Soildworks技术在机械设计中的应用

【摘 要】 近年来，随着我国经济水平的提升，各个领域都引入了全新的技术体系提高产品质量。在现代工业制造产品装配过程中，许多设计人员就会运用Soildworks技术进行零件设计和加工。本文主要基于Soildworks技术分析其在机械设计中的应用，尤其系统的介绍该技术在机械零件设计、装配体设计、有限元高级分析技术及动画模型和色彩渲染中的功能、各个基本模块的具体应用，从应用中得出它比传统二维软件有着无法比拟的优点，对推广Soildworks技术在机械设计中应用起到积极的指导作用。

【关键词】 Soildworks；机械设计；机械零件；装配体设计；应用

社会工业化的发展逐渐提高了人们对性能优良、制造周期快、安全可靠等方面的要求，传统机械及设备受实验条件限制。美国SolidWorks公司在总结和继承大型机械CAD 软件的基础上研制成功出Solidworks集成技术，该技术软件可在Windows 环境下实现首个机械CAD软件，性价比优，有较好的市场前景。尤其随着Soildworks性能越来越完善和强大，它完全可以满足现代机械设计要求，因此可以广泛应用于机械设计和机械制造的各个行业领域。

一、Soildworks技术优点

Solidworks技术是由美国Solid-Works公司在总结并继承了大型机械CAD软件的基础上实现的首个机械化CAD软件。该技术软件集中了CAE，CAM/PDM大型桌面集成子系统，上述子系统均涵盖在Windows中。尤其随着计算机技术的深化，不断提高的SolidWorks性能也使其自身完全能满足现代企業机械设计要求。Solidworks 软件技术可以更加高效地将设计的产品推广到市场，该软件技术的主要功能有机械零件设计、装配体设计、有限元高级分析技术及动画模型和色彩渲染等，符合当代机械设计要求。其优点主要有以下几方面：1）自动计算重量，改变后的模型可重新自动计算给定密度/材料重量，SolidWork s可根据模型的形状对重量进行自动计算，精确度可达100%，无失误率。若修改模型的形状仍可自动计算重量，减轻了机械设计工作人员的计算量，提高设计效率。2）尺寸精确，外形直观且智能，SolidWorks所绘制的图形比例为1：1，直观外形可保证设计尺寸零误差，同时也可对部分图形画样进行精确。3）明确装配位置，在计算机中可以发现零部件之间的碰撞，采用三维设计装配可以直接查看各零部件的位置，同时SolidW ork s的静态、动态干涉检查不用等到加工后才发现，同时可以直接观察。4）三维设计可完整反映设计者的设计意图；在三维设计中设计者可将设计者脑海中的零部件模型反映到计算机中，之后在二维图纸上运用轴测图的方式加以体现，不用像以往那样将脑海中的零部件形状经计算机直接转换成二维图再转换为三维模型，有利于节省设计时间，也可保证设计图纸和构思相同。5）采用三维模型不会产生图纸交流歧义，直观了然的查看所有形状信息并经剖切的方式看到内部形状，便于交流。

尽管如此，Soildworks技术和二维软件相比较，前者有更高的技术和硬件要求，也能明显突出一些大型装配体的设计问题。所以在整机设计中完全采用Soildworks技术软件不多，但不可否认的是，不断升级的计算机信息化硬件和逐渐攻克的SolidWorks软件技术难题会使该技术越来越普遍应用于机械设计中。SolidWorks主要分为零件文件（*. sldpr t）、装配体文件（*. asmp rt）、工程图文件（*. drwp rt）。（其具体关系如图1所示）。除此之外，Soildworks技术还有其它如库特征文件、模板文件等辅助性质文件。

二、Soildworks技术在机械设计中的应用

（一）机械零件设计

Soildworks技术中机械零件设计是单独的模块，在选取设计方法时要根据不同零件的不同特点，应用Soildworks技术不仅便于设计，还简单易学。该设计软件中有草图工具栏、焊接工具栏等众多实用的工具栏，每个工具栏中的具体命令十分实用。设计者在进行机械零件设计时充分利用这些工具栏及其相应的命令可选择合理、适宜的设计方法，实现高效快捷且直观方便的机械零件设计。再加上参数化是SolidWorks 软件的设计思路，因而导致SolidWorks各命令、各工具栏之间有关联。与其他同类软件相比SolidWorks在设计相似零件结构、修改零件尺寸大小时具有独到的技术优势。所以这个模块中的所有更改在零件设计中都可以快速、准确的应用到工程装配及图等有联系的设计模块。除此之外，与传统而维护CAD图不一样的是，需要更改的零件在有关工程草图及模型装配中可自动地被反应相应零件的更改方面，无需在装配图上对零件进行修改。所以，设计人员在应用SolidWorks 软件后可将在设计方案中投入更多的精力，不仅便于修改，还为设计人员提供结构合理且安全可靠的零件设计。在机械零件设计模块中还包括专用于钣金零件设计，更加方便设计人员设计钣金零件，促进其完成结构设计。

