工程機械產品新型設計與研究

梁頌斌

(湖南省三一重工路機研究院 ，湖南 長沙 410100)

在我國與世界經濟接軌后，工程機械企業一直面臨著挑戰，因此，企業的生存只有依靠產品研發的水平才能夠決定。工程機械產品設計主要是對產品性能的需求做出詳細分析，而機械產品的品種多、批量少，以及它的型號多變和交貨時間短是其特點。為了獲取最佳的設計加速產品的更新，就必須利用現代設計方法：三維造型和有限元分析，以及模態分析等進行產品的設計，以確保工程機械產品設計的效率、周期，才能使工程機械產品獲取市場。

1 現代機械設計的特點及方法

目前，現代的工程機械產品的種類有許多，并且在結構上都很復雜。但是系統功能主要還是以動力系統和傳統系統，以及操作控制系統和執行系統為主，其中，各系統還能夠根據不同的需要分解成子系統?，F代機械設計的特點在于它不只要求要熟知機械的工作原理和結構、物流技術和運動方式、材料和能量與力之間的傳遞方式、形狀和尺寸、構思潤滑方法，以及分析和計算，還要掌握其它科學的知識，在市場中工程機械設計的產品才能更具有競爭力。

工程機械產品設計有CAD和CAM兩個過程，這兩個過程促進了自動化程度的發展，因此使現代計算機集成制造系統的基礎更為穩固。雖然CAD設計不是完全自動化的，但是，CAD明顯的特點是人機信息交流與交互的工作方式，主要分為三個層次：其一是系統軟件；其二是支撐軟件；其三是應用軟件。在二維和三維圖形的方式下CAD和CAM支持對產品與零件的定義。其方法有數學計算軟件和有限元分析軟件，以及優化設計軟件等。而優化設計還可以綜合考慮各方面因素，確定最優的設計。

除了擁有計算機輔助機械設計外，還擁有一項實例推理的技術設計，通過對以往出現的問題綜合實際經驗進行的解決方法，這一技術可以有效選用原有的資源進行設計。此設計是根據用戶的設計要求，將產品的特征和設計匹配，組成可行的設計方案給予分析評價。由于此設計的結果相似，不一定滿足現代設計的要求，所以還要進行修改選取最優方案。

2 工程機械產品設計的步驟

計算機輔助機械設計中，要進行三維實體造型和有限元結構、優化設計和動態仿真設計、詳細設計分析五個步驟。在方案設計完成的基礎上，將各零件的基本形狀與結構進行確定。零部件則采用三維實體造型軟件構建出模型，不僅能夠表達設計者們的思想，還能夠保證設計者和用戶的溝通。此外，此模型還是產品設計的基礎，例如：在進行運動仿真和力學分析，在仿真運動的同時還要對零部件進行檢查和驗證產品的結構，確保設計不會出現缺陷。在計算的結果無法滿足設計要求時，就要對模型進行修改。在多種方案中，按照需要選取合適的最優設方案以后再進行優化的設計。由于靜態的設計受到多種因素的影響，所以在工程機械產品設計中利用動態仿真設計，可以對任何工況下所承受荷載的運行狀態和變化進行仿真模擬。通過以上步驟后，再對結構進行詳細的設計以實現三維實體模型能夠直接完成二維工程圖的設計，并且獨立完成全套設計圖及有關的設計文件等。

實例推理的技術設計中，可以根據實力表示和檢索、實例修正和驗證，以及實例評價和儲存六個步驟進行分析。在實例設計的基礎上，直接對產品的全部信息進行多層次的分割，確保機械產品的實例和實例庫是獨立存在與聯系的。對要設計的工程機械產品進行實例匹配算法得出工程機械產品模型所需的數值等，并進行產品實例修正。

3 現代設計方法在工程機械產品設計中的應用

圖1 圖2圓柱凸輪數控銑削裝置二維工程圖

現代設計方法在圓柱凸輪數控銑削裝置的設計中，零部件的三維實體模型構成主要是利用SolidWorks建立的。

SolidWorks在裝配時是具有智能化的，利用重合和相切及相距等關系約束零件的位置，依照裝配的關系進行裝配，并形成裝配體。然后通過投影自動轉換成所需的二維工程圖。如圖1、圖 2所示。

在進行結構剛度和強度的有限元分析時模型左端的自由度進行約束。以往的計算是采用集中載荷法、共同曲率法，但是計算的結果與實際相差很大，而現代的有限元法可以解決鋼板彈簧結構分析過程中的接觸非線性問題。由于圓柱凸輪數控銑削裝置由工作臺直線和工件運動坐標，以及圓柱凸輪和各板簧組成，鋼板的總成幾何模型采用ANSYS前處理進行分析，所提供的面面接觸依照在裝置上的固定形式，對模型右端的自由度進行約束。進行擬合后的板簧總成垂直剛度為145.4N/mm，有限元分析的剛度為153.7N/mm，兩方結果比較接近，因此較為可靠。所以既減少了工作量，還減少了產品設計的成本。

綜上所述，隨著市場競爭的不斷加劇，現代設計方法在工程機械產品設計中的應用已成為必要。應用現代設計的理論和方法可以有效地降低成本、提高產品設計的精度和縮短設計周期，特別是在多品種、小批量的工程機械產品的生產中有著重大的意義。工程機械設計在采用現代設計方法的同時再加上三維實體造型軟件的應用可以使機械產品的生產更加方便，提高了設計效率，實現了產品設計與制造的一體化。

[1]繆炳榮,肖守訥.機車車體結構模態的有限元分析[J].電力機車技術，2002，(4).

[2]智晉寧,張洪.三維建模技術在機械產品設計中的應用研究[J].機械管理開發，2004，(4).