基于proengineer的铧式犁犁体曲面的优化设计

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1、摘要基于P r o/E N G I N E E R的桦式犁犁体曲面的优化设计摘要 根据林业防火线开设的需要，设计专门 用于开设防火线的防火犁，来提高我国林业防火线的防护效能.使耕翻防火线的桦式犁翻土曲面设计的研究适合我国的国情 犁体曲面是锌式犁的主要工作部件，曲面设计的方法、手段和设计的质量直接决定桦式犁的工作性能，目 前，我国使用的犁 体一般采用试修法等经验设计方法进行设计，犁 体曲面的 描述和几何分析均靠 手工来完 成，对于 特殊用途的 桦式犁 设计而言，已 经满 足不了 设计的 要求.随着计算 机技术的不断更新及新兴耕作理论与 技术的 发展和完 善，采用新的 设计理论、现代设计方法与手段

2、愈来愈符合现代农业发展的要求。本文从犁体曲面翻土性能出 发、借鉴琴体曲面倾抖直元线法形成的特点，通过对犁 体曲面一般方程式的 推导，将现代设计方法以 及先进计算 机技术用于犁 体曲面的优化设计.研究的主要内容有:(1)从曲面参数的优化出发，首次以P r o/E N G I N E E R为开发平台，成功地设计了 犁 体曲面;(2)以犁 体曲面 翻土曲线族翻土角的大小为衡量标准，对犁体曲面翻土性能进行分析。分析结 论表明曲面翻土角最大值达到1 1 0 0 以上，具有很强的翻土性能;(3 从曲面的光顺性角度出发，对犁体曲面的几何性能进行分析;(们通过对犁体曲面工作祖力的假设，成功建立了曲面 有限元

3、模型;利用对犁 体曲面的 有限元分析，得出了曲面受力后的应变以及变形情况;(5)以上述分析的结果为理论依据，完成对犁体曲面的 优化，进一步提高了曲面的设计质童.本文将解析法与现代设计方法 相结 合:利用 P r o/E N G I N E E R参 数化设计的强大功能、成功地设计了 翻土型罕体曲面，为犁体曲面的优化设计提供了 一种可以 借鉴的方 法.其中 对曲 面 质童多角 度的 分 析与 评价的方 法 也具 有很 好创 新性.该方法的研究对我国林业、农业产业以及国民经济的发展具有十分重要的意义.关键词:P r o/E N G I N E E R;犁 体曲面;分 析;优化基于P r o/E N

4、 G I N E E R 的钟式犁犁体曲面的优化设计OP T I MI Z A T I ON DE S I GN ON P L OUGH-BOTT OM S URF ACEBAS E D ON P RO/ENGI NEE RABS T RACT I n o r d e r t o m e e t t h e n e e d o f p l o u g h i n g f i r e p r o o f i n g l in e i n t h e f o re s t a n di m p r o v i n g t h e fi e l d s e ff i c i e n c y,w e

5、d e s i g n a p l o u g h s p e c i a l l y u s e d t o p l o u g h i n t h ef o r e s t r e g i o n.T h e d e s i g n o n p l o u g h-b o tt o m s u r f a c e c a n m e e t t h e r e a l l y s i t u a t i o n i nCh i n a.P l o u g h-b o t t o m s u r f a c e i s t h e m a i n p a r t o f t h e p l

6、o u g h b o d y.T h e d e s i g n m e t h o da n d d e s i g n q u a l i t y a ff e c t i t s p e r f o r m a n c e e v i d e n t l y.U p t o n o w,t h e d e s i g n o f t h ep l o u g h m a i n l y f o l lo w s t h e e x p e r i e n c e s.T h e d e s c r ip t i o n a n d g e o m e t ry a n a ly s i

7、 s a r em o s t l y m a d e b y h a n d s.O f c o u r s e,i t s v e ry d i ff i c u l t y t o d e s i g n s p e c i a l-p u r p o s e p l o u g hb y t h e s e t r a d i t i o n a l m e a n s.W i t h t h e re n o v a t i n g i n c o m p u t e r t e c h n o l o g y a n d i n s o i lc u l t i v a t i n

8、 g t h e o ry,a d v a n c e d d e s i g n m e t h o d i s m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t i n a g r i c u l t u r ed e v e l o p m e n t T h i s s t u d y i s b a s e d o n i m p r o v in g t u rn i n g p e r f o r m a n c e o f p l o u g h-b o tt o m s u r f a c e,b y u s i n g t h e d e s

9、i g n t h e o ry o f i n c l i n i n g s t r a i g h t s a m p l e l i n e a n d g e n e r a l e q u a t i o n o fp l o u g h s u r f a c e,w e a d o p t e d m o d e m d e s i g n m e t h o d a n d a d v a n c e d c o m p u t e rt e c h n o l o g y t o o p t i m i z e p lo u g h-b o tt o m s u r f a

10、 c e.M a i n r e s e a r c h c o n t e n t s a r e a s f o l l o w s:(、)B y o p ti m iz i n g p a r a m e te r s o f s u r f a c e,a p lo u g h-b o tt o m s u r f a c e h a s b e e ns u c c e s s f u l l y d e s i g n e d b a s e d o n p l a t f o r m o f P r o/E N G I N E E R.(2)B y a n a l y s i n

11、 g t u rn i n gp e r f o r m a n c e o f t h e s u r f a c e,w e g o t a s a t i s f i e d p l o u g h b r e a s t w h i c h h a s m a x i m u mt u rn i n g a n g l e s o v e r 1 1 0 0.(3)T h e g e o m e t ry c a p a b i l i t y o f p l o u g h-b o tt o m s u r f a c e h a sb e e n a n a l y z e d b

