减速器设计及其三维建模有限元分析

重庆工商大学

毕 业 论 文

机械工程 学院 机械设计及其自动化 专业( 本 科) 06 级 机制一 班

课题名称： 某螺旋式物料运输机传动系统

减速器设计与建模分析

毕业论文(设计)起止时间：

2010 年 3 月 22 日～ 5月 30 日(共 10 周)

学生姓名： 许伟丽 学号：2006003119

同组学生姓名：

指导教师： 王立存 (职称 副教授 )

(职称 )

目 录

·绪 论 .......................................................... 4 ·带式输送机结构分析 ............................................... 4 ·第一部分 传动装置的总体设计 ...................................... 7

·一 选择电动机 ................................................. 7 ·二 各级传动比分配 ............................................. 8 ·第二部分 带式输送机传动装置计算 ................................. 9

·2.1 V带的设计................................................ 9

·1 确定计算功率............................................. 9 ·2 选择V带的类型........................................... 9 ·3 确定带轮的基准直径并验算带速V ........................... 9 ·4 确定V带中心距及基准长度................................. 9 ·5 计算带的根数............................................ 10 ·2.2 齿轮的设计计算 .......................................... 12

·1 选择齿轮类型，材料，齿数及精度等级...................... 12 ·2 按齿面接触强度设计...................................... 12 ·3 按齿根弯曲强度设计...................................... 14 ·2.3 轴的设计 ................................................. 18

·1 减速器高速轴的设计...................................... 18 ·2 减速器低速轴设计........................................ 18 ·2.4强度校核.................................................. 19

·1 低速轴的强度校核........................................ 19 ·2 轴承校核................................................ 21 ·3 键的校核................................................ 22 ·2.5 减速器箱体结构的尺寸确定 ................................ 23 ·第三部分 传动装置三维建模分析 .................................. 24

·3.1 Solidworks简介......................................... 24 ·3.2 零件建模 ............................................... 26

·3.2.1轴三维建模的形成 .................................... 26 ·3.2.2 箱体的三维建模形成.................................. 30 ·3.2.3 箱盖的三维建模形成.................................. 31 ·3.2.4其他零件的三维模型造型 .............................. 32 ·3.3 零件装配 ................................................. 35 ·3.4三维向二维的转换.......................................... 38 ·第四部分 传动装置运动仿真分析 ................................... 40

·4.1 SolidWorks motion 介绍 ................................... 40 ·4.2 两齿轮啮合的运动仿真 ..................................... 41 ·4.3装配体的运动仿真.......................................... 45 ·第五部分 传动装置关键部件有限元分析 ............................. 45

·5.1 SolidWorks Simulation Professional介绍.................. 45 ·5.2 啮合齿轮的有限元分析 .................................... 46 ·5.3 低速轴应力有限元分析 ..................................... 52 ·第六部分 结论与展望 ............................................. 55

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·致 谢 .......................................................... 60 ·参考文献 ........................................................ 61

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·绪 论

·带式输送机结构分析

1.1带式输送机的应用

带式输送机是连续运输机的一种，连续运输机是固定式或运移式起重运输机中主要类型之一，其运输特点是形成装载点到装载点之间的连续物料流，靠连续物料流的整体运动来完成物流从装载点到卸载点的输送。在工业、农业、交通等各企业中,连续运输机是生产过程中组成有节奏的流水作业运输线不可缺少的组成部分。

连续运输机可分为：

1.11具有挠性牵引物件的输送机,如带式输送机,板式输送机,刮板输送机,斗式输送机、自动扶梯及架空索道等；

1.12不具有挠性牵引物件的输送机，如螺旋输送机、振动输送机等； 1.13管道输送机(流体输送),如气力输送装置和液力输送管道。

其中带输送机是连续运输机中是使用最广泛的,带式输送机运行可靠，输送量大，输送距离长，维护简便，适应于冶金煤炭，机械电力，轻工，建材，粮食等各个部门。

1.2带式输送机的分类

带式输送机分类方法有多种,按运输物料的输送带结构可分成两类,一类是普通型带式输送机,这类带式输送机在输送带运输物料的过程中,上带呈槽形,下带呈平形,输送带有托辊托起,输送带外表几何形状均为平面;另外一类是特种结构的带式输送机,各有各的输送特点.其简介如下： 各种带式输送机的特点 ⑴.QD80轻型固定式带输送机QD80轻型固定式带输送机与TDⅡ型相比,其带较薄、载荷也较轻,运距一般不超过100m,电机容量不超过22kw。 ⑵.它属于高强度带式输送机,其输送带的带芯中有平行的细钢绳，一台运输机运距可达几公里到几十公里. ⑶.U形带式输送机它又称为槽形带式输送机,其明显特点是将普通带式输送机的槽形托辊角由提高到使输送带成U形.这样一来输送带与物料间产生挤压,导致物料对胶带的摩擦力增大,从而输送机的运输倾角可达25°。 ⑷. 管形带式输送机U形带式输送带进一步的成槽,最后形成一个圆管状,即为管形带式输送机,因为输送带被卷成一个圆管,故可以实现闭密输送物料,可明显减轻粉状物料对环境的污染,并且可以实现弯曲运行。 ⑸.气垫式带输送机其输送带不是运行在托辊上的,而是在空气膜(气垫)上运行,省去了托辊,用不动的带有气孔的气室盘形槽和气室取代了运行的托辊, 运动部件的减少,总的等效质量减少,阻力减小,效率提高,并且运行平稳,可提高带速.但一般其运送物料的块度不超过300mm.增大物流断面的方法除了用托辊把输送带强压成槽形外,也可以改变输送带本身,把输送带的运载面做成垂直边的,并且带有横隔板.一般把垂直侧挡边作成波状,故称为波状带式输送机,这种机型适用于大倾角,倾角在30°以上,最大可达90°。

（6）.压带式带输送机它是用一条辅助带对物料施加压力.这种输送机的主要优点是:输送物料的最大倾角可达90°,运行速度可达6m/s,输送能力不随倾角的变化而变化,可实现松散物料和有毒物料的密闭输送.其主要缺点是结构复杂、输送

