在現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)中，三維設(shè)計(jì)以其直觀性而使得傳統(tǒng)的二維機(jī)械設(shè)計(jì)逐步向其轉(zhuǎn)化。在設(shè)計(jì)搖擺試驗(yàn)臺(tái)這類計(jì)算工作量大的復(fù)雜產(chǎn)品時(shí)應(yīng)用三維軟件，不僅避免了試制過程中大量的設(shè)計(jì)更改，而且大大地提高了生產(chǎn)效率，縮短了開發(fā)周期。本文系統(tǒng)介紹了應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行搖擺試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的過程和方法，對(duì)此類的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

　　一、引言

　　近幾年，計(jì)算機(jī)三維CAD/CAE/CAM軟件的應(yīng)用與普及，使得傳統(tǒng)的二維機(jī)械設(shè)計(jì)逐步向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)構(gòu)思的表達(dá)由原來的二維圖紙演變成直接用計(jì)算機(jī)模擬三維實(shí)體模型的虛擬產(chǎn)品。SolidWorks軟件是美國(guó)SolidWorks公司基于Windows開發(fā)的全參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件。該軟件可與Cosmos/Works工程師設(shè)計(jì)分析軟件、Cosmos/Motion三維運(yùn)動(dòng)仿真軟件等無縫結(jié)合。三維設(shè)計(jì)軟件的功能在于：裝配和干涉檢查;有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)(CAE);機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真;工藝規(guī)程生成(CAPP);數(shù)控加工(CAM);由三維直接自動(dòng)生成二維工程圖紙;產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享與集成等。這種形象化的三維設(shè)計(jì)具有直觀、精確、快速的特點(diǎn)。

　　搖擺試驗(yàn)臺(tái)是一種集機(jī)械、電氣自動(dòng)控制、儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的物理仿真試驗(yàn)設(shè)備， 可以模擬艦船在給定條件下的搖擺運(yùn)動(dòng)，為被試設(shè)備提供搖擺環(huán)境，同時(shí)又可輸出搖擺角真值，是艦載武器或儀器設(shè)備陸上試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。

　　常用的試驗(yàn)搖擺臺(tái)為兩自由度、三自由度或多自由度。高精度搖擺臺(tái)一般采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，即將二自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)分解為二個(gè)單自由度的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)自由度單獨(dú)液壓驅(qū)動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并單獨(dú)測(cè)角。搖擺試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)最復(fù)雜、最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

　　下面就以二自由度搖擺試驗(yàn)臺(tái)為例介紹應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行搖擺試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程和方法。

　　二、過程流程圖

　　過程流程圖如圖1所示。

圖1 過程流程圖

　　三、 三維實(shí)體設(shè)計(jì)

　　1.設(shè)計(jì)要求

　　機(jī)械臺(tái)體結(jié)構(gòu)要求：具有一定的剛度，臺(tái)面的變形較小;在滿足剛度、強(qiáng)度的前提下，臺(tái)體的重量要輕，回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小;重心一定要在回轉(zhuǎn)軸下方的一定范圍內(nèi);計(jì)算出轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)力矩。

　　2.三維實(shí)體設(shè)計(jì)

　　根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)臺(tái)面尺寸和承載要求，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)，初步確定臺(tái)體的結(jié)構(gòu)尺寸、斷面尺寸、板材厚度，初步進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，完成零部件設(shè)計(jì)并按約束進(jìn)行裝配，如圖2所示。

圖2 搖擺臺(tái)機(jī)械臺(tái)體總圖

　　3.物理參數(shù)設(shè)計(jì)、工程計(jì)算分析

　　首先確定重心位置。從運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及控制性等方面來考慮，臺(tái)體的重心位置越接近回轉(zhuǎn)中心越好。但從安全角度考慮，內(nèi)、外環(huán)的重心均設(shè)計(jì)在回轉(zhuǎn)中心以下一定范圍內(nèi)，以保證在故障情況下，臺(tái)體能夠靠自重自動(dòng)回到零位(平衡位置)。若重心位置不合適，可采用配重或更改結(jié)構(gòu)尺寸的方式調(diào)整。

　　SolidWorks軟件可以根據(jù)添加材料的比重，自動(dòng)輸出其物理特性。其中包括重量、重心、對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。對(duì)內(nèi)、外環(huán)每個(gè)搖擺體進(jìn)行獨(dú)立分析，分別輸出物理參數(shù)。若重心位置不合適，可采用添加配重或更改結(jié)構(gòu)尺寸的方式調(diào)整，利用SolidWorks尺寸驅(qū)動(dòng)功能，立即可得到結(jié)果，直至滿足要求。此物理特性可作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。在以前手工計(jì)算，要幾個(gè)人用幾周的時(shí)間，而在這里瞬間即可完成，大大提高了設(shè)計(jì)效率。輸出結(jié)果如圖 3所示。

圖3 質(zhì)量特性參數(shù)計(jì)算機(jī)輸出結(jié)果

　　4.有限元分析

　　這里主要進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析。臺(tái)面的變形會(huì)影響試驗(yàn)精度，根據(jù)試驗(yàn)精度要求進(jìn)行誤差分配，確定臺(tái)面的允許變形量。利用Cosmos/works軟件進(jìn)行有限元分析，看最大變形量是否滿足精度要求，最大應(yīng)力是否滿足材料要求。若不滿足或余量過大可利用該軟件尺寸驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

　　下面僅以內(nèi)環(huán)部件為例介紹分析過程。

　　(1)邊界和載荷確定

　　根據(jù)內(nèi)環(huán)體的實(shí)際約束情況確定邊界條件。載荷包括機(jī)械載荷、重力載荷。主要考慮受試設(shè)備和臺(tái)面上配重、臺(tái)體自重以及運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力和離心力。慣性力和離心力在給出最大角速度和最大角加速度后由程序自動(dòng)添加，如圖4所示。

圖4 載荷確定

　　(2)劃分網(wǎng)格

　　采用四節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬并劃分網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

　　(3)輸出結(jié)果

　　應(yīng)力、變形等計(jì)算結(jié)果，以彩色圖片形式輸出，并附有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖6～圖7所示。

圖6 應(yīng)力圖

圖7 應(yīng)變圖

　　如若應(yīng)力計(jì)算結(jié)果超出材料允許值或變形超出精度要求范圍，利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)的特性可以很快修改其結(jié)構(gòu)尺寸并重新計(jì)算。

　　5.機(jī)構(gòu)仿真及運(yùn)動(dòng)分析

　　機(jī)械產(chǎn)品的虛擬裝配設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，是在計(jì)算機(jī)構(gòu)成的虛擬環(huán)境中，進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的裝配，并通過計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。

　　此過程是通過Cosmos/motion軟件來完成的，具有優(yōu)化性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可視性等特點(diǎn)，從而及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問題。

　　我們還可以根據(jù)搖擺試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況，對(duì)相關(guān)運(yùn)動(dòng)副加以約束，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查。同時(shí)輸出速度、加速度、位移、力矩等的曲線圖， 輸出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影視文件。

　　6.二維圖轉(zhuǎn)化

　　初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足要求后，SolidWorks可以利用已建立的裝配體模型生成二維工程圖。

　　四、結(jié)論

　　在新產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中，尤其是對(duì)搖擺試驗(yàn)臺(tái)這類計(jì)算工作量大、需要應(yīng)力、應(yīng)變分析的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)，應(yīng)用三維軟件，進(jìn)行產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)和實(shí)際工況下的仿真分析，可以大大提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)避免了試制過程中大量的設(shè)計(jì)更改，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。這不僅顯著縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，還大大降低了設(shè)計(jì)成本，減少了新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。