SolidWorks在重型機器產品開發(fā)中的應用

2013-05-27 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

許第洪來源:CAD世界
關鍵字:COSMOSWorks SOLIDWORKS 重型機器優(yōu)化設計

本文以華泰重工制造有限公司為例,闡述了重型機器產品設計的特點和基于三維CAD環(huán)境的產品開發(fā)模式,研究了重型機器三維建模過程中系列化設計、模塊化設計、焊接件設計、大裝配等典型問題的處理技術,探討了COSMOSWorks在重型機器優(yōu)化設計中應用以及產品模型和分析模型的統(tǒng)一問題。

主流三維CAD軟件SolidWorks在重工行業(yè)得到了普遍應用,國內許多重工企業(yè)購置了SolidWorks軟件,并以此作為企業(yè)的產品開發(fā)平臺。華泰重工制造有限公司是一家致力于散狀物料輸送設備及系統(tǒng)研發(fā)與制造的企業(yè),主要產品包括臂式斗輪取料機、圓管帶式輸送機、裝船機、卸船機等。面對信息時代的挑戰(zhàn),該公司提出了“實現(xiàn)無差錯、高效率、低成本設計”的產品開發(fā)平發(fā)策略,于2004年向長沙凱士達信息技術有限公司購買了SolidWorks軟件、技術培訓、參數(shù)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(chuàng)新設計平臺。下文將討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軟件的重型機器的產品開發(fā)模式。

一、重型機器產品設計概述

重型機器最顯著的特點是大。臂式斗輪取料機一般有30多米長,是一種連續(xù)、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,可實現(xiàn)煤炭、礦石、化工原料等散狀物料的堆取、轉運、裝卸的連續(xù)作業(yè)。管式皮帶機通常有幾公里長,是近二十年來在帶式輸送機基礎上發(fā)展起來的一種新型散狀物料連續(xù)輸送設備,它克服了帶式輸送機固有的缺陷與使用范圍的局限性。特別適用于地形條件復雜,必須跨繞建筑物或江河、街道、環(huán)保要求高、需封閉輸送的環(huán)境。廣泛應用于冶金、建材、化工、火電及港口散貨碼頭等環(huán)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產。臂式斗輪取料機和管式皮帶機均需要根據(jù)用戶的使用現(xiàn)場進行定制設計,幾乎沒有兩臺完全相同的產品。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。所以,系列化、模塊化設計、配置設計是提高設計效率、降低生產成本的主要手段。
重型機器的核心設計技術是結構強度分析。大型設備一旦出現(xiàn)安全事故,損失會非常大,必須確保設計的安全性;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(xiàn)場裝配。公司的重點是經營品牌,保持設計優(yōu)勢,所以設計能力是企業(yè)核心的競爭力。在選擇軟件時重點考核軟件支持大裝配的能力、支持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 軟件相適應的設計流程

傳統(tǒng)的設計流程是基于二維CAD環(huán)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內容,專家們從不同的角度給出了不同的定義,沒有統(tǒng)一的約定。由于三維CAD軟件的應用受到計算機硬件的限制,基于三維CAD軟件的設計思路與基于二維CAD軟件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軟件,不但不能體現(xiàn)出優(yōu)勢,可能反而表現(xiàn)出許多劣勢。

要充分發(fā)揮三維CAD軟件的優(yōu)勢,必須探討一種新的設計流程和設計模式?；赟olidWorks所蘊涵的現(xiàn)代設計思想和產品建模特點,建議將設計過程分為“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(tǒng)一,故此處不做討論,下面討論三維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確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現(xiàn)概念設計,首先建立總裝配圖文件,在裝配文件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討論和小組協(xié)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隨之更新,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(jié)(如小孔、倒角等)均不宜出現(xiàn);其二是提供一個可以參加招投標的原理性設計方案,招投標中需要表達清楚地內容都要清楚地表達,而可以忽略的細節(jié)均省略。

