机械设计人员的设计验证工具

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1、机械设计人员的设计验证工具 SolidWorks 公司大中国地区技术总监 陈超祥 分析和仿真软件是开发大型机械设备不可或缺的工具。通过这些工具，开发人员可以在产 品开发周期的早期对设计进行评估，查找产品在使用中有可能发生过早故障的部分，快速研究 出旨在减少成本和重量的设计变更，并确定产品的安全系数。本文描述了机械设计人员和制造 商面临的关键的设计性能问题，并阐述了在产品开发前期使用分析工具的好处。 产品开发过程瓶颈 - 原型机开发及测试 新产品投入生产之前，需要进行原型或样机测试，以确保产品的性能符合客户的要求。某 些测试只需要简单的物理样机，而结构完整性测试等就可能需要功能齐全的物理原型机。

2、功能 齐全的原型比较昂贵，需要较长的制造时间，并会延长产品开发周期。尤其在需要若干台原型 机进行试验时更是如此。原型机测试通常会发现一些设计上的问题，这就要求重新制造原型机 并进行测试以检查修改后的设计。通常，在产品设计最终定型之前，需要经历数次成本高昂的 “设计原型机”迭代。利用原型机测试作为设计验证的传统产品开发流程如图1所示。 无论处于什么特定的应用环境，机械设计人员都承受着来自客户的压力：提高可靠性和使 用寿命，更快地推出经过改进的新产品，减少产品重量和成本，以及提高生产效率等。在这种 工作环境中，工程师几乎没有时间制造多个原型，也没有时间通过反复试验来发现错误。因而 无法更好地理解设

3、计中产品的物理特性。 产品开发过程前期的设计验证 相对于物理测试，使用计算机模拟进行“虚拟”测试的明显优势在于，除可以节约成本和 时间外，还可以对众多包含不同材料、零件几何参数、装配体配置、子系统等的设计产品进行 快速比较。使用分析软件进行“假设情况”研究 - 假设使用此材料，或者假设使用此类型的机 制 -有助于工程师确定适用于某特定功能的最佳材料和机械设计。使用计算机模型和分析软件 执行“假设情况”评估可以节省时间和资金，并有助于改进设计性能。通过将分析研究与三维 CAD系统的配置管理相结合，设计人员能从众多设计中快速地识别出最佳的设计方案。设计验证 的最新发展方向是将三维实体建模和设计分析

4、软件整合在同一平台上，形成互动式的产品建模 与分析手段。这种崭新的交互式“设计-验证”过程使产品开发过程变得更为互动。让设计人员 可以边设计边验证，从而做出更多“如果这样，会怎样？”的尝试，对设计做出更全面的 考虑及优化，最大程度地减少对物理原型机的需求。 调查显示，产品制造成本的 80%在于设计定型，这也就是为什么在发布设计之前进行快速 而经济的设计迭代成为重要竞争优势的原因。供设计工程师使用的交互式的设计验证工具使得 通过计算机模型进行快速而经济的设计迭代取代成本高昂的物理原型机成为可能。即使原型机 成本不是重要的考虑因素，设计验证仍具有重要的产品质量优势。工程师可以快速检测到设计 问题，

5、使用的时间要比制造原型机少的多。设计验证还有助于研究多个设计方案以及开发最佳 的设计。快速而经济的分析通常可以发现并不直观的解决方法，帮助工程师更好地了解产品特 征。 设 计 原型机 测 试 生 产 图 1 “设计原型机”的迭代流程 不再只是专家的任务 企业对于计算机辅助工程(CAE)技术的理解和软件的使用存着很多误区。许多工程师认为 基于CAE的设计分析非常深奥、代价昂贵且难以使用。某些工程师认为分析软件一般只有博士和 专家才会操作，仅适用于大型企业，而对于自己从事的工作类型没有多大必要。研究表明，在 使用3D CAD的设计工程师中，十个中有七个持有这种看法。 在这种认识下，许多工程师直接将

6、未经测试的设计应用于原型机，甚至直接投入生产，为 此危及到产品质量和重要的客户关系。在其它一些情况中，设计人员只是因循守旧，复制已过 时的产品，倾向于坚持过去有效的观念，而不愿意努力创新。不优化产品设计会导致费用增 加，例如使用过多的原材料，而本来通过实施设计验证并优化设计可以减少这些不必要的开 支。 假如在设计周期的前期阶段实施设计验证，就可以实现最大的优势，因为那个时候对设计 进行更改最容易并且最节约成本。结合实体建模执行设计验证时，设计工程师可以利用验证结 果来修正、改进或优化设计。在过去许多年内，设计分析仅限于非常专业的分析人员使用。他 们在设计工程师完成了设计任务以后对模型进行分析，

