一、項目背景

　　國內(nèi)某大型鋼鐵集團公司新建一條熱連軋生產(chǎn)線，項目總投資80億元，設(shè)計年產(chǎn)200萬t熱軋鋼卷，計劃2009年4月進行熱負荷試軋，同年8月正式投產(chǎn)。其中，上海重型機器廠有限公司負責全線機械設(shè)備的設(shè)計和制造，該廠擁有本條生產(chǎn)線工藝技術(shù)的完全自主知識產(chǎn)權(quán)，全線采用自動化控制和計算機實時監(jiān)控，具有結(jié)構(gòu)緊湊、軋制過程連續(xù)和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，達到了國際先進水平。

　　二、設(shè)計流程

　　設(shè)計流程如圖1所示。首先建立本條生產(chǎn)線的三維模型，繼而進行一些設(shè)計檢查，其中包括干涉檢查和爆炸動畫制作等。隨后使用COSMOSWorks對關(guān)鍵零部件進行有限元分析，并針對結(jié)構(gòu)缺陷處進行優(yōu)化設(shè)計，然后將三維模型轉(zhuǎn)化二維工程圖。為了更好地展示產(chǎn)品，又使用了一款與SolidWorks兼容、基于真實物理環(huán)境的渲染軟件MaxWell，對生產(chǎn)線的典型設(shè)備進行渲染，使用COSMOSMotion對本生產(chǎn)線的運行過程進行動態(tài)模擬，并開發(fā)出一套可重組模塊化軋機CAD系統(tǒng)。

　　三、三維模型規(guī)劃及實施

　　1.設(shè)計思想

　　本文采用“自下而上”結(jié)合“自頂向下”的設(shè)計思想對本條生產(chǎn)線進行建模和裝配。由于本項目結(jié)構(gòu)非常復雜，零部件數(shù)量多，難度大，而且是實際生產(chǎn)項目，因此我們在正確建

　　立零部件的基礎(chǔ)上，更多地考慮了產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。考慮零件在實際裝配體中的位置，建立零部件的設(shè)計意圖，正確使用幾何關(guān)系、方程式和尺寸等合理地規(guī)劃模型，以最簡單的建

　　模方式和最少的特征建立模型。為了方便轉(zhuǎn)化工程圖，在設(shè)計過程中，嚴格遵循機械制圖的一些規(guī)定，合理地規(guī)范標注草圖尺寸。

　　2.模型展示

　　從圖2中可以看出，本生產(chǎn)線(如圖3)分為粗軋區(qū)裝配(如圖4)和精軋區(qū)裝配(如圖5)。其中，粗軋區(qū)裝配又由E立輥軋機、R粗軋機以及機前/后輥道組成。精軋區(qū)裝配由飛剪機、除鱗機、精軋機組以及輸出輥道組成。

　　四、設(shè)計分析及校驗

　　為保證設(shè)計的正確性，運用SolidWorks各種不同的裝配關(guān)系把各個機械零件裝配起來后，對零件的裝配體進行靜態(tài)干涉的檢查，可以方便快捷地發(fā)現(xiàn)干涉問題。修改零件時，可以點擊資源查找器中相對應的命令來完成;也可以在裝配環(huán)境中進行零件的修改，即點擊要修改的零件，進入零件環(huán)境來完成修改。后者也顯得很方便。

　　1.干涉檢查

　　對于一個復雜的裝配體，利用二維平面圖來檢查零部件的干涉情況是件很困難的事。使用SolidWorks的干涉檢查功能就能很方便地發(fā)現(xiàn)干涉問題并進行適當?shù)男薷摹D6為精軋機干涉檢查結(jié)果。

　　2.爆炸動畫

　　基于指導裝配的目的，需要分離裝配體中的零部件，以形象地展示它們之間的相互裝配關(guān)系。裝配體的爆炸視圖可分離其中的零部件以便查看這個裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及裝配過程。

　　爆炸動畫的反過程為裝配動畫，通過建立爆炸視圖，運用與SolidWorks無縫連接的Animator模擬本條生產(chǎn)線的總裝配和各設(shè)備的獨立裝配。

　　五、有限元分析

　　COSMOSWorks是一款與SolidWorks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)。COSMOSWorks提供了對模型進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等一整套分析解決方案。本

