在現(xiàn)代的機械設(shè)計中，三維設(shè)計以其直觀性而使得傳統(tǒng)的二維機械設(shè)計逐步向其轉(zhuǎn)化。在設(shè)計搖擺試驗臺這類計算工作量大的復(fù)雜產(chǎn)品時應(yīng)用三維軟件，不僅避免了試制過程中大量的設(shè)計更改，而且大大地提高了生產(chǎn)效率，縮短了開發(fā)周期。本文系統(tǒng)介紹了應(yīng)用SolidWorks軟件進行搖擺試驗臺設(shè)計的過程和方法，對此類的設(shè)計有一定的參考價值。

　　一、引言

　　近幾年，計算機三維CAD/CAE/CAM軟件的應(yīng)用與普及，使得傳統(tǒng)的二維機械設(shè)計逐步向三維設(shè)計轉(zhuǎn)化。設(shè)計構(gòu)思的表達由原來的二維圖紙演變成直接用計算機模擬三維實體模型的虛擬產(chǎn)品。SolidWorks軟件是美國SolidWorks公司基于Windows開發(fā)的全參數(shù)化三維實體造型軟件。該軟件可與Cosmos/Works工程師設(shè)計分析軟件、Cosmos/Motion三維運動仿真軟件等無縫結(jié)合。三維設(shè)計軟件的功能在于：裝配和干涉檢查;有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(CAE);機構(gòu)運動仿真;工藝規(guī)程生成(CAPP);數(shù)控加工(CAM);由三維直接自動生成二維工程圖紙;產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享與集成等。這種形象化的三維設(shè)計具有直觀、精確、快速的特點。

　　搖擺試驗臺是一種集機械、電氣自動控制、儀表、計算機技術(shù)于一體的物理仿真試驗設(shè)備， 可以模擬艦船在給定條件下的搖擺運動，為被試設(shè)備提供搖擺環(huán)境，同時又可輸出搖擺角真值，是艦載武器或儀器設(shè)備陸上試驗的關(guān)鍵設(shè)備之一。

　　常用的試驗搖擺臺為兩自由度、三自由度或多自由度。高精度搖擺臺一般采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，即將二自由度復(fù)合運動分解為二個單自由度的運動，每個自由度單獨液壓驅(qū)動或電機驅(qū)動，并單獨測角。搖擺試驗臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個試驗設(shè)備設(shè)計最復(fù)雜、最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

　　下面就以二自由度搖擺試驗臺為例介紹應(yīng)用SolidWorks軟件進行搖擺試驗臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程和方法。

　　二、過程流程圖

　　過程流程圖如圖1所示。

圖1 過程流程圖

　　三、 三維實體設(shè)計

　　1.設(shè)計要求

　　機械臺體結(jié)構(gòu)要求：具有一定的剛度，臺面的變形較小;在滿足剛度、強度的前提下，臺體的重量要輕，回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量盡量小;重心一定要在回轉(zhuǎn)軸下方的一定范圍內(nèi);計算出轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動力矩。

　　2.三維實體設(shè)計

　　根據(jù)試驗平臺臺面尺寸和承載要求，結(jié)合以往的設(shè)計，初步確定臺體的結(jié)構(gòu)尺寸、斷面尺寸、板材厚度，初步進行三維造型設(shè)計，完成零部件設(shè)計并按約束進行裝配，如圖2所示。

圖2 搖擺臺機械臺體總圖

　　3.物理參數(shù)設(shè)計、工程計算分析

　　首先確定重心位置。從運動平穩(wěn)性及控制性等方面來考慮，臺體的重心位置越接近回轉(zhuǎn)中心越好。但從安全角度考慮，內(nèi)、外環(huán)的重心均設(shè)計在回轉(zhuǎn)中心以下一定范圍內(nèi)，以保證在故障情況下，臺體能夠靠自重自動回到零位(平衡位置)。若重心位置不合適，可采用配重或更改結(jié)構(gòu)尺寸的方式調(diào)整。