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

2.基于SolidWorks的重型機器設計流程

以此對應,將產品設計過程分解為五個階段。以臂式斗輪取料機的設計為例討論理想的設計流程、各階段的任務及人員職責。

(1)功能設計階段的任務是根據(jù)用戶的地理環(huán)境、輸送需求,確定斗輪機的結構形式及主要功能模塊。

(2)概念設計由項目負責人完成,首先對產品進行模塊劃分、確定各功能模塊是采用標準模塊,還是通過對已有的模塊添加新配置進行變形設計,還是進行新設計,然后采用布局草圖確定各功能部件之間的關系,重點是確定各運動連接副的位置坐標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(xié)同完成,每人負責1-2個功能模塊的設計,每個功能模塊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(jù)總布局草圖對各功能模塊進行總裝配設計。

(4)結構設計的結果傳遞給工業(yè)設計師進行產品的美化設計,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(yè)設計、仿真分析三者之間不斷地迭代,使產品的結構趨于完美。

(5)結構設計的結果被確定后再進行詳細設計,出工程圖。

三、產品設計策略

1.設計與制造過程中產品配置

在設計與制造中,不同階段常需要不同的產品模型,SolidWorks的配置功能有效地解決了這個問題。創(chuàng)建零件和裝配體時,模型會自動生成一個缺省配置,正常情況下,一個缺省配置便能滿足要求。但一些特殊的零件,根據(jù)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)缺省配置是零件與裝配體的基本配置,沒有特殊要求時,模型通常只有一個缺省配置。當模型有多個配置時,缺省配置一般用于保存詳細設計的結果。

(2)裝配配置是為了實現(xiàn)大裝配體建模而添加的配置,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(jié)特征。

(4)工程圖配置是用于出工程圖的配置,在傳統(tǒng)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(shù)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(shù)化設計

臂式斗輪取料機、圓管帶式輸送機是典型的定制化產品、系列化產品,產品設計工作量很大,如果能實現(xiàn)參數(shù)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(shù)化設計與配置設計功能夠滿足這種需求。

盡管SolidWorks是參數(shù)化設計軟件,但必須合理地規(guī)劃零部件的建模過程,才能有效地實現(xiàn)參數(shù)化設計。幾何建模時應保證,修改模型的參數(shù)時模型不會出錯;只需改變很少的尺寸便能實現(xiàn)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(shù)化設計,必須對模型的尺寸進行深入的分析。一般將尺寸分為四類:功能尺寸、結構強度尺寸、結構布局尺寸和關聯(lián)尺寸。

(1)功能尺寸是根據(jù)產品功能需求確定的尺寸,在設計系列產品時,對功能尺寸取一系列的值,構成產品的系列。在優(yōu)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產品的安全性,其值越大,產品越安全,成本也越高。為了平衡安全與成本的矛盾,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(yōu)化,確定其最佳值。

(3)結構布局尺寸確定零件或特征在產品模型中的位置關系。結構尺寸的值也將構成產品的系列。

(4)關聯(lián)尺寸描述特征之間的尺寸對應關系,一般根據(jù)功能尺寸的系列值確定。

對尺寸進行分類便于了解尺寸之間的關系,確定參數(shù)化設計時的主動尺寸和從動尺寸,以便正確的建模和尺寸標注。

在SolidWorks軟件中,零件的系列化設計一般通過插入EXCEL表來實現(xiàn),也可以通過添加新配置來實現(xiàn)。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,構成產品系列。除了可以對尺寸進行配置外,還可以對零件的材料、生產廠家等自定義屬性進行配置,構成豐富的產品系列。
3.結構件設計

通過焊接工藝連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、角撐板、頂端蓋等焊接工具能高效率地進行結構件設計,設計完成后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。插入焊接特征后,系統(tǒng)會自動生成兩個默認配置:一個父配置是“按加工”,一個派生配置是“按焊接”,分別描述焊接狀態(tài)和機加工后的狀態(tài),對于用板料、實體零件等非型材焊接的結構件,一般采用多實體建模比較方便,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組件是鈑金件,要確定下料展開圖,由于多實體建模不支持鈑金件,則必須用裝配體來設計結構件。

