國際上主流的設(shè)計(jì)軟件Solidworks，除自身提供了便捷的三維設(shè)計(jì)、裝配和工程圖等功能外，還集成了較多CAD／CAE／CAM應(yīng)用方面的解決方案。這樣便于設(shè)計(jì)人員在SolidWorks統(tǒng)一的軟件界面下，完成整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析和加工制造等產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證與制造的開發(fā)流程。
下面是SolidWorks COSMOS在汽車行業(yè)的一個(gè)分析案例。汽車空氣懸架系統(tǒng)采用空氣彈簧代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板彈簧，可以大幅度提高整車的舒適性、平穩(wěn)性和操縱性。筆者在對(duì)國內(nèi)某款車型進(jìn)行空氣懸架改裝時(shí)，應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)、裝配及干涉檢查，同時(shí)采用其集成的有限元分析軟件COSMOSWorks進(jìn)行多個(gè)關(guān)鍵零件部件的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量，整個(gè)設(shè)計(jì)周期縮短了30%；最終實(shí)現(xiàn)裝車一次成功。面向設(shè)計(jì)的優(yōu)化流程本文以空氣彈簧某支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，介紹其在SolidWorks中的優(yōu)化過程。
1．設(shè)計(jì)要求
(1)在滿足空氣彈簧工作空間要求的同時(shí)，不得與周邊物體有裝配干涉和運(yùn)動(dòng)干涉；
(2)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度滿足氣囊最大承載能力的要求。 對(duì)于要求(1)，可以利用SolidWorks的三維造型和裝配體的干涉檢查等功能完成。如果結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不易判斷，還可以借助SolidWorks的物質(zhì)動(dòng)力功能或者集成的運(yùn)動(dòng)仿真軟件 CMOSMotion來完成，這里不做介紹。
2．分析過程
首先利用SolidWorks的三維造型功能，確定空氣彈簧支架的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該支架的材料為Q345B，厚度均為6mm，零件質(zhì)量為3.56Kg；然后利用COSMOSWorks進(jìn)行靜強(qiáng)度的分析，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。由于任何分析軟件都無法做到真實(shí)工況的仿真模擬計(jì)算，所以在建立研究課題前，我們會(huì)找出影響該部件的主要約束條件及載荷。COSMOSWorks在分析前處理階段所提供的參數(shù)設(shè)定非常豐富，基本滿足大多數(shù)的案例分析：同時(shí)在模型網(wǎng)
格劃分即離散化處理方面更加智能，無須手工調(diào)整網(wǎng)格，并且具有快速的結(jié)算能力
在空氣彈簧最大工作載荷作用下，支架的最大應(yīng)力為559MPa (見圖2) ，最大位移為3．6mm(見圖3)。而材料Q345B的許用應(yīng)力要求不得超過280MPa，焊縫區(qū)域小于230mm。因此，基本結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算值已是材料許用應(yīng)力的2倍，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們首先將板材厚度由6mm增加到8mm(板材10mm厚已沒有布置空間，不再考慮），重新計(jì)算，兩者之間基本結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析對(duì)比見表1。當(dāng)板材厚度增加到8mm厚時(shí)，其計(jì)算結(jié)果分別如圖4、圖5所示
可以看到，其強(qiáng)度仍然不合格，則需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間的拓樸優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，首先要抑制結(jié)構(gòu)的變形，由于其上部蓋板為直接承載部位，變形較大，需要增加結(jié)構(gòu)抑制其變形。因此分別對(duì)板厚6m m、8m m的化結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。兩者的應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果如圖6、圖7所示，其中這兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。
在拓樸優(yōu)化多種方案的對(duì)比中，我們發(fā)現(xiàn)8m m板材的結(jié)構(gòu)盡管強(qiáng)度合格，且應(yīng)力分布較為均勻，其最大計(jì)算應(yīng)力為212MPa，說明材料強(qiáng)度較為寬裕；而6mm板材的結(jié)構(gòu)雖然強(qiáng)度不合格，其最大計(jì)算應(yīng)力為374MPa，但是該點(diǎn)屬于應(yīng)力集中點(diǎn)。根據(jù)彈性力學(xué)論，在尖角處應(yīng)力無窮大，所以此處應(yīng)力計(jì)算值發(fā)散、不真實(shí)。并且，應(yīng)力云圖中很少有高應(yīng)力區(qū)域，說明該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化。我們最后確定結(jié)構(gòu)方案是板厚為6mm，其計(jì)算結(jié)果分別見圖8、圖9，主要計(jì)算數(shù)據(jù)如表3所示。
結(jié)論
該結(jié)構(gòu)的空間安裝示意圖如圖10所示，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是變形較小，質(zhì)量較輕，應(yīng)力分布較為均勻，說明材料強(qiáng)度的利用較為充分、合理。在這個(gè)分析項(xiàng)目中，我們通過計(jì)算選擇出了一個(gè)較好的設(shè)計(jì)方案，既減少了材料用量，又滿足了強(qiáng)度要求，這在整車設(shè)計(jì)中非常重要，因?yàn)檎囇b備重量的降低意味著鋼材料的成本節(jié)約，同時(shí)又提升了整車的動(dòng)力性能，減少能耗。在目前原材料價(jià)格上漲及能源緊張的市場(chǎng)條件下，可以最大化地節(jié)約制造與使用成本。另外，上述結(jié)構(gòu)的分析對(duì)比，筆者是在半天時(shí)間內(nèi)完成的?？梢哉f如果沒有SolidWorks軟件強(qiáng)大的造型功能和COSHOSWorks快速的工程仿真分析特點(diǎn)，以及二者完美的集成，筆者是很難在這么短的時(shí)間內(nèi)完成這些設(shè)計(jì)任務(wù)。目前，COSMOSWorks除了可以解決靜強(qiáng)度分析外，還具有振型和頻率分析、溫度場(chǎng)分析、大變形非線性分析和疲勞分析等功能，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中均具有廣泛的應(yīng)用。
（轉(zhuǎn)載）
