SolidWorks在重型機器產(chǎn)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(guān)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(chǎn)品設計的特點和基于三維CAD環(huán)境的產(chǎn)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(shù),探討了COSMOSWorks在重型機器優(yōu)化設計中應用以及產(chǎn)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(nèi)許多重工企業(yè)購置了SolidWorks軟件,并以此作為企業(yè)的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)平發(fā)策略,于2004年向長沙凱士達信息技術(shù)有限公司購買了SolidWorks軟件、技術(shù)培訓、參數(shù)化設計項目導航等相關(guān)服務,經(jīng)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(jié)一套可以推廣應用的基于三維CAD軟件的重型機器的產(chǎn)品開發(fā)模式。

一、重型機器產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǔ)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(chǎn)。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(chǎn)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(chǎn)成本的主要手段。
重型機器的核心設計技術(shù)是結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)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。基于SolidWorks所蘊涵的現(xiàn)代設計思想和產(chǎn)品建模特點,建議將設計過程分為“功能設計、概念設計、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)系和運動關(guān)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(guān)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(chǔ)。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(jié)構(gòu)設計階段的任務有兩個,其一是為運動仿真分析和結(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)品加工和裝配有關(guān)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(guān)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(guān)系尺寸。

(3)結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(jié)構(gòu)設計的結(jié)果傳遞給工業(yè)設計師進行產(chǎn)品的美化設計,傳遞給仿真分析工程師進行運動仿真和結(jié)構(gòu)強度分析,結(jié)構(gòu)設計、工業(yè)設計、仿真分析三者之間不斷地迭代,使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)趨于完美。

(5)結(jié)構(gòu)設計的結(jié)果被確定后再進行詳細設計,出工程圖。

三、產(chǎn)品設計策略

1.設計與制造過程中產(chǎn)品配置

在設計與制造中,不同階段常需要不同的產(chǎn)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(jié)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(guān)系表達無關(guān)的特征。

(3)結(jié)構(gòu)配置是用于運動仿真分析和結(jié)構(gòu)強度分析用的配置,壓縮了所有與分析無關(guān)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(guān)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(jié)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(chǎn)品、系列化產(chǎn)品,產(chǎn)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(jié)構(gòu)強度尺寸、結(jié)構(gòu)布局尺寸和關(guān)聯(lián)尺寸。

(1)功能尺寸是根據(jù)產(chǎn)品功能需求確定的尺寸,在設計系列產(chǎn)品時,對功能尺寸取一系列的值,構(gòu)成產(chǎn)品的系列。在優(yōu)化設計時,功能尺寸一般不改變。

(2)結(jié)構(gòu)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(chǎn)品的安全性,其值越大,產(chǎn)品越安全,成本也越高。為了平衡安全與成本的矛盾,常對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)布局尺寸確定零件或特征在產(chǎn)品模型中的位置關(guān)系。結(jié)構(gòu)尺寸的值也將構(gòu)成產(chǎn)品的系列。

(4)關(guān)聯(lián)尺寸描述特征之間的尺寸對應關(guān)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(guān)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(gòu)成產(chǎn)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(chǎn)廠家等自定義屬性進行配置,構(gòu)成豐富的產(chǎn)品系列。
3.結(jié)構(gòu)件設計

通過焊接工藝連接在一起的零件稱為結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件有三種處理方法。對于由型材焊接而成的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件當零件而不是子裝配件來處理。但如果結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)合使用,首先建立布局草圖,以布局草圖為基礎(chǔ)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(guān)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(gòu)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(guān)系無關(guān)的特征。

四、產(chǎn)品設計與工程分析的集成

重型機器設計的核心技術(shù)是結(jié)構(gòu)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(jié)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(chǎn)品部件級的結(jié)構(gòu)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(chǎn)品的系統(tǒng)級分析和基礎(chǔ)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(chǎn)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(jié)構(gòu)分析軟件。使用COSMOSWorks進行結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(chǎn)品模型重新進行分析,方便快捷。

(2)對產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)品模型。

這些優(yōu)點使產(chǎn)品優(yōu)化設計變得非常方便,極大地提高了產(chǎn)品的設計質(zhì)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?？赏ㄟ^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(chǎn)品詳細模型的區(qū)別,要求設計人員在產(chǎn)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(jié)構(gòu)配置。

(2)從產(chǎn)品設計流程入手,建立一個結(jié)構(gòu)設計階段,強化設計人員對分析的認識。只有經(jīng)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(shù)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(wǎng)格尺寸。殼單元最好采用SolidWorks的曲面造型技術(shù)建模,這樣能更好保證殼單元與產(chǎn)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(chǎn)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(guān)鍵的大裝配問題,實現(xiàn)了復雜產(chǎn)品的虛擬設計,通過干涉檢查基本上消除了產(chǎn)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(zhì)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(jīng)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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