在漫長(zhǎng)的機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展歷程中，圖樣設(shè)計(jì)經(jīng)歷了手繪、CAD(二維)和實(shí)體建模(三維)。無(wú)疑這些設(shè)計(jì)軟件對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)有很大幫助。因此，設(shè)計(jì)部門必須應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)輔助工具，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。西電三菱電機(jī)開關(guān)設(shè)備有限公司(以下簡(jiǎn)稱西電三菱)自2007年10月引進(jìn)了SolidWorks Premium后，通過SolidWorks產(chǎn)品提供的強(qiáng)大功能和人性化操作方式，顯著減少了新品的開發(fā)研討時(shí)間，降低了結(jié)構(gòu)方案中的錯(cuò)誤率。本文將詳細(xì)介紹SolidWorks三維CAD在西電三菱的應(yīng)用。

　　一、SolidWorks三維CAD簡(jiǎn)介

　　SolidWorks為機(jī)械設(shè)計(jì)工程師提供了一套自動(dòng)化的解決方案。SolidWorks自動(dòng)化軟件是一個(gè)基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模設(shè)計(jì)工具，它具有Windows的圖形用戶界面和易于掌握的優(yōu)點(diǎn)，可以創(chuàng)建完全關(guān)聯(lián)的實(shí)體模型，可以利用自動(dòng)或用戶定義的關(guān)聯(lián)來捕捉設(shè)計(jì)意圖。

　　SolidWorks Premium是SolidWorks三維CAD產(chǎn)品系列中功能全面的一種產(chǎn)品，嵌入了有限元分析(Simulation)和SolidWorks Routing等功能，使工程師真正體驗(yàn)到了設(shè)計(jì)分析一體化的樂趣。SolidWorks eDrawings應(yīng)用程序給用戶提供了生成、觀閱及共享3D模型與2D工程圖的能力，消除了設(shè)計(jì)人員與工程師之間日常交流的障礙。

　　二、高壓電器產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程

　　1.概述

　　西電三菱屬于高壓電器開關(guān)設(shè)備廠家，完全采用日本三菱電機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)模式，從新產(chǎn)品計(jì)劃到出具產(chǎn)品開發(fā)完成報(bào)告，要經(jīng)歷一套詳盡的開發(fā)體系得以最終完成：產(chǎn)品計(jì)劃→構(gòu)想設(shè)計(jì)→方案評(píng)審→出圖→試做→產(chǎn)品評(píng)審→試驗(yàn)→產(chǎn)品完成，完全體現(xiàn)日系產(chǎn)品的精益求精。

　　在CAD二維設(shè)計(jì)時(shí)期，如上所述中詳盡的開發(fā)體系，需要投入相當(dāng)多的時(shí)間和人力，開發(fā)成本也頗高。應(yīng)用了SolidWorks Premium后，新品的設(shè)計(jì)周期縮短，評(píng)審也可有效進(jìn)行，同時(shí)降低了開發(fā)成本。下面以高壓斷路器某零件為例，說明SolidWorks Premium應(yīng)用于開發(fā)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

　　2.構(gòu)想設(shè)計(jì)

　　(1)實(shí)體建模。得益于SolidWorks基于特征的實(shí)體建模功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特征和草圖的動(dòng)態(tài)修改，為設(shè)計(jì)變更節(jié)約時(shí)間。

　　(2)裝配模塊功能快速、高效。在裝配環(huán)境里可以實(shí)時(shí)修改零部件，且能對(duì)裝配體進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉和間隙檢查，從而在產(chǎn)品開發(fā)階段有效減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。軟件提供的強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，使裝配更完美。

　　(3)按經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)計(jì)零件尺寸，之后完成裝配體，如圖1所示。

　　在設(shè)計(jì)階段使用了SolidWorks線性及圖樣的線條，投影考慮減少，使工程師們能更專注于設(shè)計(jì)中。對(duì)于早期只用二維設(shè)計(jì)的工程師來說，SolidWorks的人性化界面，只需7天左右的時(shí)間就能熟練掌握設(shè)計(jì)功能，這縮短了工程師熟悉新軟件的時(shí)間。

　　對(duì)于研發(fā)階段的不同方案，SolidWorks提供的配置功能提高了研發(fā)效率。其可以在同一個(gè)零件或裝配體中生成不同的模型，研發(fā)部門可以基于不同的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行對(duì)比，更加直觀和便捷。使用“配置”的同時(shí)，SolidWorks建立了基于Excel的“系列零件設(shè)計(jì)表”，如圖2所示，且可以直接通過編輯改變零部件的尺寸和結(jié)構(gòu)，此功能在出圖時(shí)也很實(shí)用，能直接粘貼在工程圖上作為同結(jié)構(gòu)不同尺寸的表格。這一點(diǎn)SolidWorks考慮得相當(dāng)全面，可以添加、顯示和隱藏行列，符合通常的出圖標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣。

