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2024年3月28日发(作者:deborah)
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第29卷第5期 武汉理工大学学报・信息与管理工程版
Vo1.29 No.5
2007年5月 JOURNAL OF wUT(INFORMATION 垦 垦 垦 垦垦
Mav 2007
文章编号:1007—144X(2007)05—0043—04
ANSYS及SolidWorks在模具设计中的集成与应用
计三有,袁华
(武汉理工大学物流工程学院,湖北武汉430063)
摘要:以SolidWo ̄s软件为平台,将以SolidWo ̄s、VB及Access结合建立的模具标准件库与可以方便地对
所设计的模具结构进行仿真分析及有限元分析的Ansys相结合,形成一种进行模具的动态设计和优化的
CAD/CAE模具设计集成环境。该环境和方法对模具结构设计分析具有先进性和经济性,而且方便灵活,大
幅度降低设计周期,提高产品设计水平,对SolidWo ̄s等CAD的二次开发具有重要借鉴意义。阐述了用所集
成的环境在模具结构设计和分析过程中的一般应用形式。
关键词:模具设计;仿真分析;集成环境
中图法分类号:TP202 文献标识码:A
模具行业是国家工业发展的重要基础行业,
的CAD软件SolidWorks可直接进行三维实体设
各种先进技术首先应用于模具行业,CAD/CAE
计,其强大的特征建模技术可以迅速捕捉对象,生
技术作为一项重要的技术手段,正越来越广泛地
成产品几何模型,并能对建立的实体模型自动进
在模具行业得以应用。但是,目前模具设计方法
行有限元网格的划分,将划分好的模型输出到有
在很大程度上取决于设计人员的经验,还没有非
限元分析软件。而ANSYS软件是集结构、热、流
常成熟的针对不同类型模具的CAD设计分析系 体和电磁于一体的大型通用有限元分析软件,可
统,特别是进行模具设计时,比较少地考虑物理描
提供有限元计算的优异分析功能,能获得良好的
述和力学模型的构建,致使一些关键零部件的刚
计算精度,且可与SolidWorks集成在一起 J。
强度分析和变形的计算,以及温度场和应力等方
模具设计分析环境如图1所示。这是一个可
面的仿真分析难以进行和实现,因此往往使设计
以进行挤压模具或其他类型模具设计以及仿真分
偏于保守,致使产品重量大、成本高,也势必影响 析的集成环境,主体或平台是SolidWorks软件;通
设计的质量。笔者针对目前模具设计分析的现状
过数据库与SolidWorks软件所绘制模型的结合
及存在的问题,对模具设计环境的集成创新做了
(用VB编程)产生模具标准件库,该库可以嵌人
有价值的探讨,有效地解决了模具设计专业CAD
平台之中。进行模具设计时,首先在平台本身或
软件开发的巨大成本与传统设计方法保守、周期 ANSYS中设计出主要的或关键的零件,如型腔
长、质量差和成功率低的矛盾¨J。
等,或在其他CAD环境中设计后导人其中。设计
1 SolidWorks等软件与模具设计分析
笔者基于SolidWorks软件平台,不具体开发
模具CAD系统,而是论证如何通过VB、ANSYS
等软件在该平台上的综合应用,来设计和改进模
具结构和零件模型。通过选用不同模具组件的结
构形状,实现模具的优化设计,以达到保证设计质
量,加快设计速度的目的。随着各种先进计算机
辅助设计软件的推广应用,采用功能强大的CAD
及CAE软件对模具结构进行设计分析已成为可
图1模具设计分析环境
能,可以大幅度提高设计质量和效率。目前先进
收稿日期:2006—12—26.
作者简介:计三有(1963一),武汉理工大学物流工程学院副教授,博士
基金项目:河北省科技攻关资助项目(06212141).
