一.三維設計工具應用現狀

　　根據國內相關研究報告，我國部分企業自90年代起，即已著手將二維設計工具升級為三維設計工具，并應用于產品設計過程中。若以此時間推算至今已有30年以上的應用歷史，然而從市場上的各大三維工具書籍來看，大多局限在三維建模，繪制工程圖的常規應用上，極少涉及基于MCAD工具的CAE場景應用的介紹。

　　通常評價一個制造型企業設計能力需涵蓋很多方面，國內也沒有一個標準的評價體系來進行判定。也許正因如此，企業才形成只注重設計模型及工程圖的數量而不注重對設計模型質量的考核。

　　我國制造型企業歷經多年的發展，已逐步達到按訂單生產產品的境況。然而深入了解后發現，對于成熟產品因已經過市場的多年驗證，所以模型及圖紙準確性較高，相關的形位公差或尺寸公差也已至臻完美。然而一旦涉及改型產品，則往往會在制造過程中產生較多爭議，甚至出現返工的現象。其常見情況為：

　　1.設計與制造有差異

　　三維模型符合理想情況，加工組裝時發現孔或軸出現不能匹配的情況。出現問題后進行現場調校，例如使用強力工具，將軸強行安裝至定位孔中。這樣的做法雖然滿足訂單交期，但對于產品質量是有一定影響的。

　　2.追求價格更高的CAE工具，忽略MCAD工具的深化應用

　　不少企業的信息化部門在收集研發需求時，常將采購更高端的CAE工具作為提升研發能力的舉措之一。在此本文并不否認高端CAE工具對于設計的正向輔助作用，但也需要指出的是：不是所有分析都需要借助高端CAE工具，像常規的結構力學（靜力學）分析，散熱分析，公差分析都可以通過MCAD自帶的分析工具實現。

二.Creo的深化應用

　　Creo作為常用機械設計工具，經過數十年的發展，已經形成包含結構設計，裝配，制圖，制造等模塊的大型機械設計軟件。在功能模塊與日增多的情況下，國內企業的工程師對于工具的應用并未有明顯深入。本文從簡單的應用案例入手，介紹通過應用Creo的Simulate模塊，快速提升設計效率及質量。

　　2.1 應力校核

　　使用Creo的建模模塊進行設計，幾乎是Creo的主流應用場景之一。但所設計的模型是否能滿足日常使用強度，則大多通過客訴來進行評價，這點常見于對機械結構強度有一定要求的企業（例如注塑、金屬加工等）。

　　以塑料玩具為例，通常以孔與支撐座配合，實現塑料玩具的組裝，并提供一定的結構強度。一般設計時，往往只考慮形狀，忽略了強度校核，這就導致產品上市后，玩具不經摔，不經用的情況。

　　模型提出

　　為簡化模型設計，最大程度展現MCAD工具的結構分析能力，提出模型如下：

圖1 基礎模型

　　

　　基礎信息定義

　　本文所描繪的結構分析場景著重于簡單而快速的定性分析，通過可視化的方式直觀的展現模型結構強度是否能滿足設計要求。所以只按最低要求進行參數定義，在此背景下，定義的參數有：

　　1.材料

　　要運行仿真研究，必須為模型中參與研究的部分分配具備有效材料屬性的材料。

　　可用于分配材料的工作流有以下兩種：

　　在Creo Parametric中，將材料分配給裝配、零件或主體，可在 Creo Ansys Simulation 中訪問和修改已分配的材料。同時在Creo Ansys Simulation中，將材料分配給用于特定仿真研究的裝配、零件或主體時，指定的材料信息將隨仿真研究一起保存。Creo對于不同的研究，支持用戶為同一元件分配不同的材料。

圖2 指定材料

　　

　　2.約束

　　為“結構”模型定義約束時，目的是固定模型幾何部分，以便模型不會發生移動，或只以預確定的方式移動。模型的約束及其載荷使Creo可以獲得現實情況以用作分析基礎。

　　約束“結構”模型時，在定義模型相對于坐標系能夠運動的范圍。因此，在添加約束時，要指定零件平移或旋轉運動。一般在以下場景中使用約束：

　　A.模擬真實安裝

　　例如，可以在螺栓孔處對徑向和軸向的方向進行約束，以允許繞該孔進行旋轉。

　　B.強制位移

　　例如，在接觸分析中，可以使一個零件移動指定距離，使其進入到另一個零件中。

　　C.其他場景

圖3 定義約束

　　

