本文探討了錨桿機(jī)試驗(yàn)臺(tái)三維設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究相關(guān)內(nèi)容。

　　1 SolidWorks軟件的介紹

　　在當(dāng)今的社會(huì)中，各行各業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，為了縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE，全稱Computer Aided Engineering)顯得愈來愈重要。尤其是近幾年，計(jì)算機(jī)三維CAD/CAE/CAM軟件的應(yīng)用與普及，使得傳統(tǒng)的二維機(jī)械設(shè)計(jì)逐步向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)構(gòu)思的表達(dá)由原來的二維圖紙演變成直接用計(jì)算機(jī)模擬三維實(shí)體模型的虛擬產(chǎn)品。不遠(yuǎn)的將來無圖紙生產(chǎn)將會(huì)普及。

　　SolidWorks軟件是美國(guó)SolidWorks公司基于Windows開發(fā)的全參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件。三維機(jī)械設(shè)計(jì)的所有的功能(SolidWorks三維建模軟件)、數(shù)據(jù)管理軟件PDMworks Client、以及用于設(shè)計(jì)交流的常用工具：eDrawings專業(yè)版(基于e-mail的設(shè)計(jì)交流工具)，3D Instant Website(即時(shí)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布工具)，PhotoWorks(高級(jí)渲染)，SolidWorks Animator(動(dòng)畫工具);設(shè)計(jì)效率提高工具：SolidWorks Toolbox(三維標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù))，SolidWorks Utilities(特征比較模塊)，F(xiàn)eatureWorks(特征識(shí)別)。該軟件可與Cosmos/Works工程師設(shè)計(jì)分析軟件、Cosmos/Motion三維運(yùn)動(dòng)仿真軟件等無縫結(jié)合。

　　功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè) 計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。

　　SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件的功能在于：裝配和干 涉檢查;有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)(CAE);機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 仿真;工藝規(guī)程生成(CAPP);數(shù)控加工(CAM);由 三維直接自動(dòng)生成二維工程圖紙;產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享與 集成等。這種形象化的三維設(shè)計(jì)具有直觀、精確、快速的特點(diǎn)。

　　無與倫比的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作(包括 Windows風(fēng)格的拖/放、點(diǎn)/擊、剪切/粘帖)，使得 SolidWorks的整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可百分之百編輯，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間全相關(guān)。在目前市場(chǎng)上所見到的三維CAD解決方案中， 設(shè)計(jì)過程最簡(jiǎn)便、最方便的莫過于SolidWorks了。就象美國(guó)著名咨詢公司Daratech所評(píng)論的那樣："在基于Windows平臺(tái)的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。"下面就以錨桿機(jī)試驗(yàn)臺(tái)為例介紹應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行錨桿機(jī)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程和方法。

　　2錨桿機(jī)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)過程流程圖

　　錨桿機(jī)試驗(yàn)臺(tái)是指專為修理后的錨桿機(jī)加載試驗(yàn)用的試驗(yàn)裝置，并非出廠檢驗(yàn)設(shè)備。其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程流程圖如圖1所示。

　　3 三維實(shí)體建模和后期處理

　　3.1設(shè)計(jì)要求

　　錨桿機(jī)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)要求：

　　1)由于試驗(yàn)臺(tái)高達(dá)5 m多高，因此須具有一定的剛度和強(qiáng)度，以致在試驗(yàn)推力和模擬鉆孔的時(shí)候不至于振動(dòng)過大出現(xiàn)事故;在滿足剛度、強(qiáng)度的前提下，其重量要輕，回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小;

　　2)具備模擬井下錨桿機(jī)鉆孔實(shí)際情況，即隨著鉆孔的不斷加深，錨桿機(jī)的輸出扭矩不斷增大。這也是本試驗(yàn)臺(tái)的獨(dú)特之處(相對(duì)其他礦兄弟單位的試驗(yàn)臺(tái)而言)。

　　3.2三維建模設(shè)計(jì)

　　根據(jù)錨桿機(jī)使用尺寸以及推力和扭矩的要求，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)并本著節(jié)約的方針盡量使用我單位現(xiàn)有材料以及回用物品，初步確定結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)用材類型，進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，完成零部件設(shè)計(jì)并按約束進(jìn)行裝配，其局部圖如圖2所示。

　　3.3物理參數(shù)設(shè)計(jì)、工程計(jì)算分析

　　利用質(zhì)量特性命令可以計(jì)算整個(gè)實(shí)體的質(zhì)量特性，包括質(zhì)量、體積和重心位置等方面的信息。SolidWorks軟件可以添加材料的比重，自動(dòng)輸出其物理特性，其中包括重量、重心、對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。

