搜索自行車行業(yè)的主流新標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計分析
2013-05-01 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-www.br5w05v.cn 來源:仿真在線
——基于SolidWorks及COSMOS的應(yīng)用
實威軟件科技工程部主管 韓勇
2007年,中國創(chuàng)新自行車及零配件選拔展示會于中國臺灣舉行。展會期間許多優(yōu)秀的設(shè)計作品在評選過程當(dāng)中獲獎,其評選范圍涵蓋整車類、車架類、變速系統(tǒng)、車輪等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件。在此次的評比活動中,共選出12大類36件獲獎作品,其中永褀車業(yè)巨大機(jī)械、愛地雅工業(yè)、卜威工業(yè)、野寶科技、桂盟企業(yè)等一批優(yōu)秀企業(yè)榜上有名。
自1791年法國人西弗拉克發(fā)明了最原始的自行車以來,時至今日自行車已經(jīng)走過了二百多年的歷史,期間經(jīng)歷了從簡單代步工具到一種時尚運動工具的變革。當(dāng)然,對于自行車的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化,從只有兩個車輪開始,到現(xiàn)在的具備多種休閑運動功能于一體的時尚運動工具,自行車的設(shè)計者們也在不斷推陳出新,賦予其更多的時尚元素。
專業(yè)設(shè)計工具
如何將一種傳統(tǒng)的代步工具賦予更多的新元素,使其外觀更時尚、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、騎乘更舒服,這就需要自行車設(shè)計師們不斷注入新的理念。工欲善其事,必先利其器,有好的設(shè)計理念及思想,還需要良好的傳達(dá)工具來表現(xiàn)。而SolidWorks作為一款出色的三維設(shè)計軟件正在被自行車設(shè)計行業(yè)所認(rèn)同,正越來越多地被應(yīng)用到新產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)過程中,其設(shè)計流程如圖1所示。
我們可從圖1中比較清楚地看到一款自行車的設(shè)計流程大體經(jīng)過這幾個階段。由此可見,在整個的開發(fā)過程中,CAD的設(shè)計數(shù)據(jù)及設(shè)計驗證部分就顯得十分關(guān)鍵,這直接關(guān)系到一款產(chǎn)品設(shè)計的成功與否。SolidWorks作為視窗環(huán)境下發(fā)展而來的3D實體模型設(shè)計系統(tǒng),采用參變數(shù)相結(jié)合的設(shè)計方式,并以特征化的思想來進(jìn)行實體模型的設(shè)計,結(jié)合至上而下、至下而上的靈活裝配體設(shè)計思路,使設(shè)計者可以更加得心應(yīng)手地將自己的設(shè)計意圖體現(xiàn)在實際的設(shè)計模型數(shù)據(jù)上。
通常來講,一輛自行車的設(shè)計打樣周期在30-45天左右,因此分到設(shè)計階段的具體時間就會更加地緊張,這個過程當(dāng)中就需要設(shè)計工程師們有良好的概念元素,并擁有得心應(yīng)手的輔助工具來加快設(shè)計速度、提高設(shè)計效率。SolidWorks作為一款在自行車設(shè)計行業(yè)非常高效的設(shè)計工具,正在被越來越多的企業(yè)投入使用。
首先在自行車的概念設(shè)計階段,我們往往會拿到所要求的設(shè)計圖樣或需求概念,之后在此基礎(chǔ)上展開設(shè)計工作的第一個階段。從ID設(shè)計工程師將設(shè)計概念傳遞到結(jié)構(gòu)工程師手上時,我們的結(jié)構(gòu)工程師們便可以方便地通過ID工程師的手繪或圖片數(shù)據(jù)來提取結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的相應(yīng)線條元素。在此部分SolidWorks提供有一個快捷的“自動跟蹤器”插件工具,提供多種跟蹤過濾選擇工具,并通過調(diào)整圖像的對比度、識別公差等來自動地跟蹤圖稿中的線條元素,以方便地將其調(diào)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中應(yīng)用,如圖2所示。
當(dāng)我們從第一步當(dāng)中提取了所要的數(shù)據(jù)之后,就可以將其直接應(yīng)用到三維實體模型的構(gòu)建當(dāng)中。以車架為例,我們提取的線段主要是整體車架的結(jié)構(gòu)部分,之后便可以通過兩種思路模式來進(jìn)行車架體的構(gòu)建。
首先我們可以利用常用的路徑掃描方式來實現(xiàn),即利用現(xiàn)有骨架線條作為路徑線段,根據(jù)設(shè)計概念的要求,選擇適合的截面進(jìn)行掃描,得出車架體的架構(gòu),如圖3所示;并且以參數(shù)化的方式進(jìn)行截面及路徑參變數(shù)設(shè)計,方便后期對設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,如圖4所示。
其次我們可以通過SolidWorks所提供的焊接工具更加方便快捷地實現(xiàn)車架體的構(gòu)建,并且利用其多種修剪工具來進(jìn)行相交處的交接形狀修剪,以求快速高效地進(jìn)行設(shè)計操作;并且通過此種方式完成的架體結(jié)構(gòu),可以更好地進(jìn)行設(shè)計變更或設(shè)計數(shù)據(jù)的再利用。我們可以方便地通過其所自定義的截面圖庫來進(jìn)行同種車型的多種配置設(shè)計,以達(dá)到不同的設(shè)計效果。從車架圖到工程圖中進(jìn)行整理時,亦可以通過其所提供的焊件切割單元整理工具來方便地生成每個結(jié)構(gòu)單元的詳細(xì)信息,并以表格的方式列出來,如圖5所示。
