本文給出了減速器的SolidWorks三維建模分析的實(shí)例。

　　1 引言

　　近年來(lái)，隨著機(jī)械制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，大量CAD/CAM/CAE/CAPP軟件不斷涌現(xiàn)。市場(chǎng)都軟件的要求也越來(lái)越高，SolidWorks是一款非常優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件，由于其它的界面友好，易學(xué)易用，在我國(guó)越來(lái)越受到廣大用戶(hù)尤其是新用戶(hù)的青睞，已在機(jī)械、電子、建筑等行業(yè)得以到廣泛應(yīng)用。本文將以減速器為例，介紹SolidWorks在三維建模和分析的過(guò)程和方法。

　　以下是減速器的整體效果圖：

圖1 減速器整體裝配效果圖

　　2 各零部件的三維建模

　　減速器在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中主要起傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩的作用，是整個(gè)機(jī)器中一個(gè)非常重要的裝置。本文將選取最為常見(jiàn)的一級(jí)圓柱齒輪減速器進(jìn)行研究，如圖1所示。該減速器的主要零件有箱體、箱蓋、齒輪、軸、端蓋、反光鏡、油封、擋油環(huán)、調(diào)整環(huán)以及螺栓、墊片、銷(xiāo)、鍵等標(biāo)準(zhǔn)件。

圖2 箱體和箱蓋

　　在對(duì)整個(gè)減速器建模時(shí)，箱體和箱蓋的設(shè)計(jì)是最為復(fù)雜的。以下是筆者在對(duì)此類(lèi)零件進(jìn)行三維建模的過(guò)程，總的原則是按先主要后次要，先簡(jiǎn)單后復(fù)雜，先拉伸后切除的原則。首先分析零件的特點(diǎn)，尋找出零件中最為重要且比較形狀規(guī)則易成形的實(shí)體部分作為切入口。如圖2箱體中的上下底面和中間部分的長(zhǎng)方體、箱蓋中的下底面，此部分直接使用拉伸命令便可實(shí)現(xiàn)。

　　然后在此基礎(chǔ)上繪制其他大的輪廓以及將用來(lái)確定其他特征的輪廓，如，放樣箱體和箱蓋上的各類(lèi)凸臺(tái)、切除軸承孔等，基本上完成大致輪廓的繪制。

　　最后開(kāi)各類(lèi)溝槽、螺栓孔，以及對(duì)各邊線(xiàn)進(jìn)行倒角、倒圓，完成最后的繪制。

　　3 整機(jī)裝配

　　SolidWorks為整體的裝配提供了一個(gè)很好的平臺(tái)的。SolidWorks的裝配非常自由，并不存在一個(gè)固定的安裝順序。

　　SolidWorks進(jìn)行裝配時(shí)需理解以下各種配合關(guān)系，主要有重合、平行、垂直、相切、同軸心、距離、角度等。在整個(gè)減速器的裝配中，最困難的位置在于齒輪之間的配合。它們之間配合的好壞直接影響以后的動(dòng)畫(huà)演示。為此，在SolidWorks中添加了一個(gè)高級(jí)配合--齒輪配合。裝配齒輪時(shí)可采用一下方法進(jìn)行：首先將兩個(gè)需要裝配的齒輪的軸心線(xiàn)加以平行關(guān)系進(jìn)行約束;然后根據(jù)齒輪的齒數(shù)和模數(shù)計(jì)算齒輪的中心距d=m (z1+z2)/2，用距離配合關(guān)系控制齒輪的中心距;正視于齒輪端面，調(diào)整齒輪嚙合處，使得兩齒輪嚙合完好;最后再使用齒輪配合進(jìn)一步加以約束。使用齒輪配合時(shí)，選擇兩軸孔或軸的邊線(xiàn)或表面，然后輸入比率， 即兩齒輪的直徑或齒數(shù)比(按照點(diǎn)擊邊線(xiàn)或表面的順序)。注意此處，SolidWorks自動(dòng)捕捉到的比率往往是不正確的，因?yàn)镾olidWorks是根據(jù)所點(diǎn)邊線(xiàn)或表面的半徑進(jìn)行計(jì)算的，而實(shí)際的比率應(yīng)該是齒輪的分度圓直徑之比。

　　如果整機(jī)較為復(fù)雜，可采用以下方法進(jìn)行：

　　(1) 先將整機(jī)劃分為若干部分。劃分過(guò)程注意應(yīng)該將彼此之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件劃分為一個(gè)整體。如圖減速器中的箱體上所需安裝的零件(小蓋、油面指示片、墊片、反光鏡、螺堵等)，安裝后與箱體沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便可在整體裝配前將此類(lèi)零件裝配到箱體，作為一個(gè)整體。

