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虛擬樣機技術在液壓支架設計制造中的應用
發布時間：2017-11-22
設計人員通過虛擬制造技術建立液壓支架的虛擬樣機,其設計思想可以完全地在計算機屏幕上動態地顯示出來,借助友好的交互式界面進行設計,觀察支架的外觀和結構,檢查其各個組成部分,根據需要可以方便地對其中任何一個零件進行修改?；谔摂M樣機,設計人員可以對支架進行加工仿真,檢驗零件的可加工性及可裝配性。設計人員還可以對煤礦井下實際采煤條件進行仿真,模擬液壓支架在實際工作環境下的運動學和動力學性能,檢驗其是否可以安全可靠地工作[1]。
在各個階段的仿真中如果發現問題,都可以及時修改以得到更優化的設計。如可以采用虛擬制造技術建立液壓支架三維數字化模型,再通過仿真液壓支架在井下工作的情況做出頂梁在載荷作用下的應力云圖,根據應力云圖可以判斷支架結構是否合理,以進行結構改進并進行優化設計[2]。
虛擬樣機技術作為一種全新的集成化產品設計和開發手段,可以貫穿于液壓支架的設計、生產、評估、使用的全生命周期中,使設計者、制造者和使用者之間的聯系更為密切有效。虛擬樣機技術具有優化分析、虛擬仿真、事前驗證等技術特點,通過虛擬樣機代替物理模型來對產品進行創新、測試和評估,可以有效地提高液壓支架對煤礦井下實際開采條件的適應能力,大大減少物理樣機的試驗次數,大幅度提高產品一次交驗合格率,顯著縮短新型支架的開發周期,提高企業經濟效益。通過實施虛擬樣機術,還可為企業建立良好的信息化基礎設施,培養一支掌握現代化設計、管理方法和手段,具有開拓創新精神的高素質技術人員隊伍和管理人員隊伍。
1研究方法
對于虛擬樣機系統而言,一般應主要包括三維模型建立系統、靜強度分析系統、運動仿真系統、動力學分析系統、產品壽命評估系統等內容[3]。
2技術路線
1)液壓支架虛擬樣機技術總體技術路線采用以SOLIDWORKS/PROE三維建模平臺,選取AN-SYS(機械結構的靜力分析) /FLUENT(液壓支架中流體的動態分析)作為靜力分析模塊,選取ADAMS作為運動仿真軟件,構建一個液壓支架虛擬樣機系統。首先利用建模工具建立機械系統的二維及三維實體模型,然后運用具體的分析軟件來對機構進行運動學仿真、系統動力學計算和仿真、產品壽命評估、系統的性能分析和評估等,然后改進樣機設計方案,用數字化形式代替傳統的實物樣機試驗,設計模塊如圖1。
2)液壓系統虛擬樣機技術詳細技術路線液壓系統的虛擬樣機技術的基礎是CAD/CAM、系統仿真和虛擬現實技術,具體模塊實現過程如圖2和圖3。
3)系統樣機試驗模塊如圖4。
3可行性分析
對于支架設計單位,開發整個液壓支架虛擬樣機系統(包括內核、界面、接口以及底層技術等)是不現實的,最為可行的方法就是購買一些成熟商業軟件或在其基礎上進行二次開發[4]。
從技術角度來說,有2種方法可以實現上述目標。一種方法是將上述所有各功能集成在1個軟件系統內,各功能模塊以軟件包的形式存在于軟件系統內。這種方法看似簡單易行,但由于涉及的內容龐雜,實現起來很困難。另一種方法就是選用不同軟件,保證各軟件之間能夠無縫兼容,每個軟件至少能夠滿足虛擬樣機1個功能,這種方法看似復雜,但實現起來較為簡單。因為目前針對三維建模、靜強度分析、運動仿真等問題,市場上都有成熟的商業軟件,需要做的工作就是開發一個通用數據接口用以進行交換數據即可。
目前機械工程中常說的虛擬樣機系統是由美國MDI(MechanicalDynamics Ins. )公司開發的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis ofMechanical System)機械系統動力學仿真分析軟件系統。該系統使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力學庫,創建完全參數化的機械系統幾何模型,采用多剛體系統動力學理論的拉格朗日方程建立系統動力學方程,對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析[5]。因此,單從技術角度而言,ADAMS軟件系統足以勝任液壓支架的虛擬樣機工作。但是由于以下幾個方面的原因,阻礙了其在液壓支架中的應用:
1)該軟件系統造型功能較弱,難以用其創建具有復雜特征的零件,用其進行液壓支架模型構建是不現實的。
2)二維建模軟件接口能力較弱。ADAMS/View雖然支持多種數據接口,如STEP, IGES,DWG等,但并不識別其它CAD系統的裝配定義,如對齊、插入、貼合等。因此,只能將機構中的零件分別傳送,并為它們建立相同的坐標系,才能保證各零件在裝配中的位置,這種方法效率低且很不準確。除了與Pro/E有接口外,并沒有為中小型三維建模軟件如SolidWorks, SolidEdge等提供接口,通用性不強。
3)該軟件主要側重于機構分析,如系統運動學、動力學分析與仿真。而液壓支架在工作時主要以靜力狀態存在,上述這些運算,對液壓支架設計意義不大。
4)該軟件系統價格昂貴,投資費用較大。經過分析研究,發現選用SolidWorks構建支架三維實體模型,同時以SolidWorks為依托,結合靜強度分析、運動學仿真、動力學分析、產品壽命評估等軟件,組成一個軟件集成系統作為液壓支架虛擬樣機設計系統較為可行。這樣對虛擬樣機而言,建模軟件是以支撐平臺的形式存在的,各功能軟件并行于該建模平臺之上。
4試驗方案
根據上面分析,液壓支架虛擬樣機的構建有以下幾個方案。
1)選擇SolidWorks作為三維建模平臺,選取Cosmos/Works作為靜力分析模塊,選取Cosmos/motion, DDM, SimpleMotion和VisualNastran Desk-Top其中之一作為運動仿真模塊。
2)選擇SolidWorks作三維建模平臺,選取De-signSpace作為靜力分析模塊,選取Cosmos/motion,DDM, SimpleMotion和VisualNastran DeskTop其中之一作為運動仿真模塊。
3)選擇SolidWorks作三維建模平臺,選取Vis-ualNastran DeskTop作為靜力分析模塊和運動仿真模塊。
以上幾個方案以方案3最為經濟,考慮到設計要求的不同,可以根據需要任選其一即可。
5結語
應用虛擬樣機技術,不必再走基于傳統的物理樣機開發模式,使設計人員能夠在設計初期就發現設計缺陷,并能方便地調出其中任何一個零件進行反復修改。虛擬樣機的使用,大幅度縮短了液壓支架的設計周期,提高了支架的設計效率和設計質量。與物理樣機相比,在相同條件下,虛擬樣機技術能夠使液壓支架結構的設計更為合理并且更加經濟安全。相信在未來的過程領域,虛擬樣機技術會越來越受到重視。
摘自：中國計量測控網
