SolidWorks在復(fù)雜零件建模和設(shè)計(jì)分析中應(yīng)用

李奉香 黃 政

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

1 SolidWorks 在復(fù)雜零件建模中應(yīng)用

模已很普遍，用SolidWorks一般特征命令就能輕松完成如圖1所示的零件模型，利用SolidWorks高級(jí)特征命令還能對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行建模。

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行零件建

圖1 零件模型

示例：對(duì)圖2所示截面不同且有彎曲的零件進(jìn)行建模。建模中需要用到放樣和折彎高級(jí)特征命令。使用放樣特征可連結(jié)指定的多個(gè)截面或輪廓形成生成凸臺(tái)或是切除基本特征，使用彎曲特征可將模型折彎、扭曲、錐剃或延伸。操作步驟如下：

（1）生成一新零件后，在前基準(zhǔn)面之前，建立三個(gè)與前基準(zhǔn)面平行新的基準(zhǔn)面，即基準(zhǔn)面1，基準(zhǔn)面2，基準(zhǔn)面3，前基準(zhǔn)面與基準(zhǔn)面1之間距離可定為20，基準(zhǔn)面1與基準(zhǔn)面2之間距離可定為35，基準(zhǔn)面2與基準(zhǔn)面3之間距離可定為45。

（2）在前視基準(zhǔn)面繪制如圖3a所示草圖，使正方形沿原點(diǎn)而置中；在基準(zhǔn)面1繪制一個(gè)圓心在原點(diǎn)，直徑為50的圓；在基準(zhǔn)面2上繪制一個(gè)以原點(diǎn)為圓心的圓，拖動(dòng)指針使圓的直徑與正方形的頂點(diǎn)相交，如圖3b所示草圖；在基準(zhǔn)面4繪制一個(gè)圓心在原點(diǎn)，直徑為75的圓。

圖2 零件模型

（3）以草圖為輪廓，用“放樣凸臺(tái)／基體”特征生成實(shí)體模型。如圖4所示，a為放樣界面，b為放樣結(jié)果。

（4）在前視基準(zhǔn)面后面建立一個(gè)等距基準(zhǔn)面4，兩基準(zhǔn)面之間距離可定為195。在基準(zhǔn)面4 上打開(kāi)一張草圖，繪制一個(gè)中心在原點(diǎn)狹長(zhǎng)的矩形，長(zhǎng)寬尺寸分別是180和2，用來(lái)生成下一個(gè)放樣的輪廓。利用“放樣凸臺(tái)／基體”特征生成實(shí)體模型，如圖5所示。

（5）用彎曲特征將放樣2模型折彎，如圖6所示。

圖3 零件模型

圖4 放樣1模型

圖5 放樣2模型

圖6 折彎模型

2 SolidWorks在零件設(shè)計(jì)分析中應(yīng)用

在當(dāng)今社會(huì)中，各行各業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)愈劇烈，為了縮短設(shè)計(jì)周期降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）顯得愈來(lái)愈重要。在CAE 技術(shù)中，有限元法（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是其中運(yùn)用最成功、最廣泛的一種數(shù)值方法。用CAD 軟件進(jìn)行實(shí)體造型之后，要回答諸如零件會(huì)不會(huì)斷裂，會(huì)不會(huì)變形，是否可以使用較少材料而又不影響其性能等問(wèn)題，如果沒(méi)有分析工具，只有經(jīng)過(guò)昂貴且費(fèi)時(shí)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期才能回答這些問(wèn)題，如今SolidWorks所集成的COSMOSWorks仿真功能強(qiáng)大，可以利用其中有限元計(jì)算法插件來(lái)解決這些問(wèn)題。從SolidWorks2009 開(kāi)始，SolidWorks 軟件中的COSMOSWorks 改名為SolidWorks Simulation，SolidWorks Simulation是一個(gè)與SolidWorks 完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation 提供了單一屏幕解決方案來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。SolidWorks Simulation 憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，使得您能夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問(wèn)題。SolidWorks Simulation 提供了多種捆綁包，可滿足分析需要。

2.1 SolidWorks Simulation的主要分析功能

（1）系統(tǒng)及部件級(jí)分析。以FEA 為例，為了實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的分析，設(shè)計(jì)的幾何部件會(huì)需要不同的單元類(lèi)型，實(shí)體、殼、梁、桿進(jìn)行離散，而且需要充分考慮裝配體間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系，其中連接關(guān)系的處理尤其重要，涉及到螺栓連接、銷(xiāo)釘連接、彈簧、點(diǎn)焊、軸承等非常復(fù)雜的連接關(guān)系。

（2）多領(lǐng)域的全面分析。任何一個(gè)產(chǎn)品不能僅考慮靜強(qiáng)度，而且還必須考慮多領(lǐng)域的問(wèn)題，比如靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度、模態(tài)、疲勞、參數(shù)優(yōu)化等。

（3）面向設(shè)計(jì)者的多場(chǎng)耦合。熱結(jié)構(gòu)、流體結(jié)構(gòu)、多體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)等多場(chǎng)分析是目前分析中的一個(gè)重要發(fā)展方向，它可以解決非常復(fù)雜的工程問(wèn)題。

