一、前言

    在整個產品設計過程中采用了三維設計軟件SolidWorks 2004，從方案設計到零件和裝配體建模，再到工程圖的出圖，以及之后進行的方案修改和復核復算，運用到了SolidWorks 2004許多高級功能和豐富的插件，采用了同一個三維實體模型即最終方案設計模型來完成設計目的，確保了設計的精確性。由于產品的設計過程中沒有使用多數設計人員普遍使用的AutoCAD進行二維出圖的方法，而是直接由三維模型轉為二維圖，克服了產品限制條件苛刻、設計周期短、總體參數變動較大、繼承性少及技術儲備不足等諸多困難，利用軟件所具有的參數化功能方便了設計修改，大大縮短了設計時間，提高了設計效率和設計質量，較好地完成了研制設計任務。

二、產品的一體化設計

1.方案設計

1)自頂向下的設計技術

    在產品設計初期，設計依據是任務書中的一些相關參數。由于產品的相關參數變動較大，無法完全繼承傳統的產品結構，需要重新設計產品結構。對于這樣變動較大的結構設計，如采用傳統的設計方法，即先設計零件再組裝成裝配體的話，將花費大量的時間，設計周期無法滿足。由此采用“自頂向下”的設計方法。首先確定任務書給定的相關參數為產品的主要參數化尺寸，進行整體草圖布局，采用特征建模方式直接建立起產品的整體結構，以達到宏觀控制設計的目的，此時產品整體結構是一個零件而不是裝配體。這樣做的好處在于它可以很方便地進行結構分析計算和方案修改，這種建模方法主要適用于材料基本相同，繼承性比較少的新產品設計。

    對于方案設計時的零件建模，需要注意的是各個特征之間的尺寸標注盡量相互無關（特征之間是關聯的除外），避免在方案修改時，由于特征或者尺寸的修改導致整體建模的失敗。

2)結構有限元分析

    當產品的初步結構建立起來以后，必須對產品進行結構分析，以確保產品滿足強度要求。如采用傳統的計算方法，計算過程復雜且結果簡單，不能完整反映產品實際的受力狀況。由此采用SolidWorks 2004的插件COSMOSWorks 2004進行有限元分析，它的操作菜單集成在SolidWorks 2004軟件中，功能齊全，分析過程快捷、簡單，無須進行模型轉換即可進行受力分析，極大地縮短了分析時間，在產品的方案設計中，對產品的結構修改均參考有限元分析的結果進行，在對產品進行了上百次的結構修改和有限元分析后，基本確定產品結構。

3)優化設計

    該產品同以往產品相比，該產品要求的承載大了很多，整體采用懸臂結構，而所要求的產品重量、外形尺寸都沒有相應加大，由此決定了產品必須在滿足強度要求的前提下進行優化設計，最大程度地減輕重量，滿足任務要求。

    該產品結構件眾多、復雜，尺寸較大，相關參數眾多，如對整體結構尺寸進行優化，將花費大量時間，且硬件設備不足，無法支撐優化設計時消耗的資源，因此只對關鍵結構的關鍵尺寸進行優化設計。

    優化設計采用的是COSMOSWorks 2004中的優化設計功能。主要是對產品的懸臂結構進行優化。如圖1所示，取下支撐管到懸臂的距離L2、L3和斜拉桿L1的距離為優化參數，懸臂到回轉軸距離L，懸拉臂的高度H，加載力F均為定值，約束點A、B位置不變， 取整體應力最小值為優化目標，目標差值在5％內即停止運算。為減少計算時間和計算量，對模型進行了一些簡化和縮比。

    在對產品進行完方案設計后，即可轉入技術設計。由于大量的前期工作均在方案設計階段就已經完成，后面的設計就相對簡單和快捷。

圖1 優化設計參數原理圖

2.零件建模

1)建立零件模型

    根據方案設計中的產品模型，按產品的建模順序將方案設計中模型的各個特征轉化成單個零件模型。

2)零件的多配置

    在零件模型中，因為有些零件需要在工程圖中顯示倒角，但在裝配體中無需顯示倒角，因此利用SolidWorks 2004多配置功能，在同一個設計文檔中做成有倒角和無倒角的兩個零件模型，分別用于工程圖的繪制和裝配體的裝配。#p#分頁標題#e#

3.裝配體

1)零件關聯

    對產品中的某些零件，其尺寸是和其他零件相關聯的，并且不是主要結構件，因此不單獨進行零件建模，而是在裝配體中生成新零件，以保證尺寸的關聯性。#p#分頁標題#e#

2)零部件鏡像

    對于某些左右對稱的零部件，只作出單邊的零部件，再執行鏡像零部件命令，讓軟件自動生成新的對稱零部件，簡化了零件建模數量和過程，縮短了零件建模時間，并且還能隨著源零部件的改動做相應的改動。

