水润滑橡胶尾轴承参数化设计.docx
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水润滑橡胶尾轴承参数化设计
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（宋体小4号）
作者签名：
罗刚2012年6月2日
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作者签名：
罗刚2012年6月2日
导师签名：
年月日
水润滑橡胶尾轴承参数化设计
学生：
罗刚
指导老师：
秦红玲
三峡大学机械与材料学院
摘要：
随着CAD技术的发展,产品设计过程越来越广泛地采用三维建模的方法。
Pro/Engineer（简称Pro/E）是目前国内应用较广的三维CAD软件，在目前的应用中，齿轮、轴、轴承等简单零部件的参数化造型方法已经得到了广泛的应用。
本课题基于Pro/Engineer软件平台，应用其二次开发工具Pro/Toolkit和VisualC++6.0程序设计语言，设计、开发箱体零件三维参数化造型系统。
该系统能基于轴承零件形状特征，通过建立其三维参数化形状特征模型库，采用形状特征拼合法，交互完成水润滑橡胶尾轴承三维模型的建立。
关键词：
Pro/ENGINEER；；参数化造型；二次开发；Pro/Toolkit；水润滑橡胶尾轴承
Abstract：
WiththeCADtechnologydevelopment,productdesignprocessisbecomingmorewidelyusedmethodofthree-dimensionalmodeling.Pro/Engineer（referredtoasPro/E）iscurrentlythewidelyusedthree-dimensionalCADsoftware,inthecurrentapplication,gears,shaftsbearingandotherpartsoftheparametersofasimplemodelingmethodhasbeenwidelyused.
BasedonthesubjectofPro/Engineersoftwareplatform,applicationdevelopmenttools,theirsecondPro/ToolkitandVisualC++6.0programminglanguage,design,developthree-dimensionalparametricmodelingboxpartssystem.Thesystemcanshapefeaturebasedonboxpart,throughtheestablishmentofthethree-dimensionalshapefeatureparametersofthemodellibrary,theuseofShapeFeature,completeinteractivethree-dimensionalmodelofthewaterlubricationrubberbearings.
Keywords:
Pro/ENGINEER；ParametricModeling；SecondaryDevelopment；Pro/Toolkit；Thewaterlubricationrubberbearings
前言
经过多年的发展，CAD技术已经广泛应用于机械、电子、航天、化工、建筑等行业，起到了提高企业设计效率、优化设计方案、减轻设计人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。
三维造型设计取代二维平面设计是工程设计的趋势。
一方面，二维CAD系统对减少产品设计错误，设计更改方面有较大局限性，而且难以表达复杂形状的零件尤其是具有复杂曲面的零件。
另一方面，三维造型在可视化设计、装配设计、加工仿真以及有限元分析等方面有着平面设计无法比拟的优越性，是提高设计质量的重要手段。
因此三维CAD系统如Pro/E、UG、solidW0rks等目前己经得到了广泛的应用。
CAD系统作为设计数字化的关键平台，在设计中占据了越来越重要的地位。
在信息化的社会中，网络技术的发展和广泛应用，使信息的交流更加便捷，许多企业建立了内联网（Intranet）并连接到Internet上，CAD系统呈现集成化、网络化和分布化的发展趋势，以满足越来越多的产品设计的需求。
在实际应用中，因为用户的设计要求以及生产条件的复杂性，有时CAD软件难以完全适应，因此，在具体的CAD应用中还需要进行参数化设计，以满足用户的需求，使其更符合企业的生产设计需要。
参数化是在已有软件基础上的进一步完善和提高，使之更适合用户的要求。
参数化都是针对特定用户进行设计的，因此对用户来讲，成功地参数化设计可以大幅度提高软件的使用效率。
