毕业设计(论文)基于ProE的CADCAE集成研究与开发.doc
《毕业设计(论文)基于ProE的CADCAE集成研究与开发.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)基于ProE的CADCAE集成研究与开发.doc(46页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、目 录摘要11 绪论21.1 引言21.2 CAD/CAE 集成技术研究现状及发展21.2 本课题的历史背景与研究内容72 集成系统的设计思想与开发平台102.1 系统设计思想102.2 系统开发平台113 Pro/TOOLKIT程序设计173.1 Pro/TOOLKIT简介173.2 VC + 6.0编译环境的设置173.3 Pro/TOOLKIT程序设计过程203.4 Pro/TOOLKIT程序的注册214 集成系统的实现234.1 Pro/E三维建模234.2 有限元分析284.3 系统菜单和界面设计314.4 控件的实现375 系统实例分析405.1 阶梯轴的有限元自动分析405.2
2、齿轮的有限元自动分析426 结论与展望45致 谢46参考文献47基于Pro/E的CAD/CAE集成研究与开发摘要:本文研究了Pro/E二次开发工具Pro/TOOLKIT的程序设计方法和有限元分析方法。基于Pro/E和ANSYS软件平台,应用Pro/TOOLKIT和Visual C+程序设计语言,开发了CAD/CAE集成系统。该系统能够根据Pro/E所建模型自动转化为CAE模型,调入ANSYS中进行有限元分析,实现了Pro/E和ANSYS的弱耦合集成。关键字:二次开发 CAD/CAE 有限元分析 弱耦合 集成系统Abstract The method of Pro/TOOLKIT program
3、 design and the finite element analysis is studied in this article. Using Pro/TOOLKIT and Visual C+6.0, an integrated system of CAD/CAE is developed based on Pro/E and ANSYS. The system can transform the model in Pro/E into finite element model, make the finite element analysis in ANSYS, and realize
4、 weak integration of Pro/E and ANSYS.Keywords Secondary Development; CAD/CAE; Finite Element Analysis; Weak Integration; Integrated System1 绪论1.1 引言随着市场的全球化和用户对高性能、低成本和个性化产品的要求的不断提高,在过去的十几年里,制造行业的竞争环境发生了巨大的变化,这些变化表现在以下几个方面:a) 产品生命周期缩短;b) 产品复杂性提高;c) 产品个性化、多样化;d) 产品质量要求提高;e) 产品成本降低;f) 供货期缩短。面对这些竞争压力,制
5、造商都在寻求新的技术和方法,以便能够:缩短产品开发周期;减少制造集中,充分利用外部资源;与供货商充分合作、集成。大量的经验和资料研究表明,产品的开发阶段决定了产品的基本特性,这是因为 :1)产品生命周期成本的 7585%在开发阶段确定,尽管只有 57%的产品成本在这一阶段发生;2)80%的约定被固定;3)70%的产品质量被确定。因此,重视产品开发过程,特别是产品开发的设计阶段,充分利用先进的 CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)、CAM(Computer Aided Manufacture,计算机辅助制造)、CAE(Computer Aided Engineer
6、ing,计算机辅助工程)技术和工具,建立能够贯穿产品生命周期各个阶段的统一的产品定义模型,集成企业全部资源,实现并行工程,优化产品开发过程,成为制造商保持和提高企业竞争力的最根本的手段。然而,现存的大多数CAD、CAM、CAE系统是针对不同应用、相互独立的,彼此之间缺乏相互联系,因此也称为“自动化孤岛”。这些独立的孤岛不利于开发人员之间的信息交流和设计数据的充分共享,信息传递存在断点,必然造成大量的重复劳动和传递的错误。尽管目前各系统之间可以通过标准的数据交换规范和中间介质实现数据交换,但这种交换难以满足数据交换速度和数量的要求。因此,实现CAD/CAM/CAE技术的一体化集成成为必要。1.2
