SolidWorks在重型机器产品开发中的应用

    主流三维CAD软件SolidWorks在重工行业得到了普遍应用，国内许多重工企业购置了SolidWorks软件，并以此作为企业的产品开发平台。华泰重工制造有限公司是一家致力于散状物料输送设备及系统研发与制造的企业，主要产品包括臂式斗轮取料机、圆管带式输送机、装船机、卸船机等。面对信息时代的挑战，该公司提出了“实现无差错、高效率、低成本设计”的产品开发平发策略，于2004年向长沙凯士达信息技术有限公司购买了SolidWorks软件、技术培训、参数化设计项目导航等相关服务，经过两年的推广普及，建立了一个基于SolidWorks创新设计平台。下文将讨论重型机器的设计特点以及基于SolidWorks的解决方案，总结一套可以推广应用的基于三维CAD软件的重型机器的产品开发模式。

一、重型机器产品设计概述

      重型机器最显著的特点是大。臂式斗轮取料机一般有30多米长，是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，广泛应用于火电厂、港口码头、钢铁冶金、建材水泥、矿山、化工、煤炭与焦化厂等原料储运场，可实现煤炭、矿石、化工原料等散状物料的堆取、转运、装卸的连续作业。管式皮带机通常有几公里长，是近二十年来在带式输送机基础上发展起来的一种新型散状物料连续输送设备，它克服了带式输送机固有的缺陷与使用范围的局限性。特别适用于地形条件复杂，必须跨绕建筑物或江河、街道、环保要求高、需封闭输送的环境。广泛应用于冶金、建材、化工、火电及港口散货码头等环境，输送矿石、煤炭、原料、废渣、垃圾等物料。

      重型机器的制造特点是定制化生产。臂式斗轮取料机和管式皮带机均需要根据用户的使用现场进行定制设计，几乎没有两台完全相同的产品。但是许多零部件是通用的，或者形状相同或相近，而尺寸大小不一样。所以，系列化、模块化设计、配置设计是提高设计效率、降低生产成本的主要手段。

重型机器的核心设计技术是结构强度分析。大型设备一旦出现安全事故，损失会非常大，必须确保设计的安全性；同时重型机器要消耗大量的钢材，在保证安全的前提下，要尽可能降低成本。平衡安全与成本的主要手段是有限元分析。

      华泰重工的经营模式是以设计为主导，大量委外加工、到客户现场装配。公司的重点是经营品牌，保持设计优势，所以设计能力是企业核心的竞争力。在选择软件时重点考核软件支持大装配的能力、支持配置设计的能力和面向设计过程的结构有限元分析功能。

二、设计流程的重组
    1.与SolidWorks 软件相适应的设计流程
    传统的设计流程是基于二维CAD环境建立的，设计流程比较粗放，一般分为“功能设计、概念设计、详细设计” 三个阶段，至于每个阶段的定义和所涉及的工作内容，专家们从不同的角度给出了不同的定义，没有统一的约定。由于三维CAD软件的应用受到计算机硬件的限制，基于三维CAD软件的设计思路与基于二维CAD软件的设计思路有很大的不同，如果按照二维的思维模式和设计流程使用三维CAD软件，不但不能体现出优势，可能反而表现出许多劣势。

    要充分发挥三维CAD软件的优势，必须探讨一种新的设计流程和设计模式。基于SolidWorks所蕴涵的现代设计思想和产品建模特点，建议将设计过程分为“功能设计、概念设计、结构设计、详细设计、出工程图”五个阶段。因功能设计和出工程图的定义比较清晰和统一，故此处不做讨论，下面讨论三维CAD模式的概念设计、结构设计、详细设计的定义。

    （1）概念设计阶段的任务是确定各零部件之间的位置关系和运动关系。在SolidWorks中利用布局草图来实现概念设计，首先建立总装配图文件，在装配文件中绘制一个或多个草图，用草图显示每个零部件的位置，用 “块”定义零件的尺寸和形状，拖动零件检查零部件之间的运动关系。概念设计阶段形成的布局草图是进行方案讨论和小组协同设计的基础。使用布局草图设计装配体最大的好处是如果更改了布局草图，则装配体及其零件都会自动随之更新，达到改变一处即可快速地完成修改。

    （2）结构设计阶段的任务有两个，其一是为运动仿真分析和结构有限元分析提供模型，凡是在分析中要忽略的细节（如小孔、倒角等）均不宜出现；其二是提供一个可以参加招投标的原理性设计方案，招投标中需要表达清楚地内容都要清楚地表达，而可以忽略的细节均省略。

    （3）详细设计阶段的任务是清楚地表达与产品加工和装配有关的每一个细节。如零件模型中的倒角、螺钉孔、销钉孔，装配图中的紧固件、标准件等。

    2.基于SolidWorks的重型机器设计流程
    以此对应，将产品设计过程分解为五个阶段。以臂式斗轮取料机的设计为例讨论理想的设计流程、各阶段的任务及人员职责。