（4）特殊行業(yè)及領(lǐng)域的需求。面對(duì)很多行業(yè)的特殊需求，就需要特殊的CAE 模塊。例如面對(duì)壓力容器，需要符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器校核工具；面對(duì)電子和消費(fèi)品領(lǐng)域，需要解決跌落分析的能力。

（5）高級(jí)分析需求。面對(duì)日益復(fù)雜的使用環(huán)境，必須考慮復(fù)合材料、材料非線性、高級(jí)機(jī)械振動(dòng)、非線性動(dòng)力學(xué)等高級(jí)分析的需求。

2.2 COSMOSXpress分析示例

使用COSMOSXpress完成分析需要六個(gè)步驟。第一步是打開(kāi)模型，啟動(dòng)COSMOSXpress命令，設(shè)置選項(xiàng)。第二步是定義零件的材料。SolidWorks帶有具有定義材料屬性的材料庫(kù)?？稍谑褂肅OSMOSXpress時(shí)或在開(kāi)始前將材料指派給零件。第三步是應(yīng)用約束。在約束選項(xiàng)卡中，可以定義固定約束，每個(gè)約束可以包含多個(gè)面，受約束的面在所有方向都受到約束。必須至少約束零件的一個(gè)面，以防由于剛性實(shí)體運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致分析失敗。第四步是應(yīng)用載荷。在載荷選項(xiàng)卡上，可以應(yīng)用力和壓力載荷至模型的面，可以應(yīng)用多個(gè)力至單個(gè)或多個(gè)面。第五步是分析零件。分析零件之后，有優(yōu)化零件可選項(xiàng)，在優(yōu)化標(biāo)簽上，可在分析標(biāo)簽上完成應(yīng)力分析后進(jìn)行優(yōu)化分析，軟件嘗試在滿足特定準(zhǔn)則的同時(shí)為一個(gè)模型尺寸為查找優(yōu)化值。第六步是查看結(jié)果。

分析示例：（此示例界面選用 Solid－Works2008界面）。

（1）打開(kāi)鉤板模型，開(kāi)啟COSMOSXpress并設(shè)定選項(xiàng)。方法是單擊工具→COSMOSXpress，出現(xiàn)COSMOSXpress對(duì)話框。設(shè)定分析選項(xiàng)，單擊“選項(xiàng)”，選項(xiàng)界面出現(xiàn)，將單位系統(tǒng)設(shè)為英制（IPS）；單擊“瀏覽”按鈕到需要的文件夾，然后單擊“確定”；勾選“在應(yīng)力圖解中為最大和最小值顯示注解”；單擊“下一步”。

（2）指派材料，即從SolidWorks材料庫(kù)中給零件指定材料，將把合金鋼指派給鉤板零件。單擊鋼左旁的加號(hào)以查看此類(lèi)所有材料；單擊選擇合金鋼；單擊“應(yīng)用”按鈕。"當(dāng)前材料：合金鋼"即會(huì)出現(xiàn)在屏幕上。單擊下一步往下繼續(xù)。

（3）應(yīng)用約束。單擊下一步往下繼續(xù)；為約束鍵入一名稱(chēng)，如“孔固定”；在圖形區(qū)域中，單擊上方孔的面，面＜1＞出現(xiàn)在選擇框中，約束符號(hào)出現(xiàn)在所選的面上，如圖7所示；單擊下一步，孔固定出現(xiàn)在約束框中；單擊下一步，載荷標(biāo)簽出現(xiàn)。

圖7 約束界面

（4）應(yīng)用載荷。單擊下一步往下繼續(xù)；選擇“力”并單擊下一步；在載荷名稱(chēng)框中鍵入“向下載荷”；在圖形區(qū)域中選擇圖例所示的兩個(gè)面，面＜1＞和面＜2＞出現(xiàn)在選擇框中，如圖8所示；單擊下一步往下繼續(xù)；單擊下一步，輸入載荷，單擊下一步往下繼續(xù)。

圖8 載荷界面

（5）分析零件。單擊“是（推薦）”接受默認(rèn)網(wǎng)格設(shè)定；單擊“運(yùn)行”。分析開(kāi)始，并且一進(jìn)展標(biāo)識(shí)出現(xiàn)。當(dāng)分析完成時(shí)，結(jié)果標(biāo)簽出現(xiàn)，如圖9所示。

圖9 運(yùn)行界面

（6）查看結(jié)果。

欲顯示零件應(yīng)力圖解，則在結(jié)果標(biāo)簽上，單擊下一步；在優(yōu)化標(biāo)簽上選擇“否”，然后單擊下一步；單擊“給我顯示模型中的應(yīng)力分布”，然后單擊下一步。顯示應(yīng)力圖解如圖10所示。

欲查看合力位移圖解，則單擊“給我顯示模型中的位移分布”，然后單擊下一步，該程序生成合力位移圖解如圖11所示。

圖10 應(yīng)力圖解

圖11 合力位移圖解

1 劉國(guó)良編著.SolidWorks 2007完全學(xué)習(xí)寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2007

2 趙罘.SolidWorks設(shè)計(jì)與分析范例教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008

3 段建中，王曉陽(yáng)編著.SolidWorks機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)教程——有限元分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2009