產(chǎn)品結構設計思路精選(九篇)

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第1篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

正確的產(chǎn)品結構設計理念將會加快設計開發(fā)的進度，讓設計人員有一個清晰的思路和對設計實現(xiàn)方式的準確判斷，避免后續(xù)設計的人為低級的錯誤，也是成為一個優(yōu)秀結構工程師的關鍵。以下的設計理念供大家參考和共享，每個人都需要總結自己的設計經(jīng)驗，并形成自己獨有的設計風格。

1.1 從頂端到底端的設計理念（TOP===>DOWN）

以往的設計往往從零部件開始，再把零部件組裝起來，這樣一旦產(chǎn)品出現(xiàn)方案性的錯誤，將引起整個設計較大的調整和修改。TOP=>DOWN的設計理念是根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，從產(chǎn)品的堆疊、布局和組裝關系開始設計，再逐步細化到組裝方式的實現(xiàn)和零部件的細節(jié)設計，并通過適當微調布局和組裝關系，以適應細節(jié)設計和產(chǎn)品功能的要求。這種從整體到局部，從頂端到底端的設計方法需要設計者對產(chǎn)品具有全局性的考慮。

1.2 DFMA的設計理念

所謂DFMA，是“Design for Manufacture and Assembly”的縮寫，也就是說產(chǎn)品的結構設計要能滿足易于制造和方便組裝的要求，滿足產(chǎn)品制造的工藝性要求。我們知道現(xiàn)在的生產(chǎn)制造都是快速的規(guī)?；凸I(yè)化的大批量生產(chǎn)，易于制造和組裝的設計才能大大降低成本，迅速占領市場，這也是設計者需要與產(chǎn)品工藝工程師持續(xù)溝通的關鍵。但是這種設計理念是不能以犧牲產(chǎn)品的功能性和可靠性為前提的。

1.3 并行和協(xié)同開發(fā)的設計理念

產(chǎn)品結構設計的工作涉及面廣，任何人不可能精通整個設計中的所有事項，因此需要在設計中不斷與市場工程師、硬件工程師、ID工程師、模具工程師、LAYOUT工程師和生產(chǎn)工藝工程師溝通交流，聽取他們的建設性的建議，不斷優(yōu)化和改善設計。不要等到設計完了，才發(fā)現(xiàn)與客戶要求不符，有電磁屏蔽和散熱問題，模具上做不了，與電子元器件有干涉，無法生產(chǎn)制造和組裝等等問題，導致設計的推倒重來，浪費大量的人力物力而沒有達到設計的效果。并行和協(xié)同設計就是通過不同部門間的互動交流，結構設計和問題解決同步進行，避免出現(xiàn)無休止的發(fā)現(xiàn)問題并修改設計的死循環(huán)當中，達到“設計完，問題畢”的設計效果。

1.4 綠色環(huán)保的生態(tài)設計理念

綠色環(huán)保的設計理念在結構設計上主要體現(xiàn)在環(huán)保材料的適用，ID外觀造型選擇的簡化，少零件和少后處理工序的設計，減少壁厚和節(jié)約材料的設計，可拆卸、少熱熔和少超聲的組裝方式設計等等。這種生態(tài)設計的理念能夠確保產(chǎn)品的可拆卸，可回收，可維護和可重復利用。

1.5 模塊化的產(chǎn)品設計理念

所謂產(chǎn)品設計的模塊化是根據(jù)產(chǎn)品的功能和實現(xiàn)要求，把整個產(chǎn)品分成多個獨立但又相互關聯(lián)的單元模塊，完成各個單元模塊的設計后，通過相互的關聯(lián)組裝，從而完成整個設計。這種設計方法可以把一個非常復雜的設計問題簡單化，并且設計好的各個獨立的模塊還可以應用在其他項目的產(chǎn)品設計中。目前我們公司的產(chǎn)品多為上下蓋的扣合方式實現(xiàn)，相對簡單，應用到模塊化的設計不多，其中PLC產(chǎn)品的活動插頭是一個很好的例子，但費用比較高。

1.6 安全、可靠，滿足產(chǎn)品功能性和人機工程學的設計理念

第2篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

關鍵詞：面向裝配的設計；簡化設計；虛擬裝配；模塊化設計

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0094-02

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的高度集成化和小型化，以及用戶對設備的可靠性、環(huán)境適應性等提出的越來越嚴格的要求，使得電子設備結構復雜程度不斷提高，也使產(chǎn)品的裝配面臨越來越多的困難，導致出現(xiàn)裝配質量下降、裝配效率降低等一系列問題。在這一環(huán)境下，引入面向裝配的設計（DFA）這一產(chǎn)品開發(fā)模式，在電子設備結構設計階段即充分考慮產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)以及各種相關因素的影響，采用簡化產(chǎn)品設計、減少零件數(shù)量、使用標準件、零件裝配模塊化和減少裝配過程中的調節(jié)、裝配防錯等方法，并利用分析、評價、規(guī)劃、仿真等各種技術手段，不斷地完善設計和改進裝配性能，確保裝配工序簡單、效率高、質量高、不良率低和成本低[1]。

1 基于SolidWorks的DFA應用方法

將SolidWorks功能和DFA方法相結合，在SolidWorks的環(huán)境下，主要可以進行以下三方面的應用方法研究。

1.1 簡化設計

簡化設計就是在設計中遵循KISS原則。簡化設計過程往往是對已有的產(chǎn)品結構進行提煉和優(yōu)化的過程，可以充分利用CAD的數(shù)據(jù)存儲和規(guī)劃優(yōu)勢，建立各種庫文件，選擇和調用成熟設計和模塊，構建具有較高裝配性能的產(chǎn)品。

1.2 標準化模塊化設計

在電子設備結構設計過程中，運用標準化和模塊化的設計方法，能大幅提高裝配質量的可靠性，使裝配問題能更早、更容易被發(fā)現(xiàn)，從而提高產(chǎn)品裝配效率和裝配質量。

1.3 虛擬裝配

以產(chǎn)品設計為中心的虛擬裝配，是在虛擬環(huán)境下對CAD模型進行裝配性能分析的一項計算機輔助設計技術?；贒FA虛擬裝配的基本任務是尋求產(chǎn)品裝配結構的最優(yōu)解，即通過CAD模擬產(chǎn)品裝配、進行定量或定性分析，找出結構設計中裝配性差的結構特征，進行設計修改和完善的過程。

使用SolidWorks 等CAD軟件，可對產(chǎn)品的三維模型進行虛擬裝配，并利用CAD提供的分析模塊，進行包括靜態(tài)干涉、運動干涉分析以及裝配公差分析等裝配性能分析、判斷和改進。

2 DFA應用步驟

產(chǎn)品概念設計階段的主要任務是根據(jù)用戶要求、設計輸入定義產(chǎn)品的架構，并將產(chǎn)品進行模塊劃分；在此基礎上，建立產(chǎn)品裝配模型，將各類庫文件引入建模過程中，貫徹標準化、模塊化設計理念；完成裝配模型建立之后，開始虛擬裝配，即對模型進行裝配性能分析，運用 DFA簡化設計等方法對裝配體及零部組件進行簡化、合并等設計改進，并且進行裝配相關檢查，直到得到優(yōu)化模型。

根據(jù)DFA的應用方法，制定出在SolidWorks環(huán)境下產(chǎn)品設計的流程，見圖1所示。

3 DFA裝配建模

主要需要建立兩類模型，一類是建立一系列庫模型，一類是對產(chǎn)品本身結構的建模，而前者是后者的基礎。在對產(chǎn)品建模的過程中貫徹標準化模塊化思想，為產(chǎn)品的簡化設計提供良好的土壤。

3.1 產(chǎn)品裝配建模

CAD裝配建模有自下而上和自頂向下兩種方法。自下而上設計法即首先完成零件設計建模，然后在裝配文件中逐一插入零部件，組合成裝配體模型，零部件之間無關聯(lián)；自頂向下法為在裝配文件中直接建立零部件模型，零部件之間往往存在幾何關聯(lián)以及配合限制。

綜合兩種設計方法的優(yōu)勢，在方案設計階段，采用自頂向下的設計思路，首先規(guī)劃產(chǎn)品裝配體的框架，劃分模塊類型，在此基礎上，將產(chǎn)品主體零件在裝配圖中進行初步建模或者將通用模塊裝入裝配體中，使產(chǎn)品具備基本的模型架構，然后進入自下而上的模式，對構成裝配體的零件模型作細化處理以及建立相關的零件，將生產(chǎn)的零部件裝入裝配體中并進行配合限制，逐步裝配形成產(chǎn)品最終的裝配模型。

