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第二章 软件定义企业新能力

第一十零节 基于SolidWorks的E型叉车三维设计

大连叉车有限责任公司 武晓光
 

引言

        随着计算机辅助设计技术的飞速发展与功能的不断完善,工程技术人员的设计方法和手段越来越丰富。三维设计具有形象、精确、快速的特点,在新产品开发的方案设计、结构分析、产品性能的评估、确定和优化物理样机参数过程中能够起到决定性作用,并为新产品研发一次成功,提供了强有力的技术支持。
        目前,我国工程机械行业已经广泛地开始采用三维软件进行产品的研发和制造以及工程分析。三维设计技术的应用,可以大大缩短产品设计周期,降低设计成本,避免设计偏差导致的大量资源浪费和工期延误,本文将结合作者工作实践,介绍三维设计软件SolidWorks在E型叉车设计中的应用。

1 E型叉车三维设计

        1.1 E型叉车简介
        E型叉车是根据国内物流业快速发展,为了满足大型货物通过集装箱内转运的需求而研发设计的新产品,其主机结构吸取了货场叉车和港口牵引车辆等产品的相关优点,对整体结构进行优化,克服整机转向灵活性、工作机构稳定性、司机室人机工程等方面的缺点,研发设计出满足进集装箱作业的E型叉车,整机具有高效、环保、可靠性强、性价比理想,符合人机工程等优点。该叉车主要参数:额定起重量7000Kg,空载/满载(起升速度)20/380mm/s(二级门架),额定载荷下降速度≤600mm/s,最小转弯半径3620mm,门架倾角前/后8/10°。
        1.2 E型叉车三维设计方法
        在SolidWorks中,机械零件的参数化设计主要通过两种方法实现,一是利用在内嵌的Excel工作表中制定参数,创建多个不同配置的零件装配体;二是利用编程语言作为开发工具,对SolidWorks进行二次开发,用程序实现参数化设计。装配体的设计方法有自上而下设计和自下而上设计两种设计方法,也可以将两种方法结合起来。传统的产品装配大多以零件几何模型为基础,先生成零件并将之插入装配体,然后根据设计要求配合零件,这种设计方法称为自底向上的装配方法。但是对于较为复杂的工程机械而言,零件数目达上千个,如果先把这些零件逐一设计好再自底向上地进行装配,不仅装配思路繁杂、而且零件装配关系之间互相依赖,不利于研发设计者在前期组织并行工程,并且后期设计修改非常困难,这种设计思路并不可取。

三维产品树状结构示意图

图1 三维产品树状结构示意图

        在工程机械产品的装配设计过程中,采用树状结构模型来定义各级组件的接口及装配空间等重要设计需求,图1为产品设计所采用的产品树状结构示意图,可以清晰表明产品的设计布局及层次安排。该树状结构为一个特殊的零件模型,通过三维设计草图定义各级组件的3D布局。首先采用自顶向下(TOP-DOWN)的设计方法,即设计人员首先构建产品的整体框架(总装配),然后在各层次加入对应的组件或零件,在进行零件的具体特征的造型,自顶向下设计方法有利于管理大型组件,同时有效地掌握设计意图,在设计团队间能够便于并行设计,实现资源信息共享。
        1.3 E型叉车三维设计树状结构
        以E型叉车设计为例,其产品树状结构是一个逐级确定各层次相应内容的环节。第一层次主要包含车架总成、门架总成、护顶架总成、驱动桥总成等几大部分,而车架体总成包括左车架、右车架,后车架和防护板等几部分,其中上述各部件又可以进一步细分至下一级组件和零件。这样逐级分解设计,顶至整车,而底至每一个零件,该装配结构就形成一个具有庞大分支的树状结构。图2为E型叉车树状设计结构图。
        整车作为顶级组件,逐层向下设计,确定各层次纵、横向的布局,搭建起一个完整的E型叉车产品结构树,采用树状结构传递和掌控组件之间的相互关系,修改工作也简易可行。

