本文以某型號(hào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程為例說明SolidWorks在一體化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。這里要求設(shè)計(jì)者要對(duì)所使用的SolidWorks軟件本身功能有深入的了解，這樣才可以最大程度地將其功能使用出來，并發(fā)揮出三維軟件的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)真正意義上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

　　一、前言

　　在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中采用了三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 2004，從方案設(shè)計(jì)到零件和裝配體建模，再到工程圖的出圖，以及之后進(jìn)行的方案修改和復(fù)核復(fù)算，運(yùn)用到了SolidWorks 2004許多高級(jí)功能和豐富的插件，采用了同一個(gè)三維實(shí)體模型即最終方案設(shè)計(jì)模型來完成設(shè)計(jì)目的，確保了設(shè)計(jì)的精確性。由于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中沒有使用多數(shù)設(shè)計(jì)人員普遍使用的AutoCAD進(jìn)行二維出圖的方法，而是直接由三維模型轉(zhuǎn)為二維圖，克服了產(chǎn)品限制條件苛刻、設(shè)計(jì)周期短、總體參數(shù)變動(dòng)較大、繼承性少及技術(shù)儲(chǔ)備不足等諸多困難，利用軟件所具有的參數(shù)化功能方便了設(shè)計(jì)修改，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，較好地完成了研制設(shè)計(jì)任務(wù)。

　　二、產(chǎn)品的一體化設(shè)計(jì)

　　1.方案設(shè)計(jì)

　　1)自頂向下的設(shè)計(jì)技術(shù)

　　在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)依據(jù)是任務(wù)書中的一些相關(guān)參數(shù)。由于產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)變動(dòng)較大，無法完全繼承傳統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，需要重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。對(duì)于這樣變動(dòng)較大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即先設(shè)計(jì)零件再組裝成裝配體的話，將花費(fèi)大量的時(shí)間，設(shè)計(jì)周期無法滿足。由此采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法。首先確定任務(wù)書給定的相關(guān)參數(shù)為產(chǎn)品的主要參數(shù)化尺寸，進(jìn)行整體草圖布局，采用特征建模方式直接建立起產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)，以達(dá)到宏觀控制設(shè)計(jì)的目的，此時(shí)產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)是一個(gè)零件而不是裝配體。這樣做的好處在于它可以很方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和方案修改，這種建模方法主要適用于材料基本相同，繼承性比較少的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

　　對(duì)于方案設(shè)計(jì)時(shí)的零件建模，需要注意的是各個(gè)特征之間的尺寸標(biāo)注盡量相互無關(guān)(特征之間是關(guān)聯(lián)的除外)，避免在方案修改時(shí)，由于特征或者尺寸的修改導(dǎo)致整體建模的失敗。

　　2)結(jié)構(gòu)有限元分析

　　當(dāng)產(chǎn)品的初步結(jié)構(gòu)建立起來以后，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以確保產(chǎn)品滿足強(qiáng)度要求。如采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法，計(jì)算過程復(fù)雜且結(jié)果簡(jiǎn)單，不能完整反映產(chǎn)品實(shí)際的受力狀況。由此采用SolidWorks 2004的插件COSMOSWorks 2004進(jìn)行有限元分析，它的操作菜單集成在SolidWorks 2004軟件中，功能齊全，分析過程快捷、簡(jiǎn)單，無須進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換即可進(jìn)行受力分析，極大地縮短了分析時(shí)間，在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)修改均參考有限元分析的結(jié)果進(jìn)行，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了上百次的結(jié)構(gòu)修改和有限元分析后，基本確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

　　3)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　該產(chǎn)品同以往產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品要求的承載大了很多，整體采用懸臂結(jié)構(gòu)，而所要求的產(chǎn)品重量、外形尺寸都沒有相應(yīng)加大，由此決定了產(chǎn)品必須在滿足強(qiáng)度要求的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度地減輕重量，滿足任務(wù)要求。

　　該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件眾多、復(fù)雜，尺寸較大，相關(guān)參數(shù)眾多，如對(duì)整體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，將花費(fèi)大量時(shí)間，且硬件設(shè)備不足，無法支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)消耗的資源，因此只對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的是COSMOSWorks 2004中的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。主要是對(duì)產(chǎn)品的懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。如圖1所示，取下支撐管到懸臂的距離L2、L3和斜拉桿L1的距離為優(yōu)化參數(shù)，懸臂到回轉(zhuǎn)軸距離L，懸拉臂的高度H，加載力F均為定值，約束點(diǎn)A、B位置不變，取整體應(yīng)力最小值為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)差值在5%內(nèi)即停止運(yùn)算。為減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量，對(duì)模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化和縮比。

