ANSYS及SolidWorks在模具设计中的集成与应用

第29卷　第5期 武汉理工大学学报・信息与管理工程版 Vol .29No .52007年5月 JOURNAL OF WUT (I N FORMATI O N &MANAGE MENT ENGI N EER I N G ) May 2007文章编号:1007-144X (2007)05-0043-04收稿日期:2006-12-26.作者简介:计三有(1963-),武汉理工大学物流工程学院副教授,博士.基金项目:河北省科技攻关资助项目(06212141).ANS YS 及Soli d W orks 在模具设计中的集成与应用计三有,袁　华(武汉理工大学物流工程学院,湖北武汉430063)摘　要:以S olid Works 软件为平台,将以Solid Works 、VB 及Access 结合建立的模具标准件库与可以方便地对所设计的模具结构进行仿真分析及有限元分析的Ansys 相结合,形成一种进行模具的动态设计和优化的CAD /CAE 模具设计集成环境。

该环境和方法对模具结构设计分析具有先进性和经济性,而且方便灵活,大幅度降低设计周期,提高产品设计水平,对S olid Works 等CAD 的二次开发具有重要借鉴意义。

阐述了用所集成的环境在模具结构设计和分析过程中的一般应用形式。

关键词:模具设计;仿真分析;集成环境中图法分类号:TP202 文献标识码:A 模具行业是国家工业发展的重要基础行业,各种先进技术首先应用于模具行业,CAD /CAE 技术作为一项重要的技术手段,正越来越广泛地在模具行业得以应用。

但是,目前模具设计方法在很大程度上取决于设计人员的经验,还没有非常成熟的针对不同类型模具的CAD 设计分析系统,特别是进行模具设计时,比较少地考虑物理描述和力学模型的构建,致使一些关键零部件的刚强度分析和变形的计算,以及温度场和应力等方面的仿真分析难以进行和实现,因此往往使设计偏于保守,致使产品重量大、成本高,也势必影响设计的质量。

笔者针对目前模具设计分析的现状及存在的问题,对模具设计环境的集成创新做了有价值的探讨,有效地解决了模具设计专业CAD 软件开发的巨大成本与传统设计方法保守、周期长、质量差和成功率低的矛盾[1]。

1　Soli d W orks 等软件与模具设计分析笔者基于Solid Works 软件平台,不具体开发模具CAD 系统,而是论证如何通过VB 、ANSYS 等软件在该平台上的综合应用,来设计和改进模具结构和零件模型。

通过选用不同模具组件的结构形状,实现模具的优化设计,以达到保证设计质量,加快设计速度的目的。

随着各种先进计算机辅助设计软件的推广应用,采用功能强大的CAD 及CAE 软件对模具结构进行设计分析已成为可能,可以大幅度提高设计质量和效率。

目前先进的CAD 软件Solid Works 可直接进行三维实体设计,其强大的特征建模技术可以迅速捕捉对象,生成产品几何模型,并能对建立的实体模型自动进行有限元网格的划分,将划分好的模型输出到有限元分析软件。

而ANSYS 软件是集结构、热、流体和电磁于一体的大型通用有限元分析软件,可提供有限元计算的优异分析功能,能获得良好的计算精度,且可与Solid Works 集成在一起[2,3]。

模具设计分析环境如图1所示。

这是一个可以进行挤压模具或其他类型模具设计以及仿真分析的集成环境,主体或平台是Solid Works 软件;通过数据库与Solid Works 软件所绘制模型的结合(用VB 编程)产生模具标准件库,该库可以嵌入平台之中。

进行模具设计时,首先在平台本身或ANSYS 中设计出主要的或关键的零件,如型腔等,或在其他CAD 环境中设计后导入其中。

设计图1　模具设计分析环境 武汉理工大学学报・信息与管理工程版 2007年5月过程中平台与ANSYS 是互动和交叉进行的,即在模具设计的同时,DesignSpace 可以方便地实现与Design Modeler 以及Solid Works 软件的双向数据传递和链接;可以方便地在CAD 设计-CAE 分析-改进CAD 设计-再次CAE 分析等的循环中,不断变更完善模具产品。

关键零件设计基本完成后,即可以比较轻松地开始调用标准件库中的相关零件,有步骤地进行模具的装配。

与此同时,也可以随时与ANSYS 进行互动和交叉,对所做的设计进行检验、更改和完善。

2　模具设计分析环境集成2.1　模具设计分析环境集成原理模具设计分析环境集成的原理如图2所示。

环境主要由6个部分组成,分别给予编号1、2、3、4、5、6。

下面说明每个部分的功能及其相互之间的关系[4,5]。

图2　模具设计分析集成原理示意图标准件库是模具标准件动态数据库。

针对某种模具,如挤压模具,模具组件可分为凸模组件、凹模组件、顶出组件和预应力组件等,每一组件又分为多个零件,每个零件又有不同的尺寸。

如果每次在进行模具的设计中对每一个零件都进行重新设计和建模,那肯定是不合乎现代设计原则的,也是非常不划算的。

可以利用Solid Works 软件本身提供的AP I 接口,开发一个模具标准件库,可为装配设计及分析提供很大的方便。

通过编程建立模具标准件的动态链接库,并嵌入Solid Works 环境中,在进行模具的设计时就可以非常方便地调用,即可以准确快速地挑选出所需零件。

将模具组成的所有类型零件建立模型并与相应的数据库关联后,就会形成一个比较大的模具标准件动态数据库。

通过在Solid Works 进行设置就会出现所建立的模具动态链接库,它是一个级连菜单,下面依次是部件、零件,而零件根据数据库的数据不同又有尺寸和大小的不同。

CAD 模型是来自Solid Works 本身或其他CAD 软件的模型。

Solid Works 提供各种3D 软件数据接口格式,其中包括I ges 、Vdafs 、Step 、Paras ol 2id 、Sat 、ST L 、MDT 、UGII 、Pr o /E 、SolidEdge 和I n 2vent or 等。

