主流三維CAD軟件SolidWorks在重工行業(yè)得到了普遍應(yīng)用，國內(nèi)許多重工企業(yè)購置了SolidWorks軟件，并以此作為企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)平臺。華泰重工制造有限公司是一家致力于散狀物料輸送設(shè)備及系統(tǒng)研發(fā)與制造的企業(yè)，主要產(chǎn)品包括臂式斗輪取料機、圓管帶式輸送機、裝船機、卸船機等。面對信息時代的挑戰(zhàn)，該公司提出了“實現(xiàn)無差錯、高效率、低成本設(shè)計”的產(chǎn)品開發(fā)平發(fā)策略，于2004年向長沙凱士達信息技術(shù)有限公司購買了SolidWorks軟件、技術(shù)培訓(xùn)、參數(shù)化設(shè)計項目導(dǎo)航等相關(guān)服務(wù)，經(jīng)過兩年的推廣普及，建立了一個基于SolidWorks創(chuàng)新設(shè)計平臺。下文將討論重型機器的設(shè)計特點以及基于SolidWorks的解決方案，總結(jié)一套可以推廣應(yīng)用的基于三維CAD軟件的重型機器的產(chǎn)品開發(fā)模式。

    一、重型機器產(chǎn)品設(shè)計概述

    重型機器最顯著的特點是大。臂式斗輪取料機一般有30多米長，是一種連續(xù)、高效的散狀物料裝卸輸送機械，廣泛應(yīng)用于火電廠、港口碼頭、鋼鐵冶金、建材水泥、礦山、化工、煤炭與焦化廠等原料儲運場，可實現(xiàn)煤炭、礦石、化工原料等散狀物料的堆取、轉(zhuǎn)運、裝卸的連續(xù)作業(yè)。管式皮帶機通常有幾公里長，是近二十年來在帶式輸送機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型散狀物料連續(xù)輸送設(shè)備，它克服了帶式輸送機固有的缺陷與使用范圍的局限性。特別適用于地形條件復(fù)雜，必須跨繞建筑物或江河、街道、環(huán)保要求高、需封閉輸送的環(huán)境。廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工、火電及港口散貨碼頭等環(huán)境，輸送礦石、煤炭、原料、廢渣、垃圾等物料。

    重型機器的制造特點是定制化生產(chǎn)。臂式斗輪取料機和管式皮帶機均需要根據(jù)用戶的使用現(xiàn)場進行定制設(shè)計，幾乎沒有兩臺完全相同的產(chǎn)品。但是許多零部件是通用的，或者形狀相同或相近，而尺寸大小不一樣。所以，系列化、模塊化設(shè)計、配置設(shè)計是提高設(shè)計效率、降低生產(chǎn)成本的主要手段。
重型機器的核心設(shè)計技術(shù)是結(jié)構(gòu)強度分析。大型設(shè)備一旦出現(xiàn)安全事故，損失會非常大，必須確保設(shè)計的安全性；同時重型機器要消耗大量的鋼材，在保證安全的前提下，要盡可能降低成本。平衡安全與成本的主要手段是有限元分析。

    華泰重工的經(jīng)營模式是以設(shè)計為主導(dǎo)，大量委外加工、到客戶現(xiàn)場裝配。公司的重點是經(jīng)營品牌，保持設(shè)計優(yōu)勢，所以設(shè)計能力是企業(yè)核心的競爭力。在選擇軟件時重點考核軟件支持大裝配的能力、支持配置設(shè)計的能力和面向設(shè)計過程的結(jié)構(gòu)有限元分析功能。

    二、設(shè)計流程的重組

    1.與SolidWorks 軟件相適應(yīng)的設(shè)計流程

    傳統(tǒng)的設(shè)計流程是基于二維CAD環(huán)境建立的，設(shè)計流程比較粗放，一般分為“功能設(shè)計、概念設(shè)計、詳細設(shè)計” 三個階段，至于每個階段的定義和所涉及的工作內(nèi)容，專家們從不同的角度給出了不同的定義，沒有統(tǒng)一的約定。由于三維CAD軟件的應(yīng)用受到計算機硬件的限制，基于三維CAD軟件的設(shè)計思路與基于二維CAD軟件的設(shè)計思路有很大的不同，如果按照二維的思維模式和設(shè)計流程使用三維CAD軟件，不但不能體現(xiàn)出優(yōu)勢，可能反而表現(xiàn)出許多劣勢。

