一、 重型機(jī)器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

　　重型機(jī)器最顯著的特點(diǎn)是大。臂式斗輪取料機(jī)一般有30多米長(zhǎng)，是一種連續(xù)、高效的散狀物料裝卸輸送機(jī)械，廣泛應(yīng)用于火電廠、港口碼頭、鋼鐵冶金、建材水泥、礦山、化工、煤炭與焦化廠等原料儲(chǔ)運(yùn)場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)煤炭、礦石、化工原料等散狀物料的堆取、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝卸的連續(xù)作業(yè)。管式皮帶機(jī)通常有幾公里長(zhǎng)，是近二十年來(lái)在帶式輸送機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型散狀物料連續(xù)輸送設(shè)備，它克服了帶式輸送機(jī)固有的缺陷與使用范圍的局限性。特別適用于地形條件復(fù)雜，必須跨繞建筑物或江河、街道、環(huán)保要求高、需封閉輸送的環(huán)境。廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工、火電及港口散貨碼頭等環(huán)境，輸送礦石、煤炭、原料、廢渣、垃圾等物料。

　　重型機(jī)器的制造特點(diǎn)是定制化生產(chǎn)。臂式斗輪取料機(jī)和管式皮帶機(jī)均需要根據(jù)用戶的使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，幾乎沒(méi)有兩臺(tái)完全相同的產(chǎn)品。但是許多零部件是通用的，或者形狀相同或相近，而尺寸大小不一樣。所以，系列化、模塊化設(shè)計(jì)、配置設(shè)計(jì)是提高設(shè)計(jì)效率、降低生產(chǎn)成本的主要手段。

　　重型機(jī)器的核心設(shè)計(jì)技術(shù)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。大型設(shè)備一旦出現(xiàn)安全事故，損失會(huì)非常大，必須確保設(shè)計(jì)的安全性;同時(shí)重型機(jī)器要消耗大量的鋼材，在保證安全的前提下，要盡可能降低成本。平衡安全與成本的主要手段是有限元分析。

　　華泰重工的經(jīng)營(yíng)模式是以設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，大量委外加工、到客戶現(xiàn)場(chǎng)裝配。公司的重點(diǎn)是經(jīng)營(yíng)品牌，保持設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，所以設(shè)計(jì)能力是企業(yè)最核心的競(jìng)爭(zhēng)力。在選擇軟件時(shí)重點(diǎn)考核軟件支持大裝配的能力、支持配置設(shè)計(jì)的能力和面向設(shè)計(jì)過(guò)程的結(jié)構(gòu)有限元分析功能。

　　二、 設(shè)計(jì)流程的重組

　　1. 與SolidWorks 軟件相適應(yīng)的設(shè)計(jì)流程

　　傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是基于二維CAD環(huán)境建立的，設(shè)計(jì)流程比較粗放，一般分為"功能設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)" 三個(gè)階段，至于每個(gè)階段的定義和所涉及的工作內(nèi)容，專(zhuān)家們從不同的角度給出了不同的定義，沒(méi)有統(tǒng)一的約定。由于三維CAD軟件的應(yīng)用受到計(jì)算機(jī)硬件的限制，基于三維CAD軟件的設(shè)計(jì)思路與基于二維CAD軟件的設(shè)計(jì)思路有很大的不同，如果按照二維的思維模式和設(shè)計(jì)流程使用三維CAD軟件，不但不能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，可能反而表現(xiàn)出許多劣勢(shì)。

　　要充分發(fā)揮三維CAD軟件的優(yōu)勢(shì)，必須探討一種新的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)模式。基于SolidWor ks所蘊(yùn)涵的現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想和產(chǎn)品建模特點(diǎn)，建議將設(shè)計(jì)過(guò)程分為"功能設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、出工程圖"五個(gè)階段。因功能設(shè)計(jì)和出工程圖的定義比較清晰和統(tǒng)一，故此處不做討論，下面討論三維CAD模式下概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)的定義。

