基于Pro/E行為建模的型材結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

葛煒

（西子奧的斯電梯有限公司，杭州310019）

0引 言

行為建模（Behavioral Modeling）功能是PTC軟件中特有的功能。它是一個(gè)功能擴(kuò)展模塊，其目的是使CAD軟件不但能用于造型，更重要的是能用于智能設(shè)計(jì)，尋找最優(yōu)解決方案。同時(shí)它也是一種參數(shù)設(shè)計(jì)分析工具，在特定設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)約束前提下，經(jīng)一系列測(cè)試參數(shù)迭代運(yùn)算后，為設(shè)計(jì)人員提供最佳的設(shè)計(jì)建議［1］。

現(xiàn)有對(duì)行為建模的應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品特征的優(yōu)化，如容器容積的優(yōu)化設(shè)計(jì)［2-3］。本文將行為建模的方法拓展到型材設(shè)計(jì)當(dāng)中去，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能達(dá)到目標(biāo)的情況下，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品成本的最優(yōu)。

1 行為建模功能

Pro/E的行為建模模塊可以對(duì)模型進(jìn)行多種分析，包括物理性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)情況等測(cè)量，將分析結(jié)果反饋到模型，并自動(dòng)修改設(shè)計(jì)。具體分析有：敏感度分析、可行性/優(yōu)化分析、多目標(biāo)設(shè)計(jì)研究。其中優(yōu)化分析只適用于一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，多目標(biāo)設(shè)計(jì)研究可以用于解決多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化問題。

2 行為建模的一般步驟

行為建模的一般過程如圖1所示［4］。

分析特征屬于基準(zhǔn)特征的一種，包括基于模型測(cè)量和分析的特征參數(shù)、幾何圖元。其目的是對(duì)要設(shè)計(jì)優(yōu)化或是可行的參數(shù)進(jìn)行分析。

敏感度分析用于分析獲取尺寸或者參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響程度，減少優(yōu)化參數(shù)數(shù)量和參數(shù)范圍，從而加快設(shè)計(jì)速度。

可行性/優(yōu)化分析是使系統(tǒng)計(jì)算出一些特殊尺寸值且滿足某些指定約束，并從中找出可行的解決方案。

圖1 行為建模的一般步驟

多目標(biāo)設(shè)計(jì)研究側(cè)重于處理大量設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)約束產(chǎn)生矛盾和眾多設(shè)計(jì)目標(biāo)的情況，并找出最優(yōu)設(shè)計(jì)。

3 型材結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)案例

要求設(shè)計(jì)一個(gè)外形尺寸為30 mm×168 mm×1 500 mm的鋁型材，滿足在5 000 N/m2均布載荷的作用下變形不超過3 mm，且重量最輕。

3.2 建立設(shè)計(jì)模型

建立圖2所示初始模型。

圖2 初始模型

型材可視為簡(jiǎn)支梁，簡(jiǎn)支梁撓度計(jì)算公式為

式中：q為均布載荷大??；l為型材受載荷方向長(zhǎng)度；E為材料彈性模量；I為慣性矩。

根據(jù)式（1）求得滿足撓度要求下的型材最小慣性矩為 2.56×105mm4。

3.3 建立分析特征

對(duì)型材的截面屬性進(jìn)行分析。如圖3所示，打開分析→橫截面質(zhì)量屬性→選擇橫截面所在平面→選擇特征。在特征選項(xiàng)卡中勾選橫截面面積和主慣性矩（最?。﹥蓚€(gè)選項(xiàng)。根據(jù)分析可得，初始模型的主慣性矩在（2.85～6.13）×105mm4之間，大于目標(biāo)慣性矩。

圖3 橫截面屬性界面

3.4 敏感度分析

通過敏感度分析找到各個(gè)參數(shù)的合適范圍。打開分析→敏感度分析→選擇變量尺寸→輸入范圍→選擇出圖用的參數(shù)MININERTIA（主慣性矩）。按以上步驟，對(duì)圖4中的所有尺寸進(jìn)行敏感度分析，可以得到圖5所示兩大類結(jié)果。

圖4 敏感度分析界面

圖5 敏感度分析結(jié)果

從第一張敏感度圖中可以看到該尺寸的變化對(duì)主慣性矩影響是一條直線，這也就意味這個(gè)尺寸的變化與主慣性矩的大小基本無關(guān)，可以不將該尺寸放入到后續(xù)的分析中，以減少總參數(shù)量。

從第二張敏感度圖中可以看到該尺寸的變化對(duì)主慣性矩的影響是一條斜線，這意味著這個(gè)尺寸的變化和主慣性矩的大小是線性相關(guān)的，需要將該尺寸納入到后續(xù)的分析中去。

3.5 可行性/優(yōu)化分析

在 可 行 性/優(yōu)化分析對(duì)話框中選擇可行性分析，并在設(shè)計(jì)約束中添加MININERTIA（ 主慣性矩）不小于2.56×105mm4這一約束條件。在設(shè)計(jì)變量中添加所有相關(guān)聯(lián)的尺寸。進(jìn)行計(jì)算→系統(tǒng)提示已找到可行解決方案。

接著在可行性/優(yōu)化分析對(duì)話框中選擇優(yōu)化分析，在目標(biāo)中選擇“最小化”“AREA:SECTION”,將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為型材的截面積最小。計(jì)算后得到圖6所示優(yōu)化目標(biāo)收斂圖，表明優(yōu)化設(shè)計(jì)已完成。退出優(yōu)化/可行性界面，可以得到圖7所示優(yōu)化后的型材形狀。

圖6 優(yōu)化目標(biāo)收斂圖

圖7 優(yōu)化后型材形狀

4結(jié) 語

型材在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，Pro/E的行為建模技術(shù)為這類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了解決方案。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，好的產(chǎn)品不僅僅需要具有良好的性能，更需要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性價(jià)比。

［1］魏艷春，蹇興東，史慶春.Pro/E的行為建模技術(shù)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006（ 12）：25－28.

［2］鄧發(fā)云.Pro/E行為建模技術(shù)在容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2010，25（ 2）：193－196.

［3］周建華.三維參數(shù)化行為建模技術(shù)在包裝容器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［ J］.包裝工程，2005，26（ 4）：76－78.

［4］佟河亭，李超，王炳強(qiáng).Pro/ENGINEER WILDFIRE 4.0機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)力分析［M］.北京：人民郵電出版社，2009：178.