毕业设计说明书--水润滑橡胶尾轴承参数化设计Word文件下载.doc
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BasedonthesubjectofPro/Esoftwareplatform,applicationdevelopmenttools,theirsecondPro/ToolkitandVisualC++6.0programminglanguage,design,developthree-dimensionalparametricmodelingboxpartssystem.Thesystemcanshapefeaturebasedonboxpart,throughtheestablishmentofthethree-dimensionalshapefeatureparametersofthemodellibrary,theuseofShapeFeature,completeinteractivethree-dimensionalmodelofboxpart.
Keywords:
Pro/E;
MarineGearboxCabinet;
ParametricModeling;
SecondaryDevelopment;
Pro/Toolkit.
前言
经过多年的发展,CAD技术已经广泛应用于机械、电子、航天、化工、建筑等行业,起到了提高企业设计效率、优化设计方案、减轻设计人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。
三维造型设计取代二维平面设计是工程设计的趋势。
一方面,二维CAD系统对减少产品设计错误,设计更改方面有较大局限性,而且难以表达复杂形状的零件尤其是具有复杂曲面的零件。
另一方面,三维造型在可视化设计、装配设计、加工仿真以及有限元分析等方面有着平面设计无法比拟的优越性,是提高设计质量的重要手段。
因此三维CAD系统如Pro/E、UG、solidW0rks等目前己经得到了广泛的应用。
CAD系统作为设计数字化的关键平台,在设计中占据了越来越重要的地位。
在信息化的社会中,网络技术的发展和广泛应用,使信息的交流更加便捷,许多企业建立了内联网(Intranet)并连接到Internet上,CAD系统呈现集成化、网络化和分布化的发展趋势,以满足越来越多的产品设计的需求。
在实际应用中,因为用户的设计要求以及生产条件的复杂性,有时CAD软件难以完全适应,因此,在具体的CAD应用中还需要进行参数化设计,以满足用户的需求,使其更符合企业的生产设计需要。
参数化是在已有软件基础上的进一步完善和提高,使之更适合用户的要求。
参数化都是针对特定用户进行设计的,因此对用户来讲,成功地参数化设计可以大幅度提高软件的使用效率。
以交互式图形系统为主要支撑,以图形系统的用户语言为进程的控制者,以VC++6.0为系统连接及数据转换的枢纽,开发一个集参数化设计零件、交互式编辑图形、数据的系统管理为一体的基于Pro/E的机械专业软件。
目前,对常用的机械零件和标准件库进行CAD系统的二次开发是比较流行的。
轴承零件是组成机器的重要部分,是最常用的机械零件,也是机械产品中运动部件设计的支撑。
但是轴承零件的设计与绘图是十分繁琐且重复性很大的工作,传统的人工设计方法费时费力,且容易出错,设计人员将大量的时间和精力花费在一些重复性的工作上,缺乏更多的时间去进行创造性设计,导致产品开发周期长、产品质量差、市场竞争力弱等后果,然而,CAD技术推动了几乎一切领域的设计革命,对加速工程建设和缩短产品开发周期、提高产品质量、增强企业的市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。
水润滑橡胶轴承是舰船推进系统的重要组成部分,以经成为标准件之一,开发出其参数化设计系统,可极大的方便了产品的设计与开发,缩短了产品开发周期。
本文正是基于这样一种CAD软件应用现状和橡胶轴承应用的普遍性,以Pro/E为开发平台,以橡胶轴承零件为对象,进行CAD软件的参数化设计,以实现高效产品设计并满足更高层次的要求。
1绪论
1.1CAD技术的发展概述
20世纪50年代以来,人们就开始研究利用计算机来辅助工程设计。
经过几十年的发展,基于计算机图形学、以产品几何模型为核心的CAD技术已经相当成熟,并广泛用于机械、电子、汽车、航空等社会各个领域。
在CAD软件发展初期,CAD的含义仅仅是图板的替代品,即ComputerAidedDrawing(orDrafting),而非现在我们经常讨论的CAD(ComputerAidedDesign)所包含的全部内容。
CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期,以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。
早期应用较为广泛的是CAD/CAM软件,近十年来占据绘图市场主导地位的是Autodesk公司的AutoCAD软件。
在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中,二维绘图技术逐渐再向三维方向发展。
三维CAD技术在几十年的发展过程中,大致经历了四次飞跃:
曲面造型技术、实体造型技术、参数化技术、变量化技术。
1)曲面造型技术
进入70年代,正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。
飞机及汽车制造中遇到的大量自由曲面问题,随着贝赛尔算法的提出,使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作,开发出了以表面模型为特点的自由曲面造型技术,推出了三维曲面造型系统CATIA。
曲面造型系统的出现,标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来,首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息,同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础,改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式,使产品开发手段比旧的模式有了质的飞跃,新产品开发速度大幅度提高。
2)实体造型技术
随着技术的进步,计算机辅助工程分析(CAE)的需求日益高涨,CAE要求能获得形体的完整信息,由于表面模型技术只能表达形体的表面信息,而线框和曲面造型对形体的表述都不完整,则难以准确表达零件的其它特性,如质量、重心、惯性矩等。
基于对CAD/CAE/CAM一体化技术发展的研究,提出了实体造型技术。
由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达,给设计带来了惊人的方便性。
3)参数化技术
20世纪80年代中期,CAD技术的研究又有了重大进展,此时提出了参数化实体造型技术。
它的主要特点是:
基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。
参数化技术彻底克服了自由缄默的无约束状态,由尺寸决定实体造型的几何形状。
尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。
如果想修改零件形状的话,只需修改一下尺寸的数值就可以实现形状上的改变。
这种新构想最先在PTC公司(ParametricTechnologyCorp)的软件Pro/E中成为现实。
由于参数化技术的成功应用,使得它很快成为CAD业界的标准,许多软件厂商纷纷追赶。
由于计算机技术的迅猛发展,硬件成本大幅度下降,参数化技术充分体现出其在通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。
4)变量化技术
针对参数化系统的局限,提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术—变量化技术。
变量化造型技术保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点,但是在约束定义方面做了一定的改变。
变量化造型技术将所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束,而不仅仅是用尺寸来约束全部几何。
通常在新产品开发的概念设计阶段,设计者首先考虑的是设计思想及概念,并将其体现在某些几何形状之中。
但是这些几何形状严格的尺寸定位关系并不能在设计的初始阶段完全确定,所以希望在初始阶段能够允许欠尺寸约束的存在。
变量化技术为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。
随着世界经济的迅猛发展和科学技术的腾飞,市场不断国际化全球化,各行各业的竞争日益激烈。
企业要想在残酷的竞争中生存下来谋求发展,就要想方设法提高竞争力。
缩短新产品的研发和开发时间,提高产品的设计质量,降低研发成本,进行创新性设计,只有这样,才能满足市场不断变化的需求。