    要充分發(fā)揮三維CAD軟件的優(yōu)勢，必須探討一種新的設(shè)計流程和設(shè)計模式。基于SolidWorks所蘊涵的現(xiàn)代設(shè)計思想和產(chǎn)品建模特點，建議將設(shè)計過程分為“功能設(shè)計、概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計、出#p#分頁標題#e#工程圖”五個階段。因功能設(shè)計和出工程圖的定義比較清晰和統(tǒng)一，故此處不做討論，下面討論三維CAD模式的概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計的定義。

    （1）概念設(shè)計階段的任務(wù)是確定各零部件之間的位置關(guān)系和運動關(guān)系。在SolidWorks中利用布局草圖來實現(xiàn)概念設(shè)計，首先建立總裝配圖文件，在裝配文件中繪制一個或多個草圖，用草圖顯示每個零部件的位置，用 “塊”定義零件的尺寸和形狀，拖動零件檢查零部件之間的運動關(guān)系。概念設(shè)計階段形成的布局草圖是進行方案討論和小組協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)。使用布局草圖設(shè)計裝配體最大的好處是如果更改了布局草圖，則裝配體及其零件都會自動隨之更新，達到改變一處即可快速地完成修改。

    （2）結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的任務(wù)有兩個，其一是為運動仿真分析和結(jié)構(gòu)有限元分析提供模型，凡是在分析中要忽略的細節(jié)（如小孔、倒角等）均不宜出現(xiàn)；其二是提供一個可以參加招投標的原理性設(shè)計方案，招投標中需要表達清楚地內(nèi)容都要清楚地表達，而可以忽略的細節(jié)均省略。

    （3）詳細設(shè)計階段的任務(wù)是清楚地表達與產(chǎn)品加工和裝配有關(guān)的每一個細節(jié)。如零件模型中的倒角、螺釘孔、銷釘孔，裝配圖中的緊固件、標準件等。

    2.基于SolidWorks的重型機器設(shè)計流程

    以此對應(yīng)，將產(chǎn)品設(shè)計過程分解為五個階段。以臂式斗輪取料機的設(shè)計為例討論理想的設(shè)計流程、各階段的任務(wù)及人員職責。

    （1）功能設(shè)計階段的任務(wù)是根據(jù)用戶的地理環(huán)境、輸送需求，確定斗輪機的結(jié)構(gòu)形式及主要功能模塊。

    （2）概念設(shè)計由項目負責人完成，首先對產(chǎn)品進行模塊劃分、確定各功能模塊是采用標準模塊，還是通過對已有的模塊添加新配置進行變形設(shè)計，還是進行新設(shè)計，然后采用布局草圖確定各功能部件之間的關(guān)系，重點是確定各運動連接副的位置坐標或各運動副之間的位置關(guān)系尺寸。

    （3）結(jié)構(gòu)設(shè)計一般由6-10人協(xié)同完成，每人負責1-2個功能模塊的設(shè)計，每個功能模塊作為一個獨立的裝配體。每個成員以總布局草圖為基礎(chǔ)進行派生設(shè)計、項目負責人根據(jù)總布局草圖對各功能模塊進行總裝配設(shè)計。

    （4）結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果傳遞給工業(yè)設(shè)計師進行產(chǎn)品的美化設(shè)計，傳遞給仿真分析工程師進行運動仿真和結(jié)構(gòu)強度分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、仿真分析三者之間不斷地迭代，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)趨于完美。

