截面控制草图与仿工艺性流程在机械零部件三维设计中的应用

一、截面草图控制的概念

1.零部件截面草图――结构的骨架

零部件的实体建模基本命令首先是绘制一截面形状，然后对此拉伸、旋转、扫描或放样形成基本特征，以此多次实体叠加或求差形成零件基体，增加附属特征形成零件。大型零件的基本特征一般在几十至几百个，如果每个特征之间没有一定的关系，修改零件尺寸将涉及所有相关特征尺寸的一一修改，这将使设计尺寸变更变得极其困难并极易引起混乱，那么，用什么方式控制所有的基本特征有序地变化呢？

由此引入截面草图控制的概念，用二张或多张不同方向的零部件草图控制所有基体特征的草图和特征起止点，并使各特征之间完全独立，这样便形成零部件草图的完全控制。形象地说，以零部件截面草图为骨架、以基本特征为肌肉、以附属特征（圆角、道角等）为皮毛形成零部件，由此建立特征之间有序的连结关系。

2.零部件截面草图≈零部件视图

零部件截面草图与视图极为相似，由于它只表达截面形状和起止点，无须表达过渡形状及实体相贯线，所以它是视图的简化。又由于大多是同一方向视图的合成，所以它有可能是多张视图的整合。当然，截面草图平面有方向要求、草图有约束要求，这也是它们的不同点。

零部件截面草图约等于零部件视图，这与传统二维设计紧密结合。完全是基于这一点，且由于它符合设计习惯，客观上起到了参数化设计界面的人机对话界面的作用，为这一方法带来强大的生命力。

二、大型铸件的设计

按设计流程、方法和实例依次介绍进行描述。

1.设计流程

参考工艺制造过程，按以下顺序建模。

①截面控制草图；②铸件基本体；③凸台、孔腔；④加强筋；⑤铸造圆角；⑥机架工；⑦连接孔；⑧力学仿真。

2.设计方法

（1）截面控制草图。

控制实体的多张草图，按实际零件确定方向、张数，推荐使用绝对坐标系平面。为避免尺寸重复输入，草图之间添加线段的几何约束关系，并以结构树前面的草图尺寸为准。草图的绘制一般在实体设计中逐步添加、完善。实体中各特征草图引用其中部分线段生成。

（2）铸件基本体。

基本体特征一般由拉伸命令生成，草图平面一般为绝对坐标系平面，草图由控制草图转换生成，拉伸起止点为控制草图点或草图平面，特殊情况下允许采用成形到下一面。特征之间相互独立，由控制草图完全控制。

（3）凸台和孔腔。

凸台由拉伸命令生成，孔腔一般由实体拉伸后自然生成，装配孔一般有加工圆面和铸造圆面，推荐使用子午面草图旋转切割生成。

（4）加强筋。

考虑视图生成时筋的不剖问题，加强筋一般需采用筋特征命令生成。由于定义筋草图平面不能为实体表面，四面接触的筋需对基体进行切割、填充的特殊处理。另外，筋特征的镜像应单独进行，不能采用实体镜像，否则视图剖视时筋不能完成。

（5）铸造圆角和斜面。

铸造圆角很多，推荐采用先立后平、先大后小的特征次序。铸造斜面可用拔模特征生成，它特别适用于具有复杂边界的斜面。

（6）机加工。

一般为拉伸、旋转切割，受截面控制草图控制。

（7）连接孔。

一般为底部螺纹孔、销孔，底部螺纹孔位置推荐为视图草图控制，孔特征由异型孔向导生成，同种规格的孔由草图阵列生成，便于螺栓自动装配。

（8）力学仿真。

①简化模型：在完成实体模型的基础上，保留主要的受力实体，忽略、压缩连接孔等细小特征，取消内力较小的凸台、倒角和圆角，以便于单元自动划分，缩小单元规模。

②单元网格划分：对简化模型进行自动实体单元划分，一般按系统推荐单元大小进行，精度不够或划分失败时，扩大单元规模再次划分。③边界处理：边界处理是建模的关键之处，受力大小和作用点除按设计载荷外，还要考虑受力处引起的高应力影响，一般要做平均化处理，避免人为的高应力。约束除限制弹性体的刚体运动外，还要考虑正确的模拟弹性变形，避免人为的多余约束。④计算并分析结果：结果是否正确要进行分析，首先变形后弹性体连续，其次变形分布规律正确，最后应力与经验估计相符。