12、 a s e d o n t h e s m o o t h n e s s t h e o ry o f s u r f a c e.(4)O n t h e a s s u m p t i o n t h a tl o a d i n g o f t h e r e s i s t a n c e a r e s p a c e c o n c u r r e n t f o r c e s,t h e s t r e s s a n d d i s t o r t i o n o n t h es u r f a c e h a s b e e n s u c c e s s f u l

13、 l y s im u l a t e d b y u s in g t h e l i m i t e d e l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e.(5)A c c o r d i n g t o t h e a c h i e v e d r e s u l t s,p l o u g h-b o tt o m s u r f a c e h as b e e nf u r th e r o p t i m iz e d a n d i t s q u a l i t y h a s b e e n i m p r o v e d r e

14、m a r k a b l y.B y c o m b in i n g t h e re s o l u t i o n a n d m o d e m d e s i g n m e t h o d s,a t u rn i n g p u r p o s ep l o u g h-b o tt o m s u r f a c e h a s b e e n s u c c e s s f u l l y d e s i g n e d a n d o p t i m iz e d.T h e s t u d y o ft h e m e t h o d h as v e ry i m p

15、 o r ta n t s i g n i fi c a n c e i n d e s i g n p lo u g h-b o tt o m s u r f a c eKE Y WOR DS:P r o/E;P l o u g h-b o tt o m s u r f a c e;A n a ly s i s;O p t i m i z a t i o n第一章绪 论第一章 绪论1.1 本文研究的目的与意义 目 前我国防止森林火灾，控制森林火灾的主要技术措施之一，就是开设防火线。防火线是阻止林火蔓延的有效防火措施，它可作为灭火的根据地和控制线，也可作为运送人力、物资的简易道路，对防止山火蔓

16、延、保护森林资源起到重要的作用。由 于防火线一般设置在山 脊山顶，分布偏远，土质坚硬，石砾较多;人工铲修费工、费时、成本高、人工劳动强度大，而且时间紧、任务重，铲修工作往往无法按质按时完成，在一定程度上影响了防火线的防护效能。目 前我国根据条件的不同 有多种开设防火线的方法，但主要的方法是机耕法。使用拖拉机牵引防火犁、缺口重耙进行耕翻作业，开设生土隔离带，是我国沿边境广大林区最主要的防火工作之一。但国内目 前还没有比较成熟的专门用于开设防火线的防火犁，在平坦和土壤松散的地区，一般直接采用农用犁来进行作业，严重制约了开设防火线工作的效果和效率，主要原因是:(1)农用犁的工作条件与防火犁的工作条件

17、有很大差异，农用犁一般在农田 进行作业，作业时地块中水分一般在适耕状态，因而工作阻力较小，它不适合在土质坚硬，石砾较多，又有树根等杂物的地块作业;(2)农用犁作业完成后一般要求地表平坦，翻土性能和碎土性能较好，便于后续整地、播种等作业，而开设防火线仅对翻土性能有较高的要求;(3)防火犁的犁体曲面与农用犁有很大的差异，应进行专门的设计;(4)防火犁的结构、强度等方面有更高的要求。设计专门的悬挂式桦式犁来翻耕防火线，这样必能省工省时，提高防火线的防护效能。犁体曲面是烨式犁的主要工作部件，曲面设计的方法、手段和设计的质量直接决定桦式犁的工作性能。目 前，我国使用的犁体一般采用试修法等经验设计方法进行

18、设计，犁体曲 面的 描述和几何分 析均 靠手工来 完 成p 1。先由 设计 师收集若 干个有参考 价值的实物、照片、草图等，并对实物曲面进行测绘，在纸上勾画草图，然后做出样品犁体实物，通过实验测试曲 面是否满足作业的要求，再对不足之处进行修改。因 此，只有经过做出 样品曲 面实物这一环节，才能最终看到设计效果。由 于受制作的 原材料、工具等条件的限制，样品实物与设计师大脑中的想象或多或少存在一定的差距，修改这个差距往往非常困难。其次，图纸多由设计者手工绘图，且仅限于曲面的平面图，-I-基于P r o/E N G I N E E R 的桦式犁犁体曲面的优化设计使得犁体设计成本高、周期长，而且大大

19、地影响了犁体曲面的设计质量，这与现代化农业和先进科学技术发展很不适应。特别是近年来，大至飞机、船舶、汽车，小至玩具的外形设计，均大量地应用计算机辅助几何设计技术进行复杂曲面的设计、绘图 和制造，并取得了显著的经济效益，而计算机辅助几何设计技术应用于犁体曲 面的 研究，至今少见有较成熟的方法能满足犁体曲 面的设计要求2 l 随着计算机技术的不断更新及新兴耕作理论与技术的发展和完善，采用新的设计理论、现代设计方法与手段愈来愈符合现代农业发展的要求。本文研究的目的就在于将现代设计方法与理论用于犁体曲 面的优化设计，提高犁体曲面的设计水平和设计质量，设计出专门用于耕翻防火线的钟式犁的翻土曲 面，使曲面

20、设计能够满足防火线的耕翻要求的同时，也能为钟式犁的曲面设计提供一种更好的方法和手段.目 前 我国 开 设防火 线的 总长 度在1 4 万公 里 左右3)，对阻隔 林火的 蔓延 起到一 定的作用.林业防火线的开设对防火犁的需求很大。因此，专门用于耕翻防火线的桦式犁翻土曲 面设计的研究适合我国的国情，有着广泛的应用前景。该研究对我国林业、农业产业和国民经济的发展具有十分重要的意义。1.2 国内外研究的历史与现状 国内外桦式犁的发展均经历由 人力到畜力再到机引力牵引三个发展阶段。卡尔(G u u l-S i m o n s e n,F.)4 1 通 过 对1 7 7 1 年 到2 0 0 1 年 间

