基于Creo的深化设计应用探索
Modeler
一. 三维设计工具应用现状
根据国内相关研究报告，我国部分企业自90年代起，即已着手将二维设计工具升级为三维设计工具，并应用于产品设计过程中。若以此时间推算至今已有30年以上的应用历史，然而从市场上的各大三维工具书籍来看，大多局限在三维建模，绘制工程图的常规应用上，极少涉及基于MCAD工具的CAE场景应用的介绍。
通常评价一个制造型企业设计能力需涵盖很多方面，国内也没有一个标准的评价体系来进行判定。也许正因如此，企业才形成只注重设计模型及工程图的数量而不注重对设计模型质量的考核。
我国制造型企业历经多年的发展，已逐步达到按订单生产产品的境况。然而深入了解后发现，对于成熟产品因已经过市场的多年验证，所以模型及图纸准确性较高，相关的形位公差或尺寸公差也已至臻完美。然而一旦涉及改型产品，则往往会在制造过程中产生较多争议，甚至出现返工的现象。其常见情况为：
1. 设计与制造有差异
三维模型符合理想情况，加工组装时发现孔或轴出现不能匹配的情况。出现问题后进行现场调校，例如使用强力工具，将轴强行安装至定位孔中。这样的做法虽然满足订单交期，但对于产品质量是有一定影响的。
2. 追求价格更高的CAE工具，忽略MCAD工具的深化应用
不少企业的信息化部门在收集研发需求时，常将采购更高端的CAE工具作为提升研发能力的举措之一。在此本文并不否认高端CAE工具对于设计的正向辅助作用，但也需要指出的是：不是所有分析都需要借助高端CAE工具，像常规的结构力学（静力学）分析，散热分析，公差分析都可以通过MCAD自带的分析工具实现。
二. Creo的深化应用
Creo作为常用机械设计工具，经过数十年的发展，已经形成包含结构设计，装配，制图，制造等模块的大型机械设计软件。在功能模块与日增多的情况下，国内企业的工程师对于工具的应用并未有明显深入。本文从简单的应用案例入手，介绍通过应用Creo的Simulate模块，快速提升设计效率及质量。
2.1 应力校核
使用Creo的建模模块进行设计，几乎是Creo的主流应用场景之一。但所设计的模型是否能满足日常使用强度，则大多通过客诉来进行评价，这点常见于对机械结构强度有一定要求的企业（例如注塑、金属加工等）。
以塑料玩具为例，通常以孔与支撑座配合，实现塑料玩具的组装，并提供一定的结构强度。一般设计时，往往只考虑形状，忽略了强度校核，这就导致产品上市后，玩具不经摔，不经用的情况。
模型提出
为简化模型设计，最大程度展现MCAD工具的结构分析能力，提出模型如下：
图1 基础模型
基础信息定义
本文所描绘的结构分析场景着重于简单而快速的定性分析，通过可视化的方式直观的展现模型结构强度是否能满足设计要求。所以只按最低要求进行参数定义，在此背景下，定义的参数有：
1.材料
要运行仿真研究，必须为模型中参与研究的部分分配具备有效材料属性的材料。
可用于分配材料的工作流有以下两种：
在Creo Parametric中，将材料分配给装配、零件或主体，可在 Creo Ansys Simulation 中访问和修改已分配的材料。同时在Creo Ansys Simulation中，将材料分配给用于特定仿真研究的装配、零件或主体时，指定的材料信息将随仿真研究一起保存。Creo对于不同的研究，支持用户为同一元件分配不同的材料。
图2 指定材料
2.约束
为“结构”模型定义约束时，目的是固定模型几何部分，以便模型不会发生移动，或只以预确定的方式移动。模型的约束及其载荷使Creo可以获得现实情况以用作分析基础。
约束“结构”模型时，在定义模型相对于坐标系能够运动的范围。因此，在添加约束时，要指定零件平移或旋转运动。一般在以下场景中使用约束：
A.模拟真实安装
例如，可以在螺栓孔处对径向和轴向的方向进行约束，以允许绕该孔进行旋转。
B.强制位移
例如，在接触分析中，可以使一个零件移动指定距离，使其进入到另一个零件中。
C.其他场景
