SolidWorks软件在机械设计中的应用与研究

1、SolidWorks 软件在机械设计中的应用与研究朱金权(无锡华达电机有限公司, 江苏无锡214000摘 要:系统地介绍了SolidWo rks 软件的 零件设计 、 装配设计 、 设计库的运用 、 色彩渲染和动画模拟 和 有限元分析 等基本模块、相应功能以及它们在机械设计中的广泛运用; 研究了So lidWor ks 软件在机械设计中的实用性和先进性; 详细介绍了该软件的使用方法和具体特点, 具有一般二维软件所无法比拟的优点, 对推广So lidWorks 在机械设计中的应用具有重要的指导作用。关键词:So lidWorks; 零件设计; 装配设计; 设计库; 渲染和动画; 有限元高级分析技

2、术中图分类号:T P 311 文献标志码:AThe Application and Research of SolidW orks Software in Mechanical DesignZH U Jinquan(W ux i H ua Da M oto r Co. , L td, W ux i 214000, ChinaAbstract:T his paper intro duces SolidWo rks basic modules and their co rresponding functio ns as well as their application in mechanical

3、 design systematically, including parts desig n , assembly desig n , desig ning database manag ement , co l o r r endering and animatio n simulatio n , inf inite elements analysis and so on. T he practicability and advantage of So lid W or ks application in mechanical desig n ar e studied; the usage

4、 and char act eristics of this so ftwar e ar e ex plained in detail. T his softw are has the unmatched advantag es that general tw o dimensional softw are has not. I t plays a sig nificant ro le in po pula rizing So lidWo rks applicatio n in mechanical desig n.Key w ords:So lidWo rks; Par ts desig n

5、; Assembly design; D esign database; Render ing and animatio n simulation; A dv anced analysis techno lo gy of finite elements1 SolidWorks 软件介绍So lidWor ks 是一套基于Window s 的CAD/CAE/CAM /PDM 桌面集成系统, 是由美国So lid Wo rks 公司在总结和继承了大型机械CAD 软件的基础上, 在Windo w s 环境下实现的第一个机械CAD 软件, 于1995年11月研制成功。SolidWorks 是市场份额增

6、长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。随着SolidWorks 版本的不断提高、性能的不断增强以及功能的不断完善, SolidWor ks 已经完全能满足现代企业机械设计的要求, 并已广泛应用于机械设计和机械制造的各个行业, 它主要包括机械零件设计、装配设计、动画和渲染、有限元高级分析技术和钣金制作等模块, 功能强大, 完全满足机械设计的需求。2 SolidWorks 软件应用2. 1 机械零件设计So lidWor ks 软件具有专门的机械零件设计模块, 根据不同零件的特点, 选择不同的零件设计方法, 设计方便、简单易学。具体主要有标准工具栏、视图工具栏、草图工具栏、特征

7、工具栏、焊接工具栏、模具工具栏、曲面工具栏、钣金工具栏和工程图工具栏等, 各个工具栏中又包含各自相应的具体命令, 设计者可自由选择相应的设计工具和命令, 采用最合适的设计方法, 直观、方便、高效、快捷地完成各种零件的设计, 同时, 由于SolidWorks 软件采用参数化设计思路, 各工具栏命令之间具有相应的设计关联性, 对零件的设计修改具有快捷、准确、可靠的特点, 对零件的尺寸修改和相似零件的结构设计具有独到的技术优势。在零件设计模块中所做的更改可以自动、快速、准确地反应到装配、工程图等相应关联模块中去, 同样, 在装配模型和工程图样中, 由于零件所做的更改可以自动地反应到相应需要更改的零件

8、上去, 而无需再像二维CAD 图那样, 更改零件后必须同时在装配图中作相应的改动, 否则, 将会出现遗忘和漏改等低级错误。所以应用So lidWorks 软件, 设计人员可以将精力主要集中在方案结构的设计上, 为方案的设计和修改提供了极大地方便, 有利于设计人员设计出结构先进、安全可靠的零件结构。SolidWorks 拥有专用于钣金零件设计的模块, 便于设计人员进行钣金零件的折弯、展开、冲孔、切口和百叶窗等结构的设计, 极大地方便了设计人员对钣金零件设计的需要。2. 2 高级装配设计SolidWorks 软件具有专门的装配设计模块, 模块主要包括自底向上的装配方法和自上向下的装配方法。自底向上

