solidworks裝配體改為柔性_SolidWorks在重型機器産品開發中的應用

主流三維CAD軟體SolidWorks在重工行業得到了普遍應用，國内許多重工企業購置了SolidWorks軟體，并以此作為企業的産品開發平台。華泰重工制造有限公司是一家緻力于散狀物料輸送裝置及系統研發與制造的企業，主要産品包括臂式鬥輪取料機、圓管帶式輸送機、裝船機、卸船機等。面對資訊時代的挑戰，該公司提出了“實作無差錯、高效率、低成本設計”的産品開發平發政策，于2004年向長沙凱士達資訊技術有限公司購買了SolidWorks軟體、技術教育訓練、參數化設計項目導航等相關服務，經過兩年的推廣普及，建立了一個基于SolidWorks創新設計平台。下文将讨論重型機器的設計特點以及基于SolidWorks的解決方案，總結一套可以推廣應用的基于三維CAD軟體的重型機器的産品開發模式。

一、重型機器産品設計概述

重型機器最顯著的特點是大。臂式鬥輪取料機一般有30多米長，是一種連續、高效的散狀物料裝卸輸送機械，廣泛應用于火電廠、港口碼頭、鋼鐵冶金、建材水泥、礦山、化工、煤炭與焦化廠等原料儲運場，可實作煤炭、礦石、化工原料等散狀物料的堆取、轉運、裝卸的連續作業。管式皮帶機通常有幾公裡長，是近二十年來在帶式輸送機基礎上發展起來的一種新型散狀物料連續輸送裝置，它克服了帶式輸送機固有的缺陷與使用範圍的局限性。特别适用于地形條件複雜，必須跨繞建築物或江河、街道、環保要求高、需封閉輸送的環境。廣泛應用于冶金、建材、化工、火電及港口散貨碼頭等環境，輸送礦石、煤炭、原料、廢渣、垃圾等物料。

重型機器的制造特點是定制化生産。臂式鬥輪取料機和管式皮帶機均需要根據使用者的使用現場進行定制設計，幾乎沒有兩台完全相同的産品。但是許多零部件是通用的，或者形狀相同或相近，而尺寸大小不一樣。是以，系列化、子產品化設計、配置設計是提高設計效率、降低生産成本的主要手段。

重型機器的核心設計技術是結構強度分析。大型裝置一旦出現安全事故，損失會非常大，必須確定設計的安全性；同時重型機器要消耗大量的鋼材，在保證安全的前提下，要盡可能降低成本。平衡安全與成本的主要手段是有限元分析。

華泰重工的經營模式是以設計為主導，大量委外加工、到客戶現場裝配。公司的重點是經營品牌，保持設計優勢，是以設計能力是企業核心的競争力。在選擇軟體時重點考核軟體支援大裝配的能力、支援配置設計的能力和面向設計過程的結構有限元分析功能。

二、設計流程的重組

1.與SolidWorks 軟體相适應的設計流程

傳統的設計流程是基于二維CAD環境建立的，設計流程比較粗放，一般分為“功能設計、概念設計、詳細設計” 三個階段，至于每個階段的定義和所涉及的工作内容，專家們從不同的角度給出了不同的定義，沒有統一的約定。由于三維CAD軟體的應用受到計算機硬體的限制，基于三維CAD軟體的設計思路與基于二維CAD軟體的設計思路有很大的不同，如果按照二維的思維模式和設計流程使用三維CAD軟體，不但不能展現出優勢，可能反而表現出許多劣勢。

要充分發揮三維CAD軟體的優勢，必須探讨一種新的設計流程和設計模式。基于SolidWorks所蘊涵的現代設計思想和産品模組化特點，建議将設計過程分為“功能設計、概念設計、結構設計、詳細設計、出工程圖”五個階段。因功能設計和出工程圖的定義比較清晰和統一，故此處不做讨論，下面讨論三維CAD模式的概念設計、結構設計、詳細設計的定義。

