摘要:對于需要使用CAD CAE集成系統(tǒng)的工程人員來說,只單一地使用Pro E或是ANSYS軟件是很難迅速優(yōu)質(zhì)地完成任務(wù),其較好的選擇是構(gòu)建兩者的集成系統(tǒng)作為工作平臺。建立不同軟件組成的集成系統(tǒng)的關(guān)鍵問題就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口的設(shè)置。以漸開線直齒圓柱齒輪為研究對象,利用Pro E三維建模軟件進(jìn)行參數(shù)化建模,討論將直齒圓柱齒輪導(dǎo)入ANSYS中的多種模型轉(zhuǎn)換方式,結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用ANSYS-Pro E的數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換方式是最佳的選擇。
      
         Pro E是PTC(美國參數(shù)技術(shù)公司)推出的三維CAD CAM參數(shù)化軟件,是一個(gè)基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型系統(tǒng),用戶能迅速方便地利用其建立各種龐大復(fù)雜模型。特別是在圓柱直齒齒輪建中,Pro E軟件以其“尺寸驅(qū)動參數(shù)化的基于特征的實(shí)體建模技術(shù)”為核心技術(shù),其中的Program二次開發(fā)模塊可以通過編輯程序語言記錄齒輪設(shè)計(jì)過程中的尺寸參數(shù)和設(shè)計(jì)步驟,用戶只需改變齒輪的參數(shù)就可以生成新的齒輪模型。因此,Pro E實(shí)現(xiàn)了齒輪設(shè)計(jì)的參數(shù)化。
        ANSYS是美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件,它的前處理能力、加載求解能力、后處理能力都很強(qiáng)大。使用ANSYS進(jìn)行分析必須通過構(gòu)建三維幾何模型,雖然其本身附帶三維建模模塊,但其建模能力與流行三維造型軟件如Pro E、UG和CATIA等相比實(shí)在太弱。構(gòu)建分析中需要的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和曲面,在ANSYS當(dāng)中實(shí)際很難完成。
        當(dāng)前CAD CAE軟件開發(fā)的趨勢是專業(yè)化分工程度越來越高。雖然Pro E與ANSYS軟件分別都有相應(yīng)模塊向?qū)Ψ筋I(lǐng)域滲透,但是對于需要使用CAD CAE集成系統(tǒng)的工程人員來說,只使用單一的Pro E或者ANSYS軟件都很難迅速優(yōu)質(zhì)地完成任務(wù)。工程人員較好的選擇還是構(gòu)建兩者的集成系統(tǒng)作為工作平臺,建立由不同軟件組成的集成系統(tǒng)的關(guān)鍵問題就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口的設(shè)置。
       
1　基于Pro E的標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒齒輪三維模型建立
        Pro EWildfire版本由于具有強(qiáng)大的參數(shù)化特征造型功能而受到企業(yè)界的一致認(rèn)同。同時(shí),該軟件與有限元分析軟件ANSYS接口較好,已成為國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的三維建模軟件。本文通過Pro E中的“參數(shù)”、“關(guān)系”、“從方程創(chuàng)建曲線”等高級命令創(chuàng)建漸開線直齒圓柱齒輪的參數(shù)化模型,具體構(gòu)建過程如下。
     (1)  基本參數(shù)設(shè)置
            漸開線直齒圓柱齒輪的幾何尺寸決定于齒輪的5個(gè)基本參數(shù),因此在齒輪建模之前,應(yīng)向模型中添加基本參數(shù)。確定具體參數(shù)的分度圓直徑、基圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒寬值均設(shè)置為零,并通過齒輪幾何關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算,如表1所示。
           
      (2)   齒輪幾何尺寸關(guān)系的建立
              在齒輪關(guān)系對話框中建立如下關(guān)系
                           
       (3)  創(chuàng)建輪齒的漸開線曲線
              在Pro E中,可以通過極坐標(biāo)、柱坐標(biāo)等生成漸開線,本文采用柱坐標(biāo)建立如下關(guān)系式
                             
      保存關(guān)系式后,系統(tǒng)將根據(jù)此關(guān)系式創(chuàng)建漸開線,并生成圖形。
       (4)  創(chuàng)建齒輪的基本實(shí)體和齒特征
              通過基準(zhǔn)、鏡像、修剪等步驟完成齒廓特征。注意在輸入角度值時(shí)應(yīng)保證復(fù)制的曲線和原曲線圍成齒廓而不是圍成齒輪,輸入角度為360 4 z,是因?yàn)樵诜侄葓A周上,齒厚和齒槽寬相等。裁去漸開線和圓弧曲線相交處多余的曲線段后,拉伸生成曲面特征,并完成基本實(shí)體的生成。
             通過齒廓曲面對齒輪的毛坯進(jìn)行裁減,得到齒形。在陣列其他齒特征時(shí),根據(jù)陣列齒數(shù),陣列輸入角度為360 z,最后完成齒輪的其他特征,得到如圖1所示的齒輪模型。
                          