7、用的都是价格高昂的专业分析软件，与 设计工程师使用的建模工具所产生的模型并不兼容，需要在分析软件包中重新创建模型。使用 这种方法，设计人员和分析人员之间反复进行修改分析工作,浪费了大量的时间，使得设计验 证不能普及。除非逼不得而，否则，设计工程师尽可能避免设计验证与优化。一般凭经验及过 去有效的观念来完成设计。 不过，近些年来，在概念设计中使用设计验证的优势变得非常明显。设计工程师在针对目 前先进的集成分析系统接受适当的培训后，可以具有比分析人员更好的优势。随着越来越多的 工程师开始重视设计验证工具，对设计验证的误解在逐渐消失。他们可以在设计迭代过程中利 用分析结果来修改实体模型。由于设计工程

8、师直接参与对自己的设计的分析，因此整个周期大 为缩短，并且可以确保在设计过程中根据分析结果立即对设计进行修改。设计验证技术以多种 方法打破了传统工程部门之间的界线。绘制草图、设计和分析产品设计在传统上是由不同人员 执行的独立任务，而功能强大、易于使用、价格适中的CAD和设计验证软件使所有工程部门之间 能够更紧密地进行协作。设计工程师在设计初期就可以对设计进行验证，而分析人员则可以继 续发挥其重要作用，针对更关键，更复杂的部分着手进行更高级、更耗时的分析工作。如图2 所示。 设计设计工工程师程师 设计 验证最后测试投入生产 图 2 机械设计人员利用集成的设计及分析软件进行设计-验证迭代 机械设计

9、人员的设计验证工具 机械设计人员在设计过程中所面对的是极其复杂，多变和多种类的设计问题，包括：结 构、运动、热力、振动、流体、电磁和非线性等。从运动学和动力学角度而言，需要对系统的 所有运动零件及其潜在的相互干扰进行大量的设计工作。发热零部件对系统其余子系统的热力 效应难以预料和设计。振动以及其他结构问题可能会导致零件故障、性能低下以及其他操作问 题。相对于竞争者，能够运用分析在设计状态解决这些问题的公司优势明显。设计验证工具有 助于确保在产品开发周期的早期解决这些问题，从而使制造商可以加快上市速度，减少开发成 本，同时制造出质量更高、保修问题更少的产品。通过使用一系列的分析技术，设计验证工具

10、 可以帮助工程师确保产品的性能不会超出设计范围，可靠且不会因过热、电磁或应力而出现故 障。 静态分析静态分析 - 使用静态分析工具，机械设计人员可以避免当前或长期的灾难性故障模式，并可确 定是否有必要重新设计一种或多种核心单元。设计人员可以研究设备中的应力或偏移，并与允 许值进行比较，以便对故障进行预测。静态分析工具能够利用由三维模型外壳，即通过提取薄 壁结构的中面进行分析，这在那些设计方案中包含钣金的机械上尤其有用。通过静态分析，设 计人员可以优化几何体、最大限度减少重量和材料使用量，并确定内建到每台机器中的安全因 素。 运动分析运动分析 - 在开发机械运动装置时非常重要，原因在于它们本身就

11、是极端复杂的动态装配体。 通过运行运动分析，设计人员可以在制造物理原型之前执行“虚拟测试”，从而在迭代设计周 期节省时间和资金。赶在建模之前进行变更能够多快好省。通过运动分析，设计人员可以了解 更多有关机械在概念阶段的信息，并可在建造工程模型之前执行动态干涉检测。 热力分析热力分析 - 对于工程师而言，控制温度（无论是印刷电路板、机械设备还是射流系统的温度） 是一个很重要且必须克服的设计难题。热力分析工具可以在零件或装配体上执行稳态或瞬态热 力分析。生成设计网格之后，设计人员可以设置任何相关约束条件，然后设置与模型的几何特 性相关的功率或热流条件。因为组件材料的属性包括热导率、热膨胀系数和热容

