摘要
本指南描述了机械设计人员和制造商面临的关键的设计性能问题，明确了在产品开发周期中使用 SolidWorks® 分析软件的好处。SolidWorks 软件可以应用到任何机械设计领域，无论是自动化工具和包装机械还是分析多种注意事宜。它强大的分析类型包括静态分析、运动分析、热力分析、振动分析、流体分析、非线性分析和电磁分析，这些分析类型可以确保您的产品符合设计要求并且在该领域中是可靠的。
简介
分析和仿真软件是开发大型机械设备不可或缺的工具。通过这些工具，开发人员可以在设计周期中的早期环节对设计进行评估，确定现场使用过程中过早产生故障的原因，快速研究出旨在降低成本和减轻重量的设计变更，并确定产品的安全系数。鉴于机械设计人员所开发的系统的规模和复杂性，对他们而言，使用分析工具尤其有用。由于机械的许多运动零件具有动态性，设计人员可能会在审查中忽略某些设计问题，而分析工具可以发现这些问题。
由于机械的许多运动零件具有动态性，设计人员可能会在审查中忽略某些设计问题，而分析工具可以发现这些问题。
图 1: Fanuc Robotics 设计的机器人内臂。
客户和市场对机械制造商有着不折不扣的要求，包括制造出价格更低、可靠性更强并且生产效率更高的系统。这就希望保持成功地位的公司必须利用所有可用的工具。这些分析工具通过减少后期工程变更降低了产品开发成本。它们可以确保产品快速上市，让产品占据尽可能大的市场份额。最后，它允许工程师试验各种材料和设计，以最大限度减少产品的重量和成本。通过分析软件，工程师可以模拟设计性能，并可在原型制造和生产之前发现和解决潜在的设计问题。
处于机械设计产品开发前沿的分析
无论处于什么特定的应用环境，机械设计人员都承受着来自客户的压力：
提高可靠性和使用寿命，更快地推出经过改进的新产品，减少产品重量和成本，以及提高生产率。在这种工作环境中，工程师几乎没有时间制造多个原型，也没有时间通过反复试验来发现错误，从而更好地理解设计产品的物理特性。但是，此类信息对生产革新的优质产品是至关重要的。
图 2: Fanuc Robtics 充分利用 SolidWorks Simulation 中的实体建模工具。
分析工具有助于机械设计人员快速了解设计产品的物理特性，而无须进行昂贵耗时的原型制造和物理测试过程。分析工具可显著降低工程更改单 (ECO)，减少因后期重新设计而错过工期的次数，以及避免制造时成本高昂的重新设计。所有这些都可显著降低开发成本和缩短上市时间。此外，这些工具的图形结果易于读取和理解，从而促进了设计、销售、营销、制造部门与客户之间的交流。
分析工具有助于机械设计人员快速了解设计产品的物理特性，而无须进行昂贵耗时的原型制造和物理测试过程。
分析范围
• 设计核查/验证：该设计是否可行？该设计是否符合设计思路？
• 相对优点：其中哪个备选设计最好？如何淘汰较差的设计师？
• 概念验证：测试全新的概念而无需制造原型。
• 耐久性和可靠性：疲劳/故障分析、跌落测试、抖动模拟。
与3D CAD 紧密集成
SolidWorks 3D CAD 代表 3D 设计的标准，它与所有主要的 CAD 系统紧密集成。这样一来，工程人员就可以直接使用 SolidWorks 分析软件来分析 CAD 模型，而不必为了利用分析技术而重新建模。
图 3: Hallmark Cards 使用 SolidWorks Simulation 设计卡片制造机械。
使用计算模型和分析软件执行“假设情况”评估可以节省时间和资金，并有助于改进设计性能。
“假设情况”研究
相对于物理测试，使用计算机模拟进行“虚拟”测试的明显优势在于，除可以节约成本和时间外，还可以对众多包含不同材料、零件几何参数、装配体配置、子系统等的设计产品进行快速比较。使用分析进行“假设情况”研究 — 假设使用此材料，或者假设使用此类型的机制 — 有助于工程师确定适用于某特定功能的最佳材料和机械设计。使用计算模型和分析软件执行“假设情况”评估可以节省时间和资金，并有助于改进设计性能。通过分析研究与 SolidWorks配置管理相结合，设计人员能从众多设计中快速地识别出最佳的设计方案。
图 4: 模块化和定制的空气调节器是进行分析的理想产品，因为它们必须能够加热、冷却、加湿和除湿空气，并能够过滤微粒。