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带的磨损增大和能耗较大。 ⑺.钢绳牵引带式输送机它是无际绳运输与带式运输相结合的产物,既具有钢绳的高强度、牵引灵活的特点,又具有带式运输的连续、柔性的优点。

1..3 带式输送机的发展状况

目前带式输送机已广泛应用于国民经经济各个部门,近年来在露天矿和地下矿的联合运输系统中带式输送机又成为重要的组成部分.主要有:钢绳芯带式输送机、钢绳牵引胶带输送机和排弃场的连续输送设施等。

这些输送机的特点是输送能力大(可达30000t/h),适用范围广(可运送矿石,煤炭,岩石和各种粉状物料,特定条件下也可以运人),安全可靠,自动化程度高,设备维护检修容易,爬坡能力大(可达16°),经营费用低,由于缩短运输距离可节省基建投资。

目前,带式输送机的发展趋势是:大运输能力、大带宽、大倾角、增加单机长度和水平转弯,合理使用胶带张力,降低物料输送能耗,清理胶带的最佳方法等.我国已于1978年完成了钢绳芯带式输送机的定型设计.钢绳芯带式输送机的适用范围：适用于环境温度一般为°°C;在寒冷地区驱动站应有采暖设施; 可做水平运输,倾斜向上(16°)和向下运输,也可以转弯运输;运输距离长,单机输送可达15km; 可露天铺设,运输线可设防护罩或设通廊; 输送带伸长率为普通带的1/5左右;其使用寿命比普通胶带长;其成槽性好;运输距离大。

1.4 带式输送机的工作原理

带式输送机又称胶带运输机,其主要部件是输送带,亦称为胶带,输送带兼作牵引机构和承载机构.带式输送机组成及工作原理如图1-1所示,它主要包括一下几个部分:输送带(通常称为胶带) 、托辊及中间架、滚筒拉紧装置、制动装置、清扫装置和卸料装置等。

输送带1绕经传动滚筒2和机尾换向滚筒3形成一个无极的环形带.输送带的上、下两部分都支承在托辊上.拉紧装置5给输送带以正常运转所需要的拉紧力.工作时,传动滚筒通过它和输送带之间的摩擦力带动输送带运行.物料从装载点装到输送带上,形成连续运动的物流,在卸载点卸载.一般物料是装载到上带(承载段) 的上面,在机头滚筒(在此,即是传动滚筒)卸载,利用专门的卸载装置也可在中间卸载。

普通型带式输送机的机身的上带是用槽形托辊支撑,以增加物流断面积,下带为返回段(不承载的空带)一般下托辊为平托辊.带式输送机可用于水平、倾斜和垂直运输.对于普通型带式输送机倾斜向上运输,其倾斜角不超过18°,向下运输不超过15°。

输送带是带式输送机部件中最昂贵和最易磨损的部件.当输送磨损性强的物料时,如铁矿石等,输送带的耐久性要显著降低。

提高传动装置的牵引力可以从以下三个方面考虑：

（1）增大拉紧力。增加初张力可使输送带在传动滚筒分离点的张力增加，此法提高牵引力虽然是可行的。但因增大必须相应地增大输送带断面，这样导致传动装置的结构尺寸加大，是不经济的。故设计时不宜采用。但在运转中由于运输带伸长，张力减小，造成牵引力下降，可以利用拉紧装置适当地增大初张力，从而增大，以提高牵引力。

（2）增加围包角对需要牵引力较大的场合，可采用双滚筒传动，以增大围包

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角。 （3）增大摩擦系数其具体措施可在传动滚筒上覆盖摩擦系数较大的衬垫，以增大摩擦系数。

通过对上述传动原理的阐述可以看出，增大围包角是增大牵引力的有效方法。故在传动中拟采用这种方法。

1.5 带式输送机的结构和布置形式 带式输送机的结构

带式输送机主要由以下部件组成：头架、驱动装置、传动滚筒、尾架、托辊、中间架、尾部改向装置、卸载装置、清扫装置、安全保护装置等。 输送带是带式输送机的承载构件，带上的物料随输送带一起运行，物料根据需要可以在输送机的端部和中间部位卸下。输送带用旋转的托棍支撑，运行阻力小。带式输送机可沿水平或倾斜线路布置。

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·第一部分 传动装置的总体设计

·一. 选择电动机

已知工作机的转矩T（N`m）=780，和转速nw(r所需的有效功率为：

Tnw9550min)=145 ，则工作机

Pw78014511.843kw

9550求出工作机的有效功率，则电动机所需功率Pd为：

PdPw(kw）

为传动系统的总效率，按下式计算：

123n

总V带轴承齿轮轴承

=0.950.9850.970.9850.990.9850.96 =0.837 则Pd联轴器轴承滚筒Pw总11.84314.15（kw） 0.837查手册选电动机额定功率Ped15kw。

初选同步电机为1500r/min和1000r/min的电动机，对应于额定功率为15kw的电动机型号为Y160L-4和Y180L-6，现将Y160L-4和Y180L-6型电动机有关技术数据及相应算得的总传动比列下表： 方案号 电动机额定功同步转满载转总传动外伸轴轴外伸型号 率 /kw 1 Y160L-4 2 Y180L-4 方案比较可知，方案一选用的电动机转速高，质量轻，价格低，总传动比

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速/(r/min) 1500 速/(r/min) 1460 比i 直径长度D/mm 10.07 42 E/mm 110 15 15 1000 970 6.69 48 110