    （5）結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果被確定后再進行詳細設(shè)計，出工程圖。

    三、產(chǎn)品設(shè)計策略

    1.設(shè)計與制造過程中產(chǎn)品配置

    在設(shè)計與制造中，不同階段常需要不同的產(chǎn)品模型，SolidWorks的配置功能有效地解決了這個問題。創(chuàng)建零件和裝配體時，模型會自動生成一個缺省配置，正常情況下，一個缺省配置便能滿足要求。但一些特殊的零件，根據(jù)模型使用目的的不同，可能需要添加多個配置。下面是一些常用的配置。

    （1）缺省配置是零件與裝配體的基本配置，沒有特殊要求時，模型通常只有一個缺省配置。當模型有多個配置時，缺省配置一般用于保存詳細設(shè)計的結(jié)果。

    （2）裝配配置是為了實現(xiàn)大裝配體建模而添加的配置，為了減少模型的存儲量，裝配配置壓縮了所有與裝配關(guān)系表達無關(guān)的特征。

    （3）結(jié)構(gòu)配置是用于運動仿真分析和結(jié)構(gòu)強度分析用的配置，壓縮了所有與分析無關(guān)的細節(jié)特征。#p#分頁標題#e#

    （4）工程圖配置是用于出工程圖的配置，在傳統(tǒng)的二維工程圖中，有些約定成俗的畫法是不符合投影關(guān)系的，為了畫出這些約定成俗的畫法，須對模型做一些修改，生成一個工程圖配置。

    （5）工藝配置是為了描述制造過程中某道工序的中間結(jié)果而增加的配置、如用于鑄造工藝的毛坯配置、對數(shù)控加工工序中被加工特征進行描述的工藝配置。

     2.配置設(shè)計與參數(shù)化設(shè)計

    臂式斗輪取料機、圓管帶式輸送機是典型的定制化產(chǎn)品、系列化產(chǎn)品，產(chǎn)品設(shè)計工作量很大，如果能實現(xiàn)參數(shù)化的系列設(shè)計和配置設(shè)計，則能極大地提高設(shè)計效率。SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計與配置設(shè)計功能夠滿足這種需求。

    盡管SolidWorks是參數(shù)化設(shè)計軟件，但必須合理地規(guī)劃零部件的建模過程，才能有效地實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。幾何建模時應(yīng)保證，修改模型的參數(shù)時模型不會出錯；只需改變很少的尺寸便能實現(xiàn)對模型的修改，而且不引起其它特征的更改。要有效地進行參數(shù)化設(shè)計，必須對模型的尺寸進行深入的分析。一般將尺寸分為四類：功能尺寸、結(jié)構(gòu)強度尺寸、結(jié)構(gòu)布局尺寸和關(guān)聯(lián)尺寸。

    （1）功能尺寸是根據(jù)產(chǎn)品功能需求確定的尺寸，在設(shè)計系列產(chǎn)品時，對功能尺寸取一系列的值，構(gòu)成產(chǎn)品的系列。在優(yōu)化設(shè)計時，功能尺寸一般不改變。

    （2）結(jié)構(gòu)強度尺寸是反映零部件強度的尺寸，強度尺寸的值決定了產(chǎn)品的安全性，其值越大，產(chǎn)品越安全，成本也越高。為了平衡安全與成本的矛盾，常對結(jié)構(gòu)強度尺寸取不同的值，采用有限元分析的方法進行多方案對比優(yōu)化，確定其最佳值。

    （3）結(jié)構(gòu)布局尺寸確定零件或特征在產(chǎn)品模型中的位置關(guān)系。結(jié)構(gòu)尺寸的值也將構(gòu)成產(chǎn)品的系列。

   （4）關(guān)聯(lián)尺寸描述特征之間的尺寸對應(yīng)關(guān)系，一般根據(jù)功能尺寸的系列值確定。

    對尺寸進行分類便于了解尺寸之間的關(guān)系，確定參數(shù)化設(shè)計時的主動尺寸和從動尺寸，以便正確的建模和尺寸標注。

    在SolidWorks軟件中，零件的系列化設(shè)計一般通過插入EXCEL表來實現(xiàn)，也可以通過添加新配置來實現(xiàn)。部件系列化設(shè)計的過程一般是先添加新配置，再為該配置中的每個零件指定不同的零件配置，構(gòu)成產(chǎn)品系列。除了可以對尺寸進行配置外，還可以對零件的材料、生產(chǎn)廠家等自定義屬性進行配置，構(gòu)成豐富的產(chǎn)品系列。

