【摘 要】 近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提升，各個領(lǐng)域都引入了全新的技術(shù)體系提高產(chǎn)品質(zhì)量。在現(xiàn)代工業(yè)制造產(chǎn)品裝配過程中，許多設(shè)計人員就會運用Soildworks技術(shù)進(jìn)行零件設(shè)計和加工。本文主要基于Soildworks技術(shù)分析其在機械設(shè)計中的應(yīng)用，尤其系統(tǒng)的介紹該技術(shù)在機械零件設(shè)計、裝配體設(shè)計、有限元高級分析技術(shù)及動畫模型和色彩渲染中的功能、各個基本模塊的具體應(yīng)用，從應(yīng)用中得出它比傳統(tǒng)二維軟件有著無法比擬的優(yōu)點，對推廣Soildworks技術(shù)在機械設(shè)計中應(yīng)用起到積極的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】 Soildworks；機械設(shè)計；機械零件；裝配體設(shè)計；應(yīng)用

社會工業(yè)化的發(fā)展逐漸提高了人們對性能優(yōu)良、制造周期快、安全可靠等方面的要求，傳統(tǒng)機械及設(shè)備受實驗條件限制。美國SolidWorks公司在總結(jié)和繼承大型機械CAD 軟件的基礎(chǔ)上研制成功出Solidworks集成技術(shù)，該技術(shù)軟件可在Windows 環(huán)境下實現(xiàn)首個機械CAD軟件，性價比優(yōu)，有較好的市場前景。尤其隨著Soildworks性能越來越完善和強大，它完全可以滿足現(xiàn)代機械設(shè)計要求，因此可以廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計和機械制造的各個行業(yè)領(lǐng)域。

一、Soildworks技術(shù)優(yōu)點

Solidworks技術(shù)是由美國Solid-Works公司在總結(jié)并繼承了大型機械CAD軟件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的首個機械化CAD軟件。該技術(shù)軟件集中了CAE，CAM/PDM大型桌面集成子系統(tǒng)，上述子系統(tǒng)均涵蓋在Windows中。尤其隨著計算機技術(shù)的深化，不斷提高的SolidWorks性能也使其自身完全能滿足現(xiàn)代企業(yè)機械設(shè)計要求。Solidworks 軟件技術(shù)可以更加高效地將設(shè)計的產(chǎn)品推廣到市場，該軟件技術(shù)的主要功能有機械零件設(shè)計、裝配體設(shè)計、有限元高級分析技術(shù)及動畫模型和色彩渲染等，符合當(dāng)代機械設(shè)計要求。其優(yōu)點主要有以下幾方面：1）自動計算重量，改變后的模型可重新自動計算給定密度/材料重量，SolidWork s可根據(jù)模型的形狀對重量進(jìn)行自動計算，精確度可達(dá)100%，無失誤率。若修改模型的形狀仍可自動計算重量，減輕了機械設(shè)計工作人員的計算量，提高設(shè)計效率。2）尺寸精確，外形直觀且智能，SolidWorks所繪制的圖形比例為1：1，直觀外形可保證設(shè)計尺寸零誤差，同時也可對部分圖形畫樣進(jìn)行精確。3）明確裝配位置，在計算機中可以發(fā)現(xiàn)零部件之間的碰撞，采用三維設(shè)計裝配可以直接查看各零部件的位置，同時SolidW ork s的靜態(tài)、動態(tài)干涉檢查不用等到加工后才發(fā)現(xiàn)，同時可以直接觀察。4）三維設(shè)計可完整反映設(shè)計者的設(shè)計意圖；在三維設(shè)計中設(shè)計者可將設(shè)計者腦海中的零部件模型反映到計算機中，之后在二維圖紙上運用軸測圖的方式加以體現(xiàn)，不用像以往那樣將腦海中的零部件形狀經(jīng)計算機直接轉(zhuǎn)換成二維圖再轉(zhuǎn)換為三維模型，有利于節(jié)省設(shè)計時間，也可保證設(shè)計圖紙和構(gòu)思相同。5）采用三維模型不會產(chǎn)生圖紙交流歧義，直觀了然的查看所有形狀信息并經(jīng)剖切的方式看到內(nèi)部形狀，便于交流。

盡管如此，Soildworks技術(shù)和二維軟件相比較，前者有更高的技術(shù)和硬件要求，也能明顯突出一些大型裝配體的設(shè)計問題。所以在整機設(shè)計中完全采用Soildworks技術(shù)軟件不多，但不可否認(rèn)的是，不斷升級的計算機信息化硬件和逐漸攻克的SolidWorks軟件技術(shù)難題會使該技術(shù)越來越普遍應(yīng)用于機械設(shè)計中。SolidWorks主要分為零件文件（*. sldpr t）、裝配體文件（*. asmp rt）、工程圖文件（*. drwp rt）。（其具體關(guān)系如圖1所示）。除此之外，Soildworks技術(shù)還有其它如庫特征文件、模板文件等輔助性質(zhì)文件。

