CAD在机械零件设计中的应用

西安奥益达石油技术开发有限公司 杨 明

作为先进制造技术设计的首选，CAD计算机辅助设计系统可以根据不同的设计模型，采用二维或三维CAD系统进行建模。为了尽早发现机械零件设计存在的缺陷，并进行及时的改善与修正，需要对机械零件设计模型进行仿真、分析与判断，设计模型的仿真大都采用基于CAD的Pro/E设计软件，该设计软件可以对机械零件进行设计与优化。基于CAD的Pro/E设计改变了传统的机械设计方式，创造了巨大的经济效益。

一、基于CAD的机械零件设计的优势

1.缩短了机械零件的设计周期。在机械零件设计中，采用CAD技术不仅能够通过装配环境对零件进行设计，还能够通过相邻零件的位置与形状对零件进行设计，在机械设计时，周期被缩短了近1/3。这样一来，大大提高了机械零件的设计与生产效率。由于利用CAD进行机械零件设计时，只有少部分零件需要重新设计与制造，因此只需要通过CAD快速重构零件的模型即可，在有效防止单独零件设计造成装配失败的条件下，就能够快速获得全新的机械产品。利用CAD技术可以有效提高产品的技术含量与设计质量，随着信息技术与机械产品设计技术的不断融合，机械产品设计也有了新的发展，如采用有限元受力分析，可以确保机械零件设计的质量，创造良好的经济效益。

2.装配零件更为便捷。根据装配方式的不同将各机械零件进行装配，通过资源查找器可以查找所记录下来的零件装配关系，有利于机械零件的正确装配。在装配过程中，如果装配出现错误或被干涉，那么资源查找器就会及时显示，并进行静干涩检查，一旦发现干涩就要进行修改，以确保机械零件设计的准确性。除此之外，CAD还能够对机械外部的零件进行隐藏。当零件隐藏后，机械内部装配的结构就清楚可见。同时，在整个机械部件完成装配后，还能够实现运动演示，并检验运动行程是否与实际要求相符合，如有不符，可及时对机械零件设计进行修改，防止产品在生产以后才察觉问题，造成损失或报废。

二、基于Pro/E软件的机械零件设计

Pro/E软件是一种一体化的三维软件，是当今世界CAD领域的新标准，在国内产品设计领域占据了重要地位。利用Pro/E软件对机械零件进行设计时，机械零件与整个机械零件建模相连通，能够更直观的获得更多的关于零件的信息。利用Pro/E软件对机械零件的分析实质上是用节点间的单元组合体分析来替换连续体分析。同时在对其数值分析时，用有限维空间替代无限维空间，并采用场函数分片多项式的模式，使其转变为离散型的结构进行实现，这样一来，有限元方式将依靠有限维子空间来进行计算分析。由于函数系是由微小的支集所形成，局部地点变量存在相互依存的关系，不管是哪一个局部地点所存在的影响函数或区域都将属于基函数与支集。因此，通过离散型结构得到的方程系数矩阵较稀疏，在计算的过程中将更为便捷。不仅能够利用常规的计算对大型的复杂静力进行分析，而且还解决了固体力学中存在的各种动力和非线性的问题，是机械零件设计中最佳的设计软件。

利用Pro/E软件设计零件时，是在模拟真实机械环境条件下构建的模型，并施加了约束和荷载，以预算确定模型中所存在的应力、应变以及移位等相关参数，有利于对机械结构进行静态与动态分析。以法兰盘的设计为例，利用CAD 通过Pro/E软件新建一个法兰盘的设计文件，然后根据法兰盘中的旋转和孔、阵列、筋以及倒角等特点，完成三维造型的设计，最后将设计存入存储盘中。其中，在进行结构分析时，可以采用对称简化模型方式中的拉伸特征截取一半的法兰盘进行实体化分析。同时，通过Pro/E软件应用程序中的mechanical约束法兰盘的表面、截面及螺栓孔。当螺栓孔受到外力时，就可以对法兰盘的应力、移位和应变进行分析。在CAD彩色直观分析图中，通过对法兰盘图中各种数据色条的分析，还能够获知法兰盘各零件部位的应力和应变分布情况。

三、基于CAD的机械零件运动仿真分析

通过利用CAD技术中的Pro/E软件，可对真实机械环境进行系统模拟，可以根据零件的动力学特征来验证机械零件设计方案与特性参数的合理性，可以检验运动构建是否被干涩。一旦出现不合理状况就要对设计进行改善和完善。如，对齿轮副进行运动仿真分析时，在利用Pro/E软件进行三维造型设计后，可以通过装配齿轮副构建运动连接，并在驱动中设置速度。同时还可以在设定齿轮副运动分析条件（设定好动态和结束时间，以及贴频）后运行齿轮，选取其中一点进行动态作用力和速度等参数的测量，并获取曲线数据图形。然后与设计要求进行对比，以完善机械零件的设计。

四、结论

随着我国科学技术水平的不断发展，网络技术、信息技术及多媒体技术与CAD技术不断融合，大大提高了机械零件设计的智能化水平，同时也提高了企业机械零件设计的效率和质量，减少了设计周期，促进了机械零件设计标准化的进一步发展。CAD技术的融入真正实现了机械零件设计的高效率、智能化，必将成为机械设计发展的主流方向。