3D繪圖軟件在拖拉機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉毅

摘 要：我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平也是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo)。拖拉機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最常用的動力設(shè)備，其性能指標(biāo)直接關(guān)系著農(nóng)業(yè)作業(yè)的效率，因此拖拉機(jī)的優(yōu)化至關(guān)重要。3D繪圖軟件是指將設(shè)備以數(shù)字模擬的形式等比例在電腦上顯示出來的系統(tǒng)。拖拉機(jī)設(shè)計(jì)過程中存在著周期長、精準(zhǔn)度不高、整體優(yōu)化不協(xié)調(diào)的問題。本文通過以SolidWorks為例，分析了SolidWorks之中快速建模、仿真分析、零件爆炸等功能在優(yōu)化拖拉機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D繪圖軟件；拖拉機(jī)；設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，其發(fā)展與先進(jìn)的勞動設(shè)備密不可分。拖拉機(jī)是我國最為常用的一種農(nóng)業(yè)機(jī)械，能夠在耕地、施肥、收割等多個(gè)農(nóng)業(yè)勞動過程中起到非常重要的作用，因此拖拉機(jī)設(shè)計(jì)水平的提升也一直被人們所重視。隨著科技水平的發(fā)展，越來越多的CAD軟件面世，傳統(tǒng)的CAD在平面功能能夠滿足需求，但是在進(jìn)行3D繪圖方面有所欠缺。尤其是仿真技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的平面繪圖已經(jīng)無法滿足當(dāng)下的需求。SolidWorks是達(dá)索公司的一款用于機(jī)械建模的軟件，其具有豐富的功能，所成圖紙也可以轉(zhuǎn)化為多種格式，為不同軟件之間的信息交互提供了便利條件。

一、在拖拉機(jī)設(shè)計(jì)中快速建模性

拖拉機(jī)屬于機(jī)動車類型，其包括了復(fù)雜的零件。傳統(tǒng)的CAD繪圖需要三視圖甚至多視圖，無法使人直觀的觀察零件，也容易出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)繪制不全面而導(dǎo)致了零件生產(chǎn)出現(xiàn)偏差。SolidWorks中可以快速實(shí)現(xiàn)3D建模，其主要思想為：點(diǎn)、線、面、體四個(gè)方面。一般我們所要得到的即為體，也就是零件的最終實(shí)體。在繪圖時(shí)，先確定好想要操作的基準(zhǔn)面，該基準(zhǔn)面是生產(chǎn)立體的草圖參考?；鶞?zhǔn)面可以由設(shè)計(jì)人員自行設(shè)置，在進(jìn)行多面結(jié)合建模時(shí)，需要用到多個(gè)基準(zhǔn)面。在選好基準(zhǔn)面以后，零件某一面繪制時(shí)，選定一點(diǎn)然后畫線，最后生成封閉性質(zhì)的平面圖紙。通過對平面封閉圖紙的操作來實(shí)現(xiàn)零件的建模。由于拖拉機(jī)中有多中零件，如果用CAD進(jìn)行平面作圖，工作量將非常復(fù)雜，將會延長設(shè)計(jì)的流程。此外，3D建模以后能夠通過各個(gè)角度對零件本身進(jìn)行觀察，以保證更符合拖拉機(jī)設(shè)計(jì)過程中的要求。拖拉機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)，工作環(huán)境惡劣、強(qiáng)度大，因此對零件的結(jié)構(gòu)合理性要求會更高。拖拉機(jī)部分零件需要購買標(biāo)準(zhǔn)件，這些標(biāo)準(zhǔn)件關(guān)系著非標(biāo)件的設(shè)計(jì)，通過快速的三維作圖也可以從各個(gè)角度對其進(jìn)行比較，確保零件設(shè)計(jì)的合理性。

二、裝配功能

拖拉機(jī)作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，有著數(shù)目眾多的零件，在傳統(tǒng)的平面作圖之中，需要對每個(gè)配合零件進(jìn)行配合繪制，還需要進(jìn)行總裝。為了表述清晰的配合問題，需要進(jìn)行數(shù)目眾多的圖紙繪制，由于不同繪圖人員風(fēng)格不同，在進(jìn)行圖紙審核時(shí)也會出現(xiàn)一定的偏差。SolidWorks本身具備配合功能，能夠?qū)⒔５母鱾€(gè)獨(dú)立的零件裝配成子系統(tǒng)并進(jìn)行總裝，可以先將拖拉機(jī)的整體框架進(jìn)行約束，然后按照一定的順序?qū)Ω鱾€(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行約束裝配。在平面圖紙上并不能直觀的觀察不同零件之間的干涉程度，而SolidWorks可以有效的解決這一問題。在拖拉機(jī)中皮帶傳輸、檔位傳動等需要在運(yùn)動中觀察其設(shè)計(jì)效果的部分，無法從平面圖紙直接獲取，而SolidWorks能夠?qū)ζ渲杏新?lián)動性質(zhì)的部分進(jìn)行觀察。由于零件的實(shí)際裝配過程過程中，裝配順序?qū)ζ渚扔兄浅Ｖ匾挠绊?，因此需要對其裝配流程進(jìn)行確定。SolidWorks中具備爆炸圖功能，能夠自己設(shè)定爆炸方向，使得零件的裝配能夠獲得有效的參考。此外，拖拉機(jī)的3D圖裝配還可以為裝配過程中的工裝提供參考，以便能夠和裝配流程進(jìn)行搭配。