　　SolidWorks軟件可以根據(jù)添加材料的比重，自動輸出其物理特性。其中包括重量、重心、對重心的轉(zhuǎn)動慣量和對坐標(biāo)原點的轉(zhuǎn)動慣量等。對內(nèi)、外環(huán)每個搖擺體進行獨立分析，分別輸出物理參數(shù)。若重心位置不合適，可采用添加配重或更改結(jié)構(gòu)尺寸的方式調(diào)整，利用SolidWorks尺寸驅(qū)動功能，立即可得到結(jié)果，直至滿足要求。此物理特性可作為設(shè)計計算的依據(jù)。在以前手工計算，要幾個人用幾周的時間，而在這里瞬間即可完成，大大提高了設(shè)計效率。輸出結(jié)果如圖 3所示。

圖3 質(zhì)量特性參數(shù)計算機輸出結(jié)果

　　4.有限元分析

　　這里主要進行應(yīng)力和應(yīng)變分析。臺面的變形會影響試驗精度，根據(jù)試驗精度要求進行誤差分配，確定臺面的允許變形量。利用Cosmos/works軟件進行有限元分析，看最大變形量是否滿足精度要求，最大應(yīng)力是否滿足材料要求。若不滿足或余量過大可利用該軟件尺寸驅(qū)動的特點進行修改設(shè)計。

　　下面僅以內(nèi)環(huán)部件為例介紹分析過程。

　　(1)邊界和載荷確定

　　根據(jù)內(nèi)環(huán)體的實際約束情況確定邊界條件。載荷包括機械載荷、重力載荷。主要考慮受試設(shè)備和臺面上配重、臺體自重以及運動產(chǎn)生的慣性力和離心力。慣性力和離心力在給出最大角速度和最大角加速度后由程序自動添加，如圖4所示。

圖4 載荷確定

　　(2)劃分網(wǎng)格

　　采用四節(jié)點四面體實體單元對結(jié)構(gòu)進行模擬并劃分網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

　　(3)輸出結(jié)果

　　應(yīng)力、變形等計算結(jié)果，以彩色圖片形式輸出，并附有對應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖6～圖7所示。

圖6 應(yīng)力圖

圖7 應(yīng)變圖

　　如若應(yīng)力計算結(jié)果超出材料允許值或變形超出精度要求范圍，利用其參數(shù)化設(shè)計的特性可以很快修改其結(jié)構(gòu)尺寸并重新計算。

　　5.機構(gòu)仿真及運動分析

　　機械產(chǎn)品的虛擬裝配設(shè)計與運動仿真，是在計算機構(gòu)成的虛擬環(huán)境中，進行機械產(chǎn)品的裝配，并通過計算機動畫技術(shù)對其進行運動模擬。

　　此過程是通過Cosmos/motion軟件來完成的，具有優(yōu)化性、經(jīng)濟性、安全性和可視性等特點，從而及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運動機構(gòu)的碰撞等問題。

　　我們還可以根據(jù)搖擺試驗臺實際運動工況，對相關(guān)運動副加以約束，實現(xiàn)機構(gòu)真實的運動仿真，進行動態(tài)干涉檢查。同時輸出速度、加速度、位移、力矩等的曲線圖， 輸出機構(gòu)運動的影視文件。

　　6.二維圖轉(zhuǎn)化

　　初步結(jié)構(gòu)設(shè)計完全滿足要求后，SolidWorks可以利用已建立的裝配體模型生成二維工程圖。

　　四、結(jié)論

　　在新產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計過程中，尤其是對搖擺試驗臺這類計算工作量大、需要應(yīng)力、應(yīng)變分析的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計，應(yīng)用三維軟件，進行產(chǎn)品的仿真設(shè)計和實際工況下的仿真分析，可以大大提高設(shè)計效率，同時避免了試制過程中大量的設(shè)計更改，保證了設(shè)計質(zhì)量。這不僅顯著縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，還大大降低了設(shè)計成本，減少了新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險，大大提高企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計能力，增強市場競爭力。