一、項目背景

　　國內某大型鋼鐵集團公司新建一條熱連軋生產線，項目總投資80億元，設計年產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。其中，上海重型機器廠有限公司負責全線機械設備的設計和制造，該廠擁有本條生產線工藝技術的完全自主知識產權，全線采用自動化控制和計算機實時監控，具有結構緊湊、軋制過程連續和生產效率高等優點，達到了國際先進水平。

　　二、設計流程

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

　　三、三維模型規劃及實施

　　1.設計思想

　　本文采用“自下而上”結合“自頂向下”的設計思想對本條生產線進行建模和裝配。由于本項目結構非常復雜，零部件數量多，難度大，而且是實際生產項目，因此我們在正確建

　　立零部件的基礎上，更多地考慮了產品的優化設計。考慮零件在實際裝配體中的位置，建立零部件的設計意圖，正確使用幾何關系、方程式和尺寸等合理地規劃模型，以最簡單的建

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

　　2.模型展示

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

　　四、設計分析及校驗

　　為保證設計的正確性，運用SolidWorks各種不同的裝配關系把各個機械零件裝配起來后，對零件的裝配體進行靜態干涉的檢查，可以方便快捷地發現干涉問題。修改零件時，可以點擊資源查找器中相對應的命令來完成;也可以在裝配環境中進行零件的修改，即點擊要修改的零件，進入零件環境來完成修改。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現干涉問題并進行適當的修改。圖6為精軋機干涉檢查結果。

　　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部結構以及裝配過程。

　　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模擬本條生產線的總裝配和各設備的獨立裝配。

　　五、有限元分析

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

　　文使用COSMOSWorks對關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。輸出分析結果后，對缺陷處進行改進優化后重新進行分析，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

　　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中選中材質自定義選項，并輸入相關的參數。

　　(2)劃分網格

　　有限元素分析(FEA)提供了一種可靠的數字方法來分析工程設計。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)。有限元分析程序將模型視為由相互連接的離散單元組成的網絡。網格化是分析過程中一個至關重要的步驟，E立輥軋機牌坊實體網格劃分如圖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境時是不可或缺的。分析結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聯，并可自動調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，并通過側壓螺母傳遞到牌坊側壓螺母孔上，我們分別在上、下側壓螺母孔表面施加1,500KN的載荷力，如圖9所示。

　　(4)靜態應力分析

　　設置好以上參數后，就可以進行設計分析了，繼而輸出分析結果，圖10a、b和c分別為應力分布圖、位移分布圖和安全系數分布圖。分析結果為，應力最大值53.16MPa，最小值17.78MPa;位移最大值0.69mm，最小值0;安全系數最大值100，最小值8.43。從分析結果中，我們可以得出合格的結論。另外，還可以通過生成可立即發布到Internet的報告，將算例快速、系統地制作成文件。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

　　三維設計結束后，將3D實體零件和裝配體創建成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為本生產線中某一零件工程圖。

　　七、高級渲染

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

　　件和圖形學的發展，在業內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上，我們采用渲染，制作出具有真實質感和良好視覺效果的圖片，高效展示我們的產品和設計思想。它是一款基于真實光線追蹤技術的渲染引擎，采用光線追蹤算法，完全重現光線的行為，以此產生專業照片級的效果圖。

　　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攝像機調整觀察角度，并創建場景;

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

　　3)設置照明光源和相關渲染參數，并進行渲染;

　　4)渲染完成后使用燈光模擬系統調節場景照明。

　　由于本生產線零件數目多，外形結構復雜，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絡渲染技術)以保證渲染的順利完成，并提高了渲染質量，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模型，進行機構的干涉檢查，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構中零件的速度、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果，其分析結果可指導修改零件的結構或者調整零件的材料。

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

　　軋鋼過程具有驅動多、動作復雜和控制難度大等特點。我們利用COSMOSMotion實現了軋鋼過程的全程模擬，即毛坯板從鑄造爐出來經過本生產線的寬度控制、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中的裝配關系都能轉化為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，即運動驅動。當所有參數都設置好就可以進行運動模擬，繼而可以進行動態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系統開發

　　由于軋鋼機結構復雜，設計制造過程中采用“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，并建立各個模塊內部以及模塊之間的參數化約束，最后通過一個自動建模裝配函數來實現不同模塊的裝配。從而設計出了一套“基于SolidWorks可重組模塊化軋機CAD系統”，如圖15所示。利用此系統，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，即可得到所需參數的模塊化軋機。

　　1.開發流程

　　本系統的總體設計目標為：只要用戶給出基本的構型參數，系統就能夠自動建模裝配

　　產生用戶所需要的一臺模塊化軋機。

　　結合軟件的設計方法，設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，進行模塊構造，這部分在建模、裝配階段已經完成。第三，進行參數化設計，建立模塊內部以及模塊之間的一些參數聯系。第四，建立

　　人機交互界面，獲得用戶所需要的參數。第五，調用Solidworks API，編譯一個裝配函數。這樣，用戶所需要的參數傳遞給裝配函數，就可以實現自動建模裝配。

　　2.軟件介紹

　　“基于SolidWorks可重組模塊化軋機CAD系統”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，系統將自動建模裝配一套指定參數的模塊化軋機;實用性強;軟件界面如圖16所示。

　　3.自動裝配技術的實現

　　使用VB調用SolidWorks API函數，通過API函數在客戶端應用程序中創建SolidWorks對象，并依次創建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，進入設計界面，所有參數如圖16所示，最終得到一個如圖17所示的模塊化軋機。

　　十、總結

　　本項目的主要成果有：

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

　　2)對本條生產線重要零部件進行了強度校核，驗證其強度符合設計要求;

　　3)對本條生產線的軋鋼過程進行了動畫仿真，發現設計缺陷并進行改進，縮短了設計時間，極大地提高了設計效率和設計質量;

　　4)使用渲染軟件進行渲染，提高了產品的附加值;

　　5)使用VB調用SolidWorks API函數，實現了不同參數的ASP系列軋機的統一模塊化重組，為軋機的三維參數化設計提供了一種快速有效的途徑。

　　本文對熱連軋生產線做了大量的研究工作，已經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和設計。比如，沒有涉及換輥等設備，CAD系統目前只完成了粗軋機的可重組開發等。這些工作將在后續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)軋鋼設備三維設計規范及有限元分析規范的制定。規范的制定，可以幫助企業三維數字化平臺的快速推廣，便于設計交流和擴充。

　　2)軋鋼設備研發知識庫的建立。依托SolidWorks Enterprise PDM系統，將企業現有的數據資源進行歸納、總結、規范并管理，實現設計知識的繼承及重載。

　　3)專用CAD系統的深入開發;

　　將現有的系統開發從VB平臺遷移到先進的net平臺，便于擴充和協同開發;

　　在參數化設計過程中加入優化功能;

　　實現符合標準的工程圖自動生成;

　　實現COSMOSWorks自動分析系統。

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