9、的装配方法主要是由已设计好各个零件、按各零件在装配模型中的位置及配合要求直接装配成符合设计意图的设计模型的设计方法。各零件在装配设计之前, 设计者已有一个明确的设计思路, 零件的尺寸大小、结构形式、各零件之间的连接与定位方式已经完全确定。设计者可将已设计好的零件运用 插入/零部件/现有零件/装配体 命令, 将此零件插入到装配体模块中, 并添加相关有效的配合关系, 使零件在装配模型中处于一个正确的位置。设计者可以根据自己的设计意图和零件在装配模型中的位置以及相互关系, 结合零件的自身特点和具体的运动条件, 不断地调整自己的设计模型和配合要求, 使零件结构设计更符合自己的设计思路和功能要求。此设计

10、方法是一个先有零件后有装配的过程, 零件的结构特点是否合理、零件之间是否存在干涉问题等都可以在此装配模型中直接地反映出来, 设计者的设计思路主要集中在零件的装配配合与装配模型整体结构和功能的设计上, 而不必考虑具体零件的结构细化。必要时, 设计者可以利用So lid Wo rks 软件的COSM OSM otion 建立运动机构模型, 进行机构的干涉分析, 跟踪零件的运动轨迹, 分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等, 并用动画、图形、表格等多种形式输出结果, 其分析结果可指导修改零件的结构设计, 包括加长或缩短构件的长度、修改凸轮型线和调整齿轮比或调整零件的材料等。设计的更改

11、可以反映到装配模型中, 再重新进行分析, 一旦确定优化的设计方案, 设计更改就可直接反映到装配模型中。自上向下的装配方法是直接在装配模型中利用已有零件的点、边线或面等几何要素, 根据设计思路, 在现有零件的面或基准面上创建零件草图, 从而根据零件的结构特点, 选用合适的零件设计方法, 在装配图中直接创建新的零件设计方法。由于此方法在装配图中直接创建新的零件, 所设计的零件与其他零件之间存在内在的关联性, 其他零件的设计更改或许会影响某些相关零件特征的生成, 因此, 在装配设计时, 必须根据零件之间的相互关系和内在的关联性, 适时调整零件相互位置和配合关系, 及时修复因零件更改而出现的各种错误提

12、示, 使装配模型的设计得到不断地调整和优化。自上向下的装配方法在装配模型中所做的任何改动同样会反映到相应的零件模型和工程图中去。这种更改是由装配模型中零件的变化指向零件模型中零件的变化或工程图中相应零件尺寸和结构的变化, 零件在装配图中的结构形式和位置关系直观、清晰, 有利于设计者专注于总体结构方案的设计, 不断地调整和修改设计方案, 立足于功能结构模型快捷和直观的三维再现, 形象逼真地模拟出设计者的各种设计思路和设计模型。高级装配设计中的2种设计方法各有特点, 各有所长。在实际设计使用中, 很难区分其优劣性, 设计者可以根据自己的实际情况, 综合交叉使用, 在实际中不断地调整, 摸索出适合自

13、己的使用习惯, 从而高效灵活地使用这2种设计方法, 不断提高自己的设计方法和设计能力。在装配设计模型中, 设计者可以根据设计思路, 在设计方案时设计多种不同的装配模型配置, 在不同的配置中, 装配模型可以进行不同的设计, 这样设计者为达到同一设计功能, 可以设计出多种不同的设计方案, 便于设计者进行设计方案的评审和挑选, 同时, 由于各种配置中存在部分设计零件在设计模型中不需要进行设计的结构变化, 如大型设备中的基本结构件、机床或专用设备的床身等, 设计者只要对各配置装配模型中的部分结构或机构进行不同方案的结构改进设计, 就可以节省大量设计时间和设计精力, 提高设计效率, 缩短设计周期, 有利

