利用SolidWorks軟件優(yōu)化軸承產(chǎn)品設(shè)計(jì)

閆 眾，黃鳴鳴

（中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷專業(yè)化、精細(xì)化要求，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品工況進(jìn)行模擬，驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，找出可能存在問(wèn)題的區(qū)域，并評(píng)估設(shè)計(jì)更改以提高產(chǎn)品質(zhì)量是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。SolidWorks作為一種三維仿真軟件在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中正在得到廣泛的應(yīng)用。

2 SolidWorks簡(jiǎn)介

SolidWorks（圖1）是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM的桌面集成系統(tǒng),是第一個(gè)在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的機(jī)械三維CAD軟件。它采用非全約束的特征建模技術(shù),其設(shè)計(jì)過(guò)程全相關(guān),可以在設(shè)計(jì)的任何階段對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,同時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)與之相關(guān)的更新。SolidWorks對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行造型、初步的應(yīng)力分析，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真測(cè)試，取代昂貴并費(fèi)時(shí)的實(shí)地測(cè)試，降低產(chǎn)品成本及上市時(shí)間。

圖1 SolidWorks軟件工作界面

3 利用SolidWorks進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)化建模

利用SolidWorks軟件及其插件模塊制作軸承模型，真實(shí)顯現(xiàn)軸承在其安裝位置、工況條件下的運(yùn)行狀態(tài)，在一定程度上反映了軸承運(yùn)動(dòng)的真實(shí)情況。將它應(yīng)用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期階段進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)仿真或找出設(shè)計(jì)問(wèn)題，既能提高工作效率，又能降低產(chǎn)品制作成本，方便人們進(jìn)行產(chǎn)品信息交流。有限元仿真分析的合理性很大程度上取決于模型建立的正確性，目前在有限元仿真分析中大多采用相近或者簡(jiǎn)略模型，因此導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異。應(yīng)用基于SolidWorks等三維設(shè)計(jì)軟件超強(qiáng)的建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與通用有限元分析軟件之間數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸，完成有限元仿真模擬前復(fù)雜模型的建立工作，彌補(bǔ)有限元軟件建造復(fù)雜模型方面的不足，從而實(shí)現(xiàn)有限元仿真分析的快速、準(zhǔn)確、有效性。

圖2 是利用SolidWorks制作的調(diào)心球軸承三維模型。該模型反應(yīng)了軸承各個(gè)零件的形狀、相對(duì)位置關(guān)系。

圖2 調(diào)心球軸承三維造型

3.2 加載邊界條件

模型建造完成后，需要模擬軸承實(shí)際的工況條件，將軸承與軸、軸承座的配合情況，軸、軸承座、軸承等部件相關(guān)的材料屬性、軸承的工作轉(zhuǎn)速、軸承所承受的徑向、軸向載荷方向、大小、軸承工作時(shí)的溫度情況、潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑的相關(guān)參數(shù)等諸多因素加載到軸承模型中，使軸承的模擬情況盡可能接近實(shí)際的工況要求。

3.3 仿真模擬計(jì)算

通過(guò)SolidWorks的模擬分析，可以得到在接近實(shí)際工況條件下，軸承的應(yīng)變、應(yīng)力、載荷分布、壽命情況。評(píng)估零件之間的力和應(yīng)力以優(yōu)化裝配體。當(dāng)軸承的零件設(shè)計(jì)不合理或者裝配不合理，就會(huì)發(fā)生干涉，利用SolidWorks可以進(jìn)行檢查。若保持架在內(nèi)、外圈之間無(wú)游隙，在仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)，選取全局干涉項(xiàng)，在干涉區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)標(biāo)記，進(jìn)而可以對(duì)軸承的設(shè)計(jì)情況有個(gè)初步的了解，對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考方向。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化是以尺寸、載荷和約束、材料或制造要求為條件，對(duì)應(yīng)力、撓度、重量、成本、溫度等因素進(jìn)行計(jì)算。借助 SolidWorks，可以實(shí)現(xiàn)軸承產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖3），可以在制造產(chǎn)品前測(cè)試其中的缺陷，比較和優(yōu)化備選方案: 通過(guò)比較強(qiáng)度、壽命、成本和重量確定最佳設(shè)計(jì)方案，從而最大限度提高性能和節(jié)省費(fèi)用。針對(duì)同一問(wèn)題，軟件提供了幾個(gè)不同的解決方案，對(duì)這些解決方案，需要參照最終獲得質(zhì)量最好、最贏利的產(chǎn)品的制造要求和效率來(lái)加以考慮。

圖3 調(diào)心球軸承分解視圖

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的進(jìn)展，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性會(huì)越來(lái)越高，更改也將越來(lái)越難于評(píng)估和實(shí)施。如果能在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段執(zhí)行優(yōu)化過(guò)程，將能最大限度地提高技術(shù)利用價(jià)值。在設(shè)計(jì)的概念階段，進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的材料、壁厚、配合方式等等。研究表明，利用SolidWorks軟件及其插件模塊制作軸承模型和其運(yùn)行動(dòng)畫(huà)，真實(shí)顯現(xiàn)軸承部件的裝配過(guò)程及運(yùn)行狀態(tài)，在一定程度上反映了軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的真實(shí)情況。將它應(yīng)用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期階段進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)仿真或找出設(shè)計(jì)問(wèn)題，這既能提高工作效率，又能降低產(chǎn)品制選成本，方便人們進(jìn)行產(chǎn)品信息交流?？梢栽谥圃飚a(chǎn)品前測(cè)試其中的缺陷，幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期預(yù)防錯(cuò)誤的發(fā)生。