10.07，因其算V带的传动比，故其不算大，选方案一比较合理。

Y160L-4 i=nmPe15kw

nm=1460r/min H=160mm D=42mm E=110mm

·二 各级传动比分配

nw146010.07 145i=V带ii齿轮

查取闭式圆柱齿轮的传动比为3~5，取4。

10.07V带传动比iV带。 2.5175（皮带推荐传动比2~4）

4

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·第二部分 带式输送机传动装置计算

·2.1 V带的设计

已知电机功率P=15kw,转速n1=1460r/min,传动比i=2.5175，每天工作16小时。

·1 确定计算功率Pca

由表8-7查得工作情况系数KA=1.1，故 ·2 选择V带的类型 根据

PkcaAP1.1*1516.5。

pca ，n1，由图8-11选用B型。

·3 确定带轮的基准直径dd并验算带速V 1>初选小带轮基准直径dd1。

由表8-6和表8-8取小带轮的基准直径dd1=160mm。 2> 验算带速V。 按式（8-13）验算带速：

Vd1n1601000160146060100012.23m/s

因为5m/s计算大带轮基准直径。

根据式（8-15a）计算大带轮基准直径：dd2=idd1=2.5175160=402.8mm 根据表8-8，圆整为400mm。 ·4 确定V带中心距及基准长度Ld 1>根据式（8-20）初定中心距a0800mm。

2>由式（8-22）计算所需的基准长度：

Ld02a02(dd1dd2)(dd2dd1)4a02

28002(16040)04800240249mm 82由表8-2选带的基准长度Ld2500mm。 3> 按式8-23计算实际中心距a：

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aa024980LdLd280025002800mm 4 验算小带轮上的包角：

001180(dd2dd1)57.3a 00 =

18024057.3800

16301200 ·5 计算带的根数

1 计算单根V带的额定功率Pr。 由

dd1160mm和

n11460r/min差得

8-4a得

p03.62kw，n11460r/min,i2.5175和B型带，查得表8-4b得p00.46kw。

查表8-5得k0.956（插值法求得)。 表8-2得KL1.03于是： Pr(p0P0)KKL

=(3.62+0.46)0.9561.03 =4.0175kw 2 计算V带根数Z：

zPca5P16.r4.01754.11 根，取五根。

确定带的初拉力。

f05002.5kaPcaqminKv2

aZV5002.50.95616.5512.230.1812.2320.956

=245N 新安装V带 F01.5f0min367.5

3.压轴力Fp

Fp2zf0sin2

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根据

163o =25367.5sin=3635N

2传动系统的动力和动力参数 ：

传动系统的各轴转速，功率和转矩计算如下： 0轴（电机轴）：

nn0m=1460r/min

dp0p=14.15kw

T09550pn09550014.1592.56(Nm) 1460轴（减速器高速轴）：

n1460580r/mini2.5175ppp14.150.9513.4425kw

13.4425P95509550221.34NmT580nn110010010V带111： 2轴（减速器低速轴）

n580145r/mini4PP13.44250.9850.9712.844kw

12.844P95509550846NmT145nn221121122223轴 （j减速器高速轴）

n145r/minni pp12.8440.9850..990.9850.9611.84kw

P955011.84780Nm9550T145nn323233223333

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·2.2 齿轮的设计计算：

·1 选择齿轮类型，材料，齿数及精度等级 1>选用直尺圆柱齿轮传动。

2>运输机为一般工作机器，速度不高，精度要求不高，选8级精度。 3>材料选择 。

由《机械设计》表10-1选择小齿轮为45钢（调质），硬度为240HBS，大齿轮材

料45钢（正火），硬度为200HBS，二者材料硬度差为40HBS。 4> 选小齿轮齿数24，大齿轮齿数z2=424=96。 ·2 按齿面接触强度设计

KT1u1ZE32.32 由设计公式d1t duH2 确定公式内各数值：

1> 试选载荷系数Kt1.3。 2> 计算小齿轮传递的扭矩：

P195509550T1n114.1552.213410Nm 5803>由表10-7选取齿宽系数

d1。

4>由表10-6得材料的弹性系数ZE189.8Mpa。

5>由图10-21d按齿面接触硬度差得小齿轮的接触疲劳强度极限

Hlim=550Mpa，

大齿轮的接触疲劳极限Hlim510Mpa。 6>由式10-13计算应力循环次数：

N160n1jLh

=605801283008 =1.33610次

91.3361084.175N210次 3.29 第 12 页，共61页

K7> 由图10-19取接触疲劳寿命系数KHN1HN20.930.95

8>计算接触疲劳需用应力。

取失效概率为1%，安全系数1，由式（10-12）得：

KSHN1H1lim10.93550=511.5Mpa

KSHN2H2lim20.95510484.5Mpa

2 计算。

1> 试计算小齿轮分度圆直径d1t，带入H中较小的值：

KtT1u1ZE3d1t2.32uHd5 221.32.2134105189.83=2.32

14484.5=88.3mm

2>计算圆周速度V：

d1tn160100088.3580601000=2.68m/s

3>计算齿宽b：

bd1t188.388.3mm

d模数：

mtdZ1t188.33.68mm24齿高：h2.25mt2.253.688.28mm

b88.310.66h8.285> 就算载荷系数。

根据V=2.68m/s.,8级精度，由图10-8差得动载荷系数Kv=1.16。 直齿轮

KHKF1。

由表10-2查得使用系数KA=1。

由表10-4用插值法得8级精度，小齿轮，相对支撑对称布置：

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K由

H=1.357

b10.66，KH1.357查图10-13得KF1.3。 h故载荷系数KKAKVKHKH

=11.1611.357 =1.574

6> 按实际载荷校正分度圆直径，由式（10-10a）得：

d1td1t3KK88.33t1.57494mm 1.37> 计算模数md1z1943.92mm 24·3 按齿根弯曲强度设计

2KT1YFaYSa 弯曲强度的设计公式m32dZ1F2（1）确定公式内各数值。

1>由10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限疲劳强度极限FE2360Mpa。

1FE1380Mpa大齿轮的弯曲

KFN0.912>由图10-18取弯曲疲劳寿命系数

KFN0.9323>计算弯曲疲劳应力。

取弯曲疲劳安全系数S=1.4。

380KFNSFE0.91247Mpa1.4

360KFNSFE0.93239Mpa1.411F122F24>计算载荷系数K。

KKAKVKFKF11.1411.31.508

YFa2.655>查取齿形系数，由表10-5查得

YFa2.188126> 查取应力校正系数。

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YSa1.58由表10-5查得

YSa1.786127>计算大小齿轮的YFaYSa。

FYFaYSa2.651.580.01695211F1247YFaYFa

2F22.1881.7860.01635239大齿轮数值大 （2）设计计算

2KT1YFaYSa m32dZ1F21.5082.213410124250.0169 5=2.7mm

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数。由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳素决定的承载能力仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数2.7mm并就近圆整为标准值m=3mm，接触疲劳算得的分度圆直径d194mm，算出小齿轮齿数：

