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船舶运动部件的参数化设计及工程图处理

一、引言

目前，我国船舶制造业中的结构设计组成部分正随着制造业信息化和智能化的发展方向，朝着利用计算机进行辅助设计、辅助分析的方向进步。三维设计因其能直接表达设计者的意图、缩短设计环节和提高设计效率，在产品设计制造中发挥着越来越重要的作用。但在机械设计的工程图样中有许多比较复杂、与三维模型的真实投影结果不相符的机械工程图表达的人为规定，这需要在利用软件自动生成图样的基础上做进一步的修饰，以符合机械设计国家标准的相关规定。而利用一个软件的自身功能自动解决，则相当困难。

二、船舶零部件设计的行业背景

滚子链链轮是船舶运动部件中常见的零件之一。图1为在Inventor中制作的船舶水下牵引装置传动箱模型图，其中主要通过齿轮传动和链轮联动来实现相关运动的传递。在船舶舷外机械装置相关结构中，对机械零件材料的性能要求相对比较高，既要求结构强度高、耐海水腐蚀，又要求重量轻，这就对设计者提出了较高的要求。一般情况下的设计流程是：预选一种高强度、耐海水腐蚀的不锈钢材料，然后在相关三维CAD软件中建立相关模型，然后在CAE软件中进行各种分析，将分析结果反馈到三维CAD中，进行相应调整，最后出二维工程图下车间进行加工制造。目前，二维工程图在船舶制造企业的零部件生产制造流程中是被普遍使用的，在链轮及齿轮的机械工程图样中，国家标准中有许多表达上的人为规定。本文基于Inventor软件提供了一种滚子链链轮参数化建模及工程图模版的制作过程，使绞盘用户在实际设计中只需根据不同工况改变链轮参数，三维模型和工程图就可以自动根据链轮的参数变化进行调整，达到快速生成加工图样的目的，同时也可以让设计者使用源模型进行后续的CAE分析工作，根据分析结果调整相关参数，快速地反映到工程图样上。这样，从设计的角度可以极大地提高设计者的工作效率。

图1 牵引装置传动箱模型图

三、Inventor参数化设计与建模

1.链轮的齿槽形状

滚子链与链轮的啮合属于非共轭啮合，其链轮齿形的设计可以有较大的灵活性。在GB/T中，规定了最大和最小的齿槽形状，而实际的齿槽形状取决于刀具和加工方法，并要处于最小和最大齿侧圆弧半径之间。目前比较通用的"三圆弧-直线"齿形符合上述规定的齿槽形状范围，如图2所示。本文就以该齿形为例，介绍链轮的建模过程。

图2 “三圆弧—直线”齿形

2.链轮模型的参数化设计

(1)添加设计参数启动Inventor，进入零件设计环境，利用"fx参数"命令设置链轮建模所需要的主要参数。在设置过程中，可以将参数名称改成机械设计中常用的名字，也可以在注释栏目中加以注明。笔者的伸长率较大的材料设置如图3所示。以后只需在此参数表中更改相关参数，即可得到所需模型，用于后续的设计分析中。

图3 设置fx参数表

(2)生成链轮毛坯退出参数设置环境，创建草图，利用刚才设置的参数对基本毛坯轮廓标注相关尺寸(如图4所示)，然后利用旋转命令生成链轮毛坯。

(3)生成链轮基所以不可能计算断裂曲折强度本模型生成基本毛坯之后，创建草图，根据“三圆弧—直线”齿形，利用在参数表中设置的参数，同理创建链轮的基本齿槽轮廓草图，如图5所示。退出基本齿槽轮廓草图的创建，利用拉伸命令，生成第一个齿槽特征，如图6 所示。利用环形阵列命令沿链轮中心轴圆周阵列生成剩余的齿槽，个数为预先设置的齿数，结果如图7所示。

