基于Autodesk Inventor的轧钢设备三维设计

1 前言

      随着现代科学技术的发展，要求在设计阶段就能精确的预测出产品的技术性能、强度、寿命等，并需要对结构的静、动力强度等技术参数进行分析计算。三维Autodesk Inventor是一个强大易用的机械设计三维参数化建模软件，它融合了二维和三维设计并根据装配约束关系进行相关零件的设计，是集Autodesk Inventor与参数实体造型、曲面造型、装配造型、二维与三维双向关联绘图以及与AutoCAD相互转换于一体的机械设计系统。同时，在Inventor中集成了著名的ANSYS公司的有限元分析模块，可用于确定结构上的外部载荷所引起的应力应变，静强度校核、耐久性分析、损伤容限分析等，有效地提升了设计的正确性和精度。

2 Inventor功能简介

      Inventor是Autodesk公司推出的最新和最现代的基于Microsoft Windows的机械设计系统，是一种包含了最新技术的基于特征的参数化实体造型软件，它提供了高性能的机械工程和设计软件，独一无二的易用性简化的用户界面、高级帮助与支持系统以及内置的移植工具。

      Inventor主要包含五个模块：零件造型、钣金、装配、表达视图和工程图。各模块的基本功能如下：在零件环境中可以创建单一零件，创建二维草图几何特征、创建钣金零件，生成的文件类型为零件文件(ipt)；在装配部件环境中，可以调入已有的零件或创建新零件并添加装配约束，同时可以控制特征的自适应性，生成的文件类型为部件文件(iam)；在表达视图环境中，可以定义部件的分解视图，并可进行装配过程的动态模拟，生成的文件类型为表达视图文件(ipn)；在工程图环境中，可以由三维模型直接生成二维图形，创建零件、部件及表达视图的工程图，生成的文件类型为工程图文件(idw)。

      在Inventor系统环境中进行某一产品设计时，这四类文件全部互相关联，设计者对其中任何一个文件所做的任何更改都会影响全部文件，从而确保所有文件的一致性，既方便又可靠。

3 Inventor三维造型特征分析

      三维实体模型是特征的集合。Inventor使用基于特征的参数化实体造型技术，使设计和表达更为简单有效。同时，Inventor自带ANSYS公司的有限元分析模块，可以方便的进行应力分析，估算零件的安全系数等。

3.1 零件造型

      零件造型特征是生成零件的基本元素，主要包括草图特征、放置特征、定位特征。草图特征是从草图几何图元创建的特征，如拉伸、旋转、扫掠、放样和螺旋扫掠等特征。没有必要为零件的每一个特征都定义草图，有些特征在指定参数并选择其在零件中的位置后就可创建出来，这种不需要草图的几何特征称为放样特征，如孔、抽壳、圆角、倒角、拔模斜度、凸雕、贴图、螺纹、阵列、镜像等。定位特征一般用于辅助定位和定义新特征，包括工作平面、工作轴和工作点。通过零件造型，获得如图1所示的液压缸。

                

3.2 部件装配分析

      Inventor提供配合、对准角度、相切、插人等装配约束，通过对零件之间添加装配约束，方便零件装配。Inventor提供了自适应装配，使设计者不依靠参数或尺寸标注，只需指定零件之间的装配关系，基于装配的“配合”定义自动确定零件的尺寸和位置，在装配环境，调入零件设计环境中已建好的零件三维模型，确定装配主干线和装配顺序，利用Inventor提供的装配约束及自适应功能对零部件添加装配约束，生成.iam类型文件。当零部件修改时，装配约束会保证部件按照指定的规则保持装配关系。

                

       图2为某公司轧钢项目连续退火机组中带夹送辊的入口剪装配后的设备图。在本例中机架开口度设计成自适应，尺寸其随剪刃宽度而定，其他零件的配合有孔柱配合，端面对齐等。装配好以后，运动部件可以通过装配约束驱动来模拟执行动作以观察晟终效果，同时在所有结构检查完成之后对整个设备进行静态和动态的自动干涉检查，来判断零部件之间有无干涉及干涉点，这样实现了全关联。即零件实体模型的改变将在所有引用该零件的装配图中自动得到调整，同时也将反映到二维图形中，在装配图中对某零件实体进行的更改也将自动体现到零件图中。

3.3 参数化设计

      参数化设计也称为尺寸驱动，以驱动为特征，使CAD系统具有交互式绘图的功能，甚至可以根据用户提供的信息驱动系统自动绘图，通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好的参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动，以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征。在参数化设计中采用参数化模型设计者可以通过调整参数来修改和控制几何形状，实现产品的精确造型，而不必在设计时专注于产品的具体尺寸，参数化设计方法存储了设计的全过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型，对已有设计的修改，只需变动相应的参数．而无需运行产品设计的全过程，极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性。对于如图3所示的中间连杆，利用设计意图草图的参数，采用模板化设计，快速得到中间连杆，同时利用Inventor的衍生功能，将表达设计意图的草图衍生到每一个零件中，可以实现：①只要修改设计意图草图中的相关参数，可以达到所有零件及相应工程图自动修改；②将表达设计意图的草图放在Vault项目中，真正实现协同设计，使得不同设计者之间的数据能及时交换以提高工作效率。

                 

4 有限元分析

      Inventor提供了有限元分析模块，大致功能有：零件的应力分析和自振频率分析；可加载力、压强、轴传力、扭矩或重力到模型的点、面或边；可添加各种约束到模型上；可按应力、应变、安全系数或自振频率模式，进行分析计算并显示结果；可改变模型几何结构或分析条件，重新计算分析；有限元分析软件是将真实的、物理的模型，转换成数学表达进行的，数学模型是由有限个几何单元组成，分析求解算法对各个单元进行独立的分析计算，并根据相邻单元的约束条件，得到整个几何模型可能发生的结果。通过有限元分析，得到零件的安全系数、等效应力等参数，以确定零件设计是否合理。如图4所示零件模型，其初始条件为：①两个小孔和孔的端面是固定端；②大孔有沿着连接板平行方向的力5000N；③大孔有沿着孔中心线方向的力750N；④最小安全系数1.5；⑤最大变形不超过0.5mm。通过添加固定约束及外力，然后投入分析，得到该零件最小安全系数为1.32，不合格，再分析等效应力，可见如图5所示结果，从结果中可以看出，最大应力发生在图中标记区域，这就是应力集中现象。这说明这里的材料需要增加，以便增加这里的截面积，这样在固定的外力下，通过增加面积，减少单位面积上的应力，达到分散作用力，解决应力集中的问题。

                  

5 结论

      1)Inventor是Autodesk公司开发的、为机械设计准备的辅助系统，用Autodesk Inventor软件能进行三维模型到二维工程图的自动转换，还有视图尺寸自动标注的功能，能完全防止漏尺寸、漏图线问题的发生。用它创建装配关系，能避免零件间配合尺寸的错误，能检查出零件在传动过程中是否有干涉情况，可有效地避免在现场装配中出错。设计需要更改时，只需直接修改三维模型，而相应的装配关系和二维工程图均会相应更改，使设计更改简单无误。

      2)通过lnventor平台进行轧钢设备的参数化设计，利用其装配约束和衍生特性，进行了设计数据的关联，设计者可以通过改变某些约束参数，不必改动零件设计全过程，便可更改设计，提高了设计效率。

      3)利用Inventor提供的有限元分析模块，对零件在一定载荷作用下的应力状态进行了有限元仿真分析，避免了设计失误，优化了设计。（转）