21、1 6 5 项出 版 物 研 究 得出，尽 管 犁体设计己 经有几百年的发展，但仍然有很大的发展空间。阐述了 未来犁体发展潜力的最大特点是:对耕深、犁体曲面形状、特征和其它更低犁体的改变。二十世纪以来，犁体曲面的研究主要从两个方面进行:一是总结畜动力犁和常速机力犁的经验，成功地按经验设计法(主要采用水平直元线法和样板曲线法，即高等剖面法)设计和生产了 现有的各类桦式犁;二是试图将犁体曲面设计和耕地工艺过程联系起来，将犁体曲 面设计建立在理论研究或半经验半理论的基础上(5 1。这一方 法由于问题的复杂性，至今还处于探索阶段。而专门设计用于林业防火线开设的翻土型犁体曲面还无此研究。早 在1 8 3

22、 2 年 意 大 利 的 兰 姆 勃 洛 新(L a m b r u S c h in i)6 1和 理 德 尔 费(R id o lp h i)i1就提出了 滚堡型犁体的假想翻坐过程。他们将土坐抽象成为矩形断面的长土条，在翻转过程中，把土垫断面形状看作是既不变形又不破裂的刚体。因此，将犁面抽象为垂直于以 矩形断面的土垫条的一棱边为轴线的直元线，在其作等矩移动和等速转动时而形成曲 面。将这种曲面作为犁体曲面，便是正螺旋面。这样的土堡翻转过程称为“假想土傲的翻转过程气-Z ee第一章绪 论 1 7 8 8年杰费 逊(J e ff e r s o n)8 1 提出由 两根直线为 准线的 犁体曲 面

23、的 数学方 程，属于 双抛曲 面。1 9 1 8年怀特(E.A.W h it e)9 1 求得了由 一片单叶 双曲 面构 成的 霍尔勃 洛克 犁 体的曲 面方 程。在 上个世纪 三十年 代，俄罗斯的 郭略契金 p 0】等人，测绘分 析了 两百余种世界各地的机力犁犁体(其中有 1 3 0 余种美国犁体)，统计了曲面的正视图、理论胫刃线、曲导线(样板曲 线中的一根)和水平直元线与沟壁的夹角 元线角)沿等高线方向的变化规律，提出了水平直元线犁体曲面的设计方法，经过大面积的试验验证，于1 9 4 0 年定为俄罗斯国家标准。在国内，赫培业 川 把 优化设 计的 方 法引 入 犁体曲 面的 设计，以 测

24、地线作为 土 迹线的理论基础，用土迹线形成犁体曲面的方法设计了性能良 好的通用型犁体.此后，杨邦杰 1 2 1 对把测地线作为犁体曲 面测地线的 不合理性进行了 修正，以 土垫微元的质心轨迹模拟土迹线，以阻力最小为目 标函 数进行了 常速犁体曲 面的优化设计。由于土堡微元的重心轨迹难于测定，只能 把它假想为一条螺旋线:在此基础上，李 庆中 1 3 1 用弹性海绵长条的 翻转模拟土垫的 翻转，采用将宏观土堡翻转与微观土垫微元运动相结合的方 法，以 犁 耕过程 功耗最小为目 标函 数进 行曲 面的 优化设 计。杨青 1 4】针对北方 砂 壤土，以古典土堡翻转理论为依据，从微分几何角度出发，根据犁体

25、曲 面优化设计时，高度非线性函数优化求解难的问题，提出用模拟生命进化机制的智能随机化优化算法一 一遗传算法(G A)对其求解;并根据犁体曲面的实际问题，对传统的遗传算法进行了改进和仿真试验。以上国内外学者对犁体曲 面设计的研究主要是基础性理论研究，随着 C A D技术的出 现和不断发展，将机械C A D技术应用于犁体曲 面的设计还只是起步阶段，应用很少，而且目 前的应用也仅局限于平面二维设计。犁体设计过程中原始构思是3 D概念，设 计实施结果也是3 D实体，但传统二维C A D过程中 这两者间的 信息传递全是2 D图形，与传统手工绘图相比 在设计过程上没有多少不同，无法完成全面的辅助设计 1

26、5 1。因 此，犁体曲 面的设计离不开三维表达。通过对犁体曲 面设计资料的大量查询，将P r o/E N G I N E E R 应用于耕翻防火线的犁体曲 面的3 D设计还是一全新的 概念，目 前暂无此研究。1.3 本文研究的内容与方法 随着社会不断向前发展，市场对机械产品的要求已 经从大批量、少品 种转化为小批量、多品种。这就要求企业对市场需求能快速响应，缩短产品开发、生产周期。要解决这些问题，从技术角度出 发，以C A D/C A P P/C A M集成技术为切入点进行产品开发与设计是最重要的举措。计算机辅助设计(C A D)是用计算机硬件和软件系统辅助一 3 一墓于P r o/E N G

27、 I N E E R 的悴式犁犁体曲面的优化设计工程技术人员进行产品或工程设计、修改、显示及输出的一门多学科的综合性应用新技术，目 前己 被广泛应用于机械、电 子、航空及工程建设等各个领域，并且取得了明显的经济效益。16 1 在农业机械设计中，计算机辅助设计技术的应用也得到了一定的发展，但多以平面设计为主。由于农业机械作业对象的 特殊性，农业机械产品标准很难统一，使得农业机械产品的开发设计比工业机械产品开发设计困难的多。比如同类作物由于形状、大小等的不一，同一作业环节往往需要不同的机械进行作业，这就需要不断更换零部件甚至是整个机械。因此，产品开发设计反应必须迅速。同时，由 于农业机械形状比较复

