CAD在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

西安奧益達(dá)石油技術(shù)開發(fā)有限公司 楊 明

作為先進(jìn)制造技術(shù)設(shè)計(jì)的首選，CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)模型，采用二維或三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行建模。為了盡早發(fā)現(xiàn)機(jī)械零件設(shè)計(jì)存在的缺陷，并進(jìn)行及時(shí)的改善與修正，需要對(duì)機(jī)械零件設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真、分析與判斷，設(shè)計(jì)模型的仿真大都采用基于CAD的Pro/E設(shè)計(jì)軟件，該設(shè)計(jì)軟件可以對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。基于CAD的Pro/E設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方式，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

一、基于CAD的機(jī)械零件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

1.縮短了機(jī)械零件的設(shè)計(jì)周期。在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，采用CAD技術(shù)不僅能夠通過裝配環(huán)境對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，還能夠通過相鄰零件的位置與形狀對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，周期被縮短了近1/3。這樣一來，大大提高了機(jī)械零件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率。由于利用CAD進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)，只有少部分零件需要重新設(shè)計(jì)與制造，因此只需要通過CAD快速重構(gòu)零件的模型即可，在有效防止單獨(dú)零件設(shè)計(jì)造成裝配失敗的條件下，就能夠快速獲得全新的機(jī)械產(chǎn)品。利用CAD技術(shù)可以有效提高產(chǎn)品的技術(shù)含量與設(shè)計(jì)質(zhì)量，隨著信息技術(shù)與機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷融合，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)也有了新的發(fā)展，如采用有限元受力分析，可以確保機(jī)械零件設(shè)計(jì)的質(zhì)量，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.裝配零件更為便捷。根據(jù)裝配方式的不同將各機(jī)械零件進(jìn)行裝配，通過資源查找器可以查找所記錄下來的零件裝配關(guān)系，有利于機(jī)械零件的正確裝配。在裝配過程中，如果裝配出現(xiàn)錯(cuò)誤或被干涉，那么資源查找器就會(huì)及時(shí)顯示，并進(jìn)行靜干澀檢查，一旦發(fā)現(xiàn)干澀就要進(jìn)行修改，以確保機(jī)械零件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。除此之外，CAD還能夠?qū)C(jī)械外部的零件進(jìn)行隱藏。當(dāng)零件隱藏后，機(jī)械內(nèi)部裝配的結(jié)構(gòu)就清楚可見。同時(shí)，在整個(gè)機(jī)械部件完成裝配后，還能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)演示，并檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)行程是否與實(shí)際要求相符合，如有不符，可及時(shí)對(duì)機(jī)械零件設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，防止產(chǎn)品在生產(chǎn)以后才察覺問題，造成損失或報(bào)廢。

二、基于Pro/E軟件的機(jī)械零件設(shè)計(jì)

Pro/E軟件是一種一體化的三維軟件，是當(dāng)今世界CAD領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。利用Pro/E軟件對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)械零件與整個(gè)機(jī)械零件建模相連通，能夠更直觀的獲得更多的關(guān)于零件的信息。利用Pro/E軟件對(duì)機(jī)械零件的分析實(shí)質(zhì)上是用節(jié)點(diǎn)間的單元組合體分析來替換連續(xù)體分析。同時(shí)在對(duì)其數(shù)值分析時(shí)，用有限維空間替代無限維空間，并采用場(chǎng)函數(shù)分片多項(xiàng)式的模式，使其轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這樣一來，有限元方式將依靠有限維子空間來進(jìn)行計(jì)算分析。由于函數(shù)系是由微小的支集所形成，局部地點(diǎn)變量存在相互依存的關(guān)系，不管是哪一個(gè)局部地點(diǎn)所存在的影響函數(shù)或區(qū)域都將屬于基函數(shù)與支集。因此，通過離散型結(jié)構(gòu)得到的方程系數(shù)矩陣較稀疏，在計(jì)算的過程中將更為便捷。不僅能夠利用常規(guī)的計(jì)算對(duì)大型的復(fù)雜靜力進(jìn)行分析，而且還解決了固體力學(xué)中存在的各種動(dòng)力和非線性的問題，是機(jī)械零件設(shè)計(jì)中最佳的設(shè)計(jì)軟件。

利用Pro/E軟件設(shè)計(jì)零件時(shí)，是在模擬真實(shí)機(jī)械環(huán)境條件下構(gòu)建的模型，并施加了約束和荷載，以預(yù)算確定模型中所存在的應(yīng)力、應(yīng)變以及移位等相關(guān)參數(shù)，有利于對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析。以法蘭盤的設(shè)計(jì)為例，利用CAD 通過Pro/E軟件新建一個(gè)法蘭盤的設(shè)計(jì)文件，然后根據(jù)法蘭盤中的旋轉(zhuǎn)和孔、陣列、筋以及倒角等特點(diǎn)，完成三維造型的設(shè)計(jì)，最后將設(shè)計(jì)存入存儲(chǔ)盤中。其中，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可以采用對(duì)稱簡(jiǎn)化模型方式中的拉伸特征截取一半的法蘭盤進(jìn)行實(shí)體化分析。同時(shí)，通過Pro/E軟件應(yīng)用程序中的mechanical約束法蘭盤的表面、截面及螺栓孔。當(dāng)螺栓孔受到外力時(shí)，就可以對(duì)法蘭盤的應(yīng)力、移位和應(yīng)變進(jìn)行分析。在CAD彩色直觀分析圖中，通過對(duì)法蘭盤圖中各種數(shù)據(jù)色條的分析，還能夠獲知法蘭盤各零件部位的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。

三、基于CAD的機(jī)械零件運(yùn)動(dòng)仿真分析

通過利用CAD技術(shù)中的Pro/E軟件，可對(duì)真實(shí)機(jī)械環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)模擬，可以根據(jù)零件的動(dòng)力學(xué)特征來驗(yàn)證機(jī)械零件設(shè)計(jì)方案與特性參數(shù)的合理性，可以檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)建是否被干澀。一旦出現(xiàn)不合理狀況就要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改善和完善。如，對(duì)齒輪副進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析時(shí)，在利用Pro/E軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)后，可以通過裝配齒輪副構(gòu)建運(yùn)動(dòng)連接，并在驅(qū)動(dòng)中設(shè)置速度。同時(shí)還可以在設(shè)定齒輪副運(yùn)動(dòng)分析條件（設(shè)定好動(dòng)態(tài)和結(jié)束時(shí)間，以及貼頻）后運(yùn)行齒輪，選取其中一點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)作用力和速度等參數(shù)的測(cè)量，并獲取曲線數(shù)據(jù)圖形。然后與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，以完善機(jī)械零件的設(shè)計(jì)。

四、結(jié)論

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)及多媒體技術(shù)與CAD技術(shù)不斷融合，大大提高了機(jī)械零件設(shè)計(jì)的智能化水平，同時(shí)也提高了企業(yè)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，減少了設(shè)計(jì)周期，促進(jìn)了機(jī)械零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)一步發(fā)展。CAD技術(shù)的融入真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)械零件設(shè)計(jì)的高效率、智能化，必將成為機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的主流方向。