基于SOLIDWORKS的轴承架模拟仿真

目目 录录1 绪论 .12 模拟仿真概述 .12.1 模拟仿真概念 .12.2 模拟仿真在中国产业的发展现状与机遇.12.3 模拟仿真在机械系统中的实现方法 .23 SOLIDWORKS 概述 .24 基于 SOLIDWORKS 的轴承架模拟仿真设计实例.34.1 轴承架的零件图的实体建模过程及步骤 .34.1.1 带轮的三维实体建模 .44.1.2 轴架的三维实体建模 .64.1.3 轴的三维实体建模.84.1.4 轴衬的三维实体建模 .94.1.5 垫圈的三维实体建模 .114.1.6 标准件 .124.2 轴承架的装配图的装配过程及步骤 .124.3 轴承架动画制作过程及步骤.144.2.1 爆炸图制作过程及步骤.144.2.2 动画制作过程及步骤.195 结论.20致谢.21参考文献.2111 1 绪论绪论模拟仿真4技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。模拟仿真的应用大致可分为：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的决策；在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策；利用仿真模型作为训练器，训练系统操纵人员或管理人员。此外，在工程领域仿真技术还可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和训练过程的安全。目前，随着仿真技术的发展，中国仿真市场增长异常迅猛，在某些方面达到了国际先进水平。但总体技术水平，特别是应用水平与发达国家相比还有差距。SolidWorks1以其优异的三维设计功能 ,操作简单等一系列的优点 ,极大地提高了设计效率。利用 SolidWorks 不仅可以生成二维工程图，而且可以生成三维零件，实现零件的三维实体建模。用户还可以利用其配置功能，通过改变原零件模型的尺寸，生成一系列新的零件。据于此，本文重点介绍基于 Solidworks 的轴承架的模拟仿真。运用Solidworks 的三维模拟仿真功能，建立轴承架的零件三维实体图，然后经过装配形成轴承架装配体，从而可对该系统进行运动分析，绘制出爆炸图和动画图。2 2 模拟仿真概述模拟仿真概述2.12.1 模拟仿真概念模拟仿真概念 模拟仿真5的意思就是用模型（物理模型或数学模型）来模仿实际系统，代替实际系统来进行实验和研究。事实上，习惯定义的模拟仿真，即用模型来模仿实际系统进行实验和研究，从来就是产品开发中的常用技术手段。2.22.2 模拟仿真在中国产业的发展模拟仿真在中国产业的发展现状与机遇现状与机遇 仿真作为信息时代除理论推导和科学试验之外的第三门新型科研方法，其技术及相关产品广泛应用于工业产品的研究、设计、开发、测试、生产、培训、使用、维护等各个环节。随着仿真技术的发展，仿真产业俨然已经成为具有相当规模的新型产业，并广泛应用于国防、能源、电力、交通、物流、教育、航天航空、工业制造、生物医学、医疗、石油化工、船舶、汽车、电子产品、虚拟仪器、农业、体育、娱乐、社会经济运行、环境及安全科学等等领域。国仿真产业发展状况如何？2007 中国（上海）国际仿真工业展览会组委会曾历时两年做过一次“中国仿真产业发展现状”的市场调查，调查显示中国仿真市场存2在如下特点： 1、科技含量高、市场潜力大、学术性强是目前中国仿真市场的主要特点； 2、仿真属于高科技领域，企业主要集中在国内大中型城市； 3、中国仿真市场目前主要销售市场仍然集中在国内； 4、中国仿真企业普遍年轻，其中尤以 19902000 年及 2004 年后为主； 5、从事仿真技术的企业普遍抱着乐观态度，对仿真行业市场容量扩大抱有信心，目前需求主要是市场潜力开发及新技术知识产权的保护，行业竞争一般。近年来，随着仿真技术的发展，中国仿真市场增长异常迅猛，在某些方面达到了国际先进水平。但总体技术水平，特别是应用水平与发达国家相比还有差距。以美国为代表的发达国家高度重视仿真技术的发展和应用。