CAD在機械零件設計中的應用

西安奧益達石油技術開發有限公司 楊 明

作為先進制造技術設計的首選，CAD計算機輔助設計系統可以根據不同的設計模型，采用二維或三維CAD系統進行建模。為了盡早發現機械零件設計存在的缺陷，并進行及時的改善與修正，需要對機械零件設計模型進行仿真、分析與判斷，設計模型的仿真大都采用基于CAD的Pro/E設計軟件，該設計軟件可以對機械零件進行設計與優化?；贑AD的Pro/E設計改變了傳統的機械設計方式，創造了巨大的經濟效益。

一、基于CAD的機械零件設計的優勢

1.縮短了機械零件的設計周期。在機械零件設計中，采用CAD技術不僅能夠通過裝配環境對零件進行設計，還能夠通過相鄰零件的位置與形狀對零件進行設計，在機械設計時，周期被縮短了近1/3。這樣一來，大大提高了機械零件的設計與生產效率。由于利用CAD進行機械零件設計時，只有少部分零件需要重新設計與制造，因此只需要通過CAD快速重構零件的模型即可，在有效防止單獨零件設計造成裝配失敗的條件下，就能夠快速獲得全新的機械產品。利用CAD技術可以有效提高產品的技術含量與設計質量，隨著信息技術與機械產品設計技術的不斷融合，機械產品設計也有了新的發展，如采用有限元受力分析，可以確保機械零件設計的質量，創造良好的經濟效益。

2.裝配零件更為便捷。根據裝配方式的不同將各機械零件進行裝配，通過資源查找器可以查找所記錄下來的零件裝配關系，有利于機械零件的正確裝配。在裝配過程中，如果裝配出現錯誤或被干涉，那么資源查找器就會及時顯示，并進行靜干澀檢查，一旦發現干澀就要進行修改，以確保機械零件設計的準確性。除此之外，CAD還能夠對機械外部的零件進行隱藏。當零件隱藏后，機械內部裝配的結構就清楚可見。同時，在整個機械部件完成裝配后，還能夠實現運動演示，并檢驗運動行程是否與實際要求相符合，如有不符，可及時對機械零件設計進行修改，防止產品在生產以后才察覺問題，造成損失或報廢。

二、基于Pro/E軟件的機械零件設計

Pro/E軟件是一種一體化的三維軟件，是當今世界CAD領域的新標準，在國內產品設計領域占據了重要地位。利用Pro/E軟件對機械零件進行設計時，機械零件與整個機械零件建模相連通，能夠更直觀的獲得更多的關于零件的信息。利用Pro/E軟件對機械零件的分析實質上是用節點間的單元組合體分析來替換連續體分析。同時在對其數值分析時，用有限維空間替代無限維空間，并采用場函數分片多項式的模式，使其轉變為離散型的結構進行實現，這樣一來，有限元方式將依靠有限維子空間來進行計算分析。由于函數系是由微小的支集所形成，局部地點變量存在相互依存的關系，不管是哪一個局部地點所存在的影響函數或區域都將屬于基函數與支集。因此，通過離散型結構得到的方程系數矩陣較稀疏，在計算的過程中將更為便捷。不僅能夠利用常規的計算對大型的復雜靜力進行分析，而且還解決了固體力學中存在的各種動力和非線性的問題，是機械零件設計中最佳的設計軟件。

利用Pro/E軟件設計零件時，是在模擬真實機械環境條件下構建的模型，并施加了約束和荷載，以預算確定模型中所存在的應力、應變以及移位等相關參數，有利于對機械結構進行靜態與動態分析。以法蘭盤的設計為例，利用CAD 通過Pro/E軟件新建一個法蘭盤的設計文件，然后根據法蘭盤中的旋轉和孔、陣列、筋以及倒角等特點，完成三維造型的設計，最后將設計存入存儲盤中。其中，在進行結構分析時，可以采用對稱簡化模型方式中的拉伸特征截取一半的法蘭盤進行實體化分析。同時，通過Pro/E軟件應用程序中的mechanical約束法蘭盤的表面、截面及螺栓孔。當螺栓孔受到外力時，就可以對法蘭盤的應力、移位和應變進行分析。在CAD彩色直觀分析圖中，通過對法蘭盤圖中各種數據色條的分析，還能夠獲知法蘭盤各零件部位的應力和應變分布情況。

三、基于CAD的機械零件運動仿真分析

通過利用CAD技術中的Pro/E軟件，可對真實機械環境進行系統模擬，可以根據零件的動力學特征來驗證機械零件設計方案與特性參數的合理性，可以檢驗運動構建是否被干澀。一旦出現不合理狀況就要對設計進行改善和完善。如，對齒輪副進行運動仿真分析時，在利用Pro/E軟件進行三維造型設計后，可以通過裝配齒輪副構建運動連接，并在驅動中設置速度。同時還可以在設定齒輪副運動分析條件（設定好動態和結束時間，以及貼頻）后運行齒輪，選取其中一點進行動態作用力和速度等參數的測量，并獲取曲線數據圖形。然后與設計要求進行對比，以完善機械零件的設計。

四、結論

隨著我國科學技術水平的不斷發展，網絡技術、信息技術及多媒體技術與CAD技術不斷融合，大大提高了機械零件設計的智能化水平，同時也提高了企業機械零件設計的效率和質量，減少了設計周期，促進了機械零件設計標準化的進一步發展。CAD技術的融入真正實現了機械零件設計的高效率、智能化，必將成為機械設計發展的主流方向。