(1)概念設計階段的任務是确定各零部件之間的位置關系和運動關系。在SolidWorks中利用布局草圖來實作概念設計，首先建立總裝配圖檔案，在裝配檔案中繪制一個或多個草圖，用草圖顯示每個零部件的位置，用 “塊”定義零件的尺寸和形狀，拖動零件檢查零部件之間的運動關系。概念設計階段形成的布局草圖是進行方案讨論和小組協同設計的基礎。使用布局草圖設計裝配體最大的好處是如果更改了布局草圖，則裝配體及其零件都會自動随之更新，達到改變一處即可快速地完成修改。

(2)結構設計階段的任務有兩個，其一是為運動仿真分析和結構有限元分析提供模型，凡是在分析中要忽略的細節(如小孔、倒角等)均不宜出現；其二是提供一個可以參加招投标的原理性設計方案，招投标中需要表達清楚地内容都要清楚地表達，而可以忽略的細節均省略。

(3)詳細設計階段的任務是清楚地表達與産品加工和裝配有關的每一個細節。如零件模型中的倒角、螺釘孔、銷釘孔，裝配圖中的緊固件、标準件等。

2.基于SolidWorks的重型機器設計流程

以此對應，将産品設計過程分解為五個階段。以臂式鬥輪取料機的設計為例讨論理想的設計流程、各階段的任務及人員職責。

(1)功能設計階段的任務是根據使用者的地理環境、輸送需求，确定鬥輪機的結構形式及主要功能子產品。

(2)概念設計由項目負責人完成，首先對産品進行子產品劃分、确定各功能子產品是采用标準子產品，還是通過對已有的子產品添加新配置進行變形設計，還是進行新設計，然後采用布局草圖确定各功能部件之間的關系，重點是确定各運動連接配接副的位置坐标或各運動副之間的位置關系尺寸。

(3)結構設計一般由6-10人協同完成，每人負責1-2個功能子產品的設計，每個功能子產品作為一個獨立的裝配體。每個成員以總布局草圖為基礎進行派生設計、項目負責人根據總布局草圖對各功能子產品進行總裝配設計。

(4)結構設計的結果傳遞給工業設計師進行産品的美化設計，傳遞給仿真分析工程師進行運動仿真和結構強度分析，結構設計、工業設計、仿真分析三者之間不斷地疊代，使産品的結構趨于完美。

(5)結構設計的結果被确定後再進行詳細設計，出工程圖。

三、産品設計政策

1.設計與制造過程中産品配置

在設計與制造中，不同階段常需要不同的産品模型，SolidWorks的配置功能有效地解決了這個問題。建立零件和裝配體時，模型會自動生成一個預設配置，正常情況下，一個預設配置便能滿足要求。但一些特殊的零件，根據模型使用目的的不同，可能需要添加多個配置。下面是一些常用的配置。

(1)預設配置是零件與裝配體的基本配置，沒有特殊要求時，模型通常隻有一個預設配置。當模型有多個配置時，預設配置一般用于儲存詳細設計的結果。

(2)裝配配置是為了實作大裝配體模組化而添加的配置，為了減少模型的存儲量，裝配配置壓縮了所有與裝配關系表達無關的特征。

(3)結構配置是用于運動仿真分析和結構強度分析用的配置，壓縮了所有與分析無關的細節特征。

(4)工程圖配置是用于出工程圖的配置，在傳統的二維工程圖中，有些約定成俗的畫法是不符合投影關系的，為了畫出這些約定成俗的畫法，須對模型做一些修改，生成一個工程圖配置。

(5)工藝配置是為了描述制造過程中某道工序的中間結果而增加的配置、如用于鑄造工藝的毛坯配置、對數控加工工序中被加工特征進行描述的工藝配置。

2.配置設計與參數化設計

臂式鬥輪取料機、圓管帶式輸送機是典型的定制化産品、系列化産品，産品設計工作量很大，如果能實作參數化的系列設計和配置設計，則能極大地提高設計效率。SolidWorks的參數化設計與配置設計功能夠滿足這種需求。