設(shè)計驗證工具
車架作為自行車的最關(guān)鍵部件之一,對于自行車的整體造型起著決定性的作用,同時車架的強度與穩(wěn)定性的好壞也直接決定了整輛自行車的質(zhì)量好壞,因此如何將車架設(shè)計成既可以滿足創(chuàng)意十足的動感個性化需求,又可以保證其良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、騎坐舒服性,就成了擺在設(shè)計師們面前的一道難題。
COSMOS作為SolidWorks公司的搭配分析產(chǎn)品線,可以與SolidWorks產(chǎn)品作無縫的整合,用戶可以直接通過他們的 SolidWorks 界面執(zhí)行設(shè)計分析、仿真和優(yōu)化,讓設(shè)計人員專注于產(chǎn)品創(chuàng)新,而不是學(xué)習(xí)模擬和分析工具。COSMOS提供了簡單準(zhǔn)確的設(shè)計分析,它通過為設(shè)計人員提供捕捉錯誤的安全網(wǎng),使設(shè)計人員能夠放手創(chuàng)新,確保不會將嚴(yán)重錯誤傳到下一環(huán)節(jié)。在專業(yè)版中,COSMOS可以幫助那些熟悉設(shè)計驗證概念的工程師對零件和裝配體進(jìn)行虛擬測試和分析。如果工程師們需要使用更具體的設(shè)計分析功能,則可以使用 COSMOSWorks advanced Profes sional對任何零件或裝配體在任何載荷條件下的物理特性進(jìn)行預(yù)測。
對于任何一款看似結(jié)構(gòu)簡單的車架來講,如圖6所示,其在成型之前需要根據(jù)不同的設(shè)計要求,及相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行嚴(yán)格的測試,如GB標(biāo)準(zhǔn)、DIN標(biāo)準(zhǔn)、JIS標(biāo)準(zhǔn)等等。每一項標(biāo)準(zhǔn)都對各個部分做了嚴(yán)格的要求,以保證可以更好的滿足整體性能的要求。
如圖7所示,我們都知道車前輪的部分經(jīng)常會出現(xiàn)與前端物件撞擊的現(xiàn)像,因此這個部分應(yīng)該是在設(shè)計車架時需要主要考慮的一個問題。為了保證我們所設(shè)計出來的車架體結(jié)構(gòu)可以滿足沖擊需求,所以利用COSMOS設(shè)計驗證工具來進(jìn)行一項沖擊的設(shè)計分析。在此分析的算例中,我們可以根據(jù)近于實際的狀況,將沖擊力的大小、相應(yīng)車架部分的約束條件設(shè)定完成,讓軟件在試樣之前就可以找出設(shè)計中的缺陷,避免問題的發(fā)生,從而更加優(yōu)化設(shè)計。
現(xiàn)今的自行車不僅僅是普通意義上的一種代步工具,而且成為了一種時尚的休閑運動工具,那么人們相應(yīng)的對于自行車的要求也在一步步的提高,不僅僅可以騎乘,而且可以滿足各種體育運動的要求,所以這無形當(dāng)中就對車體設(shè)計提出了更高的要求,就需要新車在出廠之前做更加嚴(yán)格的測試。這一部分我們可以通過COSMOS的運動仿真與應(yīng)力分析相結(jié)合的環(huán)境進(jìn)行一個車架的摔落模擬,模擬通過一定的高度和載何情況下摔落所產(chǎn)生的幾何體應(yīng)力、形變狀況,如圖8所示。
COSMOSMotion部分作為SolidWorks的運動仿真插件,可以真實地模擬車體的運動狀況,運動時整個結(jié)構(gòu)相互之間的約束條件、運動副、耦合形式等,并賦予相應(yīng)的運動條件。COSMOSMo tion 使工程師能夠設(shè)計聯(lián)動布局、模擬凸輪運動、了解齒輪傳動、調(diào)整彈簧/減震器的尺寸以及確定接觸零件的動作方式,通過仿真模擬可以節(jié)省大量測試樣品制作的時間及成本。
大家知道,每一項產(chǎn)品都會有它的設(shè)計壽命、疲勞狀況,同樣對于一款自行車來言,我們一樣需要得到類似的信息,所以在設(shè)計之初我們就需要通過設(shè)計工具來進(jìn)行驗證設(shè)計是否合理。比如這一款自行車,我們需要看一下它在顛簸狀態(tài)下可以運轉(zhuǎn)多久,那就需要通過在COSMOSM otion中設(shè)定它的運動狀態(tài),之后將其相應(yīng)的仿真結(jié)果輸入到COSMOSWorks里面進(jìn)行疲勞壽命的分析,通過在設(shè)計階段進(jìn)行驗證來消除可能出現(xiàn)的問題,如圖9所示。
一款車體的設(shè)計是一個比較復(fù)雜的過程,如何將復(fù)雜的設(shè)計簡單化,讓設(shè)計工程師們有更多的精力用于真正的設(shè)計過程中,而不是花費大量的時間進(jìn)行模型的構(gòu)建、思考設(shè)計是否合理、強度是否滿足要求等,所以可以通過SolidWorks設(shè)計軟件及COSMOS分析工具在自行車的設(shè)計階段就將不合理因素排除在外。希望可以通過SolidWorks及COSMOS的協(xié)助,提高產(chǎn)品設(shè)計效率、縮減設(shè)計周期、降低生產(chǎn)制造成本,使工程師的設(shè)計意圖得到更好的體現(xiàn)及驗證,給中國自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入更多新的活力元素。
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