14、于新产品的开发和研制。2. 3 设计库的应用SolidWorks 软件提供了装配设计所用的各种标准零件设计库, 具体包括含有齿轮和链轮的动力传动件、含有各种型材的结构件、螺栓垫片、螺母、螺钉、销钉和轴承等, 设计者在设计装配模型时, 可以直接从设计库中调用所需的各种标准零件, 节省设计模型所需要的时间。如有需要也可以在调出的标准零件上进行一些尺寸或形状的修改, 节省重新设计所需要的时间, 然后将修改后的零件在装配模型中进行调整, 使零件在最短的设计时间内满足设计要求。2. 4 色彩渲染和动画模拟SolidWorks 软件是一款功能强大的CAD 软件, 不仅能完成三维造型, 实现从产品概念、零部

15、件设计、结构设计、机构设计和装配模型设计, 而且能完成三维造型产品的上色、赋予材料质感、三维动画演示和渲染图像等。动画是一种传递设计思想, 记录仿真的载体, 它的特点就是形象和直观。在某些场合下, 如产品的内部结构非常复杂, 仅仅依靠文字或叙述往往不易讲解清楚, 而使用动画就能免去这种麻烦, 达到交流的目的。Animato r 插件是一个与SolidWorks 完全集成的动画制作软件。它最大的特点在于能够方便地制作出丰富的动画效果, 以演示产品的外观和性能, 增强客户与企业之间的交流。使用A nimator 能将SolidWorks 的三维模型实现动 态的可视化, 并且及时录制产品设计的模拟装

16、配过程、模拟拆装过程和产品的模拟运行过程, 将设计者的意图更好地传递给客户。So lidWor ks 的A nimator 插件提供如下的产品外观展示能力:1 零件外观渐隐效果与色彩改变。2 爆炸或解除爆炸动画, 展示装配中零部件的装配关系。3 动画显示装配体的剖切视图, 展示内部结构。4 利用专业的灯光控制以及为零件和特征增加材质来产生高质量的动画效果。5 零部件位置与视角变化。6 通过屏幕捕捉再现零件设计过程。Animator 和Pho to Works 无缝集成, 可以充分利用SolidWo rks 独有的实体模型Pho to Works 的高品质的渲染功能。通过全相关来保证精度, 包括

17、保持配合约束关系以及零件设计、装配设计和工程图之间的同步更新。通过增强的图形灯光控制来增强视觉效果。通过专业的灯光控制和为零件的特征增加材质来产生高质量的动画效果。依靠庞大的材质、纹理和背景库, 增强视觉冲击力。2. 5 有限元高级分析技术SolidWorks 软件不仅具有强大的三维造型功能, 而且具有强大的有限元高级分析功能, 其分析模块与SolidWorks 软件无缝集成。主要包括分析工具COS MOSXpress 、工程用有限元分析模块COSM O SWorks 、虚拟样机及运动仿真COSMOSMotion 以及流体流动和热分析模块COSMOSFloWorks 等。分析工具COSM OS

18、Xpress 是一个用于分析零件在受到外部载荷(力或压力 的情况下, 零件的安全系数大小、零件的应力分布云图和零件的变形云图状况。安全系数反映了零件材料的力学属性, 是零件在此外部载荷下的安全性能指标; 零件的应力分布云图和零件的变形云图是零件在该载荷作用下内部应力及变形的分布状态, 可以通过 播放 按钮, 以动画的形式播放零件的应力和变形的分布情况, 形象地再现零件应力和变形的动态分布以及运动情况, 分析的结果可以用各种形式予以保存, 便于设计者随时查看。图1为吊钩在受力后的应力分布图。工程用有限元分析模块COSM OSWorks 为设计工程师在SolidW orks 的环境下提供了比较完整