3)零部件陣列

    對需要陣列的零部件，可在裝配完一個零部件后，執行零部件陣列命令，進行快速裝配。

4)標準件的裝配

    SolidWorks 2004自帶有Toolbox三維標準件庫，擁有大量參數化的標準件，可從中選取不同標準，不同尺寸的各種標準件進行智能裝配，提高了裝配效率。

5)裝配體加工

    對已經裝配好的裝配體可進行切除和鉆孔操作，真實模擬裝配加工過程。該項命令對零件模型沒有影響，只反映在裝配體和裝配圖中。

6)運動碰撞和干涉檢查

    對裝配體的活動件進行運動碰撞檢查，查看限位運動的碰撞情況；對所有零部件進行干涉檢查，查看裝配情況和零部件模型的精確程度。

7)運動仿真

    對已經做好的裝配體，采用SolidWorks 2004的運動仿真軟件COSMOSMotion 2004進行運動仿真，根據任務書給定的條件和設計相關參數，可以模擬產品的不同運動狀態，檢驗產品的運動性能。

8)模態分析

    對已經做好的裝配體，采用COSMOSWorks 2004進行模態分析。確定產品固有模態在使用環境中不會發生共振。

4.工程圖

    當零件建模和裝配體裝配完成后，轉入工程圖繪制。通過模型生成快速準確的工程視圖，由于模型和圖紙尺寸相關聯，并能自動生成尺寸標注，設計人員不必再進行尺寸核算，減少了設計中的人為差錯和工作量，設計人員主要工作是對尺寸標注進行修改，以滿足標準化和圖面美觀的要求。SolidWorks 2004工程圖功能強大，標注基本符合國標要求，能夠很好地滿足工程圖繪制需要和嚴格的航天標準化要求。

5.方案修改

    在完成產品所有圖紙的繪制后，由于總體輸入參數的修改，產品結構需要做重大修改，按照方案設計過程將產品重新設計了一遍，整個產品結構尺寸有了較大改動。由于SolidWorks 2004具有良好的動態參數化設計功能和使用性，修改異常方便快捷，從方案修改、設計分析、零件建模、裝配體裝配、工程圖繪制、復核復算，再到各級簽署、圖紙曬蘭等，整個方案修改過程僅僅花了一個多月時間，這在以往的設計過程中是不可想象的，充分體現了SolidWorks在一體化設計中的重大作用和效率。在整個設計過程中，產品的結構設計過程基本由一人完成，避免了多人之間相互協調耗費時間；建模、分析、仿真也均在同一個實體模型上進行，避免了不同軟件之間進行數據轉換耗費大量時間。

6.復核復算

    對已經設計好的產品方案，需要對其進行復核復算。SolidWorks 2004具有良好的數據轉換性，可以將模型方便地轉化為其他CAD和CAE軟件所能識別的格式。在復核復算中，可以將三維模型轉化為Parasolid格式供Ansys7.0使用，Ansys7.0順利讀取Parasolid格式模型，對模型沒做任何修改。因為在方案設計階段就已經進行了大量的分析計算，因此產品順利通過復核復算，沒有反復。在復核復算中，Ansys7.0所得到的計算結果比COSMOS的計算結果低一些。用不同軟件對同一個模型進行有限元分析計算也在某種程度上實現了真正的復核復算。實際試驗結果和COSMOS計算分析結果基本吻合。

7.試驗結果

    該產品是一個大型的結構復雜件，有多個使用工況。對已經生產好的產品進行加載試驗，從實際測量結果看，產品的變形量和COSMOS與ANSYS計算分析結果基本相同，應力測試結果和COSMOS計算結果更為吻合一些，說明COSMOS分析結果能夠滿足工程設計精度要求。

8.發展

    在產品的整個設計過程中，大量使用了SolidWorks 2004的許多高級功能和相關插件，但SolidWorks還有些軟件功能因條件和硬件所限未能在本次設計中使用。如進行網絡協同作業，使用Routing對產品上的電纜和電器接口進行三維立體電力電纜布置，使用COSMOSFloWorks對產品進行流體場分析、對某些復雜零件直接用CAMWorks插件生成NC代碼進行數控加工，以及對重要零件進行疲勞分析等，這些都將在以后的設計中得到更充分的應用。#p#分頁標題#e#

三、結論

    從產品的整個設計過程可以看到，SolidWorks軟件在設計中所起的重大作用。SolidWorks具有豐富的功能，眾多的配套插件，容易使用，設計人員必須深入了解這些軟件的各種高級功能后，才能夠最大程度地發揮出軟件的作用，實現一體化設計。

    SolidWorks一體化設計不僅僅是簡單地三維建模，出二維圖。而是將方案設計、優化設計、模態分析、流體場分析、疲勞分析、零件建模、動態模擬裝配、高級渲染、運動仿真以及工程圖繪制等設計全過程集于一個SolidWorks軟件當中，這樣做對于縮短產品的研制周期，降低研制成本有著顯著作用。#p#分頁標題#e#

    SolidWorks軟件作為一種使用工具，能夠幫助設計人員從繁瑣的繪圖和計算中解脫出來，提高設計人員的設計效率和繪圖質量，從而能夠集中精力去進行方案的設計工作，但不能代替設計人員進行方案構思和設計，產品的質量好壞最終還是依賴于設計人員的設計水平。