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1、摘要21绪论31.1弓I言31.2 CAD/CAE集成技术研究现状及发展31.2本课题的历史背景与研究内容82集成系统的设计思想与开发平台II2.1系统设计思想112.2系统开发平台123 Pro/TOOLKIT 程序设计183Pro/TOOLKIT 简介183.2 VC + 6.0编译环境的设置183.3 Pro/TOOLKIT程序设计过程213.4 Pro/TOOLKIT 程序的注册224集成系统的实现244Pro/E三维建模244.2有限元分析294.3系统菜单和界面设计324.4控件的实现385系统实例分析415阶梯轴的有限元自动分析415.2齿轮的有限元自动分析436结论与展望46致
2、谢46参考文献47基于Pro/E的CAD/CAE集成研究与开发摘要:本文研究了 Pro/E二次开发工具Pro/TOOLKIT的程序设计方法和有限元分析方法。 基于Pro/E和ANSYS软件平台，应用Pro/TOOLKIT和Visual C+程序设计语言，开发 T CAD/CAE集成系统。该系统能够根据Pro/E所建模型自动转化为CAE模型，调入 ANSYS中进行有限元分析，实现了 Pro/E和ANSYS的弱耦合集成。关键字：二次开发CAD/CAE有限元分析弱耦合集成系统Abstract The method of Pro/TOOLKIT program design and the finit
3、e element analysis is studied in this article. Using Pro/TOOLKIT and Visual C+6.0, an integrated system of CAD/CAE is developed based on Pro/E and ANSYS. The system can transform the model in Pro/E into finite element model, make the finite element analysis in ANSYS, and realize weak integration of
4、Pro/E and ANSYS.Keywords Secondary Development; CAD/CAE; Finite Element Analysis; Weak Integration; Integrated System1绪论1.1引言随着市场的全球化和用户对高性能、低成木和个性化产品的要求的不断提高，在过 去的十几年里，制造行业的竞争环境发生了巨大的变化，这些变化表现在以下几个方面: a）产品生命周期缩短；b）产品复杂性提高；c）产品个性化、多样化；d）产品质量要求 提高；e）产品成本降低；f）供货期缩短。面对这些竞争压力，制造商都在寻求新的技术和方法，以便能够：缩短产品开发周
5、 期；减少制造集中，充分利用外部资源；与供货商充分合作、集成。大量的经验和资料 研究表明，产品的开发阶段决定了产品的基本特性，这是因为:1）产品生命周期成本的75-85%在开发阶段确定，尽管只有57%的产品成本在这 一阶段发生；2）80%的约定被固定；3）70%的产品质量被确定。因此，重视产品开发过程，特别是产品开发的设计阶段，充分利用先进的CAD （Computer Aided Design,计算机辅助设计）、CAM （Computer Aided Manufacture,计算机 辅助制造）、CAE （Computer Aided Engineering,计算机辅助工程）技术和工具，建立能够
6、 贯穿产品生命周期各个阶段的统一的产品定义模型，集成企业全部资源，实现并行工程, 优化产品开发过程，成为制造商保持和提高企业竞争力的最根木的乎段。然而，现存的大多数CAD、CAM、CAE系统是针对不同应用、相互独立的，彼此 Z间缺乏相互联系，因此也称为“口动化孤岛。这些独立的孤岛不利于开发人员Z间的 信息交流和设计数据的充分共享，信息传递存在断点，必然造成大量的重复劳动和传递 的错谋。尽管H前各系统Z间可以通过标准的数据交换规范和中间介质实现数据交换， 但这种交换难以满足数据交换速度和数量的要求。因此，实现CAD/CAM/CAE技术的一 体化集成成为必要。1.2 CAD/CAE集成技术研究现状
7、及发展1.2.1 CAD技术及其发展计算机辅助设计（CAD）技术来自50年代初由美国麻省理工学院D.T.ROSS先生 开发的APT程序以来，即以其“当代十大技术革命之一”的旺盛生命力，蓬蓬勃勃发展 起来。最初,CAD技术并不是现今的Computer Aided Design所指的利用计算机辅助产 品设计及研究开发技术，而是Computer Drawing含义所指二维绘图技术。随着计算机软硕件的发展，60年代，出现了三维CAD系统，但此时，CAD技术仍 处于只能表达基本儿何信息的二维、三维线框造型的基础上，不能有效地表达儿何形体 数拯间的拓扑关系，因此也很难实现CAE及CAM技术。70年代，飞机
8、、汽车工业的 发展，提出更新设计手段的强烈要求，需求促使了 CAD技术的发展，出现了以贝塞尔 算法为理论的三维曲面造型系统，从而引发了 CAD技术的第一次革命。第一次CAD技 术革命的成功带来了产品开发模式的质的飞跃，也使计算机辅助制造CAM技术得以发 展，但是表面的模型技术只能描述形体的表面信息，并不能表达零件的质量、重心、惯 性等特性，因此也不便于实现CAD/CAE -体化研究。实际需求乂促进了实体造型技术 的诞生，由此引发了 CAD技术的第二次革命。在工业技术革命的深入开展的过程中，人们产生了将CAD、CAPP、CAM、CAQ等 需要计算机辅助参与的产品设计、工艺规程制定、加工制造及监控