19、的分析手段。凭借先进的快速有限元技术, 工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计进行分析和验证, 并且获得修正和优化设计所需的必要信息。COSM OSWo rks 的基本模块可以对零件或装图1 吊钩受力后的应力分布配体进行静力学分析、固有频率和模态分析、失稳分析和热应力分析、疲劳分析、非线性分析、间隙/接触分析和优化设计分析等。静力学分析研究零件在只受静力情况下零件的应力、应变分布。固有频率和模态分析确定零件或装配的造型与其固有频率的关系, 在需要共振效果的场合, 以获得最佳设计效果。失稳分析研究当压应力没有超出材料的屈服极限时, 薄壁结构件(如细长管壁件 发生的失稳情况。热应力分析在存在温度

20、梯度情况下, 零件热应力分布情况, 以研究热量在零件和装配中的传播。疲劳分析预测疲劳对产品生命周期的影响, 确定可能发生疲劳破坏的区域。非线性分析用于分析橡胶类、塑料类零件或装配体的行为, 还用于金属结构在达到屈服极限后的力学行为。也可用于考虑零件的大扭转和大变形的情况。间隙/接触分析在特定载荷下, 2个或更多运动零件相互作用, 如:在传动链或其他机械系统中, 在接触间隙未知的情况下, 分析应力分布和载荷的传递情况。优化设计分析在保证零件满足其性能指标的前提下, 自动定义最小体积的设计。COSM OSWorks 功能使得用户能够测试装配体的性能而无需经过繁琐费时的传统手动设计过程, 通过零件或

21、装配体的设计建模, 创建零件或装配体COSM OSWorks 分析的实体模型, 建立研究并定义零件或装配体模型的材料特性, 建立模型分析时的压束并施加作用于模型的载荷, 从而建立起模型分析所需要的各种条件, 通过软件强大的分析功能, 得到设计者所需要的分析结果, 使得设计工程师能基于RBF 神经网络的曲面加工误差补偿邹明山1, 谢 晋1, 崔晓玲2(1. 华南理工大学机械工程学院, 广东广州510640; 2. 广东工业大学华立学院, 广东广州511325摘 要:在自由曲面数控加工中, 计算误差和机床误差都会带来加工工件的形状误差。形状误差在三维空间分布是无规律的, 无法用普通的数学函数表达,

22、 导致很难实施误差补偿加工。为了建立误差补偿模型, 本文提出了采用RBF(Radial Basis Functions 神经网络逼近误差的三维分布函数。测试结果表明, RBF 网络模型具有较好的推广能力, 它与传统的BP 神经网络模型相比较, RBF 网络具有更高的精度、更好的泛化能力和更快的收敛速度。通过修改后的数控NC 指令驱动数控机床, 使刀具中心偏离一个误差函数求出误差值, 实现误差补偿。关键词:RBF 神经网络; 模型; 误差补偿; 分布函数中图分类号:T P 391文献标志码:AError C ompensation of Surface Machining Based on RB

23、F Neural NetworkZOU M ingshan 1, XIE Jin 1, CU I Xiao ling 2(1. Scho ol of M echanical Eng ineering , South China U niv ersity of T echnolo g y, G uang zhou, 510640, China;2 H uaLi Co llege o f Guang do ng U niver sity of T echno lo gy , Guangzhou 511325, ChinaAbstract:In NC machining of free for m

24、surface, computing er ro r and machine to ol er ror co uld result in the form err orof w orkpiece. Because of indiscipline of er ro r distributio n, it is difficult to find the err or distr ibut ion functio n by tr aditional met ho d. In this paper , RBF (R adial Basis Functions Neural Netw or k w a

25、s emplo yed t o appro ach the t hr ee dimensio nal dis t ribution funct ion o f the er ro r and t hen establish the err or compensation mo del. T he test results show that RBF N eural mod el has g oo d ex tending ability. It has higher precisio n, better generalizatio n ability and quicker co nv erg ence speed than BP Neura l N etwo rk mode. F inally, the er ro r compensatio n w as achieved by the err or v alue that calculated by to ol center dev ia t ions from a er ro r function throug h dr iving the NC machine by the mo dified N C instruction.Key wor