1 前言

      隨著現代科學技術的發展，要求在設計階段就能精確的預測出產品的技術性能、強度、壽命等，并需要對結構的靜、動力強度等技術參數進行分析計算。三維Autodesk Inventor是一個強大易用的機械設計三維參數化建模軟件，它融合了二維和三維設計并根據裝配約束關系進行相關零件的設計，是集Autodesk Inventor與參數實體造型、曲面造型、裝配造型、二維與三維雙向關聯繪圖以及與AutoCAD相互轉換于一體的機械設計系統。同時，在Inventor中集成了著名的ANSYS公司的有限元分析模塊，可用于確定結構上的外部載荷所引起的應力應變，靜強度校核、耐久性分析、損傷容限分析等，有效地提升了設計的正確性和精度。

2 Inventor功能簡介

      Inventor是Autodesk公司推出的最新和最現代的基于Microsoft Windows的機械設計系統，是一種包含了最新技術的基于特征的參數化實體造型軟件，它提供了高性能的機械工程和設計軟件，獨一無二的易用性簡化的用戶界面、高級幫助與支持系統以及內置的移植工具。

      Inventor主要包含五個模塊：零件造型、鈑金、裝配、表達視圖和工程圖。各模塊的基本功能如下：在零件環境中可以創建單一零件，創建二維草圖幾何特征、創建鈑金零件，生成的文件類型為零件文件(ipt)；在裝配部件環境中，可以調入已有的零件或創建新零件并添加裝配約束，同時可以控制特征的自適應性，生成的文件類型為部件文件(iam)；在表達視圖環境中，可以定義部件的分解視圖，并可進行裝配過程的動態模擬，生成的文件類型為表達視圖文件(ipn)；在工程圖環境中，可以由三維模型直接生成二維圖形，創建零件、部件及表達視圖的工程圖，生成的文件類型為工程圖文件(idw)。

      在Inventor系統環境中進行某一產品設計時，這四類文件全部互相關聯，設計者對其中任何一個文件所做的任何更改都會影響全部文件，從而確保所有文件的一致性，既方便又可靠。

3 Inventor三維造型特征分析

      三維實體模型是特征的集合。Inventor使用基于特征的參數化實體造型技術，使設計和表達更為簡單有效。同時，Inventor自帶ANSYS公司的有限元分析模塊，可以方便的進行應力分析，估算零件的安全系數等。

3.1 零件造型

      零件造型特征是生成零件的基本元素，主要包括草圖特征、放置特征、定位特征。草圖特征是從草圖幾何圖元創建的特征，如拉伸、旋轉、掃掠、放樣和螺旋掃掠等特征。沒有必要為零件的每一個特征都定義草圖，有些特征在指定參數并選擇其在零件中的位置后就可創建出來，這種不需要草圖的幾何特征稱為放樣特征，如孔、抽殼、圓角、倒角、拔模斜度、凸雕、貼圖、螺紋、陣列、鏡像等。定位特征一般用于輔助定位和定義新特征，包括工作平面、工作軸和工作點。通過零件造型，獲得如圖1所示的液壓缸。

                

3.2 部件裝配分析

      Inventor提供配合、對準角度、相切、插人等裝配約束，通過對零件之間添加裝配約束，方便零件裝配。Inventor提供了自適應裝配，使設計者不依靠參數或尺寸標注，只需指定零件之間的裝配關系，基于裝配的“配合”定義自動確定零件的尺寸和位置，在裝配環境，調入零件設計環境中已建好的零件三維模型，確定裝配主干線和裝配順序，利用Inventor提供的裝配約束及自適應功能對零部件添加裝配約束，生成.iam類型文件。當零部件修改時，裝配約束會保證部件按照指定的規則保持裝配關系。

                