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武汉理工大学学报・信息与管理工程版 2007年5月
过程中平台与ANSYS是互动和交叉进行的,即在
模具设计的同时,DesignSpace可以方便地实现与
DesignModeler以及SolidWorks软件的双向数据传
递和链接;可以方便地在CAD设计一CAE分析一
CAD模型是来自SolidWorks本身或其他
CAD软件的模型。SolidWorks提供各种3D软件
数据接口格式,其中包括Iges、Vdafs、Step、Paraso1.
id、Sat、STL、MDT、UGH、Pm/E、SolidEdge和In-
改进CAD设计一再次CAE分析等的循环中,不
断变更完善模具产品。关键零件设计基本完成
ventor等。SolidWorks提供特征识别的功能,它可
以对其他软件的数据进行分析,自动生成其可以
后,即可以比较轻松地开始调用标准件库中的相
关零件,有步骤地进行模具的装配。与此同时,也
可以随时与ANSYS进行互动和交叉,对所做的设
计进行检验、更改和完善。
2模具设计分析环境集成
2.1模具设计分析环境集成原理
模具设计分析环境集成的原理如图2所示。
环境主要由6个部分组成,分别给予编号1、2、3、
4、5、6。下面说明每个部分的功能及其相互之间
的关系 ]。
图2模具设计分析集成原理示意图
标准件库是模具标准件动态数据库。针对某
种模具,如挤压模具,模具组件可分为凸模组件、
凹模组件、顶出组件和预应力组件等,每一组件又
分为多个零件,每个零件又有不同的尺寸。如果
每次在进行模具的设计中对每一个零件都进行重
新设计和建模,那肯定是不合乎现代设计原则的,
也是非常不划算的。可以利用SolidWorks软件本
身提供的API接口,开发一个模具标准件库,可为
装配设计及分析提供很大的方便。通过编程建立
模具标准件的动态链接库,并嵌入SolidWorks环
境中,在进行模具的设计时就可以非常方便地调
用,即可以准确快速地挑选出所需零件。将模具
组成的所有类型零件建立模型并与相应的数据库
关联后,就会形成一个比较大的模具标准件动态
数据库。通过在SolidWorks进行设置就会出现所
建立的模具动态链接库,它是一个级连菜单,下面
依次是部件、零件,而零件根据数据库的数据不同
又有尺寸和大小的不同。
识别的特征,并可进行编辑和修改。这样对于有
些零件就可以灵活地从其他地方嵌入,也方便设
计的协同合作。
CAD设计是作为模具设计分析集成环境的
主体。它的作用非常关键,是进行模具设计和分
析处理的中心,ANSYS的几个模块可以集成其
中,前面提到的模具标准件库也可以嵌入其中。
ANSYS快捷分析工具箱包括有几何建模工
具Modeler、专业分析模块Space和优化设计模块
Explorer,在设计阶段直接引入CAE仿真分析,发
现问题,提出修正建议,返回设计部修改设计,再
进行分析。这个过程在虚拟设计环境中持续循
环,直到满意为止,并在最后进行模具物理样机的
试验验证。而DesignModeler模块将提供新的
CAD/CAE解决方案,可以直接创建或无缝导入
CAD模型,并进行修补,使之适应仿真需求。通
过Modeler可以方便地将模具CAD模型直接转化
到ANSYS分析软件当中进行仿真分析。在模具
设计阶段,对3D CAD中生成的模型(包括零件和
装配件)进行应力变形分析、热及热应力耦合分
析、振动分析和形状优化,同时可对不同的工况进
行对比分析。
2.2在集成环境中各软件的主要作用
2.2.1 SolidWorks的作用
建立模具标准零件库、提供模具产品设计分
析环境,以及模具设计分析等软件的接口。
SolidWorks软件提供了功能强大的API接
口,可以很方便地进行二次开发。曲面设计功能
对三维实体造型尤为重要,SolidWorks提供了众
多的曲面创建命令,同时还提供了多个高级曲面
处理和过渡的功能,如混合过渡、剪裁、延伸和缝
合等,而且是完全参数化的,可以快捷而方便地设
计出具有任意复杂外形的产品。
2.2.2 Access数据库的作用
Access数据库的主要作用是保存用Solid-
Works建立的模型数据来建立模具标准件数据
库,在进行模具设计和分析时即可方便快速地调
出已经建立的模具零件模型。
在模具装配设计中,要用到数目众多的标准
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第29卷第5期 计三有,等:ANSYS及SolidWo ̄s在模具设计中的集成与应用