    （1）功能设计阶段的任务是根据用户的地理环境、输送需求，确定斗轮机的结构形式及主要功能模块。
    （2）概念设计由项目负责人完成，首先对产品进行模块划分、确定各功能模块是采用标准模块，还是通过对已有的模块添加新配置进行变形设计，还是进行新设计，然后采用布局草图确定各功能部件之间的关系，重点是确定各运动连接副的位置坐标或各运动副之间的位置关系尺寸。
    （3）结构设计一般由6-10人协同完成，每人负责1-2个功能模块的设计，每个功能模块作为一个独立的装配体。每个成员以总布局草图为基础进行派生设计、项目负责人根据总布局草图对各功能模块进行总装配设计。
    （4）结构设计的结果传递给工业设计师进行产品的美化设计，传递给仿真分析工程师进行运动仿真和结构强度分析，结构设计、工业设计、仿真分析三者之间不断地迭代，使产品的结构趋于完美。
    （5）结构设计的结果被确定后再进行详细设计，出工程图。

 三、产品设计策略
    1.设计与制造过程中产品配置
    在设计与制造中，不同阶段常需要不同的产品模型，SolidWorks的配置功能有效地解决了这个问题。创建零件和装配体时，模型会自动生成一个缺省配置，正常情况下，一个缺省配置便能满足要求。但一些特殊的零件，根据模型使用目的的不同，可能需要添加多个配置。下面是一些常用的配置。
    （1）缺省配置是零件与装配体的基本配置，没有特殊要求时，模型通常只有一个缺省配置。当模型有多个配置时，缺省配置一般用于保存详细设计的结果。
    （2）装配配置是为了实现大装配体建模而添加的配置，为了减少模型的存储量，装配配置压缩了所有与装配关系表达无关的特征。
    （3）结构配置是用于运动仿真分析和结构强度分析用的配置，压缩了所有与分析无关的细节特征。
    （4）工程图配置是用于出工程图的配置，在传统的二维工程图中，有些约定成俗的画法是不符合关系的，为了画出这些约定成俗的画法，须对模型做一些修改，生成一个工程图配置。
    （5）工艺配置是为了描述制造过程中某道工序的中间结果而增加的配置、如用于铸造工艺的毛坯配置、对数控加工工序中被加工特征进行描述的工艺配置。

     2.配置设计与参数化设计
    臂式斗轮取料机、圆管带式输送机是典型的定制化产品、系列化产品，产品设计工作量很大，如果能实现参数化的系列设计和配置设计，则能极大地提高设计效率。SolidWorks的参数化设计与配置设计功能够满足这种需求。
    尽管SolidWorks是参数化设计软件，但必须合理地规划零部件的建模过程，才能有效地实现参数化设计。几何建模时应保证，修改模型的参数时模型不会出错；只需改变很少的尺寸便能实现对模型的修改，而且不引起其它特征的更改。要有效地进行参数化设计，必须对模型的尺寸进行深入的分析。一般将尺寸分为四类：功能尺寸、结构强度尺寸、结构布局尺寸和关联尺寸。
    （1）功能尺寸是根据产品功能需求确定的尺寸，在设计系列产品时，对功能尺寸取一系列的值，构成产品的系列。在优化设计时，功能尺寸一般不改变。
    （2）结构强度尺寸是反映零部件强度的尺寸，强度尺寸的值决定了产品的安全性，其值越大，产品越安全，成本也越高。为了平衡安全与成本的矛盾，常对结构强度尺寸取不同的值，采用有限元分析的方法进行多方案对比优化，确定其最佳值。
    （3）结构布局尺寸确定零件或特征在产品模型中的位置关系。结构尺寸的值也将构成产品的系列。
   （4）关联尺寸描述特征之间的尺寸对应关系，一般根据功能尺寸的系列值确定。
    对尺寸进行分类便于了解尺寸之间的关系，确定参数化设计时的主动尺寸和从动尺寸，以便正确的建模和尺寸标注。
    在SolidWorks软件中，零件的系列化设计一般通过插入EXCEL表来实现，也可以通过添加新配置来实现。部件系列化设计的过程一般是先添加新配置，再为该配置中的每个零件指定不同的零件配置，构成产品系列。除了可以对尺寸进行配置外，还可以对零件的材料、生产厂家等自定义属性进行配置，构成丰富的产品系列。