　　概念設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是確定各零部件之間的位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在SolidWorks中利用布局草圖來(lái)實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)，首先建立總裝配圖文件，在裝配文件中繪制一個(gè)或多個(gè)草圖，用草圖顯示每個(gè)零部件的位置，用 "塊"定義零件的尺寸和形狀，拖動(dòng)零件檢查零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。概念設(shè)計(jì)階段形成的布局草圖是進(jìn)行方案討論和小組協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。使用布局草圖設(shè)計(jì)裝配體最大的好處是如果您更改了布局草圖，則裝配體及其零件都會(huì)自動(dòng)隨之更新。您僅需改變一處即可快速地完成修改。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)有兩個(gè)，其一是為運(yùn)動(dòng)仿真分析和結(jié)構(gòu)有限元分析提供模型，凡是在分析中要忽略的細(xì)節(jié)(如小孔、倒角等)均不宜出現(xiàn);其二是提供一個(gè)可以參加招投標(biāo)的原理性設(shè)計(jì)方案，招投標(biāo)中需要表達(dá)清楚地內(nèi)容都要清楚地表達(dá)，而可以忽略的細(xì)節(jié)均省略。

　　詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是清楚地表達(dá)與產(chǎn)品加工和裝配有關(guān)的每一個(gè)細(xì)節(jié)。如零件模型中的倒角、螺釘孔、銷(xiāo)釘孔，裝配圖中的緊固件、標(biāo)準(zhǔn)件等。

　　2. 基于SolidWorks的重型機(jī)器設(shè)計(jì)流程

　　以此對(duì)應(yīng)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程分解為五個(gè)階段。以臂式斗輪取料機(jī)的設(shè)計(jì)為例討論理想的設(shè)計(jì)流程、各階段的任務(wù)及人員職責(zé)。

　　功能設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是根據(jù)用戶的地理環(huán)境、輸送需求，確定斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及主要功能模塊。

　　概念設(shè)計(jì)由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人完成，首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分、確定各功能模塊是采用標(biāo)準(zhǔn)模塊，還是通過(guò)對(duì)已有的模塊添加新配置進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，還是進(jìn)行新設(shè)計(jì)，然后采用布局草圖確定各功能部件之間的關(guān)系，重點(diǎn)是確定各運(yùn)動(dòng)連接副的位置坐標(biāo)或各運(yùn)動(dòng)副之間的位置關(guān)系尺寸。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般由6-10人協(xié)同完成，每人負(fù)責(zé)1-2個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，每個(gè)功能模塊作為一個(gè)獨(dú)立的裝配體。每個(gè)成員以總布局草圖為基礎(chǔ)進(jìn)行派生設(shè)計(jì)、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)總布局草圖對(duì)各功能模塊進(jìn)行總裝配設(shè)計(jì)。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果傳遞給工業(yè)設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品的美化設(shè)計(jì)，傳遞給仿真分析工程師進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、仿真分析三者之間不斷地迭代，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)趨于完美。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果被確定后再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，出工程圖。

　　三、 產(chǎn)品設(shè)計(jì)策略

　　1. 設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中產(chǎn)品配置

　　在設(shè)計(jì)與制造中，不同階段常需要不同的產(chǎn)品模型，SolidWorks的配置功能有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。創(chuàng)建零件和裝配體時(shí)，模型會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)缺省配置，正常情況下，一個(gè)缺省配置便能滿足要求。但一些特殊的零件，根據(jù)模型使用目的的不同，可能需要添加多個(gè)配置。下面是一些常用的配置。

　　缺省配置是零件與裝配體的基本配置，沒(méi)有特殊要求時(shí)，模型通常只有一個(gè)缺省配置。當(dāng)模型有多個(gè)配置時(shí)，缺省配置一般用于保存詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果。

　　裝配配置是為了實(shí)現(xiàn)大裝配體建模而添加的配置，為了減少模型的存儲(chǔ)量，裝配配置壓縮了所有與裝配關(guān)系表達(dá)無(wú)關(guān)的特征。

