基于SolidWorks软件的虚拟原型技术及其应用

机械工程中的虚拟原型技术，也称为机械系统动态仿真技术，是随着计算机技术在1980年代的发展而迅速发展的一种新技术. 它的核心是机械系统运动和动力学仿真技术，还包括3D CAD建模技术，有限元分析技术，优化技术和其他相关技术. 虚拟原型技术的使用可以大大简化机械产品的设计和开发过程，大大缩短产品开发周期，大大降低产品开发成本和成本，显着提高产品质量，提高产品系统性能，并获得最优化和创新设计产品.

1种虚拟原型分析技术

1.1虚拟原型技术的研究范围

虚拟原型技术的研究对象是机械系统. 机械系统可以看作是可以相互相对移动的多个相互连接的组件的组合.

虚拟原型技术的研究范围主要是. ①机械系统的静态分析，即在一定条件下，机械系统被视为刚性系统，系统中各组件之间没有相对运动. 这时，主要分析在各种力的作用下，各个部件的应力和强度； ②机械系统的运动学分析，主要是分析系统及其各组成部分的运动，与感应力无关. ③机械系统的动力学分析，主要是系统在外力作用下各个部件之间的运动关系是运动分析和动力学分析的混合形式.

1.2虚拟原型技术的相关技术

一个优秀的虚拟原型设计系统的主要技术组成如图1所示. 从图1可以看出，虚拟原型技术的相关技术主要包括6个方面. i. 计算机辅助设计（（CAD）技术. 它用于机械系统的几何建模，或显示机械系统的仿真分析结果. ②有限元分析（FEA）技术. 机械系统的运动学和动力学结果可用于确定有限元分析所需的外力和边界条件；或使用有限元分析进一步分析构件的应力，应变和强度；③驱动构件的建模技术；虚拟原型技术还必须提供驱动构件，并进行仿真④模拟反向技术，使用实物进行测量，然后通过反向工程指导，快速建立机械系统模型. ⑤控制系统分析技术. 虚拟原型技术还可以使用控制理论在机械系统上执行运动仿真. 或者，借助其他控制系统分析软件，对机械和控制系统进行联合仿真分析. ⑥优化技术. 虚拟样机技术用于优化机械系统的设计和分析，确定最佳的设计结构和参数，使机械系统获得最佳的综合性能.

2SOLIDWORKS虚拟原型技术软件集成

CAD实体建模只是整个设计过程的一部分. SolidWorks主要用于完成零件设计，装配设计并自动生成工程图. 通过SolidWorks完成了基于3D特征元素的建模和特征元素的数据修改，并且2D和3D数据都相关. 修改任何零件的2D尺寸将导致其3D零件图和装配图自动进行修改. 即使与它们紧密相关的相关零件的尺寸也将更改. 否则，修改三维尺寸将具有相同的结果. 以这种方式，可以实现完全动态的参数设计. 此外，SolidWorks中还有一个特征管理器，您可以通过它随时随地修改特征元素的几何尺寸，而不必考虑每个几何特征的关系和顺序solidwork 零件虚拟，从而极大地方便了设计人员并提高了设计效率.

固体. 使用SmartTeam技术在建模过程中以及通过API访问技术和FEA软件（模拟/作品），动态装配软件（IPA），高级渲染软件（照片/作品），运动分析软件（模拟/运动）与CNC处理软件Camworks和其他子系统连接. 其中，IPA可以直观地显示大型装配体并操作各种组件，从而使设计人员可以在产品的设计阶段真正看到产品的实际形状并以交互方式设计产品. 仿真/工程将对设计进行动态分析和强制检查. 它与SolidWorks共享一个. 将载荷分配给模型后，设计将自动更新. Photoworks可以快速制作高级渲染，包括丰富的材质和纹理. 用户可以定义光源，反射率，透明度和背景场景. IPA与Simulationlmotion的结合可以进行完整的装配设计，并且可以实现三维模型运动分析和产品功能仿真. 整个软件系统集成的结构如图2所示.

3. SolidWorks虚拟原型设计方法

根据SolidWorks提供的功能特性，您可以采用图的步骤和方法来设计和分析虚拟原型.

以上所有设计步骤都可以在SolidWorks软件界面中完成. 此外，如有必要，基于SolidWorks的虚拟原型模型还可以与其他控制仿真软件（例如Matlab）连接，以进行机械系统和控制系统的联合仿真.

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4个虚拟原型设计实例分析

4.1建立虚拟原型模型

要模拟机械系统，我们必须首先建立机械系统SolidWorks的装配模型，并建立用于建立机械三维装配模型的软件. 有两种方法: “首先是创建零件，然后使用匹配技术组装每个零件. 创建一个装配，即自下而上的装配建模技术；另一种方法是直接在装配中建立每个零件根据零件特征和尺寸关联建立模型，即自上而下的建模技术[在此使用前一种方法使用SolidWorks提供的Smartmate技术来快速构建系统的装配模型.

图4是曲柄滑块机构的组装模型的示例. 该模型包括曲柄，机械臂，连杆和滑环. 这是一种运动转换机制. 曲柄的旋转运动通过万向节通过连杆1传递到机械臂. 机械臂带动连杆2移动，而连杆2带动滑环在滑动轴上移动. 即，该机构将曲柄的旋转运动转换成在曲柄的旋转轴上的线性往复运动.

4.2虚拟原型运动仿真

构建3D模型后，直接在装配模块下进入仿真环境. 在执行模拟之前，您应该首先设置与模拟相关的基本参数，例如力单位，时间单位，重力加速度以及与相关的帧时间间隔和帧数. 使用SOLIDWORKS插件Simulationmion的智能运动来固定曲柄基座和机器人手臂基座. Simulationmion可以自动识别SOLIDWORKS装配零件之间的约束对. 在这种情况下，会遇到旋转对，活动对和万向节. 然后设置曲柄围绕曲柄副运动的初始状态. 完成上述设置后，可以单击“模拟”按钮进行模拟，系统还可以记录并生成文件，以方便进行比较分析. 在仿真过程中，可以测量任何构件和任何点的速度和加速度，并可以在约束之间计算支撑力. 第5页上的图5和图6分别显示了滑环仿真过程中运动的速度和加速度.

4.3动态干扰检查和模型改进

运动模拟的重要内容是检查零件之间的干涉. 该示例中的干涉检查结果发现，通用饺子附近的机器人手臂边缘与通用铰链之间存在干涉，如第5页上的图7所示.

通过运动仿真发现零件有干扰后，可以在装配环境中直接修改受干扰的零件，并将装配其余部分的修改直接反映在零件模型上以实现动态交互式更新模型. 经过分析后，干涉是由机械臂的边缘引起的，因此将边缘弄圆，请参见图8. 在改进了干涉零件之后，继续进行仿真solidwork 零件虚拟，直到没有干涉发生为止. 修改模型后，仿真干扰现象再次消失.

4.4其他模拟分析

SolidWorks具有许多其他仿真功能. 例如，可以将运动模拟的绑定力直接用于零件的有限元模型中，并使用Simulation / works插件检查零件的强度. 此外，零件还可以与控制系统进行仿真，渲染甚至协同仿真.

5结论

从以上分析和设计示例中可以看出，SolidWorks软件是功能强大的虚拟原型设计和仿真平台，具有便利，易用，直观简单和功能丰富的优点. 使用这项技术可以快速发现机械系统设计中的缺陷，并可以直接更改模型，从而大大减少了设计错误并缩短了新产品的开发周期.

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