3D绘图软件在拖拉机设计中的应用

刘毅

摘 要：我国是一个农业大国，农业的发展水平也是我国经济发展的重要指标。拖拉机是农业生产中最常用的动力设备，其性能指标直接关系着农业作业的效率，因此拖拉机的优化至关重要。3D绘图软件是指将设备以数字模拟的形式等比例在电脑上显示出来的系统。拖拉机设计过程中存在着周期长、精准度不高、整体优化不协调的问题。本文通过以SolidWorks为例，分析了SolidWorks之中快速建模、仿真分析、零件爆炸等功能在优化拖拉机设计中的应用。

关键词：3D绘图软件；拖拉机；设计

农业是我国经济的重要组成部分，其发展与先进的劳动设备密不可分。拖拉机是我国最为常用的一种农业机械，能够在耕地、施肥、收割等多个农业劳动过程中起到非常重要的作用，因此拖拉机设计水平的提升也一直被人们所重视。随着科技水平的发展，越来越多的CAD软件面世，传统的CAD在平面功能能够满足需求，但是在进行3D绘图方面有所欠缺。尤其是仿真技术与结构优化理论的不断发展，传统的平面绘图已经无法满足当下的需求。SolidWorks是达索公司的一款用于机械建模的软件，其具有丰富的功能，所成图纸也可以转化为多种格式，为不同软件之间的信息交互提供了便利条件。

一、在拖拉机设计中快速建模性

拖拉机属于机动车类型，其包括了复杂的零件。传统的CAD绘图需要三视图甚至多视图，无法使人直观的观察零件，也容易出现因结构绘制不全面而导致了零件生产出现偏差。SolidWorks中可以快速实现3D建模，其主要思想为：点、线、面、体四个方面。一般我们所要得到的即为体，也就是零件的最终实体。在绘图时，先确定好想要操作的基准面，该基准面是生产立体的草图参考。基准面可以由设计人员自行设置，在进行多面结合建模时，需要用到多个基准面。在选好基准面以后，零件某一面绘制时，选定一点然后画线，最后生成封闭性质的平面图纸。通过对平面封闭图纸的操作来实现零件的建模。由于拖拉机中有多中零件，如果用CAD进行平面作图，工作量将非常复杂，将会延长设计的流程。此外，3D建模以后能够通过各个角度对零件本身进行观察，以保证更符合拖拉机设计过程中的要求。拖拉机在进行工作时，工作环境恶劣、强度大，因此对零件的结构合理性要求会更高。拖拉机部分零件需要购买标准件，这些标准件关系着非标件的设计，通过快速的三维作图也可以从各个角度对其进行比较，确保零件设计的合理性。

二、装配功能

拖拉机作为一种结构复杂的机械系统，有着数目众多的零件，在传统的平面作图之中，需要对每个配合零件进行配合绘制，还需要进行总装。为了表述清晰的配合问题，需要进行数目众多的图纸绘制，由于不同绘图人员风格不同，在进行图纸审核时也会出现一定的偏差。SolidWorks本身具备配合功能，能够将建模的各个独立的零件装配成子系统并进行总装，可以先将拖拉机的整体框架进行约束，然后按照一定的顺序对各个子系统进行约束装配。在平面图纸上并不能直观的观察不同零件之间的干涉程度，而SolidWorks可以有效的解决这一问题。在拖拉机中皮带传输、档位传动等需要在运动中观察其设计效果的部分，无法从平面图纸直接获取，而SolidWorks能够对其中有联动性质的部分进行观察。由于零件的实际装配过程过程中，装配顺序对其精度有着非常重要的影响，因此需要对其装配流程进行确定。SolidWorks中具备爆炸图功能，能够自己设定爆炸方向，使得零件的装配能够获得有效的参考。此外，拖拉机的3D图装配还可以为装配过程中的工装提供参考，以便能够和装配流程进行搭配。