在这样的形势下,企业为了自身的生存和发展,增强市场竞争力,越来越多地采用CAD技术。
Pro/E软件是当前广泛使用的三维CAD软件中的典型代表,同其他CAD/CAM软件一样,针对具体企业或不同产品,Pro/E软件在使用过程中也存在着通用性有余,专用性不足的问题,特别是国外CAD/CAM软件在产品设计标准、规范及标准件库等方面和国内存在着差异,因而难以最大效益地发挥软件的功能[1]。
CAD技术最早起步于航空工业,最近几年发展很快,现已在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。
其中,以机床、汽车、飞机、船舶等应用最为广泛。
一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个阶段。
概念设计主要解决产品的造型外观,在满足功能的前提条件下,使产品外观精致美观。
详细设计是要确定产品的结构,各个零部件的结构设计,所以又称为部件设计,包括各零件的尺寸、形状和结构。
结构分析主要包括有限限元分析,将对各部件及产品整体的结构进行力学性能、热学性能的分析。
仿真模拟则主要是对产品进行装配模拟,运动机构模拟,进行干涉、碰撞分析等等。
CAD技术可以说贯穿于整个设计过程,从产品方案的选择到整机的可生产性、可维持性和可循环利用性等进行全面设计,因此在机械制造中广泛应用。
1.2本课题的研究目的与意义
尾轴承是舰船推进系统的重要组成部分,其作用是支承螺旋桨轴或尾轴。
由于螺旋桨轴悬伸布置且螺旋桨重量大,随着船舶吨位的增大,螺旋桨轴在螺旋桨重量的作用下发生挠曲,给尾轴承造成很大的边缘负荷。
另外,舰船尾轴承在工作时,除了承受尾轴和螺旋桨的自身重量以外,还要承受因螺旋桨的重量不平衡所引起的惯性力和船体变形所产生的附加力,以及当螺旋桨在不均匀流场中运转时,所产生的多种不同性质的力和力矩。
这使尾轴承处于恶劣的润滑状态,从而产生严重的摩擦,磨损,致使密封失效。
如果采用的是油润滑的尾轴承,密封失效,则油泄漏。
在一些特殊的工况下,如低速、重载、启动、停机等,恶劣的润滑状态会导致轴颈与轴承摩擦副产生噪声,影响舰船的乘坐舒适性。
这种噪声对水下航行器的危害更大,会严重威胁其安全性、隐蔽性及生存能力。
又由于尾轴承在水下工作,给检查、维修及保养带来很大的困难,故要求尾轴承有较高的使用可靠性和使用寿命。
部分舰船尾轴承使用金属材料,并以矿物油作为润滑剂,不仅耗费了大量油料和贵重金属等战略资源,而且为了防止油泄漏,需要进行密封,使其结构相当复杂,并很难解决各种摩擦副中产生的摩擦、磨损、振动、冲击、噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题,特别是因油泄漏而造成环境污染日趋严重的现状。
舰船推进系统润滑油泄漏严重污染水环境的问题,近年来已引起各国政府、企业界和学术界的密切关注,少数工业发达国家投入巨额资金先后进行其治理技术及装备的研究。
美国政府并以法律形式明确规定,禁止尾轴承以油润滑的船舶在密西西比河等内陆河流中航行,违者将处以2.5万美金以上的罚款,以保护和净化水环境。
我国渤海湾水域规定“0”污染排放,长江也提出“0”污染排放要求,中国船级社也在为“0”排放方面制定相应的标准[5]。
随着低碳经济时代的到来,“绿色船舶”的理念被推到了“聚光灯”下。
“绿色船舶”的核心内容是在其全寿命周期中,通过采用先进技术,能经济地满足用户功能和使用性能的要求,并节省资源和能源,减少或消除环境污染,且对劳动者(生产者和使用者)具有良好保护的船舶。
为了更快地推进绿色船舶的发展进程,国际海事组织(IMO)、欧盟以及各国船级社纷纷出台各种规范、标准,从制度上确保全球海洋环境或区域海洋环境尽可能地免受污染。
因此,在舰船尾管中,具有资源节约与环境友好特点的水润滑轴承取代油润滑轴承,是必然趋势。
军事领域要求水下航行器具有更高的便捷性、安全性、隐蔽性和生存能力,橡胶等高弹性材料以其优良的减振降噪,抗冲击性能而成为舰艇尾轴承瓦材料的首选。
随着船舶向大型化、高速化、轻型化方向发展,人们对船舶尾轴承的运行的可靠性,摩擦学性能,承载能力提出了更高的要求。
尾轴承作为舰船推进系统的重要组成部分,其性能的优劣直接影响舰船航行的快速性,安全性、隐蔽性及乘坐舒适性。
因此研究开发具有高比亚、低摩擦、低磨损、低噪声的水润滑尾轴承具有重要的意义。
船用尾轴承作为最重要的部件被广泛地应用于船坞行业。
但在船用轴承建模过程中,存在船用轴承的设计过程中计算繁琐,易出现设计误差,设计周期长效率低等问题。
