現代設計方法在工程機械產品設計中的應用

鶴崗斯達機電設備制造有限責任公司 孫士杰

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

一、工程機械現代設計的一般步驟

運用現代設計方法進行工程機械產品的設計，一般需要經歷三維實體造型、有限元結構分析、優化設計、動態仿真設計以及零部件的詳細設計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計，以便確定所有零部件的形狀及結構。在此基礎上，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，能夠完整的表達設計師的思想。最后，對工程機械產品進行相應的力學實驗分析，從而確定各零部件的力學特性。

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

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

4.動態仿真設計。一味的運用靜態或動態設計，都會增加試驗的風險，而且設計的成本也比較高。動態仿真過程通過借助現代計算機技術，模擬產品結構在各工況條件下所承受載荷隨時間的變化關系，并對其速度、位移等進行時域、幅域的統計分析。為此，將動態仿真設計運用到工程機械產品的設計中就顯得很有必要。

5.零部件的詳細設計。經過以上四個階段，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計，最后完成全套設計圖以及相關設計文件。

二、現代設計方法在產品結構剛度及強度設計中的應用

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，安全系數為2.0；材料的屈服極限為335 MPa，許用應力為175 MPa，在此條件下，選取如圖1所示的計算截面，對其進行應力計算，計算結果見表1。

圖1 計算截面位

表1 應力計算結果

由表1可知，輪式裝載機車的架高應力區應該在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，導致截面處容易出現應力集中現象，所以三者的截面處的應力應該最高，但是強度卻偏低。最大的應力出現在II-II 的截面處，約135.3 MPa，由此可見，最高的截面應力還是低于所選材料的許用應力值大小。通過以上分析可以發現，車架的外側板鉸應該適當的加強，此外其他各部位的硬度應該設計成較低。

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點處的位移量，同時也給出了各個節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，車架的上半部分發生的形變較大，而下班部分發生的形變較小。車架頂部發生的形變最大。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、結論

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