28、杂，比如本文研究的用于耕翻防火线的钟式犁犁体曲面，由于犁体曲面形状异常复杂，仅仅用计算机平面辅助设计很难表达清楚，因此，本文提出 将3 D设计概念应用于犁体曲面的开发设计，研究犁体曲面的3 D计算机辅助设计与表达。不仅可以缩短犁体曲面的开发与设计周期，降低设计成本，也是新型耕作理论和现代化农业发展的要求;是犁体曲 面设计研究的新概念、新领域和新的发展趋势.国内计算机辅助设计，以A u t o C A D,U N I G R A P H I C S,S O L I D W O R K,P r o/E N G I N E E R 应用较为广泛，而在三维设计与效果方面，无疑以P r o/E N G

29、I N E E R应用最为普遍，功能最为强大。利用现代的设计方法，以P r o/E N G I N E E R 为开发平台对犁体曲面进行构造，将复杂的翻土曲 面用三维方式进行表达，使曲 面的设计与优化满足翻土性要求，进而研究并形成犁体曲面的一般设计方法。本文主要是以P r o/E N G I N E E R(W i l d f i r e 2.0)为开发平台，研究犁体曲 面的设计方法，使犁体曲面的设计既满足翻土性要求又具有普遍的适用性。涉及的主要内 容有:(1)犁体曲 面的 研究现状;(2)P r o/E N G I N E E R 的简介及其在曲 面设计中的 应用;(3)以 倾斜直元线法为基

30、础，成功建立犁体曲 面一般方程式的数学模型，利用U C 十+程序计算曲面上点的空间坐标值，同时确定用于耕翻防火线的犁体曲 面主要参数;(4)首次以P r o/E N G I N E E R 为开 发 平台，利用点 拟合曲 线，曲 线构建曲 面的 思 想，成功实现对犁体曲面三维实体的优化设计;(5)通过对曲面工作阻力的简化，建立了犁体曲面有限元分析模型，实现了曲面的有限元分析;(6)对犁体曲面的几何性质、翻土性能和受力后的应变以 及变形进行多角度分析，为犁体曲面进一步优化提供了参考.一 月-第一章绪 论参考文献 1 1 2 1 张 淑娟，董 丽君.犁体曲 面的计 算机 辅助儿 何设 计.山 西农

31、 业大 学学报，1 9 9 7,1 7(2):2 0 2-2 0 5.3 1 丛静 华，高 洪伟，戴丽 华等 耕翻防火线 悬挂 式桦式 犁的 设计 一林业机 械与 木T-设备,2 0 0 3,1 2(3 1):2 6-2 7.4 F r o d e,G u u l-S i m o n s e n e t a l.S t u d i e s o f P l o u g h D e s i g n a n d R e l e v a n t t o C o n d i t i o n s i n N o r t h e rnE u r o p e.A c t a A g r i c u l t u

32、 r a e S c a n d i n a v i c a.S e c t i o n B,2 0 0 2,5 2(2-3):5 7-7 7.(5 6 7)8 9 1 0 1 江苏工 学院 主编.农业机 械学(上 册)，北京冲国 农 业机械出 版社，1 9 8 1.0 2 第一 版.1 1 1 2 1 1 3 1 杨文彩.基于遗传算法的高 速犁体曲 面 优化设计的 研究.北京:中国 科学技术 研究 所2 0 0 0.1 4)杨青，杨文彩.采用改进遗传算法求解高速犁体曲面的优化模型.农业工程学报，2 0 0 3,1 9(1):8 0-8 3.1 5 1 金 昊，籍 国 宝，柯 冬 香 等 犁

33、体C A D 通 用 数 学 模 型 的 研 究.农 业 机 械 学 报，1 9 9 8,2 9(1):1 4 5-1 4 9.1 6 1 余俊.现代设计方法及应用.北京:中国 标准出 版社.2 0 0 2(1 0):8 7 7-8 8 4.第二章 P r o/E N G I N E E R 及其在曲 面设计中的应用第二章 P r o/E N G I N E E R 及其在曲面设计中的应用2,1 P r o/E N G I N E E R 软件简介 P r o/E N G U I N E E R 自1 9 8 8 年问 世以 来，近2 0 年的 发展己 成为全世界包括中国 普及的3 D C A

34、 D/C A M 系统。P r o/E N G 工 N E E R 在今日 俨然成为3 D C A D/C A M 系统的标准软件，广泛应用于电子、通讯、机械、模具、工业设计、汽车、自 行车、航天、家电、玩具等行业。P r o/E N G I N E E R 可谓是全方位的3 D 产品开发软件，整合了零件设计、产品组立、模具开发、N C 加工、饭金设计、铸造件设计、造型设计、逆向 工程、自 动测量、机械设计、动态 仿真、应力分析、产品 数 据库管 理、协同 设计开 发等功能 于一体 f l t其 模块众多，功能十分强大。P r o/E N G I N E E R 系统主要功能如下:(1)真正的

35、全相关性，任何地方的 修改都会自 动反映到所有相关地方:(2)具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力:(3)具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图;(4)容易使用，可以 极大地提高设计效率。P r o/E N G I N E E R系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习 惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的 模型。P r o 庄N G I N E E R 建 立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。其中 在国内，以A u t o C A D,U N I G R A P H I C S,P r o/E N G I N E E R 应用最为广泛，而在三维效