z1d1m9431 3大齿轮齿数z2431124。

这样的结构设计，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。

·4 几何尺寸计算 1 计算分度圆直径 ：

dzm31393mm dzm1243372mm11222 计算中心距 ：

dda12293372232.5mm 2 第 15 页，共61页

3 计算齿轮宽度 ：

b1dd119393mm

100mmb取 b93mm2·5 结构设计及草图绘制

图1 小齿轮结构草图 （m=3mm，Z=31）

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图2 大齿轮结构草图（m=3mm，Z=124）

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·2.3 轴的设计

·1 减速器高速轴的设计

n1460580r/mini2.51751.ppp14.150.9513.4425kw

13.4425P95509550221.34NmT580nn110010010V带1112.估算轴的最小直径

先按式（15-2）初步估算轴的最小直径，周材料45钢，调质处理，A0125 于是

dminpAn0311253113.442535.6mm 580考虑到高速轴最小直径处应与大皮带轮相连接，而采用平键链接，则轴的直径在最小直径的基础上还应扩大5%,并就近圆整得40mm。

图3 高速轴草图

·2 减速器低速轴设计

n145r/minnipp12.8440.9850..990.9850.9611.84kw

P955011.84780Nm9550T145nn332323223333 第 18 页，共61页

最小直径处取A0105。

dminpAn0321053212.84446.8 145与联轴器相连，有平键槽，扩大5%，即：

46.81.05=49.14mm，找到与其相配的联轴器（弹性柱销联轴器），查(GB/T5014-1985)选HL4型联轴器，半联轴器的孔径d150mm，故此轴最小直径处去50mm，半联轴器长度112mm，半联轴器与轴配合的轮毂长度84mm。

根据轴肩的确定方法，非定位轴肩增加1~2mm，定位轴肩增加0.07~0.1d确定轴的径向尺寸。轴向尺寸根据位置关系确定。

图4 低速轴草图

·2.4强度校核

·1 低速轴的强度校核

2T278010Ftd3724193N

0tan4193tan201526N FrFt3

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载荷 支反力 弯矩M 总弯矩 水平面 垂直面 FNH1FNH22096.5N FNV1FNV2763N MH170865Nmm M V62185Nmm MM2VMH222 61285170865181523Nmm扭矩

T=780000Nmm

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图5

caM1T318152320.6780000216.7Mpa

3W0.16722轴材料45刚，调质处理，轴校核完毕。 ·2 轴承校核

60Mpa，因1ca1，故此低速轴安全。

Fr =

F2NVFNH

222096.5763

2 =2231N

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F则

a0

arF0e FpfxFyF （x=1,y=0)

pra则pfpFr (

fp取1.2）

=1.22231 =2677

c5720010则 Lh101121304 h 60np601452677663球轴承3，滚子轴承'10。 3轴承的预期寿命Lh300824800h

LhLh，故轴承安全，验算完毕。

·3 键的校核

键的选择

联轴器处键选择 bhl161080 齿轮处键的选择 bhl201290 校核

2T10 联轴器处p kld278010 = 5645033' =97.5MPa<110MPa 此处安全。

2T10齿轮处 p kld278010 = 6706533 =57.14MPa<110MPa 此处安全。 键校核完毕。

经校核，零件强度都满足设计要求。

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·2.5 减速器箱体结构的尺寸确定 名称 箱体壁厚 箱盖壁厚 箱体凸缘厚度 箱盖凸缘厚度 箱体底凸缘厚度 地脚螺栓直径 轴承旁联接螺栓直径 箱盖与箱体联接螺栓直径 轴承端盖螺钉直径 窥视孔盖螺钉直径 地脚螺栓数目 定位销直径 大齿轮顶圆距内壁距离 箱盖箱体肋厚 轴承端盖外径 螺栓扳手空间与凸缘宽度 安装螺栓直径 M8 mm M10 mm 尺寸（mm） 8 8 12 12 20 20 16 12 10 8 4 8 10 8 D+(5~5.5)轴承旁端盖螺钉直径 M12 mm M16 mm M20 mm M24 mm dC x 至外箱壁距离 至凸缘边距离 沉头座直径 13 1min16 18 22 26 34 CD11 2min14 16 20 24 28 20 24 26 32 40 48 cmin

表1

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·第三部分 传动装置三维建模分析

·3.1 Solidworks简介

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名，从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖

第一个基于Windows平台的三维机械CAD软件 第一个创造了FeatureManager特征管理员的设计思想 第一个在Windows平台下实现的自顶向下的设计方法 第一个实现动态装配干涉检查的CAD软件 第一个实现智能化装配的CAD公司

第一个开发特征自动识别FeatureWorks的软件公司

第一个开发基于Internet的电子图板发布工具(eDrawing)的CAD公司 等等

由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以原来一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。

功能描述

1、Top Down(自顶向下)的设计

自顶向下的设计是指在装配环境下进行相关设计子部件的能力，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。

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用户可以在装配布局图做好的情况下，进行设计其它零部件，并保证布局图、零部件之间全自动完全相关，一旦修改其中一部分，其它与之相关的模型、尺寸等自动更新，不需要人工参与。

2、Down Top (自下向上)的设计

自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件后，运用装配关系把各个零部件组合成产品的设计能力，在装配关系定制好之后，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。

用户可以在产品的装配图做好后，可以设计其它零部件、添加装配关系，并保证零部件之间全自动完全相关，一旦修改其中一部分，其它与之相关的模型、尺寸等自动更新，不需要人工参与。

3、配置管理

在SolidWorks 中，用户可利用配置功能在单一的零件和装配体文档内创建零件或装配体的多个变种(即系列零件和装配体族)，而其多个个体又可以同时显示在同一总装配体中。其它同类软件无法在同一装配体中同时显示一个零件的多个个体，其它同类软件也无法创建装配体族。具体应用表现在：