3.2 庫文件建模

庫文件泛指CAD軟件可調用的所有子組件和模塊，它是構建新研制產(chǎn)品的基礎，也是面向裝配的設計中標準化和模塊化設計原則實施的基礎。

庫文件建立的原則是：

（1）庫文件歸屬文件夾應層次分明，庫文件名應簡潔明確地表示出庫集合的特征，以方便選用；

（2）庫文件中固化的組件和模塊，如緊固件、外購件等，盡量以零件形式建模，以便存儲和調用；

（3）分析同一系列模塊的主要安裝尺寸，形成尺寸系列表，以方便建模和擴充；

（4）同一系列化零件的建模盡量采用一個模型、多個配置；

（5）模塊應盡量包含安裝基準、安裝尺寸等裝配信息，有助于選用和避免裝配加工錯誤。

根據(jù)庫文件存放的位置和模塊的類型可分為兩類庫，一是存放于計算機本地的本地資源庫；另一種需要通過網(wǎng)絡管理可上傳和下載的ODM電子倉庫。

3.2.1 本地資源庫

根據(jù)電子設備的特點，在CAD環(huán)境中主要建立緊固件庫（螺釘、螺母等）、電子器件庫（連接器、顯示屏、鍵盤、濾波器等）、機械成品庫（風機、減震器等）、材料庫（屏蔽材料、密封材料、鋁型材）以及通用件庫（機柜、機箱、控制臺、把手、導軌、走線架等）。建立各種庫后，將其存放地址添加到SolidWorks系統(tǒng)選項中的設計庫中，即可開始在CAD界面中直接調用設計庫文件。庫文件的設計、編輯、修改等較容易實現(xiàn)， 技術人員可以通過改變某些參數(shù)而不必改動元件設計的全過程來更新設計。

3.2.2 PDM電子倉庫

SolidWorks Workgroup PDM作SolidWorks的插件，主要用于工作組的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，可以將本地成熟產(chǎn)品的數(shù)據(jù)檢入到電子倉庫，同時也可以分享工作組內其他成員上傳到電子倉庫并共享的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)設計資源的充分利用，并且能確保設計版本和復雜的結構件掛接關系得到有效管理。

根據(jù)電子設備結構面向裝配的設計需要，以便于選擇和調用為建庫原則，電子倉庫可主要劃分為公用資料庫、設備資源庫和工藝資源庫等。將設計相關標準、規(guī)范、資料放入公用資料庫中；將工藝相關規(guī)程、工具資料等放入工藝資源庫；設備資源庫可以根據(jù)電子設備使用的工作環(huán)境，如地面、車載、艦載、星載、機載等進行分類，也可以按照結構形式、密封性、抗沖擊振動性和電磁兼容性等產(chǎn)品結構特點設置有利于搜索的關鍵詞。

4 裝配性能分析

4.1 直觀檢查

SolidWorks軟件界面中提供了裝配統(tǒng)計、對稱性檢查、質量特性以及間隙檢查等命令，可以很方便、直觀地對已建立的產(chǎn)品模型進行相關的統(tǒng)計和檢查，根據(jù)檢查結果對裝配體作進一步簡化、合并、調整等減少裝配錯誤、提高裝配效率的設計，直觀檢查一般包含以下幾項：

（1）考慮把相鄰、相似、對稱的零件合并成一個零件；（2）設計多功能零件，減少零件數(shù)量；（3）合并減少緊固件的種類、數(shù)量；（4）調整裝配體及主體零件重心，避免裝配時失穩(wěn)；（5）通過間隙檢查，避免零件過約束；（6）進行防錯設計，避免非對稱零部件具有一個以上的裝配位置。

4.2 干涉檢查

對產(chǎn)品裝配體的干涉檢查主要包括靜態(tài)干涉檢查和運動干涉檢查兩種方式。

SolidWorks命令項中的干涉檢查，能夠直觀、明確、定量地給出裝配體靜態(tài)情況下干涉的零件、部位和干涉幾何尺寸，有利于對干涉的零部件定位、定向進行設計修正。

對實現(xiàn)機械運動的產(chǎn)品，采用虛擬仿真工具SolidWorks Motion插件，對虛擬裝配體進行運動學和動力學狀態(tài)的仿真，模擬產(chǎn)品的不同運動狀態(tài)，檢驗產(chǎn)品的運動性能及設計計算結果的正確性，對運動部件進行運動干涉檢查，查看限位運動的干涉情況以及裝配情況和零部件模型的精確程度，有助于在設計中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結構空間布置的干涉和運動機構的碰撞等問題。

更好地完成干涉檢查的關鍵點是完善裝配體模型，盡量詳盡真實地建模，特別是應注重建立自制件以外的外購件、緊固件、附件等的真實幾何模型，往往一些看似微不足道的省略處會在實際裝配時出現(xiàn)干涉問題。

4.3 公差分析

SolidWorks有 DimXpert和TolAnalyst兩項與公差相關的插件。DimXpert可以直接在3D圖形中按照標準生成標注，還可以幫助用戶查找圖形是否缺少尺寸；TolAnalyst主要作用是解決公差設計的問題。

將公差分析的結果與裝配體的簡化設計原則相結合，簡化裝配關系、減少尺寸鏈數(shù)量、減小累積公差，才能夠降低尺寸公差等級，實現(xiàn)寬松且合理的公差設計，提高裝配質量和裝配效率。

4.4 動態(tài)裝配

SolidWorks的爆炸視圖和animator插件可提供靜態(tài)和動態(tài)裝配拆分效果圖，按需要對虛擬裝配體進行拆分、分組，通過爆炸路徑和鍵碼對動畫進行編輯，生成各虛擬裝配體各部分的動畫和圖樣文件?？梢杂糜陔娮釉O備結構設計方案評審中，提供直觀生動的產(chǎn)品效果；也可以直接應用于實際裝配生產(chǎn)，特別是對于復雜的產(chǎn)品的裝配具有指導作用。

5 結語

通過基于SolidWorks軟件及其插件對電子設備結構面向裝配的設計作了一些研究和嘗試，體會到無論對軟件強大功能的應用，還是對先進的產(chǎn)品設計模式的理解和運用，都需要更加深入地探索。新的設計方法和設計思路在不斷涌現(xiàn)，CAD軟件的功能也在與時俱進，設計師如何將兩者更好地結合進而提升設計水平，是結構設計人員面臨的一項艱巨任務。

參考文獻

[1]鐘元.面向制造和裝配的產(chǎn)品設計指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

第3篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

【關鍵詞】計算機輔助設計 Rhino（犀牛）軟件 產(chǎn)品 造型設計

1 Rhino（犀牛）軟件簡介

Rhino是由美國Robert McNeel公司于1998年推出的一款基于NURBS為主的三維建模軟件。Rhino是最先進的專業(yè)NURBS建模軟件之一，擁有簡潔的操作界面、強大的功能和較低的硬件配置要求。與其它高價的3D軟件相比，毫不遜色，它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模非常流暢。從設計稿、手繪到實際產(chǎn)品，或只是一個簡單的構思，Rhino所提供的曲面工具可以精確地制作所有用來作為渲染表現(xiàn)、動畫、工程圖、分析評估以及生產(chǎn)用的模型。

2 產(chǎn)品造型設計

2.1 產(chǎn)品造型設計概述

產(chǎn)品造型設計是工業(yè)設計師在遵循實用、經(jīng)濟、美觀、舒適安全、綠色、文化認同等美學原則的基礎上，按照產(chǎn)品定位的既定目標對產(chǎn)品的形態(tài)、結構、色彩、材料等方面進行全面設計的過程。它包括：產(chǎn)品造型方案設計、色彩與標識設計、產(chǎn)品結構設計、產(chǎn)品原型制作、產(chǎn)品人機分析、產(chǎn)品材料與工藝分析、產(chǎn)品價值工程分析等幾部分。

