一種高效智能的參數(shù)化設計方法

胡 宗 政

(蘭州職業(yè)技術學院，蘭州 730070)

隨著CAD/CAM/CAE技術的不斷發(fā)展，參數(shù)化設計的建模技術在各行各業(yè)已經得到了廣泛應用。所謂參數(shù)化設計就是指采用一組相關參數(shù)來映射產品的幾何特征，建立模型幾何尺寸與參數(shù)的對應關系，通過參數(shù)的設置和編輯，快速修改和控制幾何形狀，自動實現(xiàn)模型的精確造型，快捷高效地完成一系列相似形狀的模型的重新設計。Pro/E軟件作為一款參數(shù)化設計的典型應用軟件，整合了包括CAD/CAM/CAE技術在內的很多應用模塊，其行為特征建模技術將CAE技術與CAD建模融于一體，通過定義分析特征，驅動參數(shù)模型，自動修改模型特征參數(shù)，實現(xiàn)設計過程的目標驅動。

本文綜合利用Pro/E軟件的行為特征建模技術，借助MathCAD軟件強大的計算功能和簡潔的數(shù)據(jù)優(yōu)化功能，通過MathCAD和Pro/E之間的數(shù)據(jù)傳輸，完成了漸開線直齒圓柱齒輪的參數(shù)化優(yōu)化設計，闡述了Pro/E行為特征建模的基本過程與步驟。

1 齒輪參數(shù)化建模

1.1 建模思路

1.2 優(yōu)化設計思路

軟齒面齒輪傳動具有制造方便、成本低等優(yōu)點。在對精度、強度和速度要求不高、傳動功率較低、對齒輪尺寸無嚴格限制環(huán)境下得到了廣泛的應用。

本文在綜合考慮軟齒面齒輪性能要求以及工作條件的基礎上，確定齒輪中心距最小為優(yōu)化目標，利用MathCAD中Minimize函數(shù)獲得符合優(yōu)化目標的各齒輪模數(shù)、齒數(shù)等基本參數(shù)的初始值，從而確定齒輪系統(tǒng)所有幾何參數(shù)。

2 齒輪參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型的創(chuàng)建

2.1 目標函數(shù)與設計變量

假設以齒輪傳動系統(tǒng)中心距最小為優(yōu)化目標，則目標函數(shù)可寫為：

(1)

式中：m1、m2為高、低速齒輪模數(shù)；z1、z2為高、低速小齒輪的齒數(shù)；i1為高速級傳動比；i為總傳動比。

由式(1)可知,齒輪傳動的總中心距a與模數(shù)m1、m2,小齒輪齒數(shù)z1、z2,第一級傳動比i1,齒寬系數(shù)φd1、φd2的取值有關,所以選擇這幾個參數(shù)作為獨立的設計變量,即:

x=(m1,m2,z1,z3,φd1,φd2,i1)

=(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7)

(1)

2.2 約束條件分析

(1)齒面接觸強度約束條件。

接觸應力為脈動循環(huán)交變應力,齒面接觸強度的約束為:

(2)

式中：K1=KA1KV1Kα1Kβ1，d1=m1z1，[σH]為許用接觸應力；ZH為節(jié)點區(qū)域系數(shù)；ZE為材料彈性模量；KA為使用系數(shù)；KV為動載系數(shù)；Kα為齒間載荷分配系數(shù)；Kβ為齒向載荷分配系數(shù)；T1為高速級傳遞的轉矩。

(3)

式中：K2=KA2KV2Kα2Kβ2，d2=m2z2，T2為低速級傳遞的轉矩，其余參數(shù)同上。

(2)齒根彎曲強度約束條件。

(4)

(5)

式中，[σF]為許用齒根彎曲強度；YFa為齒形系數(shù)；YSa為應力校正系數(shù)。

(3)模數(shù)的約束。

對于動力傳動齒輪，一般要求模數(shù)大于2mm，約束條件可以表述為：

f(x)5=m1-2≥0

(6)

f(x)6=m2-2≥0

(7)

(4)小齒輪齒數(shù)約束。

對于壓力角為20°的標準直齒圓柱齒輪，為了避免根切，齒數(shù)應該大于17：

f(x)7=z1-17≥0

(8)

f(x)8=z3-17≥0

(9)

(5)齒寬系數(shù)的選擇。

對于標準圓柱齒輪傳動,通常要求：0.8≤φd≤1.4，因而有：

f(x)9=φd1-0.8≥0

(10)

f(x)10=1.4-φd1≥0

(11)

f(x)11=φd2-0.8≥0

(12)

f(x)12=1.4-φd2≥0

(13)

2.3 利用MathCAD分析進行優(yōu)化設計

通過調用MathCAD中maximize、minimize二個函數(shù)可以求得目標函數(shù)的最大值和最小值。工作步驟如圖1所示。

3 MathCAD優(yōu)化分析

MathCAD是美國PTC公司所屬的一款集數(shù)理計算、圖形和文字處理等功能于一體的工程計算軟件，能夠進行強大的計算和分析，很好地彌補了Pro/E軟件在計算方面的不足。

