现代设计方法在工程机械产品设计中的应用

鹤岗斯达机电设备制造有限责任公司 孙士杰

基于二维的传统机械产品设计不仅需要投入大量的人力物力，而且经历的设计周期长，产品的精度不高，难以满足现代市场对机械产品的需求。工程机械产品的现代设计方法包括产品的设计过程、设计策略以及设计方法，其中设计方法尤为重要。

一、工程机械现代设计的一般步骤

运用现代设计方法进行工程机械产品的设计，一般需要经历三维实体造型、有限元结构分析、优化设计、动态仿真设计以及零部件的详细设计5 个阶段。

1.三维实体造型。在进行所有阶段之前，必须完成原理方案的设计，以便确定所有零部件的形状及结构。在此基础上，运用三维实体造型软件建立零件的三维模型具有很好的可视性，能够完整的表达设计师的思想。最后，对工程机械产品进行相应的力学实验分析，从而确定各零部件的力学特性。

2.有限元结构分析。建立好工程机械产品的三维实体模型后，需要对各零部件进行动态性能分析以及应变分析，如果计算出来的结构不能够满足零部件的使用要求，就需要对零部件的模型设计进行修改。对产品进行有限元结构分析的目的是最大限度地提高产品的设计精度，以避免人力物力的浪费。

3.优化设计。生产同样的机械产品，可以通过很多设计方案实现，但是不同的设计方案所要消耗的人力物力肯定不同，这就需要对设计方案进行优化设计，从而选择最优的实际方案，以最短的时间，最少的资金投入，收到同样的效果。

4.动态仿真设计。一味的运用静态或动态设计，都会增加试验的风险，而且设计的成本也比较高。动态仿真过程通过借助现代计算机技术，模拟产品结构在各工况条件下所承受载荷随时间的变化关系，并对其速度、位移等进行时域、幅域的统计分析。为此，将动态仿真设计运用到工程机械产品的设计中就显得很有必要。

5.零部件的详细设计。经过以上四个阶段，已基本完成三维实体模型，接下来的工作就是利用该三维实体模型进行二维工程图的设计，最后完成全套设计图以及相关设计文件。

二、现代设计方法在产品结构刚度及强度设计中的应用

1.强度的计算。以某车架为例，所选用的钢板材料为40 Cr 最佳，安全系数为2.0；材料的屈服极限为335 MPa，许用应力为175 MPa，在此条件下，选取如图1所示的计算截面，对其进行应力计算，计算结果见表1。

图1 计算截面位

表1 应力计算结果

由表1可知，轮式装载机车的架高应力区应该在I-I、II-II以及III-III 的截面处（即铰孔处），但是由于外界的主要载荷作用在三者的截面处，导致截面处容易出现应力集中现象，所以三者的截面处的应力应该最高，但是强度却偏低。最大的应力出现在II-II 的截面处，约135.3 MPa，由此可见，最高的截面应力还是低于所选材料的许用应力值大小。通过以上分析可以发现，车架的外侧板铰应该适当的加强，此外其他各部位的硬度应该设计成较低。

2.刚度的计算。本文，笔者所选用的程序给出了3 种载荷计算工况车架每个节点处的位移量，同时也给出了各个节点沿着三维空间坐标轴O-xyz方向的面位移以及线位移。车架的变形如图2所示。

图2 车架变形

由图2可知，车架的上半部分发生的形变较大，而下班部分发生的形变较小。车架顶部发生的形变最大。车架其他截面的变形值见表2。

表2 车架其他截面的变形值

三、结论

随着市场竞争的日益加剧，在设计工程机械产品时，应用现代设计方法已成为企业发展的趋势。现代设计理论和方法的使用，不仅有效地降低了设计成本、缩短了设计周期，而且有效提高了产品的精确度和可靠性，对多型号、多品种、小批量工程机械产品的设计具有重要的指导作用。