機械設(shè)計中三維設(shè)計軟件的應(yīng)用

摘要：機械設(shè)計是根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構(gòu)思、分析和計算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。運用三維設(shè)計軟件，將零部件建立成三維模型進行分析，使設(shè)計目標(biāo)更立體化、更形象化、更直觀、更準(zhǔn)確地展現(xiàn)在人們面前，極大地提高了設(shè)計的效率和設(shè)計質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；三維模型；SolidWorks；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： 1009-2374（2013）18-0028-02

在機械設(shè)計中，三維設(shè)計軟件的運用，能夠使設(shè)計目標(biāo)以完全三維模型的形式展現(xiàn)，而設(shè)計者即可以根據(jù)該三維模型，對零件或者設(shè)計元素的相互運動關(guān)系進行分析，這不僅促進了總體設(shè)計框架結(jié)構(gòu)的合理把握，而且能夠處理一些細微存在的不足之處，通過三維設(shè)計軟件有限元分析技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地尋找出設(shè)計過程中存在的不足之處，并予以相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，才能盡可能地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，同時省時省力地進行設(shè)計。

1 機械設(shè)計中三維軟件的選擇

在機械設(shè)計過程中，常用的三維設(shè)計軟件有AutoCAD、SolidWorks、pro/e、UG等等。AutoCAD軟件主要針對的是二維的設(shè)計方面，在三維上也涉及到一部分，在三維建模上比SolidWorks、pro/e、UG等稍微差一點，但是相對一些比較有規(guī)則的物體，AutoCAD的功能會顯得比SolidWorks、pro/e、UG等更加具有優(yōu)勢，相對比較穩(wěn)定，軟件運行也較快。三維設(shè)計制作中， SolidWorks、pro/e、UG均有強大的機械設(shè)計功能，擁有針對于機械零件的設(shè)計模塊，可以根據(jù)所設(shè)計的零件不同，進行不同方法的改進，隨時對設(shè)計中的零件進行評估分析。通過對其的應(yīng)用，能夠?qū)⒁恍┫鄬?fù)雜的零件進行繪制，而且還能夠便于3D圖和2D圖間的轉(zhuǎn)換，同時還能夠根據(jù)立體圖形轉(zhuǎn)成2D三視投影圖。隨著SolidWorks、pro/e、UG等版本的不斷提高、性能的不斷增強以及功能的不斷完善，基本能滿足現(xiàn)代企業(yè)機械設(shè)計的要求，并已廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計和機械制造的各個行業(yè)。設(shè)計人員可根據(jù)平時學(xué)習(xí)的習(xí)慣或擅長來選擇適合自己熟練使用的三維軟件。

2 機械設(shè)計中，三維設(shè)計軟件的具體應(yīng)用

在機械設(shè)計中運用三維設(shè)計軟件，首先是對所設(shè)計的產(chǎn)品進行初步建模，做好機械設(shè)計前期的準(zhǔn)備工作，其次是對產(chǎn)品建立好的模型組裝成整體，將產(chǎn)品的整體模型進行詳細解析，對所設(shè)計的產(chǎn)品整體有大致的了解，并且通過設(shè)計軟件特有的功能，對產(chǎn)品設(shè)計過程中存在的細節(jié)或者是一些沒有考慮到的問題進行詳細分析，對產(chǎn)品設(shè)計的工作流程和設(shè)計的合理程度進行檢驗，并由給出的分析結(jié)果，可做相應(yīng)的調(diào)整及優(yōu)化設(shè)計，將不正確的地方予以改正，最后設(shè)計出成品。

以SolidWorks軟件為例，其設(shè)計過程我們可以分為三步來實現(xiàn)：首先是根據(jù)設(shè)計目標(biāo)的各項要求初步建立三維模型；其次是對初步建立的三維模型進行模擬組裝運行；最后利用軟件對設(shè)計目標(biāo)進行模擬分析及合理性檢測，從而達到最終的設(shè)計要求。它主要包括機械零件設(shè)計、裝配設(shè)計、動畫和渲染、有限元分析技術(shù)、設(shè)計優(yōu)化及鈑金制作等模塊，基本滿足各種機械設(shè)計的需求。此軟件采用參數(shù)化設(shè)計思路，各工具欄命令之間具有相應(yīng)的設(shè)計關(guān)聯(lián)性，對零件的設(shè)計修改具有快捷、準(zhǔn)確、可靠的特點，對零件的尺寸修改和相似零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有獨到的技術(shù)優(yōu)勢。在零件設(shè)計模塊中所做的更改可以自動、快速、準(zhǔn)確地反映到裝配、工程圖等相應(yīng)關(guān)聯(lián)模塊中去，同樣，在裝配模型和工程圖樣中，更大程度地減少設(shè)計的出錯率，提高了設(shè)計工作的效率。目前，諸如此類的三維設(shè)計軟件在機械設(shè)計中得到了廣泛的運用。