二、Soildworks技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用

（一）機械零件設(shè)計

Soildworks技術(shù)中機械零件設(shè)計是單獨的模塊，在選取設(shè)計方法時要根據(jù)不同零件的不同特點，應(yīng)用Soildworks技術(shù)不僅便于設(shè)計，還簡單易學(xué)。該設(shè)計軟件中有草圖工具欄、焊接工具欄等眾多實用的工具欄，每個工具欄中的具體命令十分實用。設(shè)計者在進(jìn)行機械零件設(shè)計時充分利用這些工具欄及其相應(yīng)的命令可選擇合理、適宜的設(shè)計方法，實現(xiàn)高效快捷且直觀方便的機械零件設(shè)計。再加上參數(shù)化是SolidWorks 軟件的設(shè)計思路，因而導(dǎo)致SolidWorks各命令、各工具欄之間有關(guān)聯(lián)。與其他同類軟件相比SolidWorks在設(shè)計相似零件結(jié)構(gòu)、修改零件尺寸大小時具有獨到的技術(shù)優(yōu)勢。所以這個模塊中的所有更改在零件設(shè)計中都可以快速、準(zhǔn)確的應(yīng)用到工程裝配及圖等有聯(lián)系的設(shè)計模塊。除此之外，與傳統(tǒng)而維護(hù)CAD圖不一樣的是，需要更改的零件在有關(guān)工程草圖及模型裝配中可自動地被反應(yīng)相應(yīng)零件的更改方面，無需在裝配圖上對零件進(jìn)行修改。所以，設(shè)計人員在應(yīng)用SolidWorks 軟件后可將在設(shè)計方案中投入更多的精力，不僅便于修改，還為設(shè)計人員提供結(jié)構(gòu)合理且安全可靠的零件設(shè)計。在機械零件設(shè)計模塊中還包括專用于鈑金零件設(shè)計，更加方便設(shè)計人員設(shè)計鈑金零件，促進(jìn)其完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（二）裝配體設(shè)計

1、自底向上的裝配方法

自底向上的裝配方法指先生產(chǎn)零件，之后一個一個把早已設(shè)計好的零件插到設(shè)計裝配體系中。這種設(shè)計方法遵循了人們一般的思維模式，具體設(shè)計方法為：應(yīng)用SolidWorks生產(chǎn)部件中的一系列零件，再在在裝配體模型中對照每一個零件的具體位置及相互配合關(guān)系把生產(chǎn)出的零件根據(jù)上設(shè)計示意圖要求直接裝配成符合要求的設(shè)計模型。上述設(shè)計方法比較簡單，應(yīng)用起較為方便，主要因為實際設(shè)計過程中是先將要求的零件生產(chǎn)出來，之后進(jìn)行相應(yīng)的裝配，這種初級裝配方法受到廣大初學(xué)者的歡迎。一個明確設(shè)計思路在裝配設(shè)計各零件之前已被設(shè)計者所提出，并全部確定零件之間的各種關(guān)系、大小、結(jié)構(gòu)。機械設(shè)計者主要運用相應(yīng)的命令指示即可在裝配體模塊中插入各零件并加上相應(yīng)配合關(guān)系，保證各個零件在裝配模型配合中所處位置準(zhǔn)確。同時機械設(shè)計者還可結(jié)合零件自身特點、運動條件不斷地調(diào)整設(shè)計模型及配合要求，盡可能的保證零件結(jié)構(gòu)性能符合最初設(shè)計思路。零件結(jié)構(gòu)特點是否合理還可通過這個裝配模型直接反映出來，還可體現(xiàn)設(shè)計者在設(shè)計有關(guān)零件裝配模型的功能設(shè)計及配合整體結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計思路，由此一來就不必考慮具體零件的結(jié)構(gòu)細(xì)化。如果有需要，機械設(shè)計者可通過COSMOSMotion建立運動機構(gòu)模型，分析機構(gòu)中零件中的速度、加速度、作用力等各個指標(biāo)并將結(jié)果以多媒體動畫的形式輸出，便于后續(xù)修改。

