國際上主流的設計軟件Solidworks，除自身提供了便捷的三維設計、裝配和工程圖等功能外，還集成了較多CAD／CAE／CAM應用方面的解決方案。這樣便于設計人員在SolidWorks統(tǒng)一的軟件界面下，完成整個產品的結構設計、性能分析和加工制造等產品設計驗證與制造的開發(fā)流程。

下面是SolidWorks COSMOS在汽車行業(yè)的一個分析案例。汽車空氣懸架系統(tǒng)采用空氣彈簧代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板彈簧，可以大幅度提高整車的舒適性、平穩(wěn)性和操縱性。筆者在對國內某款車型進行空氣懸架改裝時，應用SolidWorks軟件進行產品三維設計、裝配及干涉檢查，同時采用其集成的有限元分析軟件COSMOSWorks進行多個關鍵零件部件的結構分析與優(yōu)化，有效保證了產品質量，整個設計周期縮短了30%；最終實現(xiàn)裝車一次成功。面向設計的優(yōu)化流程本文以空氣彈簧某支架的優(yōu)化設計為例，介紹其在SolidWorks中的優(yōu)化過程。

1．設計要求

(1)在滿足空氣彈簧工作空間要求的同時，不得與周邊物體有裝配干涉和運動干涉；

(2)結構的靜強度滿足氣囊最大承載能力的要求。 對于要求(1)，可以利用SolidWorks的三維造型和裝配體的干涉檢查等功能完成。如果結構復雜，且運動狀態(tài)不易判斷，還可以借助SolidWorks的物質動力功能或者集成的運動仿真軟件 CMOSMotion來完成，這里不做介紹。

2．分析過程

首先利用SolidWorks的三維造型功能，確定空氣彈簧支架的基本結構，如圖1所示。該支架的材料為Q345B，厚度均為6mm，零件質量為3.56Kg；然后利用COSMOSWorks進行靜強度的分析，對設計進行驗證。由于任何分析軟件都無法做到真實工況的仿真模擬計算，所以在建立研究課題前，我們會找出影響該部件的主要約束條件及載荷。COSMOSWorks在分析前處理階段所提供的參數(shù)設定非常豐富，基本滿足大多數(shù)的案例分析：同時在模型網

格劃分即離散化處理方面更加智能，無須手工調整網格，并且具有快速的結算能力

在空氣彈簧最大工作載荷作用下，支架的最大應力為559MPa (見圖2) ，最大位移為3．6mm(見圖3)。而材料Q345B的許用應力要求不得超過280MPa，焊縫區(qū)域小于230mm。因此，基本結構的應力計算值已是材料許用應力的2倍，必須對結構進行強度優(yōu)化。根據(jù)設計經驗，我們首先將板材厚度由6mm增加到8mm(板材10mm厚已沒有布置空間，不再考慮），重新計算，兩者之間基本結構強度的分析對比見表1。當板材厚度增加到8mm厚時，其計算結果分別如圖4、圖5所示

可以看到，其強度仍然不合格，則需對結構進行空間的拓樸優(yōu)化。根據(jù)設計經驗，首先要抑制結構的變形，由于其上部蓋板為直接承載部位，變形較大，需要增加結構抑制其變形。因此分別對板厚6m m、8m m的化結構進行強度計算。兩者的應力計算分析結果如圖6、圖7所示，其中這兩種結構的計算結果對比如表2所示。

在拓樸優(yōu)化多種方案的對比中，我們發(fā)現(xiàn)8m m板材的結構盡管強度合格，且應力分布較為均勻，其最大計算應力為212MPa，說明材料強度較為寬裕；而6mm板材的結構雖然強度不合格，其最大計算應力為374MPa，但是該點屬于應力集中點。根據(jù)彈性力學論，在尖角處應力無窮大，所以此處應力計算值發(fā)散、不真實。并且，應力云圖中很少有高應力區(qū)域，說明該結構可以進一步優(yōu)化。我們最后確定結構方案是板厚為6mm，其計算結果分別見圖8、圖9，主要計算數(shù)據(jù)如表3所示。

結論

該結構的空間安裝示意圖如圖10所示，該結構的特點是變形較小，質量較輕，應力分布較為均勻，說明材料強度的利用較為充分、合理。在這個分析項目中，我們通過計算選擇出了一個較好的設計方案，既減少了材料用量，又滿足了強度要求，這在整車設計中非常重要，因為整車裝備重量的降低意味著鋼材料的成本節(jié)約，同時又提升了整車的動力性能，減少能耗。在目前原材料價格上漲及能源緊張的市場條件下，可以最大化地節(jié)約制造與使用成本。另外，上述結構的分析對比，筆者是在半天時間內完成的?？梢哉f如果沒有SolidWorks軟件強大的造型功能和COSHOSWorks快速的工程仿真分析特點，以及二者完美的集成，筆者是很難在這么短的時間內完成這些設計任務。目前，COSMOSWorks除了可以解決靜強度分析外，還具有振型和頻率分析、溫度場分析、大變形非線性分析和疲勞分析等功能，在產品設計中均具有廣泛的應用。

（轉載）