基于力學計算的靜力試驗工裝參數化設計

孫自強,時亞州,王小衛,易果,王國順

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

靜力試驗工裝應正確地實現對試驗件所施加的各種外載荷，在實現力的傳遞和分布規律方面，應符合試驗要求的受力情況[1]。每種工裝在設計時應進行力學計算，使其具有足夠的強度和剛度，以保證試驗的安全。由于靜力試驗工裝的主特征尺寸與力學計算公式具有一定的算術關系，主特征尺寸可通過力學公式計算得到。為此，靜力試驗工裝可根據力學計算公式來實現參數化設計，其基本思路是為每種零件的特征尺寸和承載力建立相應的參變量，根據力學計算公式和實際幾何及拓撲關系建立特征尺寸與承載力參變量的關系式，承載能力不同導致零件尺寸發生變化，改變承載力的取值，則與之相關的零件模型中的相應尺寸跟著發生變化，重新驅動造型模塊，從而完成零件的參數化建模。

靜力試驗工裝與試驗室的設備、固定承力件組合構成一個完整的承載系統，這類工裝有承力點接頭、承力梁、承力地軌螺栓、標準鑄塊、鑄塊底座、拉桿系統等，由于每種靜力試驗工裝的結構形狀一般已定型，都可以根據承載能力來進行尺寸分級配置，為此采用參數化設計是十分必要和方便的。一旦工裝設計能以參數化方式進行，設計人員就可以不再關心設計的具體過程，從而集中主要精力去設計試驗方案，這樣就提高了設計效率，縮短設計周期，確保工裝的承載要求。

1 工裝尺寸參數及力學計算

靜力試驗工裝應根據試驗方案的技術要求進行強度計算后設計，需要通過相應的強度計算公式進行校驗，確定工裝的尺寸。

例如柱梁的強度計算，柱梁的彎曲應力按公式σ＝M/W計算，式中M＝F·a，是柱梁A－A截面承受的彎矩，A－A截面是柱梁危險截面，若柱梁的截面形狀如圖1所示，則抗彎截面系數W=(B·H3-b·h3)/6H，則可推導出柱梁所受力F與柱梁截面尺寸的關系式為σ＝6H·F·a/(B·H3-b·h3)。如果柱梁的截面形狀已經定型，可以用一組參變量來約定尺寸關系，通過柱梁幾何尺寸與力的拓撲關系建立關系式，通過力值來控制尺寸，實現參數化尺寸驅動。

圖1 柱梁的截面形狀

2 Pro/E參數化設計原理

參數化造型采用當前主流三維CAD軟件進行二次開發，其主要功能是生成零件的三維實體圖，通過設計變量實現造型自動化[2]。本文以Pro/E為平臺探討參數化設計的實現方式。

在Pro/E環境中用人機交互的方式建立三維模型樣板[3]。模型樣板的構建思路與一般的三維建模相同，只是在構建模型的過程中，要加入特定的外部設計參數和尺寸約束關系，通過參數及約束來實現對三維模型的幾何尺寸和拓撲關系的控制。具體方法是在構建模型樣板之后首先利用“參數”命令添加參數，然后利用“關系式”功能創建新的相互約束關系，利用Pro/E自動創建的約束參數名與構建的參數關聯。最后，利用族表功能對控制參數進行表格化管理，在族表中定義各個控制參數來控制模型的尺寸。其基本流程如圖2所示。

圖2 參數化設計流程

3 參數化建模實例

3.1 拉桿組件結構形式

拉桿組件是連接并傳遞軸拉載荷的工裝，主要包括拉桿、單耳接頭、雙耳接頭、銷子。拉桿兩端為螺紋，與單、雙耳接頭的內螺紋連接，單、雙耳接頭各有連接銷孔，可利用銷子將單、雙耳接頭兩兩串接在一起，從而將拉桿組件串聯起來以滿足加載距離的要求。拉桿組件各部件的尺寸均可按承載能力確定，拉桿的長度按系列配套。結構形式見圖3。