盡管SolidWorks是參數化設計軟體，但必須合理地規劃零部件的模組化過程，才能有效地實作參數化設計。幾何模組化時應保證，修改模型的參數時模型不會出錯；隻需改變很少的尺寸便能實作對模型的修改，而且不引起其它特征的更改。要有效地進行參數化設計，必須對模型的尺寸進行深入的分析。一般将尺寸分為四類：功能尺寸、結構強度尺寸、結構布局尺寸和關聯尺寸。

(1)功能尺寸是根據産品功能需求确定的尺寸，在設計系列産品時，對功能尺寸取一系列的值，構成産品的系列。在優化設計時，功能尺寸一般不改變。

(2)結構強度尺寸是反映零部件強度的尺寸，強度尺寸的值決定了産品的安全性，其值越大，産品越安全，成本也越高。為了平衡安全與成本的沖突，常對結構強度尺寸取不同的值，采用有限元分析的方法進行多方案對比優化，确定其最佳值。

(3)結構布局尺寸确定零件或特征在産品模型中的位置關系。結構尺寸的值也将構成産品的系列。

(4)關聯尺寸描述特征之間的尺寸對應關系，一般根據功能尺寸的系列值确定。

對尺寸進行分類便于了解尺寸之間的關系，确定參數化設計時的主動尺寸和從動尺寸，以便正确的模組化和尺寸标注。

在SolidWorks軟體中，零件的系列化設計一般通過插入EXCEL表來實作，也可以通過添加新配置來實作。部件系列化設計的過程一般是先添加新配置，再為該配置中的每個零件指定不同的零件配置，構成産品系列。除了可以對尺寸進行配置外，還可以對零件的材料、生産廠家等自定義屬性進行配置，構成豐富的産品系列。

3.結構件設計

通過焊接工藝連接配接在一起的零件稱為結構件。結構件有三種處理方法。對于由型材焊接而成的結構件，SolidWorks提供了一個很好的焊接工具——焊接特征。使用接頭裁剪、角撐闆、頂端蓋等焊接工具能高效率地進行結構件設計，設計完成後能自動生成切割清單。在SolidWorks中有豐富的型材庫，型材的截面也可以自定義。插入焊接特征後，系統會自動生成兩個預設配置：一個父配置是“按加工”，一個派生配置是“按焊接”，分别描述焊接狀态和機加工後的狀态，對于用闆料、實體零件等非型材焊接的結構件，一般采用多實體模組化比較友善，這樣在SolidWorks的裝配體中，把結構件當零件而不是子裝配件來處理。但如果結構件中的某個元件是钣金件，要确定下料展開圖，由于多實體模組化不支援钣金件，則必須用裝配體來設計結構件。

4.裝配設計政策

總裝配一般采用自下而上的設計方法。限于目前計算機的速度，對大型裝配體進行自上而下的設計還不現實。總裝配的設計政策是以概念設計階段完成的布局草圖為依據，插入子裝配體。

子裝配要合理地選擇自下而上和自上而下設計方法。對于全新的設計建議采用自上而下的設計方法，這樣可以實作關聯性設計。如果需要引用已有零部件或标準件，則應兩種方法結合使用，首先建立布局草圖，以布局草圖為基礎插入子產品化的部件和零件，對新設計的零件，在裝配環境下确定其形狀、大小及在裝配體中位置。自上而下設計方法的優點是當設計更改時，相關的零件将根據建立方法而自動更新。對于廠标件和通用件，最好在零件模式下設計，而不要在裝配環境下采用自上而下的設計，以保持零件的通用性。