  3.結(jié)構(gòu)件設(shè)計

    通過焊接工藝連接在一起的零件稱為結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件有三種處理方法。對于由型材焊接而成的結(jié)構(gòu)件，SolidWorks提供了一個很好的焊接工具——焊接特征。使用接頭裁剪、角撐板、頂端蓋等焊接工具能高效率地進行結(jié)構(gòu)件設(shè)計，設(shè)計完成后能自動生成切割清單。在SolidWorks中有豐富的型材庫，型材的截面也可以自定義。插入焊接特征后，系統(tǒng)會自動生成兩個默認配置：一個父配置是“按加工”，一個派生配置是“按焊接”，分別描述焊接狀態(tài)和機加工后的狀態(tài)，對于用板料、實體零件等非型材焊接的結(jié)構(gòu)件，一般采用多實體建模比較方便，這樣在SolidWorks的裝配體中，把結(jié)構(gòu)件當零件而不是子裝配件來處理。但如果結(jié)構(gòu)件中的某個組件是鈑金件，要確定下料展開圖，由于多實體建模不支持鈑金件，則必須用裝配體來設(shè)計結(jié)構(gòu)件。

    4.裝配設(shè)計策略

    總裝配一般采用自下而上的設(shè)計方法。限于目前計算機的速度，對大型裝配體進行自上而下的設(shè)計還不現(xiàn)實。總裝配的設(shè)計策略是以概念設(shè)計階段完成的布局草圖為依據(jù)，插入子裝配體。#p#分頁標題#e#

    子裝配要合理地選擇自下而上和自上而下設(shè)計方法。對于全新的設(shè)計建議采用自上而下的設(shè)計方法，這樣可以實現(xiàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計。如果需要引用已有零部件或標準件，則應(yīng)兩種方法結(jié)合使用，首先建立布局草圖，以布局草圖為基礎(chǔ)插入模塊化的部件和零件，對新設(shè)計的零件，在裝配環(huán)境下確定其形狀、大小及在裝配體中位置。自上而下設(shè)計方法的優(yōu)點是當設(shè)計更改時，相關(guān)的零件將根據(jù)創(chuàng)建方法而自動更新。對于廠標件和通用件，最好在零件模式下設(shè)計，而不要在裝配環(huán)境下采用自上而下的設(shè)計，以保持零件的通用性。

    重型機器的零部件很多，一般都在10000個零件以上。SolidWorks提供了豐富的裝配功能，可對零件進行靈活的組合，構(gòu)成子裝配或標準模塊。SolidWorks處理大裝配的方法是對零件進行輕化，用戶可以指定一個閥值，當裝配體的零件數(shù)量超過閥值，則進入大裝配模式，自動對零件進行輕化。實現(xiàn)大裝配的另一個策略是對零部件建立裝配配置，壓縮所有與裝配關(guān)系無關(guān)的特征。

    四、產(chǎn)品設(shè)計與工程分析的集成

    重型機器設(shè)計的核心技術(shù)是結(jié)構(gòu)強度分析。有限元分析工具可分為兩類，面向設(shè)計過程的、供工程師使用的主流分析軟件；用于對設(shè)計結(jié)果進行校驗分析的、供專業(yè)人員使用的專業(yè)分析軟件。華泰重工制造有限公司的模式是所有設(shè)計人員掌握主流分析工具COSMOSWorks軟件，在設(shè)計過程中實現(xiàn)產(chǎn)品部件級的結(jié)構(gòu)強度分析；成立專業(yè)的仿真試驗室，配備5名專業(yè)分析人員，采用專業(yè)分析軟件進行產(chǎn)品的系統(tǒng)級分析和基礎(chǔ)理論的研究。