以交互式图形系统为主要支撑，以图形系统的用户语言为进程的控制者，以VC++6.0为系统连接及数据转换的枢纽，开发一个集参数化设计零件、交互式编辑图形、数据的系统管理为一体的基于Pro/E的机械专业软件。
目前，对常用的机械零件和标准件库进行CAD系统的二次开发是比较流行的。
箱体类零件是组成机器的重要部分，是最常用的机械零件，也是机械产品中运动部件设计的支撑。
但是箱体类零件的设计与绘图是十分繁琐且重复性很大的工作，传统的人工设计方法费时费力，且容易出错，设计人员将大量的时间和精力花费在一些重复性的工作上，缺乏更多的时间去进行创造性设计，导致产品开发周期长、产品质量差、市场竞争力弱等后果，然而，CAD技术推动了几乎一切领域的设计革命，对加速工程建设和缩短产品开发周期、提高产品质量、增强企业的市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。
本文正是基于这样一种CAD软件应用现状和船用箱体类零件应用的普遍性，以Pro/Engineer为开发平台，以船用箱体类零件为对象，进行CAD软件的参数化设计，以实现高效产品设计并满足更高层次的要求。
1.绪论
1.1国内外相关技术的发展现状
1.1.1国外CAD技术的发展现状
CAD技术起步于50年代后期。
60年代随着计算机软硬件技术的迅速发展，在计算机屏幕上绘图变为现实，从此CAD技术开始迅速发展。
CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，至那时起CAD开始实用化，以后的CAD技术作为一个分支而相对独立平稳地发展。
在CAD技术约50年的发展历史中，共经历了四次重大的技术革命:
（l）第一次CAD技术革命—曲面造型系统。
70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。
此时飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题。
由于三视图表达的不完整性，经常发生设计完成后，制造出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。
此时法国人提出了贝塞尔算法，使人们用计算机处理曲线与曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们在二维绘图系统CAD/CAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统，它的出现，标志着计算机辅助技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。
曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命，改交了以往只能近似表达曲面的落后的工作方式。
此时CAD软件价格极其昂贵，因此被称为“贵族化”的曲面造型系统。
（2）第二次CAD技术革命—实体造型技术。
有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。
但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性力矩等，对CAE十分不利，最大问题在于分析的前处理特别困难。
基于对于CAD/CAE一体化技术的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS。
由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD，CAE，CAM的模型表达，给设计带来极大的方便性。
它代表着未来CAD技术的发展方向。
实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。
但是实体造型技术带来数据计算量的极度膨胀。
在当时的硬件条件下，实体造型的计算和显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强，从而使得实体造型技术未能在整个行业全面推广。
许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力量去开发它，而是转而去攻克相对容易实现的表面模型技术。
不过在以后的十年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用。
（3）第三次CAD技术革命—参数化设计技术。
正当实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又有了重大进展。
那就是参数化实体造型方法.该方法具有以下特点:
基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。
