3D繪圖軟件在拖拉機設計中的應用

劉毅

摘 要：我國是一個農業大國，農業的發展水平也是我國經濟發展的重要指標。拖拉機是農業生產中最常用的動力設備，其性能指標直接關系著農業作業的效率，因此拖拉機的優化至關重要。3D繪圖軟件是指將設備以數字模擬的形式等比例在電腦上顯示出來的系統。拖拉機設計過程中存在著周期長、精準度不高、整體優化不協調的問題。本文通過以SolidWorks為例，分析了SolidWorks之中快速建模、仿真分析、零件爆炸等功能在優化拖拉機設計中的應用。

關鍵詞：3D繪圖軟件；拖拉機；設計

農業是我國經濟的重要組成部分，其發展與先進的勞動設備密不可分。拖拉機是我國最為常用的一種農業機械，能夠在耕地、施肥、收割等多個農業勞動過程中起到非常重要的作用，因此拖拉機設計水平的提升也一直被人們所重視。隨著科技水平的發展，越來越多的CAD軟件面世，傳統的CAD在平面功能能夠滿足需求，但是在進行3D繪圖方面有所欠缺。尤其是仿真技術與結構優化理論的不斷發展，傳統的平面繪圖已經無法滿足當下的需求。SolidWorks是達索公司的一款用于機械建模的軟件，其具有豐富的功能，所成圖紙也可以轉化為多種格式，為不同軟件之間的信息交互提供了便利條件。

一、在拖拉機設計中快速建模性

拖拉機屬于機動車類型，其包括了復雜的零件。傳統的CAD繪圖需要三視圖甚至多視圖，無法使人直觀的觀察零件，也容易出現因結構繪制不全面而導致了零件生產出現偏差。SolidWorks中可以快速實現3D建模，其主要思想為：點、線、面、體四個方面。一般我們所要得到的即為體，也就是零件的最終實體。在繪圖時，先確定好想要操作的基準面，該基準面是生產立體的草圖參考。基準面可以由設計人員自行設置，在進行多面結合建模時，需要用到多個基準面。在選好基準面以后，零件某一面繪制時，選定一點然后畫線，最后生成封閉性質的平面圖紙。通過對平面封閉圖紙的操作來實現零件的建模。由于拖拉機中有多中零件，如果用CAD進行平面作圖，工作量將非常復雜，將會延長設計的流程。此外，3D建模以后能夠通過各個角度對零件本身進行觀察，以保證更符合拖拉機設計過程中的要求。拖拉機在進行工作時，工作環境惡劣、強度大，因此對零件的結構合理性要求會更高。拖拉機部分零件需要購買標準件，這些標準件關系著非標件的設計，通過快速的三維作圖也可以從各個角度對其進行比較，確保零件設計的合理性。

二、裝配功能

拖拉機作為一種結構復雜的機械系統，有著數目眾多的零件，在傳統的平面作圖之中，需要對每個配合零件進行配合繪制，還需要進行總裝。為了表述清晰的配合問題，需要進行數目眾多的圖紙繪制，由于不同繪圖人員風格不同，在進行圖紙審核時也會出現一定的偏差。SolidWorks本身具備配合功能，能夠將建模的各個獨立的零件裝配成子系統并進行總裝，可以先將拖拉機的整體框架進行約束，然后按照一定的順序對各個子系統進行約束裝配。在平面圖紙上并不能直觀的觀察不同零件之間的干涉程度，而SolidWorks可以有效的解決這一問題。在拖拉機中皮帶傳輸、檔位傳動等需要在運動中觀察其設計效果的部分，無法從平面圖紙直接獲取，而SolidWorks能夠對其中有聯動性質的部分進行觀察。由于零件的實際裝配過程過程中，裝配順序對其精度有著非常重要的影響，因此需要對其裝配流程進行確定。SolidWorks中具備爆炸圖功能，能夠自己設定爆炸方向，使得零件的裝配能夠獲得有效的參考。此外，拖拉機的3D圖裝配還可以為裝配過程中的工裝提供參考，以便能夠和裝配流程進行搭配。