7、 CAD/CAE集成技术研究现状及发展1.2.1 CAD技术及其发展计算机辅助设计(CAD)技术来自 50 年代初由美国麻省理工学院D.T.ROSS先生开发的 APT 程序以来,即以其“当代十大技术革命之一”的旺盛生命力,蓬蓬勃勃发展起来。最初,CAD技术并不是现今的Computer Aided Design所指的利用计算机辅助产品设计及研究开发技术,而是Computer Drawing含义所指二维绘图技术。随着计算机软硬件的发展,60 年代,出现了三维CAD系统,但此时,CAD技术仍处于只能表达基本几何信息的二维、三维线框造型的基础上,不能有效地表达几何形体数据间的拓扑关系,因此也很难实现C
8、AE及CAM技术。70 年代,飞机、汽车工业的发展,提出更新设计手段的强烈要求,需求促使了CAD技术的发展,出现了以贝塞尔算法为理论的三维曲面造型系统,从而引发了CAD技术的第一次革命。第一次CAD技术革命的成功带来了产品开发模式的质的飞跃,也使计算机辅助制造CAM技术得以发展,但是表面的模型技术只能描述形体的表面信息,并不能表达零件的质量、重心、惯性等特性,因此也不便于实现CAD/CAE一体化研究。实际需求又促进了实体造型技术的诞生,由此引发了CAD技术的第二次革命。在工业技术革命的深入开展的过程中,人们产生了将CAD、CAPP、CAM、CAQ等需要计算机辅助参与的产品设计、工艺规程制定、加
9、工制造及监控、质量管理等一系列工业活动集成化的想法,提出了计算机集成制造的新概念(CIMSComputer Integrated Manufacturing System)。CAD技术又发生了根本性的变革,在 80 年代产生了基于特征的参数化实体造型的技术。它的特点为:基于特征,全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改、其中基于特征除了具有尺寸约束的形状特征外,还加入了零件的其他特征如精度特征、管理特征、技术特征、材料特征、装配特征等实现了CAD/CAPP/CAM集成必不可少的信息。参数化技术的成功应用,大大地推进了计算机辅助集成制造系统的进程,也为其本身的发展注入了强大的生命力,使其成为CA
10、D发展进程中第三次革命的核心技术。高科技的发展速度,可谓日新月异。到了 90 年代,SDRC 公司推出了全新体系结构的IDEAS Master Series软件系统。该软件实现了一种比参数化造型更为先进的实体造型技术,即变量化技术。变量化技术的出现标志着CAD技术发展中第四次革命的开始。它突破了参数化技术中全尺寸约束的局限,增加了形状约束,使得工程关系也可以驱动几何形状的改变。由前所述可知当前 90 年代CAD技术两大主流派技术是参数化造型技术和变量化造型技术。这两项技术的共同点在于都是基于特征实体造型、全数据相关、尺寸驱动修改设计,两项技术的区别在于参数化技术解决的是在尺寸全约束下的几何图形
11、问题,表现形式是尺寸驱动几何形状的改变;而变量化技术解决的是尺寸约束和工程约束下的产品设计问题,即可实现尺寸驱动又可实现约束驱动,由工程关系驱动几何形状的改变。另外,变量化技术在特征管理上也有别于参数化技术,并具备VGX(Variational Geometry Extended)技术。VGX技术,使系统可在全约束或欠约束的情况下完成几何造型,可以拖动方式修改、编辑3-D实体模型;容许形状和拓扑关系发生变化,而不仅用尺寸驱动一种方式修改模型。两种技术的应用范围也略有区别。参数化技术主要用于稳定成熟的零配件和改变某关键尺寸即形成系列化产品项目;变量化技术适于进行产品的概念化设计,新产品开发、老产
12、品改形类的创新式设计研究。1.2.2 CAE 技术及其发展基于CAD技术的开发,其他相关学科也迅速发展起来。首先CAD技术的诞生促进了计算机图形学的发展,伴随着CAD三维曲面技术的出现,使计算机辅助制造得以实现并促进了设计方法学的发展。CAD实体造型技术,又加速了计算机辅助工程CAE的发展,有限元数值计算方法被广泛应用,并在解决实际问题中促进了自身技术的进步。CAD基于特征的参数化实体造型技术和变量化技术,在技术实践中不断完善,加上网络技术的出现,使计算机集成制造系统由概念转为实际应用,在将来必会引起生产技术及生产组织结构的大变革。CAE是以有限元数值计算方法为核心,将CAD实体造型技术运用于