80年代中期，PTC公司推出最早的参数化软件Pro/E。
进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上的简单易行的优势。
因而参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。
（4）第四次CAD技术革命—变量化技术。
参数化技术的成功应用，使它在90年代前后几乎成为CAD业界的标准。
但参数化技术亦尚有一些不足之处。
首先，“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力和想象力的发挥。
于是一种以参数化技术为蓝本，比参数化技术更先进的实体造型技术即变量化技术应运而生。
变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。
它的指导思想是:
设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，允许采用不完全尺寸约束，因为系统分担了很多繁杂的工作，因此只给出必要的设计条件，在这种情况下仍能保证设计的正确性及其效率性。
它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。
率先使用变量化技术的软件是SDRC公司推出的I-DEASMasterSeries软件。
变量化技术驱动了CAD发展的第四次技术革命。
CAD技术的发展历程说明，CAD技术一直处于发展和探索之中，并将继续发展下去。
正因为如此，才造就了今天CAD技术的兴旺与繁荣，在高速发展的现代化工业中起到重要的作用。
1.1.2国内CAD技术的发展现状
我国的CAD技术尽管在研究、开发和推广应用等方面起步比较晚，却也取得了一定的成绩，但与工业发达国家相比，无论在开发还是应用的广度与深度方面，仍存在较大差距。
我国的CAD技术虽起步于60年代末，几乎与工业发达国家同步，但资金投入不足及软件商业化程度低的原因导致了CAD基础理论相对落后。
在参数化技术方面，我国仍处于不断完善二维图形参数化技术阶段，而欧美已出现较为成熟的三维参数化CAD软件系统，它们利用其强大的技术优势基本占领了国际市场和一部分国内市场。
国内自主版权的CAD软件如高华CAD，电子图板CAXA，开目CAD等软件技术含量相对较低，主要面向国内市场，提供操作简便的二维工程图设计平台。
CAD技术的应用可以起到提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期等的作用，经过多年的投入和推广，我国CAD技术已经基本广泛应用在机械、电子、航空、建筑等行业。
概括来说，我国CAD技术的差距主要表现在以下四个方面:
（l）具有自主版权和设计功能的CAD应用软件较少；
（2）自主开发的CAD应用软件商品化程度较低；
（3）引进CAD软件的功能尚未得到充分开发和利用；
（4）不同行业和地区间的CAD应用程度参差不齐。
1.1.3参数化技术的发展现状
目前，参数化技术已成为CAD中最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计也成为评价CAD系统优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代CAD中概念设计以及并行设计思想，工程设计人员在设计初始阶段就可快速草拟产品的零件图，通过对产品形状及大小的约束最后精确。
自从以PTC公司的Pro/gineer为代表的基于特征造型的参数化设计（ParametriDesign）系统问世以来，在此基础上实现机械设计的自动化已经变得切实可行。
参数化设计技术是计算机辅助设计技术的一次巨大的飞跃，目前先进的CAD软件大部分实现了参数化。
参数化技术的研究有着漫长的历史，而构造基于约束的设计系统一直是人们追求的目标，以使设计对象能随着设计的不断深入，可以逐步施加和修改约束，直至产生最后的形体。
基于约束的设计和造型系统的发展大致可分为如下几个阶段:
（l）以交互式与约束技术混合使用为特征的初级阶段。
1963年至70年代中期，以Sutherland的sketchpad为代表，基于约束的交互作图是这一阶段的主要特征，其约束模型往往是基于数学的，且无解释功能。
（2）以约束满足为特色的发展阶段。
1977年至80年代中期是参数化技术的发展阶段。
在这一阶段，人工智能学科中关于约束满足问题的表达与处理技术为参数化发展提供了坚实的基础，基于约束的参数化变量设计取得了影响性的发展，主要表现在:
①约束表达机制日益丰富;②约束表达与处理技术日益成熟;③人工智能技术广泛应用于设计。
（3）成熟与应用阶段。
目前，在许多商品化的CAD平台中，基于约束驱动的参数造型功能已很成熟，可以很好地处理过约束与欠约束问题，可以充分利用交互特性，引导用户逐步确定设计过程，给出全部设计解;允许用户以任意方式和顺序定义集合约束和工程约束。