图5 基本齿槽草图

图6 第一个齿槽特征

图7 链轮基本模型

图8 最终模型

图9 变更设计参数后模型

(4)添加修饰特征最后可以根据实际工况，添加其他特征，比如键槽、倒角和圆角等，结果如图8所示。第一步确定的设计输入条件参数就是设计者按照实际需求进行修改的参数。如可以改变齿数、链节距、链条内节内宽和轴径，点击“更新”即可得到相应的模型，如图9所示。在这个过程中，模型受到参数表中参数的完全控制，这样在实际工作中，类似的链轮就无需进行重复的建模，设计者只需要对通用模型进行参数变更，就可以得到想要的设计模型。

3.链轮工程图处理

二维工程图处理是在今后相当长时间内整个三维设计手段实施过程中不可缺少的设计结果处理环节，同时也是耗时最长、约束最多、最不容易由软件自动完成的。链轮的工程图更是包含了许多与三维模型真实投影结果不完全相符的机械工程图表达的人为规定。下面笔者就简单介绍一下链轮工程图模版的制作过程。

首先，根据各个单位的具体情况，生成符合企业规定的通用工程图模版，里面包括标准的图框和标题栏。在标题栏和图框中利用工程图与三维模型的关联特性引用链轮三维模型中的相关物理信息，如材料、名称和零件代号等，如图10所示。这样当三维模型的相关信息调整后，利用此模版创建的工程图相关信息也会自动调整。

图10 标题栏引用相应的模型特性

其次，在链轮工程图中，其右上角按照国标要求通常会有一个附加的表格，里面含有节距、滚子直径、齿数、量柱测量距、量柱直径和齿形等加工信息，这个表格也可以利用制作标题栏相同的技术来制作，在表格中相应的内容栏里面引用三维模型中的相关建L型展架模信息。这里需要说明的一点是，在Inventor中可以将fx参数表中的相应参数设置成密封垫“输出”，(如图3参数表中后面打勾的选项)，这样在链轮三维模型的“iProperties”选项框的“自定义”选项设置中就会出现“输出”参数的名称和其相应的值，如图11所示。

图11 添加到自定义特性中的相关设计参数

由于在工程图中可以引用三维模型中的自定义特性，这样制作这个附加表格时就可以间接引用三维模型建模过程中的参数，当设计参数发生改变时，附加表格的内容也会随着更新，如图12所示。

图12 附加表格中引用模型的自定义特性

最后，使用上述制作的工程图图框及标题栏来定制链轮工程图模版。新建立一个工程图，选用大小合适的纸张，插入相应的通用图框，并在图框相应位置插入标题栏和附加表格，投影链轮工程图视图，按照国标要求修饰完善链轮工程图、标注尺寸，然后将本世纪初其与三维模型一起保备份：测试数据可保存在任意硬盘分区存到合适的位置，作为后续的模版使用。最终链轮工程图模版如图13所示。使用时，将三维模型和工程图模版一起复制到用户的工作目录中，改变新目录下三维模型的设计参数，该目录下的三维模型和工程图就会随着设计参数的更改而自动调整。

图13 最终的链轮工程图模版

四、结语

从上述过程中可以看到，通过基于Inventor的链轮三维参数化设计，设计者只需要在fx参数表中变更链轮的基本设计输入参数，即可自动生成所 需要的三维实体模型，同时工程图也 可跟随做相应改变，大大提高整个设计过程的效率，保证结果准确可靠。 由于该模型是严格按照“三圆弧—直 线”建立齿槽形状，所以设定相应的 材料后，就可以在后续的CAE分析中 比较准确地反映在外载荷作用下的应 力应变分析及形状优化分析，然后根 据分析结果对链轮模型相关参数进行 调整，对链轮的轮毂结构进行优化设计，将昂贵的材料用于应该加强的结构部位，这样有效避免了原先粗犷型的设计，减轻链轮的重量，对零件的优化设计可以进行有效的指导。(end)