　　在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完方案設(shè)計(jì)后，即可轉(zhuǎn)入技術(shù)設(shè)計(jì)。由于大量的前期工作均在方案設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)完成，后面的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單和快捷。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)原理圖

　　2.零件建模

　　1)建立零件模型

　　根據(jù)方案設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品模型，按產(chǎn)品的建模順序?qū)⒎桨冈O(shè)計(jì)中模型的各個(gè)特征轉(zhuǎn)化成單個(gè)零件模型。

　　2)零件的多配置

　　在零件模型中，因?yàn)橛行┝慵枰诠こ虉D中顯示倒角，但在裝配體中無需顯示倒角，因此利用SolidWorks 2004多配置功能，在同一個(gè)設(shè)計(jì)文檔中做成有倒角和無倒角的兩個(gè)零件模型，分別用于工程圖的繪制和裝配體的裝配。

　　3.裝配體

　　1)零件關(guān)聯(lián)

　　對(duì)產(chǎn)品中的某些零件，其尺寸是和其他零件相關(guān)聯(lián)的，并且不是主要結(jié)構(gòu)件，因此不單獨(dú)進(jìn)行零件建模，而是在裝配體中生成新零件，以保證尺寸的關(guān)聯(lián)性。

　　2)零部件鏡像

　　對(duì)于某些左右對(duì)稱的零部件，只作出單邊的零部件，再執(zhí)行鏡像零部件命令，讓軟件自動(dòng)生成新的對(duì)稱零部件，簡(jiǎn)化了零件建模數(shù)量和過程，縮短了零件建模時(shí)間，并且還能隨著源零部件的改動(dòng)做相應(yīng)的改動(dòng)。

　　3)零部件陣列

　　對(duì)需要陣列的零部件，可在裝配完一個(gè)零部件后，執(zhí)行零部件陣列命令，進(jìn)行快速裝配。

　　4)標(biāo)準(zhǔn)件的裝配

　　SolidWorks 2004自帶有Toolbox三維標(biāo)準(zhǔn)件庫，擁有大量參數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)件，可從中選取不同標(biāo)準(zhǔn)，不同尺寸的各種標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行智能裝配，提高了裝配效率。

　　5)裝配體加工

　　對(duì)已經(jīng)裝配好的裝配體可進(jìn)行切除和鉆孔操作，真實(shí)模擬裝配加工過程。該項(xiàng)命令對(duì)零件模型沒有影響，只反映在裝配體和裝配圖中。

　　6)運(yùn)動(dòng)碰撞和干涉檢查

　　對(duì)裝配體的活動(dòng)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)碰撞檢查，查看限位運(yùn)動(dòng)的碰撞情況;對(duì)所有零部件進(jìn)行干涉檢查，查看裝配情況和零部件模型的精確程度。

　　7)運(yùn)動(dòng)仿真

　　對(duì)已經(jīng)做好的裝配體，采用SolidWorks 2004的運(yùn)動(dòng)仿真軟件COSMOSMotion 2004進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，根據(jù)任務(wù)書給定的條件和設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，可以模擬產(chǎn)品的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢驗(yàn)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)性能。

　　8)模態(tài)分析

　　對(duì)已經(jīng)做好的裝配體，采用COSMOSWorks 2004進(jìn)行模態(tài)分析。確定產(chǎn)品固有模態(tài)在使用環(huán)境中不會(huì)發(fā)生共振。

　　4.工程圖

　　當(dāng)零件建模和裝配體裝配完成后，轉(zhuǎn)入工程圖繪制。通過模型生成快速準(zhǔn)確的工程視圖，由于模型和圖紙尺寸相關(guān)聯(lián)，并能自動(dòng)生成尺寸標(biāo)注，設(shè)計(jì)人員不必再進(jìn)行尺寸核算，減少了設(shè)計(jì)中的人為差錯(cuò)和工作量，設(shè)計(jì)人員主要工作是對(duì)尺寸標(biāo)注進(jìn)行修改，以滿足標(biāo)準(zhǔn)化和圖面美觀的要求。SolidWorks 2004工程圖功能強(qiáng)大，標(biāo)注基本符合國標(biāo)要求，能夠很好地滿足工程圖繪制需要和嚴(yán)格的航天標(biāo)準(zhǔn)化要求。