参数化设计技术是新一代智能化、集成化CAD系统核心技术之一，也是当前CAD技术的研究热点，已经形成了诸如变量几何和几何推理等多种方法。
根据用户需求不同，模型参数化有:
二维图形参数化、三视图参数化和三维特征参数化等三种形式[6]。
其中基于特征的参数化技术可以提供很完整的工程信息和灵活的建模操作而成为重要的产品设计辅助手段。
目前参数化技术已经广泛应用于三维设计软件中，能否实现参数化设计也成为评价CAD系统优劣的重要技术指标。
1.2本课题的研究目的与意义
尾轴承是舰船推进系统的重要组成部分，其作用是支承螺旋桨轴或尾轴。
由于螺旋桨轴悬伸布置且螺旋桨重量大，随着船舶吨位的增大，螺旋桨轴在螺旋桨重量的作用下发生挠曲，给尾轴承造成很大的边缘负荷。
另外，舰船尾轴承在工作时，除了承受尾轴和螺旋桨的自身重量以外，还要承受因螺旋桨的重量不平衡所引起的惯性力和船体变形所产生的附加力，以及当螺旋桨在不均匀流场中运转时，所产生的多种不同性质的力和力矩。
这使尾轴承处于恶劣的润滑状态，从而产生严重的摩擦，磨损，致使密封失效。
如果采用的是油润滑的尾轴承，密封失效，则油泄漏。
在一些特殊的工况下，如低速、重载、启动、停机等，恶劣的润滑状态会导致轴颈与轴承摩擦副产生噪声，影响舰船的乘坐舒适性。
这种噪声对水下航行器的危害更大，会严重威胁其安全性、隐蔽性及生存能力。
又由于尾轴承在水下工作，给检查、维修及保养带来很大的困难，故要求尾轴承有较高的使用可靠性和使用寿命。
部分舰船尾轴承使用金属材料，并以矿物油作为润滑剂，不仅耗费了大量油料和贵重金属等战略资源，而且为了防止油泄漏，需要进行密封，使其结构相当复杂，并很难解决各种摩擦副中产生的摩擦、磨损、振动、冲击、噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，特别是因油泄漏而造成环境污染日趋严重的现状。
舰船推进系统润滑油泄漏严重污染水环境的问题，近年来已引起各国政府、企业界和学术界的密切关注，少数工业发达国家投入巨额资金先后进行其治理技术及装备的研究。
美国政府并以法律形式明确规定，禁止尾轴承以油润滑的船舶在密西西比河等内陆河流中航行，违者将处以2.5万美金以上的罚款，以保护和净化水环境。
我国渤海湾水域规定“0”污染排放，长江也提出“0”污染排放要求，中国船级社也在为“0”排放方面制定相应的标准。
随着低碳经济时代的到来，“绿色船舶”的理念被推到了“聚光灯”下。
“绿色船舶”的核心内容是在其全寿命周期中，通过采用先进技术，能经济地满足用户功能和使用性能的要求，并节省资源和能源，减少或消除环境污染，且对劳动者（生产者和使用者）具有良好保护的船舶。
为了更快地推进绿色船舶的发展进程，国际海事组织（IMO）、欧盟以及各国船级社纷纷出台各种规范、标准，从制度上确保全球海洋环境或区域海洋环境尽可能地免受污染。
因此，在舰船尾管中，具有资源节约与环境友好特点的水润滑轴承取代油润滑轴承，是必然趋势。
军事领域要求水下航行器具有更高的便捷性、安全性、隐蔽性和生存能力，橡胶等高弹性材料以其优良的减振降噪，抗冲击性能而成为舰艇尾轴承瓦材料的首选。
随着船舶向大型化、高速化、轻型化方向发展，人们对船舶尾轴承的运行的可靠性，摩擦学性能，承载能力提出了更高的要求。
尾轴承作为舰船推进系统的重要组成部分，其性能的优劣直接影响舰船航行的快速性，安全性、隐蔽性及乘坐舒适性。
因此研究开发具有高比亚、低摩擦、低磨损、低噪声的水润滑尾轴承具有重要的意义。
2.开发工具与Pro/Toolkit开发框架
二次开发的首要任务是选择一个优良的开发平台。
这是因为支撑软件的功能和性能、适用范围、可靠性、开放性，以及是否有良好的二次开发接口在很大程度上会影响二次开发的性能。
因此，在选择一个优良的CAD软件作为开发平台作为支撑软件时，应考虑以下几个方面问题：
（l）支撑软件是一种通用软件。
通用软件要求其功能覆盖面广，能够完成多个行业所需的基本要求，系统性能良好，功能齐全且可靠；
（2）支撑软件必须是开放的体系，具有良好的用户接口。
开放的体系是指能向用户提供嵌入式系统的语言或者可使用的高级语言，用户据此可以编写自己的应用程序，在应用程序中，用户可以使用系统的二次开发工具来进行自己的应用程序开发；
（3）对支撑系统功能的基本要求：
①生成、显示速度快，图形质量高。
结构可靠，交互方式多样。
②具有菜单、工具条、对话框、快捷键等构成友好的工作界面。
③提供修改系统命令、系统界面和系统配置的手段，便于二次开发。
④提供通用的转化精度满足要求的数据交换接口。
根据这些条件，本文所选取的开发工具与平台如下：
（1）Pro/E3.0三维造型软件；
（2）Pro/Toolkit二次开发工具；
（3）VC++6.0编译环境。
2.1Pro/Toolkit工具
Pro/Toolkit是Pro/E软件自带的二次开发工具。