3 三維設(shè)計軟件在機械設(shè)計中的優(yōu)勢

三維設(shè)計軟件具有出圖準(zhǔn)確、設(shè)計方便、效率高、功能強大、簡單易學(xué)等眾多優(yōu)勢。設(shè)計者可自由選擇相應(yīng)的設(shè)計工具和命令，采用最合適的設(shè)計方法，直觀、方便、高效、快捷地完成設(shè)計任務(wù)。

在機械設(shè)計中，三維設(shè)計軟件的有限元分析模塊是設(shè)計者最好的設(shè)計助手之一。下面簡單介紹SolidWorks軟件有限元分析模塊。基于SolidWorks COSMOS Works有限元分析軟件的特點及強大功能，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中進行靜態(tài)分析，并為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供可靠依據(jù)。COSMOS Works是一套強大的有限元分析軟件，早期的有限元技術(shù)高高在上，只有一些國家的部門如宇航、軍事部門可以使用，只有少數(shù)專業(yè)人員才能有機會接觸，普通的工程師可望而不可及。然而自COSMOS Works出現(xiàn)后，有限元分析的大門終于向普通工程師敞開了，把高高在上的有限元技術(shù)平民化，它易學(xué)易用、簡潔直觀，能夠在普通的電腦上運行，不需要專業(yè)的有限元經(jīng)驗。普通的工程師都可以進行工程分析，迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度地縮短設(shè)計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時是先把零件拆散，然后一個個分別處理，耗時耗力，又存在計算結(jié)果不精確的缺點。COSMOS Works提供了多場/多組件的復(fù)雜裝配分析，從而大大簡化工程師的勞動，使得分析能夠更好地模擬真實情況，結(jié)果也就更精確。

有限元分析過程中幾乎所有的設(shè)計量，如厚度、長度、半徑等幾何尺寸、材料特性、載荷位置與大小等都可以用變量參數(shù)表示，只要改變這些變量參數(shù)的賦值就能獲得不同的設(shè)計方案的分析過程。

經(jīng)軟件COSMOS Works優(yōu)化設(shè)計后，頂面加厚，底面加強筋加厚及加高，應(yīng)力分布均勻，離屈服點更遠，如圖2所示，優(yōu)化后的中心底面應(yīng)力擴散，變形量減小，均在<1mm的范圍內(nèi)，可以滿足使用要求。

三維設(shè)計軟件還包含鈑金、焊接、管道設(shè)計、模具、數(shù)控編程等多個模塊，機械設(shè)計工作者通過學(xué)習(xí)使用，為機械設(shè)計帶來方便，提高了工作效率。

4 結(jié)語

在現(xiàn)今機械設(shè)計的過程中，運用三維設(shè)計軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代機械設(shè)計發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，在時間、人力的耗費上都有了很大程度的改善作用，為設(shè)計人員創(chuàng)造新的產(chǎn)品提供了有效的作用，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，根據(jù)設(shè)計者自身的特點以及設(shè)計模型的要求，對適合該模型建立的軟件進行合理的選擇，再通過后續(xù)的加工制造將設(shè)計過程變得更加合理，能對產(chǎn)品生產(chǎn)之前進行模擬操作，同時可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品之中所出現(xiàn)的問題，能夠在第一時間里將問題解決，大大降低產(chǎn)品的設(shè)計以及人工操作所消耗的時間，促進工廠效率的提升。在機械設(shè)計中，合理地運用三維設(shè)計軟件，不僅僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品的大致結(jié)構(gòu)有一定的了解，還能夠適當(dāng)?shù)丶ぐl(fā)起設(shè)計人員的思維能力以及創(chuàng)新能力，將問題第一時間解決的同時，又為產(chǎn)品提供了更多有效的優(yōu)化方案，這對于工廠或者所設(shè)計的產(chǎn)品來說，在其效益上、質(zhì)量上以及實用性上都有了很大的提升，根據(jù)三維模型，展現(xiàn)出所設(shè)計的產(chǎn)品具體的結(jié)構(gòu)特點，使得產(chǎn)品整體更為清晰明了地展現(xiàn)在設(shè)計人員面前。三維軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用推廣，加快了當(dāng)今機械工業(yè)的發(fā)展步伐。

參考文獻

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作者簡介：劉國利（1972-），男，河南信陽人，東莞宏威數(shù)碼機械有限公司工程師，研究方向：機械設(shè)計制造。