2.2 影響產(chǎn)品造型設計的主要因素

（1）品牌風格的延續(xù)。產(chǎn)品造型設計是實現(xiàn)企業(yè)形象統(tǒng)一識別目標的具體表現(xiàn)，以產(chǎn)品設計為核心展開的系統(tǒng)形象設計，塑造和傳播企業(yè)形象，創(chuàng)造個性品牌，贏利于激烈的市場競爭中。產(chǎn)品不僅能融合企業(yè)的文化理念，而且能夠將這種理念通過造型語義傳達給使用者。例如蘋果公司的產(chǎn)品造型設計堪稱精品設計，其成功因素之一就在于產(chǎn)品的造型設計延續(xù)了簡約、創(chuàng)新、科技的品牌理念，獲得了社會的認同。（2）產(chǎn)品結構設計的合理性。我們在設計中，尤其是做產(chǎn)品的外觀造型時，往往只做產(chǎn)品的外形而忽略內部結構，結果最后出來的造型變形不符合實際需求。這就與畫素描之前要了解人的骨骼結構是一樣的道理。一方面，結構影響著產(chǎn)品的使用功能，即使用的舒適性和可靠性；另一方面，在很大程度上影響著生產(chǎn)工藝性。結構設計不能理解為純工程問題而忽視內部結構在實現(xiàn)實用功能時的人性化訴求，導致設計產(chǎn)品在最終人機關系方面失衡。所以，產(chǎn)品內部結構設計的合理性及重要性在產(chǎn)品造型設計中的意義是不言而喻的。（3）設計美學法則的運用。形式美法則是人類在創(chuàng)造美的形式、美的過程中對美的形式規(guī)律的經(jīng)驗總結和抽象概括。主要包括：對稱均衡、單純齊一、調和對比、比例、節(jié)奏韻律和多樣統(tǒng)一。掌握形式美的法則，能夠使人們更自覺地運用形式美的法則表現(xiàn)美的內容，達到美的形式與美的內容高度統(tǒng)一。在工業(yè)產(chǎn)品造型設計中，要巧妙地運用這些美學法則創(chuàng)造合乎美學的實用的產(chǎn)品造型。（4）認知心理學維度。隨著生活水平和文化素質的提高，人們在購買產(chǎn)品時的心理欲求占據(jù)越來越重要的地位。消費者購買產(chǎn)品時往往受能否滿足他們的心理欲望所左右。因此，產(chǎn)品造型設計要不斷適應人們發(fā)展著的認知心理，產(chǎn)品造型的設計必須以符合消費者的需求和個性心理為目標來進行。（5）生產(chǎn)技術工藝。工藝性是指，能否用合理的成型方法生產(chǎn)制作所需的形狀、尺寸、精度，即工藝的合理性。造型設計不合理、不合乎生產(chǎn)工藝，就不便于或難以進行機械化生產(chǎn)，從而增加了工時消耗、材料消耗和制造成本，降低了生產(chǎn)效率。一般來說，對稱和簡單的幾何造型，易于加工成型，過于繁雜的造型不利于生產(chǎn)制造。

3 Rhino在產(chǎn)品造型設計中的運用

3.1 草圖的倒入

草圖的倒入功能使得設計人員能夠按照自己手繪的設計方案進行造型設計，提高了建模的速度和準確度。首先在二維軟件（Photoshop、Coreldraw或者Alias等）中進行草圖的繪制，也可以在圖紙上進行產(chǎn)品手繪，然后通過掃描儀掃描到計算機中。將掃描好的圖片導入犀牛軟件（如圖），將其作為造型參考進行三維建模。

3.2 Rhino在產(chǎn)品造型設計中常用的功能

（1）Rhino在曲面造型功能方面非常強大，產(chǎn)品外觀都是以面的形式呈現(xiàn)，準確快速的建立曲面是關鍵，犀牛具有單軌掃掠、雙軌掃掠、網(wǎng)格建面、放樣等十多種命令生成或編輯曲面。（2）修剪命令如刀一般分割曲面，去除掉不需要的造型曲面。切割命令可以將整體造型分割為任意部分而保留外觀曲面，便于對分割的部分進行編輯。（3）有時為了在已完成的造型部分去除掉某一實體形狀的部分，或者將兩個實體合并為一體等，就要運用布爾運算命令，操作完成后得到的也是實體。（4）為了更直觀的分析生成的造型曲面品質，曲率分析、斑馬紋、環(huán)境反射貼圖工具都可以很好地觀察到所生成曲面的連續(xù)性，方便進一步的調整。（5）如果想要得到重復并且按照距離、角度規(guī)律排放的形狀，就要用到陣列工具，Rhino的陣列工具分為環(huán)形陣列和矩形陣列，能夠大大降低繁瑣的建模工作，提高建模速度，得到精確的造型。（6）有時所建模型繁雜，部分形體妨礙建模視線時，可以使用隱藏工具將已完成的部分隱藏，對剩余部分進行操作，當需要顯示時再取消隱藏，這樣可以避免許多不當?shù)腻e誤。（7）當造型建模到某一階段，可以根據(jù)想要得到的預覽效果來選用不同的顯示模式，常用的有線框模式、著色模式、渲染模式、半透明模式、X光模式、半透明模式、工程圖模式、藝術風格模式、鋼筆模式。

3.3 與其他軟件的完美兼容性

犀牛軟件支持30余種輸入與輸出檔案格式，從常見的NURBS格式的標準IGES曲面檔案、STEP實體檔案、ACIS檔案、PARASOLID檔案、OBJ檔案，到POLYGON格式的3DS、LWO、STL檔案，AutoCAD標準的DWG與DXF文檔，以及點云資料、2D繪圖AI檔案等。其中IGES是工業(yè)標準格式，應用非常廣泛，支持的軟件數(shù)目超過40種。使用者可以針對合作方軟件來選擇要輸出的檔案格式的類型。

3.4 強大的插件功能

插件是Rhino很具特色的一個內容，它是一些具有擴展性的小程序，能幫助設計師實現(xiàn)需要花費大量時間和精力才能完成的造型功能。常用的插件例如Tsplines能夠實現(xiàn)復雜曲面造型的建模，把原本強大的曲面建模功能提升得更加強大。犀牛配合Grasshopper參數(shù)化建模插件，可以快速建出曲面優(yōu)美的建筑造型。在犀牛中裝入TechGems（珠寶插件），便是一款非常之專業(yè)的珠寶首飾輔助設計軟件。

3.5 與后期生產(chǎn)的接軌

Rhino在產(chǎn)品造型設計中的另一強大功能在于能夠與后期生產(chǎn)制造接軌，而不僅僅只是提供快速的產(chǎn)品外觀建模。比如Rhino導出的模型格式經(jīng)過編輯后可以直接通過日趨成熟的3D打印技術進行打樣，用來檢驗產(chǎn)品造型的合理性。同時，Rhino具備模具設計的功能，其拔模角度分析工具能檢測能否正確脫模，對于后期生產(chǎn)制造提供更精確的數(shù)據(jù)。

結語

通過研究分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品造型設計不僅需要扎實的設計經(jīng)驗基礎和對各方面因素的綜合考慮，還需要熟練掌握Rhino軟件的操作。犀牛軟件運用于產(chǎn)品設計中，能夠發(fā)揮出最佳設計效果，為現(xiàn)代產(chǎn)品造型提供快速、高效和準確的設計新思路和技術，為產(chǎn)品設計師設計的各種產(chǎn)品造型的實現(xiàn)提供了更多的可能。

參考文獻

[1]吳瓊.工業(yè)設計技巧與禁忌[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]韓勇.犀牛之舞[M].北京：人民郵電出版社，2011.

第4篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

關鍵詞： 面向對象； 抗側滾扭桿； Abaqus； Include

中圖分類號： TB115.1文獻標志碼： B

引言

產(chǎn)品概念設計階段經(jīng)常會出現(xiàn)多種結構方案優(yōu)選的情況.此時需要采用CAE方法來進行比選.盡管產(chǎn)品的功能目的一致，但其結構存在一定的差異，因此在進行有限元分析時，需要重復進行大量的分析模型前處理工作.特別是對于復雜產(chǎn)品結構，由于其中含有大量不同形式的受力結構件（如抗側滾扭桿的連桿、橡膠球頭、橡膠套筒、扭桿和支座等），往往零件的更換會使整個產(chǎn)品重新進行分析前處理工作.建立這類結構件有限元模型時不同的模型簡化處理方式往往導致差別較大的分析結果，導致CAE分析過程效率低，分析結果可靠性差.[1]本文介紹的利用Include功能構建面向對象的分析任務，可以為結構設計分析工作提供一種簡單、快速的建模分析工作思路.

1面向對象方法

長期以來，人們一直在設法爭取使問題空間與求解空間在結構上盡可能一致，也就是說，使分析、設計和研究系統(tǒng)的方法學與人們認識客觀世界的過程盡可能一致，這也正是面向對象方法學的出發(fā)點和追求的原則.面向對象的方法認為，客觀世界由許多各種各樣的對象組成，每個對象都有自己的內部狀態(tài)和運動規(guī)律，不同對象之間的相互作用和聯(lián)系構成各種不同的系統(tǒng)，這與人們認識世界的自然思維方式是一致的.

面向對象的方法是一種在分析和設計階段獨立于程序設計語言的概念化過程，它是一種程序設計技術，更重要地，它是一種新的思維方式，是一種完全不同于傳統(tǒng)功能設計的方法.

面向對象分析、面向對象設計和面向對象程序設計是面向對象方法學提供的3種主要技術手段.面向對象分析基于對象思想描述問題域和系統(tǒng)任務，而面向對象設計則是面向對象分析的擴充，主要是增加各種實現(xiàn)軟件系統(tǒng)所必需的組成部分，從面向對象分析到面向對象設計是一個逐步擴充模型的過程.面向對象的分析設計遵循抽象、封裝性、多態(tài)性和繼承性的原則.[26]

2Include介紹

Abaqus中的Include功能提供一種簡單、快速地構建有限元分析任務的思路.Include將一個或多個外部文件作為數(shù)據(jù)塊引入計算文件中，形成一個總的文件用于計算.Include不但可以在inp文件中引入外部文件數(shù)據(jù)，也能在CAE中實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)文件的引入，比如材料編輯器就可以讀入外部ASCII文件.通過它，可以指定任意外部數(shù)據(jù)文件成為分析工作的一部分，這些外部數(shù)據(jù)文件可以是模型、歷史輸出、注釋或其他參考.當程序執(zhí)行工作文件遇到Include時，無論它在哪里，都轉向執(zhí)行外部數(shù)據(jù)文件，當外部文件執(zhí)行完后，又繼續(xù)處理原來的工作文件.這種功能的核心就是在主分析中的外部文件或數(shù)據(jù)塊指針，這具備構建面向對象思想的分析基礎.