  3.结构件设计
    通过焊接工艺连接在一起的零件称为结构件。结构件有三种处理方法。对于由型材焊接而成的结构件，SolidWorks提供了一个很好的焊接工具——焊接特征。使用接头裁剪、角撑板、顶端盖等焊接工具能高效率地进行结构件设计，设计完成后能自动生成切割清单。在SolidWorks中有丰富的型材库，型材的截面也可以自定义。插入焊接特征后，系统会自动生成两个默认配置：一个父配置是“按加工”，一个派生配置是“按焊接”，分别描述焊接状态和机加工后的状态，对于用板料、实体零件等非型材焊接的结构件，一般采用多实体建模比较方便，这样在SolidWorks的装配体中，把结构件当零件而不是子装配件来处理。但如果结构件中的某个组件是钣金件，要确定下料展开图，由于多实体建模不支持钣金件，则必须用装配体来设计结构件。
    4.装配设计策略
    总装配一般采用自下而上的设计方法。限于目前计算机的速度，对大型装配体进行自上而下的设计还不现实。总装配的设计策略是以概念设计阶段完成的布局草图为依据，插入子装配体。
    子装配要合理地选择自下而上和自上而下设计方法。对于全新的设计建议采用自上而下的设计方法，这样可以实现关联性设计。如果需要引用已有零部件或标准件，则应两种方法结合使用，首先建立布局草图，以布局草图为基础插入模块化的部件和零件，对新设计的零件，在装配环境下确定其形状、大小及在装配体中位置。自上而下设计方法的优点是当设计更改时，相关的零件将根据创建方法而自动更新。对于厂标件和通用件，最好在零件模式下设计，而不要在装配环境下采用自上而下的设计，以保持零件的通用性。
    重型机器的零部件很多，一般都在10000个零件以上。SolidWorks提供了丰富的装配功能，可对零件进行灵活的组合，构成子装配或标准模块。SolidWorks处理大装配的方法是对零件进行轻化，用户可以指定一个阀值，当装配体的零件数量超过阀值，则进入大装配模式，自动对零件进行轻化。实现大装配的另一个策略是对零部件建立装配配置，压缩所有与装配关系无关的特征。

 四、产品设计与工程分析的集成
    重型机器设计的核心技术是结构强度分析。有限元分析工具可分为两类，面向设计过程的、供工程师使用的主流分析软件；用于对设计结果进行校验分析的、供专业人员使用的专业分析软件。华泰重工制造有限公司的模式是所有设计人员掌握主流分析工具SimulationWorks软件，在设计过程中实现产品部件级的结构强度分析；成立专业的仿真试验室，配备5名专业分析人员，采用专业分析软件进行产品的系统级分析和基础理论的研究。
    1.面向设计过程的分析
    SimulationWorks是SolidWorks软件的一个插件，与SolidWorks共享统一的数据库，产品模型数据完全一致，操作界面统一，是一个功能完备的结构分析软件。使用SimulationWorks进行结构分析具有下面三个明显的优势：
    （1）对CAD模型进行修改后，分析过程（包括网格划分、载荷定义、边界条件等）不需要重新定义，只需运行“分析”命令，程序就会对修改后的产品模型重新进行分析，方便快捷。
    （2）对产品进行多方案比较分析时，可在CAD环境下为每种方案建立一个配置，在分析环境下只需对一个配置进行分析过程的定义，对其它配置进行分析时，只需执行一个“拖、拉”操作，将已经定义的分析过程拷贝到新的配置下即可，可以非常方便地实现多方案的比较设计。
    （3）在SimulationWorks中进行产品尺寸优化设计时，SolidWorks 为每一组尺寸组合都建立对应配置，当用户选择优化结果的最佳值或某一组尺寸组合时，不需要重新建模，只需在SolidWorks中选择对应的配置，就得到了需要的产品模型。
    这些优点使产品优化设计变得非常方便，极大地提高了产品的设计质量。
    2.设计模型与分析模型的统一
    做到设计模型与分析模型的统一，将极大地提高有限元分析的效率。可通过下面三种方法实现：
    （1）对所有设计人员进行有限元分析知识的培训，了解有限元分析模型与产品详细模型的区别，要求设计人员在产品设计时考虑有限元分析要求，对需要分析的零部件建立一个用于分析配置的结构配置。
    （2）从产品设计流程入手，建立一个结构设计阶段，强化设计人员对分析的认识。只有经过认可的模型才进入详细设计和工程图绘制，可以减少无效的劳动。
    （3）当需要把CAD模型传递给专业分析软件（如 NASTRAN、ANSYS）时，实体单元建议采用SolidWorks的多实体技术建模，这样在分析软件中可以很方便地对不同的特征设定不同的网格尺寸。壳单元最好采用SolidWorks的曲面造型技术建模，这样能更好保证壳单元与产品模型的统一。

五、应用效果
    采用SolidWorks 软件后，华泰重工制造有限公司的产品开发水平跃上了一个新台阶。主要表现在三个方面：
    （1）实现了无差错设计，SolidWorks的零件轻化和配置设计解决了三维应用中最关键的大装配问题，实现了复杂产品的虚拟设计，通过干涉检查基本上消除了产品设计的低级错误，客户的反馈也越来越好。
    （2）提高了设计效率，SolidWorks 的配置设计满足了系列化设计和定制化设计的需求，配合特征库、零件库、部件库的使用，提高了设计的复用性。通过布局草图和派生设计实现了小组协同设计，团队合作更紧密。
    （3）提高了设计质量，SimulationWorks 易学易用，在设计过程中可以方便地进行多方案的比较设计，摆脱了传统的经验设计和类比设计，实现了基于分析的优化设计。