利用SolidWorks軟件優化軸承產品設計

閆 眾，黃鳴鳴

（中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

隨著產品設計技術的不斷專業化、精細化要求，在產品的設計階段對產品工況進行模擬，驗證產品是否符合設計目標要求，找出可能存在問題的區域，并評估設計更改以提高產品質量是新產品設計的發展趨勢。SolidWorks作為一種三維仿真軟件在產品開發過程中正在得到廣泛的應用。

2 SolidWorks簡介

SolidWorks（圖1）是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM的桌面集成系統,是第一個在Windows環境下實現的機械三維CAD軟件。它采用非全約束的特征建模技術,其設計過程全相關,可以在設計的任何階段對設計進行修改,同時自動實現與之相關的更新。SolidWorks對產品進行造型、初步的應力分析，通過在計算機上進行仿真測試，取代昂貴并費時的實地測試，降低產品成本及上市時間。

圖1 SolidWorks軟件工作界面

3 利用SolidWorks進行優化設計

3.1 參數化建模

利用SolidWorks軟件及其插件模塊制作軸承模型，真實顯現軸承在其安裝位置、工況條件下的運行狀態，在一定程度上反映了軸承運動的真實情況。將它應用于產品的開發設計中，可在產品設計早期階段進行虛擬運動仿真或找出設計問題，既能提高工作效率，又能降低產品制作成本，方便人們進行產品信息交流。有限元仿真分析的合理性很大程度上取決于模型建立的正確性，目前在有限元仿真分析中大多采用相近或者簡略模型，因此導致計算結果與實際情況存在較大差異。應用基于SolidWorks等三維設計軟件超強的建模技術，實現與通用有限元分析軟件之間數學模型和數據的轉換與傳輸，完成有限元仿真模擬前復雜模型的建立工作，彌補有限元軟件建造復雜模型方面的不足，從而實現有限元仿真分析的快速、準確、有效性。

圖2 是利用SolidWorks制作的調心球軸承三維模型。該模型反應了軸承各個零件的形狀、相對位置關系。

圖2 調心球軸承三維造型

3.2 加載邊界條件

模型建造完成后，需要模擬軸承實際的工況條件，將軸承與軸、軸承座的配合情況，軸、軸承座、軸承等部件相關的材料屬性、軸承的工作轉速、軸承所承受的徑向、軸向載荷方向、大小、軸承工作時的溫度情況、潤滑方式、潤滑劑的相關參數等諸多因素加載到軸承模型中，使軸承的模擬情況盡可能接近實際的工況要求。

3.3 仿真模擬計算

通過SolidWorks的模擬分析，可以得到在接近實際工況條件下，軸承的應變、應力、載荷分布、壽命情況。評估零件之間的力和應力以優化裝配體。當軸承的零件設計不合理或者裝配不合理，就會發生干涉，利用SolidWorks可以進行檢查。若保持架在內、外圈之間無游隙，在仿真運動時，選取全局干涉項，在干涉區域就會出現標記，進而可以對軸承的設計情況有個初步的了解，對產品的優化設計提供了參考方向。

4 優化設計

優化是以尺寸、載荷和約束、材料或制造要求為條件，對應力、撓度、重量、成本、溫度等因素進行計算。借助 SolidWorks，可以實現軸承產品的優化設計（圖3），可以在制造產品前測試其中的缺陷，比較和優化備選方案: 通過比較強度、壽命、成本和重量確定最佳設計方案，從而最大限度提高性能和節省費用。針對同一問題，軟件提供了幾個不同的解決方案，對這些解決方案，需要參照最終獲得質量最好、最贏利的產品的制造要求和效率來加以考慮。

圖3 調心球軸承分解視圖

5 結束語

隨著設計過程的進展，設計的復雜性會越來越高，更改也將越來越難于評估和實施。如果能在設計過程的早期階段執行優化過程，將能最大限度地提高技術利用價值。在設計的概念階段，進行產品的優化設計，確保為基礎設計提供準確的材料、壁厚、配合方式等等。研究表明，利用SolidWorks軟件及其插件模塊制作軸承模型和其運行動畫，真實顯現軸承部件的裝配過程及運行狀態，在一定程度上反映了軸承轉動的真實情況。將它應用于產品的開發設計中，可在產品設計早期階段進行虛擬運動仿真或找出設計問題，這既能提高工作效率，又能降低產品制選成本，方便人們進行產品信息交流。可以在制造產品前測試其中的缺陷，幫助設計人員在設計過程的早期預防錯誤的發生。