三、基础仿真功能

拖拉机设计过程零件和总装的强度关系到设备的最终工作状态。SolidWorks本身具备一定的仿真功能，可以用来对拖拉机的静力学进行分析。整体框架时拖拉机进行载重以及耕作的关键部分，该部分如果强度不够，就有可能造成结构变形，降低拖拉机本身的工作能力。如果使用大量的冗余方式，则有可能使得拖拉机本身质量过大，造成拖拉机有效载荷的降低。此外，整体框架需要进行严格的震颤分析，SolidWorks具有丰富的输出接口，可以与ANSYS、Adams等软件进行无缝衔接，以便进行模态的仿真分析。一旦发现震颤频率过高，可以及时的通过3D绘图软件对其进行修改，这样能够有效的提升设计的针对性能。通过其自身的仿真功能以及与其他仿真软件相结合的方式，使得设计过程更有效率。该仿真功能还可以实现力学运动的仿真，可以观察在拖拉机遇到地形特殊地区时，拖拉机整体运动效果，为整体设计提供优化思路。此外，还可以通过仿真功能发现整体结构的应力集中点，进而通过增加结构厚度或者增加肋板的形式，提升整體结构的强度。SolidWorks还可以对传动过程进行仿真，使得设计人员能够观察在传动过程中设备的运行的安全性与有效性。

四、工业设计功能

SolidWorks具备photoview功能，能够对已经设计好的模型进行颜色、图案的调整，并进行渲染，可以直接导出工业设计外形，使得工业设计与机械设计能够同步、协调进行。在传统的平面绘图软件中，其工业设计与机械设计过程相对独立，需要专业的工业设计人员在脱离机械设计人员的设计内容的基础上，进行工业设计，在设计完成之后再与其进行沟通，对其中不能遮挡或者干扰的部分进行调整，调整后双方再进行共同探讨。SolidWorks的渲染功能使得机械设计人员和工业设计人员使用同一个版本的图纸，其结构、布局完全一致，缩短了研发周期，提升了研发的效率。除此之外，在设计时，机械设计人员还可以不对人机交互操作部分进行设计，例如档位设计、方向盘设计，而是由工业设计人员结合人体工程学进行设计，力求保证拖拉机本身工作能力与效率的同时，设计舒适的人机操作系统。

五、优化参考性

结构优化是拖拉机设计过程中最重要的优化内容，其与拖拉机的性能直接相关。一般情况下，拖拉机优化过程中，除了在动力、功能方面进行优化，最关键的优化内容就是刚度优化与质量优化。刚度优化有利于提高拖拉机的负载以及安全性。质量优化有助于提升拖拉机的有效载荷，降低生产成本。在刚度优化一般考察指标为挠度，即对各个部分的挠度进行分析，在此过程中为了获得更好的优化数据，一般可采用敏感系数测定的方法，找到对于刚度影响最大的部分，对其进行优化。而质量优化一般以总体质量为指标，对拖拉机的整体重量进行研究，找到能够满足或提高额定载荷且质量最小的零件。在进行敏感度系数测定的过程中，无论是刚度还是质量均是通过SolidWorks进行调整，但两者不同的是，刚度方面需要将修改后的模型导致其他仿真软件，进行刚度的运算；而质量方面可以直接通过SolidWorks本身的质量测量功能进行测定。通过对调整后模型的刚度和质量分析，可以为优化过程提供重要的参考。这样可以有效提升拖拉机设计的针对性，加快设计速度。

结论：拖拉机是我国重要的农业用机械，其技术水平关系着我国农业机械化的发展速度。传统的CAD平面绘图难以直观的对零件以及装配体进行全面的观察，且不具备仿真与接口功能，不利于拖拉机设计的发展。SolidWorks不但具有快速建模的功能，还能够对所有零件进行总装，也可以实现对其中敏感零件的优化设计，能够提升拖拉机设计的针对性和安全性，有利于增强其功能性。

参考文献：

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[2]陈晓明， 赵清来. 基于UG及Virtools的农用拖拉机虚拟装配系统研究[J]. 拖拉机与农用运输车， 2016（6）：41-42，47.