Solid Works 提供特征识别的功能,它可以对其他软件的数据进行分析,自动生成其可以识别的特征,并可进行编辑和修改。

这样对于有些零件就可以灵活地从其他地方嵌入,也方便设计的协同合作。

CAD 设计是作为模具设计分析集成环境的主体。

它的作用非常关键,是进行模具设计和分析处理的中心,ANSYS 的几个模块可以集成其中,前面提到的模具标准件库也可以嵌入其中。

ANSYS 快捷分析工具箱包括有几何建模工具Modeler 、专业分析模块Space 和优化设计模块Ex p l orer,在设计阶段直接引入CAE 仿真分析,发现问题,提出修正建议,返回设计部修改设计,再进行分析。

这个过程在虚拟设计环境中持续循环,直到满意为止,并在最后进行模具物理样机的试验验证。

而Design Modeler 模块将提供新的CAD /CAE 解决方案,可以直接创建或无缝导入CAD 模型,并进行修补,使之适应仿真需求。

通过Modeler 可以方便地将模具CAD 模型直接转化到ANSYS 分析软件当中进行仿真分析。

在模具设计阶段,对3D CAD 中生成的模型(包括零件和装配件)进行应力变形分析、热及热应力耦合分析、振动分析和形状优化,同时可对不同的工况进行对比分析。

2.2　在集成环境中各软件的主要作用2.2.1　Solid Works 的作用建立模具标准零件库、提供模具产品设计分析环境,以及模具设计分析等软件的接口。

Solid Works 软件提供了功能强大的AP I 接口,可以很方便地进行二次开发。

曲面设计功能对三维实体造型尤为重要,Solid Works 提供了众多的曲面创建命令,同时还提供了多个高级曲面处理和过渡的功能,如混合过渡、剪裁、延伸和缝合等,而且是完全参数化的,可以快捷而方便地设计出具有任意复杂外形的产品。

2.2.2　Access 数据库的作用Access 数据库的主要作用是保存用Solid 2Works 建立的模型数据来建立模具标准件数据库,在进行模具设计和分析时即可方便快速地调出已经建立的模具零件模型。

在模具装配设计中,要用到数目众多的标准44第29卷　第5期 计三有,等:ANSYS及S olid Works在模具设计中的集成与应用 件,如模架、螺栓、螺母、键、导柱和导套等,但Solid Works本身不带有国家标准零件库,在用到标准件时需要设计人员重新建模,这就造成了时间和精力上的浪费。

对某种具体模具,首先分析模具零件手册中有关标准件的数据,利用VB的默认数据库Access为模具标准件建立数据库。

每一个数据库由数据表组成,以存放不同类型的标准件数据,如模架参数数据库,导套参数数据库等。

为节省资源,可以把形式不同但数据构成类似且数据大部分相同的标准件数据放入同一数据表中,如螺栓G B5782、G B5783、G B29.1、G B31.1和G B32.1螺栓参数放在一个数据表中。

在数据库建成后,可以在应用程序中通过数据控件与特定的数据表链接起来。

当然,数据库中的参数与用Solid Works软件绘图时所采用的参数是对应的。

2.2.3　VB的作用Solid Works的AP I(app licati on p r ogra mm ing interface)应用编程接口,是一个基于OLE Aut o2 mati on的编程接口,其中包含了数以百计的功能函数。

这些函数提供了程序员直接访问Solid2 Works的能力,可以被VB、C/C++等编程语言调用,从而可以很方便地对Solid Works进行二次开发。

采用VB作为开发工具,根据具体模具的特点和结构构成,开发和建立模具的动态链接库,将用Solid Works构造的模具零件模型与用数据库保持的数据对应起来,以便在模具的设计分析时直接在Solid Works软件中调出。

2.2.4　ANSYS的作用ANSYS DesignSpace可集成于主流CAD软件之中,ANSYS和Solid Works有相同的双向模型传递和双向的参数传递功能。

完成数据传递后,即可完成某种特定的分析。

双向的参数传递,可大大降低设计的迭代次数,加快设计进程。

ANSYS 快捷分析工具箱与Solid Works无缝结合,使CAE 分析技术对模具产品设计开发的各个阶段发挥很大的作用[6]。

3　集成环境中模具设计分析主要流程3.1　设计前准备工作(1)分析模具大致结构和类型,确定模具的几个主要组件和基本零件。

模具组件大致可分为凸模组件、凹模组件、顶出组件、预应力组件等,每个组件又是由至少一个或多个零件组成的,可以预先列出分级清单,以明细表来清楚表示。

(2)在Solid Works中建立模型。