參數(shù)化建模在空調(diào)研發(fā)中的應(yīng)用

徐佳

摘要：介紹一種參數(shù)化的建模方法，以及這種方法對空調(diào)研發(fā)流程的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化模型

0問題的提出

隨著越來越多的新產(chǎn)品面世，過長的研發(fā)周期顯然已經(jīng)不能滿足日趨白熱化的市場競爭，產(chǎn)品很容易陷入“未上市，已淘汰”的尷尬局面。與此同時(shí)，人們越來越關(guān)注環(huán)境問題，制冷劑更新?lián)Q代的周期變得越來越短，由此引發(fā)的設(shè)計(jì)變更也越來越多。如何縮短研發(fā)周期，如何在短期內(nèi)完成設(shè)計(jì)，提交產(chǎn)品，對空調(diào)的研發(fā)工作來說是一個(gè)急需解決的問題。圖 1所示是目前的研發(fā)流程。

在目前的研發(fā)流程中，建立產(chǎn)品的三維模型需要花費(fèi)大量的時(shí)間。如果需要測試幾種不同的方案，建立產(chǎn)品三維模型所需要的時(shí)間會更多。在開發(fā)產(chǎn)品的過程中，零件三維模型的建立速度是決定整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)效率的關(guān)鍵之一。理想的解決方案是在保證正確率的情況下，縮短建模時(shí)間，同時(shí)提高模型的易修改性。

產(chǎn)品開發(fā)初期，零件的外觀形狀和尺寸有一定的不確定性，需要通過整機(jī)裝配驗(yàn)證、性能分析和加工設(shè)備編程之后才能確定。如果三維模型具有易于修改的特性，就會為后期工作節(jié)省很多時(shí)間。這種情況下，參數(shù)化建模是一個(gè)比較好的方法。

1參數(shù)化建模

1.1 參數(shù)化建模的概念

參數(shù)化建模就是將模型中的定量信息用變量替代，使之成為可以任意調(diào)整的參數(shù)。在模型的后續(xù)使用中，只要賦予參數(shù)不同的數(shù)值，就可得到不同大小和形狀的三維零件模型。參數(shù)化建模可以大大提高模型的生成和修改速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)和專用 CAD系統(tǒng)開發(fā)方面，都具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

參數(shù)化設(shè)計(jì)中的參數(shù)化建模方法主要包括變量幾何法和基于結(jié)構(gòu)生成歷程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更適合于三維實(shí)體或曲面模型。參數(shù)化建模就是把零件尺寸定義成變量，配合一定的關(guān)系式創(chuàng)建參數(shù)化模型。參數(shù)化建模可用于創(chuàng)建多種不同的部件模型。可以這樣來理解，參數(shù)化模型建好之后，通過更改參數(shù)即可生成不同尺寸的零件，從而形成系列化的產(chǎn)品。

在參數(shù)化建模過程中，設(shè)計(jì)人員會根據(jù)工程關(guān)系和幾何關(guān)系來滿足最終的設(shè)計(jì)要求。要滿足這些設(shè)計(jì)要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數(shù)的初值，并且需要保證每次變更這些設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，參數(shù)之間的基本關(guān)系不變。因此可將參數(shù)分為兩類：各種尺寸數(shù)值，稱為可變參數(shù)；幾何元素間的各種連續(xù)幾何關(guān)系，稱為不變參數(shù)。

參數(shù)化建模的本質(zhì)是在可變參數(shù)的作用下，系統(tǒng)自動維護(hù)所有的不變參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)人員會在參數(shù)化模型中建立各種約束關(guān)系，以此來體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖。需要注意的是，參數(shù)化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結(jié)構(gòu)約束和尺寸約束。結(jié)構(gòu)約束是指幾何元素之間的約束關(guān)系，例如平行、垂直、相等和同心等。尺寸約束則是通過尺寸標(biāo)注數(shù)值所表示的約束，如直線尺寸、角度尺寸和半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關(guān)系，通過定義尺寸變量，以及它們之間的數(shù)值和邏輯關(guān)系來表示。

1.2 參數(shù)化建模流程

1.3 創(chuàng)建參數(shù)化模型示例

參數(shù)化模型可以大幅度地提升工作效率，因此如何在Creo中創(chuàng)建合理的參數(shù)化模型是關(guān)鍵。在開始參數(shù)化建模之前，首先需要考慮下面三個(gè)方面。

◎找出影響三維模型建立的關(guān)鍵尺寸；

◎分析關(guān)鍵尺寸是否可以用參數(shù)變量替代；

◎參數(shù)之間的相互關(guān)系。

下面以微通道換熱器為例，詳細(xì)介紹運(yùn)用 Creo軟件創(chuàng)建參數(shù)化模型的流程。

圖 3微通道換熱器模型

1.3.1分析模型，列出參數(shù)及關(guān)系式

對于一個(gè)微通道換熱器的模型而言，長、寬、高以及集流管的管徑是決定模型外形所需的關(guān)鍵尺寸，這些尺寸可以用參數(shù)替代。通過進(jìn)一步的分析，長、寬、高這幾個(gè)關(guān)鍵尺寸可以經(jīng)由翅片數(shù)量、扁管數(shù)量、單片翅片高度及單根扁管厚度計(jì)算得出，至此，可以寫出上述幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系式。