三、基礎仿真功能

拖拉機設計過程零件和總裝的強度關系到設備的最終工作狀態。SolidWorks本身具備一定的仿真功能，可以用來對拖拉機的靜力學進行分析。整體框架時拖拉機進行載重以及耕作的關鍵部分，該部分如果強度不夠，就有可能造成結構變形，降低拖拉機本身的工作能力。如果使用大量的冗余方式，則有可能使得拖拉機本身質量過大，造成拖拉機有效載荷的降低。此外，整體框架需要進行嚴格的震顫分析，SolidWorks具有豐富的輸出接口，可以與ANSYS、Adams等軟件進行無縫銜接，以便進行模態的仿真分析。一旦發現震顫頻率過高，可以及時的通過3D繪圖軟件對其進行修改，這樣能夠有效的提升設計的針對性能。通過其自身的仿真功能以及與其他仿真軟件相結合的方式，使得設計過程更有效率。該仿真功能還可以實現力學運動的仿真，可以觀察在拖拉機遇到地形特殊地區時，拖拉機整體運動效果，為整體設計提供優化思路。此外，還可以通過仿真功能發現整體結構的應力集中點，進而通過增加結構厚度或者增加肋板的形式，提升整體結構的強度。SolidWorks還可以對傳動過程進行仿真，使得設計人員能夠觀察在傳動過程中設備的運行的安全性與有效性。

四、工業設計功能

SolidWorks具備photoview功能，能夠對已經設計好的模型進行顏色、圖案的調整，并進行渲染，可以直接導出工業設計外形，使得工業設計與機械設計能夠同步、協調進行。在傳統的平面繪圖軟件中，其工業設計與機械設計過程相對獨立，需要專業的工業設計人員在脫離機械設計人員的設計內容的基礎上，進行工業設計，在設計完成之后再與其進行溝通，對其中不能遮擋或者干擾的部分進行調整，調整后雙方再進行共同探討。SolidWorks的渲染功能使得機械設計人員和工業設計人員使用同一個版本的圖紙，其結構、布局完全一致，縮短了研發周期，提升了研發的效率。除此之外，在設計時，機械設計人員還可以不對人機交互操作部分進行設計，例如檔位設計、方向盤設計，而是由工業設計人員結合人體工程學進行設計，力求保證拖拉機本身工作能力與效率的同時，設計舒適的人機操作系統。

五、優化參考性

結構優化是拖拉機設計過程中最重要的優化內容，其與拖拉機的性能直接相關。一般情況下，拖拉機優化過程中，除了在動力、功能方面進行優化，最關鍵的優化內容就是剛度優化與質量優化。剛度優化有利于提高拖拉機的負載以及安全性。質量優化有助于提升拖拉機的有效載荷，降低生產成本。在剛度優化一般考察指標為撓度，即對各個部分的撓度進行分析，在此過程中為了獲得更好的優化數據，一般可采用敏感系數測定的方法，找到對于剛度影響最大的部分，對其進行優化。而質量優化一般以總體質量為指標，對拖拉機的整體重量進行研究，找到能夠滿足或提高額定載荷且質量最小的零件。在進行敏感度系數測定的過程中，無論是剛度還是質量均是通過SolidWorks進行調整，但兩者不同的是，剛度方面需要將修改后的模型導致其他仿真軟件，進行剛度的運算；而質量方面可以直接通過SolidWorks本身的質量測量功能進行測定。通過對調整后模型的剛度和質量分析，可以為優化過程提供重要的參考。這樣可以有效提升拖拉機設計的針對性，加快設計速度。

結論：拖拉機是我國重要的農業用機械，其技術水平關系著我國農業機械化的發展速度。傳統的CAD平面繪圖難以直觀的對零件以及裝配體進行全面的觀察，且不具備仿真與接口功能，不利于拖拉機設計的發展。SolidWorks不但具有快速建模的功能，還能夠對所有零件進行總裝，也可以實現對其中敏感零件的優化設計，能夠提升拖拉機設計的針對性和安全性，有利于增強其功能性。

參考文獻：

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