12、，这样设计人 员就得出了规定负载及加工条件下温度分布情况的准确预测。 振动分析振动分析 - 许多机械产品都带有马达、泵和其他振动源，它们都可能对周边电子设备和机械设 备的性能产生负面影响。要在对这些零部件产生最小负面影响的前提下确保最佳性能，就必须 了解零部件或装配体的固有振动频率以及可能受到的任何应力或偏转的影响。工程师可以使用 振动分析工具模拟零件或装配体的固有频率，并利用此信息修改设计方案或更换所用材料，以 提高性能或者避免某些区域出现共振和偏转。随机振动分析还有助于工程师更好地设计能够抵 抗地震的电器系统，这种分析比进行物理震动测试更经济有效。通过分析可以最大限度地适适 适减少频率和振

13、动，从而可最大限度地降低系统性能的起伏。 流体分析流体分析 - 很多机械产品都包含流体流动的部分。流体属性在传热分析中扮演着很重要的角 色。大型机械的热源（如电源和马达）通常都很庞大，它们都要求进行有效的冷却。对流和共 轭热传导都取决于流体属性。也可对射流系统（如液压）进行建模，并对其设计进行评估。第 三，此分析可用于射流零部件（如喷嘴、阀门、泵系统和润滑系统）的设计过程。无论制造商 的分析需求如何，流体分析工具都能提供强大的计算流体力学(CFD) 分析，这有助于了解流体 对电器系统中温度的影响。 电磁分析电磁分析 电磁分析工具提供了电场强度优化技术，这些技术在大型机械设计中经常使用。 例如，

14、电源和电路板之间的干扰可能会对系统性能产生负面影响。这些电磁分析功能还有助于 解决电磁干扰和兼容性问题。 非线性分析非线性分析 -非线性分析工具可以有效地分析静态和动态问题，如几何及材料的非线性、超弹 性、延展性、热塑性和粘弹性等。非线性分工具件还可以分析包含或不包含摩擦的模型表面相 互作用所涉及的非线性接触问题。这样,设计人员就能够在一个复杂的3D模拟环境中评估产品性 能，可以更精确地确定可能会导致设备发生故障的各种因素。 零部件与装配体分析零部件与装配体分析 - 大型装配体分析对机械设计人员至关重要。工业机械本身包含由众多 零件组成的众多复杂的子装配体。因此，针对机械设计进行的分析需要一系

15、列的附加、互连和 封装方法。设计人员要求在其零件、子装配体和完整装配体上运行该分析。这些装配体可能会 在各个级别的设计中受到热量、压力、振动、碰撞和电磁场的影响。使用装配体分析工具，工 程师可以对所有这些行为进行模拟，方法是允许对小型或大型CAD装配体进行分析。使用装配体 分析工具，工程师可以将不同的材料分配到装配体的不同部分，并指定组件之间相互作用的方 式。通过装配体缝隙/接触分析，可以模拟大型机械的各种真实条件。许多以前对大型机械进行 的物理测试现在可以迁移到计算机模拟中。掉落测试可以确保运输过程中不会损坏机械，可以 在设计阶段执行该测试，并可在生成物理原型和开始制造之前进行更为简便和成本

16、更低的变 更。热力分析可确保系统内不会有过热的零部件，并帮助在机械内设计恰当的加热和冷却系 统。装配体分析工具还可对系统内的振动源建模，研究它们对周边零部件的影响。这样便就可 以在设计周期的早期开发有效的隔离系统。 总结 当今计算机硬件和软件技术的迅猛发展，为企业将分析合并到设计流程中提供了理想的外 部条件。将设计分析集成到设计周期中是企业迈出的重要一步。利用三维实体建模和设计验证 工具结合所产生的强大功能，工程师现在可以在计算机中对设计进行测试，而不需要对设计进 行原型机-测试迭代。CAD模型变成了虚拟的原型机，设计验证取代了物理测试，使得产品开发 速度更快、成本更低、效果更佳。许多企业已经完成了这一转变，并在实施过程中获得了业 务、工程和生产效率方面的收益。SolidWorks公司的COSMOS分析模块除了包含前面所术的各种 分析工具外，还与SolidWorks建模系统紧密集成，形成整合的互动式的产品建模与分析平台。 这样一来，工程人员就可以直接使用COSMOS分析工具来验证CAD模型，而不必为了利用分析技术 而重新建模。这种交互式的“设计-验证”手段使得产品