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SolidWorks2008在飞机牵引车结构强度分析中的应用 |
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二维CAD代替手工绘图是CAD技术发展的第一个里程碑，二维CAD向三维转换更是CAD发展的必然趋势。从整个CAD市场发展来看，制造企业从二维CAD转向三维CAD，将成为提升制造业产品创新能力的重要保证。日前，记者走访了北京金轮坤天特种机械有限公司，该企业应用三维CAD软件—SolidWorks进行新产品的研发设计，初步实现了军工企业自主品牌研发的核心技术与国际水平接轨。
踏着发展的节拍
在品牌和性能为主的飞机牵引车行业，北京金轮坤天特种机械有限公司以品牌营销和创新设计见长，正是从这里，开出了我国第一辆正式列装的军用飞机牵引车。在公司已完成的项目中，既有获得原机械工业部科技进步一等奖的低车身高速飞机牵引车，也有跻身于国际科技前沿的无杆式飞机牵引车，如图1所示。这里被公认为国家牵引车行业的重要研制开发基地，在国内外市场上具有不可小觑的竞争力。
图1 无杆飞机牵引车
走进金轮坤天特种机械有限公司的研发中心，总工王志告诉记者，自一开始，“金轮人”就十分注意产品的创新，因此才能在充分掌握CAD、模块法和有限元法等先进的设计技术的基础上，开发出了具有中国特色的特种行走机械。但由于受到原材料的价格上涨等因素的影响，该行业的新产品更迭速度越来越快，因此为了能够更快速推出可信赖的高质量产品，“金轮人”的产品设计面临着挑战：在原有的2D设计模式下，无法较好地解决设计中常存在的几个问题，如复杂投影线的生成问题、漏标尺寸、漏画图线问题、机构几何关系和运动关系的分析讨论问题、设计的更新与修改问题、设计工程管理问题等，这些都使得设计效率远远达不到所需要求。因此对原有的产品设计流程进行优化以有效提高设计效率是必然趋势，缩短设计流程、减少错误设计是唯一可行的道路。
基于SolidWorks的设计流程
为了提升产品的创新能力，金轮坤天特种机械有限公司的设计思想、设计理念、设计方法与设计手段向三维转换，经过一个阶段的实施，目前初步形成以二维CAD为主，三维CAD为补的应用模式。
2007年9月，金轮坤天特种机械有限公司采购了SolidWorks Office Professional版软件，并应用于新产品的研发中，作为SolidWorks软件增值经销商的北京钦盟科技公司协助完成了该软件安装实施、培训咨询以及技术支持等工作。“我们所看中的是SolidWorks软件对于国外制造企业的丰富服务经验，以及其功能强大、简单易用的设计优势，就连六十多岁的老工程师都能够很快上手使用。”王志说，“随着应用的发展，二维和三维的技术和产品,都会融入到企业PLM整体战略和解决方案的规划中，我们可以根据自身的特点，不断优化产品生命周期中各个关键流程，如设计、工艺、制造等，以达到相应快速、效益最优的目标。”
目前，SolidWorks在金轮坤天特种机械有限公司已帮助工程师和设计人员完成了创建无杆式飞机牵引车中车架部分的零件、装配体和生产级工程图。据负责无杆式飞机牵引车该项目的主管闫洪峰介绍，在飞机牵引车的车架部分设计中，由于车架基本上都是由焊接的钢板组成，而且特征繁多，造型比较复杂，使用SolidWorks三维建模时，可先将简单的钢板建模，然后将焊接件装配成装配体形式，层次分明，如图2所示。由于车架的整体结构基本是对称的，所以说合理解决对称的特征和零件可以提高设计效率，节省时间，并且对于整体的装配和分析也有着至关重要的作用。总之，在车架零件的三维建模过程中，SolidWorks软件不但确保了设计的正确无误，虚拟装配能力更使得设计人员对整个产品的装配过程有了完全真实的体验，感受到了三维设计所带来的轻松与效率。
图2 无杆飞机牵引车的车架模型
面向设计流程的仿真分析
CAE技术的发展和三维CAD技术密不可分，在竞争日渐激烈的飞机牵引车行业，“虚拟样机”成为了“金轮人”在商海中制胜的法宝，仿真分析更是虚拟样机设计流程上不可缺少的一个环节。在该企业中，以前是应用专业有限元技术对产品进行分析，由于设计人员与分析人员分属不同部门，往往由于缺乏顺畅的沟通而使得产品开发周期大大延迟。在工程师采用作为SolidWorks软件的一个插件、与SolidWorks共享统一的数据库的结构分析软件COSMOS后，闫洪峰说：“不管你有没有实际的分析经验，COSMOS的图形化操作界面可使您直观地划分网格单元、定义边界载荷条件及快速地求解计算结果，并且可以保证分析结果与理论结果十分相近;它的低价位使我们使用有限元分析软件立竿见影。”
具体到无杆式飞机牵引车项目中，在COSMOS中对无杆式飞机牵引车的车架部分进行分析时，首先施加约束，定义了后轮马达安装孔和前桥两处的约束;再设置加载12吨，定义油缸拉力28吨，销轴向前顶推力25.6吨、向下力8吨，得到车架部分的Von Mises应力云图。由于Von Mises是一种等效应力，它用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化，从而使工程师可以快速地确定模型中的最危险区域，如图3所示。闫洪峰解释出，显示翠绿颜色的地方就是最危险、易出现问题的区域，图4为实车的车架结构强度测试，图5是有限元分析应变值与实测应变值比较，可以看到大部分对应点的应变值比较接近，少数对应点存在一定偏差。
可以得出结论，试验数据与仿真数据之间确实有非常好的映射关系，可以根据仿真数据推出试验数据。应用COSMOS的工程师们可以用仿真分析部分代替试验，减少试验工作量和成本。并且可以通过仿真分析，验证产品性能。
图3 无杆飞机牵引车车架部分的Von Mises应力云图
图4 实车的车架结构强度测试
图5 有限元分析应变值与实测应变值比较
高奏创新的旋律
经过半年多的使用，北京金轮坤天特种机械有限公司工程师设计手段得到了提升，设计思想得以升华，产品开发水平也跃上了一个新台阶。主要表现在三个方面：
(1)提高了设计质量。COSMOSWorks易学易用，实现了部分复杂产品的虚拟设计，通过干涉检查基本上消除了产品设计的低级错误，客户的反馈也越来越好。
(2)提高了设计效率。三维设计出来的产品是生产的真实反映，从而减少了原型机的研制,为企业节省了研制费用，缩短产品投放市场的时间。COSMOS成为产品提早上市并降低成本风险的坚强后盾。
(3)提高了声誉。所建立的三维模型使企业在参加产品招标、产品宣传、产品销售和市场推广等方面变得更加方便简单，客户对该企业产品的认识也更加深刻。
总工王志告诉记者，针对现代制造企业追求高品质设计的目标，今后金轮公司将进一步普及三维设计，建立全数字化的研发平台，而且还将建立和固化基于SolidWorks软件的产品设计流程，设定虚拟产品的开发目标，最终确定各项应用技术集成的策略。(end)
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(9/11/2008) |
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