3構建面向對象分析

使用inp文件可以方便地描述模型參數(shù)、控制分析過程.文獻[7]詳細地介紹inp文件的結構和創(chuàng)建.可以認為一個inp任務主要由4種數(shù)據(jù)對象構成：有限元模型對象（節(jié)點、單元集和單元屬性）、材料屬性對象或對象屬性、初始邊界對象（包括約束條件）、一個或多個載荷步對象（包括邊界條件、接觸條件、計算控制參數(shù)集和結果輸出等眾多對象屬性）.無論對象還是對象屬性都可以由單獨的外部文件描述，而Include可以將這些獨立外部對象文件組成一個完整的分析工作，可視Include為在主工作分析文件中這些單獨對象文件的指針.圖1可簡單示意各對象與主工作文件的關系.每一個框圖都是一個對象或對象屬性，每一個對象或屬性數(shù)據(jù)都可以作為一個外部文件，用Include引入.

圖 1完整的面向對象分析文件構成示意

在產(chǎn)品設計初期階段，結構設計工程師的工作是通過計算遴選多個方案，比較、確定產(chǎn)品結構和材料.因此，對于一個既定產(chǎn)品結構分析工作，只有模型結構和材料是變化的，而邊界條件、載荷、接觸、控制參數(shù)和輸出量等都是確定的，因此能將整個分析工作分隔成幾個特定功能或對象模塊.在特定的分析中，僅變動其中個別對象，而其他對象始終不變.由此可見，Include提供一種面向對象的構建分析工作的思路，而按這種思路建立的多個ASCII文件集合即是Abaqus面向對象分析任務.使用ASCII文件來封裝上述的對象或對象屬性而非編譯后的程序.這使得改動工作變得非常容易且迅速.改動工作不僅指特定類型產(chǎn)品分析任務的改進，也指修改已有任務、建立新類型產(chǎn)品分析任務的工作.在Abaqus執(zhí)行文件inp內，載荷、約束、接觸和材料屬性賦值等都通過節(jié)點、單元或面的集合名稱確定.inp文件按特定名稱指定的節(jié)點、單元和面等執(zhí)行相關計算分析，因此可方便地進行對象屬性確認.綜上所述，把一個由特定結構組成的產(chǎn)品的inp工作執(zhí)行文件按功能和特性分為幾個不同對象內容，每次具體計算只改動需變化的一兩個文件就能形成完整的執(zhí)行文件inp的創(chuàng)建，可節(jié)省大量的重復勞動.這就是本文面向對象分析任務的構建思路.由于整個面向對象分析都由inp文件集合構成，因此基于面向對象的任務文件執(zhí)行基本不受Abaqus版本的限制.

下面以2個鐵路行業(yè)典型產(chǎn)品來說明Include面向對象分析任務的創(chuàng)建思路.

3.1膠墊板結構分析

以單個組件產(chǎn)品為例，介紹Include面向對象分析在快速分析中的應用.膠墊板是軌道扣件系統(tǒng)的一個重要部件.對于無碴軌道，膠墊板起減振和隔振作用，決定軌道的彈性性能，具體結構類型介紹參見參考文獻[8].某膠墊板產(chǎn)品的原型結構見圖2.產(chǎn)品施加集中力于工裝上端板，工裝下端板固定，簡化為1/4模型（見圖2）.

對于分析任務，本案例只調整膠墊板結構以滿足強度和剛度的要求.因此，只有膠墊板模型對象FEA_MODEL.inp不斷變化，其他工裝模型、邊界條件、載荷條件、接觸設置、材料參數(shù)和結果輸出設置等對象或屬性則一律不變.很明顯，由于主分析文件只包含工裝模型、材料參數(shù)以及其他引入文件命令（見圖4），因此它是不變的.載荷步對象包括載荷（位移和力）、計算參數(shù)和結果輸出等屬性定義，見圖5.這部分都可由集合名稱定義，故當針對某一特定結構產(chǎn)品時，這個文件也是不變的.初始條件及約束對象與載荷步一樣，其內容也是固定不變的，見圖6.因此，對于分析產(chǎn)品調整，整個分析任務中只有FEA_MODEL模型對象需要改動.如圖7所示，膠墊板產(chǎn)品模型的節(jié)點、單元，節(jié)點集和單元集等信息都存在于FEA_MODEL模型對象里.

直接在Command中執(zhí)行Main_FE_JOB.inp即可計算.本次案例計算結果的應力云圖和剛度曲線見圖8.結果不理想，需要調整結構.有2種不同結構的膠墊板可以嘗試計算，見圖9.以后的工作只需使用不同結構產(chǎn)品的模型對象FEA_MODEL.inp，其他完全不用處理.具體細節(jié)不再贅述.這里有2個關鍵細節(jié)需要注意：一是不能改動節(jié)點集、單元集的名稱，因為接觸、加載、材料賦值和結果輸出等定義全部依賴于集合的名稱；二是要注意膠墊板產(chǎn)品模型的節(jié)點、單元序號的范圍，不能與主文件中工裝的相關序號沖突.

圖 8原型膠墊板有限元計算結果

（a）（b）圖 9其他2種不同結構的膠墊板設計

第5篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

關 鍵 詞：榫卯結構 數(shù)字化仿真 有束腰凳

一、前言

傳統(tǒng)榫卯工藝是傳統(tǒng)文化中的瑰寶[1]，在現(xiàn)代家具設計中迫切需要對其進行深入學習與研究。但是由于榫卯工藝結構復雜，在教學中此類物理教具制作困難，不能進行批量的機械化生產(chǎn)。并且內部榫卯結構不能通過物理教具直接觀察到，學習者不能直觀的理解其結構，這造成學習榫卯結構的過程非常困難[2]。針對榫卯工藝在研究過程中存在的此類問題，本文提出引入數(shù)字化設計中的新方法、新技術，將數(shù)字化仿真設計與榫卯工藝相結合，以“有束腰方凳”為例，進行虛擬仿真設計。利用仿真技術對榫卯結構進行數(shù)字化模型的構建，并利用虛擬裝配技術對其進行裝配和構建。這樣避免了物理教具的批量制造，降低教學成本，提升了教學效率，為榫卯結構的教學研究提供了一條新的思路，本文主要研究的是通過仿真模擬技術對傳統(tǒng)榫卯工藝進行研究及其數(shù)據(jù)庫的建立。

二、數(shù)字化仿真構建方法

1、數(shù)字化仿真技術含義

數(shù)字化仿真技術是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術為基礎，對產(chǎn)品的設計過程統(tǒng)一建模，在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品從設計、加工和裝配、檢驗、整個生命周期的模擬和仿真。這樣可以在產(chǎn)品的設計階段就模擬出產(chǎn)品及其性能和制造過程，以此來優(yōu)化產(chǎn)品的設計質量和制造過程。與傳統(tǒng)的工業(yè)設計相比，數(shù)字化設計技術在設計方法、設計過程、設計質量和效率等各方面都發(fā)生了質的變化，數(shù)字化工業(yè)設計將主要包括數(shù)字化建模，數(shù)字化裝配，數(shù)字化評價，數(shù)字化制造，以及數(shù)字化信息交換等幾方面。

2、數(shù)字化仿真設計流程

在現(xiàn)實家具榫卯工藝研究的方法是：把已有的家具進行拆解，對拆解后的榫卯結構進行測量、記錄與學習。而在Pro/E系統(tǒng)中，學習研究榫卯結構的方法是：首先通過對榫卯家具進行拆解，并對其結構進行精細測量；然后通過數(shù)字化設計技術，并采用數(shù)字化樣機來代替原來的物理原型，在數(shù)字狀態(tài)下進行仿真分析，對原設計進行裝配重組。這樣不需要實物原型，就可以讓更多的設計人員在不同時間不同的地點在計算機上進行榫卯結構的學習和研究。

三、數(shù)字化仿真實例

首先是建模平臺的選取，考慮到數(shù)據(jù)格式的通用性、三維模型建設的便捷性，以及數(shù)據(jù)管理方式的先進性，最終選用了軟件Pro/E作為三維建模平臺。對結構件和零件用軟件Pro/E進行建模來更直觀的展示傳統(tǒng)結構，以此來系統(tǒng)闡述榫卯結構制圖和模型制作的現(xiàn)代工藝流程。由于凳子是明清家具中最基本的單品，其結構也是桌、案、幾等家具的本源。本文將具有榫卯結構的束腰凳進行拆解，并對拆解后的結構進行仿真模擬。

