摘要:對于需要使用CAD CAE集成系統的工程人員來說,只單一地使用Pro E或是ANSYS軟件是很難迅速優質地完成任務,其較好的選擇是構建兩者的集成系統作為工作平臺。建立不同軟件組成的集成系統的關鍵問題就是數據轉換接口的設置。以漸開線直齒圓柱齒輪為研究對象,利用Pro E三維建模軟件進行參數化建模,討論將直齒圓柱齒輪導入ANSYS中的多種模型轉換方式,結果發現采用ANSYS-Pro E的數據接口轉換方式是最佳的選擇。
      
         Pro E是PTC(美國參數技術公司)推出的三維CAD CAM參數化軟件,是一個基于特征的參數化實體造型系統,用戶能迅速方便地利用其建立各種龐大復雜模型。特別是在圓柱直齒齒輪建中,Pro E軟件以其“尺寸驅動參數化的基于特征的實體建模技術”為核心技術,其中的Program二次開發模塊可以通過編輯程序語言記錄齒輪設計過程中的尺寸參數和設計步驟,用戶只需改變齒輪的參數就可以生成新的齒輪模型。因此,Pro E實現了齒輪設計的參數化。
        ANSYS是美國ANSYS公司開發的大型通用有限元分析軟件,它的前處理能力、加載求解能力、后處理能力都很強大。使用ANSYS進行分析必須通過構建三維幾何模型,雖然其本身附帶三維建模模塊,但其建模能力與流行三維造型軟件如Pro E、UG和CATIA等相比實在太弱。構建分析中需要的復雜的結構和曲面,在ANSYS當中實際很難完成。
        當前CAD CAE軟件開發的趨勢是專業化分工程度越來越高。雖然Pro E與ANSYS軟件分別都有相應模塊向對方領域滲透,但是對于需要使用CAD CAE集成系統的工程人員來說,只使用單一的Pro E或者ANSYS軟件都很難迅速優質地完成任務。工程人員較好的選擇還是構建兩者的集成系統作為工作平臺,建立由不同軟件組成的集成系統的關鍵問題就是數據轉換接口的設置。
       
1　基于Pro E的標準漸開線直齒齒輪三維模型建立
        Pro EWildfire版本由于具有強大的參數化特征造型功能而受到企業界的一致認同。同時,該軟件與有限元分析軟件ANSYS接口較好,已成為國內應用最為廣泛的三維建模軟件。本文通過Pro E中的“參數”、“關系”、“從方程創建曲線”等高級命令創建漸開線直齒圓柱齒輪的參數化模型,具體構建過程如下。
     (1)  基本參數設置
            漸開線直齒圓柱齒輪的幾何尺寸決定于齒輪的5個基本參數,因此在齒輪建模之前,應向模型中添加基本參數。確定具體參數的分度圓直徑、基圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒寬值均設置為零,并通過齒輪幾何關系式進行計算,如表1所示。
           
      (2)   齒輪幾何尺寸關系的建立
              在齒輪關系對話框中建立如下關系
                           
       (3)  創建輪齒的漸開線曲線
              在Pro E中,可以通過極坐標、柱坐標等生成漸開線,本文采用柱坐標建立如下關系式
                             
      保存關系式后,系統將根據此關系式創建漸開線,并生成圖形。
       (4)  創建齒輪的基本實體和齒特征
              通過基準、鏡像、修剪等步驟完成齒廓特征。注意在輸入角度值時應保證復制的曲線和原曲線圍成齒廓而不是圍成齒輪,輸入角度為360 4 z,是因為在分度圓周上,齒厚和齒槽寬相等。裁去漸開線和圓弧曲線相交處多余的曲線段后,拉伸生成曲面特征,并完成基本實體的生成。
             通過齒廓曲面對齒輪的毛坯進行裁減,得到齒形。在陣列其他齒特征時,根據陣列齒數,陣列輸入角度為360 z,最后完成齒輪的其他特征,得到如圖1所示的齒輪模型。
                          