（二）装配体设计

1、自底向上的装配方法

自底向上的装配方法指先生产零件，之后一个一个把早已设计好的零件插到设计装配体系中。这种设计方法遵循了人们一般的思维模式，具体设计方法为：应用SolidWorks生产部件中的一系列零件，再在在装配体模型中对照每一个零件的具体位置及相互配合关系把生产出的零件根据上设计示意图要求直接装配成符合要求的设计模型。上述设计方法比较简单，应用起较为方便，主要因为实际设计过程中是先将要求的零件生产出来，之后进行相应的装配，这种初级装配方法受到广大初学者的欢迎。一个明确设计思路在装配设计各零件之前已被设计者所提出，并全部确定零件之间的各种关系、大小、结构。机械设计者主要运用相应的命令指示即可在装配体模块中插入各零件并加上相应配合关系，保证各个零件在装配模型配合中所处位置准确。同时机械设计者还可结合零件自身特点、运动条件不断地调整设计模型及配合要求，尽可能的保证零件结构性能符合最初设计思路。零件结构特点是否合理还可通过这个装配模型直接反映出来，还可体现设计者在设计有关零件装配模型的功能设计及配合整体结构的具体设计思路，由此一来就不必考虑具体零件的结构细化。如果有需要，机械设计者可通过COSMOSMotion建立运动机构模型，分析机构中零件中的速度、加速度、作用力等各个指标并将结果以多媒体动画的形式输出，便于后续修改。

2、自顶向下的装配方法

Solidworks自顶向下的装配方法在装配模型中直接利用已有零件的各种几何要素并根据设计思路在现有零件的面上创建和编辑零件轮廓、草图，是一种从装配人手的零件设计方法。它可根据零件的各种结构特点选择合适的零件设计方法，或直接在装配中构建全新的零件设计方法。该方式应用和传统自底向上装配方法相比实施有一定的难度，尤其在设计自顶向上装配时要根据零件之间内在特殊的关联性和相互关系才能不断地调整和优化装配模型设计。由不同方案结构改进和设计形成所装配模型中的部分结构，不仅能有效提高设计效率，更有利于后续开发和研制新产品。具体设计步骤如下：1）建立“顶层基本骨架”；应用Solidworks技术设计自顶向下装配时要先建立“顶层基本骨架”，所以，在设计前要充分结合产品模型的装配结构及自顶向下的特点，基于二者平衡的基础上定位所有零件自身要素。建立“顶层基本骨架”时在装配环境下绘制装配骨架的正、侧面草图。确定核心零件的外形尺寸可根据上述两个装配骨架的草图，之后对零件之间详细的装配位置、相关关联性等给予明确。同时还应将约束关系及尺寸之间的方程式应用至草图的绘制过程中，简洁且清晰明确的表达整个布局草图中装配零部件结构功能、关系信息，由此一来可基本完成Solidworks技术应用下的装配产品模型。2）干涉分析；在完成一步建立“顶层基本骨架”装配模型后需开展初步干涉分析，实现方法为运用布尔求交计算装配设计中的零部件模型，如果运行结果中得出两者交集，可证明机械零部件中有关联，也由此说明装配中的各种零部件不能保证完全可靠，应及时根据零部件干涉部位和干涉程度修改原设计。3）运动分析；“顶层基本骨架”建立和干涉分析完成后就要进行运动分析，此阶段目的在于通过模拟产品的实际运动得出相关动力学结果并为下一环节设计提高更为精确的依据。

