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SolidWorks在产品一体化设计中的应用 |
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作者：中国运载火箭技术研究院15所 刘榕峰 |
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一、前言
在整个产品设计过程中采用了三维设计软件SolidWorks 2004，从方案设计到零件和装配体建模，再到工程图的出图，以及之后进行的方案修改和复核复算，运用到了SolidWorks 2004许多高级功能和丰富的插件，采用了同一个三维实体模型即最终方案设计模型来完成设计目的，确保了设计的精确性。由于产品的设计过程中没有使用多数设计人员普遍使用的AutoCAD进行二维出图的方法，而是直接由三维模型转为二维图，克服了产品限制条件苛刻、设计周期短、总体参数变动较大、继承性少及技术储备不足等诸多困难，利用软件所具有的参数化功能方便了设计修改，大大缩短了设计时间，提高了设计效率和设计质量，较好地完成了研制设计任务。
二、产品的一体化设计
1.方案设计
1)自顶向下的设计技术
在产品设计初期，设计依据是任务书中的一些相关参数。由于产品的相关参数变动较大，无法完全继承传统的产品结构，需要重新设计产品结构。对于这样变动较大的结构设计，如采用传统的设计方法，即先设计零件再组装成装配体的话，将花费大量的时间，设计周期无法满足。由此采用“自顶向下”的设计方法。首先确定任务书给定的相关参数为产品的主要参数化尺寸，进行整体草图布局，采用特征建模方式直接建立起产品的整体结构，以达到宏观控制设计的目的，此时产品整体结构是一个零件而不是装配体。这样做的好处在于它可以很方便地进行结构分析计算和方案修改，这种建模方法主要适用于材料基本相同，继承性比较少的新产品设计。
对于方案设计时的零件建模，需要注意的是各个特征之间的尺寸标注尽量相互无关（特征之间是关联的除外），避免在方案修改时，由于特征或者尺寸的修改导致整体建模的失败。
2)结构有限元分析
当产品的初步结构建立起来以后，必须对产品进行结构分析，以确保产品满足强度要求。如采用传统的计算方法，计算过程复杂且结果简单，不能完整反映产品实际的受力状况。由此采用SolidWorks 2004的插件COSMOSWorks 2004进行有限元分析，它的操作菜单集成在SolidWorks 2004软件中，功能齐全，分析过程快捷、简单，无须进行模型转换即可进行受力分析，极大地缩短了分析时间，在产品的方案设计中，对产品的结构修改均参考有限元分析的结果进行，在对产品进行了上百次的结构修改和有限元分析后，基本确定产品结构。
3)优化设计
该产品同以往产品相比，该产品要求的承载大了很多，整体采用悬臂结构，而所要求的产品重量、外形尺寸都没有相应加大，由此决定了产品必须在满足强度要求的前提下进行优化设计，最大程度地减轻重量，满足任务要求。
该产品结构件众多、复杂，尺寸较大，相关参数众多，如对整体结构尺寸进行优化，将花费大量时间，且硬件设备不足，无法支撑优化设计时消耗的资源，因此只对关键结构的关键尺寸进行优化设计。
优化设计采用的是COSMOSWorks 2004中的优化设计功能。主要是对产品的悬臂结构进行优化。如图1所示，取下支撑管到悬臂的距离L2、L3和斜拉杆L1的距离为优化参数，悬臂到回转轴距离L，悬拉臂的高度H，加载力F均为定值，约束点A、B位置不变， 取整体应力最小值为优化目标，目标差值在5％内即停止运算。为减少计算时间和计算量，对模型进行了一些简化和缩比。
在对产品进行完方案设计后，即可转入技术设计。由于大量的前期工作均在方案设计阶段就已经完成，后面的设计就相对简单和快捷。
图1 优化设计参数原理图
2.零件建模
1)建立零件模型
根据方案设计中的产品模型，按产品的建模顺序将方案设计中模型的各个特征转化成单个零件模型。
2)零件的多配置
在零件模型中，因为有些零件需要在工程图中显示倒角，但在装配体中无需显示倒角，因此利用SolidWorks 2004多配置功能，在同一个设计文档中做成有倒角和无倒角的两个零件模型，分别用于工程图的绘制和装配体的装配。
3.装配体
1)零件关联
对产品中的某些零件，其尺寸是和其他零件相关联的，并且不是主要结构件，因此不单独进行零件建模，而是在装配体中生成新零件，以保证尺寸的关联性。
2)零部件镜像
对于某些左右对称的零部件，只作出单边的零部件，再执行镜像零部件命令，让软件自动生成新的对称零部件，简化了零件建模数量和过程，缩短了零件建模时间，并且还能随着源零部件的改动做相应的改动。
3)零部件阵列
对需要阵列的零部件，可在装配完一个零部件后，执行零部件阵列命令，进行快速装配。
4)标准件的装配
