基于的轮胎定型硫化机最优化设计

虚拟样机技术是建造物理样机前对设计对象在计算机上建立的虚拟模型机，利用其完成设计对象功能的可行性及其工作性能的分析，更好地理解系统的运动特性、动力特性，比较设计方案，优化设计，提高产品质量和机械设计效率等。仿真模型的建立和模拟现实条件是虚拟样机的重要基础。本文以轮胎定型硫化机(简称硫化机)的设计为例，运用SolidWorks对其进行建模，最后以一定的装配关系和约束条件来完成对硫化机的几何建模，并利用Solidworks Cosmotion对其工作机构进行运动仿真；应用“质量特性?”功能，完成整机重心的分析和配重的设计、建模，以此来介绍用SolidWorks 进行大型产品设计的方法和思路。 1 轮胎定型硫化机硫化机主要有底座、主传动机构，装胎机构，中心机构，卸胎机构等部件组成。它的工作机构为曲柄滑块，由曲柄齿轮驱动，来实现开模，合模及加压硫化。该产品的设计难点在于：工作轨迹的设计和自锁的分析。用传统的二维CAD 设计，其工作机构部分的设计很困难，工作机构运动过程中是否发生碰撞干涉，如何在运动中避免自锁。这些问题用二维CAD 解决起来很困难，依靠做出大量的运动轨迹线，费时费力。而用SolidWorks 对侧装机进行几何建模的话，以上问题就迎刃而解了，大大缩短了设计周期，提高了设计的可靠性。 2 硫化机几何模型的建立 2.1 产品结构的划分硫化机为大型装配体，在建立几何模型之前，利用硫化机各结构的功能和特点进行进行合理的划分，把它分成若干子装配体和零件；这些子装配体根据其结构特点还可以划分成若干更低一级的子装配体和零件；如此下去，直至把所有子装配体拆成零件。这样，产品、部件和零件组成了一个树状结构。利用这种结构形式，可以实现多个设计人员的协同设计，有助于提高产品开发效率，并降低生产的复杂性。 2.2 零件建模根据各零件特征，在经过一系列特征构建，利用尺寸、几何关系、参数驱动、方程式等在特征之间建立关联关系，最终完成所有硫化机零件的造型，并且赋予各零件的材料属性。 2.3 装配件的设计零件装配形成装配体的过程，其实就是一个SolidWorks 指定零件间约束关系的过程，通过指定零件间的约束，确定零件的装配位置关系。从最低一级子装配体开始，逐渐向上级进行，直至完成总装配体的装配，此方法为“至下而上”设计。同时，灵活利用“至上而下”的设计方法，进行焊接件的设计。 图1 硫化机主机 3 工作机构的干涉检查几何建模建立好以后，通过“移动零部件”功能，用鼠标分别拖拽各运动件，同时选择“碰撞检查”的“碰撞时停止”复选框，检查运动过程中有无发生碰撞和干涉，这样就可以动态的模拟出硫化机开合模时，横梁以及硫化室在空间的不同位置和姿态。同时通过旋转视图，对各个状态进行多方位、多角度的观察。通过虚拟样机，直观地评价产品设计方案。并利用SolidWorks 参数化设计及数据的相关联性，对相应的零部件进行调整和优化，使性能达到最佳。 4 硫化机主传动运动仿真运动仿真是在成功建立了其装配模型的基础上，通过定义静止部件、运动部件，并为在各起始运动件上定义驱动转矩、选择连接轴和运动方向、设定运动初始条件或参数等一系列操作来实现。打开设计树右侧的齿轮标文件夹即为运动分析模块(Cosmos Motion )，它内置于SW，使用ADAMS/SOLVER求解器，能对机构进行静力学和运动学分析，包括运动极限位置分析、千涉分析、轨迹跟踪、测量、图表、动画生成，以及为ADAMS及其它大型分析软件输出三维设计文件等。装配体直接应用于分析模块，分析模块会根据零件间的装配关系而赋予零件间以恰当的运动副，表征运动关系。 图2 硫化机主机机构原理图 图3 硫化机开模过程图 5 有限元技术与优化设计随着轮胎向着高速化、扁平化和子午化的方向发展，对其工作性能的要求越来越高，不仅要求硫化机具有良好的机械性能，而且要具有较好的经济性。为了保证这些零、部件工作时的相对位置和相对运动具有足够的精确度，必须保证其具有良好的强度和刚度。因此，合理的强度刚度分析方法对整机精度、性能和造价有着极其重要的影响。然而，由于硫化机部分零件、组件结构复杂，在设计中受到许多工程条件的限制，传统设计中的类比设计方法显然难以适应新的设计要求。为了提高质量，降低生产成本，进而提高产品竞争力，有限元法和优化技术提供了新的解决思路和方法。 图4 横梁优化结果在整机的建模全部完成后，就可以通过photoworks 模块，对其进行美工渲染工作；通过Animator 模块对工作机构的运动过程进行动画设计，输出AVI 格式的视频文件。以此用来前期的广告宣传，或销售人员对客户进行演示，以更早的赢得市场。 6 结语 SolidWorks 软件为轮胎定型硫化机等大型复杂产品的设计带来了极大的方便，缩短了产品的设计、开发周期，降低开发成本。同时，SolidWorks 将三维图自动转化成二维图的功能，为快速进入生产阶段提供了可靠的保证。运用软件进行实体建模和运动学仿真，能够使设计人员直观看到机构的运动过程，及时发现和改正设计中的干涉等问题，交互地进行结构参数的调整和改进。实践表明SolidWorks软件的虚拟设计和动态仿真技术在虚拟样机设计中具有良好的应用前景。

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