　　文使用COSMOSWorks對關(guān)鍵零部件進行了有限元強度分析，對缺陷處進行改進，直到滿足設(shè)計要求。

　　1.分析流程

　　COSMOSWorks分析流程如圖7所示。首先建立模型并定義材料性能，劃分網(wǎng)格，然后定義空間幾何約束、施加力、壓強等載荷就可以進行分析。輸出分析結(jié)果后，對缺陷處進行改進優(yōu)化后重新進行分析，直到符合要求。

　　2.實例分析

　　本文以E立輥軋機牌坊為例，講解使用COSMOSWorks分析的過程。

　　(1)定義材質(zhì)

　　該零件的材料性能分別為抗拉強度500MPa，屈服強度270MPa，泊松比0.28，彈性模量196GPa，密度7.8x104kg/m3 。在COSMOSWorks中選中材質(zhì)自定義選項，并輸入相關(guān)的參數(shù)。

　　(2)劃分網(wǎng)格

　　有限元素分析(FEA)提供了一種可靠的數(shù)字方法來分析工程設(shè)計。該方法從生成幾何模型開始，然后將模型化分為若干簡單的方塊形狀(單元)，這些單元連接點稱為共同點(節(jié))。有限元分析程序?qū)⒛Ｐ鸵暈橛上嗷ミB接的離散單元組成的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)格化是分析過程中一個至關(guān)重要的步驟，E立輥軋機牌坊實體網(wǎng)格劃分如圖8所示。

　　(3)定義約束和施加載荷

　　載荷和約束在定義模型的服務環(huán)境時是不可或缺的。分析結(jié)果直接取決于指定的載荷和添加的約束。載荷和約束作為特征被應用到幾何實體中，它們與幾何體完全關(guān)聯(lián)，并可自動調(diào)整以適應幾何體的變化。每個約束和載荷條件由COSMOS AnalysisManager樹中的一個圖標表示。COSMOSWorks提供了與上下文相關(guān)選項來定義約束。

　　由于E立輥軋機牌坊底部裝在底座上，我們對牌坊底部的下表面施加固定的約束，即將其所有平移自由度DOF設(shè)定為零;牌坊在鋼板軋制過程中受到3,000KN的軋制力，并通過側(cè)壓螺母傳遞到牌坊側(cè)壓螺母孔上，我們分別在上、下側(cè)壓螺母孔表面施加1,500KN的載荷力，如圖9所示。

　　(4)靜態(tài)應力分析

　　設(shè)置好以上參數(shù)后，就可以進行設(shè)計分析了，繼而輸出分析結(jié)果，圖10a、b和c分別為應力分布圖、位移分布圖和安全系數(shù)分布圖。分析結(jié)果為，應力最大值53.16MPa，最小值17.78MPa;位移最大值0.69mm，最小值0;安全系數(shù)最大值100，最小值8.43。從分析結(jié)果中，我們可以得出合格的結(jié)論。另外，還可以通過生成可立即發(fā)布到Internet的報告，將算例快速、系統(tǒng)地制作成文件。報告組織為說明算例的所有方面。報告中可以自動包括在COSMOS AnalysisManager樹中生成圖解，也可以在報告中插入圖像、動畫(AVI視頻)和VRML文件，自動生成易于打印的報告。

　　六、工程圖生成

　　三維設(shè)計結(jié)束后，將3D實體零件和裝配體創(chuàng)建成2D工程圖，用于加工制造。零件、裝配體和工程圖是互相鏈接的文件;對零件或裝配體所作的任何更改都會導致工程圖的相應變更。圖11為本生產(chǎn)線中某一零件工程圖。

　　七、高級渲染

　　為了高效地展示設(shè)計思想，減少樣機和攝影成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，快速地將產(chǎn)品投放入市場，渲染技術(shù)便應運而生。它作為表現(xiàn)產(chǎn)品的一種高效手段，近年來隨著計算機硬

　　件和圖形學的發(fā)展，在業(yè)內(nèi)得到了日趨廣泛的應用。在上述使用SolidWorks完成三維造型的基礎(chǔ)上，我們采用渲染，制作出具有真實質(zhì)感和良好視覺效果的圖片，高效展示我們的產(chǎn)品和設(shè)計思想。它是一款基于真實光線追蹤技術(shù)的渲染引擎，采用光線追蹤算法，完全重現(xiàn)光線的行為，以此產(chǎn)生專業(yè)照片級的效果圖。

