本文以某型號產(chǎn)品的設計過程為例說明SolidWorks在一體化設計中的應用。這里要求設計者要對所使用的SolidWorks軟件本身功能有深入的了解，這樣才可以最大程度地將其功能使用出來，并發(fā)揮出三維軟件的優(yōu)勢，以實現(xiàn)真正意義上的計算機輔助設計。

　　一、前言

　　在整個產(chǎn)品設計過程中采用了三維設計軟件SolidWorks 2004，從方案設計到零件和裝配體建模，再到工程圖的出圖，以及之后進行的方案修改和復核復算，運用到了SolidWorks 2004許多高級功能和豐富的插件，采用了同一個三維實體模型即最終方案設計模型來完成設計目的，確保了設計的精確性。由于產(chǎn)品的設計過程中沒有使用多數(shù)設計人員普遍使用的AutoCAD進行二維出圖的方法，而是直接由三維模型轉(zhuǎn)為二維圖，克服了產(chǎn)品限制條件苛刻、設計周期短、總體參數(shù)變動較大、繼承性少及技術儲備不足等諸多困難，利用軟件所具有的參數(shù)化功能方便了設計修改，大大縮短了設計時間，提高了設計效率和設計質(zhì)量，較好地完成了研制設計任務。

　　二、產(chǎn)品的一體化設計

　　1.方案設計

　　1)自頂向下的設計技術

　　在產(chǎn)品設計初期，設計依據(jù)是任務書中的一些相關參數(shù)。由于產(chǎn)品的相關參數(shù)變動較大，無法完全繼承傳統(tǒng)的產(chǎn)品結構，需要重新設計產(chǎn)品結構。對于這樣變動較大的結構設計，如采用傳統(tǒng)的設計方法，即先設計零件再組裝成裝配體的話，將花費大量的時間，設計周期無法滿足。由此采用“自頂向下”的設計方法。首先確定任務書給定的相關參數(shù)為產(chǎn)品的主要參數(shù)化尺寸，進行整體草圖布局，采用特征建模方式直接建立起產(chǎn)品的整體結構，以達到宏觀控制設計的目的，此時產(chǎn)品整體結構是一個零件而不是裝配體。這樣做的好處在于它可以很方便地進行結構分析計算和方案修改，這種建模方法主要適用于材料基本相同，繼承性比較少的新產(chǎn)品設計。

　　對于方案設計時的零件建模，需要注意的是各個特征之間的尺寸標注盡量相互無關(特征之間是關聯(lián)的除外)，避免在方案修改時，由于特征或者尺寸的修改導致整體建模的失敗。

　　2)結構有限元分析

　　當產(chǎn)品的初步結構建立起來以后，必須對產(chǎn)品進行結構分析，以確保產(chǎn)品滿足強度要求。如采用傳統(tǒng)的計算方法，計算過程復雜且結果簡單，不能完整反映產(chǎn)品實際的受力狀況。由此采用SolidWorks 2004的插件COSMOSWorks 2004進行有限元分析，它的操作菜單集成在SolidWorks 2004軟件中，功能齊全，分析過程快捷、簡單，無須進行模型轉(zhuǎn)換即可進行受力分析，極大地縮短了分析時間，在產(chǎn)品的方案設計中，對產(chǎn)品的結構修改均參考有限元分析的結果進行，在對產(chǎn)品進行了上百次的結構修改和有限元分析后，基本確定產(chǎn)品結構。

　　3)優(yōu)化設計

　　該產(chǎn)品同以往產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品要求的承載大了很多，整體采用懸臂結構，而所要求的產(chǎn)品重量、外形尺寸都沒有相應加大，由此決定了產(chǎn)品必須在滿足強度要求的前提下進行優(yōu)化設計，最大程度地減輕重量，滿足任務要求。

　　該產(chǎn)品結構件眾多、復雜，尺寸較大，相關參數(shù)眾多，如對整體結構尺寸進行優(yōu)化，將花費大量時間，且硬件設備不足，無法支撐優(yōu)化設計時消耗的資源，因此只對關鍵結構的關鍵尺寸進行優(yōu)化設計。

