基于Creo Parametric軟件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析

摘 要：本文應(yīng)用Creo Parametric軟件的行為建模功能，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。本文以產(chǎn)品的重心為約束條件，以產(chǎn)品中長方體的定位尺寸為設(shè)計(jì)變量，以產(chǎn)品重心X坐標(biāo)值為0作為設(shè)計(jì)目標(biāo)值，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得定位尺寸的優(yōu)化值。該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法操作簡單、優(yōu)化結(jié)果可靠。為產(chǎn)品開發(fā)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：Creo Parametric；優(yōu)化設(shè)計(jì)；行為建模；重心

產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)是從多種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中選擇最佳方案的設(shè)計(jì)方法。通常產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案可以用一組參數(shù)來表示，這些參數(shù)有些已經(jīng)給定，有些沒有給定，需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選，這些參數(shù)稱為設(shè)計(jì)變量。在設(shè)計(jì)過程中需要找到在允許范圍內(nèi)的最優(yōu)設(shè)計(jì)變量值，使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)最合理、性能最好、質(zhì)量最高、成品最低及有很強(qiáng)的市場競爭力。傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要人工計(jì)算大量的數(shù)據(jù)，即耗時(shí)又耗力，極大的增加了產(chǎn)品的研發(fā)周期和產(chǎn)品的成本。

Creo Parametric是美國PTC公司研發(fā)的一款三維CAD/CAE/CAM軟件，該軟件除了具有強(qiáng)大的參數(shù)化三維建模功能外，還具有強(qiáng)大的CAE功能，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真、熱能仿真及有限元分析等，是一款非常優(yōu)秀的三維軟件。它同時(shí)還可以對與產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可進(jìn)行單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，操作簡單，可在產(chǎn)品研發(fā)的過程中隨時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和提高產(chǎn)品的性能[1-2]。

1 Creo Parametric 產(chǎn)品優(yōu)化流程

針對傳統(tǒng)采用解析法對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了應(yīng)用Creo Parametric軟件中的行為建模功能對產(chǎn)品進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法的一般設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 產(chǎn)品模型的建立與分析特征的創(chuàng)建

Creo Parametric軟件具有強(qiáng)大的三維建模功能，除此之外該軟件還具有強(qiáng)大的測量和分析功能。利用拉伸、掃描、倒圓角等工具創(chuàng)建產(chǎn)品的實(shí)體模型，如圖2所示。為了防止模型傾倒，需使整個(gè)產(chǎn)品的重心落到底座的投影范圍內(nèi)，因?yàn)楫a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)為沿XZ平面對稱，因此產(chǎn)品重心在XY平面投影的Y坐標(biāo)值始終為0，零件的坐標(biāo)系在底座的最左面，要想整個(gè)產(chǎn)品不傾倒，則需要重心坐標(biāo)的X值要大于等于0，臨界值為0。確定產(chǎn)品重心X坐標(biāo)值為優(yōu)化目標(biāo)值，長方體的定位尺寸為尺寸變量。

要想優(yōu)化產(chǎn)品的尺寸，則需要先獲取需要優(yōu)化的目標(biāo)值。通過質(zhì)量屬性工具可以獲取產(chǎn)品的體積、曲面面積、質(zhì)量、主慣性矩、重心坐標(biāo)等等。在本例中需要獲取產(chǎn)品重心的X坐標(biāo)值，在對話框中勾選XCOG選項(xiàng)，單擊確定，創(chuàng)建重心屬性分析特征。產(chǎn)品重心屬性如圖3所示，重心屬性分析特征的名稱為“MASS_PROP_1”。

3 產(chǎn)品尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，需要確定目標(biāo)尺寸變量的大致范圍，為此Creo Parametric軟件提供了敏感度分析，如圖4所示。選取敏感度分析工具后，出現(xiàn)敏感度分析對話框，然后選取長方體的定位尺寸100，變量范圍設(shè)定為最小100，最大120，目標(biāo)為產(chǎn)品重心的X坐標(biāo)，步數(shù)設(shè)置為50，其含義為在變量范圍內(nèi)進(jìn)行50次差值，然后進(jìn)行迭代計(jì)算。

單擊計(jì)算后，軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果如圖5所示。計(jì)算結(jié)果的橫坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量范圍，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的產(chǎn)品重心的X坐標(biāo)值。此例產(chǎn)品重心X坐標(biāo)值的目標(biāo)值為0，它所對應(yīng)的定位尺寸為105～115之間。

Creo Parametric中的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能可以指定目標(biāo)函數(shù)與可行性研究參數(shù)，通過在可行范圍內(nèi)的迭代計(jì)算尋找目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)方案。參數(shù)條件設(shè)置如圖6所示，設(shè)置產(chǎn)品重心X坐標(biāo)值為0，變量的最小值為105，最大值為115。

單擊計(jì)算后，軟件通過計(jì)算得出優(yōu)化目標(biāo)收斂結(jié)果，如圖7所示。軟件經(jīng)過優(yōu)化后，長方體的定位尺寸優(yōu)化值在產(chǎn)品中自動(dòng)更新。

最后再查看Creo Parametric軟件提供的產(chǎn)品重心屬性報(bào)告，得到重心坐標(biāo)為-2.5e-04，結(jié)果接近理想的結(jié)果0。

Creo Parametric提供的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法操作簡單，此外軟件創(chuàng)建的物理模型的細(xì)節(jié)與實(shí)際產(chǎn)品基本一致，不用對模型進(jìn)行簡化處理，因此與構(gòu)建數(shù)學(xué)模型相比模型誤差更小，對于造型復(fù)雜的產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)更具有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

Creo Parametric軟件提供的行為建模功能對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其操作簡單且直觀，在開發(fā)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)，不需要對產(chǎn)品進(jìn)行簡化處理和建立繁瑣的數(shù)學(xué)模型，只需要按尺寸要求建立精確的模型即可隨時(shí)對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中具有很大的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] Samal D.Product Design[EB/OL].（2009-09-23）.http：//www.samaldesign.com/pages/dzmitry

_samal9.html.

[2] Yanko Desing.Twist and Trash the Can[EB/OL].（2009-10-28）.http：//www.yankodesign.com/

2009/10/28/twist-and-trash-the-can.

作者簡介：

周宇陽（2000-），男，漢族，江蘇鹽城人，研究方向機(jī)械設(shè)計(jì)。