3．1．设计中经常需要修改和重复设计，并需要随时考查和预览同一零部件的不同设计方案和设计阶段，或者记录下零部件在不同尺寸时的状态或不同的部件组合方案，而不同的状态和方案又可同时在一张工程图或总装配体内同时显示出来，因而SolidWorks 利用配置很好地捕捉了实际设计过程中的修改和变化，满足了各种设计需求。

3．2．特定的设计过程如钣金折弯的状态和零件的铸造毛坯还是加工后的状态可从单一零件文档中浏览或描述在同一工程图中， 其它同类软件只有通过使用派生零件的方法才能实现。

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3．3．图形显示和性能方面，利用配置功能SolidWorks 可通过隐藏/显示和压缩等手段实现同一部件的不同个体显示在同一总装配体中，而其它同类软件是无法做到的，即在其它同类软件的装配体内，一个部件的所有实例必须是相同的。这将大大降低显示性能。

3．4．配置提供了便于创新的结构化平台，帮助工程师扩充功能达到了新的高度。SolidWorks 的管道设计模块就是利用配置管理的功能，工程师只要通过简单的拖拉操作即可实现自动找出与已有管接头尺寸完全配合的管道规格，而无须事先指定相应尺寸规格的管道，也正是基于配置； SolidWorks 方便地实现了有孔时自动从标准件库中找到合适尺寸的螺栓与之配合，同时又找到相应规格的螺母和垫圈与螺栓配合； SolidWorks 之模具模块也是利用了配置来管理其模架库；SolidWorks 还利用配置技术创建了一基于INTERNET的三维产品目录管理和交付服务的实时在线3D网站(Partstream.Net); SolidWorks 中所提供高级功能如Smartparts,柔性化的子装配以及交替位置视图等也都是因为有了配置才有了实现的可能。其它同类软件的固有结构决定他们不能支持功能强大的配置管理。

SolidWork，是一套优秀的CAD／CAE／CAM集成软件，采用了用户熟悉的windows操作界面，以功能强大、技术创新、易学易用、价格适中等优点吸引了越来越多的工程技术人员和高等院校师生。《SolidWorks2009基础教程》以SolidWorks2009为基础，详细介绍了SolidW01．ks的基本功能与工程应用，内容主要包括SolidWorks基础知识、环境设置、操作风格、草图绘制、特征造型、装配体设计、钣金设计、工程图设计以及一些工程中常用的功能，如质量属性、干涉检查、爆炸图等。

SolidWorks减速器零件三位建模

·3.2 零件建模

·3.2.1轴三维建模的形成

在SolidWorks中，阶梯轴的形成比较容易实现，可以逐节拉伸形成，也可以完成界面的纵截面草图，然后一次旋转完成，轴的三维模型如图。

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方式一，通过逐步完成草图绘制及凸台拉伸 1 画第一节的直径，R20

图6

2 特征 拉伸凸台

图7

3 第二节的直径

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图8

4 拉伸凸台

图9

方式二，通过草图旋转而得，此方法简单实用。 2.1画整段轴的草图

图10

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2.2 草图沿基准轴旋转凸台

图11

2.3 生成零件

图12

拉伸切除，以键槽为例

根据键的位置，建一个新的基准面

图13

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在新的基准面上画键投影图，

注意此时的草图应为闭合，否则不能拉伸

图14

通过拉伸切除，造出键的特征

图15

·3.2.2 箱体的三维建模形成

由于箱体的三维模型比较复杂，首先运用了拉伸，切除，筋板，镜像，阵列等特征，形成下箱体的三维模型。如图

异型孔的添加实例

在指定位置，插入异型孔特征。

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图16

通过多组拉伸切除，拉伸，筋板，镜像，造型出箱体模型

图17

·3.2.3 箱盖的三维建模形成

箱盖的三维建模基本上跟箱体的形成是差不多的，也是通过拉伸，切除，镜像，阵列等特征形成。箱盖如图

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图18

·3.2.4其他零件的三维模型造型

游标，视孔盖，等都很简单，都是可以拉伸，切除等特征，在此不赘述。

另外，SolidWorks里toolbox里包含了各种传动件，螺栓，螺母，螺钉，轴承等数据，可直接调用输入自己参数即可。

轴承的建模，从toolbox中选择轴承，滚动轴承

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图19

输入轴承的型号，6210,02系列

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图20

齿轮的建模，从toolbox中选择动力传动，齿轮。输入齿轮模数3，齿数124，内孔直径，有键槽

图21

起盖螺钉的建模 输入螺钉直径

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图22

从toolbox中选GB螺栓和螺母建模，输入螺栓螺母直径

图23

·3.3 零件装配

装配通过一个中心线重合，面重合或给定距离来配合圆弧曲面的零件。

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插入零件后，选择两圆弧曲面的基准轴，使其重合。

图24

在选中两个平面，重合或者给定距离。可通过配合方向调整方向。

图25

对于非圆弧面的零件，用三个面重合或给定距离来装配。

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图26

图27

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图28

此两种方式最为基本，也最为常用。其他零件均可通过这两种方式来配合。再次不再详细。

·3.4三维向二维的转换

SolidWorks作为一套功能强大的计算机辅助绘图和设计软件，可以建立零件的三维实体图，三维装配体图及二维工程图，且大多数生产一线的工程技术人员对二维绘图软件，如autocad，caxa电子图版，等更加熟悉，而且二维软件在绘制，尤其是标注装配体，零件图时，具有独特的优势。所以，充分利用SolidWorks和二维图之间的转换，把SolidWorks自动生成的工程视图与二维软件的标注结合起来，达到“以二维之长补三维之短”的目的。一下是三维建模生成二维工程图的详细过程。

在SolidWorks中生成二维工程图。在SolidWorks中的新建模板中，新建一个工程图模板，打开工程图工具条，在工程图工具条中点击“新建”按钮，并在作图区域中单击右键，“从文件中选择”，确认要生成工程图的三维模型，并选择要形成工程图的视图方向；在绘制区域内单击左键，以确定图形位置，单击“确