在Pro/Toolkit中，PTC向用户提供了大量的C语言函数库，函数采用面向对象的风格。
通过调用这些底层函数，用户能方便而又安全地访问Pro/E的数据库及内部应用程序，进行二次开发，扩展一些特定功能。
Pro/Toolkit中，每个对象都由一个标识符来标识，利用标识符就可以调用所对应的对象，这个标识符就是对象句柄。
句柄是用来标识被应用程序所建立或使用的对象的唯一整数，Windows使用各种各样的句柄标识诸如应用程序实例、窗口、控制、位图、等对象。
句柄和指针的概念不同，句柄指一个对象的标识，是稳定不变的；而指针是一个对象的首地址，在Windows中对象的地址是会改变的。
句柄可以看作是一个指向指针的指针。
Pro/Tookit函数命名约定为:
<基本对象>+<操作对象>+动作，动作是指对特定的Pro/Toolkit对象执行的某种操作。
常用的动作有以下几种:
Get获得，Gct用来获取对象的某个数据。
这类函数的输入是基本数据对象，输出是基本数据对象的某一信息。
Set设置，Set用来设置对象的数据值。
它也是以基本数据对象作为输入，并输入需要设置的变量的值。
Visit访问，Visit函数用来访问数据对象内的一组数据集合，如访问Pro/E零件模型的特征。
这类函数的输入参数通常是要被访问的数据对象以及访问的动作函数和过滤函数。
所谓的访问过滤函数就是在访问的过程中对数据进行过滤，把不满足条件的对象去除掉;访问动作函数对经过滤的对象进行处理。
例如在访问模型特征时，可以设置过滤函数过滤掉那些隐含的特征和隐藏的特征，留下那些没有被隐含的特征和隐藏的特征。
动作函数只处理一些没有被过滤的对象，如获得一些特征的类型或者名称。
2.2VisualC++简介
C++是一种面向对象的程序设计语言，是在C语言的基础上发展而来的，所以其语言保留了很多非面向对象的语言特性，及支持原有编程风格和编程模式。
在C++中，面向对象程序设计的基本特点如下：
（l）抽象
面向对象方法中的抽象是指对具体问题（对象）进行概括，抽出一类对象公共性质并加以描述。
一般来讲，对一个问题的抽象应该包括两个方面:
数据抽象和代码抽象。
前者描述某类对象的属性和状态，后者描述某类对象公共行为特征。
这样对于一个具体问题进行抽象分析的结果，就是通过类来描述和实现的。
（2）封装
将抽象得到的数据和代码相结合，形成一个有机的整体，也就是将数据与操作数据的行为进行有机的结合，这就是封装。
通过封装，将一部分成员作为类与外部接口，将其他的成员隐蔽起来，以达到对数据访问权限权的合理控制，使程序中不同部分之间的相互影响减少到最低限度.这样可以增强程序的安全性并简化程序的编写工作。
（3）继承
继承是一种方法，C++语言提供了一种继承机制，即新的类可以从己有类那里得到自己的特性，这样程序员可以在保持原有类特性的基础上，进行更具体、更详细的修改和扩充。
这种继承机制对于己有程序的发展和改进是极为有利的。
（4）多态
多态是指类中具有相似功能的不同函数使用同一名称来实现。
单一接口、多种方法是多态的形象描述。
在C++中，通过重载等技术，程序员能够创建具有相同名字，不同实现方法的函数等。
VisualC++自诞生以来，一直是Windows环境下最主要的应用开发系统之一。
VisualC++不仅是C++语言的集成开发环境，而且与Win32紧密相连，所以，利用VisualC++开发系统可以完成各种各样的应用程序开发，从底层软件直到上层直接面向用户的软件。
而且，VisualC++强大的调试功能也为大型软件的开发提供了有效的排错手段。
近几年来可视化技术得到了广泛的重视。
所谓可视化技术，一般是软件开发阶段的可视化和对计算机图形技术和方法的应用。
Visua1C++6.0是一个很好的可视化编程工具，使用VisualC++6.0环境来开发基于Windows的应用程序大大缩短了开发时间，而且它的友好界面便于程序员操作。
在VisualC++6.0环境下开发Pro/Toolkit应用程序是一种高效的方法。
2.3Pro/Toolkit二次开发框架
2.3.1Pro/Toolkit的工作模式
二次开发工具Pro/Toolkit有同步（SynchronousMode）和异步（AsynchronousMode）两种工作模式。
1）同步模式
同步模式包括两种模式，动态连接库（DynamicLinkLibrary，DLL）模式和多线程模式（MultiProcessMode）。
Pro/TOOLKIT应用程序集成到Pro/E中的标准方法是使用动态连接库。
当编译C源代码并将其与Pro/TOOLKIT库连接时，就会创建一个在Pro/E启动时连接到Pro/E中的目标库文件，就象是Pro/E本身的程序一样，这种方法称为“DLL模式”。
而在多线程模式下，应用程序代码被编写并连接为一个单独的可执行文件（EXE文件
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