机械设计中三维设计软件的应用

摘要：机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。运用三维设计软件，将零部件建立成三维模型进行分析，使设计目标更立体化、更形象化、更直观、更准确地展现在人们面前，极大地提高了设计的效率和设计质量。

关键词：机械设计；三维模型；SolidWorks；有限元分析；优化设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号： 1009-2374（2013）18-0028-02

在机械设计中，三维设计软件的运用，能够使设计目标以完全三维模型的形式展现，而设计者即可以根据该三维模型，对零件或者设计元素的相互运动关系进行分析，这不仅促进了总体设计框架结构的合理把握，而且能够处理一些细微存在的不足之处，通过三维设计软件有限元分析技术的应用，可以有效地寻找出设计过程中存在的不足之处，并予以相应的优化设计，才能尽可能地保证产品的质量，同时省时省力地进行设计。

1 机械设计中三维软件的选择

在机械设计过程中，常用的三维设计软件有AutoCAD、SolidWorks、pro/e、UG等等。AutoCAD软件主要针对的是二维的设计方面，在三维上也涉及到一部分，在三维建模上比SolidWorks、pro/e、UG等稍微差一点，但是相对一些比较有规则的物体，AutoCAD的功能会显得比SolidWorks、pro/e、UG等更加具有优势，相对比较稳定，软件运行也较快。三维设计制作中， SolidWorks、pro/e、UG均有强大的机械设计功能，拥有针对于机械零件的设计模块，可以根据所设计的零件不同，进行不同方法的改进，随时对设计中的零件进行评估分析。通过对其的应用，能够将一些相对复杂的零件进行绘制，而且还能够便于3D图和2D图间的转换，同时还能够根据立体图形转成2D三视投影图。随着SolidWorks、pro/e、UG等版本的不断提高、性能的不断增强以及功能的不断完善，基本能满足现代企业机械设计的要求，并已广泛应用于机械设计和机械制造的各个行业。设计人员可根据平时学习的习惯或擅长来选择适合自己熟练使用的三维软件。

2 机械设计中，三维设计软件的具体应用

在机械设计中运用三维设计软件，首先是对所设计的产品进行初步建模，做好机械设计前期的准备工作，其次是对产品建立好的模型组装成整体，将产品的整体模型进行详细解析，对所设计的产品整体有大致的了解，并且通过设计软件特有的功能，对产品设计过程中存在的细节或者是一些没有考虑到的问题进行详细分析，对产品设计的工作流程和设计的合理程度进行检验，并由给出的分析结果，可做相应的调整及优化设计，将不正确的地方予以改正，最后设计出成品。

以SolidWorks软件为例，其设计过程我们可以分为三步来实现：首先是根据设计目标的各项要求初步建立三维模型；其次是对初步建立的三维模型进行模拟组装运行；最后利用软件对设计目标进行模拟分析及合理性检测，从而达到最终的设计要求。它主要包括机械零件设计、装配设计、动画和渲染、有限元分析技术、设计优化及钣金制作等模块，基本满足各种机械设计的需求。此软件采用参数化设计思路，各工具栏命令之间具有相应的设计关联性，对零件的设计修改具有快捷、准确、可靠的特点，对零件的尺寸修改和相似零件的结构设计具有独到的技术优势。在零件设计模块中所做的更改可以自动、快速、准确地反映到装配、工程图等相应关联模块中去，同样，在装配模型和工程图样中，更大程度地减少设计的出错率，提高了设计工作的效率。目前，诸如此类的三维设计软件在机械设计中得到了广泛的运用。

3 三维设计软件在机械设计中的优势

三维设计软件具有出图准确、设计方便、效率高、功能强大、简单易学等众多优势。设计者可自由选择相应的设计工具和命令，采用最合适的设计方法，直观、方便、高效、快捷地完成设计任务。

在机械设计中，三维设计软件的有限元分析模块是设计者最好的设计助手之一。下面简单介绍SolidWorks软件有限元分析模块。基于SolidWorks COSMOS Works有限元分析软件的特点及强大功能，对产品结构中进行静态分析，并为产品结构的优化设计提供可靠依据。COSMOS Works是一套强大的有限元分析软件，早期的有限元技术高高在上，只有一些国家的部门如宇航、军事部门可以使用，只有少数专业人员才能有机会接触，普通的工程师可望而不可及。然而自COSMOS Works出现后，有限元分析的大门终于向普通工程师敞开了，把高高在上的有限元技术平民化，它易学易用、简洁直观，能够在普通的电脑上运行，不需要专业的有限元经验。普通的工程师都可以进行工程分析，迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散，然后一个个分别处理，耗时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。COSMOS Works提供了多场/多组件的复杂装配分析，从而大大简化工程师的劳动，使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也就更精确。

有限元分析过程中几乎所有的设计量，如厚度、长度、半径等几何尺寸、材料特性、载荷位置与大小等都可以用变量参数表示，只要改变这些变量参数的赋值就能获得不同的设计方案的分析过程。

经软件COSMOS Works优化设计后，顶面加厚，底面加强筋加厚及加高，应力分布均匀，离屈服点更远，如图2所示，优化后的中心底面应力扩散，变形量减小，均在

三维设计软件还包含钣金、焊接、管道设计、模具、数控编程等多个模块，机械设计工作者通过学习使用，为机械设计带来方便，提高了工作效率。

4 结语

在现今机械设计的过程中，运用三维设计软件已经成为现代机械设计发展的关键因素之一，在时间、人力的耗费上都有了很大程度的改善作用，为设计人员创造新的产品提供了有效的作用，在产品设计过程中，根据设计者自身的特点以及设计模型的要求，对适合该模型建立的软件进行合理的选择，再通过后续的加工制造将设计过程变得更加合理，能对产品生产之前进行模拟操作，同时可以及时发现产品之中所出现的问题，能够在第一时间里将问题解决，大大降低产品的设计以及人工操作所消耗的时间，促进工厂效率的提升。在机械设计中，合理地运用三维设计软件，不仅仅能够对产品的大致结构有一定的了解，还能够适当地激发起设计人员的思维能力以及创新能力，将问题第一时间解决的同时，又为产品提供了更多有效的优化方案，这对于工厂或者所设计的产品来说，在其效益上、质量上以及实用性上都有了很大的提升，根据三维模型，展现出所设计的产品具体的结构特点，使得产品整体更为清晰明了地展现在设计人员面前。三维软件在机械设计中的应用推广，加快了当今机械工业的发展步伐。

参考文献

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作者简介：刘国利（1972-），男，河南信阳人，东莞宏威数码机械有限公司工程师，研究方向：机械设计制造。