例如，微通道換熱器總高 =（翅片數(shù)量 ×單片翅片高度）+（扁管數(shù)量 ×單根扁管厚度），集流管高度 =微通道換熱器總高。

通常在性能模擬分析中，翅片數(shù)量和扁管數(shù)量是最容易取得的直接數(shù)據(jù)，所以提前寫出這些關(guān)系式會為后續(xù)的建模工作帶來很大的便利。

1.3.2創(chuàng)建模型

◎添加參數(shù)

單擊菜單“工具”，選擇“參數(shù)”，打開參數(shù)對話框，即可添加參數(shù)。

添加完參數(shù)后，可以為參數(shù)設(shè)置一個(gè)初始值，該值可以在后續(xù)的設(shè)計(jì)中更改。也可以在“權(quán)限”一組下選擇“鎖定”功能，確保該參數(shù)不能被修改。通常，需由關(guān)系式計(jì)算出結(jié)果的參數(shù)會選擇“鎖定”功能，防止誤操作。

◎添加關(guān)系式單擊菜單“工具”，選擇“關(guān)系”，打開關(guān)系對話框，即可為參數(shù)添加關(guān)系式。關(guān)系式是自定義的等式，用以捕獲特征之間、參數(shù)之間或組件之間的設(shè)計(jì)關(guān)系。前文所列舉的兩個(gè)關(guān)系式可在此輸入。

◎創(chuàng)建模型

使用 Creo軟件創(chuàng)建出一個(gè)模型，影響模型最終成型的尺寸都需由之前分析所得的參數(shù)替代。首先如圖 6所示，創(chuàng)建草圖。在創(chuàng)建過程中，“30”與“15”這兩個(gè)尺寸可以用參數(shù) “FINNED_LENGTH”與“OVERALL_HEIGHT”替代。在后續(xù)的建模過程中，影響模型建立的關(guān)鍵尺寸都應(yīng)用參數(shù)替代。

在創(chuàng)建草圖的過程中，應(yīng)盡量使用結(jié)構(gòu)約束代替尺寸數(shù)值，避免發(fā)生未將尺寸替換為參數(shù)的情況，降低后期模型報(bào)錯(cuò)或生成錯(cuò)誤模型的概率。

在模型的創(chuàng)建過程中，有時(shí)也會發(fā)現(xiàn)之前分析過程中遺漏了一些可以使用參數(shù)代替的尺寸，這時(shí)只需再次打開參數(shù)頁面，添加新的參數(shù)就可以了。

◎附加功能在模型的創(chuàng)建過程中，通常會結(jié)合 Creo的自帶功能對

輸入?yún)?shù)的界面做出一些調(diào)整，使參數(shù)修改界面更直觀。單擊“工具”，選擇“模型意圖” >“程序” >“編輯設(shè)計(jì)”。如圖 7所示，在“INPUT”與“ENDINPUT”之間

輸入?yún)?shù)的名字，保存文件并退出。如需添加多個(gè)參數(shù)，分行輸入?yún)?shù)名即可。

當(dāng)參數(shù)對話框中的參數(shù)數(shù)量非常多的時(shí)候，該功能還可幫助設(shè)計(jì)人員過濾掉不需要修改的參數(shù)。具體使用方法會在下文中介紹。

1.4 參數(shù)化模型的日常使用

研發(fā)人員在日常使用中，只需打開參數(shù)頁面，修改具體數(shù)值，一個(gè)完整的微通道換熱器就會自動生成。

如果在建立模型時(shí)使用了附加功能，則不需要打開“工具”菜單下的“參數(shù)”界面。只需單擊“模型”下的“重新生成”，在彈出的參數(shù)選擇對話框中選擇需要修改的尺寸“FINNED_LENGTH”，就會彈出如圖 8所顯示的參數(shù)輸入的窗口。如果選中的參數(shù)有初始值，該初始值會顯示在圖 9所示參數(shù)名的右邊。如沒有初始值，則如圖 9所示為空白。

1.5 參數(shù)化模型的日常維護(hù)

參數(shù)化模型不需要特殊的維護(hù)。如果有多名設(shè)計(jì)人員同時(shí)使用該模型，為了防止誤操作，可以將服務(wù)器上的基礎(chǔ)模型文件設(shè)置為只讀。設(shè)計(jì)人員每次使用時(shí)，另存該文件為一個(gè)可修改的文件即可。