　　對(duì)試驗(yàn)臺(tái)可移動(dòng)和可轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量要求，利用軟件的質(zhì)量特性命令，可以非常方便給出設(shè)計(jì)，利用更改結(jié)構(gòu)尺寸的方式驅(qū)動(dòng)零部件的外形，達(dá)到更改零部件重量的目的，可以說是非常的便利。此質(zhì)量特性命令可作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。如果用手工計(jì)算，要幾個(gè)人用幾周的時(shí)間，而在這里瞬間即可完成，大大提高了設(shè)計(jì)效率。質(zhì)量特性輸出結(jié)果如圖3所示。

　　3.4應(yīng)力、應(yīng)變分析

　　這里主要對(duì)關(guān)鍵部件主軸進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析。主軸的變形會(huì)影響機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)和壽命，利用Solidworks軟件中Cosmosxpress插件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，看最大變形量是否滿足精度要求，最大應(yīng)力是否滿足材料要求。若不滿足或余量過大可利用該軟件尺寸驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。下面僅以主軸為例介紹分析過程。

　　打開solidworks軟件中cosmosxpress插件，根據(jù)錨桿機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和主軸機(jī)械性能要求，確定主軸的材質(zhì)、約束和載荷等基本的分析參數(shù)。依照插件的提示，單擊下一步按鈕，直到運(yùn)算分析和顯示結(jié)果。如圖4所示。

　　3.5輸出結(jié)果解釋

　　輸出結(jié)果類型如圖5所示。應(yīng)力、應(yīng)變等計(jì)算結(jié)果，以彩色圖片形式輸出，并附有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖6和圖7所示。

　　第一個(gè)分析結(jié)果是安全系數(shù)，該系數(shù)是材料的屈服強(qiáng)度與實(shí)際應(yīng)力的對(duì)比值。Cosmosxpress使用最大的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算安全系數(shù)。其安全系數(shù)是6.43。考慮到扭應(yīng)力，此系數(shù)不是很高。如果分析扭應(yīng)力，必須使用cosmos works插件，此處不再敘述。由圖6中的應(yīng)力分布可知，材料的屈服應(yīng)力是2.206 e+108(N/M2)，即機(jī)械工程常用的表示方法是220 MPa;實(shí)際發(fā)生的最大應(yīng)力是3.429 e+107(N/M2)，即機(jī)械工程常用的表示方法是34.29MPa，顯然遠(yuǎn)小于220 MPa的屈服應(yīng)力，完全可靠。

　　如若應(yīng)力計(jì)算結(jié)果超出材料允許值或變形超出精度要求范圍，利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)的特性可以很快修改其結(jié)構(gòu)尺寸并重新計(jì)算。

　　由圖7的應(yīng)變結(jié)果圖可以看出，紅色區(qū)域變形最大，其最大值是1.212 e一10 nlln，即為0.012 12mm，也在主軸的精度范圍之內(nèi)。

　　3.6機(jī)構(gòu)仿真及運(yùn)動(dòng)分析

　　機(jī)械產(chǎn)品的虛擬裝配設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，是在計(jì)算機(jī)構(gòu)成的虛擬環(huán)境中，進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的裝配，并通過計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。

　　此過程是通過Cosmos/motion軟件來完成的，具有優(yōu)化性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可視性等特點(diǎn)，從而及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問題。

　　根據(jù)錨桿機(jī)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況，對(duì)相關(guān)運(yùn)動(dòng)副加以約束，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查。同時(shí)輸出速度、加速度、位移、力矩等的曲線圖，輸出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影視文件。

　　3.7二維工程圖轉(zhuǎn)化

　　初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足要求后，SolidWorks可以利用已建立的裝配體模型生成二維工程圖。

　　4結(jié)語

　　在新產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中，對(duì)錨桿機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)和實(shí)際工況下的仿真分析，可以大大提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)避免了試僅顯著縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，還大大降低了設(shè)計(jì)成本，大大提高了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。SolidWorks公司的宗旨就是讓參與產(chǎn)品開發(fā)的每個(gè)人都能發(fā)揮3D的威力。SolidWorks公司是第一家開發(fā)出既易用，價(jià)格又適中的強(qiáng)大3D機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的公司。今天，SolidWorks軟件在實(shí)際用戶數(shù)量、客戶滿意度和銷售方面均是主流市場(chǎng)上排在世界第一位的3D設(shè)計(jì)軟件，是全球主流的三維設(shè)計(jì)軟件。