图3 定义约束
3.载荷
载荷工况是一组用于定义特定载荷条件的约束和载荷。可使用一个或多个载荷工况进行研究。针对每个载荷工况分别计算优化结果。但是，生成最终设计时会考虑与模型关联的所有载荷工况。
可以为模型定义以下约束和载荷：
A.结构约束
a)固定约束
b)位移约束
c)平面约束
d)圆柱约束
B.结构载荷
a)力载荷
b)力矩载荷
c)压力载荷
d)离心载荷
e)线性加速度载荷
约束和载荷显示在创成式设计树中的默认载荷工况节点下。除特殊情况外，载荷工况必须至少具有一个载荷和一个约束。
图4 定义载荷
执行分析
定义基础信息是用以进行分析，所以在只需定性分析的背景下，分析只对模型的形变进行预估，并不要求结构分析与实际情况相一致。
图5展示了分析后的结果，设计师可以据此来进行初步的结构力学分析。
图5 简单的结构力学分析结果
有上文结合分析配图可知：
1.在材料定义为ABS，模型形状如上图所示，在X轴方向上施加30N（约合3Kg）力的情况下，材料形变极小。
2.因施加的力方向为X轴向，所以关注模型在X轴向上的形变极值，根据分析，其极值约为2.02*10-6英寸。且形变位移最大点在模型上部。
3.通过图5可知，圆柱体与底部相交处，为模型受压以及受拉力量的最大处。以此分析结果提示设计师，模型最容易断裂或发生疲劳的点在于圆柱体根部。
2.2 设计优化
根据上述定性的分析结果，如果设计师根据业务情况，要针对性的改善结构受力，则可按以下方式进行：
1.改变材料
不同材料具有不同的材料性能，通常来说金属的屈服强度要大于塑料，所以如果将上述模型的材料从ABS改为FE60后，其受力情况也随之变化。
图6 FE60下的结构力学分析情况
从上图可知，当材料改为FE60后，位移有了明显的减小。其X方向上最大位移从原2.0210-6英寸改变为3.9710-8英寸。从数值结果上来看，仅仅材料的变化，即将整体位移缩小近两个数量级，可谓效果显著。此结果提示设计师当后续设计较为精密的设备时，金属的形变量通常小于工程塑料，若遇到适合的情况，可优先选用。
同时在载荷不变的情况下，比较两种材料的受力情况可知，虽然X方向上的位移量有明显改善，但是内应力却有所增大：最大压应力提升近2.93/2.67约等于1.1，即压应力增大10%。最大拉应力减少近3.26/3.49约等于0.93，即拉应力减小7%。
2.设计加强筋
更改材料虽然能明显减小形变，但并不是所有情况下都适合调整材料。通常设计师也会通过进行模型形状的调整，来增强结构强度。例如以下改型设计：
图7 增加加强筋
在材料依旧选用ABS的情况下，其余受力情况不变，通过分析得知，模型受力情况如下：
图8 含加强筋的受力分析
由上图可知：X方向上的最大位移从1.95710-6变为1.35410-6，最大位移减小30%。模型最大压应力减少近20%，最大拉应力减小近30%。结构应力优化效果也较为明显。
三. 结论
Creo是时下常用的三维设计工具，在当前形势下，不应简单的将Creo作为建模及出图的工具，虽然这部分的应用最为广泛，但在国产三维工具奋起直追的情况下，Creo的建模及出图优势正在丧失。Creo作为中高端的三维设计工具，在国内的应用应体现其产品能力及价值，即需要我们国内企业深入挖掘并应用Creo的基本功能，并逐步引入至常规设计中，通过设计软件的深入应用，来逐步提升企业的设计水准。
时下CAE工具开始日渐受到重视，但冷静下来分析，真正复杂的多物理场、非线性分析场景毕竟占比不高，且此类分析往往需要非常深厚的理论功底。而我国设计人员从理解到掌握需要一定的时间和过程，仅仅为了仅有的几个分析场景而采购高端CAE分析工具，其性价比并不高。反观常规结构力学的分析场景则较为普遍。工程师借助基本的应力分析及结果对比，不难发现模型在不同形状及材料下的应力变化，在快速定性分析的基础上，工程师还可根据实际工况或使用场景，逐步优化产品设计模型，假以时日，不难设计出一款优秀的产品。