 2　直齒圓柱齒輪的ANSYS有限元分析
         將Pro E中創建好的直齒圓柱齒輪為研究對象,對該齒輪進行ANSYS有限元分析。已知該齒輪安裝在某軸上以62.8 rad s速度轉動,選用齒輪材料為45鋼調質處理,硬度HBS240,相關參數為:彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比υ=0.28。在AN-SYS有限元分析過程中,考慮到齒輪齒形的復雜程度、精度要求以及計算求解時間等實際因素,采用Solid95為有限元網格單元,并采用智能化網格劃分控制進行劃分網格,根據齒輪的工作情況其約束條件為圓心軸向和周向約束而徑向放開,討論利用ANSYS自身建模方式和模型導入方式分析齒輪在額定轉速作用下的應力狀態。
          (1)  ANSYS自身建模進行有限元分析
                在ANSYS中,根據直齒圓柱齒輪的特點,采用自下而上建模,按照從點到線、從線到面、從面到體的順序建立模型。在轉速為62.8 rad s的情況下,對齒輪進行應力分析,求得齒輪的最大徑向變形為1.019 mm,最大徑向應力為52.8 MPa。
          (2)  IGES格式轉換進行有限元分析
                IGES是一種普遍接受的中間標準格式,用來在不同的CAD和CAE系統之間交換幾何模型。AN-SYS本身內置了IGES轉換過濾器,所以它支持IGES格式文件的輸入。而在Pro E中也可以方便地將建立的PRT文件另存為IGES文件。因此,將Pro E中建立的直齒圓柱齒輪模型利用“IGES”格式導入AN-SYS后,對圖1的齒輪進行有限元分析,求得齒輪的最大徑向變形和最大徑向應力如表2所示。
                  
      　由表2知,與直接利用ANSYS建模有限元分析相比,利用IGES中間標準格式轉換進行有限元分
析,其最大徑向變形相對誤差為0.196%,最大徑向應力的相對誤差為3.5%。
        (3)  利用數據接口轉換進行有限元分析
               ANSYS軟件安裝選項中包含與Pro E軟件的接口模塊“Connection for Pro Engineer”。此模塊能將Pro E模型數據直接轉換給ANSYS,并在Pro E菜單管理器中會多出2個選項:“ANSCon Config”和“AN-SYS Geom”,這表明Pro E和ANSYS已經成功建立了接口。利用該設置可以ANSYS直接集成在Pro E之中,整個轉換過程可以在不脫離Pro E和ANSYS這2個軟件的情況下進行,從而實現了Pro E和AN-SYS的真正連接。
             在Pro E利用參數化命令建立齒輪模型,單擊“ANSYS Geom”,系統打開ANSYS,將當前齒輪模型直接導入到ANSYS中,單擊顯示體命令。定義齒輪的材料屬性和網格屬性,添加約束和轉速,進行求解。求得齒輪的最大徑向變形和最大徑向應力如表3所示。
             
            利用接口轉換進行有限元分析,其最大徑向變形相對誤差為0.098%,最大徑向應力兩者完全一致。

 3　結語
         本文使用目前最流行的版本Pro Engineer Wild-fire 2.0與ANSYS9.0做分析,以漸開線直齒圓柱齒輪為研究對象,利用Pro E進行建模,討論將圓柱齒輪導入ANSYS中的多種模型轉換方式,可以得出以下結論:
         (1)利用Pro E軟件建立了漸開線直齒圓柱齒輪的參數化設計模型,利用該模型可以創建不同參數的齒輪模型庫,方便齒輪設計人員的調用。
      （2）由表2和表3可知使用IGES格式和接口轉換方式都可以實現Pro E向ANSYS進行模型數據轉換,但是利用接口數據轉換方式得到的結果更加精確,與直接利用ANSYS建模進行有限元分析相比,其最大徑向變形相對誤差僅為0.098%,兩者的最大徑向應力值完全相同。而利用IGES標準格式轉換方式,兩者最大徑向變形相對誤差為0.196%,最大徑向應力相對誤差為3.5%
        (3)雖然利用數據接口轉換方式進行可以實現ANSYS的模型數據轉換,得到的結果比較精確,但是與直接利用ANSYS建模進行有限元分析相比,其運算時間要稍微長一點。所以,對于能直接用AN-SYS進行建模的模型來說,利用ANSYS建模直接進行有限元分析是最佳的選擇。