1、定義初步產(chǎn)品結構

在進行詳細設計之前要對產(chǎn)品進行初步結構分析：首先采用自頂向下設計方法規(guī)劃出束腰凳的整體造型結構關系，即產(chǎn)品結構包含了一系列的子裝配件，以及它們所繼承的設計意圖。產(chǎn)品結構由各層次裝配和元件清單組成，在定義設計意圖時，有許多子裝配是預先確定下來的：比如對本例束腰凳進行結構分析，可以看到本例凳子一共使用了攢邊打槽裝板、抱肩榫、格肩榫這三種榫卯裝配結構。

2、數(shù)字化樣機詳細設計

在明確了設計意圖并定義了“有束腰凳”產(chǎn)品基本結構和框架前提下，將圍繞設計意圖和基本框架展開零件和子裝配的詳細設計。首先是子裝配件的確定，通過對基本框架的研究分析得出產(chǎn)品共分為三個子裝配體：攢邊打槽裝板結構子裝配體、抱肩榫結構子裝配體、格肩榫子裝配體。當子裝配體確定下來，設計基準傳遞下去之后，可以進行單個的零件設計。

2.1凳面榫卯結構仿真

從拆解圖二可以看出，凳面采用的是攢邊打槽裝板連接方式。我們將攢邊打槽裝板連接方式定義為子裝配件，在子裝配件下進行板心及邊框的詳細設計。趲邊打槽裝板的裝配結構是首先將板心裝納在四根邊框之中，然后將裝板的邊框裝配起來[3]。這種裝配結構的優(yōu)點在于邊框伸縮性不大，使得整個家具的結構不至由于面板的脹縮而受影響，起到了穩(wěn)定堅實的作用。

趲邊打槽裝板裝配結構定義完之后開始進行零部件的詳細設計，由圖四可以看出此裝配零部件由凳面的帶榫頭的兩根大邊和兩條帶榫眼的抹頭組成。這四根木框兩根長而出榫的叫“大邊”，兩根短而鑿眼的叫“抹頭”。經(jīng)過以上分析，在Pro/E環(huán)境中建立這四根帶有榫卯結構的木框零部件。

2.2腿足的抱肩榫結構仿真

從圖三可以看出，凳面與腿足及其束腰采用的是抱肩榫連接方式，將抱肩榫連接方式定義為子裝配件，抱肩榫是束腰家具的腿足與束腰、牙條相結合時使用的榫卯結構。首先通過測繪獲得各種數(shù)據(jù)為基礎，在獲得詳細的數(shù)據(jù)基礎上，通過三維仿真建模技術，對抱肩榫結構進行子裝配件的建立。之后在子裝配件下進行牙條與腿足的詳細設計。通過對三維仿真模型的拆解可以看出來，抱肩榫子裝配件的詳細結構是在腿足上挖出肩，將牙條插掛在上面來固定四方的框架。同時掛銷進一步定位橫材和豎材，將面受到的壓力均勻傳遞到四足上，腿足上端的長短榫通過抹頭的插接固定了承重面。

2.3.腳檔的格肩榫模型仿真

通過下圖對束腰凳的拆解可以看出，數(shù)字化模型中腳檔與腿足的連接方式為格肩榫，將格肩榫裝配方式定義為子裝配體，然后分析其詳細零部件。本實例束腰凳的腿足是方形豎材，此家具用的是大格肩榫結構，肩部為尖角，格肩部分和長方形的陽榫貼實在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實肩”。詳細零部件構成為：格肩榫榫頭在中間，兩邊為榫肩，格肩部分和長方形的陽榫貼實在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實肩”。 齊頭碰在形式上有透榫。

3、數(shù)字化樣機虛擬裝配

假如在榫卯結構的物理教具裝配演示過程中，需要將裝配的各個零部件拿到裝配現(xiàn)場進行裝配[4]。而在Pro/E虛擬系統(tǒng)中，只需要在計算機屏幕上裝配零部件，查看和分析零件的配合情況，這樣可減少對物理樣機的依賴。

具體的虛擬裝配的方法是：首先是裝配建模體系結構的建立，根據(jù)有束腰凳裝配給定的功能要求和設計約束，先確定產(chǎn)品的大致組成和形狀，確定各組成零部件之間的裝配關系和約束關系。然后再把束腰凳分解成若干個零部件，在總體裝配關系的約束下，同步根據(jù)裝配關系對這些零部件進行設計。

其次是裝配體層次關系的定義，束腰凳的裝配體分解成不同層次的子裝配體，子裝配體又可分解成若干子裝配體和各個零件。通常將零件、子裝配體、裝配體之間的這種層次關系直觀地表示成裝配樹，樹的根節(jié)點是裝配體，子節(jié)點是組成裝配體的各個零件，中間節(jié)點則是子裝配體。裝配樹的的關系體現(xiàn)了實際形成裝配體的裝配順序，同時也表達了裝配體、子裝配體及零件之間的父、子從屬關系。圖6是有束腰凳的仿真裝配結果。

四、 結語

傳統(tǒng)榫卯結構是我國寶貴的傳統(tǒng)工藝非物質文化遺產(chǎn)，同時明式家具榫卯結構工藝也是當今學習榫卯結構的難點，所以有必要對傳統(tǒng)榫卯結構進行三維數(shù)字模型的仿真研究，使學習和掌握榫卯結構的過程更快捷。通過三維模型的仿真研究和實踐，探索出一套學習榫卯工藝的學習方法，為當今家具設計提供有益的參考，同時也促進了明式家具的深入研究，有助于傳統(tǒng)文化的廣泛傳播和發(fā)展。

本文為天津市高等學校人文社會科學研究一般項目資助 課題號：20112303

參考文獻

[1] 胡中艷，曹陽.中國古代家具設計的繼承與發(fā)展[J].包裝工程，2009，30（1）158-160

[2] 楊靜，余隋懷，楊剛俊.明式家具榫卯結構的參數(shù)化設計系統(tǒng)構建與應用[J].西北林業(yè)學院學報，2009，24（3）：163-166

第6篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

在機械設計中運用三維設計軟件，首先是對所設計的產(chǎn)品進行初步建模，做好機械設計前期的準備工作，其次是對產(chǎn)品建立好的模型組裝成整體，將產(chǎn)品的整體模型進行詳細解析，對所設計的產(chǎn)品整體有大致的了解，并且通過設計軟件特有的功能，對產(chǎn)品設計過程中存在的細節(jié)或者是一些沒有考慮到的問題進行詳細分析，對產(chǎn)品設計的工作流程和設計的合理程度進行檢驗，并由給出的分析結果，可做相應的調整及優(yōu)化設計，將不正確的地方予以改正，最后設計出成品。以SolidWorks軟件為例，其設計過程我們可以分為三步來實現(xiàn)：首先是根據(jù)設計目標的各項要求初步建立三維模型；其次是對初步建立的三維模型進行模擬組裝運行；最后利用軟件對設計目標進行模擬分析及合理性檢測，從而達到最終的設計要求。它主要包括機械零件設計、裝配設計、動畫和渲染、有限元分析技術、設計優(yōu)化及鈑金制作等模塊，基本滿足各種機械設計的需求。此軟件采用參數(shù)化設計思路，各工具欄命令之間具有相應的設計關聯(lián)性，對零件的設計修改具有快捷、準確、可靠的特點，對零件的尺寸修改和相似零件的結構設計具有獨到的技術優(yōu)勢。在零件設計模塊中所做的更改可以自動、快速、準確地反映到裝配、工程圖等相應關聯(lián)模塊中去，同樣，在裝配模型和工程圖樣中，更大程度地減少設計的出錯率，提高了設計工作的效率。目前，諸如此類的三維設計軟件在機械設計中得到了廣泛的運用。

2三維設計軟件在機械設計中的優(yōu)勢

三維設計軟件具有出圖準確、設計方便、效率高、功能強大、簡單易學等眾多優(yōu)勢。設計者可自由選擇相應的設計工具和命令，采用最合適的設計方法，直觀、方便、高效、快捷地完成設計任務。在機械設計中，三維設計軟件的有限元分析模塊是設計者最好的設計助手之一。下面簡單介紹SolidWorks軟件有限元分析模塊?；赟olidWorksCOSMOSWorks有限元分析軟件的特點及強大功能，對產(chǎn)品結構中進行靜態(tài)分析，并為產(chǎn)品結構的優(yōu)化設計提供可靠依據(jù)。COSMOSWorks是一套強大的有限元分析軟件，早期的有限元技術高高在上，只有一些國家的部門如宇航、軍事部門可以使用，只有少數(shù)專業(yè)人員才能有機會接觸，普通的工程師可望而不可及。然而自COSMOSWorks出現(xiàn)后，有限元分析的大門終于向普通工程師敞開了，把高高在上的有限元技術平民化，它易學易用、簡潔直觀，能夠在普通的電腦上運行，不需要專業(yè)的有限元經(jīng)驗。普通的工程師都可以進行工程分析，迅速得到分析結果，從而最大限度地縮短設計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質量，加大利潤空間。傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時是先把零件拆散，然后一個個分別處理，耗時耗力，又存在計算結果不精確的缺點。COSMOSWorks提供了多場/多組件的復雜裝配分析，從而大大簡化工程師的勞動，使得分析能夠更好地模擬真實情況，結果也就更精確。