4.裝配設計策略

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(xiàn)實?？傃b配的設計策略是以概念設計階段完成的布局草圖為依據(jù),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,這樣可以實現(xiàn)關聯(lián)性設計。如果需要引用已有零部件或標準件,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模塊化的部件和零件,對新設計的零件,在裝配環(huán)境下確定其形狀、大小及在裝配體中位置。自上而下設計方法的優(yōu)點是當設計更改時,相關的零件將根據(jù)創(chuàng)建方法而自動更新。對于廠標件和通用件,最好在零件模式下設計,而不要在裝配環(huán)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,構成子裝配或標準模塊。SolidWorks處理大裝配的方法是對零件進行輕化,用戶可以指定一個閥值,當裝配體的零件數(shù)量超過閥值,則進入大裝配模式,自動對零件進行輕化。實現(xiàn)大裝配的另一個策略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、產品設計與工程分析的集成

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件;用于對設計結果進行校驗分析的、供專業(yè)人員使用的專業(yè)分析軟件。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COSMOSWorks軟件,在設計過程中實現(xiàn)產品部件級的結構強度分析;成立專業(yè)的仿真試驗室,配備5名專業(yè)分析人員,采用專業(yè)分析軟件進行產品的系統(tǒng)級分析和基礎理論的研究。

1.面向設計過程的分析

COSMOSWorks是SolidWorks軟件的一個插件,與SolidWorks共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,產品模型數(shù)據(jù)完全一致,操作界面統(tǒng)一,是一個功能完備的結構分析軟件。使用COSMOSWorks進行結構分析具有下面三個明顯的優(yōu)勢:

(1)對CAD模型進行修改后,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,只需運行“分析”命令,程序就會對修改后的產品模型重新進行分析,方便快捷。

(2)對產品進行多方案比較分析時,可在CAD環(huán)境下為每種方案建立一個配置,在分析環(huán)境下只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,只需執(zhí)行一個“拖、拉”操作,將已經定義的分析過程拷貝到新的配置下即可,可以非常方便地實現(xiàn)多方案的比較設計。

(3)在COSMOSWorks中進行產品尺寸優(yōu)化設計時,SolidWorks 為每一組尺寸組合都建立對應配置,當用戶選擇優(yōu)化結果的最佳值或某一組尺寸組合時,不需要重新建模,只需在SolidWorks中選擇對應的配置,就得到了需要的產品模型。

這些優(yōu)點使產品優(yōu)化設計變得非常方便,極大地提高了產品的設計質量。

2.設計模型與分析模型的統(tǒng)一

做到設計模型與分析模型的統(tǒng)一,將極大地提高有限元分析的效率。可通過下面三種方法實現(xiàn):

(1)對所有設計人員進行有限元分析知識的培訓,了解有限元分析模型與產品詳細模型的區(qū)別,要求設計人員在產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)從產品設計流程入手,建立一個結構設計階段,強化設計人員對分析的認識。只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(yè)分析軟件(如 NASTRAN、ANSYS)時,實體單元建議采用SolidWorks的多實體技術建模,這樣在分析軟件中可以很方便地對不同的特征設定不同的網格尺寸。殼單元最好采用SolidWorks的曲面造型技術建模,這樣能更好保證殼單元與產品模型的統(tǒng)一。

五、應用效果

采用SolidWorks 軟件后,華泰重工制造有限公司的產品開發(fā)水平躍上了一個新臺階。主要表現(xiàn)在三個方面:

(1)實現(xiàn)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,實現(xiàn)了復雜產品的虛擬設計,通過干涉檢查基本上消除了產品設計的低級錯誤,客戶的反饋也越來越好。

(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,提高了設計的復用性。通過布局草圖和派生設計實現(xiàn)了小組協(xié)同設計,團隊合作更緊密。

(3)提高了設計質量,COSMOSWorks 易學易用,在設計過程中可以方便地進行多方案的比較設計,擺脫了傳統(tǒng)的經驗設計和類比設計,實現(xiàn)了基于分析的優(yōu)化設計。

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