多种分析类型 — 静态分析、运动分析、热力分析、振动分析、流体分析和非线性分析
机械设计人员必须使用极其复杂和多变的系统。从运动学和动力学角度而言，需要对系统的所有运动零件及其潜在的相互干扰进行大量的设计工作。发热零部件对系统其余子系统的热力效应难以预料和设计。振动以及其他结构问题可能会导致零件故障、性能低下以及其他操作问题。相对于竞争者，能够运用分析在设计状态解决这些问题的公司优势明显。Simulaiton分析软件有助于确保在产品开发周期的早期解决这些问题，从而使制造商可以加快上市速度，减少开发成本，同时制造出质量更高、保修问题更少的产品。通过使用一系列的分析技术，Simulaiton 软件可以帮助工程师确保产品的性能不会超出设计范围，可靠且不会因过热或应力而出现故障。
图 5: 只需几分钟即可为 Casa Herrera 计算出压片机头上的轧辊的临界作用力。
相对于竞争者，能够运用分析在设计状态解决这些问题的公司优势明显。
• 静态分析是一种工具，使用该工具，机械设计人员可以避免当前或长期的灾难性故障模式，并可确定是否有必要重新设计一种或多种核心单元。设计人员可以研究设备中的应力或偏移，并与允许值进行比较，以便对故障进行预测。SolidWorks Simulation 能够使用 SolidWorks 表面进行外壳，即通过提取薄壁结构的中面进行分析，这在那些设计方案中包含钣金的机械上尤其有用。通过静态分析，设计人员可以优化几何体、最大限度减少重量和材料使用量，并确定内建到每台机器中的安全因素。
• 运动分析在开发机械时同样至关重要，原因在于它们本身就是极端复杂的动态装配体。通过运行运动分析，设计人员可以在制造物理原型之前执行“虚拟测试”，从而在迭代设计周期节省时间和资金。赶在建模之前进行变更能够多快好省。通过运动分析，设计人员可以了解更多有关机械在概念阶段的信息，并可在建造工程模型之前执行动态干涉检测。
• 热力分析对于机械设计而言至关重要。对于工程师而言，控制温度（无论是印刷电路板、机械设备还是射流系统的温度）是一个很重要且必须克服的设计难题。SolidWorks Simulation 分析软件可以在零件或装配体上执行稳态或瞬态热力分析。生成设计网格之后，设计人员可以设置任何相关约束条件，然后设置与模型的几何特性相关的功率或热流条件。因为组件材料的属性包括热导率、热膨胀系数和热容，这样设计人员就得出了规定负载及加工条件下温度分布情况的准确预测。
图 6: PushCorp, Inc. 设计的机械手自动化工具。
使用 SolidWorks Simulation 分析软件，工程师可以模拟某零件或装配体的固有频率。
• 振动分析在多种机械产品中都很重要。许多机械产品都带有马达、泵和其他振动源，它们都可能对周边电子设备和机械设备的性能产生负面影响。要在对这些零部件产生最小负面影响的前提下确保最佳性能，就必须了解零部件或装配体的固有振动频率以及可能受到的任何应力或偏转的影响。工程师可以使用SolidWorks Simulation 分析软件模拟零件或装配体的固有频率，并利用此信息修改设计方案或更换所用材料，以提高性能或者避免某些区域出现共振和偏转。随机振动分析还有助于工程师更好地设计能够抵抗地震的电器系统，这种分析比进行物理震动测试更经济有效。通过分析可以最大限度地减少频率和振动，从而可最大限度地降低系统性能的起伏。
图 7: Neumag 利用 SolidWorks Flow Simulation 改进喷嘴设计。
• 机械设计区域内包含若干流体分析的应用程序。流体属性在传热分析中扮演着很重要的角色。大型机械的热源（如电源和马达）通常都很庞大，它们都要求进行有效的冷却。对流和共轭热传导都取决于流体属性。也可对射流系统（如液压）进行建模，并对其设计进行评估。第三，此分析可用于射流零部件（如喷嘴、阀门、泵系统和润滑系统）的设计过程。无论制造商的分析需求如何，SolidWorks Flow Simulation 都能提供强大的计算流体力学 (CFD) 分析，这有助于了解流体对电器系统中温度的影响。
• 使用非线性分析，电子和电器产品设计人员能够在一个复杂的 3D 模拟环境中评估产品性能，可以更精确地确定可能会导致设备发生故障的各种因素。非线性分析工具可以有效地分析静态和动态问题，如几何及材料的非线性、超弹性、延展性、热塑性和粘弹性等。SolidWorks Simulation Premium 非线性分析软件还可以分析包含或不包含摩擦的模型表面相互作用所涉及的非线性接触问题。