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定，完成工程图的绘制，并将其保存为“dwg/dxf”格式的文件。

图29

选用标准图纸，或自定义图纸大小

图30

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打开需要生成工程图的零件，并将其拖入此工程图。左键确定位置，继续移动鼠标，会显示鼠标移动方向的视图。从而确定所需工程图。

图31

此外，还可通过上方的工具来分析剖视图。也可标注此装配体的零件及其名称。因此图还将在CAD中修改，故在此未标注零件序号及名称。

·第四部分 传动装置运动仿真分析

·4.1 SolidWorks motion 介绍

与SolidWorks 3D CAD软件完全集成的运动学和动力学模拟，SolidWorks motion 是一个供SolidWorks用户使用的全功能虚拟原型机仿真软件包。它以20来年来一直处于世界领先地位的ADMAX技术为依托，涵盖了所有必要的功能，可让用户在设计方案之前做到胸有成竹。

SolidWorks Motion可以模拟机动化装配体的的机械动作以及它们产生的作用力。它还可以确定各种相关因素，如能量消耗、运动零件之是的干涉以及抗压力。设计人员可借助SolidWorks Motion了解其设计方案将在何时失效、零件将在何时断裂，以及它们是否存在安全隐患。

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SolidWorks的强大功能得到了充分利用 您可以利用SolidWorks一流的功能创建逼真的3D实体模型，以此来表示零件的形状。通过创建装配体的3D实体，您可以明确地了解这些零件能否相互接合。SolidWorks Motion可让您在制作任何实体的原型机之前了解自己设计方案的功能。所有这些工作都是在熟悉的SolidWorks环境中进行的。

运动模拟过程得到进一步简化，既迅速又简便。利用SolidWorks Motion，您可以首先创建运动模型，其中包含约束、接触面、作用力和驱动器。然后再使用世界上最强大的模拟引擎ADAMS来模拟机机械运动。最后，审阅动画结果、绘制工程数据图，并检查干涉情况。

成本和时间都大幅度减少 SolidWorks Motion客户在第一个项目中就能够收回软件成本，这正是本软件包的点晴之处。SolidWorks Motion客户可以大幅降低原型机仿真的成本，并缩短产品开发时间。此外，客户通常还关注一些定性的好处，例如有能力考虑更多设计、降低风险，以及在设计初期提供重要信息的能力等等。

·4.2 两齿轮啮合的运动仿真

1 插入零部件，大齿轮。

图32

2.插入零部件，小齿轮。

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图33

3.首先实施标准配合，两面之间的距离是3mm。

图34

4.两基准轴之间的距离是232.5mm。

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图35

5.此时要注意，马上要进入机械配合，此时应将第一个插入零件，此例中为大齿轮，由固定改为浮动。

图36

6 机械配合，选择两齿轮的轴心线，比率为传动比的倒数。

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图37

7.装配完成后，此时添加马达。在运动算例中点马达。选择小齿轮齿顶圆平面为方向，速度设置根据要求。此转速为动画演示时选用的。

图38

8 完成后，单击计算。动画运行。另附此实例的动画情况。

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图39

·4.3装配体的运动仿真

装配体中的运动仿真，其配合步骤跟上面两个齿轮配合步骤一致，为了便于选取实体，应将装配体的箱盖部分隐藏。因其装配体中齿轮和键存在配合，键和轴又存在配合，故当齿轮转动的时候会带动轴一起旋转。

在此附上装配体中的运动仿真

·第五部分 传动装置关键部件有限元分析

·5.1 SolidWorks Simulation Professional介绍

SolidWorks Simulation Professional 对零件和装配体进行虚拟测试和分析

除了 SolidWorks Simulation 软件包含的设计模拟功能之外，SolidWorks SimulationProfessional 还提供了可以完成虚拟测试环境和优化实证设计的工具。

研究并优化各种大小的装配体：

• 评估接触零件之间的各种力和应力，包括摩擦力。 • 接合具有间隙或缝隙的零部件，无需进行修改。 • 应用轴承载荷、力、压力及转矩。

• 使用接头或虚拟扣件对螺栓、销钉、弹簧和轴承建模。

• 使用自定义网格诊断工具（包括网格过渡和局部网格控制）对零件和装配体进行网格划分。

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SolidWorks 根据要求自动细化和/ 或粗糙化网格，以生成精确的解决方案。

了解温度变化对零件和装配体的影响： • 研究传导、对流及辐射热传递。

• 利用各向同性材料、正交各向异性材料及随温度变化的材料的属性。 模拟设计中的振动或扭曲：

• 分析振动的或不稳定的模式如何缩短设备寿命并导致意外故障。 • 评估外部载荷导致的硬化对频率响应或扭曲响应的影响。 优化关键尺寸和概念设计特征：

自动优化设计以实现最小的质量或体积以及扭曲和频率目标。

研究在静态分析、热分析、频率分析或扭曲分析中所有的 SolidWorks 尺寸。 利用趋势跟踪器和设计洞察力图解在工作时做出最优更改。 使用您的零件或装配体模拟掉落测试： 孤立最不利方向，以支持物理测试。 观察撞击后装配体中各个零件间的交互作用。 研究循环荷载对产品寿命的影响:

观察疲劳对零件或装配体的影响，确定它持续的时间以及对设计进行哪些方面的更改

可延长零件或装配体的工作寿命：

检查系统的预期寿命或在指定数量的周期后的累积损坏。 导入从真实物理测试获得的载荷历史数据，从而定义载荷事件。 检查压力容器规范是否符合所需标准：

根据应用程序要求，对各种结构载荷和热载荷进行组合。 线性化任何横截面上的应力。

·5.2 啮合齿轮的有限元分析

1.选择齿轮材料为普通碳钢。

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图40

2.为齿轮添加约束。

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图41

3.为齿轮添加外载荷，数值为之前计算结果。

图42

4.分析，运行。

5.输出结果。

5.1安全系数图解

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图43

5.2 静态位移图解

图44

5.3 静态节应力图解

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图45

大齿轮分析结果

1 安全系数图解

图46

2 静态位移图解

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图47

3 静态节应力图解

图48

分析可知，小齿轮受力最大，最大应力为0.394*10强度为2.2059*10

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88N/m2,而材料的屈服

N/m2，最大应力远远小于屈服力，故两齿轮安全。

·5.3 低速轴应力有限元分析

选择低速轴材料为普通碳钢

图49

为其选择约束位置，分别位于安装齿轮处和联轴器处

图50

为其确定约束，分别承受径向力和周向力

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图51

运行，计算，得出结果

图52

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图53

分析可知，此低速轴受的最大应力为1.481*10为2.206*1088N/m2，而材料的屈服强度

N/m2，最大应力小于屈服强度。故此低速轴是安全的。

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·第六部分 结论与展望

计算机辅助设计即C AD技术已成为企业提高创新能力，提高产品开发能力，增强企业适应市场需求能力的一项关键技术。CAD技术是一门集计算机，图形学，工程分析，模拟仿真，数据库和网络等各项科学技术于一体的综合技术。现代企业的发展要求机械工程技术人员有很强的计算机辅助设计能力，能够用CAD系统进行工程制图和产品的开发设计。

SolidWorks是第一个可以在windows系统中使用的三维机械设计软件，该软件将各个专业领域世界级顶尖产品链接在一起，因此具备全面的实体建模功能，可快速生成完整的工程图，还具有模具制造及计算机辅助工程的功能。其三维实体建模具有易教，易学，易用的特点，因此越来越多的工程技术人员开始使用SolidWorks。

下一代的CAD软件将结合新兴的计算机软硬件技术，在交互技术、网络化、图形加速技术和三维打印等方面有突破性应用进展。

早在2000年，国内三维CAD技术研发、应用的倡导者和先驱者之一北京航空航天大学的唐荣锡教授就曾撰文描绘过下一代的CAD软件技术，他在文中天马行空般地预言，下一代CAD技术将具备网络化、智能化、自动化和数据库化等特征。这些预言对于当时刚刚开始接触三维CAD软件的国内用户而言，无异于“天方夜谭”。时隔九年，三维CAD软件在网络协同、数据管理和自动化设计等方面已经有了长足的进步，一一印证了当年唐教授的预言。

旧的预言获得应验，而记者在solidworks 2009大会上又与新的预言不期而遇。在第二天大会的主题演讲中，面对4000多名来宾，DS SolidWorks公司的创始人之一、三维CAD软件领域的传奇人物Jon Hirschtick先生预言：下一代的CAD软件将结合新兴的计算机软硬件技术，在交互技术、网络化、图形加速技术和三维打印等方面有突破性应用进展。为了证明预言的切实性，Jon向人们展示了几段非常有趣、神奇的视频和两件产品的设计原型。Jon的预言无疑是当天、乃至整个会议的亮点之一，此后，在各个分会场和媒体中心，记者经常能看到、听到率真的欧美工程师和媒体工作者在讨论Jon的预言。

CAD软件将引入新的交互技术。从计算机辅助设计技术诞生以来，人们就必须通过键盘、鼠标这些输入、指点设备与计算机进行交互，以完成设计工作。20多年来，无论是UNIX小型机还是Windows PC，这种交互方式从未有过本质的改变。Jon说：“下一代的CAD技术将颠覆传统的交互方式”。他以iPHONE

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为例，介绍了新的多点触摸交互技术在CAD软件中的应用前景。利用多点触摸交互技术，用户可以随意使用手指或手写笔在屏幕上完成草图绘制、零件建模和装配等任何操作，计算机则智能地识别用户的各类手势，执行相应的指令。而且，用户可以双手同时，甚至多人、多手同时进行触摸交互操作，而不互相干扰。一段简短的视频展示了两个用户同时在一片触摸屏上用手指行云流水般勾画草图曲线，并通过点按等手势完成曲线的相交、剪切操作。如果读者对触摸交互操作没有太多感性认识的话，Jon现场播放的电影《钢铁侠》片段则更能说明触摸技术的神奇之处。主角强尼通过各种手势直接编辑虚拟三维空间中的机械装甲模型，物理意义的鼠标和键盘完全被舍弃了。

图1 工程人员正直接用手控制屏幕上的三维模型

图54

事实上，这种交互技术的实用化并不遥远。2010年底即将发布的Windows 7操作系统将支持丰富的触摸操作指令，2010-2011年内，大量的图形工作站、笔记本电脑甚至普通PC将配备高解析度、灵敏度的触摸屏，而SolidWorks实验室也在尝试将新的交互技术融入到SolidWorks的新版本软件中。通过各种手势和触摸实现交互操作，在简化交互设备的同时，却极大地丰富了交互操作所能传递的信息量，进而解放用户的思维，激发设计者丰富的想象力，促进创新设计在效率和质量上的双重提高。我们可以想象，未来几年后，工程师学习和使用SolidWorks不再需要掌握大量的菜单和指令，而仅仅需要学会如何利用双手“勾画、触摸、移动、组合和拆分”哪些虚拟的图线、模型，略显枯燥的设计工作将成为一种十分有趣的“活动”！

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CAD软件的全面网络化。相比交互技术的实用化，Jon所预言的“CAD软件的网络化”似乎就在眼前。我们在日常工作中其实都在使用网络化的软件。例如，当我们使用即时通讯软件Msn的时候，我们仅仅在本机运行客户端程序，而安装在服务器端的应用程序则负责数据的接受、存储和传递工作，客户端和服务器端的程序通过网络进行交互，Msn的主要部分就是网络化的。如果你使用过SUN公司新版本的Open office软件，你就会发现这套Office程序是可以完全运行在网络服务器上的，用户通过网络浏览器插件就可以远程启动程序，并远程读取、编辑修改和存储文件，多个用户可以同时启动网络office程序，也可以同时对同一文件进行操作，却不会相互干扰，这是完全网络化的Office软件。