       圖2為某公司軋鋼項目連續退火機組中帶夾送輥的入口剪裝配后的設備圖。在本例中機架開口度設計成自適應，尺寸其隨剪刃寬度而定，其他零件的配合有孔柱配合，端面對齊等。裝配好以后，運動部件可以通過裝配約束驅動來模擬執行動作以觀察晟終效果，同時在所有結構檢查完成之后對整個設備進行靜態和動態的自動干涉檢查，來判斷零部件之間有無干涉及干涉點，這樣實現了全關聯。即零件實體模型的改變將在所有引用該零件的裝配圖中自動得到調整，同時也將反映到二維圖形中，在裝配圖中對某零件實體進行的更改也將自動體現到零件圖中。

3.3 參數化設計

      參數化設計也稱為尺寸驅動，以驅動為特征，使CAD系統具有交互式繪圖的功能，甚至可以根據用戶提供的信息驅動系統自動繪圖，通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或修改已定義好的參數，自動完成對圖形中相關部分的改動，從而實現對圖形的驅動，以約束造型為核心，以尺寸驅動為特征。在參數化設計中采用參數化模型設計者可以通過調整參數來修改和控制幾何形狀，實現產品的精確造型，而不必在設計時專注于產品的具體尺寸，參數化設計方法存儲了設計的全過程，能設計出一系列而不是單一的產品模型，對已有設計的修改，只需變動相應的參數．而無需運行產品設計的全過程，極大地改善了圖形的修改手段，提高了設計的柔性。對于如圖3所示的中間連桿，利用設計意圖草圖的參數，采用模板化設計，快速得到中間連桿，同時利用Inventor的衍生功能，將表達設計意圖的草圖衍生到每一個零件中，可以實現：①只要修改設計意圖草圖中的相關參數，可以達到所有零件及相應工程圖自動修改；②將表達設計意圖的草圖放在Vault項目中，真正實現協同設計，使得不同設計者之間的數據能及時交換以提高工作效率。

                 

4 有限元分析

      Inventor提供了有限元分析模塊，大致功能有：零件的應力分析和自振頻率分析；可加載力、壓強、軸傳力、扭矩或重力到模型的點、面或邊；可添加各種約束到模型上；可按應力、應變、安全系數或自振頻率模式，進行分析計算并顯示結果；可改變模型幾何結構或分析條件，重新計算分析；有限元分析軟件是將真實的、物理的模型，轉換成數學表達進行的，數學模型是由有限個幾何單元組成，分析求解算法對各個單元進行獨立的分析計算，并根據相鄰單元的約束條件，得到整個幾何模型可能發生的結果。通過有限元分析，得到零件的安全系數、等效應力等參數，以確定零件設計是否合理。如圖4所示零件模型，其初始條件為：①兩個小孔和孔的端面是固定端；②大孔有沿著連接板平行方向的力5000N；③大孔有沿著孔中心線方向的力750N；④最小安全系數1.5；⑤最大變形不超過0.5mm。通過添加固定約束及外力，然后投入分析，得到該零件最小安全系數為1.32，不合格，再分析等效應力，可見如圖5所示結果，從結果中可以看出，最大應力發生在圖中標記區域，這就是應力集中現象。這說明這里的材料需要增加，以便增加這里的截面積，這樣在固定的外力下，通過增加面積，減少單位面積上的應力，達到分散作用力，解決應力集中的問題。

                  

5 結論

      1)Inventor是Autodesk公司開發的、為機械設計準備的輔助系統，用Autodesk Inventor軟件能進行三維模型到二維工程圖的自動轉換，還有視圖尺寸自動標注的功能，能完全防止漏尺寸、漏圖線問題的發生。用它創建裝配關系，能避免零件間配合尺寸的錯誤，能檢查出零件在傳動過程中是否有干涉情況，可有效地避免在現場裝配中出錯。設計需要更改時，只需直接修改三維模型，而相應的裝配關系和二維工程圖均會相應更改，使設計更改簡單無誤。

      2)通過lnventor平臺進行軋鋼設備的參數化設計，利用其裝配約束和衍生特性，進行了設計數據的關聯，設計者可以通過改變某些約束參數，不必改動零件設計全過程，便可更改設計，提高了設計效率。

      3)利用Inventor提供的有限元分析模塊，對零件在一定載荷作用下的應力狀態進行了有限元仿真分析，避免了設計失誤，優化了設計。（轉）