36、果方面，无疑以P r o/E N G I N E E R 应用得最为普遍，P r o/E N G I N E E R 把所有的功能 模块建立在统一的数据结构上，提供了所有工程项目 之间的全关联，真正实现了C A D/C A E/G A M 的有机集成，用户可以同时对同一 产品进行井行的设计工作，从而可以提高设计质量，缩短开发周期。P r o/E N G I N E E R 仅生成实体 模型 来描 述工 程师 所设 计的 产品 模型，不再 应用线 框和表面模型转换成实体模型的手段，思路清晰。由 于它有完整而统一的 模型，在整个设计的相关环节上反映出来。P r o/E N G I N E E R

37、采用基于参数化，特征设 计的 三维实 体 造型 系统，这样 便于在 新产品的开发中实现概念设计，也可方便地依照工业标准的零件族概念建库。P r o/E N G I N E E R 软件开发环境在支持并行工程方面是独一无二的。通过一系列完全相关的模块(它们能够表达产品的外形、装配及其功能)P r o/E N G I N E E R 能够把多个部门同时致力于同一产品模型中。这包括在工业设计和机械设计方面的多项功能，包括-币，基于P r o/E N G I N E E R 的铮式犁犁体曲面的优化设计对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品 数据管理等等。P r o/E N G I N E E R 还

38、提供了目 前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。P r o/E N G I N E E R 可以在所有主要的U N I X,W i n d o w s N T以及W i n d o w s 9 5 平台上运行，并且在每一个平台上保持同样的外观，使用起来的感觉也一样;用户根据需要选择最经济的硬件配置，也可以选择异型结构的多品种平台。由 于 P r o/E N G 工 N E E R 独特的数据结构模式，产品信息可以 毫无困难地在不同平台间流动。P r o/E N G 工 N E E R 用户界面简洁，概念清晰，符合工程技术人员的设计思想与习惯.在国内的一些公司和企业中，P r o/E N

39、 G I N E E R 作为一种软件设计工具，主要还是集中在辅助设计之上，虽然有些企业已 经用于辅助制造和模拟上，但毕竟用的比 较少，而P r o/E N G I N E E R 作为一种强大的 三维软件，其辅助设计功能的 确很强大。2 1 P r o/E N G I N E E R W i l d f i r e 2.0 版 13 1 在继承P r o/E N G I N E E R 优秀功能的 基础上，把 三维设计功能推到了新定点.利用 W i l d f i r e的直接建模交互技术(I S D X)可以更快速地进行设计:(1)使用W A R P 工具，对设计进行变形、扭曲、弯曲 和拉

40、伸操作;(2)借助特征面板功能，让用户体验直观的工作流操作;(3)借助人与人的连通性进行交互，来完成动态设计评审;(4)通过与W i n d c h i l l 的无缝集成，来访问 产品 和项目 信息.W i l d f i r e 新增的性能有:(1)部件建模 使用P r o/E N G I N E E R W i l d f i r e 进行部件设计比以 往任何时候都更快、更容易。其改 进之处包括:操作铆钉、螺栓等高 性能的轻型装配组件更快捷;能处理同一零件多个表示的柔性组件(如弹簧)，不需要在物料清单上清楚表达线条内 容。(2)布线系统 改 进的布线系统设计功能，P r o/E N G

41、I N E E RW i l d f i r e 可以与P T C 完警的原理图设计应用和P r o/E N G 工 N E E R 布线系统设计工具进行紧密集成，适用于缆线铺设和管路设计。主要布线系统增强功能有:能自 动完成接头放置等常用功能的增强型缆线铺设功能;改进的线束和几何体表示;带有“底”、“顶”、“左和“右”命令的新的管线布线选项.(3)行为 建模和 仿真 P r o/E N G I N E E R W i l d f i r e和P r o/M E C H A N I C A 进行了无缝集成，从而获得一流的 行为建模功能，可以 指定设计对象，让计算机去处理单调乏味的工作，为您显示

42、设计更改效果，并提供大量的选项可供选择。(4)智能化饭金设计增强功能增强的继承特征，解决了由不同机器制造相似零件的多弯曲表面的再使用问题o(5)实时渲染 使用新的实时渲染功能，用户可以 在处理模型时看到倒影和阴 影的变化。包括内 容有:全局建模，具有本地和全局控制手柄;实时翘曲、变形、伸展、弯曲和扭曲;交互式曲面处理;自由形式或参数式方法:设计时能跟踪草图、导入图像和描述参数;重建造型能轻松处理小平面数据的逆向工程工具;高级图像通真渲染(包括:镜头光效、光散射、雾和烟在内的新特效):一，一第二章 P r o/E N G I N E E R 及其在曲 面设计中的应用新增许多新的纹理选项。2.2

43、P r o/E N G I N E E R 二次开发功能简介及国内现状 P r o/T O O L K I T 是P r o/E N G I N E E R 软件的开发工具包，其主要目的是让用户或第三方通过C 程序代码扩充P r o/E N G I N E E R 系统的功能，开发基于P r o/E N G I N E E R 系统的应用程序模块，从而满足用户的特殊要求。不仅如此，还可以 利用P r o/T O O L K I T 提供的U I对话框、菜单以及 V C的可视化界面技术，设计出方便实用的人机交互界面，从而大大提高系统的使用效率。P r o/T O O L K I T 工具包提供了

44、开发P r o/E N G 工 N E E R 所需的函数库文件及头文件，使用户编写的应用程序能够安全地控制与访问P r o/E N G 工 N E E R，并可以实现应用程序模块与P r o/E N G I N E E R 系统的无缝集成。P r o/T O O L K I T 支持在W i n d o w s 2 0 0 0/N T/X P 操作系统中 使用C 和C+语言程序设计，采 用M i c r o s o f t V i s u a l C+6.0 的 集 成环境 下完 成程 序的 设计、调 试和编译。4 1 目 前，国内 有不少科研单位己 经或正在进行利用P r o/E N G