　　結(jié)構(gòu)配置是用于運(yùn)動(dòng)仿真分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析用的配置，壓縮了所有與分析無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)特征。

　　工程圖配置是用于出工程圖的配置，在傳統(tǒng)的二維工程圖中，有些約定成俗的畫(huà)法是不符合投影關(guān)系的，為了畫(huà)出這些約定成俗的畫(huà)法，須對(duì)模型做一些修改，生成一個(gè)工程圖配置。

　　工藝配置是為了描述制造過(guò)程中某道工序的中間結(jié)果而增加的配置、如用于鑄造工藝的毛坯配置、對(duì)數(shù)控加工工序中被加工特征進(jìn)行描述的工藝配置。

　　2. 配置設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)

　　臂式斗輪取料機(jī)、圓管帶式輸送機(jī)是典型的定制化產(chǎn)品，也是系列化產(chǎn)品，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作量很大，如果能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的系列設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)，則能極大地提高設(shè)計(jì)效率。SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)與配置設(shè)計(jì)功能滿足了這種需求。

　　盡管SolidWorks是參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，但必須合理地規(guī)劃零部件的建模過(guò)程，才能有效地實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。幾何建模時(shí)應(yīng)保證，修改模型的參數(shù)時(shí)模型不會(huì)出錯(cuò);只需改變很少的尺寸便能實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的修改，而且不引起其它特征的更改。要有效地進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，必須對(duì)模型的尺寸進(jìn)行深入的分析。一般將尺寸分為四類(lèi)。功能尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尺寸、結(jié)構(gòu)布局尺寸和關(guān)聯(lián)尺寸。

　　功能尺寸是根據(jù)產(chǎn)品功能需求確定的尺寸，在設(shè)計(jì)系列產(chǎn)品時(shí)，對(duì)功能尺寸取一系列的值，構(gòu)成產(chǎn)品的系列。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，功能尺寸一般不改變。

　　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尺寸是反映零部件強(qiáng)度的尺寸，強(qiáng)度尺寸的值決定了產(chǎn)品的安全性，其值越大，產(chǎn)品越安全，成本也越高。為了平衡安全與成本的矛盾，常對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尺寸取不同的值，采用有限元分析的方法進(jìn)行多方案對(duì)比優(yōu)化，確定其最佳值。

　　結(jié)構(gòu)布局尺寸確定零件或特征在產(chǎn)品模型中的位置關(guān)系。結(jié)構(gòu)尺寸的值也將構(gòu)成產(chǎn)品的系列。

　　關(guān)聯(lián)尺寸描述特征之間的尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般根據(jù)功能尺寸的系列值確定。以螺釘為例，螺釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度是功能尺寸，螺釘頭的尺寸是根據(jù)螺紋直徑確定的關(guān)聯(lián)尺寸。

　　對(duì)尺寸進(jìn)行分類(lèi)便于了解尺寸之間的關(guān)系，確定參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)的主動(dòng)尺寸和從動(dòng)尺寸，以便正確的建模和尺寸標(biāo)注。

　　在SolidWorks軟件中，零件的系列化設(shè)計(jì)一般通過(guò)插入EXCEL表來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)添加新配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。部件系列化設(shè)計(jì)的過(guò)程一般是先添加新配置，再為該配置中的每個(gè)零件指定不同的零件配置，構(gòu)成產(chǎn)品系列。除了可以對(duì)尺寸進(jìn)行配置外，還可以對(duì)零件的材料、生產(chǎn)廠家等自定義屬性進(jìn)行配置，構(gòu)成豐富的產(chǎn)品系列。