　　3.載荷

　　載荷工況是一組用于定義特定載荷條件的約束和載荷。可使用一個或多個載荷工況進行研究。針對每個載荷工況分別計算優化結果。但是，生成最終設計時會考慮與模型關聯的所有載荷工況。

　　可以為模型定義以下約束和載荷：

　　A.結構約束

　　a)固定約束

　　b)位移約束

　　c)平面約束

　　d)圓柱約束

　　B.結構載荷

　　a)力載荷

　　b)力矩載荷

　　c)壓力載荷

　　d)離心載荷

　　e)線性加速度載荷

　　約束和載荷顯示在創成式設計樹中的默認載荷工況節點下。除特殊情況外，載荷工況必須至少具有一個載荷和一個約束。

圖4 定義載荷

　　

　　執行分析

　　定義基礎信息是用以進行分析，所以在只需定性分析的背景下，分析只對模型的形變進行預估，并不要求結構分析與實際情況相一致。

　　圖5展示了分析后的結果，設計師可以據此來進行初步的結構力學分析。

圖5 簡單的結構力學分析結果

　　

　　有上文結合分析配圖可知：

　　1.在材料定義為ABS，模型形狀如上圖所示，在X軸方向上施加30N（約合3Kg）力的情況下，材料形變極小。

　　2.因施加的力方向為X軸向，所以關注模型在X軸向上的形變極值，根據分析，其極值約為2.02*10-6英寸。且形變位移最大點在模型上部。

　　3.通過圖5可知，圓柱體與底部相交處，為模型受壓以及受拉力量的最大處。以此分析結果提示設計師，模型最容易斷裂或發生疲勞的點在于圓柱體根部。

　　2.2 設計優化

　　根據上述定性的分析結果，如果設計師根據業務情況，要針對性的改善結構受力，則可按以下方式進行：

　　1.改變材料

　　不同材料具有不同的材料性能，通常來說金屬的屈服強度要大于塑料，所以如果將上述模型的材料從ABS改為FE60后，其受力情況也隨之變化。

圖6 FE60下的結構力學分析情況

　　

　　從上圖可知，當材料改為FE60后，位移有了明顯的減小。其X方向上最大位移從原2.02*10-6英寸改變為3.97*10-8英寸。從數值結果上來看，僅僅材料的變化，即將整體位移縮小近兩個數量級，可謂效果顯著。此結果提示設計師當后續設計較為精密的設備時，金屬的形變量通常小于工程塑料，若遇到適合的情況，可優先選用。

　　同時在載荷不變的情況下，比較兩種材料的受力情況可知，雖然X方向上的位移量有明顯改善，但是內應力卻有所增大：最大壓應力提升近2.93/2.67約等于1.1，即壓應力增大10%。最大拉應力減少近3.26/3.49約等于0.93，即拉應力減小7%。

　　2.設計加強筋

　　更改材料雖然能明顯減小形變，但并不是所有情況下都適合調整材料。通常設計師也會通過進行模型形狀的調整，來增強結構強度。例如以下改型設計：

圖7 增加加強筋

　　

　　在材料依舊選用ABS的情況下，其余受力情況不變，通過分析得知，模型受力情況如下：

圖8 含加強筋的受力分析

　　

　　由上圖可知：X方向上的最大位移從1.957*10-6變為1.354*10-6，最大位移減小30%。模型最大壓應力減少近20%，最大拉應力減小近30%。結構應力優化效果也較為明顯。

三.結論

　　Creo是時下常用的三維設計工具，在當前形勢下，不應簡單的將Creo作為建模及出圖的工具，雖然這部分的應用最為廣泛，但在國產三維工具奮起直追的情況下，Creo的建模及出圖優勢正在喪失。Creo作為中高端的三維設計工具，在國內的應用應體現其產品能力及價值，即需要我們國內企業深入挖掘并應用Creo的基本功能，并逐步引入至常規設計中，通過設計軟件的深入應用，來逐步提升企業的設計水準。

　　時下CAE工具開始日漸受到重視，但冷靜下來分析，真正復雜的多物理場、非線性分析場景畢竟占比不高，且此類分析往往需要非常深厚的理論功底。而我國設計人員從理解到掌握需要一定的時間和過程，僅僅為了僅有的幾個分析場景而采購高端CAE分析工具，其性價比并不高。反觀常規結構力學的分析場景則較為普遍。工程師借助基本的應力分析及結果對比，不難發現模型在不同形狀及材料下的應力變化，在快速定性分析的基礎上，工程師還可根據實際工況或使用場景，逐步優化產品設計模型，假以時日，不難設計出一款優秀的產品。

來源于：上海正雅信息科技有限公司   作者：崔罡 李懷金