 E型叉车树状设计结构图

图2 E型叉车树状设计结构图

        树状结构布局下的装配组件在产品设计过程中的任一时刻,都可根据具体工艺及生产组织等特点,对主装配结构和空间位置作适当调整。采用自下而上(DOWN-TOP)设计方法的零部件是独立设计的,与自上而下设计法相比,零部件的相互关系及编辑修改更为简单,而使用自下而上设计法则可以使设计人员专注于单个零件的设计工作。在应用SolidWorks产品设计过程中,生成新的零件可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配体界面内可以更加方便地设计和修改零部件,对于设计大型工程机械产品的装配体,使用SolidWorks软件,产品的研发效率得到极大的提高。
        1.4 E型叉车三维实体建模
        E型叉车三维模型的设计方案确定以后,就可以进行具体的模型设计,即各个零部件的三维造型。零件的三维造型,虽然数目众多、工作量巨大,但是相对设计难度并不大。针对于产品的不同特点,在SolidWorks环境下对零件进行具体建模的方法也不尽相同。
        1)外购零部件的三维设计:在E型叉车的设计中,消音器、操纵阀等产品进行配套采购,因此在整机三维建模过程中,由配套厂家提供这类零部件(组件)的三维模型,SolidWorks软件提供多种文件格式的接口,接受对方提供的整体输入文件,在设计过程中只需确定相关产品装配关系即可完成。图3为E型叉车消音器、操纵阀三维模型。
        2)通用零部件三维设计:E型叉车的某些零部件(组件)如货叉架总成,驱动桥总成等零部件与已设计完成的D型叉车产品通用,因此在SolidWorks环境下,亦可将这些零部件作为整体特征输入E型叉车整机三维模型,无需进行重新的三维建模。图4为E型叉车驱动桥总成三维模型图。

 E型叉车消音器、操纵阀三维模型

图3 E型叉车消音器、操纵阀三维模型

E型叉车驱动桥总成三维模型图

图4 E型叉车驱动桥总成三维模型图

        3)新设计的零部件:针对E型叉车的产品研发,由于该产品工作环境为集装箱内,因此其车架总成、门架等大部分零部件为新设计零部件,其中尤其对于门架总成部件而言。进箱叉车宽视野门架即在已有的内燃叉车门架基础上,受到集装箱内部空间条件所限,将门架高度变矮、加大槽钢截面面积,加宽门柱距离,在SolidWorks软件中,针对叉车门架的结构特点,对门柱长度,以及门架体焊接零件位置等关键尺寸进行系列化设计,完成门架总成系列化设计,并对门架总成装配体进行成组配置,大大缩短新产品研发周期。新设计门架总成实现操作人员视野变宽,操作舒适的目的,提高门架承载能力,提高整机安全性能,提升整机箱内作业效率。

E型叉车门架体三维模型

图5 E型叉车门架体三维模型

        E型叉车车架体在整个结构中起连接各系统和支撑整机结构的作用,进箱叉车车架体宽度变窄,内部结构紧凑,减小整机空间尺寸,提高整机箱内作业空间。在车架体的三维设计中,干涉检查是一个重要的环节,是避免设计失败的有效工具。在SolidWorks中,利用干涉检查可以发现装配体中零部件之间的干涉,干涉部分将在检查结果的列表中显示。图6为E型叉车车架体三维模型。

E型叉车车架体三维模型

图6 E型叉车车架体三维模型

        4)其它零部件:在E型叉车的三维设计过程中,除了以上提及的典型零部件以外,还有各种小型零部件,比如接管总成、支架、垫片等等。这些零部件的设计相对简单,均采用自下而上的设计方法,应用SolidWorks的一些基本操作诸如拉伸、扫描、旋转、混合等等,如果采用标准件,也可以直接应用SolidWorks标准件库提供的零件。
        利用SolidWorks中的Simulation有限元分析软件对其进行静力学分析,在满足应力分析后再进行优化设计,并且该软件亦可以输出多种格式的图形文件,可以与ANSYS等专业有限元分析软件连接,对后续的叉车零部件结构分析提供了极大的便利。图7为E型叉车三维模型。

E型叉车三维模型

图7 E型叉车三维模型

2 结论

        现代的机械产品设计大多采用三维建模软件来完成,三维设计作为一种先进的设计方法和设计理念,具有可视化好、形象直观、设计效率高等特点,具有众多二维设计不可比拟的优点。三维软件功能强大,不但能大大缩短产品研发的周期,而且能直观地反应出模型的空间布局是否合理、有无干涉问题,还能对产品模型进行应力、变形等各种机械性能分析。本次采用SolidWorks软件对E型叉车进行三维设计,SolidWorks不只是简单的三维建模工具,而是一套高度集成的CAD/CAE/CAM一体化软件,是产品级的设计和制造系统,为工程师提供了功能强大的模拟工作平台。