有限元分析過程中幾乎所有的設計量，如厚度、長度、半徑等幾何尺寸、材料特性、載荷位置與大小等都可以用變量參數(shù)表示，只要改變這些變量參數(shù)的賦值就能獲得不同的設計方案的分析過程。經(jīng)軟件COSMOSWorks優(yōu)化設計后，頂面加厚，底面加強筋加厚及加高，應力分布均勻，離屈服點更遠，如圖2所示，優(yōu)化后的中心底面應力擴散，變形量減小，均在<1mm的范圍內，可以滿足使用要求。三維設計軟件還包含鈑金、焊接、管道設計、模具、數(shù)控編程等多個模塊，機械設計工作者通過學習使用，為機械設計帶來方便，提高了工作效率。

3結語

第7篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

關鍵詞：結構改進；優(yōu)化；折彎；焊接

2012年我公司從意大利G.D公司引進了雙通道、超高速濾棒成型機（ZL28），此機型的外觀呈流線型，顯示出外觀設計的美觀和檔次。經(jīng)過一年多的努力，該機型樣機試制結束，通過結構件的加工，我們發(fā)現(xiàn)外方的結構設計因材料、設備、加工工藝、加工能力等多方面因素的差異，不太適合我們直接制作，因此我們結合前期不銹鋼加工積累的經(jīng)驗對該機組的結構件進行了結構改進優(yōu)化，我們改進的目的是用結構保證精度，打造精品產(chǎn)品，把復雜留給設計，把簡單留給生產(chǎn)，在不降低精度的前提下,盡可能降低加工難度，節(jié)約成本。

如下圖所示是ZL28機組的一個護板，該工件由件1、2、3、4組成，焊接子件多，焊縫長達2.6米，如若按照圖紙直接加工，焊接成型后外表面將嚴重變形，不能修復。

因此，我們需要對該工件進行結構改進優(yōu)化。按原圖結構加工所遇到的問題主要是焊接后變形嚴重，因此我們改進的思路技術減少焊接。我們在保證工件外形尺寸和結構的前提下合并子件，能折的盡可能不焊，于是我們有了加工方案一，所有子件合并成一體。但是做展開圖時發(fā)現(xiàn)展開圖有干涉，如下圖所示（陰影部分為干涉區(qū)域）。

合并子件需要考慮的有三方面：焊接最少、折彎工藝最優(yōu)以及避免展開圖的干涉，最終的結構是在這三方面取最優(yōu)值。我們通過研究上面展開圖干涉的區(qū)域，有了加工方案二，如下圖所示。

我們把原圖中件1、2，件3大平面部分，件4中間和小平面部分合并成上圖中的件1；件3剩余部分和件4剩余部分合并成上圖中的件2。改進后展開圖如下圖所示。

改進后，焊接縫比改進前減少了2.4米，減少量高達92.3%，焊接變形減少到最低，焊后基本不用修整，精飾處理時間直接減少半個工作日，外觀質量穩(wěn)定提高?？梢娊Y構改進后，不但提高了加工質量，避免工件報廢，而且縮短加工時間，大大降低了生產(chǎn)成本。

通過上述典型零件的結構優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)在鈑金結構零件的設計中，在達到設計使用功能和保證工件外形尺寸及結構的前提下，應盡可能通過折彎成型，減少焊接以避免焊后變形，增加修整工作。

通過ZL28樣機試制，我們發(fā)現(xiàn)外方結構件零件大多是通過子件組焊成型，這樣的設計圖紙表達簡單，工人能夠快速看懂圖紙，但是對零件材料、加工設備、加工工藝、焊接水平的要求很高。我們改進后的結構圖紙表達相對復雜，但是降低了對零件材料、加工設備、加工工藝、焊接水平的要求。通過試制可發(fā)現(xiàn)我們與外方的差距，我們需要努力，早日趕上外方水平。

參考文獻：

第8篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

但我公司作為一家集研發(fā)、制造為一體的國有企業(yè)，要進一步發(fā)展和壯大，除了充分用好已有資源、努力進行內部挖潛、深化生產(chǎn)管理來促進發(fā)展外，也需要進一步吸收、深化應用先進的CAE研發(fā)技術，完善整車、整機CAE分析體系，以縮短產(chǎn)品研制周期、優(yōu)化產(chǎn)品結構、提高產(chǎn)品質量、降低研發(fā)成本，從而高效地研制出具有自主知識產(chǎn)權的好產(chǎn)品、增強公司的核心競爭力、獲得更好的市場回報。

一、問題的提出

現(xiàn)在機車以及柴油機設計越來越趨向于安全、高速、重載、輕量化的設計要求，由于機車、柴油機、柴油發(fā)電機組和曲軸等本身都是結構大型復雜的產(chǎn)品，都是在動態(tài)載荷工況下服役工作，且有不少產(chǎn)品為焊接裝配件。從產(chǎn)品的專業(yè)性、特殊性而言，涉及到的CAE計算需求是多方面的，包括部件的散熱性能、運動學/動力學性能、極端載荷條件（結構載荷、熱載荷）的強度/剛度性能、疲勞性能、結構優(yōu)化問題等，這些性能也直接與某項目各部件的可靠性、品質等息息相關。

經(jīng)過多年努力和積累，機車研發(fā)部雖然很早就擁有一批相關CAE專業(yè)分析人員，但受人員變化、當前分析工作中不斷出現(xiàn)新的復雜需求、CAE分析軟件版本低功能受限等原因影響，公司CAE人員近幾年主要是針對部件結構強度計算分析（如車體、構架、車軸、曲軸、柴油機發(fā)電機組安裝架的強度計算）。而柴油機的傳熱分析和熱-結構耦合分析；機車和車輛的碰撞動力學分析；機車中司乘人員和乘客的安全和舒適性的動力學分析；電力機車受電弓網(wǎng)系統(tǒng)的動力學分析；鐵路機車運行的動力學仿真分析；機車、與軌道的系統(tǒng)動力學仿真分析；機車柴油機供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的流體動力學分析；機車通風系統(tǒng)和空調系統(tǒng)的流體力學分析等則很少涉及。

整個機車及柴油機的系統(tǒng)優(yōu)化、減重、疲勞強度、流體動力學分析、散熱性能、運動學/動力學性能和穩(wěn)定性等CAE新問題已越來越制約著產(chǎn)品的品質進一步提升。公司經(jīng)過多個整車整機的開發(fā)，也積累了一部分CAE知識點，如何進一步將這些知識系統(tǒng)化，形成公司的規(guī)范體系？CAE技術如何貫徹于整個設計流程？如何建設符合公司實際情況的CAE體系，為公司產(chǎn)品開發(fā)提供安全保障，也為整車優(yōu)化提供保證？這已成為迫在眉睫的問題。

筆者認為只有深入分析CAE在機械、裝備行業(yè)的應用現(xiàn)狀，再結合公司產(chǎn)品的實際特點，摸索出符合我公司特色的整車及整機的CAE體系建設之路，才能提升產(chǎn)品研發(fā)效率，提高技術性能并降低成本，增強企業(yè)競爭力。

二、CAE技術在國內外現(xiàn)狀分析

1.CAE技術在國內外現(xiàn)狀分析

就CAE技術的工業(yè)化應用而言，西方發(fā)達國家目前已經(jīng)達到了實用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術的結合，使企業(yè)能對現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、復雜性、可靠性和經(jīng)濟性等做出迅速反應，增強了企業(yè)的市場競爭能力。在許多行業(yè)中，CAE分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規(guī)范加以實施。如，以國外某大汽車公司為例，絕大多數(shù)的汽車零部件設計都必須經(jīng)過多方面的計算機仿真分析，否則根本通不過設計審查，更談不上試制和投入生產(chǎn)。

國內這幾年，各方也加大了這方面的投入，逐漸從過去的結構強度分析，向更高、更難的流體、流固耦合、空氣動力學、系統(tǒng)優(yōu)化、控制和疲勞等CAE方面開展深入研究。但產(chǎn)品的應用范圍、計算項目的深度、CAE平臺建設的規(guī)模以及CAE計算分析的細節(jié)程度還與國外還有不小的差距。

2.CAE技術在國內機車行業(yè)應用現(xiàn)狀分析

目前國內鐵路行業(yè)的CAE技術應用在很多企業(yè)已經(jīng)進入逐漸的普及階段，但比航空、國防和汽車行業(yè)應用層次要低。其中長春客車廠、株洲機車車輛廠、齊齊哈爾車輛廠、北京二七機車車輛、四方股份公司、大連機車廠、大連機車研究所、株洲電力機車廠和研究所與戚墅堰廠和工藝所等的仿真分析手段基本都已涵蓋了零部件的結構強度、整車或列車動力學和零部件疲勞、振動噪聲等專業(yè)，取得了顯著的成果。尤其是四方股份、長江集團、齊齊哈爾、長客和大連等實施相應的CAE技術已經(jīng)近10年了。其CAE仿真技術已經(jīng)越來越多地被相關的廠家接受。另外，為了保證實施CAE仿真技術的延續(xù)性，有些廠所也出臺了相應的鼓勵分析師的政策，并成立了專業(yè)的分析團隊，充分發(fā)揮了CAE仿真技術在產(chǎn)品研發(fā)過程中的作用。