　　3. 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

　　通過(guò)焊接工藝連接在一起的零件稱(chēng)為結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件有三種處理方法。對(duì)于由型材焊接而成的結(jié)構(gòu)件，SolidWorks提供了一個(gè)很好的焊接工具--焊接特征。使用接頭裁剪、角撐板、頂端蓋等焊接工具能高效率地進(jìn)行結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后能自動(dòng)生成切割清單。在SolidWorks中有豐富的型材庫(kù)，型材的截面也可以自定義。插入焊接特征后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成兩個(gè)默認(rèn)配置：一個(gè)父配置是"按加工"，一個(gè)派生配置是"按焊接"，分別描述焊接狀態(tài)和機(jī)加工后的狀態(tài)，

　　對(duì)于用板料、實(shí)體零件等非型材焊接的結(jié)構(gòu)件，一般采用多實(shí)體建模比較方便，這樣在SolidWorks的裝配體中，把結(jié)構(gòu)件當(dāng)零件而不是子裝配件來(lái)處理。但如果結(jié)構(gòu)件中的某個(gè)組件是鈑金件，要確定下料展開(kāi)圖，則必須用裝配體來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件，因多實(shí)體建模不支持鈑金件。

　　4. 裝配設(shè)計(jì)策略

　　總裝配一般采用自下而上的設(shè)計(jì)方法。限于目前計(jì)算機(jī)的速度，對(duì)大型裝配體進(jìn)行自上而下的設(shè)計(jì)還不現(xiàn)實(shí)。總裝配的設(shè)計(jì)策略是以概念設(shè)計(jì)階段完成的布局草圖為依據(jù)，插入子裝配體。

　　子裝配要合理地選擇自下而上和自上而下設(shè)計(jì)方法。對(duì)于全新的設(shè)計(jì)建議采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，這樣可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)。如果需要引用已有零部件或標(biāo)準(zhǔn)件，則應(yīng)兩種方法結(jié)合使用，首先建立布局草圖，以布局草圖為基礎(chǔ)插入模塊化的部件和零件，對(duì)新設(shè)計(jì)的零件，在裝配環(huán)境下確定其形狀、大小及在裝配體中位置。自上而下設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)設(shè)計(jì)更改時(shí)，相關(guān)的零件將根據(jù)創(chuàng)建方法而自動(dòng)更新。

　　對(duì)于廠標(biāo)件和通用件，最好在零件模式下設(shè)計(jì)，而不要在裝配環(huán)境下采用自上而下的設(shè)計(jì)，以保持零件的通用性。

　　重型機(jī)器的零部件很多，一般都在10000個(gè)零件以上。SolidWorks提供了豐富的裝配功能，可對(duì)零件進(jìn)行靈活的組合，構(gòu)成子裝配或標(biāo)準(zhǔn)模塊。SolidWorks處理大裝配的方法是對(duì)零件進(jìn)行輕化，用戶可以指定一個(gè)閥值，當(dāng)裝配體的零件數(shù)量超過(guò)閥值，則進(jìn)入大裝配模式，自動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行輕化。實(shí)現(xiàn)大裝配的另一個(gè)策略是對(duì)零部件建立裝配配置，壓縮所有與裝配關(guān)系無(wú)關(guān)的特征。

　　四、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程分析的集成

　　重型機(jī)器設(shè)計(jì)的核心技術(shù)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。有限元分析工具可分為兩類(lèi)，面向設(shè)計(jì)過(guò)程的、供工程師使用的主流分析軟件;用于對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)分析的、供專(zhuān)業(yè)人員使用的專(zhuān)業(yè)分析軟件。華泰重工制造有限公司的模式是所有設(shè)計(jì)人員掌握主流分析工具COSMOSWorks軟件，在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品部件級(jí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析;成立專(zhuān)業(yè)的仿真試驗(yàn)室，配備5名專(zhuān)業(yè)分析人員，采用專(zhuān)業(yè)分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)分析和基礎(chǔ)理論的研究。