45、I N E E R 进行二次开发的C A D系统研究工作5)，不过对于这些系统，在机械方面的设计比 较多，合肥工业大学进行了开发 P r o/E N G 工 N E E R用户化菜单的技术和实践方面的研究，即研究如何在P r o/E N G I N E E R 中加入用户自 定义的菜单;合肥经济技术学院提出了通过P r o/E N G 工 N E E R二次开发来利用工程数据库进行特征造型的方法;南京航空航天大学的陈辰等参与开发的是一个较为完整的轴类零件设计(三维模型)、零件出图、零件加工(加工刀轨代码生成)系统，让一些通用设计的过程实现自 动处理，以 减轻设计人员的工作量;北方交通大学机械与

46、电 子工程学院 进行的是基于P r o/E N G I N E E R的内 燃机车三维标准件库的建立方面的研究，该系统采用 P r o/E N G I N E E R为平台，利用其强大的参数化造型技术和二次开发模块P r o/T O O L K I T，建立内 燃机车三维标准件库，以 适应机车新产品的设计与开发，提高P r o/E N G I N E E R 系统的实用程度;清华大学精仪系C 工 M S 中 心则提出基于P r o/E N G I N E E R 系统开发面向并行工程的C A D 系统.2.3 P r o/E N G I N E E R 在曲面设计中的应用 P r o/E N

47、G I N E E R 进行特征设计时.一般而言，对规则的3 D 零件来说，实体特征提供了 迅速且方便的造型创建方式，但对复杂度较高的造型设计来说，单单使用实体特征来建立3 D 模型就显得比 较困 难，这是起因 于实体特征的体积创建方式比 较固定化(如仅能使用E x t r u d e,R e v o l v e,S w e e p,B l e n d 等方式来创建实体特征的 体积)。因一 卜一幕于P r o/E N G I N E E R 的钟式犁犁体曲 面的优化设计此曲面特征应运而生，提供了非常弹性化的方式来建立单一曲面，然后将许多单一曲面组合为 完整且没有间隙的曲 面 模型，最后再转换为

48、实 体模型。6 1 P r o/E N G 工 N E E R提供的曲面特征设计模块除了与实体特征相同的 E x t r u d e,R e v o l v e,S w e e p,B l e n d 等方式外，还可以由点 创建为曲 线，再由曲 线创建为曲 面。此外，曲 面间还具有较高的操纵性，如曲 面合并、裁剪、延伸等(实体特征缺乏此类特性)，由 于曲面特征使用较弹性化，因此其操作技巧也较高。目 前，国内 有许多研究和应用P r o/E N G I N E E R 对曲 面进行设计.重汽公司技术中心 7 1 利用P r o/E N G I N E E R 中S u r f a c e 模块

49、对车身 造型 进行分 块设计 研究.先 对车身 进行分块并测量相关数据，利用P r o/E N G I N E E R 中三维空间点和空间曲线文件读入功能，构建车身曲 线造型，再由曲 线构建空间曲 面造型;大大提高了 数学建模的效率和更改与 管 理的 效 率。东南 大学于春生 8 1 与南 京跃 进 汽车 集团 朱正 林等 研究 在P r o/E N G I N E E R中车身结构复杂曲 面逆向 造型方法，他们在依维柯汽车车身设计中，以P r o/E N G 工 N E E R为开发平台，探索总结出了 复杂曲面构件C A D 三维逆向造型的机械加工法、点线重构法 和综 合法等三 种方法.中国

50、 轻骑 集团 研究设计院 陈芳9 等 人利用P r o/E N G I N E E R 对油箱复杂曲 面进行设计，将油箱分成上下两部分，分别对上下壳进行三维建模。广西大 学汤 宏群 1 1 0 1等 将P r o/E N G I N E E R 应用于 复 杂曲 面分 模 片构建，她们以 汽车 用 风扇叶为设计对象，阐述在 P r o/E N G I N E E R中风扇叶分模片构建方法，并对其进行了 研究。南 京 航空 航天大学陈 旭玲(I I I 等 人 将P r o/E N G 工 N E E R 应用于曲 面 逆向 造型 研究，研究了在逆向工程曲面建模过程中，使用 P r o/E N

51、G I N E E R 三维造型功能，处理由三坐标测量机所测得的 大量点数据，建立符合工程要求的曲 面的 方法。对大量数据点 进行不规则曲线、曲面反求，并在 P r o/E N G I N E E R 环境下，直接从三坐标测量机产生的数据文档生成合乎工程要求的三维曲 线，进而生成三维曲 面。通过对实验测量的涡轮表面数据的处理，在P r o/E N G I N E E R 中建立了符合工程要求的涡轮曲面。P r o/E N G I N E E R 的出 现为曲 面设计提供了 更为便捷的方法，使许多复杂以 前难以实现的曲 面的开发变为现实，充分体现了P r o/E N G I N E E R 在曲

52、面设计方面的强大功能。通过对犁体曲面复杂形状、犁体的耕翻性能以 及犁体与土壤作用力分析等的研究，利用 P r o/E N G 工 N E E R的设计优势，开发并优化用于耕翻防火线的翻土型曲 面，为犁体曲面设计方法的研究和发展提供了更多的空间.2.4 P r o/M E C H A N I C A 中 有限元分析简介 有限 元分析(F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s)也叫 有限 单 元法(F i n i t e E l e m e n t M e t h o d简称F E W，是机械工程师的重要工具。这里主要介绍在P r o/ME C H A N

