这里采用基于点-样条的曲面重构。基于点-样条的曲面重构即为由测量所得的点拟合出曲线，再由这些曲线生成曲面，图（3-6）a所示即为通过创建曲面、曲面编辑后所得的完整曲面。图（3-6）b、c所示为根据零件形所测得的数据，应用Pro/ENGINEER软件所得的零件实体模型。完成零件的实体造型后，可应用Pro/ENGINEER软件有关模具设计和数控加工的功能，便可快速完成模具设计和零件NC加工。进行数据测量时的注意事项:（1）当对曲面进行分块测量时，为了保证数据测量的完整性，各块之间需有一定的重叠量，以利于模型重建时数据的融合。（2）由于受到三坐标测量仪和零件的限制，外形数据和

56、形数据的测量无法一次完成。因此，在测量外形数据和形数据时，需建立一个统一的坐标系，以保证数据的对齐。（3）在进行数据测量时，应根据零件的结构特点，定制和规划坐标测量时的扫描路径，扫描路径设置的优劣，对零件模型的重建具有较大的影响。(a) (b) (c)图3-6零件外形测量的特征点在汽车覆盖件模具设计制造中，应用基于CAD/CAM的逆向技术，可大大缩短模具设计制造的周期，这也适应汽车行业对产品进行快速更新的需要。3.3 PRO/E叉车模型建模与动态仿真应用实例随着计算机辅助设计应用软件和技术的不断发展，很多工程机械制造企业已不再满足于借助计算机辅助设计系统来“甩掉图版”，希望向三维的实体设计方向

57、发展。由于三维计算机辅助设计系统具有可视化好、形象直观、设计效率高和支持并行工程等优点。因此，三维实体造型在液压叉车模型设计开发中开始得到的应用，在三维设计环境中可以进行叉车模型的模拟装配以获得整机或部件的三维实体，建立充分而完整的设计数据库，在此基础上进行产品质量特性分析、零部件间的干涉检查、自动创建二维工程图、机构运动仿真、产品结构的有限元分析、计算机辅助制造、商业广告造型与动画生成等。Pro/E软件使产品快速走向市场，按传统的设计方法，不但设计周期长，而且精度难以保证。而当今产品开发的一个主要方面就是开发新的产品外形与结构，特别是由各种自由曲线、曲面组成的流线型外形，传统的设计已无法满足要求。为了适应市场需求，机械CAD/CAM系统Pro/E软件，成功的应用于产品设计中，并取得良好的经济效益。3.3.1叉车模型零部件的三维造型叉车模型三维实体造型包括所有零件的三维实体造型，总成和整机装配仿真。叉车模型是由金属结构动力装置、传动操纵机构和辅助设备等组成。零、部件共计一千多个。尽管叉车模型零、部件结构形式各不一样，但在计算机上进行