针对“贵公司产品目前遇到的困难是什么”这个问题，据 2007 中国（上海）国际仿真工业展览会组委会参与调查的上海巨光展览有限公司项目经理梁峰介绍，在参与调查的 2200 家企业中，86以上企业认为市场潜力开发、新产品知识产权保护和缺少国外相关技术是目前我国仿真市场遇到的三大问题，也正反映了我国仿真市场的机遇之所在。2.32.3 模拟仿真在机械系统中的实现方法模拟仿真在机械系统中的实现方法机械工程中的机械系统动态仿真10又成为虚拟样机技术，是国际上 20 世纪 80 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型各种动态性能进行分析和评价，然后改进样机设计方案，用数字化形式替代传统的实物样机试验。机械系统仿真研究的主要范围是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各个构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需要的作用力和反作用力。应用 SolidWorks 只要输入材质属性(密度)，即可直接输出零部件的质量特性，如:质量、体积、表面积、重心、惯性主轴和惯性矩、惯性张量等，可减少复杂的计算，提高设计效率和正确性。 根据 SolidWorks 软件的技术特点13，在初步确定设计方案后，就可以利用 SolidWorks 软件设计产品的机械零件，这一过程可以允分利用软件的高效率建模技术实现。然后利用 SolidWorks 软件的智能装配技术把各个设计的零件装配为一个机械系统。可以在 SolidWorks 软件的插件工具中对各个运动副进行定义，井施加引起运动的载荷，进行仿真实验，输出必要的测试曲线，并进行分析和评价，如果设计目标已经达到，则完成产品设计，并可以生成用以加工的工程图或数控代码。33 SOLIDWORKSSOLIDWORKS 概述概述SolidWorks2是世界上第一款完全基于 Windows 的 3D CAD 软件 ,自 1995年问世以来 ,以其优异的三维设计功能 ,操作简单等一系列的优点 ,极大地提高了设计效率 ,在与同类软件的激烈竞争中已经确立了它的市场地位 ,已经成为三维机械设计软件的标准。利用 SolidWorks 不仅可以生成二维工程图，而且可以生成三维零件，用户可以利用这些三维零件来建立二维工程图及三维装配体。SolidWorks 采用双向关联尺寸驱动机制，设计者可以指定尺寸和各实体间的几何关系，改变尺寸会改变零件的尺寸与形状，并保留设计意图。其功能特点主要如下：SolidWorks 3D 设计直接从三维模型人手，省去设计过程中三维与二维之间的转化。设计者可以方便地运用鼠标通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等拖放式操作不断改变其结构，最终完成整个产品(或零件)的设计，直观易学，操作方便。SolidWorks 软件采用参数驱动的设计模式，可以通过修改相关的参数来完善设计方案，支持设计方案的动态修改。软件包含丰富的标准件图库，用户也可任意扩充自定义的图库，因而减少了不必要的重复性设计工作，有效地缩短了设计周期，提高了设计效率。 SolidWorks 可以通过任意旋转和剖切对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测，发现问题立即修正，把试制过程放在设计阶段，可以避免做成实物后才发现问题，提高了新产品的设计效率。SolidWorks 软件拥有数十个黄金合作伙伴，比如美国著名的结构研究公司的 Cosmos 软件能够和SolidWorks 软件无缝集成，实现机械产品的运动学和动力学仿真，此外还可以对机械零件进行有限元分析，从而进一步进行强度校核或优化设计。4 4 基于基于 SOLIDWORKSSOLIDWORKS 的轴承架的轴承架模拟仿真设计实例模拟仿真设计实例4.14.1 轴承架的零件图的实体建模过程及步骤轴承架的零件图的实体建模过程及步骤一个零件的建模过程，实际上就是许多个简单特征相互之间叠加、切割或相交的操作过程。按照特征的创建顺序，构成零件的特征可分为基本特征和构造特征，因此一个零件的实体建模的基本过程可以由如下几个步骤组成：（1）进入零件设计模式。（2）分析零件特征，并确定特征创建顺序。