53、 I C A中用法-刃第二章 P r o/E N G I N E E R 及其在曲面设计中的应用P r o/M E C H A N I C A 1 2 包括三部分:S t r u c t u r e(结构)、构运动)。(温度)和 Mo t i o n(机 S t r u c t u r e 用于结构分析，结构分析是有限元分析最常用的一个应用领域。结构这个术语是一广义概念，它包括土木工程结构(如桥梁和建筑物)、汽车结构(如车身骨架)、海洋结构(如船舶结构)、航空结构(如飞机机身)以 及机械零部件(如活塞、传动轴)等等。主要有以下功能:(1)静力分析，用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力

54、分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、超弹性、接触面和蠕变。(2)模态分析，用于计算结构的固有频率和模态。(3)屈曲分析，用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。T h e r m a l(热学)、M o t i o n(机构运动)则用于温度场分析和机构动力学分析。在 P r o/E N G I N E E R中完成了二维或三维模型设计，定义材料后，就可以传入P r o/M E C H A N I C A中，定义模型的约束和载荷，在此基础上就可以 对模型进行多 种分析。P r o/M E C H A N I C A有独立和集成两种模式，两者界面不同。前者的界面可以自

55、 动生成，也可以自己创建，后者只能自 动生成。系统可以 使用的单位制有公制和英制两种，在分析过程中，所有单位要求要一致。P ro/M E C H A N I C A不像大多数有限 元软件那样靠重新定义网 格(例如加密)来提高 计算精度，而是在不改变网 格划分的情况下，靠增加单元内的插值多 项式的 阶数来达到设定的收敛精度。P r o/M E C H A N I C A可以自 动划分网格，也可以根据研究问题自己创建，节点编号程序将自 动优化处理。P r o/M E C H A N I C A提供的单元有一维、二维以 及三维单元，包括杆单元、梁单元、膜单元、板壳单元、实体单元。单元节点的设置、数目

56、、性质等视研究对象的要求而定。一般情况下划分的网 格精度越密计算的精度也就越高，但是所花费的时间也越长。!仓一荃于P r o/E N G I N E E R 的钟式犁犁体曲面的优化设计参考文献t 1 1 洪立群，黄圣杰.P r o/E N G I N E E R W i l d f i r e T程图 制作.北京:中国铁道出 版社，2 0 0 4.2 1 5 1 潘利波 基于P r o/E N G I N E E R=次开发的 模具C A D研究倾士学位论文，武汉理工大学，2 0 0 4.3 1 周四 新，和青芳.P r o/E N G I N E E R W i l d f i r e 基础

57、设 计.北 京:机 械工 业出 版社，2 0 0 3.4 1 李世国.P r o/T O O L K I T 程序设计.北京:机械工业出版社，2 0 0 3 年7 月 第1 版，6】林 清安.P r o/E N G I N E E R 2 0 0 1 i 零 件 设 计 基 础 篇(下).北 京;清 华 大 学出 版社，2 0 0 1.7 1 赵钟菊 P r o/E N G I N E E R 在车身 造型中的 应用.重型 汽车，1 9 9 8,(5):1 6-1 8.8)于 春 生，孙 凌 玉，陈 南 等.在P r o/E 中 车 身 结 构 复 杂 曲 面 逆向 造 型 方法 研究.计算

58、机 辅 助 设计与制造，1 9 9 9,1 0:1 7-1 8.9 1陈芳，朱河林，杨绍田.用 P r o/E在工作站上进行油箱复杂曲面的设计摩托车技术，2 0 0 0,(1):9-1 0 1 0)汤宏群，苏广才.基于P r o/E的复杂曲面分模面构建方法研究.机械研究与应用，2 0 0 3,1 7(1):8 0 1 1)陈 旭 玲。刘 苏.P r o/E n g i n e e r 在 逆向 工 程曲 面 造 型 上的 应 用.微机 发 展，2 0 0 4,1 4(9):6 0-6 2.1 2 1 高 秀 华，李炎 亮等，机械三维动 态设计 仿真技 术.北 京:化 学工 业出 版社，,2 0

59、 0 3.一 U一第三章 犁体曲面的P r o/E N G I N E E R 设计第三章 犁体曲面的P r o/E N G I N E E R 设计3.1 犁体曲面设计的现状3.1.1 犁体曲 面的类型 山于犁体作业对象、作业条件和农业技术要求的不同，犁体曲 面的种类很多。为便于设计和研究，一般按照犁体某些主要特征进行分类。根据曲面的几何形状，犁体曲面类型主要有圆柱型、扭柱型和螺旋型三种。圆柱型曲 面多由 水平直元线形成，当直元线沿弧形导曲线向上移动时，在不同的高度上，其与沟壁夹角(元线角)均相同;圆柱型犁体曲面只适用于轻质的砂土地上耕作。扭柱型曲 面是在圆柱型曲面形成的基础上，在不同的高度

60、不断变化元线角得到;因为导曲 线所在位置与元线角变化规律的不同，扭柱型曲面又有熟地型和半螺旋型之分。熟地型曲面形状接近圆柱型，除有较强的碎土性能外，还能兼顾翻土，适用于砂壤土熟地耕作;半螺旋型曲 面接近于螺旋型，有较强的 翻土性能并兼顾碎土，适用于粘重土壤或水田 耕作。螺旋型曲 面是由 倾斜直元线形成，即 倾斜直元线沿水平迹线运动，该线与水平面间的夹角得到连续和充分的发展形成曲 面。该曲 面翻土性能良 好，但碎土能力很差.适用于粘重多草地开荒作业。按照土迹运动的特点，犁体曲 面分成滚垫型、窜 坐型和滚窜型三种。滚垫型犁体曲 面，土坐运动特点是:在犁曲 面作用下沿沟底一棱边向右滚翻，接着绕另一棱