 2　直齒圓柱齒輪的ANSYS有限元分析
         將Pro E中創(chuàng)建好的直齒圓柱齒輪為研究對象,對該齒輪進(jìn)行ANSYS有限元分析。已知該齒輪安裝在某軸上以62.8 rad s速度轉(zhuǎn)動,選用齒輪材料為45鋼調(diào)質(zhì)處理,硬度HBS240,相關(guān)參數(shù)為:彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比υ=0.28。在AN-SYS有限元分析過程中,考慮到齒輪齒形的復(fù)雜程度、精度要求以及計(jì)算求解時(shí)間等實(shí)際因素,采用Solid95為有限元網(wǎng)格單元,并采用智能化網(wǎng)格劃分控制進(jìn)行劃分網(wǎng)格,根據(jù)齒輪的工作情況其約束條件為圓心軸向和周向約束而徑向放開,討論利用ANSYS自身建模方式和模型導(dǎo)入方式分析齒輪在額定轉(zhuǎn)速作用下的應(yīng)力狀態(tài)。
          (1)  ANSYS自身建模進(jìn)行有限元分析
                在ANSYS中,根據(jù)直齒圓柱齒輪的特點(diǎn),采用自下而上建模,按照從點(diǎn)到線、從線到面、從面到體的順序建立模型。在轉(zhuǎn)速為62.8 rad s的情況下,對齒輪進(jìn)行應(yīng)力分析,求得齒輪的最大徑向變形為1.019 mm,最大徑向應(yīng)力為52.8 MPa。
          (2)  IGES格式轉(zhuǎn)換進(jìn)行有限元分析
                IGES是一種普遍接受的中間標(biāo)準(zhǔn)格式,用來在不同的CAD和CAE系統(tǒng)之間交換幾何模型。AN-SYS本身內(nèi)置了IGES轉(zhuǎn)換過濾器,所以它支持IGES格式文件的輸入。而在Pro E中也可以方便地將建立的PRT文件另存為IGES文件。因此,將Pro E中建立的直齒圓柱齒輪模型利用“IGES”格式導(dǎo)入AN-SYS后,對圖1的齒輪進(jìn)行有限元分析,求得齒輪的最大徑向變形和最大徑向應(yīng)力如表2所示。
                  
      　由表2知,與直接利用ANSYS建模有限元分析相比,利用IGES中間標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換進(jìn)行有限元分
析,其最大徑向變形相對誤差為0.196%,最大徑向應(yīng)力的相對誤差為3.5%。
        (3)  利用數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換進(jìn)行有限元分析
               ANSYS軟件安裝選項(xiàng)中包含與Pro E軟件的接口模塊“Connection for Pro Engineer”。此模塊能將Pro E模型數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換給ANSYS,并在Pro E菜單管理器中會多出2個(gè)選項(xiàng):“ANSCon Config”和“AN-SYS Geom”,這表明Pro E和ANSYS已經(jīng)成功建立了接口。利用該設(shè)置可以ANSYS直接集成在Pro E之中,整個(gè)轉(zhuǎn)換過程可以在不脫離Pro E和ANSYS這2個(gè)軟件的情況下進(jìn)行,從而實(shí)現(xiàn)了Pro E和AN-SYS的真正連接。
             在Pro E利用參數(shù)化命令建立齒輪模型,單擊“ANSYS Geom”,系統(tǒng)打開ANSYS,將當(dāng)前齒輪模型直接導(dǎo)入到ANSYS中,單擊顯示體命令。定義齒輪的材料屬性和網(wǎng)格屬性,添加約束和轉(zhuǎn)速,進(jìn)行求解。求得齒輪的最大徑向變形和最大徑向應(yīng)力如表3所示。
             
            利用接口轉(zhuǎn)換進(jìn)行有限元分析,其最大徑向變形相對誤差為0.098%,最大徑向應(yīng)力兩者完全一致。

 3　結(jié)語
         本文使用目前最流行的版本Pro Engineer Wild-fire 2.0與ANSYS9.0做分析,以漸開線直齒圓柱齒輪為研究對象,利用Pro E進(jìn)行建模,討論將圓柱齒輪導(dǎo)入ANSYS中的多種模型轉(zhuǎn)換方式,可以得出以下結(jié)論:
         (1)利用Pro E軟件建立了漸開線直齒圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型,利用該模型可以創(chuàng)建不同參數(shù)的齒輪模型庫,方便齒輪設(shè)計(jì)人員的調(diào)用。
      （2）由表2和表3可知使用IGES格式和接口轉(zhuǎn)換方式都可以實(shí)現(xiàn)Pro E向ANSYS進(jìn)行模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,但是利用接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式得到的結(jié)果更加精確,與直接利用ANSYS建模進(jìn)行有限元分析相比,其最大徑向變形相對誤差僅為0.098%,兩者的最大徑向應(yīng)力值完全相同。而利用IGES標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換方式,兩者最大徑向變形相對誤差為0.196%,最大徑向應(yīng)力相對誤差為3.5%
        (3)雖然利用數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行可以實(shí)現(xiàn)ANSYS的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,得到的結(jié)果比較精確,但是與直接利用ANSYS建模進(jìn)行有限元分析相比,其運(yùn)算時(shí)間要稍微長一點(diǎn)。所以,對于能直接用AN-SYS進(jìn)行建模的模型來說,利用ANSYS建模直接進(jìn)行有限元分析是最佳的選擇。