　　5.方案修改

　　在完成產(chǎn)品所有圖紙的繪制后，由于總體輸入?yún)?shù)的修改，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要做重大修改，按照方案設(shè)計(jì)過程將產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)了一遍，整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸有了較大改動(dòng)。由于SolidWorks 2004具有良好的動(dòng)態(tài)參數(shù)化設(shè)計(jì)功能和使用性，修改異常方便快捷，從方案修改、設(shè)計(jì)分析、零件建模、裝配體裝配、工程圖繪制、復(fù)核復(fù)算，再到各級(jí)簽署、圖紙曬蘭等，整個(gè)方案修改過程僅僅花了一個(gè)多月時(shí)間，這在以往的設(shè)計(jì)過程中是不可想象的，充分體現(xiàn)了SolidWorks在一體化設(shè)計(jì)中的重大作用和效率。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程基本由一人完成，避免了多人之間相互協(xié)調(diào)耗費(fèi)時(shí)間;建模、分析、仿真也均在同一個(gè)實(shí)體模型上進(jìn)行，避免了不同軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換耗費(fèi)大量時(shí)間。

　　6.復(fù)核復(fù)算

　　對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品方案，需要對(duì)其進(jìn)行復(fù)核復(fù)算。SolidWorks 2004具有良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性，可以將模型方便地轉(zhuǎn)化為其他CAD和CAE軟件所能識(shí)別的格式。在復(fù)核復(fù)算中，可以將三維模型轉(zhuǎn)化為Parasolid格式供Ansys7.0使用，Ansys7.0順利讀取Parasolid格式模型，對(duì)模型沒做任何修改。因?yàn)樵诜桨冈O(shè)計(jì)階段就已經(jīng)進(jìn)行了大量的分析計(jì)算，因此產(chǎn)品順利通過復(fù)核復(fù)算，沒有反復(fù)。在復(fù)核復(fù)算中，Ansys7.0所得到的計(jì)算結(jié)果比COSMOS的計(jì)算結(jié)果低一些。用不同軟件對(duì)同一個(gè)模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算也在某種程度上實(shí)現(xiàn)了真正的復(fù)核復(fù)算。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果和COSMOS計(jì)算分析結(jié)果基本吻合。

　　7.試驗(yàn)結(jié)果

　　該產(chǎn)品是一個(gè)大型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜件，有多個(gè)使用工況。對(duì)已經(jīng)生產(chǎn)好的產(chǎn)品進(jìn)行加載試驗(yàn)，從實(shí)際測(cè)量結(jié)果看，產(chǎn)品的變形量和COSMOS與ANSYS計(jì)算分析結(jié)果基本相同，應(yīng)力測(cè)試結(jié)果和COSMOS計(jì)算結(jié)果更為吻合一些，說明COSMOS分析結(jié)果能夠滿足工程設(shè)計(jì)精度要求。

　　8.發(fā)展

　　在產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，大量使用了SolidWorks 2004的許多高級(jí)功能和相關(guān)插件，但SolidWorks還有些軟件功能因條件和硬件所限未能在本次設(shè)計(jì)中使用。如進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作業(yè)，使用 Routing對(duì)產(chǎn)品上的電纜和電器接口進(jìn)行三維立體電力電纜布置，使用COSMOSFloWorks對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行流體場(chǎng)分析、對(duì)某些復(fù)雜零件直接用 CAMWorks插件生成NC代碼進(jìn)行數(shù)控加工，以及對(duì)重要零件進(jìn)行疲勞分析等，這些都將在以后的設(shè)計(jì)中得到更充分的應(yīng)用。

　　三、結(jié)論

　　從產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)過程可以看到，SolidWorks軟件在設(shè)計(jì)中所起的重大作用。SolidWorks具有豐富的功能，眾多的配套插件，容易使用，設(shè)計(jì)人員必須深入了解這些軟件的各種高級(jí)功能后，才能夠最大程度地發(fā)揮出軟件的作用，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。

　　SolidWorks一體化設(shè)計(jì)不僅僅是簡(jiǎn)單地三維建模，出二維圖。而是將方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、模態(tài)分析、流體場(chǎng)分析、疲勞分析、零件建模、動(dòng)態(tài)模擬裝配、高級(jí)渲染、運(yùn)動(dòng)仿真以及工程圖繪制等設(shè)計(jì)全過程集于一個(gè)SolidWorks軟件當(dāng)中，這樣做對(duì)于縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研制成本有著顯著作用。

　　SolidWorks軟件作為一種使用工具，能夠幫助設(shè)計(jì)人員從繁瑣的繪圖和計(jì)算中解脫出來，提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率和繪圖質(zhì)量，從而能夠集中精力去進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)工作，但不能代替設(shè)計(jì)人員進(jìn)行方案構(gòu)思和設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的質(zhì)量好壞最終還是依賴于設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。