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

　　一、引言

　　近幾年，計算機三維CAD/CAE/CAM軟件的應用與普及，使得傳統的二維機械設計逐步向三維設計轉化。設計構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品。SolidWorks軟件是美國SolidWorks公司基于Windows開發的全參數化三維實體造型軟件。該軟件可與Cosmos/Works工程師設計分析軟件、Cosmos/Motion三維運動仿真軟件等無縫結合。三維設計軟件的功能在于：裝配和干涉檢查;有限元分析與優化設計(CAE);機構運動仿真;工藝規程生成(CAPP);數控加工(CAM);由三維直接自動生成二維工程圖紙;產品數據共享與集成等。這種形象化的三維設計具有直觀、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、計算機技術于一體的物理仿真試驗設備， 可以模擬艦船在給定條件下的搖擺運動，為被試設備提供搖擺環境，同時又可輸出搖擺角真值，是艦載武器或儀器設備陸上試驗的關鍵設備之一。

　　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型結構，即將二自由度復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動或電機驅動，并單獨測角。搖擺試驗臺機械結構設計是整個試驗設備設計最復雜、最關鍵環節之一。

　　下面就以二自由度搖擺試驗臺為例介紹應用SolidWorks軟件進行搖擺試驗臺機械結構設計的過程和方法。

　　二、過程流程圖

　　過程流程圖如圖1所示。

圖1 過程流程圖

　　三、 三維實體設計

　　1.設計要求

　　機械臺體結構要求：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，回轉體的轉動慣量盡量小;重心一定要在回轉軸下方的一定范圍內;計算出轉軸的驅動力矩。

　　2.三維實體設計

　　根據試驗平臺臺面尺寸和承載要求，結合以往的設計，初步確定臺體的結構尺寸、斷面尺寸、板材厚度，初步進行三維造型設計，完成零部件設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.物理參數設計、工程計算分析

　　首先確定重心位置。從運動平穩性及控制性等方面來考慮，臺體的重心位置越接近回轉中心越好。但從安全角度考慮，內、外環的重心均設計在回轉中心以下一定范圍內，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構尺寸的方式調整。

　　SolidWorks軟件可以根據添加材料的比重，自動輸出其物理特性。其中包括重量、重心、對重心的轉動慣量和對坐標原點的轉動慣量等。對內、外環每個搖擺體進行獨立分析，分別輸出物理參數。若重心位置不合適，可采用添加配重或更改結構尺寸的方式調整，利用SolidWorks尺寸驅動功能，立即可得到結果，直至滿足要求。此物理特性可作為設計計算的依據。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，大大提高了設計效率。輸出結果如圖 3所示。

圖3 質量特性參數計算機輸出結果

　　4.有限元分析

　　這里主要進行應力和應變分析。臺面的變形會影響試驗精度，根據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動的特點進行修改設計。

　　下面僅以內環部件為例介紹分析過程。

　　(1)邊界和載荷確定

　　根據內環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。主要考慮受試設備和臺面上配重、臺體自重以及運動產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)劃分網格

　　采用四節點四面體實體單元對結構進行模擬并劃分網格，如圖5所示。

圖5 網格劃分

　　(3)輸出結果

　　應力、變形等計算結果，以彩色圖片形式輸出，并附有對應數據，如圖6～圖7所示。

圖6 應力圖

圖7 應變圖

　　如若應力計算結果超出材料允許值或變形超出精度要求范圍，利用其參數化設計的特性可以很快修改其結構尺寸并重新計算。

　　5.機構仿真及運動分析

　　機械產品的虛擬裝配設計與運動仿真，是在計算機構成的虛擬環境中，進行機械產品的裝配，并通過計算機動畫技術對其進行運動模擬。

　　此過程是通過Cosmos/motion軟件來完成的，具有優化性、經濟性、安全性和可視性等特點，從而及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題。

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

　　6.二維圖轉化

　　初步結構設計完全滿足要求后，SolidWorks可以利用已建立的裝配體模型生成二維工程圖。

　　四、結論

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