用Solidworks设计摇摆试验台

　　在现代的机械设计中，三维设计以其直观性而使得传统的二维机械设计逐步向其转化。在设计摇摆试验台这类计算工作量大的复杂产品时应用三维软件，不仅避免了试制过程中大量的设计更改，而且大大地提高了生产效率，缩短了开发周期。本文系统介绍了应用SolidWorks软件进行摇摆试验台设计的过程和方法，对此类的设计有一定的参考价值。

　　一、引言

　　近几年，计算机三维CAD/CAE/CAM软件的应用与普及，使得传统的二维机械设计逐步向三维设计转化。设计构思的表达由原来的二维图纸演变成直接用计算机模拟三维实体模型的虚拟产品。SolidWorks软件是美国SolidWorks公司基于Windows开发的全参数化三维实体造型软件。该软件可与Cosmos/Works工程师设计分析软件、Cosmos/Motion三维运动仿真软件等无缝结合。三维设计软件的功能在于：装配和干涉检查;有限元分析与优化设计(CAE);机构运动仿真;工艺规程生成(CAPP);数控加工(CAM);由三维直接自动生成二维工程图纸;产品数据共享与集成等。这种形象化的三维设计具有直观、精确、快速的特点。

　　摇摆试验台是一种集机械、电气自动控制、仪表、计算机技术于一体的物理仿真试验设备， 可以模拟舰船在给定条件下的摇摆运动，为被试设备提供摇摆环境，同时又可输出摇摆角真值，是舰载武器或仪器设备陆上试验的关键设备之一。

　　常用的试验摇摆台为两自由度、三自由度或多自由度。高精度摇摆台一般采用串联型结构，即将二自由度复合运动分解为二个单自由度的运动，每个自由度单独液压驱动或电机驱动，并单独测角。摇摆试验台机械结构设计是整个试验设备设计最复杂、最关键环节之一。

　　下面就以二自由度摇摆试验台为例介绍应用SolidWorks软件进行摇摆试验台机械结构设计的过程和方法。

　　二、过程流程图

　　过程流程图如图1所示。

图1 过程流程图

　　三、 三维实体设计

　　1.设计要求

　　机械台体结构要求：具有一定的刚度，台面的变形较小;在满足刚度、强度的前提下，台体的重量要轻，回转体的转动惯量尽量小;重心一定要在回转轴下方的一定范围内;计算出转轴的驱动力矩。

　　2.三维实体设计

　　根据试验平台台面尺寸和承载要求，结合以往的设计，初步确定台体的结构尺寸、断面尺寸、板材厚度，初步进行三维造型设计，完成零部件设计并按约束进行装配，如图2所示。

图2 摇摆台机械台体总图

　　3.物理参数设计、工程计算分析

　　首先确定重心位置。从运动平稳性及控制性等方面来考虑，台体的重心位置越接近回转中心越好。但从安全角度考虑，内、外环的重心均设计在回转中心以下一定范围内，以保证在故障情况下，台体能够靠自重自动回到零位(平衡位置)。若重心位置不合适，可采用配重或更改结构尺寸的方式调整。

　　SolidWorks软件可以根据添加材料的比重，自动输出其物理特性。其中包括重量、重心、对重心的转动惯量和对坐标原点的转动惯量等。对内、外环每个摇摆体进行独立分析，分别输出物理参数。若重心位置不合适，可采用添加配重或更改结构尺寸的方式调整，利用SolidWorks尺寸驱动功能，立即可得到结果，直至满足要求。此物理特性可作为设计计算的依据。在以前手工计算，要几个人用几周的时间，而在这里瞬间即可完成，大大提高了设计效率。输出结果如图 3所示。

图3 质量特性参数计算机输出结果

　　4.有限元分析

　　这里主要进行应力和应变分析。台面的变形会影响试验精度，根据试验精度要求进行误差分配，确定台面的允许变形量。利用Cosmos/works软件进行有限元分析，看最大变形量是否满足精度要求，最大应力是否满足材料要求。若不满足或余量过大可利用该软件尺寸驱动的特点进行修改设计。

　　下面仅以内环部件为例介绍分析过程。

　　(1)边界和载荷确定

　　根据内环体的实际约束情况确定边界条件。载荷包括机械载荷、重力载荷。主要考虑受试设备和台面上配重、台体自重以及运动产生的惯性力和离心力。惯性力和离心力在给出最大角速度和最大角加速度后由程序自动添加，如图4所示。

图4 载荷确定

　　(2)划分网格

　　采用四节点四面体实体单元对结构进行模拟并划分网格，如图5所示。

图5 网格划分

　　(3)输出结果

　　应力、变形等计算结果，以彩色图片形式输出，并附有对应数据，如图6～图7所示。

图6 应力图

图7 应变图

　　如若应力计算结果超出材料允许值或变形超出精度要求范围，利用其参数化设计的特性可以很快修改其结构尺寸并重新计算。

　　5.机构仿真及运动分析

　　机械产品的虚拟装配设计与运动仿真，是在计算机构成的虚拟环境中，进行机械产品的装配，并通过计算机动画技术对其进行运动模拟。

　　此过程是通过Cosmos/motion软件来完成的，具有优化性、经济性、安全性和可视性等特点，从而及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题。

　　我们还可以根据摇摆试验台实际运动工况，对相关运动副加以约束，实现机构真实的运动仿真，进行动态干涉检查。同时输出速度、加速度、位移、力矩等的曲线图， 输出机构运动的影视文件。

　　6.二维图转化

　　初步结构设计完全满足要求后，SolidWorks可以利用已建立的装配体模型生成二维工程图。

　　四、结论

　　在新产品开发和设计过程中，尤其是对摇摆试验台这类计算工作量大、需要应力、应变分析的复杂产品设计，应用三维软件，进行产品的仿真设计和实际工况下的仿真分析，可以大大提高设计效率，同时避免了试制过程中大量的设计更改，保证了设计质量。这不仅显著缩短了新产品的开发周期，还大大降低了设计成本，减少了新产品开发的风险，大大提高企业的产品设计能力，增强市场竞争力。