61、边滚翻、扭转，直至翻盖到前一行程为止。窜堂型犁体曲 面，土垫运动特点是:耕作时土坐沿犁面上窜，折裂断条，前扑扣垫，并相互架空。滚窜型犁曲面，土垫运动特点是滚窜结合，它综合了前两种犁体曲面类型的特点，使碎土、覆盖、架空三者兼而有之，3.1.2 犁体曲面的主要形成方法 犁桦和犁壁组成犁体的主要工作曲 面，曲 面的 形状直接决定犁体工作的 性能.一般犁胸较陡、翼部扭曲 较小者，其碎土性能 较好，翻土性能较弱;犁胸平坦、翼部较长 者，其碎土性较差，翻堡性能较强。由于农业作业要求的不同，因此，要设计不同形状的 犁体曲 面，以 满足农业生产的需要.中 外学者对犁体的长期研究，总结出 犁体曲 面以 下几种主

62、要形成方法;-1 2-基于P r o/E N G I N E E R 的桦式犁犁体曲 面的优化设计 (1)水平直元线法 在上个世纪三十年代，俄罗斯的郭略契金P I 等人，测绘分析了两百余种世界各地的机力犁犁体(其中有 1 3 0 余种美国犁体)，统计了曲面的正视图、理论胫刃线、曲导线(样板曲 线中的一根)和水平直元线与沟壁的夹角(元线角)沿等高线方向的变化规律，提出了水平直元线犁体曲面的设计方法，经过大面积的试验验证，于 1 9 4 0年定为俄罗斯国家标准。我国上世纪7 0 年代定型的北方系列犁和南方系列犁，也基本上采用此法.另外，解放初期使用的步犁、双轮双桦犁以 及华东水田 犁也是采用水平直

63、元线法设计的。水平直元线法形成原理就是采用三维坐标系，以 直元线沿着准线(轨迹线或导线)运动，并始终平行于X O Y坐标平面，且不断变化直元线与Z O X坐标平面的夹角(元线角)所形成的曲面。(2)倾斜直元线法 倾斜直元线法形成犁面原理就是以直元线的端点，沿准线(轨迹线或导线)，按与三个投影面的夹角成一定的规律运动形成的曲 面。准线(轨迹线或导线)可以是直线、折线也可以 是平面或空间曲 线。这一原理形成曲面的特点是:根据犁体工作要求，可分为 犁翼S,、犁胸S 3 和犁钟S a 三部分(见图3-1)。由 于它们的交界线均为直元线，所以 可 按各 部分的 要求 作分片设 计。2 1、/丫酥边线仲班

64、线 圈3-1 犁体曲 面各部分名称 F i g.3-1 S e c t i o n n a m e s o f p l o u g h-b o t t o m s u r f a c e 在国内，最初将倾斜直元线法用于研究、测绘、整理和分析水田 烨式犁系列的通用型犁体曲面。通用型犁体曲 面是在实践基础上，通过试修法(泥塑犁模法)设计出-1 3-第三章 犁体曲面的P r o/E N G I N E E R 设计来的南方水、早兼作的犁体曲面。它的胸部突出，翼部扭曲，如用与犁体基面平行的平 面与 犁体曲 面相交，其交线不是直 线，故不能 用水 平直元 线法进 行设 计。13 1 此外，倾斜直元线法可

65、以 用解析法设计，通过犁体曲面的数学解析，寻求参数间的函数关系，建立犁体曲面的数学模型。利用计算机计算样板曲 线值，在此基础上，再进行犁体曲面的工程设计。1 7 8 8 年杰费逊(J e ff e r s o n)提出由两根直线为准线的犁体曲面的数学方程，属于双抛曲面。1 9 1 8年怀特(E.A.Wh i t e)求得了由一片单叶双曲 面构成的霍尔勃洛克犁体的曲 面方程。14 1 (3)曲 元线法 曲 元线法形成曲面的原理就是以曲元线沿准线(轨迹线或导线)运动而形成犁体曲 面.曲 元线可用圆弧、抛物线或其它曲 线。准线为两段直线，其中一条为桦刃线。所谓曲 元线，是指横剖面(平行于Y O Z面

66、)上一条不变的平面曲线。(4)按犁面剖面曲 线族形成犁面法 犁面剖面曲线族是指用平行于坐标面的一组平面剖切犁体曲面，所得的交线。曲线族可以通过试验进行修改以达到预定的作业质量。坐标面有三个，所得的相应剖面曲线族也有等高、纵剖、横剖三组。习惯上将横剖曲 线族称翻土曲线族。另外，有一组垂直于钟刃的平面与犁面的交线称为样板曲 线族，它是犁面性能的综合反映，可以 作为犁面检验、压模制造的主要依据。因为每一个剖面曲线都不相同，所以该方法属于经验设计范畴。这些剖面曲线族都必须以 现有的 优良 的犁体曲 面为设计依据，形成的曲 面具有的几何性质很难确定，一般是样机试制后，用直尺贴靠犁面，寻求犁面上是否有直元线存在，继而再 研究其形成规律。经过国内外学者的长期研究，犁体曲面的设计虽然具有了以上几种主要形成方法，但主要还是在试修法基础上进行测绘，用几何作图法和数学分析法设计犁体曲面，曲面设计始终停留在二维平面设计，甚至是手工绘图的阶段。随着现代设计方法和计算机技术的发展，给犁体曲 面三维设计和表达带来了一次新的发展机遇和可能。3.1.3 犁体曲面C A D 设计的现状 随着计算机辅助设计的发展，农业机械