针对以上实际应用中的问题,在船用轴承设计和生产过程中,需要大量的分析、计算、绘图工作,采用现代设计方法可彻底改变过去依靠手工绘图时的效率低、易出错等局面,使船用轴承设计人员借助计算机CAD/CAM技术可迅速、高效、准确地进行设计方案的确定、比较、分析和绘图,为生产企业以高技术、高质量、低成本占领市场提供技术保障。
目前国内外常用的CAD/CAM三维应用软件:
UG、AutoCAD、SolidWorks、Pro/E。
其中,Pro/E是应用最广泛的三维CAD软件,其功能十分强大,具有很多模块可以实现不同的功能,广泛应用于航空、航天、模具、汽车、造船、通用机械、家用电器、医疗设备和电子工业等行业。
该软件操作简便,用户界面友善,功能强大。
但是由于在Pro/E建模过程比较复杂,外型轮廓复杂,要想快速的建立模型比较困难,需要用户对Pro/E的功能十分熟悉。
由于船用轴承是非标准件,其结构型式是不固定的,不同的型号之间有较大的差别,通过改变其参数,派生出外型相同的不同尺寸要求的零件。
因此本课题将基于Pro/E软件平台,利用Pro/E提供的二次开发包工具Pro/TOOLKIT和VC++6.0程序设计语言,设计、开发船用轴承类零件三维参数化造型系统。
该系统能基于船用轴承类零件形状特征,通过建立起三维参数化船用轴承类零件模型库,通过用户方便的输入和修改参数,交互完成轴承类零件三维模型的建立。
充分发挥计算机绘图的准确和快速性,提高效率,减少重复性劳动,从而带来很大的经济效益。
2开发工具与Pro/Toolkit开发框架
2.1PRO/E二次开发的工具的选择
PTC系列中的Pro/E软件提供强大的设计、分析、制造功能的同时,也为用户提供了多种二次开发工具,常用的有:
族表(FamilyTable)、程序(Program)、用户自定义特征(UDF)、开发工具包(Pro/TOOLKIT)等。
(1)零件族表(FamilyTable)
主要针对重复性高、外形特征类似性大的零件,它可以集合共同变化的尺寸,以表(Table)为驱动来设计零件,不需要创建每一个零件。
利用族表方式产生零件,系统地管理众多相似性高的零件群,不仅分类清楚,而且可以在制作过程中提取迅速。
所以特别适用于标准零件的创建与管理,此功能常用来建立标准零件库。
(2)程序(Program)
它是由类似的高级语言构成的,用户可以根据设计需要编辑该模型的Program,使其作为一个程序来实现实体的编程建模。
结构和特征之间关系较复杂,特征之间几何关系不确定的零件可通过Pro/Program进行创建,用程序进行特征的产生和控制。
(3)用户自定义特征(UDF)
UDF是集合数个特征使其成为一个群组(Group)特征,并给予名称,完整定义该群特征的放置参考、可变更的尺寸参数等,形成为特别情况而生的独特特征,并且保存在UDF数据库(UDFLib)中,系统将UDF特征以.gph文件保存,随时调用,有利于设计者根据产品特征快速生成几何模型。
(4)开发工具包(Pro/TOOLKIT)
开发工具包是PTC公司为Pro/E软件提供的二次开发工具,可利用C、VC++等高级语言来扩充Pro/E系统的功能,开发基于Pro/E系统的应用程序模块,使用户编写的应用程序能够安全地控制和访问Pro/E,实现应用程序模块与Pro/E系统的无缝集成,还可以利用Pro/TOOLKIT提供的UI对话框、菜单以及VC++的可视化界面技术,设计出方便实用的人机交互界面,以提高系统的使用效率。
在进行三维产品设计时,还可利用设计参数来控制三维模型,实现产品设计参数化。
开发工具包Pro/TOOLKIT的功能是很强大的,不仅提供了开发Pro/E所需的函数库文件和头文件,并实现应用程序模块与Pro/E的无缝集成,能够适合更高层次的设计要求,因此我们选用开发工具包Pro/TOOLKIT进行软件的二次开发。
2.2开发语言
通常Pro/E二次开发使用的编程语言有VisualC++6.0环境下的C语言、VC++语言,VisualBasic语言。
根据课题要求,选择了采用VC++高级程序语言作为使用语言。
VisualC++6.0是面向对象的、可视化的开发工具,支持MFC类库编程,有强大的AppWizard类向导,可以方便的编写菜单和对话框等资源文件。
这对要求基于Pro/E开发出可视化界面二次开发工作来说是一个很好的开发环境。
本课题将选用Pro/E3.0作为开发平台,选用编程调试工具VisualC++6.0。
利用Pro/E自带的开发工具Pro/TOOLKIT,并且选用动态链接库(DLL)的同步模式,进行Pro/E软件的二次开发。
2.2.1Pro/Toolkit工具
Pro/Toolkit是Pro/E软件自带的二次开发工具。
在Pro/Toolkit中,PTC向用户提供了大量的C语言函数库,函数采用面向对象的风格。