三、设计实例

1.万吨压机上横梁

（1）结构特点。

上横梁大致为箱形梁结构，可分为上下箱盖、中间筋板及起吊柱，建模特征构成划分为基本轮廓、空腔、凸台、加强筋与铸造圆角、机架工和连接孔五个部分，如图1所示。

（2）设计流程。

①绘制三个方向上的截面控制草图，考虑结构的对称性，建立1/4的实体模型并镜像生成，实体建模顺序参考铸造木模的制造过程依次生成。先建立上下盖板的前视方向上草图，其线段均为前视截面控制草图部分线段的参考引用，再拉伸生成上下盖板，拉伸起止点为俯视截面控制草图的对应点，然后拉伸生成中间实体，旋转切割生成中间油缸、侧边油缸，拉伸切割生成侧部空腔、工艺孔，用筋命令生成加强筋，旋转生成起吊柱，镜像生成零件基本体，在此基础上完成加强筋、铸造圆角等特征。②拉伸切割生成机架工的键槽、拉柱、配合面，最后用异型孔向导生成连接螺纹孔。③实体建模完成后，进行力学仿真，首先压缩细小特征螺纹孔，忽略低应力区的键槽、拉柱孔以简化模型，其次加入设计载荷和约束，自动划分有限元网格，最后计算变形、内力并进行承载能力分析（图2）。

2.穿孔机机架

（1）结构特点。

机架为整体铸造结构，由牌坊、上下箱体和各种凸台组成。建模过程分块制作，最后进行力学仿真，如图3所示。

（2）设计流程。

首先完成牌坊的侧视、俯视控制草图，生成牌坊各个特征，组合为牌坊整体，然后生成上下箱体、各种凸台，最后进行力学仿真，如图4所示。

四、大型焊件的设计

按板焊件和型钢焊件介绍。

1.板焊件的设计

（1）设计流程。

参考工艺制造过程，按以下顺序建模。

①装配控制草图；②骨架零件；③辅助零件；④加强板、吊耳等；⑤机加工；⑥连接孔。

（2）设计方法。

1）自顶向下为主的设计方法。

首先绘制装配控制草图，它类似于装配体视图，包括钢板零件的主要尺寸和装配位置。在装配体环境下建立零件，引用控制草图的部分线段建立零件草图，拉伸草图成为零件，拉伸起止点由控制草图确定，这样实现装配控制草图对零件主要尺寸的控制，其标准件和子焊件采用自底向上的方法装入。

2）钢板零件尺寸的控制。

钢板零件的主要尺寸、配合尺寸由装配控制草图完全决定，焊接坡口、角部焊接的开口等局部尺寸由零件内部决定。

3）焊接坡口的显示。

钢板零件可建立是否带坡口两种配置，装配时不带坡口，以避免装配体工程图中大量多余边线的出现。

4）机加工。

焊后加工部分，若只在装配体中表达、零件中无体现，则用装配体特征建模。若零件中进行预切割，需要在零件中表达，在零件中建模，后者是否由装配体控制草图决定视具体情况确定。

