工程机械产品新型设计与研究

梁颂斌

(湖南省三一重工路机研究院 ，湖南 长沙 410100)

在我国与世界经济接轨后，工程机械企业一直面临着挑战，因此，企业的生存只有依靠产品研发的水平才能够决定。工程机械产品设计主要是对产品性能的需求做出详细分析，而机械产品的品种多、批量少，以及它的型号多变和交货时间短是其特点。为了获取最佳的设计加速产品的更新，就必须利用现代设计方法：三维造型和有限元分析，以及模态分析等进行产品的设计，以确保工程机械产品设计的效率、周期，才能使工程机械产品获取市场。

1 现代机械设计的特点及方法

目前，现代的工程机械产品的种类有许多，并且在结构上都很复杂。但是系统功能主要还是以动力系统和传统系统，以及操作控制系统和执行系统为主，其中，各系统还能够根据不同的需要分解成子系统。现代机械设计的特点在于它不只要求要熟知机械的工作原理和结构、物流技术和运动方式、材料和能量与力之间的传递方式、形状和尺寸、构思润滑方法，以及分析和计算，还要掌握其它科学的知识，在市场中工程机械设计的产品才能更具有竞争力。

工程机械产品设计有CAD和CAM两个过程，这两个过程促进了自动化程度的发展，因此使现代计算机集成制造系统的基础更为稳固。虽然CAD设计不是完全自动化的，但是，CAD明显的特点是人机信息交流与交互的工作方式，主要分为三个层次：其一是系统软件；其二是支撑软件；其三是应用软件。在二维和三维图形的方式下CAD和CAM支持对产品与零件的定义。其方法有数学计算软件和有限元分析软件，以及优化设计软件等。而优化设计还可以综合考虑各方面因素，确定最优的设计。

除了拥有计算机辅助机械设计外，还拥有一项实例推理的技术设计，通过对以往出现的问题综合实际经验进行的解决方法，这一技术可以有效选用原有的资源进行设计。此设计是根据用户的设计要求，将产品的特征和设计匹配，组成可行的设计方案给予分析评价。由于此设计的结果相似，不一定满足现代设计的要求，所以还要进行修改选取最优方案。

2 工程机械产品设计的步骤

计算机辅助机械设计中，要进行三维实体造型和有限元结构、优化设计和动态仿真设计、详细设计分析五个步骤。在方案设计完成的基础上，将各零件的基本形状与结构进行确定。零部件则采用三维实体造型软件构建出模型，不仅能够表达设计者们的思想，还能够保证设计者和用户的沟通。此外，此模型还是产品设计的基础，例如：在进行运动仿真和力学分析，在仿真运动的同时还要对零部件进行检查和验证产品的结构，确保设计不会出现缺陷。在计算的结果无法满足设计要求时，就要对模型进行修改。在多种方案中，按照需要选取合适的最优设方案以后再进行优化的设计。由于静态的设计受到多种因素的影响，所以在工程机械产品设计中利用动态仿真设计，可以对任何工况下所承受荷载的运行状态和变化进行仿真模拟。通过以上步骤后，再对结构进行详细的设计以实现三维实体模型能够直接完成二维工程图的设计，并且独立完成全套设计图及有关的设计文件等。

实例推理的技术设计中，可以根据实力表示和检索、实例修正和验证，以及实例评价和储存六个步骤进行分析。在实例设计的基础上，直接对产品的全部信息进行多层次的分割，确保机械产品的实例和实例库是独立存在与联系的。对要设计的工程机械产品进行实例匹配算法得出工程机械产品模型所需的数值等，并进行产品实例修正。

3 现代设计方法在工程机械产品设计中的应用

图1 图2圆柱凸轮数控铣削装置二维工程图

现代设计方法在圆柱凸轮数控铣削装置的设计中，零部件的三维实体模型构成主要是利用SolidWorks建立的。

SolidWorks在装配时是具有智能化的，利用重合和相切及相距等关系约束零件的位置，依照装配的关系进行装配，并形成装配体。然后通过投影自动转换成所需的二维工程图。如图1、图 2所示。

在进行结构刚度和强度的有限元分析时模型左端的自由度进行约束。以往的计算是采用集中载荷法、共同曲率法，但是计算的结果与实际相差很大，而现代的有限元法可以解决钢板弹簧结构分析过程中的接触非线性问题。由于圆柱凸轮数控铣削装置由工作台直线和工件运动坐标，以及圆柱凸轮和各板簧组成，钢板的总成几何模型采用ANSYS前处理进行分析，所提供的面面接触依照在装置上的固定形式，对模型右端的自由度进行约束。进行拟合后的板簧总成垂直刚度为145.4N/mm，有限元分析的刚度为153.7N/mm，两方结果比较接近，因此较为可靠。所以既减少了工作量，还减少了产品设计的成本。

综上所述，随着市场竞争的不断加剧，现代设计方法在工程机械产品设计中的应用已成为必要。应用现代设计的理论和方法可以有效地降低成本、提高产品设计的精度和缩短设计周期，特别是在多品种、小批量的工程机械产品的生产中有着重大的意义。工程机械设计在采用现代设计方法的同时再加上三维实体造型软件的应用可以使机械产品的生产更加方便，提高了设计效率，实现了产品设计与制造的一体化。

[1]缪炳荣,肖守讷.机车车体结构模态的有限元分析[J].电力机车技术，2002，(4).

[2]智晋宁,张洪.三维建模技术在机械产品设计中的应用研究[J].机械管理开发，2004，(4).