而我公司與同行業(yè)其他兄弟公司相比，CAE技術相對滯后，現(xiàn)有CAE應用情況如下。

（1）無法快速地評估設計結構的大量復雜的流體力學、疲勞壽命預測、電磁場、溫度場以及多體耦合場、抗沖擊、抗振動、冷卻效果和使用壽命等性能，許多課題還未開展研究。

（2）無法貫穿整個產(chǎn)品的設計過程，主要是做校核計算。

（3）無法快速地分析與改進設計結構的降噪措施。

（4）無法快速地對新設計結構進行針對性的結構優(yōu)化和用料優(yōu)化。

三、整車整機的CAE體系建設思路

公司正逐漸加大研發(fā)力度，不斷增強自主研發(fā)能力，這必將對機車及發(fā)動機提出了更高的設計要求，而過去的CAE分析內容顯得過少，CAE分析的深度及廣度不夠，為此CAE體系應盡快完善，以下根據(jù)筆者多年的工作經(jīng)驗及結合公司產(chǎn)品的實際情況，提出的CAE體系建設的思路。

1.完善整車、整機的CAE分析內容

（1）整車的CAE分析內容：機車包含的常用部件如車體、構架和車軸等需做常規(guī)的結構強度、剛度有限元分析；進一步考慮，部分關鍵件、大型件的結構優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、模態(tài)分析，車身結構噪聲分析、疲勞強度分析；研究整車空氣動力學、整車動力學性能和整車穩(wěn)定性能。

（2）整機的CAE分析內容：發(fā)動機常用部件的有限元分析、缸體及缸蓋的結構分析、軸系的多體動力學分析、發(fā)動機三維CFD分析、發(fā)動機性能分析、發(fā)動機冷卻分析和發(fā)動機熱固耦合分析。

另外，需根據(jù)各個整車、整機的開發(fā)級別定義不同級別CAE的分析內容。整車、整機研發(fā)的新技術越多，產(chǎn)品結構越新穎，CAE計算分析的內容細化級別也應相應增加，以保證產(chǎn)品研發(fā)的可靠性。

2.細化整車、整機的CAE分析流程

對于全新的機車或發(fā)動機研發(fā)，CAE流程應分為三個階段。

第一階段：概念分析階段。主要是考慮整車、整機設計的總體要求，根據(jù)相關評定標準，CAE人員對整車、整機的總體性能進行CAE計算，以驗證是否能達到設計目標，同時提出優(yōu)化建議，在預研階段把握產(chǎn)品的總體性能，為高層決策提供技術參考。此階段分析結束后，須確定基本結構形式，總布置方式，各子性能的詳細設計目標值。

此階段的工作難度較大，需要CAE工程師具備較多的設計和分析經(jīng)驗。

第二階段：工程化分析階段。主要是根據(jù)設計師的詳細設計情況，進行各部類常用部件的各類型的詳細等分析。此階段是以產(chǎn)品的詳細結構為輸入，從CAE方面，對設計的產(chǎn)品各方面的性能進行分析，以驗證是否達到概念分析階段所獲得的性能目標，若沒有達到，則需優(yōu)化分析，并與設計師、工藝師共同商定，確定修改設計方案。

工程化分析階段是整車、整機開發(fā)中工作量最大的階段，此階段必須根據(jù)整車、整機設計的進度要求，進行至少2～3輪覆蓋結構、流體、動力學、熱固耦合CAE領域的完整的CAE分析，為工程化設計進行虛擬驗證并在設計階段進行優(yōu)化。

第三階段：試驗驗證分析階段。主要是根據(jù)整車、整機做試驗以及試運行時出現(xiàn)的一些的問題，進行CAE工程分析，找出問題出現(xiàn)的原因，并提出可行的解決方案。

此階段的工作難度和工作量則是不確定的，一般來說，在設計前期，考慮的問題越周全，在試驗階段出現(xiàn)的問題就越少，涉及的CAE工作量也就越小。

按此流程，公司的CAE技術還應更早介入設計流程中，因為在早期采用CAE技術，雖然加大了前期投入，但降低了后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)費用。投入總量和傳統(tǒng)做法相比要少得多，而且在產(chǎn)品投產(chǎn)后，能將投入維持在很低的水平，從總體上來說，降低了產(chǎn)品開發(fā)的總費用，也使產(chǎn)品的上市時間得以提前。CAE在降低成本方面的作用，如圖1所示；CAE技術貫穿設計流程對解決工程問題的意義如圖2所示。

3.整車、整機的CAE體系規(guī)范

流程是定義什么時候該做什么事，而規(guī)范是定義如何正確做事的準則。機車和發(fā)動機開發(fā)本就是一項系統(tǒng)性很強的任務，需要不斷地總結，建立合理的規(guī)范體系，系統(tǒng)性地沉淀已有的知識點，并保證持續(xù)修訂。經(jīng)過這些年整車整機的開發(fā)，我公司其實也積累了很多經(jīng)驗知識點，但沒有形成書面規(guī)范，前些年隨著CAE人才的流失，公司也隨之流失了CAE的經(jīng)驗知識點，為此應該進一步將這些知識系統(tǒng)化，形成公司的規(guī)范體系。不能為了建規(guī)范而建規(guī)范，而是應該根據(jù)公司的技術規(guī)劃來建立規(guī)范體系，如對應不同的開發(fā)級別，首先規(guī)劃必須具備哪些能力，應該建立哪些規(guī)范，然后分專業(yè)有計劃地進行實施，并不斷完善。只有不斷地建設有價值的規(guī)范，才能將已有的知識固化在公司，而不至于因為人員的流動造成能力的損失，同時也才能保持已有的技術能力。一般來說，規(guī)范是很難從其他企業(yè)獲得或者購買，因為這都是各企業(yè)的核心技術，多少錢都不會賣，而且各企業(yè)情況差別很大，直接引進的規(guī)范不一定適用，所以必須公司自己建設。

結合公司實際產(chǎn)品CAE分析特點，筆者認為應逐漸形成公司CAE體系自己的規(guī)范，如：CAE操作規(guī)范、CAE任務流程規(guī)范和具體的CAE專業(yè)分析規(guī)范。

4.CAE數(shù)據(jù)庫的完善

CAE的計算相關數(shù)據(jù)應有效規(guī)劃、利用，因為每次產(chǎn)品設計的革新離不開過去的技術基礎。筆者認為，這類數(shù)據(jù)應分為兩類：第一類是性能數(shù)據(jù)庫，性能數(shù)據(jù)庫積累了多個平臺車型或機型的結構強度、總體穩(wěn)定性和動力學性能等多項重要性能指標，為后續(xù)車型或機型開發(fā)目標值設定、工程判斷提供了充分、可靠的依據(jù)。第二類是結構數(shù)據(jù)庫，結構數(shù)據(jù)庫積累了跟某項性能相關的重要結構信息，為后續(xù)CAE能力提高、指導工程化設計提供依據(jù)。

5.整車、整機CAE資源配置

在影響CAE應用效果的諸多因素中，人才、分析軟件和計算機硬件、外部資源是三個最主要的方面，其中“人才”是最重要的因素，這涉及到對CAE人才的層次規(guī)劃、CAE隊伍的穩(wěn)定性建設。

（1）沒有CAE隊伍，核心技術無從談起，CAE工程人員工程背景要求高，因CAE技術具有較高的技術含量，CAE應用的每一個方向實際上都是一門專門學科，如結構力學、斷裂力學、流體力學、電磁學或傳熱學等，且CAE工程人員對設計、工藝和產(chǎn)品的工作原理、特性也應有一定的了解。根據(jù)前面CAE體系的思路，公司人員配置7～10人，才能滿足未來CAE設計分析要求。

（2）軟，硬件平臺：要根據(jù)公司實際情況，購置適合公司產(chǎn)品特點的分析軟件及硬件，除非有十足的把握，否則不應貪大求全。應制定一個合理的CAE實施計劃，在預算允許的情況下，先考慮最急需的CAE軟件和硬件，應用一段時間、見到良好效益后，再考慮使用權的擴充或其他軟件模塊的擴充。

（3）重視與高校、CAE軟件廠商的合作關系：與CAE軟件開發(fā)商建立良好的技術合作而不僅僅是商務合作關系，相互間長期的技術交流甚至與程序開發(fā)人員本身的底層技術討論等是保證CAE應用能取得實效的關鍵因素之一。與CAE軟件廠商、高校合作的另一種好的方式是進行一系列項目咨詢工作，項目咨詢不但能結合多方的優(yōu)勢最佳地解決實際工程問題，而且能在合作過程中非常對口地深入學習和掌握軟件應用技巧，同時還能增進雙方的了解和建立良好的關系。