　　(2) 在整體裝配時(shí)便可直接將以裝配好的部分調(diào)入整機(jī)中。注意在整機(jī)中如需改變已裝配部分的配合關(guān)系只能重新編輯原用的裝配，此時(shí)該動(dòng)的不僅僅是現(xiàn)有裝配體，原有裝配體也隨之改變。

　　SolidWorks裝配零件時(shí)，常常參照已有零件的特征，如：平面、圓孔、圓弧，自動(dòng)篩選配合關(guān)系，并將零件移動(dòng)到預(yù)定的位置。這點(diǎn)往往是出乎設(shè)計(jì)者的意料的。在整體裝配完成后整個(gè)裝配進(jìn)行干涉檢查，將設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中的一些缺陷扼殺在萌芽中。

圖3 裝配后渲染后的爆炸視圖

　　4三維動(dòng)畫(huà)制作

　　三維動(dòng)畫(huà)演示是設(shè)計(jì)者提供思想交流最有效的途徑之一，能在最短的時(shí)間內(nèi)在設(shè)計(jì)人員和顧客之間交流產(chǎn)品信息。Animator是SolidWorks為三維動(dòng)畫(huà)制作提供的一個(gè)插件，能將動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程與三維實(shí)體模型緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)錄制過(guò)程的可視化。通過(guò)Animator的動(dòng)畫(huà)演示，可以模擬各個(gè)零件的裝配、拆卸和實(shí)際工作過(guò)程，更好的將設(shè)計(jì)者的意圖傳遞給生產(chǎn)者以及顧客。

　　使用Animator制作三維動(dòng)畫(huà)前需事先打開(kāi)Animator插件，選擇"工具"菜單下的"插件"，選擇SolidWorks Animator為活動(dòng)插件，"確定"即可。操作Animator是十分方便的，只需事先設(shè)置好零件各個(gè)時(shí)刻的鍵碼即可。每個(gè)鍵碼的設(shè)置按照以下循序進(jìn)行：將零件移動(dòng)到初始位置;將時(shí)間軸移動(dòng)到結(jié)束時(shí)間;將零件移動(dòng)到最終位置;最后保存即可。

　　5 COSMOSWorks分析

　　COSMOSWorks是SolidWorks自帶的一個(gè)用于有限元分析的插件。有限元分析是一種工程實(shí)際中常用的可靠性數(shù)學(xué)分析方法。它將整個(gè)零件或裝配體劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單的單元，并建立控制各個(gè)單元之間的聯(lián)系的行為方程式。這些行為方程式將研究對(duì)象的材料屬性與外載荷以及約束聯(lián)系在一起，建立成一個(gè)統(tǒng)一的整體。

　　(1)使用COSMOSWorks進(jìn)行分析前，首先要明確研究對(duì)象。COSMOSWorks的研究對(duì)象可以是單個(gè)的零件，也可以是整個(gè)裝配體，而且必須確定各個(gè)零件的材料，以明確研究對(duì)象的內(nèi)在屬性。然后以所選的研究對(duì)象新建一個(gè)算例。

　　(2) 在研究對(duì)象上添加約束和載荷。SolidWorks所定義的載荷包括力、壓力(即，壓強(qiáng))、引力、離心力、遠(yuǎn)程載荷/質(zhì)量、軸承載荷。同時(shí)還可以設(shè)置溫度，進(jìn)行熱分析。

　　將所選研究對(duì)象網(wǎng)格化。SolidWorks根據(jù)圖形的特征將計(jì)算出一個(gè)網(wǎng)格參數(shù)，該網(wǎng)格參數(shù)直接控制著劃分單元格的大小，設(shè)計(jì)者也可以根據(jù)實(shí)際需要重新進(jìn)行設(shè)定。

　　(3) 最后運(yùn)行算例生成報(bào)告。

　　圖4是用COSMOSWorks對(duì)減速器中齒輪進(jìn)行分析的結(jié)果：

圖4 齒輪網(wǎng)格劃分與應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

　　6 結(jié)論

　　通過(guò)SolidWorks對(duì)減速器進(jìn)行三維建模，并對(duì)齒輪受力時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了初步分析，可以看出SolidWorks在三維建模和分析方面所提供的便捷。除此以外，其操作符合人的思維習(xí)慣，修改也極其方便，信息交流方式廣泛等特點(diǎn)同時(shí)也為設(shè)計(jì)者減輕了不少負(fù)擔(dān)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 藍(lán)榮香,高翔,劉文等.SolidWorks零件設(shè)計(jì)技術(shù)與實(shí)踐(2007版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007

　　[2] 蔡慧林,戴建強(qiáng),席晨飛.基于SolidWorks的應(yīng)力分析和運(yùn)動(dòng)仿真的研究. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008.1