利用SolidWorks软件优化轴承产品设计

闫 众，黄鸣鸣

（中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150036）

1 前言

随着产品设计技术的不断专业化、精细化要求，在产品的设计阶段对产品工况进行模拟，验证产品是否符合设计目标要求，找出可能存在问题的区域，并评估设计更改以提高产品质量是新产品设计的发展趋势。SolidWorks作为一种三维仿真软件在产品开发过程中正在得到广泛的应用。

2 SolidWorks简介

SolidWorks（图1）是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM的桌面集成系统,是第一个在Windows环境下实现的机械三维CAD软件。它采用非全约束的特征建模技术,其设计过程全相关,可以在设计的任何阶段对设计进行修改,同时自动实现与之相关的更新。SolidWorks对产品进行造型、初步的应力分析，通过在计算机上进行仿真测试，取代昂贵并费时的实地测试，降低产品成本及上市时间。

图1 SolidWorks软件工作界面

3 利用SolidWorks进行优化设计

3.1 参数化建模

利用SolidWorks软件及其插件模块制作轴承模型，真实显现轴承在其安装位置、工况条件下的运行状态，在一定程度上反映了轴承运动的真实情况。将它应用于产品的开发设计中，可在产品设计早期阶段进行虚拟运动仿真或找出设计问题，既能提高工作效率，又能降低产品制作成本，方便人们进行产品信息交流。有限元仿真分析的合理性很大程度上取决于模型建立的正确性，目前在有限元仿真分析中大多采用相近或者简略模型，因此导致计算结果与实际情况存在较大差异。应用基于SolidWorks等三维设计软件超强的建模技术，实现与通用有限元分析软件之间数学模型和数据的转换与传输，完成有限元仿真模拟前复杂模型的建立工作，弥补有限元软件建造复杂模型方面的不足，从而实现有限元仿真分析的快速、准确、有效性。

图2 是利用SolidWorks制作的调心球轴承三维模型。该模型反应了轴承各个零件的形状、相对位置关系。

图2 调心球轴承三维造型

3.2 加载边界条件

模型建造完成后，需要模拟轴承实际的工况条件，将轴承与轴、轴承座的配合情况，轴、轴承座、轴承等部件相关的材料属性、轴承的工作转速、轴承所承受的径向、轴向载荷方向、大小、轴承工作时的温度情况、润滑方式、润滑剂的相关参数等诸多因素加载到轴承模型中，使轴承的模拟情况尽可能接近实际的工况要求。

3.3 仿真模拟计算

通过SolidWorks的模拟分析，可以得到在接近实际工况条件下，轴承的应变、应力、载荷分布、寿命情况。评估零件之间的力和应力以优化装配体。当轴承的零件设计不合理或者装配不合理，就会发生干涉，利用SolidWorks可以进行检查。若保持架在内、外圈之间无游隙，在仿真运动时，选取全局干涉项，在干涉区域就会出现标记，进而可以对轴承的设计情况有个初步的了解，对产品的优化设计提供了参考方向。

4 优化设计

优化是以尺寸、载荷和约束、材料或制造要求为条件，对应力、挠度、重量、成本、温度等因素进行计算。借助 SolidWorks，可以实现轴承产品的优化设计（图3），可以在制造产品前测试其中的缺陷，比较和优化备选方案: 通过比较强度、寿命、成本和重量确定最佳设计方案，从而最大限度提高性能和节省费用。针对同一问题，软件提供了几个不同的解决方案，对这些解决方案，需要参照最终获得质量最好、最赢利的产品的制造要求和效率来加以考虑。

图3 调心球轴承分解视图

5 结束语

随着设计过程的进展，设计的复杂性会越来越高，更改也将越来越难于评估和实施。如果能在设计过程的早期阶段执行优化过程，将能最大限度地提高技术利用价值。在设计的概念阶段，进行产品的优化设计，确保为基础设计提供准确的材料、壁厚、配合方式等等。研究表明，利用SolidWorks软件及其插件模块制作轴承模型和其运行动画，真实显现轴承部件的装配过程及运行状态，在一定程度上反映了轴承转动的真实情况。将它应用于产品的开发设计中，可在产品设计早期阶段进行虚拟运动仿真或找出设计问题，这既能提高工作效率，又能降低产品制选成本，方便人们进行产品信息交流。可以在制造产品前测试其中的缺陷，帮助设计人员在设计过程的早期预防错误的发生。