重型機器的零部件很多，一般都在10000個零件以上。SolidWorks提供了豐富的裝配功能，可對零件進行靈活的組合，構成子裝配或标準子產品。SolidWorks處理大裝配的方法是對零件進行輕化，使用者可以指定一個閥值，當裝配體的零件數量超過閥值，則進入大裝配模式，自動對零件進行輕化。實作大裝配的另一個政策是對零部件建立裝配配置，壓縮所有與裝配關系無關的特征。

四、産品設計與工程分析的內建

重型機器設計的核心技術是結構強度分析。有限元分析工具可分為兩類，面向設計過程的、供工程師使用的主流分析軟體；用于對設計結果進行校驗分析的、供專業人員使用的專業分析軟體。華泰重工制造有限公司的模式是所有設計人員掌握主流分析工具SimulationWorks軟體，在設計過程中實作産品部件級的結構強度分析；成立專業的仿真試驗室，配備5名專業分析人員，采用專業分析軟體進行産品的系統級分析和基礎理論的研究。

1.面向設計過程的分析

SimulationWorks是SolidWorks軟體的一個插件，與SolidWorks共享統一的資料庫，産品模型資料完全一緻，操作界面統一，是一個功能完備的結構分析軟體。使用SimulationWorks進行結構分析具有下面三個明顯的優勢：

(1)對CAD模型進行修改後，分析過程(包括網格劃分、載荷定義、邊界條件等)不需要重新定義，隻需運作“分析”指令，程式就會對修改後的産品模型重新進行分析，友善快捷。

(2)對産品進行多方案比較分析時，可在CAD環境下為每種方案建立一個配置，在分析環境下隻需對一個配置進行分析過程的定義，對其它配置進行分析時，隻需執行一個“拖、拉”操作，将已經定義的分析過程拷貝到新的配置下即可，可以非常友善地實作多方案的比較設計。

(3)在SimulationWorks中進行産品尺寸優化設計時，SolidWorks 為每一組尺寸組合都建立對應配置，當使用者選擇優化結果的最佳值或某一組尺寸組合時，不需要重建立模，隻需在SolidWorks中選擇對應的配置，就得到了需要的産品模型。

這些優點使産品優化設計變得非常友善，極大地提高了産品的設計品質。

2.設計模型與分析模型的統一

做到設計模型與分析模型的統一，将極大地提高有限元分析的效率。可通過下面三種方法實作：

(1)對所有設計人員進行有限元分析知識的教育訓練，了解有限元分析模型與産品詳細模型的差別，要求設計人員在産品設計時考慮有限元分析要求，對需要分析的零部件建立一個用于分析配置的結構配置。

(2)從産品設計流程入手，建立一個結構設計階段，強化設計人員對分析的認識。隻有經過認可的模型才進入詳細設計和工程圖繪制，可以減少無效的勞動。

(3)當需要把CAD模型傳遞給專業分析軟體(如 NASTRAN、ANSYS)時，實體單元建議采用SolidWorks的多實體技術模組化，這樣在分析軟體中可以很友善地對不同的特征設定不同的網格尺寸。殼單元最好采用SolidWorks的曲面造型技術模組化，這樣能更好保證殼單元與産品模型的統一。

五、應用效果

采用SolidWorks 軟體後，華泰重工制造有限公司的産品開發水準躍上了一個新台階。主要表現在三個方面：

(1)實作了無差錯設計，SolidWorks的零件輕化和配置設計解決了三維應用中最關鍵的大裝配問題，實作了複雜産品的虛拟設計，通過幹涉檢查基本上消除了産品設計的低級錯誤，客戶的回報也越來越好。

(2)提高了設計效率，SolidWorks 的配置設計滿足了系列化設計和定制化設計的需求，配合特征庫、零件庫、部件庫的使用，提高了設計的複用性。通過布局草圖和派生設計實作了小組協同設計，團隊合作更緊密。

(3)提高了設計品質，SimulationWorks 易學易用，在設計過程中可以友善地進行多方案的比較設計，擺脫了傳統的經驗設計和類比設計，實作了基于分析的優化設計。