5）连接孔。

一般为底部螺纹孔，推荐由异型孔向导生成，同种规格的孔由草图阵列生成，便于螺栓自动装配。

6）力学仿真。

简化实体模型，自动单元网格划分，酌情边界处理，计算并分析结果。

2.轧管机上横梁的设计

（1）结构特点。

上横梁由几十个零件焊接组成，主要零件为前后钢板、上下钢块和各种支撑板、连接板，以安装轧辊、承受轧制力，如图5所示。

（2）设计流程。

首先完成主要零件的设计，其次完成轧辊支撑板、各种连接板、加强板的设计，最后进行力学仿真，如图6所示。

3.型钢焊件的设计

（1）设计流程。

参考工艺制造过程，按以下顺序建模。

①型钢空间布置草图；②型钢段的装入；③接头处理；④加强板、底板等；⑤机架工；⑥连接孔。

（2）设计方法。

1）型钢空间布置草图。

采用3D草图建立，布置线为圆钢的轴线、角钢的直角点边线、方钢的中心线、工字钢的中心线或底部对称点线。

2）型钢段的装入。

型钢形式和尺寸在企业定制的型钢库中选择，布置线与型钢的重合点、方向可做一定调整，长度由空间布置线自动确定，断面尺寸相同、长度不同的钢段一般在一个命令中完成。

3）接头处理。

型钢段的接头可相互切割，也可斜边对接，或规定焊缝，即可在型钢装入时确定，也可在装入后确定。

4）加强板和底板等。

角板、封口板可直接加入，其余钢板处理同一般特征。

5）焊后加工。

按零件的切割特征处理。

6）连接孔。

一般为螺栓孔，与板焊件相同。连接孔上下部分的其中一侧孔推荐由异型孔向导生成，同种规格的孔由草图阵列或其他阵列命令生成，以便于螺栓自动装配。

7）力学仿真。

用焊接模块设计的型钢类零部件自动采用杆梁类单元处理，载荷和约束一般加在节点上，单元截面参数自动处理，各段需进行杆或梁定义，节点及连接杆梁需进行检查，约束不仅保证结构不做刚体运动，还需保证结构为稳定结构（静定或超静定结构）。

4.起重机吊架的设计

（1）结构特点。

吊架为起重机大梁和司机室的连接装置，由角钢、圆钢、槽缸、钢板焊接而成，如图7所示。

（2）设计流程。

首先绘制型钢的空间布置草图，然后定义主要型钢各段截面、辅助型钢各段界面，然后进行接头处理，建立钢板零件、机加工，最后进行力学仿真，如图8所示。

五、机加工件的设计

1.设计流程

① 基本体控制草图； ② 基本实体（ 坯料或基本外形）；③机加工；④螺纹孔；⑤倒角、圆角；⑥力学仿真。

2.设计方法

（1）基本体控制草图。

回转类零件的子午面，通过截面控制草图，锻造类零件通过主要截面或形状控制草图。

（2）基本实体。

通过旋转、拉伸和放样及它们的组合完成基本外形。

（3）倒角、圆角。

一般用特征命令生成，不建议在草图中出现。

（4）机加工。

开孔、键槽、齿型、油孔和退刀槽型等，一般按局部特征处理，不受基本体草图控制，若特征草图相同，位置不同，应避免重复输入，用派生草图处理。

（5）螺纹孔。

建议用异型孔向导打孔，同种规格的孔用圆周阵列或草图阵列命令生成，为螺栓的自动装配打下基础。

（6）力学仿真。

机加工类零部件采用实体模型分析，方法方式和铸件相同。

3.轴的设计

（1）结构特点。

典型的传动轴、传递齿轮运动，包括键槽、倒角、圆角、退刀槽和螺纹孔等特征，如图9所示。

（2）设计流程。

建立子午面控制草图，选装生成基本体，建立退刀槽、键槽和连接孔，最后进行力学仿真，如图10所示。

六、特殊形状系列锻件的设计

1.设计流程

① 基本体控制草图； ② 基本实体（ 坯料或基本外形）；③机加工和附属特征；④系列尺寸变量名修改；⑤配置特定的文件属性的定义；⑥系列表生成；⑦系列表内容编辑；⑧各配置生成和检查；⑨力学仿真。

2.设计方法

（1）基本零部件。

建立系列零件之一的全部特征，方法与机加工件相同。系列部件之一的所有零件和配合，其中所属零件中应包含所有的尺寸规格和全部配置。

（2）尺寸变量名修改。

尺寸变量名易于交流，应有一定的含义，或与规范、样本的尺寸名称相符。尺寸变量包括草图、特征、配合的尺寸。

（3）配置特定的文件属性的定义。

文件属性在自定义和配置特定同时存在的情况下，配置优先。对系列零部件而言，各配置应定义规格名称、重量和材料等属性。对外购件或简化标准件，由于实际重量与模型重量不符，还应再修改软件内部变量“SW_Mass”，即赋值质量，不仅保证明细表重量正确，也保证装配体重量求和正确。

（4）系列表生成。

插入空的设计表，选择需要的尺寸变量或部件所属零件配置。

逐一定义配置名称，和对应的尺寸大小、零件规格。

（6）各配置生成和检查。

系列表完成后自动生成配置，逐一核对检查各配置尺寸规格。

（7）力学仿真。

与机加工件相同。

3.系列吊钩的设计

（1）结构特点。

该件属于典型锻件，吊钩横断面有严格要求，如图11所示。

（2）设计流程。

建立正视方向的截面控制草图、各横断面草图，旋转生成钩柄，放样生成钩体，然后拉伸生成锁口、钩孔等特征，最后进行仿真，如图12所示。

七、结语

本文所列举实例从使用效果来看，设计方法简单可靠，设计流程一目了然，尺寸变更除个别附属特征（如铸造圆角）外，其余均可顺利更新。该方法的推广与普及，必将使企业三维设计水平跃上一个新台阶。