(1)Pro/E中MathCAD分析的工作流程，見圖2。

現(xiàn)要求設計一個二級展開式減速器。已知高速軸輸入功率P1=6.2kW,高速軸轉速n1=960r/min,總傳動比i=15,由電動機驅動,工作壽命15年(設每年工作300天),二班制,大齒輪45鋼正火HB187～207,小齒輪45鋼調質HB228～255,帶式輸送機工作平穩(wěn),轉向不變。要求按總中心距最小來確定總體方案中各齒輪的主要參數(shù)。

(2)新建Pro/E裝配文件，按照任意中心距裝配二級齒輪，裝配約束類型為銷釘連接方式，如圖3(a)所示。在Pro/E中新建一個參數(shù)ZD=1，用于Pro/E傳送給MathCAD進行計算。

(3)單擊主菜單“分析”→“外部分析”→“MathCAD分析”。在彈出的對話框中單擊“新文件”按鈕，打開MathCAD軟件，單擊“文件”→“新建”，新建MathCAD文檔，并建立優(yōu)化數(shù)學模型，進行計算，最后求得各齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、分度圓直徑、齒寬等幾何參數(shù)。(計算步驟有省略)。

f(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7)

x1∶=2x2∶=3x3∶=19x4∶=19x5∶=1x6∶=1x7∶=6.7

已知

x1-2≥0

x2-2≥0

……

1.4-x6≥0

Minimize(f,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7)

圓整后得到結果：mm1=2、mz1=30、fd1=1.4、mm2=4、mz3=20、fd2=1.4、mi1=3.5

(4)聲明變量。

在MathCAD分析過程中，用到的變量有的是從Pro/E輸入到MathCAD的，有的是從MathCAD輸出到Pro/E的。為了完成數(shù)據(jù)傳送，需要為變量定義一個標簽。選中一個變量的定義式，點擊右鍵→“屬性”，然后在“顯示”選項卡中找到“標簽”并輸入“proe2mc”或“mc2proe”。在此例中，Z1需要添加第一種標簽，mm1、mm2、mz1、mz3等需要返回到Pro/E的參數(shù)需要添加第二種標簽。完成后保存文件為“gear.xmcd”。

(5)單擊“加載文件”按鈕，在打開的文件瀏覽窗口選擇剛剛新建的“gear.xmcd”文件。單擊“添加參數(shù)”在彈出的“參數(shù)選取”對話框中選擇Pro/E中設定的參數(shù)，單擊“確定”后在“輸入選取”對話框中選擇MathCAD中對應參數(shù)。

(6)輸出MathCAD變量到Pro/E中。單擊“輸出”，在彈出的“輸出選取”對話框中選則需要輸出到的Pro/E中的參數(shù)，比如大小齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等，以便于后續(xù)計算，如圖4所示。

(7)依次單擊“計算”→“添加特征”，并為分析命名。單擊“關閉”，完成分析特征的創(chuàng)建，在這個特征中自動建立了結果參數(shù)。

(8)在Pro/E中添加關系。

為了將MathCAD中輸出的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等數(shù)值再次附值給Pro/E中的對應值，實現(xiàn)模型同步更新，需要在Pro/E中添加相應的關系式，比如：

M:2=MC_MM1:FID_ANALYSIS1

Z:2=MC_MZ1:FID_ANALYSIS1

B:2=MC_MB1:FID_ANALYSIS1

Z:4=MC_MZ2:FID_ANALYSIS1

M:4=MC_MM1:FID_ANALYSIS1

B:4=B:2+5

d0=(M:2*Z:2+M:4*Z:4)/2

Z:6=MC_MZ3:FID_ANALYSIS1

M:6=MC_MM2:FID_ANALYSIS1

B:6=MC_MB3:FID_ANALYSIS1

Z:8=MC_MZ4:FID_ANALYSIS1

M:8=MC_MM2:FID_ANALYSIS1

(9)修改Pro/E中相關參數(shù)的數(shù)值，再生模型，MathCAD自動計算出來的結果也會動態(tài)變化，在MathCAD中數(shù)據(jù)的更新，傳輸?shù)絇ro/E中后再生模型，特征幾何參數(shù)同步變化，這樣就實現(xiàn)了MathCAD和PRO/E之間數(shù)據(jù)的傳輸、計算和同步更新，即如果如圖3(b)所示。

4 結語

傳統(tǒng)設計中，對于多級展開式齒輪傳動系統(tǒng)的設計，一方面計算復雜，容易出錯，另一方面無法對傳動系外輪廓尺寸、體積、重量以及制造成本等進行優(yōu)化。本文借助于Pro/E與MathCAD軟件集成解決方案，在Pro/E環(huán)境中實現(xiàn)了以輪廓尺寸最小為目的的齒輪傳動系統(tǒng)的參數(shù)最優(yōu)化設計，實現(xiàn)了優(yōu)化結果與實體模型的同步更新，不僅充分發(fā)揮了Pro/E在機械設計中的參數(shù)化造型優(yōu)勢，而且結合了MathCAD的強大工程計算能力，提高了工程技術及優(yōu)化設計的能力。設計方法高效、智能、簡單易行,具有一定的實用價值和推廣價值。

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