　　在SolidWorks界面下，我們可以直接使用對應插件渲染模型和場景，其主要功能及操作如下。

　　1)打開模型，使用Solidworks攝像機調(diào)整觀察角度，并創(chuàng)建場景;

　　2)在Solidworks中對各零部件直接應用相對應的Maxwell系統(tǒng)材質(zhì);

　　3)設(shè)置照明光源和相關(guān)渲染參數(shù)，并進行渲染;

　　4)渲染完成后使用燈光模擬系統(tǒng)調(diào)節(jié)場景照明。

　　由于本生產(chǎn)線零件數(shù)目多，外形結(jié)構(gòu)復雜，我們采用了分布式渲染(把單幀圖像的渲染分布到多臺計算機上渲染的一種網(wǎng)絡(luò)渲染技術(shù))以保證渲染的順利完成，并提高了渲染質(zhì)量，得到部分渲染效果圖如圖12所示。

　　八、動畫仿真

　　COSMOSMotion是一款與SolidWorks無縫集成的全功能運動仿真軟件。COSMOSMotion可用于建立運動機構(gòu)模型，進行機構(gòu)的干涉檢查，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并用動畫、圖形和表格等多種形式輸出結(jié)果，其分析結(jié)果可指導修改零件的結(jié)構(gòu)或者調(diào)整零件的材料。

　　設(shè)計的更改可以反映到裝配模型中，再重新進行分析，一旦確定優(yōu)化的設(shè)計方案，設(shè)計更改就可以直接反映到裝配模型中。

　　軋鋼過程具有驅(qū)動多、動作復雜和控制難度大等特點。我們利用COSMOSMotion實現(xiàn)了軋鋼過程的全程模擬，即毛坯板從鑄造爐出來經(jīng)過本生產(chǎn)線的寬度控制、粗軋厚度軋制、

　　切頭、切尾及精軋等最終形成成品板材的全過程。其中難點為鋼板由厚變薄、由短變長以及鋼板切頭與切尾等過程。

　　COSMOSMotion動畫仿真流程如圖13所示，建立好零部件后，在COSMOSMotion中，對靜止零部件和運動零部件進行映射，然后定義約束。由于COSMOSMotion與SolidWorks無縫集成，普通約束通過SolidWorks中的裝配關(guān)系都能轉(zhuǎn)化為COSMOSMotion中的運動副。定義完約束后，需要添加附在運動副上控制運動的運動參數(shù)，即運動驅(qū)動。當所有參數(shù)都設(shè)置好就可以進行運動模擬，繼而可以進行動態(tài)干涉檢查和輸出各種分析曲線和視頻。

　　圖14為動畫截圖，其中圖14a為軋制前的毛坯板，圖14b為粗軋以后的中間板坯。與毛坯板相比，中間板坯厚度、長度都有明顯變化。

　　九、可重組模塊化軋機CAD系統(tǒng)開發(fā)

　　由于軋鋼機結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計制造過程中采用“單件小批”的模式，而這在很大程度上制約了軋機的設(shè)計周期。為了解決這個問題，本文引入可重組模塊化思想，將軋機劃分為幾個獨立的模塊，并建立各個模塊內(nèi)部以及模塊之間的參數(shù)化約束，最后通過一個自動建模裝配函數(shù)來實現(xiàn)不同模塊的裝配。從而設(shè)計出了一套“基于SolidWorks可重組模塊化軋機CAD系統(tǒng)”，如圖15所示。利用此系統(tǒng)，用戶只需要輸入軋制線標高、開口度、工作輥直徑、工作輥長度、支撐輥直徑及支撐輥長度等參數(shù)，即可得到所需參數(shù)的模塊化軋機。

　　1.開發(fā)流程

　　本系統(tǒng)的總體設(shè)計目標為：只要用戶給出基本的構(gòu)型參數(shù)，系統(tǒng)就能夠自動建模裝配

　　產(chǎn)生用戶所需要的一臺模塊化軋機。

　　結(jié)合軟件的設(shè)計方法，設(shè)計主要由五部分組成。首先將軋機進行模塊化劃分。按照可重組模塊化思想，將軋機劃分為機架裝配、工作輥裝配等十幾個模塊。各個模塊具有獨立的功能，同一類模塊的外部接口需類似。第二，進行模塊構(gòu)造，這部分在建模、裝配階段已經(jīng)完成。第三，進行參數(shù)化設(shè)計，建立模塊內(nèi)部以及模塊之間的一些參數(shù)聯(lián)系。第四，建立