　　優(yōu)化設計采用的是COSMOSWorks 2004中的優(yōu)化設計功能。主要是對產(chǎn)品的懸臂結構進行優(yōu)化。如圖1所示，取下支撐管到懸臂的距離L2、L3和斜拉桿L1的距離為優(yōu)化參數(shù)，懸臂到回轉(zhuǎn)軸距離L，懸拉臂的高度H，加載力F均為定值，約束點A、B位置不變，取整體應力最小值為優(yōu)化目標，目標差值在5%內(nèi)即停止運算。為減少計算時間和計算量，對模型進行了一些簡化和縮比。

　　在對產(chǎn)品進行完方案設計后，即可轉(zhuǎn)入技術設計。由于大量的前期工作均在方案設計階段就已經(jīng)完成，后面的設計就相對簡單和快捷。

圖1 優(yōu)化設計參數(shù)原理圖

　　2.零件建模

　　1)建立零件模型

　　根據(jù)方案設計中的產(chǎn)品模型，按產(chǎn)品的建模順序?qū)⒎桨冈O計中模型的各個特征轉(zhuǎn)化成單個零件模型。

　　2)零件的多配置

　　在零件模型中，因為有些零件需要在工程圖中顯示倒角，但在裝配體中無需顯示倒角，因此利用SolidWorks 2004多配置功能，在同一個設計文檔中做成有倒角和無倒角的兩個零件模型，分別用于工程圖的繪制和裝配體的裝配。

　　3.裝配體

　　1)零件關聯(lián)

　　對產(chǎn)品中的某些零件，其尺寸是和其他零件相關聯(lián)的，并且不是主要結構件，因此不單獨進行零件建模，而是在裝配體中生成新零件，以保證尺寸的關聯(lián)性。

　　2)零部件鏡像

　　對于某些左右對稱的零部件，只作出單邊的零部件，再執(zhí)行鏡像零部件命令，讓軟件自動生成新的對稱零部件，簡化了零件建模數(shù)量和過程，縮短了零件建模時間，并且還能隨著源零部件的改動做相應的改動。

　　3)零部件陣列

　　對需要陣列的零部件，可在裝配完一個零部件后，執(zhí)行零部件陣列命令，進行快速裝配。

　　4)標準件的裝配

　　SolidWorks 2004自帶有Toolbox三維標準件庫，擁有大量參數(shù)化的標準件，可從中選取不同標準，不同尺寸的各種標準件進行智能裝配，提高了裝配效率。

　　5)裝配體加工

　　對已經(jīng)裝配好的裝配體可進行切除和鉆孔操作，真實模擬裝配加工過程。該項命令對零件模型沒有影響，只反映在裝配體和裝配圖中。

　　6)運動碰撞和干涉檢查

　　對裝配體的活動件進行運動碰撞檢查，查看限位運動的碰撞情況;對所有零部件進行干涉檢查，查看裝配情況和零部件模型的精確程度。

　　7)運動仿真

　　對已經(jīng)做好的裝配體，采用SolidWorks 2004的運動仿真軟件COSMOSMotion 2004進行運動仿真，根據(jù)任務書給定的條件和設計相關參數(shù)，可以模擬產(chǎn)品的不同運動狀態(tài)，檢驗產(chǎn)品的運動性能。

　　8)模態(tài)分析

　　對已經(jīng)做好的裝配體，采用COSMOSWorks 2004進行模態(tài)分析。確定產(chǎn)品固有模態(tài)在使用環(huán)境中不會發(fā)生共振。

　　4.工程圖

　　當零件建模和裝配體裝配完成后，轉(zhuǎn)入工程圖繪制。通過模型生成快速準確的工程視圖，由于模型和圖紙尺寸相關聯(lián)，并能自動生成尺寸標注，設計人員不必再進行尺寸核算，減少了設計中的人為差錯和工作量，設計人員主要工作是對尺寸標注進行修改，以滿足標準化和圖面美觀的要求。SolidWorks 2004工程圖功能強大，標注基本符合國標要求，能夠很好地滿足工程圖繪制需要和嚴格的航天標準化要求。