Soildworks自顶向下装配参数化技术主要由确定设计参数和进行参数驱动两部分组成。其中確定设计参数，在运用进行具体操作前要对各个零部件的几何尺寸系列、具体的性能参数、零部件之间的精确及基本结构布局的结合形式进行确定。自顶向下装配所用装配体的主驱动参数和上述设计参数息息相关并利用方程式建立各种主次要参数之间的几何约束关系及相关变化关系。其次参数驱动；在设计自顶向下参数运用solidworks确定参数后则利用相关开发工具实现装配零件尺寸的驱动。之后通过干涉检验的检查整体结构检验以及零部件。solidworks的系统中可嵌入各种必要的应用程序，完成加载后solidworks主菜单会出现各类应用程序菜单。

3、有限元高级分析技术

SolidWorks技术软件除了自身强大的三维造型功能，在有限元高级分析方面也突显出了其强大的功能性。分析模块中包括虚拟样机及运动仿真COSMOSMotion、分析工具COSMOSXpress、流体流动和热分析模块COSMOSFloWorks及工程用有限元分析模块COSMOSWorks等，它与SolidWorks 软件之间的集成无缝隙。分析工具COSMOSXpress即零件的安全系数大小、零件的应力在一个压力受到外部荷载的情况下形成分布式原图和零件的变形云图状况。安全系数是零件在此外部载荷下的安全性能指标，同时也反映了零件材料的力学属性。在该载荷作用下零件的变形云图和零件的应力分布云图可通过“播放”按钮以动画的多媒体形式将变形的分布情况和零件应力情况直接播放出来，真实形象地再现了变形动态分布、零件应力及运动情况，用各种形式保存分析的结果，便于后期查看。（图2为受力后的吊钩应力分布）。

图2 受力后的吊钩应力分布

设计工程师在SolidWorks 的环境下通过有限元分析模块COSMOSWorks得到了相对完整的分析方式，并凭借先进的快速有限元技术实现分析、验证大规模的复杂设计，最后经对设计进行优化和修正后得到所需信息。COSMOSWorks基本模块可以分析装配体、零件的固有频率、静力学、失稳、模态、非线性、疲劳、间隙分析及优化设计等。例如固有频率，即确定装配、零件造型与固有频率的关系，尤其在共振效果的场合下获得最佳设计效果。静力学即在只受静力情况下研究零件的应力、应变。失稳即研究材料无法承受压应力后薄壁结构件发生的失稳情况。间隙即2个或更多运动零件在特定载荷下相互作用，主要指分析接触间隙未知的情况下传动链的应力分布和载荷传递情况。同时COSMOSMotion可与SolidWorks无缝隙对接，它使用SolidWorks数据库存储数据，提高设计效率。

4、动画模拟和渲染

SolidWorks软件技术有强大的功能，不仅能完成从产品概念到装配模型设计等一系列过程，实现三维造型，还能完成诸如三维动画演示、渲染图像等三维产品的固有特征。动画作为一种直观载体，它能体现零件设计思想，也能仿真相关设计记录。在机械设计应用方面可清楚记住一些内部结构复杂、无法用文字叙述清楚产品的设计思想。Animator 插件在SolidWorks 软件中是制作动画软件，能用动画形式表达产品的性能和外观，便于企业和客户之间的交流。所以利用Animator 插件可形象又直观地的表现SolidWorks软件的三维模型中的动态效果。尤其可以及时录制、保存模拟装配过程、模拟拆装等产品设计的相关过程，向客户更直观且更好地传递设计者的设计意图。

充分的利用SolidWorks 中特有的高品质色彩渲染功能在于实现Animator 与PhotoWorks插件的无缝集中工作，主要通过实体模型PhotoWorks实现其色彩渲染功能。主要表现在以下方面：1）通过增强图形灯光控制实现视觉效果的提升。2）以全相关保证工程图之间的同步更新和零件、配件的设计精度。3）通过结合零件特点和控制专业灯光实现材质的高质量动画效果。4）通过庞大的材质、纹理及变化缤纷的背景库增强视觉冲击力。

三、结 语

综上所述，Soildworks技术功能强大且齐全，运用便利，为机械设计者提供了更为妥善的设计解决方法。通过效仿和模仿机械设备内部空间的流畅获得速度分布、压强分布、温度/湿度分布等流动动态的明晰信息，对提高机械设计水平和设计者的工作效率起着重要的促进作用。总之，随着Soildworks技术的不断完善，它的优势决定会成为更多机械设计者的首选技术软件，摆脱了CAD二维软件单纯绘图的作用，值得应用和推广。

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作者简介：翟滕子，女，1992年8月2日生，河北农业大学2012级机械设计制造及其自动化专业学生。