四、幾點建議

（1）要給予CAE足夠的重視。一項新的技術從提出到應用再到產(chǎn)生效益總有一個成長的過程，尤其是在起步階段，還特別需要各個方面的重視和支持，只有這樣，才能共同把這項工作做好。

（2）CAE的價值有很大一部分隱含或體現(xiàn)在設計工作中，因此，單從CAE自身的效益很難看出工作的價值。另外，還要理順關系，責權明確，避免出現(xiàn)“做好了是設計人員的功勞，做不好是分析人員的責任”的現(xiàn)象。

（3）CAE行業(yè)正處于一個快速發(fā)展、成長時期，從業(yè)人員流動性較大，因此有必要從政策上對此予以引導和扶持，采取有效措施吸引、留住人才，保證工作的持續(xù)性。

（4）現(xiàn)在的CAE技術已經(jīng)基本成熟，CAE軟件的可用性、可靠性和計算效率問題已經(jīng)基本解決，CAE軟件應該成為設計工程師實現(xiàn)工程創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具，一些比較簡單的分析計算可以在CAD軟件上直接完成。

（5）及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。能在設計早期進行CAE分析，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，是對設計工作的一個重要補充。

第9篇：產(chǎn)品結構設計思路范文

 

1傳統(tǒng)工業(yè)體系下的產(chǎn)品平衡態(tài)理論

 

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計是建立在工業(yè)革命以來所形成的大批量生產(chǎn)方式之上的。為了創(chuàng)造更多利潤，大規(guī)模生產(chǎn)成為一個必然選擇，制造方必須生產(chǎn)能被大多數(shù)人所接受的產(chǎn)品，滿足大眾化需求。雖然傳統(tǒng)工業(yè)模式并不盡如人意，但是在很長的時間周期中，每種按照批量生產(chǎn)法則而設計的產(chǎn)品都已經(jīng)形成了一個自在演化的生態(tài)圏，并達到了一種難以輕易顛覆的平衡。以汽車為例，一部基于燃油動力的、以傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式生產(chǎn)的汽車，必須同時滿足多種條件的達成，才能成為一部合格的汽車。比如發(fā)動機的布置必須滿足安全和穩(wěn)定性;駕駛艙在遮蔽風雨的同時又必須可承受一定強度的撞擊;車門開啟的方式既要滿足方便性還不能破壞車身力學結構;每個部件既要滿足功能又要能夠被批量制造等等，汽車之所以成為今天的形態(tài)，是經(jīng)過漫長演化而得到的平衡狀態(tài)。在各種目標的互相沖突中，產(chǎn)品形式不斷演化和妥協(xié)，達到了一種平衡。因此，在工業(yè)設計行業(yè)里常常提及的關鍵能力，是要求設計師能更準確的理解產(chǎn)品。事實上這種理解力的對象，就是產(chǎn)品的平衡狀態(tài)，新的設計方案一定要達成一種新的平衡狀態(tài)，才具有“產(chǎn)品一一商品”的價值，這就是所謂產(chǎn)品平衡態(tài)理論。

 

2基于3D打印技術構建產(chǎn)品新平衡態(tài)的機會

 

過去，產(chǎn)品設計難以在每個項目上都獲得極具創(chuàng)新的突破，就是因為不容易打破舊系統(tǒng)去建立新的平衡態(tài)。而3D打印技術的出現(xiàn)，就在很多產(chǎn)品領域為大家提供了構建新平衡態(tài)的機遇。

 

2.1達成特殊功能的全新平衡態(tài)

 

航天發(fā)動機的尾推管，管體內有許多熱交換流道。在過去的設計中，由于制造技術的制約使很多優(yōu)化想法無法實現(xiàn)。而采用3D打印技術及可以把內部流道直接打印出來，實現(xiàn)最優(yōu)的熱交換。同理，應用3D打印技術也可打印出多級葉輪、戰(zhàn)機的隔柵板。隔柵板最初的設計是平面型的，且需加工很多均勻小孔。按照優(yōu)化設計的思想，格柵板零件應是曲面型及彎曲的。傳統(tǒng)工業(yè)手段幾乎難以實現(xiàn)這種形態(tài)，只有用3D打印技術可以實現(xiàn)。所以，3D打印技術的出現(xiàn)極大地改變了飛機設計的思路。

 

2.2基于3D打印成型方式創(chuàng)造復雜結構的全新平衡態(tài)

 

打印使復雜的產(chǎn)品結構成為可能，同時產(chǎn)品結構設計的一體化趨勢逐漸呈現(xiàn)。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中產(chǎn)品多由若干部件組裝構成主體結構，而組裝結構有時候會增加復雜度和故障率，生產(chǎn)和裝配過程也會額外大量材料及能源。而3D打印的“增材”制造可以帶來一體化結構，使產(chǎn)品變得簡單，特殊結構就不需要再組裝，既提高了效率，也提高了結構強度和可靠性。比如SLM(金屬激光燒結技術)，是用激光有選擇分層燒結金屬粉末，使燒結成形的固化層疊加生成所需形狀，得到近乎致密的金屬零件。飛機的一些關鍵部件是由鈦合金加工而成，運用SLM技術，既可實現(xiàn)復雜結構的部件，又可實現(xiàn)結構性的最優(yōu)化強度，同時還降低了制造成本。

 

 

 

3.13D打印技術的結構性局限

 

今天，互聯(lián)網(wǎng)技術促使社會協(xié)作開始轉型，小型組織的崛起以及分布式的設計行為似乎成為必然趨勢。很多人認為在互聯(lián)網(wǎng)時代出現(xiàn)的長尾模式可以滿足過去難以被滿足的小眾化需求，這是基本準確的。但是3D打印讓設計者同時成為制造者，并將其視為泛在制造的體現(xiàn)，筆者就不敢認同了。工業(yè)4.0如果是讓人們退回才能將兩者相連起來。然后再根據(jù)實際需求來設置相機對應的參數(shù)，設置好相機參數(shù)后可查看實時模式，可以在實時模式下進行跟蹤拍照。拍好的照片直接傳送到電腦的指定路徑上，免去了要拆下相機內存卡讀照片的過程，拍攝完成后無需做任何圖片處理，一鍵點擊輕松制作3D動畫。3D自動成像軟件的軟件設計流程。

 

3D打印技術雖然可以帶來新的設計機遇，但是很多產(chǎn)品的平衡態(tài)都需要系統(tǒng)化解決，這個是單獨依靠一個3D打印技術所解決不了的。例如制造一部手機，3D打印機可以打印個性化的外殼，甚至利用全新材料制造屏幕，但依然無法解決芯片級的制造和不同化工原材料的電氣化集成。一個高度系統(tǒng)化的產(chǎn)品，其平衡態(tài)也必須依靠系統(tǒng)化手段才能達成。3D打印技術只是在設計層面開辟了機遇，但不能成為構建新系統(tǒng)的唯一手段。個體設計行為可以越來越多，但個體制造的大量浦現(xiàn)，基本不會出現(xiàn)。

 

3.2未來制造模式

 

3D打印技術一定會促進未來的制造模式發(fā)生改變，但它不會是分布式的，而是進一步的集約化。人類從工業(yè)化大生產(chǎn)中獲得的最大收益是學會分工與協(xié)作。只有進一步的分工，才會解放人類對物質數(shù)量的依賴。在未來，最合理的發(fā)展路徑是所有工廠都變成柔性制造商，而且徹底與設計、研發(fā)、銷售相剝離。當3D打印及工業(yè)機器人等技術日趨成熟，未來工廠也將不再是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，而徹底成為依靠自動化和數(shù)據(jù)化驅動的柔性、智能的制造工廠，制造成為其唯一職能。其客戶可能是各種各樣的中小型研發(fā)團體、設計組織及個人，按需制造特定數(shù)量的產(chǎn)品或部件。在工業(yè)4.0應有的模式中，3D打印技術的最大作用，就是促進傳統(tǒng)工廠全面轉型為智能工廠的技術基礎。

 

3.3設計主體與制造主體之間的關系

 

基于互聯(lián)網(wǎng)時代日益發(fā)達的信息化基礎設施，人們更容易連接、分享、，這樣就帶來了更低成本的社會化協(xié)作。當大量的小眾需求通過眾籌、微信等這類平臺表達，分布式設計行為就已經(jīng)誕生了，這就是所謂長尾理論。但是如果集約化、智能化的制造主體還未形成，工業(yè)4.0則不會徹底出現(xiàn)。在未來，一旦智能工廠開始浦現(xiàn)，設計和制造將徹底分離。設計主體是隨機分布的，不受地域限制的。但制造主體更集約化，只是體力工作者變少而設備居多，與物流通路的依存更緊密。兩者的溝通可以變成全面的遠程化，設計者可能在國外，但產(chǎn)品制造產(chǎn)地可能就在身邊。3D打印技術的真正成熟，可能就是壓倒傳統(tǒng)工業(yè)這片多米諾骨牌的最后一根稻草。

 

4結語