9、、质量管理等一系列 工业活动集成化的想法，提出了计算机集成制造的新概念(CIMS Computer Integrated Manufacturing System) CAD技术乂发主了根本性的变革，在80年代产生了基于特征 的参数化实体造型的技术。它的特点为：基于特征，全尺寸约束、全数据相关、尺寸駆 动设计修改、其中基于特征除了具有尺寸约束的形状特征外，还加入了零件的其他特征 如精度特征、管理特征、技术特征、材料特征、装配特征等实现了 CAD/CAPP/CAM集 成必不可少的信息。参数化技术的成功应用，大大地推进了计算机辅助集成制造系统的 进程，也为其本身的发展注入了强大的生命力，使其成为CA
10、D发展进程中笫三次革命 的核心技术。高科技的发展速度，可谓日新月异。到了 90年代，SDRC公司推出了全 新体系结构的I-DEAS Master Series软件系统。该软件实现了一种比参数化造型更为先 进的实体造型技术，即变量化技术。变量化技术的出现标志着CAD技术发展中笫四次 革命的开始。它突破了参数化技术中全尺寸约束的局限，增加了形状约束，使得工程关 系也可以驱动儿何形状的改变。由前所述可知当前90年代CAD技术两大主流派技术是参数化造型技术和变量化 造型技术。这两项技术的共同点在于都是基于特征实体造型、全数据相关、尺寸駆动修 改设计，两项技术的区别在于参数化技术解决的是在尺寸全约束下的
11、儿何图形问题，表 现形式是尺寸驱动几何形状的改变；1佃变量化技术解决的是尺寸约束和工程约束下的产 品设计问题，即可实现尺寸驱动又可实现约束驱动，由工程关系驱动几何形状的改变。 另外，变量化技术在特征管理上也冇别于参数化技术，并具备VGX (Variational Geometry Extended）技术。VGX技术，使系统可在全约束或欠约束的情况下完成儿何造型，可以 拖动方式修改、编辑3D实体模型；容许形状和拓扑关系发生变化，而不仅用尺寸驱动 一种方式修改模型。两种技术的应用范围也略有区别。参数化技术主要用于稳定成熟的 零配件和改变某关键尺寸即形成系列化产品项目;变量化技术适于进行产品的概念化
12、设 计，新产品开发、老产品改形类的创新式设计研究。1.2.2 CAE技术及其发展基于CAD技术的开发，其他相关学科也迅速发展起来。首先CAD技术的诞生促进 了计算机图形学的发展，伴随着CAD三维曲面技术的出现，使计算机辅助制造得以实 现并促进了设计方法学的发展。CAD实体造型技术，乂加速了计算机辅助工程CAE的 发展，有限元数值计算方法被广泛应用，并在解决实际问题中促进了自身技术的进步。 CAD基于特征的参数化实体造型技术和变量化技术，在技术实践中不断完善，加上网络 技术的出现，使计算机集成制造系统由概念转为实际应用，在将来必会引起生产技术及 生产组织结构的大变革。CAE是以有限元数值计算方法
13、为核心，将CAD实体造型技术 运用于工程分析的技术。它经历了最初的探索发展、独立发展、专家应用等阶段，到90 年代，已发展为与CAD特征建模相结合，集成为一体的面向设计者的技术。解决的技 术问题也从弹性力学问题拓展到塑性力学问题，从静力平衡问题拓展到稳定问题、动力 问题和波动问题。分析对象从弹性材料拓展到塑性、粘塑性和复合材料；应用领域则从 固体力学拓展到流体力学、传热学各学科领域等。目前随着CAD技术的迅速发展及工 程实际的需要，CAE技术正在朝CAD/CAE/CAM/CAPP 一体化技术方向发展，相信CAD 变量化技术的推广与应用，定会影响到分析领域，实现变量化分析将为期不远，CAE技 术
14、将能更方便、快捷、高效地解决工程实际的分析问题。而随着现代设计要求的不断提 高，有限元分析软件也正朝着如下趋势不断发展：应用平台逐渐向PC发展；低端的设 计产品开始向CAD渗透，让设计工程师也可以使用；向多物理场发展；在软件应用上, 能越来越方便地构造有限元模型。相信此类软件将不断满足设计工程师的各种设计分析 需求，成为用户的得力助手，达到事功倍的效果。同时，CAE软件如何将可靠、及时的 信息传递给设计工程师，从而在设计阶段发挥应有的作用，已成为强烈的需要，用虚拟 模型替代实际物理模型，即用高度可靠的数拯模拟，是CAE的目标，也是CAE软件发 展的方向。1.2.3 CAD/CAE集成技术1.2
15、.3.1集成的概念CAD技术的迅速发展迫切要求研究集成化系统开发的关键技术。CAD/CAE/CAM集 成技术是优化CAD应用系统运行模式、提高CAD技术应用效益的关键。企业应用集成 化CAD/CAE/CAM系统后，可以大大提高产品的设计质量和精度、减少失误、缩短设计 周期、降低成本、提高生产率。一般认为，所谓集成是以提高系统整体效益为主要目标, 按照一定的哲理和方法，把有关的硬件、软件和人有机地结合起来，形成一个协同工作 的整体。在CIMS技术中，“集成有更广泛的内容，它包括信息集成、过程集成及企业 间集成等三个阶段的集成优化。其中，信息集成和过程集成代表了集成的两种不同的水 平，是集成发展的
16、阶段性标志。1.2.3.2集成的方法CAD/CAE集成的方法主要有建立公用的工程数据库和文件传输网种。而文件传输 按照最初的CAD建模时零件信息的不同储存方式，分为直接文件存储和以特征文件形 式存储两种。1) 建立公用的工程数拯库采用数拯库和图形集成技术是处理有限元软件中大量数据的有效途径。利用数据库 技术，可以使数拯的管理和传输更方便，减少数据的兀余度，并且为建立基于图形系统 的前处理和后处理系统提供了可能。用户通过图形系统交互输入有限元计算程序所需数 拯，程序通过开放数拯链接ODBC(Open Data Base Connectivity)或数据访问对彖技术 DAO(Data Access Object ),将数据定向到数据库中，各种模块均可通过内嵌的SQL查 询语言实现对数拯的访问和管理。一个CAD
