現(xiàn)代設(shè)計方法在工程機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

鶴崗斯達機電設(shè)備制造有限責(zé)任公司 孫士杰

基于二維的傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設(shè)計不僅需要投入大量的人力物力，而且經(jīng)歷的設(shè)計周期長，產(chǎn)品的精度不高，難以滿足現(xiàn)代市場對機械產(chǎn)品的需求。工程機械產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計方法包括產(chǎn)品的設(shè)計過程、設(shè)計策略以及設(shè)計方法，其中設(shè)計方法尤為重要。

一、工程機械現(xiàn)代設(shè)計的一般步驟

運用現(xiàn)代設(shè)計方法進行工程機械產(chǎn)品的設(shè)計，一般需要經(jīng)歷三維實體造型、有限元結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)仿真設(shè)計以及零部件的詳細設(shè)計5 個階段。

1.三維實體造型。在進行所有階段之前，必須完成原理方案的設(shè)計，以便確定所有零部件的形狀及結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，運用三維實體造型軟件建立零件的三維模型具有很好的可視性，能夠完整的表達設(shè)計師的思想。最后，對工程機械產(chǎn)品進行相應(yīng)的力學(xué)實驗分析，從而確定各零部件的力學(xué)特性。

2.有限元結(jié)構(gòu)分析。建立好工程機械產(chǎn)品的三維實體模型后，需要對各零部件進行動態(tài)性能分析以及應(yīng)變分析，如果計算出來的結(jié)構(gòu)不能夠滿足零部件的使用要求，就需要對零部件的模型設(shè)計進行修改。對產(chǎn)品進行有限元結(jié)構(gòu)分析的目的是最大限度地提高產(chǎn)品的設(shè)計精度，以避免人力物力的浪費。

3.優(yōu)化設(shè)計。生產(chǎn)同樣的機械產(chǎn)品，可以通過很多設(shè)計方案實現(xiàn)，但是不同的設(shè)計方案所要消耗的人力物力肯定不同，這就需要對設(shè)計方案進行優(yōu)化設(shè)計，從而選擇最優(yōu)的實際方案，以最短的時間，最少的資金投入，收到同樣的效果。

4.動態(tài)仿真設(shè)計。一味的運用靜態(tài)或動態(tài)設(shè)計，都會增加試驗的風(fēng)險，而且設(shè)計的成本也比較高。動態(tài)仿真過程通過借助現(xiàn)代計算機技術(shù)，模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在各工況條件下所承受載荷隨時間的變化關(guān)系，并對其速度、位移等進行時域、幅域的統(tǒng)計分析。為此，將動態(tài)仿真設(shè)計運用到工程機械產(chǎn)品的設(shè)計中就顯得很有必要。

5.零部件的詳細設(shè)計。經(jīng)過以上四個階段，已基本完成三維實體模型，接下來的工作就是利用該三維實體模型進行二維工程圖的設(shè)計，最后完成全套設(shè)計圖以及相關(guān)設(shè)計文件。

二、現(xiàn)代設(shè)計方法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛度及強度設(shè)計中的應(yīng)用

1.強度的計算。以某車架為例，所選用的鋼板材料為40 Cr 最佳，安全系數(shù)為2.0；材料的屈服極限為335 MPa，許用應(yīng)力為175 MPa，在此條件下，選取如圖1所示的計算截面，對其進行應(yīng)力計算，計算結(jié)果見表1。

圖1 計算截面位

表1 應(yīng)力計算結(jié)果

由表1可知，輪式裝載機車的架高應(yīng)力區(qū)應(yīng)該在I-I、II-II以及III-III 的截面處（即鉸孔處），但是由于外界的主要載荷作用在三者的截面處，導(dǎo)致截面處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以三者的截面處的應(yīng)力應(yīng)該最高，但是強度卻偏低。最大的應(yīng)力出現(xiàn)在II-II 的截面處，約135.3 MPa，由此可見，最高的截面應(yīng)力還是低于所選材料的許用應(yīng)力值大小。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，車架的外側(cè)板鉸應(yīng)該適當(dāng)?shù)募訌?，此外其他各部位的硬度?yīng)該設(shè)計成較低。

2.剛度的計算。本文，筆者所選用的程序給出了3 種載荷計算工況車架每個節(jié)點處的位移量，同時也給出了各個節(jié)點沿著三維空間坐標軸O-xyz方向的面位移以及線位移。車架的變形如圖2所示。

圖2 車架變形

由圖2可知，車架的上半部分發(fā)生的形變較大，而下班部分發(fā)生的形變較小。車架頂部發(fā)生的形變最大。車架其他截面的變形值見表2。

表2 車架其他截面的變形值

三、結(jié)論

隨著市場競爭的日益加劇，在設(shè)計工程機械產(chǎn)品時，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法已成為企業(yè)發(fā)展的趨勢?，F(xiàn)代設(shè)計理論和方法的使用，不僅有效地降低了設(shè)計成本、縮短了設(shè)計周期，而且有效提高了產(chǎn)品的精確度和可靠性，對多型號、多品種、小批量工程機械產(chǎn)品的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)作用。