　　1. 面向設(shè)計(jì)過(guò)程的分析

　　COSMOSWorks是SolidWorks軟件的一個(gè)插件，與SolidWorks共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)完全一致，操作界面統(tǒng)一，是一個(gè)功能完備的結(jié)構(gòu)分析軟件。使用COSMOSWorks進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析具有下面三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)CAD模型進(jìn)行修改后，分析過(guò)程(包括網(wǎng)格劃分、載荷定義、邊界條件等)不需要重新定義，只需運(yùn)行"分析"命令，程序就會(huì)對(duì)修改后的產(chǎn)品模型重新進(jìn)行分析，方便快捷。

　　對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多方案比較分析時(shí)，可在CAD環(huán)境下為每種方案建立一個(gè)配置，在分析環(huán)境下只需對(duì)一個(gè)配置進(jìn)行分析過(guò)程的定義，對(duì)其它配置進(jìn)行分析時(shí)，只需執(zhí)行一個(gè)"拖、拉"操作，將已經(jīng)定義的分析過(guò)程拷貝到新的配置下即可。可以非常方便地實(shí)現(xiàn)多方案的比較設(shè)計(jì)。

　　在COSMOSWorks中進(jìn)行產(chǎn)品尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，SolidWorks 為每一組尺寸組合都建立對(duì)應(yīng)配置，當(dāng)用戶選擇優(yōu)化結(jié)果的最佳值或某一組尺寸組合時(shí)，不需要重新建模，只需在SolidWorks中選擇對(duì)應(yīng)的配置，就得到了需要的產(chǎn)品模型。

　　這些優(yōu)點(diǎn)使產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)變得非常方便，極大地提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

　　2. 設(shè)計(jì)模型與分析模型的統(tǒng)一

　　做到設(shè)計(jì)模型與分析模型的統(tǒng)一，將極大地提高有限元分析的效率。可通過(guò)下面三種方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型與分析模型的統(tǒng)一。

　　對(duì)所有設(shè)計(jì)人員進(jìn)行有限元分析知識(shí)的培訓(xùn)，了解有限元分析模型與產(chǎn)品詳細(xì)模型的區(qū)別，要求設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)是考慮有限元分析要求，對(duì)需要分析的零部件建立一個(gè)用于分析配置--結(jié)構(gòu)配置。

　　從產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的入手，建立一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，強(qiáng)化設(shè)計(jì)人員對(duì)分析的認(rèn)識(shí)。只有經(jīng)過(guò)認(rèn)可的模型才進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)和工程圖繪制，可減少許多無(wú)效的勞動(dòng)。

　　當(dāng)需要把CAD模型傳遞給專(zhuān)業(yè)分析軟件(如 NASTRAN、ANSYS)時(shí)，實(shí)體單元建議采用SolidWorks的多實(shí)體技術(shù)建模，這樣在分析軟件中可以很方便地對(duì)不同的特征設(shè)定不同的網(wǎng)格尺寸。殼單元最好采用SolidWorks的曲面造型技術(shù)建模，這樣能更好保證殼單元與產(chǎn)品模型的統(tǒng)一。

　　五、應(yīng)用效果

　　采用SolidWorks 軟件后，華泰重工制造有限公司的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平躍上了一個(gè)新臺(tái)階。主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

　　實(shí)現(xiàn)了無(wú)差錯(cuò)設(shè)計(jì)，SolidWorks的零件輕化和配置設(shè)計(jì)解決了三維應(yīng)用中最關(guān)鍵的大裝配問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)，通過(guò)干涉檢查基本上消除了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的低級(jí)錯(cuò)誤，客戶的反饋也越來(lái)越好。

　　提高了設(shè)計(jì)效率，SolidWorks 的配置設(shè)計(jì)滿足了系列化設(shè)計(jì)和定制化設(shè)計(jì)的需求，配合特征庫(kù)、零件庫(kù)、部件庫(kù)的使用，提高了設(shè)計(jì)的復(fù)用性。通過(guò)布局草圖和派生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小組協(xié)同設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)合作更緊密。

　　提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，COSMOSWorks 易學(xué)易用，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以方便地進(jìn)行多方案的比較設(shè)計(jì)，擺脫了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和類(lèi)比設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)。