您當前位置 -> 理論 基于UG/OPEN GRIP的系列化鋼板彈簧參數化建模

鋼板彈簧是一種常用的彈性元件，廣泛應用于非獨立懸掛的汽車懸架裝置中。它傳遞作用在車輪與車身之間的一切力和力矩，并緩和由不平路面傳給車身的沖擊載荷，衰減由沖擊載荷引起的振動，保證車輛正常行駛。鋼板彈簧還可在懸架中兼做導向機構，從而簡化懸架結構，也使得保養維修方便，制造成本降低[1]。在鋼板彈簧設計過程中，系列產品的開發占有相當大的比例，對于同一系列的鋼板彈簧具有結構相同而尺寸不同，或結構類似只是某些特征有所不同的特點。用傳統的設計方法重復勞動多，人力、時間耗費大，從而嚴重影響到新產品開發的速度和成本。隨著CAD技術的不斷發展，特征建模和參數化設計技術為彌補傳統設計方法的上述不足創造了良好的條件。
  對鋼板彈簧進行參數化建模，快速、準確地創建可用于指導分析和制造的三維數學模型有很大的應用價值。目前，用于三維建模的軟件很多，如UG、Pro／E、Ideas、Solidwork等。其中，Unigraphics(簡稱UG)是當前世界上最先進和緊密集成的、面向制造行業的CAID／CAD，CAE／CAM高端軟件。它實現了設計優化技術與基于產品和過程的知識工程的組合，使用戶能夠數字化地創建和獲取三維產品定義，是世界上最優秀的三維建模軟件。所以本文以UG為軟件平臺，針對鋼板彈簧在自由狀態下的三維尺寸、曲率半徑和自由弧高，對每一簧片進行參數化建模，也就是編寫Unigraphics 的二次開發程序，從而大大簡化了模型建立過程中的繁瑣程序，為以后的仿真研究提供了方便。

1 UG/OPEN GRIP的二次開發技術
  Unigraphics(簡稱UG)在CAD/CAM上表現出了強大的功能，但UG為通用支撐軟件系統，僅具有CAD/CAM的基本功能，沒有提供專用產品所需要的完整計算機輔助設計/制造功能。由于機械產品的千變萬化，需要針對具體對象在選用的CAM軟件平臺上進行二次開發，來設計出界面友好、功能強大和使用方便的專用產品的CAD/CAM系統。本文介紹的UG/OPEN GRIP的二次開發工具是一個類似APT的UG內部開發語言，利用該工具用戶可生成NC自動化或自動建模等用戶的特殊應用[2]。
  GRIP(Graphics Interactive Programming)是一種專用的圖形交互編程語言，開發者可以用GRIP編程的方法自動實現在UG下進行的絕大部分操作。GRIP命令很像英語單詞，語法與BASIC和FORTRAN相似，有某些情況下對于一些高級操作，用GRIP編程的方法比用UG交互的方法更有效，在UG交互環境下可以實現的功能用GRIP幾乎全都可以實現。UG提供了一個名叫UG/Open GRIP的GRIP語言編輯器，用這個工具可以編輯、修改、編譯、連接程序。GRIP語言與一般的通用語言一樣，有其自身的語法結構，程序結構內部函數以及與其他通用語言程序相互調用的接口。一個GRIP語句是由一個或幾個GRIP命令組成，GRIP命令是GRIP語言的基本組成部分。GRIP命令有三種表示格式：A）陳述格式。主要用于生成和編輯實體。Ｂ）GPA符號格式。GPA是全局參數存取(Global Parameter Access)的縮寫，用于訪問UG系統中各種對象的狀態和參數。Ｃ）EDA符號格式。EDA是實體數據存取(Entity Data Access)的縮寫，用于訪問UG數據，能夠訪問各種對象的功能性數據。例如在屬性、繪圖和尺寸標注以及幾何體等領域與UG進行交互操作時，其參數可用EDA格式的命令取得[3][4]。而建立GRIP程序，需要4個步驟。如圖1所示。