件,如模架、螺栓、螺母、键、导柱和导套等,但
SolidWorks本身不带有国家标准零件库,在用到
标准件时需要设计人员重新建模,这就造成了时
间和精力上的浪费。对某种具体模具,首先分析
模具结构的初步分析,按类分别在SolidWorks中
绘制出所有不同类型的零件模型。由于模具一般
都由很多零件组成,因而对每种类型的零件都要
进行模型的绘制。这虽需要比较长的时间来完成
这一工作,但一旦完成后,以后进行这一大类的模
模具零件手册中有关标准件的数据,利用VB的
默认数据库Access为模具标准件建立数据库。每
一
个数据库由数据表组成,以存放不同类型的标准
具设计就会大大提高其效率 。
(3)建立模具标准件数据库。在建立零件模
型的同时,按照零件特定的参数建立相应的数据
库表,以便在以后的模具设计中直接从标准件库
件数据,如模架参数数据库,导套参数数据库等。
为节省资源,可以把形式不同但数据构成类似且数
据大部分相同的标准件数据放入同一数据表中,如
螺栓GB5782、GB5783、GB29.1、GB31.1和GB32.1
螺栓参数放在一个数据表中。在数据库建成后,可
以在应用程序中通过数据控件与特定的数据表链
接起来。当然,数据库中的参数与用SolidWorks软
件绘图时所采用的参数是对应的。
2.2.3 VB的作用
SolidWorks的API(application programming
interface)应用编程接口,是一个基于OLE Auto—
mmion的编程接口,其中包含了数以百计的功能
函数。这些函数提供了程序员直接访问Solid.
Works的能力,可以被VB、C/C++等编程语言调
用,从而可以很方便地对SolidWorks进行二次开
发。采用VB作为开发工具,根据具体模具的特
点和结构构成,开发和建立模具的动态链接库,将
用SolidWorks构造的模具零件模型与用数据库保
持的数据对应起来,以便在模具的设计分析时直
接在SolidWorks软件中调出。
2.2.4 ANSYS的作用
ANSYS DesignSpace可集成于主流CAD软件
之中,ANSYS和SolidWorks有相同的双向模型传
递和双向的参数传递功能。完成数据传递后,即
可完成某种特定的分析。双向的参数传递,可大
大降低设计的迭代次数,加快设计进程。ANSYS
快捷分析工具箱与SolidWorks无缝结合,使CAE
分析技术对模具产品设计开发的各个阶段发挥很
大的作用 j。
3 集成环境中模具设计分析主要流程
3.1设计前准备工作
(1)分析模具大致结构和类型,确定模具的
几个主要组件和基本零件。模具组件大致可分为
凸模组件、凹模组件、顶出组件、预应力组件等,
每个组件又是由至少一个或多个零件组成的,可
以预先列出分级清单,以明细表来清楚表示。
(2)在SolidWorks中建立模型。依据对挤压
中调出。建立该标准件数据库的目的不只是为某
一
次具体设计工作做准备,而是为同类模具甚至
其他类模具的设计奠定模型基础,对提高模具的
设计速度和质量具有非常重要的意义。
(4)在VB环境中建立挤压模具标准件动态
链接库。在做好前期(1)、(2)、(3)项工作的基础
上,就可以开始在VB中编程建立挤压模具的标
准件库。该库按照组件、零件的分类进行组织。
这一工作也比较占用时间,因为要对每一类型的
零件进行编程,当然,每一类型的编程方法基本一
样,所以也是比较容易的,一旦完成以后,设计该
类模具调用标准件就方便了。
3.2挤压模具设计分析
3.2.1模具关键零部件的设计
对于模具而言,合理的设计应该确保在反复
的复杂应力作用及高温或腐蚀等恶劣环境下,使
模具尤其是型腔精确地保持形状和精度。对挤压
模具而言,最关键零部件是凸模与凹模的型腔,因
此,应该首先对它进行设计。其设计一般是在
SolidWorks环境中进行,与ANSYS相配合,也可
以直接在ANSYS环境中进行。ANSYS DesignS—
pace集成于SolidWorks之中,在模具设计的前期
对设计方案进行反复的分析、评估和优化,进而减
小设计周期和设计成本。
3.2.2装配分析
从模具标准件数据库中依次调入相宜的标准
件模型或从其他系统中调入有关模型,与基本设
计好的主要部件配合及装配。建立的模具组件库
供设计时选择使用,在模具设计中可以选择不同
零件或组件结构的任意一种形状。运用ANSYS
非线性有限元模块,对不同设计参数的模具零件
的力学或热学等性能进行仿真分析,考察设计参
数对模具结构、精度及工作性能的影响,通过AN.