大型机械的热源（如电源和马达）通常都很庞大，它们都要求进行有效的冷却。
图 8: David Rachels 及其工程小组设计的气旋惯性分隔器。
装配体分析
大型装配体分析对机械设计人员至关重要。工业机械本身包含由众多零件组成的众多复杂的子装配体。因此，针对机械设计进行的分析需要一系列的附加、互连和封装方法。设计人员要求在其零件、子装配体和完整装配体上运行该分析。这些装配体可能会在各个级别的设计中受到热量、压力、振动、碰撞和电磁场的影响。
图 9: Speedgrip Chunk Inc. 设计的卡盘。
使用 SolidWorks Simulation 分析软件，工程师可以对所有这些行为进行模拟，方法是允许对小型或大型 CAD 装配体进行分析。使用该软件，工程师可以将不同的材料分配到装配体的不同部分，并指定组件之间相互作用的方式。通过SolidWorks Simulation 装配体缝隙/接触分析，可以模拟大型机械的各种真实条件。
许多以前对大型机械进行的物理测试现在可以迁移到计算机模拟中。跌落测试可以确保运输过程中不会损坏机械，可以在设计阶段执行该测试，并可在生成物理原型和开始制造之前进行更为简便和成本更低的变更。热力分析可确保系统内不会有过热的零部件，并帮助在机械内设计恰当的加热和冷却系统。可对系统内的振动源建模，研究它们对周边零部件的影响。这样便就可以在设计周期的早期开发有效的隔离系统。
通过 SolidWorks Simulation 装配体缝隙/接触分析，可以模拟大型机械的各种真实条件。
3D 可视化
通过 SolidWorks Simulation 分析工具，可以对零部件、装配体以及系统级别的机械和大型工业产品进行分析。
• 3D 可视化使设计人员能够在项目进展时首先检查适是否实现了设计意图、产品运行是否正常以及产品是否美观。
• 3D CAD 使设计人员能够在整个设计过程中从各个角度观察产品设计和检查产品的内部零件。这样可使设计人员在设计周期的早期就能对零件和装配体有一个清晰准确的认识。
• 3D 效果图可以更加有效地传递设计信息，使设计人员在设计周期的早期就能发现问题，进而减少交流和制作错误，从而节省开发时间。
• 设计人员不仅可以全方位地查看产品，还可以通过隐藏外壳或其它零件来了解产品内部结构。
• 通过 3D 动画模拟，您可以查看机械在现实中的工作状况。
• 剖面图解使您可以查看零件内部，而不仅仅是表面的模拟结果。
图 10: Johnson Corporation 为加工业设计系统。
设计交流和协作工具
• 协作设计正日益成为产品开发过程的重要组成部分，它使设计人员可以与任何地方的任何人轻松分享设计。
• 产品设计人员可借助协作工具与开发小组的其他成员合作，提高工作效率。上至大型跨国企业中的工程师，下至独立顾问，所有的产品设计人员都可以通过 Internet 分享设计资源并从中受益。
• SolidWorks Simulation 分析工具使设计人员能够以各种方式与他人共享分析结果：
- HTML 格式的分析结果报告
- VRML 文件
- AVI 文件
- SolidWorks Simulation 使用户可以发布分析结果的 SolidWorks eDrawings®文件。
产品设计人员可借助协作工具与开发小组的其他成员合作，提高工作效率。
结论
机械制造商面临着客户和市场严苛的要求，他们需要制造出价格更低、可靠性更强并且生产效率更高的系统。而希望保持成功地位的公司必须利用所有可用的工具。利用这些分析和仿真工具，开发人员可以在设计周期的早期环节对设计进行评估，确定现场使用中过早产生故障的原因，快速研究出旨在降低成本和减轻重量的设计变更，并确定产品的安全系数。由于所机械设计人员所开发的系统的规模及复杂程度，分析工具对其价值很重大。SolidWorks 仿真和分析工具可以降低产品开发成本，确保产品快速上市，并且可以让工程师对能够尽可能降低产品重量和成本的材料和设计进行试验。
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