　　人機交互界面，獲得用戶所需要的參數(shù)。第五，調(diào)用Solidworks API，編譯一個裝配函數(shù)。這樣，用戶所需要的參數(shù)傳遞給裝配函數(shù)，就可以實現(xiàn)自動建模裝配。

　　2.軟件介紹

　　“基于SolidWorks可重組模塊化軋機CAD系統(tǒng)”具有如下特點：界面美觀，可以更換不同的皮膚界面;使用簡單，只需輸入一些基本參數(shù)，系統(tǒng)將自動建模裝配一套指定參數(shù)的模塊化軋機;實用性強;軟件界面如圖16所示。

　　3.自動裝配技術(shù)的實現(xiàn)

　　使用VB調(diào)用SolidWorks API函數(shù)，通過API函數(shù)在客戶端應用程序中創(chuàng)建SolidWorks對象，并依次創(chuàng)建PartDoc、AssemblyDoc等子對象，來完成模塊化軋機的自動建模裝配。裝配

　　函數(shù)如下：Sub Assembly(ByVal WRD As Integer, ByVal WRL As Integer, ByVal BURD As Integer, ByVal BURL As Integer,ByVal KKD As Integer, ByVal ZBG As Integer, ByVal GBG As

　　Integer)SetswApp= CreateObject("Sld-Works.application")

　　' 創(chuàng)建或獲sldworks對象

　　Set swModel = swap.ActiveDoc

　　'激活文件

　　……

　　swModel.EditRebuild3

　　swModel.ViewZoomtofit2

　　swModel.SaveAs2 App.Path + “temp” + “可重組模塊化ASP系列軋機.sldasm”, 0, False, False '保存文件End Sub

　　4.軟件運行實例

　　打開軟件，進入設(shè)計界面，所有參數(shù)如圖16所示，最終得到一個如圖17所示的模塊化軋機。

　　十、總結(jié)

　　本項目的主要成果有：

　　1)建立了一條熱連軋生產(chǎn)線的三維零件庫，為今后的產(chǎn)品設(shè)計和改進提供了再使用的寶貴資源;

　　2)對本條生產(chǎn)線重要零部件進行了強度校核，驗證其強度符合設(shè)計要求;

　　3)對本條生產(chǎn)線的軋鋼過程進行了動畫仿真，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并進行改進，縮短了設(shè)計時間，極大地提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量;

　　4)使用渲染軟件進行渲染，提高了產(chǎn)品的附加值;

　　5)使用VB調(diào)用SolidWorks API函數(shù)，實現(xiàn)了不同參數(shù)的ASP系列軋機的統(tǒng)一模塊化重組，為軋機的三維參數(shù)化設(shè)計提供了一種快速有效的途徑。

　　本文對熱連軋生產(chǎn)線做了大量的研究工作，已經(jīng)具備一定的實用功能，但還有許多不完善的地方，需要以后進一步的開發(fā)和設(shè)計。比如，沒有涉及換輥等設(shè)備，CAD系統(tǒng)目前只完成了粗軋機的可重組開發(fā)等。這些工作將在后續(xù)的工作中做進一步的研究。

　　在以后的工作中，有以下課題需要深入研究和應用。

　　1)軋鋼設(shè)備三維設(shè)計規(guī)范及有限元分析規(guī)范的制定。規(guī)范的制定，可以幫助企業(yè)三維數(shù)字化平臺的快速推廣，便于設(shè)計交流和擴充。

　　2)軋鋼設(shè)備研發(fā)知識庫的建立。依托SolidWorks Enterprise PDM系統(tǒng)，將企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源進行歸納、總結(jié)、規(guī)范并管理，實現(xiàn)設(shè)計知識的繼承及重載。

　　3)專用CAD系統(tǒng)的深入開發(fā);

　　將現(xiàn)有的系統(tǒng)開發(fā)從VB平臺遷移到先進的net平臺，便于擴充和協(xié)同開發(fā);

　　在參數(shù)化設(shè)計過程中加入優(yōu)化功能;

　　實現(xiàn)符合標準的工程圖自動生成;

　　實現(xiàn)COSMOSWorks自動分析系統(tǒng)。

　　因此，以SolidWorks為平臺的CAD/CAE/PDM解決方案將在軋鋼設(shè)備的設(shè)計過程中發(fā)生重要的作用。