圖3 拉桿組件結構示意圖

3.2 拉桿組件尺寸分類和受力分析

分析工裝的尺寸約束和力學計算公式，建立尺寸分類列表，作為參數化設計的基礎。

圖4 拉桿特征尺寸示意圖

表1 拉桿特征尺寸的強度校驗公式

確定拉桿組件各零件的特征尺寸，推導出特征尺寸與承載能力的關系式，并將關系式轉化為建模環境下的參數化公式。

如圖4所示，拉桿與承載能力相關的特征尺寸主要有螺紋內徑DL、光桿直徑DW和安裝夾持平面的厚度HL，經強度校驗，推導出特征尺寸與承載力的關系式和建模環境下的關系式(拉桿材料一般為18CrNiWA，熱處理保證σb＝1200 MPa，安全系數取f＝2.5)，具體見表1。

銷子與承載能力相關的特征尺寸主要是銷子外徑DX，經強度校驗，推導出特征尺寸與承載力的關系式和建模環境下的關系式(銷子材料一般為30CrMnSi，熱處理保證σb＝1200 MPa，安全系數取f＝2.5)，具體見表2。

表2 銷子特征尺寸的強度校驗公式

圖5 單耳接頭特征尺寸示意圖

表3 單耳特征尺寸的強度校驗公式

圖6 雙耳接頭特征尺寸示意圖

單耳接頭的特征尺寸示意圖見圖5，與承載能力相關的特征尺寸主要有：連接銷孔直徑DA、接頭螺紋內徑DC、輪廓外徑和厚度SA，經強度校驗得到，其余的特征尺寸經幾何關系推導而來，具體見表3。

雙耳接頭的特征尺寸示意圖見圖6，與承載能力相關的特征尺寸主要有：連接銷孔直徑DD、接頭螺紋內徑DC、輪廓外徑、厚度SB和連接槽寬SC，經強度校驗得到，其余的特征尺寸經幾何關系推導而來，具體見表4。

表4 雙耳特征尺寸的強度校驗公式

3.3 拉桿組件參數化建模

根據上述推導出的拉桿組件尺寸參數與承載力F的關系式，利用Pro/E建模軟件進行參數化設計。

1)創建模型樣板。構建拉桿組件模型，依次構建拉桿、單耳和雙耳結構零件模型，并裝配。

圖7 添加參數和參數編輯

圖8 添加關系式

2)添加參數和參數編輯。添加每個零件的特征參數和組件裝配關系參數，將各零件特征尺寸賦予相應的參數，參數添加完畢后選中各參數，輸入所需參數名稱，并附上一組初始值。

3）添加關系式。添加各零件特征尺寸的強度關系式，使特征尺寸與載荷力F建立關系，通過載荷力F值來自動計算出尺寸值，建立一組參數之間的關系，以此控制一組相關尺寸的大小和變化。

4）建立族表。確定工裝規格，單擊族表對話框中“插入新實例工具”，插入相應實例；在族表對話框中單擊“添加/刪除表列工具”，彈出族項目對話框，選中參數，彈出選取參數對話框，選中需要的參數；改實例名稱，并設置選中的參數，再對每個實例進行校驗，校驗成功后退出族表。拉桿組件的參變量為承載力F和拉桿長度LL，在族表中建立三組實例 (30 t、50 t、100 t拉桿組)，F分別賦值30 000 kg、50 000 kg、100 000 kg，拉桿長度LL分別賦值400 mm、500 mm、600 mm(根據實際需要)，這樣生成了三組拉桿，具體見圖9和表5。

4 結論

本文研究了靜力試驗工裝特征尺寸與力學計算的關系，歸納了工裝的參數變量，通過幾何及拓撲關系將特征尺寸轉化為以力學計算主導的關系式，達到了以最少的尺寸數量來控制模型特征，形成了基于力學計算的三維模型參數化設計方法，使工裝設計更加準確和不易出錯。

[1] 魏生道.結構靜力試驗技術[M].北京:宇航出版社,1988.

[2] 趙國霞.基于Pro/E二次開發的軸承參數化模型庫的實現[J].裝備制造技術,2009(6):90-91.

[3] 張繼春.Pro/ENGINEER二次開發實用教程[M].北京:北京大學出版社,2003.