SYS仿真分析,能获得较优的设计参数。
3.2.3模具的优化设计
进行模具设计时,应考虑物理描述和力学模
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型的构建。对于板料冲压模具而言,可以认为模
具为刚体,模具的运动可直接作为冲压系统的位
移边界条件。将冲压过程的物理模型转化为力学
模型,即动量方程、边界条件和初始条件。它可描
述为:在给定的模具位移条件下,求得板料的位移
(3)提出的集成环境从方案的论证、设计的
进行到仿真分析的检验,以及设计与检验的双向
互动可以得到充分实现。
(4)在所从事的科研项目,尤其是机械设计
方面的项目上,按照笔者所提出的设计环境做了
很多有益的尝试。实践证明,该环境和方法具有
函数,并在任意时刻同时满足动量方程、边界条件
和初始条件。可采用有限元的方法进行求解这一
简化了的一般性的力学问题。而且不同类型的模
具,其模型一般也不同,比如,在锻压过程中往往
考虑模具的变形,单元采用实体单元,材料在多数
情况下经历较大的温度变化,为热塑性材料。热
塑性材料通过列表给定不同温度下的材料性质。
在多数锻压分析中,随着金属件成形过程的继续,
先进性、经济性,而且方便灵活,可以大幅度缩短
产品的设计周期,并且能够在满足设计要求的前
提下,提高产品的设计水平,从而保证设计的成功
率,因此该方法具有较好的应用前景。
参考文献:
[1]王定标,郭茶秀.CAD/CAE/CAM技术与应用[M].
北京:化学工业出版社,2005.
初始网格的变形逐渐加大,将导致单元精度降低
甚至发生畸变,因此必须使用网格重新划分功能。
当然应该注意的是一定要简化模型,即忽略
零件或装配中的细节。在进行有限元网格划分
前,常常将零部件上的一些细节特征做压缩处理,
[2] 江洪,杨勇,乔兰东.SolidWorks实例解析——
曲线、曲面、仿真、渲染[M].北京:机械工业出版
社。2005.
在不影响计算精度的情况下,应尽量采用板、梁单
元,这是比较科学经济的方法。
[3] SolidWorks公司.SolidWorksApi二次开发[M].生信
实公司,译.北京:机械工业出版社,2005.
[4] 肖详芷.模具CAD/CAE/CAM[M].北京:电子工业
出版社,2004.
4结论
[5]夸克工作室.精通SolidWorks[M].北京:中国青年
出版社,2001.
(1)形成模具标准件数据库,与强大的仿真
分析工具ANSYS相结合,为模具的设计提供了比
较完整的计算机辅助设计手段,减少重复设计。
(2)该环境集成的方法也是对SolidWorks专
业化应用的开拓与实践,比专业的CAD系统的开
发成本低,对SolidWorks等CAD的二次开发具有
[6] 刘 毅,辛选荣.SolidWorks平台下的挤压模具
CAD系统[EB/OL].[2006—12—26].http://www.
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[7]刘玲,周旭东.模具CAD/CAE/CAM的发展和展
望[J].机械研究与应用,2004(7):13—15.
重要借鉴意义。
Integration and Application of ANSYS and SolidWorks in
Designing and Analyzing Mould
)l Sanyou。YUAN Hua
Abstract:A mould standard parts library is constructed by integration of SolidWorks,V B and Access on the
platform of SolidWorks software,which provides a convenient way of simulating analysis of mould structure.
Thus,an integrated CAD/CAE mould design environment that has functions of dynamic desin gand optimization
is established.This methodology is advanced,economic and feasible,which shortens desin~gcycle dramatically,
improves products desin and ofgfers an important reference for the secondary development of CAD.A generl a
application mode is discussed on desinigng and analyzing process by using this integrated environment.
Key words:mould desin;sigmulating analysis;integrated envionmentr
JI Sanyou:Assoc.Prof.;School of I ̄gistics Engineering,WUT,Wuhan 430063,China.
[编辑:李道文]
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