（3）创建与修改基本特征。（4）创建与修改其他构造特征。（5）所有特征完成之后，存储零件模型。具体点就是由于构件是由若干零件组成的，因此，在运动机构动态仿真前，要4先做有关零件的实体建模。Solidworks 用户界面非常人性化，便于操作。在Solidworks 的标准菜单中，包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令。其中基础实体特征主要有拉伸凸台 l 基体、旋转凸台/基体等。在基础实体特征上可添加圆角、倒角、筋、抽壳、拔模及异型孔、线性阵列、圆周阵列、镜像等放置特征，这些特征的创建对于实体造型的完整性非常重要。在处理复杂的几何形状时还需要其它高级特征选项，包括扫描、放样凸台/基体及参考几何体中基准轴、基准面这些定位特征等。通过以上特征造型技术在 Solidworks 能设计出需要的实体特征。此外，零件环境中还具有钣金、模具等工程功能。4.1.14.1.1 带轮带轮的三维实体建模的三维实体建模（1）单击标准工具栏中的“新建”工具，新建一个零件文件（2）在特征管理器设计树中选择“前视基准面”（如图 1）， 则该面旋转正对用户，单击草图绘制工具，进入草图绘制环境。通过草图实体绘制工具绘制出草图的基本几何形状（如图 2） 。图 1 选择基准面示意图5图 2 轮草图几何尺寸轮廓（3）然后单击确定按钮，从特征按钮的下拉菜单中选择旋转凸台/基体按钮,则操作界面显示旋转预览图（如图 5） ，单击确定后生成带轮零件图（如图 6） 。在绘制轮毂处键槽时应选择基准面 2（如图 4） ，其与上视基准面平行且相距 10cm，正好与对应处轴相切。其具体操作为： （4）在工具栏“插入”的下拉菜单中选“参考几何体”中的“基准面”弹出基准面对话框（如图 3） ，选择上视基准面为参考实体，在与参考实体的距离框中输入 10.00。单击确定后选择基准面 2，其实其正视于用户，绘制出键槽的草图几何尺寸，再进行拉伸切除特征命令，生成键槽。（5）单击倒角画出带轮杆上图纸所要求的倒角。（6）单击保存。 图 3 基准面 图 4 插入基准面 26 图 5 带轮旋转特征 图 6 带轮4.1.24.1.2 轴架轴架的三维实体建模的三维实体建模（1）单击标准工具栏中的“新建”工具，新建一个零件文件（2）在特征管理器设计树中选择“前视基准面”，单击草图绘制工具，进行草图的绘制。（3）单击中心线工具，过草图原点绘制一条垂直的对称虚线。（4）以中心线作为基准，单击直线画一条直线，然后根据图纸单击智能尺寸来设定直线的尺寸，然后单击确定，运用此方法，绘制出轴架的草图几何尺寸。（5）根据图纸尺寸进行拉伸切除。形成部分零件。（6）单击筋按钮，设置参数（如图 7），根据图纸尺寸绘制出其尺寸（如图 8）。（7）单击拉伸切除按钮，设置拉伸参数（如图 10）进行拉孔（如图9）。（8）单击确定后生成实体图（如图 11） ，单击保存。7图 7 筋的参数选择 图8 筋的草图特征8 图 9 拉孔特征示意图 图 10 拉伸切除图 11 轴架 图 12 设计树94.1.34.1.3 轴轴的三维实体建模的三维实体建模（1）单击标准工具栏中的“新建”工具，新建一个零件文件（2）在特征管理器设计树中选择“前视基准面”，单击草图绘制工具，进行草图的绘制。（3）单击中心线工具，过草图原点绘制一条垂直的对称虚线。（4）以中心线作为基准，单击直线画一条直线，然后根据图纸单击智能尺寸来设定直线的尺寸，然后单击确定，运用此方法，绘制出轴的草图几何尺寸（如图 13。）（5）单击旋转按钮，生成旋转特征（如图 14）。（6）但应注意的是在画轴上键槽时应选择合适的基准面（基准面 1）进行绘制键槽的轮廓（如图 15） ，而后进行拉伸切除命令，形成键槽。其操作同上。（7）从而生成实体零件包括轴和键（如图 16）单击保存。 图 13 轴的草图几何尺寸图 14 轴的旋转特征10图 15 插入基准面 1 图 16 轴及键4.1.44.1.4 轴衬轴衬的三维实体建模的三维实体建模（1）单击标准工具栏中的“新建”工具，新建一个零件文件。（2）在特征管理器设计树中选择“前视基准面”，单击草图绘制工具，进行草图的绘制。（3）单击中心线工具，过草图原点绘制一条垂直的对称虚线。