    1.面向設(shè)計過程的分析

    COSMOSWorks是SolidWorks軟件的一個插件，與SolidWorks共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)完全一致，操作界面統(tǒng)一，是一個功能完備的結(jié)構(gòu)分析軟件。使用COSMOSWorks進行結(jié)構(gòu)分析具有下面三個明顯的優(yōu)勢：

    （1）對CAD模型進行修改后，分析過程（包括網(wǎng)格劃分、載荷定義、邊界條件等）不需要重新定義，只需運行“分析”命令，程序就會對修改后的產(chǎn)品模型重新進行分析，方便快捷。

    （2）對產(chǎn)品進行多方案比較分析時，可在CAD環(huán)境下為每種方案建立一個配置，在分析環(huán)境下只需對一個配置進行分析過程的定義，對其它配置進行分析時，只需執(zhí)行一個“拖、拉”操作，將已經(jīng)定義的分析過程拷貝到新的配置下即可，可以非常方便地實現(xiàn)多方案的比較設(shè)計。

    （3）在COSMOSWorks中進行產(chǎn)品尺寸優(yōu)化設(shè)計時，SolidWorks 為每一組尺寸組合都建立對應(yīng)配置，當用戶選擇優(yōu)化結(jié)果的最佳值或某一組尺寸組合時，不需要重新建模，只需在SolidWorks中選擇對應(yīng)的配置，就得到了需要的產(chǎn)品模型。

    這些優(yōu)點使產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計變得非常方便，極大地提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

    2.設(shè)計模型與分析模型的統(tǒng)一

    做到設(shè)計模型與分析模型的統(tǒng)一，將極大地提高有限元分析的效率。可通過下面三種方法實現(xiàn)：

    （1）對所有設(shè)計人員進行有限元分析知識的培訓(xùn)，了解有限元分析模型與產(chǎn)品詳細模型的區(qū)別，要求設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計時考慮有限元分析要求，對需要分析的零部件建立一個用于分析配置的結(jié)構(gòu)配置。

    （2）從產(chǎn)品設(shè)計流程入手，建立一個結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，強化設(shè)計人員對分析的認識。只有經(jīng)過認可的模型才進入詳細設(shè)計和工程圖繪制，可以減少無效的勞動。

    （3）當需要把CAD模型傳遞給專業(yè)分析軟件（如 NASTRAN、ANSYS）時，實體單元建議采用SolidWorks的多實體技術(shù)建模，這樣在分析軟件中可以很方便地對不同的特征設(shè)定不同的網(wǎng)格尺寸。殼單元最好采用SolidWorks的曲面造型技術(shù)建模，這樣能更好保證殼單元與產(chǎn)品模型的統(tǒng)一。#p#分頁標題#e#

    五、應(yīng)用效果

    采用SolidWorks 軟件后，華泰重工制造有限公司的產(chǎn)品開發(fā)水平躍上了一個新臺階。主要表現(xiàn)在三個方面：

    （1）實現(xiàn)了無差錯設(shè)計，SolidWorks的零件輕化和配置設(shè)計解決了三維應(yīng)用中最關(guān)鍵的大裝配問題，實現(xiàn)了復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬設(shè)計，通過干涉檢查基本上消除了產(chǎn)品設(shè)計的低級錯誤，客戶的反饋也越來越好。

    （2）提高了設(shè)計效率，SolidWorks 的配置設(shè)計滿足了系列化設(shè)計和定制化設(shè)計的需求，配合特征庫、零件庫、部件庫的使用，提高了設(shè)計的復(fù)用性。通過布局草圖和派生設(shè)計實現(xiàn)了小組協(xié)同設(shè)計，團隊合作更緊密。

    （3）提高了設(shè)計質(zhì)量，COSMOSWorks 易學(xué)易用，在設(shè)計過程中可以方便地進行多方案的比較設(shè)計，擺脫了傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計和類比設(shè)計，實現(xiàn)了基于分析的優(yōu)化設(shè)計。