2、自頂向下的裝配方法

Solidworks自頂向下的裝配方法在裝配模型中直接利用已有零件的各種幾何要素并根據(jù)設(shè)計思路在現(xiàn)有零件的面上創(chuàng)建和編輯零件輪廓、草圖，是一種從裝配人手的零件設(shè)計方法。它可根據(jù)零件的各種結(jié)構(gòu)特點選擇合適的零件設(shè)計方法，或直接在裝配中構(gòu)建全新的零件設(shè)計方法。該方式應(yīng)用和傳統(tǒng)自底向上裝配方法相比實施有一定的難度，尤其在設(shè)計自頂向上裝配時要根據(jù)零件之間內(nèi)在特殊的關(guān)聯(lián)性和相互關(guān)系才能不斷地調(diào)整和優(yōu)化裝配模型設(shè)計。由不同方案結(jié)構(gòu)改進(jìn)和設(shè)計形成所裝配模型中的部分結(jié)構(gòu)，不僅能有效提高設(shè)計效率，更有利于后續(xù)開發(fā)和研制新產(chǎn)品。具體設(shè)計步驟如下：1）建立“頂層基本骨架”；應(yīng)用Solidworks技術(shù)設(shè)計自頂向下裝配時要先建立“頂層基本骨架”，所以，在設(shè)計前要充分結(jié)合產(chǎn)品模型的裝配結(jié)構(gòu)及自頂向下的特點，基于二者平衡的基礎(chǔ)上定位所有零件自身要素。建立“頂層基本骨架”時在裝配環(huán)境下繪制裝配骨架的正、側(cè)面草圖。確定核心零件的外形尺寸可根據(jù)上述兩個裝配骨架的草圖，之后對零件之間詳細(xì)的裝配位置、相關(guān)關(guān)聯(lián)性等給予明確。同時還應(yīng)將約束關(guān)系及尺寸之間的方程式應(yīng)用至草圖的繪制過程中，簡潔且清晰明確的表達(dá)整個布局草圖中裝配零部件結(jié)構(gòu)功能、關(guān)系信息，由此一來可基本完成Solidworks技術(shù)應(yīng)用下的裝配產(chǎn)品模型。2）干涉分析；在完成一步建立“頂層基本骨架”裝配模型后需開展初步干涉分析，實現(xiàn)方法為運用布爾求交計算裝配設(shè)計中的零部件模型，如果運行結(jié)果中得出兩者交集，可證明機械零部件中有關(guān)聯(lián)，也由此說明裝配中的各種零部件不能保證完全可靠，應(yīng)及時根據(jù)零部件干涉部位和干涉程度修改原設(shè)計。3）運動分析；“頂層基本骨架”建立和干涉分析完成后就要進(jìn)行運動分析，此階段目的在于通過模擬產(chǎn)品的實際運動得出相關(guān)動力學(xué)結(jié)果并為下一環(huán)節(jié)設(shè)計提高更為精確的依據(jù)。

Soildworks自頂向下裝配參數(shù)化技術(shù)主要由確定設(shè)計參數(shù)和進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動兩部分組成。其中確定設(shè)計參數(shù)，在運用進(jìn)行具體操作前要對各個零部件的幾何尺寸系列、具體的性能參數(shù)、零部件之間的精確及基本結(jié)構(gòu)布局的結(jié)合形式進(jìn)行確定。自頂向下裝配所用裝配體的主驅(qū)動參數(shù)和上述設(shè)計參數(shù)息息相關(guān)并利用方程式建立各種主次要參數(shù)之間的幾何約束關(guān)系及相關(guān)變化關(guān)系。其次參數(shù)驅(qū)動；在設(shè)計自頂向下參數(shù)運用solidworks確定參數(shù)后則利用相關(guān)開發(fā)工具實現(xiàn)裝配零件尺寸的驅(qū)動。之后通過干涉檢驗的檢查整體結(jié)構(gòu)檢驗以及零部件。solidworks的系統(tǒng)中可嵌入各種必要的應(yīng)用程序，完成加載后solidworks主菜單會出現(xiàn)各類應(yīng)用程序菜單。

3、有限元高級分析技術(shù)

SolidWorks技術(shù)軟件除了自身強大的三維造型功能，在有限元高級分析方面也突顯出了其強大的功能性。分析模塊中包括虛擬樣機及運動仿真COSMOSMotion、分析工具COSMOSXpress、流體流動和熱分析模塊COSMOSFloWorks及工程用有限元分析模塊COSMOSWorks等，它與SolidWorks 軟件之間的集成無縫隙。分析工具COSMOSXpress即零件的安全系數(shù)大小、零件的應(yīng)力在一個壓力受到外部荷載的情況下形成分布式原圖和零件的變形云圖狀況。安全系數(shù)是零件在此外部載荷下的安全性能指標(biāo)，同時也反映了零件材料的力學(xué)屬性。在該載荷作用下零件的變形云圖和零件的應(yīng)力分布云圖可通過“播放”按鈕以動畫的多媒體形式將變形的分布情況和零件應(yīng)力情況直接播放出來，真實形象地再現(xiàn)了變形動態(tài)分布、零件應(yīng)力及運動情況，用各種形式保存分析的結(jié)果，便于后期查看。（圖2為受力后的吊鉤應(yīng)力分布）。