（4）以中心线作为基准，单击直线画一条直线，然后根据图纸单击智能尺寸来设定直线的尺寸，然后单击确定，绘制出轴衬的草图几何尺寸（如图 17）。（5）然后单击旋转按钮。生成旋转特征（如图 20），设定参数后（如图 18），单击确定生成实体零件（如图 19）。（6）选择该倒角的面，单击倒角按钮，确定后生成倒角特征。11 图 17 轴衬的草图几何尺寸 图 18 参数选择 图 19 轴衬 图 20 旋转特征4.1.54.1.5 垫圈垫圈的三维实体建模的三维实体建模 由于垫圈与轴衬只是在尺寸上不一致而其形状一样。故其做法与轴衬相似，这里就不再重复，可参看下图（图 21、22） 。垫圈也属于标准件，在此处其用处主要是起保护螺母的作用，扩散压力，且破坏后易于更换，价格便宜。12 图 21 垫圈草图几何尺寸 图 22 垫圈 4.1.64.1.6 标准件标准件 标准件是指结构、尺寸、画法、标记等各个方面已经完全标准化，并由专业厂生产的常用的零（部）件，如螺纹件、键、销、滚动轴承等等。该装配图中用到了 3 个标准件：垫圈（GB/T97.1-2000） 、螺母 M16（GB/T6170-2000） 、键 6x22（GB/T1095-1979） 。SolidWorks 可直接对其进行调用，在设计库中选择“Toolbox”找到后直接拖入工作界面即可。4.24.2 轴承架的装配图的装配过程及步骤轴承架的装配图的装配过程及步骤 装配体操作环境的主要功能在于将独立的产品零件按照装配关系组装在一起，同时提供爆炸图等。另外，装配体环境还提供了焊接、管道等于装配相关的工程功能。 利用 Solidworks 的装配体模块，可将零件模型装配成机械系统。与传统的 CAD 创建三维装配体模型流程相比，在 Solidworks 装配体环境中可在位创建零件，也可以在装配体环境中修改零件而不需要单独打开该零件。当保存装配体时，零件文件也被保存到指定的目录。当在位创建零件，或在多个装配体中使用或重用零件时，可使用 Solidworks 创建的有自适应特征的零件，自适应零件能够根据其它零件自动调整到相应的大小和位置。这样可节约时间，提高精度，从而大大提高了设计的灵活性，减少了工作量。 其过程为：（1）单击标准工具栏中的“新建”工具，单击（装配体），新建一个装配体文件。（2）单击（插入零部件），浏览要打开的文件，点击（确定）。（3）具体配合过程和次序如设计树中所示（如图 23）。最后生成轴承架的装配体（如图1324）。 图 23 装配图配合过程图 24 装配体4.34.3 轴承架轴承架动画制作过程及步骤动画制作过程及步骤4.2.14.2.1 爆炸图制作过程及步骤爆炸图制作过程及步骤 在制作爆炸图前，首先应在“工具”下拉菜单“插件”插入插件,在弹出的对话框中在 SolidWorks Animator 的复选框中打对号（如图 25） ，单击确定后，选择“爆炸按钮”进行爆炸图的制作。 14图 25 Animtaor 插件 图 26 爆炸步骤具体过程如下：（1）单击（打开）打开装配图（轴承架） ，点击图下方的（动画） ，在动画一栏右侧选项中右键点击第一个，在视图定向中选择等轴测，再次右键点击选择所有，将时间轴拉至 20 秒处。（2）单击（爆炸视图） ，先后将轴承架的带轮、键、垫圈、轴、轴衬分别拉至固定位置，在左侧爆炸会出现图标，然后单击（确定） 。（3）在动画一栏左侧选项中单击（动画向导） ，在动画向导菜单中点击“爆炸” ，点击”下一步”,将“时间长度”设置为秒，将“开始时间”设置为2 秒，点击“完成” 。 再次单击（动画向导） ，在动画向导菜单中点击“解除爆炸” ， 点击”下一步”,将“时间长度”设置为 20 秒，将“开始时间”设置为 25 秒，点击“完成” 。单击（播放）观看生成后的爆炸视图，最后点击（保存）将生成的爆炸视图储存为 AVI 格式进行储存。其过程图和操作面参看（图 26、27、28、29、30、31、32） 。其中爆炸视图步骤及视图如下：15 图 27 爆炸步骤 1图 28 爆炸步骤 2 图 29 爆炸步骤 316 图 30 爆炸步骤 4图 31 爆炸步骤 517图 32 爆炸视图及其操作界面4.2.24.2.2 动动画画制作过程及步骤制作过程及步骤 Solidworks 可以很方便的生成工程机构视觉影像的变化，装配的动画及运动模拟，并输出 AVI 文件。