SolidWorks 2004自带有Toolbox三维标准件库，拥有大量参数化的标准件，可从中选取不同标准，不同尺寸的各种标准件进行智能装配，提高了装配效率。
5)装配体加工
对已经装配好的装配体可进行切除和钻孔操作，真实模拟装配加工过程。该项命令对零件模型没有影响，只反映在装配体和装配图中。
6)运动碰撞和干涉检查
对装配体的活动件进行运动碰撞检查，查看限位运动的碰撞情况；对所有零部件进行干涉检查，查看装配情况和零部件模型的精确程度。
7)运动仿真
对已经做好的装配体，采用SolidWorks 2004的运动仿真软件COSMOSMotion 2004进行运动仿真，根据任务书给定的条件和设计相关参数，可以模拟产品的不同运动状态，检验产品的运动性能。
8)模态分析
对已经做好的装配体，采用COSMOSWorks 2004进行模态分析。确定产品固有模态在使用环境中不会发生共振。
4.工程图
当零件建模和装配体装配完成后，转入工程图绘制。通过模型生成快速准确的工程视图，由于模型和图纸尺寸相关联，并能自动生成尺寸标注，设计人员不必再进行尺寸核算，减少了设计中的人为差错和工作量，设计人员主要工作是对尺寸标注进行修改，以满足标准化和图面美观的要求。SolidWorks 2004工程图功能强大，标注基本符合国标要求，能够很好地满足工程图绘制需要和严格的航天标准化要求。
5.方案修改
在完成产品所有图纸的绘制后，由于总体输入参数的修改，产品结构需要做重大修改，按照方案设计过程将产品重新设计了一遍，整个产品结构尺寸有了较大改动。由于SolidWorks 2004具有良好的动态参数化设计功能和使用性，修改异常方便快捷，从方案修改、设计分析、零件建模、装配体装配、工程图绘制、复核复算，再到各级签署、图纸晒兰等，整个方案修改过程仅仅花了一个多月时间，这在以往的设计过程中是不可想象的，充分体现了SolidWorks在一体化设计中的重大作用和效率。在整个设计过程中，产品的结构设计过程基本由一人完成，避免了多人之间相互协调耗费时间；建模、分析、仿真也均在同一个实体模型上进行，避免了不同软件之间进行数据转换耗费大量时间。
6.复核复算
对已经设计好的产品方案，需要对其进行复核复算。SolidWorks 2004具有良好的数据转换性，可以将模型方便地转化为其他CAD和CAE软件所能识别的格式。在复核复算中，可以将三维模型转化为Parasolid格式供Ansys7.0使用，Ansys7.0顺利读取Parasolid格式模型，对模型没做任何修改。因为在方案设计阶段就已经进行了大量的分析计算，因此产品顺利通过复核复算，没有反复。在复核复算中，Ansys7.0所得到的计算结果比COSMOS的计算结果低一些。用不同软件对同一个模型进行有限元分析计算也在某种程度上实现了真正的复核复算。实际试验结果和COSMOS计算分析结果基本吻合。
7.试验结果
该产品是一个大型的结构复杂件，有多个使用工况。对已经生产好的产品进行加载试验，从实际测量结果看，产品的变形量和COSMOS与ANSYS计算分析结果基本相同，应力测试结果和COSMOS计算结果更为吻合一些，说明COSMOS分析结果能够满足工程设计精度要求。
8.发展
在产品的整个设计过程中，大量使用了SolidWorks 2004的许多高级功能和相关插件，但SolidWorks还有些软件功能因条件和硬件所限未能在本次设计中使用。如进行网络协同作业，使用Routing对产品上的电缆和电器接口进行三维立体电力电缆布置，使用COSMOSFloWorks对产品进行流体场分析、对某些复杂零件直接用CAMWorks插件生成NC代码进行数控加工，以及对重要零件进行疲劳分析等，这些都将在以后的设计中得到更充分的应用。
三、结论
从产品的整个设计过程可以看到，SolidWorks软件在设计中所起的重大作用。SolidWorks具有丰富的功能，众多的配套插件，容易使用，设计人员必须深入了解这些软件的各种高级功能后，才能够最大程度地发挥出软件的作用，实现一体化设计。
SolidWorks一体化设计不仅仅是简单地三维建模，出二维图。而是将方案设计、优化设计、模态分析、流体场分析、疲劳分析、零件建模、动态模拟装配、高级渲染、运动仿真以及工程图绘制等设计全过程集于一个SolidWorks软件当中，这样做对于缩短产品的研制周期，降低研制成本有着显著作用。
SolidWorks软件作为一种使用工具，能够帮助设计人员从繁琐的绘图和计算中解脱出来，提高设计人员的设计效率和绘图质量，从而能够集中精力去进行方案的设计工作，但不能代替设计人员进行方案构思和设计，产品的质量好坏最终还是依赖于设计人员的设计水平。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(8/24/2005) |
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