在网络世界中，网络就是软件，而软件将完全网络化，人们将像使用浏览器那样使用应用软件，其中就包括CAD软件。这就是Jon所预言的“CAD软件网络化”的真意。Jon的这条预言已经非常切实，因为，他在现场就展示了网络化运行的 SolidWorks软件。他从浏览器界面登陆远程的SolidWorks应用，并开始进行设计操作，完全与本地运行、使用SolidWorks软件一样！他说：“设计软件的网络化可以进一步降低设计的难度，也可以节约企业的计算资源和成本。”让我们再来设想一想，也许就在SolidWorks的下一个版本，用户可以完全摈弃性能强大，却能耗高昂、体型宽大的台式图形工作站，在任何时间、任何地点，只要有足够的网络带宽连接，使用轻便的瘦客户机或Mini笔记本就可以登陆和使用服务器端的SolidWorks软件，而大量的数据也可以集中由服务器端的PDM系统进行管理。软件版本的升级也不再需要重复安装单个节点，直接一次性部署、配置服务器端程序即可。一切都简单了！

新型图形物理加速技术——PhysX的应用。PhysX是一套由 NVIDIA 公司设计的执行复杂物理运算的技术，这项技术允许计算机利用NVIDIA GeForce显卡的显示核心（GPU）承担原本由CPU负责的图形物理运算任务（PhysX是AGEIA公司的技术，NVIDIA收购了前者）。目前，普通计算机的CPU主要是双核和四核，并允许使用多线程技术并行地执行多个系统任务。而早在几年前，NVIDIA GeForce的图形计算核心GPU就已经包含了数十、甚至数百个核心了，可以高效地完成并行计算任务。因此，GPU的集成度和并行计算潜力比CPU强大得多。为此，NVIDIA 公司提供了PhysX技术，允许软件开发商调用NVIDIA GeForce显卡的GPU辅助CPU完成复杂的图形物理运算任务，以降低系统负荷，提高并行运算效率。

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最早提出PhysX技术的时候，其主要的应用对象是娱乐和游戏，特别是三维游戏和动画，利用GPU的超强计算能力，很多三维游戏实现了更为惊人真实的图形效果，如大爆炸后四处飞舞的烟尘、碎片，雨滴溅射在物体表面再四处弹开等等，这些图形表现的背后有着复杂的物理模拟和运算过程，原本由CPU完成计算任务是不堪重负的。

现在，Jon预言，PhysX技术也将和CAD图形技术相结合，以挖掘GPU的计算潜力，帮助CAD软件实现更为高效的三维图形物理计算、几何体渲染和图形互动操作。

三维打印技术加强设计体验 在Jon演讲期间，他着重展示了包括New banlance运动鞋楦（New banlance是美国运动鞋品牌，在美国本土的用户群很广泛，在国内也有制造和销售）和索爱手机在内的两个设计原型。他指出，这两个逼真的设计原型是通过一种三维打印机直接在设计阶段打印出来的，以便帮助设计师和用户更好地体验设计方案，及时进行修正。Jon说：“三维CAD技术和三维打印机相结合，将改变设计流程，将真实感的设计体验提前到设计的早期，甚至提前到概念设计、方案设计阶段。” Jon提到的三维打印机是由美国ZCorp公司提供的，这种名为Zprinter的三维打印机脱胎于粉末堆积成型原理的快速原型设备，但却实现了小型化、低噪音、低污染和色彩化，可以放置在设计办公室内配合SolidWorks一起使用。SolidWorks的三维模型经过简单的简化处理，就可以像使用普通打印机一样，使用Zprinter打印出真实感的三维模型。Zprinter可以使用普通的HP打印机彩色墨盒，打印出具有丰富色彩的三维模型。这些模型可以直接用于设计讨论、原型验证和市场宣传等目的。索爱的设计师说：“每一款手机在设计过程中都需要制作多个原型，现在使用SolidWorks软件配合三维打印机，原型制作的周期大大缩短，难度也降低了。” Jon展示的索爱手机模型和New banlance运动鞋楦都是彩色模型。

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图55 SolidWorks虚拟模型可以直接打印成原型件

Jon的四大预言均是依托现有技术基础，结合CAD技术未来一段时间的用户需求有感而发，非常切实，几乎有望在下两个版本内的SolidWorks软件中逐步实现，我们期待着Jon的预言实现，因为，他的预言也是我们的梦想。

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·致 谢

毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。

本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校——重庆工商大学，是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感谢机械工程学院的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理；尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的王立存老师，每有问题，老师总是耐心的解答，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；还要感谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟姐妹的情谊。

感谢父母多年的养育和教导！正是他们辛辛苦苦将我养育，感谢他们这么些年来默默的支持和奉献。

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·参考文献

[1] 《机械设计基础课程设计指导书》. 高等教育出版社. 2007 [2] 《机械设计课程设计》.许瑛主编. 北京大学出版社. 2008 [3] 《机电与数控专业英语》.机械工业出版社

[4] 《UG机械设计工程范例教程》.袁锋主编.机械工业出版社. [5] 《机械设计课程设计》.于惠力、张春宜、潘承怡主编.科学出版社. [6] 《机械制图》. 机械工业出版社. 2005

[7] 《机械设计课程设计手册》.吴宗泽、罗圣国主编.北京：高等教育出版社.1999.6

[8] 《机械设计》.濮良贵、纪名刚主编.高等教育出版社。 [9] 《机械设计课程设计图册》.龚桂义主编.高等教育出版社。 [10] 《机械设计综合课程设计》.王大康主编.机械工业出版社。 [11] 《机械设计基础课程设计指导书》.张锦明.东南大学出版社。 [12] 《SolidWorks机械设计实用教程》.侯永涛、 黄娟 .化学工业出版社 [13] 《SolidWorks有限元分析实例解析》.江洪、陈燎、王智.机械工业出版社

[14] 《几何公差与测量》.甘永立主编.上海科学技术出版社 [15] 《机械设计》.濮良贵 、纪名刚主编.高等教育出版社 [16] 《机械设计课程设计图册》.龚溎义主编.高等教育出版社

[17] 《机械设计课程设计手册第二版》吴宗泽、罗圣国主编.高等教育出版社 [18] 《SolidWorks2009中文版机械设计从入门到精通》.康士廷 .机械工业出版社

[19] http://www.baisi.org/forum-64-1.html

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