梁頌斌

(湖南省三一重工路機(jī)研究院 ，湖南 長沙 410100)

在我國與世界經(jīng)濟(jì)接軌后，工程機(jī)械企業(yè)一直面臨著挑戰(zhàn)，因此，企業(yè)的生存只有依靠產(chǎn)品研發(fā)的水平才能夠決定。工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要是對產(chǎn)品性能的需求做出詳細(xì)分析，而機(jī)械產(chǎn)品的品種多、批量少，以及它的型號(hào)多變和交貨時(shí)間短是其特點(diǎn)。為了獲取最佳的設(shè)計(jì)加速產(chǎn)品的更新，就必須利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法：三維造型和有限元分析，以及模態(tài)分析等進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，以確保工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率、周期，才能使工程機(jī)械產(chǎn)品獲取市場。

1 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及方法

目前，現(xiàn)代的工程機(jī)械產(chǎn)品的種類有許多，并且在結(jié)構(gòu)上都很復(fù)雜。但是系統(tǒng)功能主要還是以動(dòng)力系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)，以及操作控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)為主，其中，各系統(tǒng)還能夠根據(jù)不同的需要分解成子系統(tǒng)。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于它不只要求要熟知機(jī)械的工作原理和結(jié)構(gòu)、物流技術(shù)和運(yùn)動(dòng)方式、材料和能量與力之間的傳遞方式、形狀和尺寸、構(gòu)思潤滑方法，以及分析和計(jì)算，還要掌握其它科學(xué)的知識(shí)，在市場中工程機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)品才能更具有競爭力。

工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有CAD和CAM兩個(gè)過程，這兩個(gè)過程促進(jìn)了自動(dòng)化程度的發(fā)展，因此使現(xiàn)代計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)更為穩(wěn)固。雖然CAD設(shè)計(jì)不是完全自動(dòng)化的，但是，CAD明顯的特點(diǎn)是人機(jī)信息交流與交互的工作方式，主要分為三個(gè)層次：其一是系統(tǒng)軟件；其二是支撐軟件；其三是應(yīng)用軟件。在二維和三維圖形的方式下CAD和CAM支持對產(chǎn)品與零件的定義。其方法有數(shù)學(xué)計(jì)算軟件和有限元分析軟件，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件等。而優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以綜合考慮各方面因素，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

除了擁有計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)外，還擁有一項(xiàng)實(shí)例推理的技術(shù)設(shè)計(jì)，通過對以往出現(xiàn)的問題綜合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的解決方法，這一技術(shù)可以有效選用原有的資源進(jìn)行設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)是根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)要求，將產(chǎn)品的特征和設(shè)計(jì)匹配，組成可行的設(shè)計(jì)方案給予分析評價(jià)。由于此設(shè)計(jì)的結(jié)果相似，不一定滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的要求，所以還要進(jìn)行修改選取最優(yōu)方案。

2 工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的步驟

計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行三維實(shí)體造型和有限元結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)分析五個(gè)步驟。在方案設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，將各零件的基本形狀與結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。零部件則采用三維實(shí)體造型軟件構(gòu)建出模型，不僅能夠表達(dá)設(shè)計(jì)者們的思想，還能夠保證設(shè)計(jì)者和用戶的溝通。此外，此模型還是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，例如：在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和力學(xué)分析，在仿真運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還要對零部件進(jìn)行檢查和驗(yàn)證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，確保設(shè)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)缺陷。在計(jì)算的結(jié)果無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，就要對模型進(jìn)行修改。在多種方案中，按照需要選取合適的最優(yōu)設(shè)方案以后再進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)。由于靜態(tài)的設(shè)計(jì)受到多種因素的影響，所以在工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中利用動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)，可以對任何工況下所承受荷載的運(yùn)行狀態(tài)和變化進(jìn)行仿真模擬。通過以上步驟后，再對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型能夠直接完成二維工程圖的設(shè)計(jì)，并且獨(dú)立完成全套設(shè)計(jì)圖及有關(guān)的設(shè)計(jì)文件等。

實(shí)例推理的技術(shù)設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)實(shí)力表示和檢索、實(shí)例修正和驗(yàn)證，以及實(shí)例評價(jià)和儲(chǔ)存六個(gè)步驟進(jìn)行分析。在實(shí)例設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，直接對產(chǎn)品的全部信息進(jìn)行多層次的分割，確保機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)例和實(shí)例庫是獨(dú)立存在與聯(lián)系的。對要設(shè)計(jì)的工程機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)例匹配算法得出工程機(jī)械產(chǎn)品模型所需的數(shù)值等，并進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)例修正。

3 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖1 圖2圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置二維工程圖

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的設(shè)計(jì)中，零部件的三維實(shí)體模型構(gòu)成主要是利用SolidWorks建立的。

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

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的有限元分析時(shí)模型左端的自由度進(jìn)行約束。以往的計(jì)算是采用集中載荷法、共同曲率法，但是計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際相差很大，而現(xiàn)代的有限元法可以解決鋼板彈簧結(jié)構(gòu)分析過程中的接觸非線性問題。由于圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置由工作臺(tái)直線和工件運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，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(jìn)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(jìn)行約束。進(jìn)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(jié)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(chǎn)品設(shè)計(jì)的成本。

綜上所述，隨著市場競爭的不斷加劇，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已成為必要。應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理論和方法可以有效地降低成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精度和縮短設(shè)計(jì)周期，特別是在多品種、小批量的工程機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)中有著重大的意義。工程機(jī)械設(shè)計(jì)在采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的同時(shí)再加上三維實(shí)體造型軟件的應(yīng)用可以使機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)更加方便，提高了設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的一體化。

[1]繆炳榮,肖守訥.機(jī)車車體結(jié)構(gòu)模態(tài)的有限元分析[J].電力機(jī)車技術(shù)，2002，(4).

[2]智晉寧,張洪.三維建模技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2004，(4).