13、工程分析的技术。它经历了最初的探索发展、独立发展、专家应用等阶段,到 90 年代,已发展为与CAD特征建模相结合,集成为一体的面向设计者的技术。解决的技术问题也从弹性力学问题拓展到塑性力学问题,从静力平衡问题拓展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析对象从弹性材料拓展到塑性、粘塑性和复合材料;应用领域则从固体力学拓展到流体力学、传热学各学科领域等。目前随着CAD技术的迅速发展及工程实际的需要,CAE技术正在朝CAD/CAE/CAM/CAPP一体化技术方向发展,相信CAD 变量化技术的推广与应用,定会影响到分析领域,实现变量化分析将为期不远,CAE 技术将能更方便、快捷、高效地解决工程实际的分析问
14、题。而随着现代设计要求的不断提高,有限元分析软件也正朝着如下趋势不断发展:应用平台逐渐向PC发展;低端的设计产品开始向CAD渗透,让设计工程师也可以使用;向多物理场发展;在软件应用上,能越来越方便地构造有限元模型。相信此类软件将不断满足设计工程师的各种设计分析需求,成为用户的得力助手,达到事功倍的效果。同时,CAE软件如何将可靠、及时的信息传递给设计工程师,从而在设计阶段发挥应有的作用,已成为强烈的需要,用虚拟模型替代实际物理模型,即用高度可靠的数据模拟,是CAE的目标,也是CAE软件发展的方向。1.2.3 CAD/CAE集成技术1.2.3.1 集成的概念CAD技术的迅速发展迫切要求研究集成化
15、系统开发的关键技术。CAD/CAE/CAM集成技术是优化CAD应用系统运行模式、提高CAD技术应用效益的关键。企业应用集成化CAD/CAE/CAM系统后,可以大大提高产品的设计质量和精度、减少失误、缩短设计周期、降低成本、提高生产率。一般认为,所谓集成是以提高系统整体效益为主要目标,按照一定的哲理和方法,把有关的硬件、软件和人有机地结合起来,形成一个协同工作的整体。在CIMS技术中,“集成”有更广泛的内容,它包括信息集成、过程集成及企业间集成等三个阶段的集成优化。其中,信息集成和过程集成代表了集成的两种不同的水平,是集成发展的阶段性标志。1.2.3.2 集成的方法CAD/CAE集成的方法主要有
16、建立公用的工程数据库和文件传输两种。而文件传输按照最初的CAD建模时零件信息的不同储存方式,分为直接文件存储和以特征文件形式存储两种。1)建立公用的工程数据库采用数据库和图形集成技术是处理有限元软件中大量数据的有效途径。利用数据库技术,可以使数据的管理和传输更方便,减少数据的冗余度,并且为建立基于图形系统的前处理和后处理系统提供了可能。用户通过图形系统交互输入有限元计算程序所需数据,程序通过开放数据链接ODBC(Open Data Base Connectivity) 或数据访问对象技术DAO(Data Access Object ),将数据定向到数据库中,各种模块均可通过内嵌的 SQL查询语
17、言实现对数据的访问和管理。一个CAD图形的零释信息包括几何信息和非几何信息。其中几何信息包括点、线、面、体的坐标、长度;非几何信息包括材料特性数据、几何特性数据、单元组、载荷、位移约束方程和求解控制等等。所有的信息数据都存储在公用的工程数据库中,然后通过类和函数进行访问。2)文件传输(1) 特征文件的存储目前,特征建模技术在计算机辅助工程产品设计、加工、管理等方面应用广泛,比基于几何的产品建模方法有许多优点。特征从总体上包括了几何特征和非几何特征两个方面。几何特征反映了产品的几何形状,并将产品的几何形状隐含在高层语义描述中;非几何特征则主要描述了与产品相关的材料属性、精度要求、工作状况、管理信
18、息等。如何在计算机内尽可能完全地表示并便利地操纵零件的各种几何与非几何信息是特征建模好坏的关键,它直接影响到下游各种应用(如CAE设计分析、CAPP工序设计等)的成败。基于特征的有限元前处理主要包括四个方面的内容: (a)基于特征的有限元网格划分;(b)基于特征的几何模型简化;(c)基于特征的降维处理;(d)基于特征的边界条件和载荷处理。在这四个方面中,基于特征的网格划分和边界条件及载荷处理是前处理研究的重点。这是因为有限元分析程序求解的基本要求就是物理模型必须网格离散化,己知的边界条件和载荷分解在单元节点上。几何模型简化主要是为了加快分析计算而采取的删除某些对分析结果影响不大的细节。降维处理