其采用基于“关键点”的操作方法，生成动画形态也更为丰富。“关键点”即零部件前后不同的状态，包括颜色透明度，几何空间位置的变化。通过装配体环境下对于零部件自由度的合理约束，能够得到机构确定的运动轨迹。当设定两个关键点之后，solidworks 能自动求解出零部件两个关键点之间的过渡状态。Solidworks 依靠 Animator 插件来生成动画和编辑动画。所有的操作都是对零部件的“关键点”而进行的。因此如何对“关键点”正确地设置是设计solidworks 动画的关键。其制作过程如下：（1）打开 Solidworks 软件，单击（打开）打开装配图轴承架，点击图下方的（动画） ，在动画一栏右侧选项中右键点击第一个，在视图定向中选择等轴测，再次右键点击选择所有，将时间轴拉至 5 秒处。（2）单击（模拟） ，选择“旋转马达”一项，在图上点击带轮并拖动鼠标选择其旋转方向转动，点击（确定） ，单击（播放）观看生成后的爆炸视图，最后点击（保存）将生成的爆炸视图储存为 AVI 格式进行储存。18 图 33 动画图5 5 结论结论在整个毕业设计阶段，通过对模拟仿真及其在机械中的应用和 SolidWorks软件等知识的学习，我从理论上初步了解和学习了模拟仿真的相关理论知识，和基于 solidworks 的模拟仿真的一些知识。并且能够运用 SolidWorks 软件对各种零件进行三维实体建模，掌握了利用 solidwork 制作爆炸图以及动画。在本文中我主要利用 SolidWorks 软件对轴承架的零件图，装配图，爆炸图动画及运动动画图进行了绘制及制作，在此设计过程中确实也学了很多是在设计中无法体现的东西。同时也对 office 软件进行了重温及深入学习，但是仍有很多地方不懂和不理解的，对于 SolidWorks 软件的研究还欠深入等，今后需要更加努力地学习。这次毕业设计也极大地激起了我的学习劲头和兴趣，这比毕业设计本身更重要。19致谢致谢本文是在我的指导老师的精心指导下完成的。衷心感谢我的指导老师，在整个毕业设计阶段，我得到了指导老师的精心指导，在思想上、生活上也受到的真挚的关心和热心的帮助。她严谨的治学态度、渊博的学识、精湛的学术造诣、诲人不倦的精神以及虚怀若谷的气度给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，将永远激励我在将来的学习和工作中不懈努力，不断进步！在此我也非常感谢同学们在这段时间对我学习软件的帮助，在我不会和烦恼时总能给予我及时的帮助，和我共同学习，相互帮助，一块提高。在论文完成之际，谨向我的导师和同学们表示诚挚的谢意！20参考文献参考文献1崔海萍，闫军，张琪.SolidWorks 2006 中文版标准实例教程M.机械工业出。 2007，8 月 8 日2梁士红，张耀宗，高颖颖.基于 SolidWorks 的变量化设计及其实现方法J.机床与液压，2006,15（03）:20233繆朝东，Solidworks 在机械制图教学中的应用研究，重庆工业高等专科学校学报，2004.3（6）：37-394吴旭光，杨惠珍，王新民.计算机仿真技术.化学工业出版社。20055康风举，杨惠珍，高立娥.现代仿真技术与应用.国防工业出版社。20076祝永健，基于 Solidworks 的机械制图教学改进与应用，文教资料，2008.（6）：27-287靳岚，党兴武，机械设计与制造-基于 SolidWorks 的机构运动模拟，2006，48席晨飞，蔡慧林，戴建强，基于 Solidworks 的应力分析和运动仿真的研究，机械设计与制造，2008.1（1）：92-949李晓燕，钱炜，仲梁维，Solidworks 在毕业设计中的应用，上海电力学院学报，2002.2（6）：59-6010张书田，袁立军，仝国伟，基于 Solidworks2007 的减速器虚拟装配与运动仿真，河北神风重型机械有限公司，2008（24）：7111余泽通，杨彬彬，宋长源，基于 Solidworks 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