　　3.方案評(píng)審

　　之前方案評(píng)審階段必須打印出圖或者將電子版發(fā)送評(píng)審部門，但在傳輸過程中，評(píng)審者，包括客戶必須使用和設(shè)計(jì)部門同樣的設(shè)計(jì)軟件，否則無(wú)法打開圖樣。有時(shí)為了保密，工程師會(huì)修改一些參數(shù)，但還是會(huì)帶來不必要的麻煩。SolidWorks eDrawings應(yīng)用程序提供生成可執(zhí)行文件供審閱，直觀且方便有效(圖3)。此功能成功解決了非設(shè)計(jì)方案評(píng)審部門讀圖難的問題，方便了工程師與非設(shè)計(jì)部門及客戶的溝通。

　　4.強(qiáng)度校核

　　針對(duì)圖1的導(dǎo)電夾裝配體，應(yīng)用SolidWorks Premium嵌入的有限元分析模塊(Simulation)，在SolidWorks平臺(tái)下進(jìn)行強(qiáng)度解析，其的自動(dòng)化網(wǎng)格劃分功能使得工程師能方便驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)。

　　因裝配體中零件1和零件2均為導(dǎo)電體，考慮到接觸電阻，必須對(duì)緊固螺栓實(shí)施一定的預(yù)緊力，這時(shí)要保證零件1和零件2 的強(qiáng)度。

　　(1)零件材料。零件1材料為紫銅;零件2為鋁合金6061。

　　(2)計(jì)算條件。M12螺栓預(yù)緊力保證為29 700N;零件2中，4個(gè)通孔為固定孔。

　　(3)驗(yàn)證條件。根據(jù)受力情況，按抗變形能力設(shè)定安全系數(shù)。紫銅的許用應(yīng)力[σ]=111MPa;鋁合金6061的許用應(yīng)力[σ]=82MPa。

　　(4)初步強(qiáng)度解析，如圖4所示。

　　小結(jié)：經(jīng)過Simulation強(qiáng)度解析后，工程師可以直觀看到零件1的最大應(yīng)力(136MPa)大于許用應(yīng)力[σ](111MPa)，因此需要改進(jìn)零件尺寸。

　　(5)改進(jìn)后零件的強(qiáng)度解析，如圖5所示。對(duì)于零件1，零件壁厚(與零件2接觸部分)由5mm變更為8mm。

　　小結(jié)：經(jīng)解析，零件1與零件2應(yīng)力均小于零件本身的許用應(yīng)力，故零件安全。

　　(6)Simulation強(qiáng)度解析優(yōu)勢(shì)。下面對(duì)比應(yīng)用Simulation前后零件強(qiáng)度的計(jì)算過程。

　　①應(yīng)用前。經(jīng)分析，螺栓預(yù)緊力傳遞到零件1圓柱面上的力為非均布力，其曲線如圖6所示。零件1的強(qiáng)度校核按照薄壁圓筒只受外壓的模型，計(jì)算該零件的周向應(yīng)變;零件2按照非圓截面桿件受彎曲應(yīng)力計(jì)算。因是均布力，需進(jìn)行微積分計(jì)算，計(jì)算量大，也不準(zhǔn)確。②應(yīng)用Simulation后，可以在SolidWorks平臺(tái)簡(jiǎn)易地進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過添加約束、施加載荷和劃分網(wǎng)格等簡(jiǎn)單操作，即可在二三分鐘內(nèi)完成解析，得到有效結(jié)論。同時(shí)可以設(shè)計(jì)洞察、生成報(bào)表，制作具有說服力的研討書。

　　小結(jié)：對(duì)于此類問題，裝配體看似簡(jiǎn)單，但要通過手工計(jì)算，校核其強(qiáng)度，由于涉及到力的耦合問題，也需要復(fù)雜的過程。Simulation強(qiáng)度解析無(wú)論針對(duì)零件還是裝配體，解析過程都更加快速高效，為設(shè)計(jì)節(jié)約了大量時(shí)間。

　　5.樣機(jī)試制階段

　　對(duì)于高壓電器行業(yè)，新產(chǎn)品必須試制樣機(jī)(試品)，并在國(guó)家高壓電器試驗(yàn)中心完成一系列強(qiáng)制形式的試驗(yàn)，得到質(zhì)量認(rèn)證的產(chǎn)品方能銷售。對(duì)于這樣特殊的行業(yè)，在應(yīng)用SolidWorks以前，需要制作至少3次試品，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能完成產(chǎn)品開發(fā)。但應(yīng)用SolidWorks以來，因可以直觀進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、裝配體檢查和設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而減少了不必要的失誤和樣品試制次數(shù)，縮短了開發(fā)周期。

　　三、結(jié)論

　　從西電三菱應(yīng)用SolidWorks以來，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)思路，開發(fā)周期明顯縮短，能使公司始終以先進(jìn)的產(chǎn)品迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。更主要的是：工程師更專注于設(shè)計(jì)而非繪圖。