  GRIP編程語言是面向工程師的語言，具有簡單、易學、易用的特點，使工程師們通過編程能夠把公司的專業知識與UG系統融合在一起，更好的發揮UG軟件的功能[2]。

2 鋼板彈簧的參數化設計建模
2.1?參數化設計建模的思路
  參數化是一種基于特征、尺寸約束、數據相關、尺寸驅動設計修改的技術。程序開發的目的是為了節省建模時間，程序越智能化，就會越使設計人員盡可能少的參與其中，效率就越高。
  參數化設計的目的是：通過編程，輸入板簧的參數程序即可自動生成鋼板彈簧。本文利用UG/OPEN Grip進行參數化編程。
要設計自己所需要的鋼板彈簧，必須輸入簧片的基本參數。通過建立由簧片的類型、中心螺栓距、自由半徑、自由弧高和左右弧長、卷耳半徑，截面參數B0、B1、B2這些參數之間的幾何關系式即可得到簧片的三維模型[5]。由此，可以確定人機交互窗口。
2.2人機交互窗口及模型的生成
  本次參數化編程設計采用交互式的參數輸入，用戶可以任意輸入預先定義好的各種參數，得出自己需要的具體形狀。數據輸入主要分為兩個部分，首先選定簧片的類型，自由狀態下簧片的類型有三種：雙卷耳、單卷耳和無卷耳。由于卷耳和包耳的三維形狀類似，在三維建模過程中不再具體區分；第二步是輸入簧片的具體尺寸數據，輸入的參數包括中心螺栓距、自由半徑、自由弧高和左右弧長、卷耳半徑，其中B0、B1、B2是簧片的截面參數，當選擇不同的簧片類型時，可分別彈出簧片尺寸數據對話框。

  完成參數的設置后，即可生成所需的鋼板彈簧，分別如圖2所示。通過參數化建模，可以快速生成多個不同尺寸的三維模型，用戶只需把生成的簧片模型利用UG自帶的裝配菜單進行裝配，則可得到的用戶所需的鋼板彈簧裝配總成。裝配圖如圖3。
  參數化建模的優點在于可以通過設置不同的參數，簡單，快遞地建立不同尺寸或類型的三維模型[6]。本次設計的程序不僅可以對變截面鋼板彈簧進行參數化建模，而且還可以對等截面鋼板彈簧進行參數化建模，具體可以通過對簧片的具體尺寸數據對話框中B0、B1、B2參數的設置來獲取需要的模型，當B0、B1、B2取相等的值時即為等截面鋼板彈簧的建模。

3?結論
    1) 利用程序實現鋼板彈簧的參數化建模的方法，在編程階段較為復雜。但程序完成以后，新簧片的設計非常簡單直觀，圖形生成快，即使對UG環境不是十分熟悉的用戶也能運用自如，特別適合鋼板彈簧的系列化產品開發設計。
    2) 本文的程序設計只是在UG／OpenGRIP模塊下對等截面與簡單變截面進行的一個簡單應用示例，作為一種思路和方法，通過對程序的進一步改進，可以運用于復雜的鋼板彈簧三維模型系統，如復合鋼板彈簧。
    3) 使用OpenGrip程序語言編制了實用的二次開發程序，實現了僅輸入鋼板彈簧的基本參數即可建模的目標，為以后的運動學分析、力學等CAE分析奠定良好基礎，具有較高的實用價值。

參考文獻
[1] 陳家瑞.汽車構造[M].第三版人民交通出版社，1993:11-20.
[2] 王慶林．UG/Open GRIP 實用編程基礎[M]．清華大學出版社，2002:23-24．
[3] UG／Open GRIP Reference[M]．Volume 2，EDS CorP—UG Division.
[4] UG／open GRIP Reference[M]．Volume 3，EDS Corp．UG Division.
[5] Carlson,Harold．Springs manufacturing handbook[M]．N.Y.Dekker Inc.1982:56-57.
[6] 吳莉華．基于UG／OpenGRIP的系列化產品零件的參數化設計[J]．貴州師范大學學報.2005.

    本文刊發于《化學工程與裝備》2008年9月刊。凡欲轉載本刊文章者請與本刊聯系,轉載請務必注明:轉載自《化學工程與裝備》雜志字樣。平面媒體轉載我刊文章請寄轉載的樣刊(報)，并給作者支付轉載稿費(一并寄至我刊)。對于一切未經許可的使用，本刊保留追訴的權利。不清