三、基礎(chǔ)仿真功能

拖拉機(jī)設(shè)計(jì)過程零件和總裝的強(qiáng)度關(guān)系到設(shè)備的最終工作狀態(tài)。SolidWorks本身具備一定的仿真功能，可以用來對拖拉機(jī)的靜力學(xué)進(jìn)行分析。整體框架時(shí)拖拉機(jī)進(jìn)行載重以及耕作的關(guān)鍵部分，該部分如果強(qiáng)度不夠，就有可能造成結(jié)構(gòu)變形，降低拖拉機(jī)本身的工作能力。如果使用大量的冗余方式，則有可能使得拖拉機(jī)本身質(zhì)量過大，造成拖拉機(jī)有效載荷的降低。此外，整體框架需要進(jìn)行嚴(yán)格的震顫分析，SolidWorks具有豐富的輸出接口，可以與ANSYS、Adams等軟件進(jìn)行無縫銜接，以便進(jìn)行模態(tài)的仿真分析。一旦發(fā)現(xiàn)震顫頻率過高，可以及時(shí)的通過3D繪圖軟件對其進(jìn)行修改，這樣能夠有效的提升設(shè)計(jì)的針對性能。通過其自身的仿真功能以及與其他仿真軟件相結(jié)合的方式，使得設(shè)計(jì)過程更有效率。該仿真功能還可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)運(yùn)動的仿真，可以觀察在拖拉機(jī)遇到地形特殊地區(qū)時(shí)，拖拉機(jī)整體運(yùn)動效果，為整體設(shè)計(jì)提供優(yōu)化思路。此外，還可以通過仿真功能發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)，進(jìn)而通過增加結(jié)構(gòu)厚度或者增加肋板的形式，提升整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。SolidWorks還可以對傳動過程進(jìn)行仿真，使得設(shè)計(jì)人員能夠觀察在傳動過程中設(shè)備的運(yùn)行的安全性與有效性。

四、工業(yè)設(shè)計(jì)功能

SolidWorks具備photoview功能，能夠?qū)σ呀?jīng)設(shè)計(jì)好的模型進(jìn)行顏色、圖案的調(diào)整，并進(jìn)行渲染，可以直接導(dǎo)出工業(yè)設(shè)計(jì)外形，使得工業(yè)設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)能夠同步、協(xié)調(diào)進(jìn)行。在傳統(tǒng)的平面繪圖軟件中，其工業(yè)設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)過程相對獨(dú)立，需要專業(yè)的工業(yè)設(shè)計(jì)人員在脫離機(jī)械設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)完成之后再與其進(jìn)行溝通，對其中不能遮擋或者干擾的部分進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后雙方再進(jìn)行共同探討。SolidWorks的渲染功能使得機(jī)械設(shè)計(jì)人員和工業(yè)設(shè)計(jì)人員使用同一個(gè)版本的圖紙，其結(jié)構(gòu)、布局完全一致，縮短了研發(fā)周期，提升了研發(fā)的效率。除此之外，在設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員還可以不對人機(jī)交互操作部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如檔位設(shè)計(jì)、方向盤設(shè)計(jì)，而是由工業(yè)設(shè)計(jì)人員結(jié)合人體工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求保證拖拉機(jī)本身工作能力與效率的同時(shí)，設(shè)計(jì)舒適的人機(jī)操作系統(tǒng)。

五、優(yōu)化參考性

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是拖拉機(jī)設(shè)計(jì)過程中最重要的優(yōu)化內(nèi)容，其與拖拉機(jī)的性能直接相關(guān)。一般情況下，拖拉機(jī)優(yōu)化過程中，除了在動力、功能方面進(jìn)行優(yōu)化，最關(guān)鍵的優(yōu)化內(nèi)容就是剛度優(yōu)化與質(zhì)量優(yōu)化。剛度優(yōu)化有利于提高拖拉機(jī)的負(fù)載以及安全性。質(zhì)量優(yōu)化有助于提升拖拉機(jī)的有效載荷，降低生產(chǎn)成本。在剛度優(yōu)化一般考察指標(biāo)為撓度，即對各個(gè)部分的撓度進(jìn)行分析，在此過程中為了獲得更好的優(yōu)化數(shù)據(jù)，一般可采用敏感系數(shù)測定的方法，找到對于剛度影響最大的部分，對其進(jìn)行優(yōu)化。而質(zhì)量優(yōu)化一般以總體質(zhì)量為指標(biāo)，對拖拉機(jī)的整體重量進(jìn)行研究，找到能夠滿足或提高額定載荷且質(zhì)量最小的零件。在進(jìn)行敏感度系數(shù)測定的過程中，無論是剛度還是質(zhì)量均是通過SolidWorks進(jìn)行調(diào)整，但兩者不同的是，剛度方面需要將修改后的模型導(dǎo)致其他仿真軟件，進(jìn)行剛度的運(yùn)算；而質(zhì)量方面可以直接通過SolidWorks本身的質(zhì)量測量功能進(jìn)行測定。通過對調(diào)整后模型的剛度和質(zhì)量分析，可以為優(yōu)化過程提供重要的參考。這樣可以有效提升拖拉機(jī)設(shè)計(jì)的針對性，加快設(shè)計(jì)速度。

結(jié)論：拖拉機(jī)是我國重要的農(nóng)業(yè)用機(jī)械，其技術(shù)水平關(guān)系著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展速度。傳統(tǒng)的CAD平面繪圖難以直觀的對零件以及裝配體進(jìn)行全面的觀察，且不具備仿真與接口功能，不利于拖拉機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展。SolidWorks不但具有快速建模的功能，還能夠?qū)λ辛慵M(jìn)行總裝，也可以實(shí)現(xiàn)對其中敏感零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠提升拖拉機(jī)設(shè)計(jì)的針對性和安全性，有利于增強(qiáng)其功能性。

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