圖2 受力后的吊鉤應(yīng)力分布

設(shè)計工程師在SolidWorks 的環(huán)境下通過有限元分析模塊COSMOSWorks得到了相對完整的分析方式，并憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)實現(xiàn)分析、驗證大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計，最后經(jīng)對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和修正后得到所需信息。COSMOSWorks基本模塊可以分析裝配體、零件的固有頻率、靜力學(xué)、失穩(wěn)、模態(tài)、非線性、疲勞、間隙分析及優(yōu)化設(shè)計等。例如固有頻率，即確定裝配、零件造型與固有頻率的關(guān)系，尤其在共振效果的場合下獲得最佳設(shè)計效果。靜力學(xué)即在只受靜力情況下研究零件的應(yīng)力、應(yīng)變。失穩(wěn)即研究材料無法承受壓應(yīng)力后薄壁結(jié)構(gòu)件發(fā)生的失穩(wěn)情況。間隙即2個或更多運動零件在特定載荷下相互作用，主要指分析接觸間隙未知的情況下傳動鏈的應(yīng)力分布和載荷傳遞情況。同時COSMOSMotion可與SolidWorks無縫隙對接，它使用SolidWorks數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，提高設(shè)計效率。

4、動畫模擬和渲染

SolidWorks軟件技術(shù)有強大的功能，不僅能完成從產(chǎn)品概念到裝配模型設(shè)計等一系列過程，實現(xiàn)三維造型，還能完成諸如三維動畫演示、渲染圖像等三維產(chǎn)品的固有特征。動畫作為一種直觀載體，它能體現(xiàn)零件設(shè)計思想，也能仿真相關(guān)設(shè)計記錄。在機械設(shè)計應(yīng)用方面可清楚記住一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無法用文字?jǐn)⑹銮宄a(chǎn)品的設(shè)計思想。Animator 插件在SolidWorks 軟件中是制作動畫軟件，能用動畫形式表達(dá)產(chǎn)品的性能和外觀，便于企業(yè)和客戶之間的交流。所以利用Animator 插件可形象又直觀地的表現(xiàn)SolidWorks軟件的三維模型中的動態(tài)效果。尤其可以及時錄制、保存模擬裝配過程、模擬拆裝等產(chǎn)品設(shè)計的相關(guān)過程，向客戶更直觀且更好地傳遞設(shè)計者的設(shè)計意圖。

充分的利用SolidWorks 中特有的高品質(zhì)色彩渲染功能在于實現(xiàn)Animator 與PhotoWorks插件的無縫集中工作，主要通過實體模型PhotoWorks實現(xiàn)其色彩渲染功能。主要表現(xiàn)在以下方面：1）通過增強圖形燈光控制實現(xiàn)視覺效果的提升。2）以全相關(guān)保證工程圖之間的同步更新和零件、配件的設(shè)計精度。3）通過結(jié)合零件特點和控制專業(yè)燈光實現(xiàn)材質(zhì)的高質(zhì)量動畫效果。4）通過龐大的材質(zhì)、紋理及變化繽紛的背景庫增強視覺沖擊力。

三、結(jié) 語

綜上所述，Soildworks技術(shù)功能強大且齊全，運用便利，為機械設(shè)計者提供了更為妥善的設(shè)計解決方法。通過效仿和模仿機械設(shè)備內(nèi)部空間的流暢獲得速度分布、壓強分布、溫度/濕度分布等流動動態(tài)的明晰信息，對提高機械設(shè)計水平和設(shè)計者的工作效率起著重要的促進(jìn)作用。總之，隨著Soildworks技術(shù)的不斷完善，它的優(yōu)勢決定會成為更多機械設(shè)計者的首選技術(shù)軟件，擺脫了CAD二維軟件單純繪圖的作用，值得應(yīng)用和推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]李慧鵬，張建強，桑曉宏. SolidWorks軟件在機械加工工藝中的應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù)，2011，01：61-63.

[2]和文云. SolidWorks在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)設(shè)計，2011，04：146-147+149.

[3]趙飛. SolidWorks自頂向下方法在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 機械管理開發(fā)，2012，04：201-202.

[4]朱金權(quán). SolidWorks軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用與研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2009，02：41-44.

[5]劉立軍. SolidWorks軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用與研究[J]. 硅谷，2013，04：102+12.

[6]鞏勇智. SolidWorks在機械設(shè)計中的應(yīng)用研究[J]. 科技傳播，2013，06：199-200.

[7]李奉香，黃政. SolidWorks在復(fù)雜零件建模和設(shè)計分析中應(yīng)用[J]. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013，01：42-45.

作者簡介：翟滕子，女，1992年8月2日生，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)2012級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學(xué)生。