19、主要是在三维分析算法不太成熟或计算过于复杂的情况下而采取忽略某一个方向儿何尺寸的简化处理手段。在引入特征技术的基础上,有限元前处理更便利地、快速地建立有限元分析模型,使有限元建模的自动化程度更进一步。(2) 直接文件的存储直接文件存储就是依据各个CAD,CAE软件自带的接口,存储为正确的文件格式,从CAD软件输出后CAE软件可以直接读取。由于在本文CAD造型选用的软件是 Pro/E Wildfire,有限元分析选用的软件是ANSYS10.0,所以只分析这两种软件的连接方式。I几乎所有的CAD软件都可输出IGES格式的几何模型文件,将在Pro/E中建立好的模型保存为*.IGES格式,进入ANSY
20、S后直接由菜单Read file from读取。II在Pro/E中利用Mechanical模块直接将己经建立了的几何模型进行前处理,包括确定载荷、施加约束,进行网格划分,然后以.ans文件格式输出,在ANSYS读取进行后处理。III利用ANSYS本身自带的功能,即运行ANSYS下子模块utility-ANS_ADMIN进行 Pro/E的连接配置,由程序自动生成config.anson和protk.dat文件,然后进行调整程序的工作路径,就可以从两个软件里面进行数据传输。1.2.3.3 集成的发展现状近年来,我们可以看到,基于CAD/CAE集成技术的产品设计理论和方法已取得了一定的进展,有限元分
21、析技术代替了传统的产品零件刚强度的计算;根据产品工况的变化,采用动态设计代替原有的静态设计;在系统优化设计的基础上进行局部优化设计的方法代替了可行性设计;以可靠性设计和有限元寿命设计代替了安全系数法设计;以计算机辅助设计代替了人工和经验设计等等。以上现代设计方法使产品设计产生了可喜的飞跃,尤其是CAD技术与CAE技术的集成更使工程设计人员如鱼得水,充分利用这一技术提高了产品各种零部件的设计水平,减少了研制时间和成本,由此带来了巨大的经济效益。开发产品设计CAD/CAE信息集成系统时,如何规划和实现系统数据的存贮、交换方式以保证CAD/CAE信息的共享是十分重要的。目前,实现产品设计CAD/CA
22、E 信息集成系统已有以下几种方式 :(1)专用文件接口方式 适用于CAD和CAE系统建立的产品模型不一致的情况下,其数据交换与共享的层次较低,文件只能用于指定的CAD和CAE系统,而不能通用。这样方式的特点是原理简单,转换程序易于实现,效率高。各种应用系统所建立的产品模型各不相同,相互之间的数据交换需要在两个系统之间进行。(2)中性文件接口方式 各子系统的数据通过前后置处理,转换成与CAD和CAE系统无关的预先约定好的标准格式文件(如IGES图形文件格式和STEP标准),进行数据交换与共享,它的作用主要是提供批量数据的交流,是一种极其理想的集成方式。但由于STEP标准定义范畴广,内容多,目前还
23、很不完善,难以完全满足数据交换的要求,特别是对于参数化几何模型和基于特征的产品描述,还有待于改进与完善。(3)共享数据库集成(SDBI)方式 通过数据库应用程序接口或标准 SQL 语言存取共享数据库的设计数据、几何图形、工艺数据和其它数据。该方式充分利用了数据库的数据建模、存贮、查询、控制等管理功能,具有广泛的适用性。1.2.3.4 集成的发展趋势研究CAD/CAE系统集成是为了达成设计与分析的自适应,真正做到用CAE分析去指导设计,而不是用CAE分析去验证设计结果。在以往的计算机工程应用中,设计(CAD)与分析(CAE)是两个独立运行的系统,它们之间的集成性很差,CAE的作用往往表现为设计结
24、果的验证手段。现代产品设计模式强烈地需要将分析工具(CAE)真正地融入到设计(CAD)中,作为设计的指导模块,而不是设计完成之后的验证结果模块。设计与分析在工程中应用的理想关系是,一旦设计有误,则马上由分析系统反馈信息给设计系统,设计系统及时修改错误,然后再提交设计信息给分析系统进行深入一步的检查。这种 “设计一分析一设计的过程就是设计的自适应。在设计的“自适应”过程中,分析系统(CAE)起到了极其重要的作用,摆脱了“分析工具可有可无”的传统狭隘观念和设计方式。随着我国CAX技术的进一步发展,二者的集成必将更加迅速地发展,使用贯穿整个产品制造过程,应用范围将进一步扩大,软件功能将进一步增强,使
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 基于 ProE CADCAE 集成 研究 开发
链接地址:https://www.31ppt.com/p-2926246.html