2優(yōu)勢分析

2.1 效率的提高

目前空調(diào)整機(jī)的三維模型通常都由多個(gè)組件組成，各個(gè)組件會根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求而使用不同的型號。對于三維模型而言，不同型號組件的差別多數(shù)在于外形尺寸。參數(shù)化建模能夠減少重復(fù)建模和出圖紙的工作，設(shè)計(jì)軟件代替人工可以降低設(shè)計(jì)人員的枯燥感。設(shè)計(jì)人員只需輸入特定的尺寸，

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結(jié)合設(shè)計(jì)軟件就能創(chuàng)建模型，能夠大幅縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，從而加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

表 1是對于現(xiàn)有的多個(gè)空調(diào)整機(jī)產(chǎn)品，使用微通道換熱器參數(shù)模型前后，建立整機(jī)三維模型所需工作時(shí)間的比較。

表1 參數(shù)化設(shè)計(jì)引入前后，空調(diào)整機(jī)三維建模工作時(shí)間對比

編號 項(xiàng)目名稱 原始建模所需時(shí)間（小時(shí)） 現(xiàn)在建模所需時(shí)間（小時(shí)） 參數(shù)模型應(yīng)用次數(shù) 節(jié)省時(shí)間（小時(shí)）

例如，項(xiàng)目一創(chuàng)建微通道換熱器需要 16小時(shí)，相當(dāng)于一位研發(fā)人員兩天的工作時(shí)長。現(xiàn)在使用了參數(shù)化模型，單個(gè)微通道換熱器的建模時(shí)間縮短至半小時(shí)。而這個(gè)項(xiàng)目一共需要 10個(gè)不同的微通道換熱器，所以整個(gè)項(xiàng)目在微通道換熱器建模時(shí)間上節(jié)省了 155小時(shí)，相當(dāng)于一位研發(fā)人員二十天的工作時(shí)間。

由此可見，參數(shù)化模型可以大幅減少工作量，提高工作效率。若用于產(chǎn)品范圍跨度大或選項(xiàng)復(fù)雜的產(chǎn)品，其優(yōu)勢更為明顯。

2.2 多種備選方案

使用參數(shù)化模型不僅能夠幫助產(chǎn)品開發(fā)人員提高工作效率，減少重復(fù)性工作。同時(shí)，它還能幫助研發(fā)人員在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上快速改變設(shè)計(jì)，生成多個(gè)產(chǎn)品方案，從而選擇最優(yōu)方案，以滿足客戶的需求。變更設(shè)計(jì)的靈活性不僅能應(yīng)用在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)階段，在非標(biāo)準(zhǔn)訂單的生產(chǎn)過程中發(fā)揮著更重要的作用。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化模型由可變參數(shù)及關(guān)系式代替了尺寸的具體數(shù)值，因此可以通過設(shè)計(jì)軟件 Creo的運(yùn)算滿足一些特定要求，找到一組最合理的設(shè)計(jì)。在合理的范圍內(nèi)，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最合理、性能最好、質(zhì)量最高和成本最低，更具市場競爭力。

例如，我們經(jīng)常會遇到為一個(gè)已建立三維模型的零件設(shè)計(jì)外包裝箱的工作。我們可以將外包裝箱的長、寬、高設(shè)置為參數(shù)，列出關(guān)系式。通過 Creo的運(yùn)算，就可以分別求出長、寬、高的具體數(shù)值，實(shí)現(xiàn)包裝箱原材料最少的目標(biāo)。

2.4 結(jié)構(gòu)分析

就目前的空調(diào)整機(jī)而言，搭建樣機(jī)進(jìn)行測試是檢測其各方面指標(biāo)的一個(gè)常用方法。這個(gè)方法相對耗時(shí)，而且測試成本很高。我們可以使用分析軟件進(jìn)行參數(shù)化模型的模擬分析，代替部分的整機(jī)實(shí)測，從而縮短測試時(shí)間，降低測試成本。

參數(shù)化模型是由參數(shù)（變量）而不是具體數(shù)值建立的模型，通過改變模型參數(shù)值就能建立新的模型。參數(shù)化模型中的參數(shù)不僅可以是幾何參數(shù)，也可以是溫度、材料和密度等屬性。在參數(shù)化模型的幾何造型過程中，幾何參數(shù)的作用范圍是幾何模型。如果希望以幾何模型中的設(shè)計(jì)參數(shù)作為形狀優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，可將設(shè)計(jì)參數(shù)的作用范圍延拓至有限元模型，使有限元模型能夠根據(jù)設(shè)計(jì)變量的變化，實(shí)現(xiàn)有限元模型的參數(shù)化，這樣就能為仿真分析軟件所用。本文篇幅有限，在此不再贅述。

3結(jié)束語

本文主要闡述了參數(shù)化模型在空調(diào)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，實(shí)施快速設(shè)計(jì)和變更設(shè)計(jì)，以滿足日趨個(gè)性化和多元化的市場需求。

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