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虚拟样机技术在液压支架设计制造中的应用
发布时间：2017-11-22
设计人员通过虚拟制造技术建立液压支架的虚拟样机,其设计思想可以完全地在计算机屏幕上动态地显示出来,借助友好的交互式界面进行设计,观察支架的外观和结构,检查其各个组成部分,根据需要可以方便地对其中任何一个零件进行修改。基于虚拟样机,设计人员可以对支架进行加工仿真,检验零件的可加工性及可装配性。设计人员还可以对煤矿井下实际采煤条件进行仿真,模拟液压支架在实际工作环境下的运动学和动力学性能,检验其是否可以安全可靠地工作[1]。
在各个阶段的仿真中如果发现问题,都可以及时修改以得到更优化的设计。如可以采用虚拟制造技术建立液压支架三维数字化模型,再通过仿真液压支架在井下工作的情况做出顶梁在载荷作用下的应力云图,根据应力云图可以判断支架结构是否合理,以进行结构改进并进行优化设计[2]。
虚拟样机技术作为一种全新的集成化产品设计和开发手段,可以贯穿于液压支架的设计、生产、评估、使用的全生命周期中,使设计者、制造者和使用者之间的联系更为密切有效。虚拟样机技术具有优化分析、虚拟仿真、事前验证等技术特点,通过虚拟样机代替物理模型来对产品进行创新、测试和评估,可以有效地提高液压支架对煤矿井下实际开采条件的适应能力,大大减少物理样机的试验次数,大幅度提高产品一次交验合格率,显著缩短新型支架的开发周期,提高企业经济效益。通过实施虚拟样机术,还可为企业建立良好的信息化基础设施,培养一支掌握现代化设计、管理方法和手段,具有开拓创新精神的高素质技术人员队伍和管理人员队伍。
1研究方法
对于虚拟样机系统而言,一般应主要包括三维模型建立系统、静强度分析系统、运动仿真系统、动力学分析系统、产品寿命评估系统等内容[3]。
2技术路线
1)液压支架虚拟样机技术总体技术路线采用以SOLIDWORKS/PROE三维建模平台,选取AN-SYS(机械结构的静力分析) /FLUENT(液压支架中流体的动态分析)作为静力分析模块,选取ADAMS作为运动仿真软件,构建一个液压支架虚拟样机系统。首先利用建模工具建立机械系统的二维及三维实体模型,然后运用具体的分析软件来对机构进行运动学仿真、系统动力学计算和仿真、产品寿命评估、系统的性能分析和评估等,然后改进样机设计方案,用数字化形式代替传统的实物样机试验,设计模块如图1。
2)液压系统虚拟样机技术详细技术路线液压系统的虚拟样机技术的基础是CAD/CAM、系统仿真和虚拟现实技术,具体模块实现过程如图2和图3。
3)系统样机试验模块如图4。
3可行性分析
对于支架设计单位,开发整个液压支架虚拟样机系统(包括内核、界面、接口以及底层技术等)是不现实的,最为可行的方法就是购买一些成熟商业软件或在其基础上进行二次开发[4]。
从技术角度来说,有2种方法可以实现上述目标。一种方法是将上述所有各功能集成在1个软件系统内,各功能模块以软件包的形式存在于软件系统内。这种方法看似简单易行,但由于涉及的内容庞杂,实现起来很困难。另一种方法就是选用不同软件,保证各软件之间能够无缝兼容,每个软件至少能够满足虚拟样机1个功能,这种方法看似复杂,但实现起来较为简单。因为目前针对三维建模、静强度分析、运动仿真等问题,市场上都有成熟的商业软件,需要做的工作就是开发一个通用数据接口用以进行交换数据即可。
目前机械工程中常说的虚拟样机系统是由美国MDI(MechanicalDynamics Ins. )公司开发的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis ofMechanical System)机械系统动力学仿真分析软件系统。该系统使用交互式图形环境和零件库、约束库、力学库,创建完全参数化的机械系统几何模型,采用多刚体系统动力学理论的拉格朗日方程建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析[5]。因此,单从技术角度而言,ADAMS软件系统足以胜任液压支架的虚拟样机工作。但是由于以下几个方面的原因,阻碍了其在液压支架中的应用:
1)该软件系统造型功能较弱,难以用其创建具有复杂特征的零件,用其进行液压支架模型构建是不现实的。
2)二维建模软件接口能力较弱。ADAMS/View虽然支持多种数据接口,如STEP, IGES,DWG等,但并不识别其它CAD系统的装配定义,如对齐、插入、贴合等。因此,只能将机构中的零件分别传送,并为它们建立相同的坐标系,才能保证各零件在装配中的位置,这种方法效率低且很不准确。除了与Pro/E有接口外,并没有为中小型三维建模软件如SolidWorks, SolidEdge等提供接口,通用性不强。
3)该软件主要侧重于机构分析,如系统运动学、动力学分析与仿真。而液压支架在工作时主要以静力状态存在,上述这些运算,对液压支架设计意义不大。
4)该软件系统价格昂贵,投资费用较大。经过分析研究,发现选用SolidWorks构建支架三维实体模型,同时以SolidWorks为依托,结合静强度分析、运动学仿真、动力学分析、产品寿命评估等软件,组成一个软件集成系统作为液压支架虚拟样机设计系统较为可行。这样对虚拟样机而言,建模软件是以支撑平台的形式存在的,各功能软件并行于该建模平台之上。
4试验方案
根据上面分析,液压支架虚拟样机的构建有以下几个方案。
1)选择SolidWorks作为三维建模平台,选取Cosmos/Works作为静力分析模块,选取Cosmos/motion, DDM, SimpleMotion和VisualNastran Desk-Top其中之一作为运动仿真模块。
2)选择SolidWorks作三维建模平台,选取De-signSpace作为静力分析模块,选取Cosmos/motion,DDM, SimpleMotion和VisualNastran DeskTop其中之一作为运动仿真模块。
3)选择SolidWorks作三维建模平台,选取Vis-ualNastran DeskTop作为静力分析模块和运动仿真模块。
以上几个方案以方案3最为经济,考虑到设计要求的不同,可以根据需要任选其一即可。
5结语
应用虚拟样机技术,不必再走基于传统的物理样机开发模式,使设计人员能够在设计初期就发现设计缺陷,并能方便地调出其中任何一个零件进行反复修改。虚拟样机的使用,大幅度缩短了液压支架的设计周期,提高了支架的设计效率和设计质量。与物理样机相比,在相同条件下,虚拟样机技术能够使液压支架结构的设计更为合理并且更加经济安全。相信在未来的过程领域,虚拟样机技术会越来越受到重视。
摘自：中国计量测控网