通过调用这些底层函数,用户能方便而又安全地访问Pro/E的数据库及内部应用程序,进行二次开发,扩展一些特定功能。
Pro/Toolkit中,每个对象都由一个标识符来标识,利用标识符就可以调用所对应的对象,这个标识符就是对象句柄。
句柄是用来标识被应用程序所建立或使用的对象的唯一整数,Windows使用各种各样的句柄标识诸如应用程序实例、窗口、控制、位图、等对象。
句柄和指针的概念不同,句柄指一个对象的标识,是稳定不变的;
而指针是一个对象的首地址,在Windows中对象的地址是会改变的。
句柄可以看作是一个指向指针的指针。
Pro/Tookit函数命名约定为:
<
基本对象>
+<
操作对象>
+动作,动作是指对特定的Pro/Toolkit对象执行的某种操作。
常用的动作有以下几种:
Get获得,Get用来获取对象的某个数据。
这类函数的输入是基本数据对象,输出是基本数据对象的某一信息。
Set设置,Set用来设置对象的数据值。
它也是以基本数据对象作为输入,并输入需要设置的变量的值。
Visit访问,Visit函数用来访问数据对象内的一组数据集合,如访问Pro/E零件模型的特征。
这类函数的输入参数通常是要被访问的数据对象以及访问的动作函数和过滤函数。
所谓的访问过滤函数就是在访问的过程中对数据进行过滤,把不满足条件的对象去除掉;
访问动作函数对经过滤的对象进行处理。
例如在访问模型特征时,可以设置过滤函数过滤掉那些隐含的特征和隐藏的特征,留下那些没有被隐含的特征和隐藏的特征。
动作函数只处理一些没有被过滤的对象,如获得一些特征的类型或者名称[11]。
2.2.2VisualC++简介
C++是一种面向对象的程序设计语言,是在C语言的基础上发展而来的,所以其语言保留了很多非面向对象的语言特性,及支持原有编程风格和编程模式。
在C++中,面向对象程序设计的基本特点如下:
(l)抽象
面向对象方法中的抽象是指对具体问题(对象)进行概括,抽出一类对象公共性质并加以描述。
一般来讲,对一个问题的抽象应该包括两个方面:
数据抽象和代码抽象。
前者描述某类对象的属性和状态,后者描述某类对象公共行为特征。
这样对于一个具体问题进行抽象分析的结果,就是通过类来描述和实现的。
(2)封装
将抽象得到的数据和代码相结合,形成一个有机的整体,也就是将数据与操作数据的行为进行有机的结合,这就是封装。
通过封装,将一部分成员作为类与外部接口,将其他的成员隐蔽起来,以达到对数据访问权限权的合理控制,使程序中不同部分之间的相互影响减少到最低限度.这样可以增强程序的安全性并简化程序的编写工作。
(3)继承
继承是一种方法,C++语言提供了一种继承机制,即新的类可以从己有类那里得到自己的特性,这样程序员可以在保持原有类特性的基础上,进行更具体、更详细的修改和扩充。
这种继承机制对于己有程序的发展和改进是极为有利的。
(4)多态
多态是指类中具有相似功能的不同函数使用同一名称来实现。
单一接口、多种方法是多态的形象描述。
在C++中,通过重载等技术,程序员能够创建具有相同名字,不同实现方法的函数等[17]。
VisualC++自诞生以来,一直是Windows环境下最主要的应用开发系统之一。
VisualC++不仅是C++语言的集成开发环境,而且与Win32紧密相连,所以,利用VisualC++开发系统可以完成各种各样的应用程序开发,从底层软件直到上层直接面向用户的软件。
而且,VisualC++强大的调试功能也为大型软件的开发提供了有效的排错手段。
近几年来可视化技术得到了广泛的重视。
所谓可视化技术,一般是软件开发阶段的可视化和对计算机图形技术和方法的应用。
Visua1C++6.0是一个很好的可视化编程工具,使用VisualC++6.0环境来开发基于Windows的应用程序大大缩短了开发时间,而且它的友好界面便于程序员操作。
在VisualC++6.0环境下开发Pro/Toolkit应用程序是一种高效的方法。
2.3PRO/TOOLIKT二次开发框架
2.3.1Pro/Toolkit的工作模式
二次开发工具Pro/Toolkit有同步(SynchronousMode)和异步(AsynchronousMode)两种工作模式。
1)同步模式
同步模式包括两种模式,动态连接库(DynamicLinkLibrary,DLL)模式和多线程模式(MultiProcessMode)。
Pro/TOOLKIT应用程序集成到Pro/E中的标准方法是使用动态连接库。
当编译C源代码并将其与Pro
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