　　5.方案修改

　　在完成產(chǎn)品所有圖紙的繪制后，由于總體輸入?yún)?shù)的修改，產(chǎn)品結構需要做重大修改，按照方案設計過程將產(chǎn)品重新設計了一遍，整個產(chǎn)品結構尺寸有了較大改動。由于SolidWorks 2004具有良好的動態(tài)參數(shù)化設計功能和使用性，修改異常方便快捷，從方案修改、設計分析、零件建模、裝配體裝配、工程圖繪制、復核復算，再到各級簽署、圖紙曬蘭等，整個方案修改過程僅僅花了一個多月時間，這在以往的設計過程中是不可想象的，充分體現(xiàn)了SolidWorks在一體化設計中的重大作用和效率。在整個設計過程中，產(chǎn)品的結構設計過程基本由一人完成，避免了多人之間相互協(xié)調(diào)耗費時間;建模、分析、仿真也均在同一個實體模型上進行，避免了不同軟件之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換耗費大量時間。

　　6.復核復算

　　對已經(jīng)設計好的產(chǎn)品方案，需要對其進行復核復算。SolidWorks 2004具有良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性，可以將模型方便地轉(zhuǎn)化為其他CAD和CAE軟件所能識別的格式。在復核復算中，可以將三維模型轉(zhuǎn)化為Parasolid格式供Ansys7.0使用，Ansys7.0順利讀取Parasolid格式模型，對模型沒做任何修改。因為在方案設計階段就已經(jīng)進行了大量的分析計算，因此產(chǎn)品順利通過復核復算，沒有反復。在復核復算中，Ansys7.0所得到的計算結果比COSMOS的計算結果低一些。用不同軟件對同一個模型進行有限元分析計算也在某種程度上實現(xiàn)了真正的復核復算。實際試驗結果和COSMOS計算分析結果基本吻合。

　　7.試驗結果

　　該產(chǎn)品是一個大型的結構復雜件，有多個使用工況。對已經(jīng)生產(chǎn)好的產(chǎn)品進行加載試驗，從實際測量結果看，產(chǎn)品的變形量和COSMOS與ANSYS計算分析結果基本相同，應力測試結果和COSMOS計算結果更為吻合一些，說明COSMOS分析結果能夠滿足工程設計精度要求。

　　8.發(fā)展

　　在產(chǎn)品的整個設計過程中，大量使用了SolidWorks 2004的許多高級功能和相關插件，但SolidWorks還有些軟件功能因條件和硬件所限未能在本次設計中使用。如進行網(wǎng)絡協(xié)同作業(yè)，使用 Routing對產(chǎn)品上的電纜和電器接口進行三維立體電力電纜布置，使用COSMOSFloWorks對產(chǎn)品進行流體場分析、對某些復雜零件直接用 CAMWorks插件生成NC代碼進行數(shù)控加工，以及對重要零件進行疲勞分析等，這些都將在以后的設計中得到更充分的應用。

　　三、結論

　　從產(chǎn)品的整個設計過程可以看到，SolidWorks軟件在設計中所起的重大作用。SolidWorks具有豐富的功能，眾多的配套插件，容易使用，設計人員必須深入了解這些軟件的各種高級功能后，才能夠最大程度地發(fā)揮出軟件的作用，實現(xiàn)一體化設計。

　　SolidWorks一體化設計不僅僅是簡單地三維建模，出二維圖。而是將方案設計、優(yōu)化設計、模態(tài)分析、流體場分析、疲勞分析、零件建模、動態(tài)模擬裝配、高級渲染、運動仿真以及工程圖繪制等設計全過程集于一個SolidWorks軟件當中，這樣做對于縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研制成本有著顯著作用。

　　SolidWorks軟件作為一種使用工具，能夠幫助設計人員從繁瑣的繪圖和計算中解脫出來，提高設計人員的設計效率和繪圖質(zhì)量，從而能夠集中精力去進行方案的設計工作，但不能代替設計人員進行方案構思和設計，產(chǎn)品的質(zhì)量好壞最終還是依賴于設計人員的設計水平。