在液压支架中采用三维辅助设计的几点探讨.pdf

4 0 煤 矿 机 械 2 0 0 4年第 8期 文 章编 号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 4 0 8 0 0 4 0 0 3 在液压支架中采用三维辅助设计的几点探讨 高闱 ． 桑 冲 峰 郑 州煤 矿机 械 集团有 限责 任公 司 ，河南 郑州 4 5 0 0 0 7 摘 要 根据 液压支架的产品结构特点 ， 以 S o l i d E d g e软件 为例 ， 提 出液 压 支架计 算机 辅助 设 计 流程 ， 并根 据流程 图结合 S o l i d E d g e软件的零件 、 工程 图、 装 配等几 个模 块从三 维建模 、 虚 拟制 造 装配 、 静 力 学分析 、 动力 学分析几 个方 面进行 了论述 ， 同时根据 软件的特点提 出了相应 的例子 。 关键词 液压 支架 ；三维建模 ；Sol i d E d g e ；虚拟样机 ；应力分析 中图号 T D 3 5 5 文献标识码 A 1 前 言 在实 践 的基础上 ， 提 出液 压支 架计算机 辅助设 计的流程如 图 1 所示 。 液压支架总设计 I 静力 学分 析 I I液 压支 架三 维 建模 模 拟各 种工 况r ] 并 行设 计 1 虚拟制 造装 配 I 二维C A D 图 1 液 压 支 架 计 算 机 辅 助 设 计 流 程 F i g ． 1 Hy d r a u l i c p o we r s u p p o r t C AD p r o c e s s 2三维 C AD设计 2 ． 1 液 压 支 架 总设 计 主要 以 Sol i d E d g e 三维建模 为基础 ， 在三维软件 环境下进 行支架 总方 案 的轮廓造 型 ， 并调 用 自定 义 标准件特征库中可用的模块 ， 初步制定出符合技术 协议要 求 的架型 ， 而 不必 考虑 各部 件 内部 的具 体细 节。 2 ． 2液压支架 三维建模 并 行设计 Sol i d E d g e提供 了切合 实际 的装配设 计方法 ， 正 如传 统的 图样设计 ， 二维 装配设 计 草 图可 以在 一个 项 目的初始 阶段使 用 ， 在 三维 空间 内， 采用 自顶而下 和 自底 而上 2种装 配 技术 ， 提供 流 水线式 的修 改 和 配置工具 ， 简化 了大装配件 的设计 ， 并确保整 台支架 的正常装配 。负责详 细设计各部件 的设计人员能直 接参 与各零件轮廓 以及 产生零件 的实体造 型。Sol i d E d g e支持并 行 装 配存 取 ， 因此 ， 各 部 件设 计 师们 可 以在同一个装 配项 目中工作 。这一独特性能使各部 件设计人员 在同一个装 配造型 内同时进行不 同零件 或部件 的设计工作 ， 并可 以随 时 了解其他设 计 人员 的最 新工作情况 。 3虚 拟制造装配 在各部件设计 的同时可 以运用参 变数设计技术 和特征技术 。 S o l i d E d g e是基 于参数 和特 征 实 体造 型 的新 一 代机 械设 计 C A D系统 ， 它 是 为设计 人 员专 门 开发 的、 易 于理解 和操 作 的实体 造型 系统并 完 全执 行设 计工程师 的意 图。专业设计人员完全可 以利用参变 数技术 ， 完成任何 机械零件或装配件 的造 型 ， 并且可 以把 Sol i d E d g e特征保 存在特征库 内供 以后使用 。 1 参 变数的设计 技术 Sol i d E d g e通过 绘 制轮 廓 而生 成 实体 。它 的 二 维绘图模块充分体现了参数和参变数技术的完美结 合 ， 设计人员可 以在二维状态任意徒手绘 图 ， 毫不受 约束地 表达 设计 思 想 。它 提 供 的 I n t e l l i S k e t c h技术 可以随意抓取各 种特 殊点 ， 使设 计人 员 在概 念设 计 时得心应手 。同时 ， 在标注尺寸后 ， 又可 以参数化 地 驱动图形 ， 使得设计修改简单易行 ， 易于工程 师学习 和掌握 。 2 先进的基 于特征的造型技术 Sol i d E d g e 采 用特 征 造 型技术 。这 一 技术 记 录 了设计 的全过程 ， 工程师 可 以在特征 管理 器 F e a t u r e P a t h fi n d e r 中浏览 、 修改特征 ， 甚至改 变特征 的次序 。 这就使设计人员在发现设计有误时 ， 修改极为方便 。 只需 重新编辑特 征 ， 系统 将按 照最 新 的修 改 重新 计 算零件 ， 实 际上 ， 这一技术也是变量表和零 件族技术 的基础 。 设计人员可 以利用 Sol i d E d g e变量表 的技术 ， 针 对一些关键尺寸建立数学关系式 ， 使产品“ 活” 起来 。 用户只要 改变关 键 尺寸 ， 就 可 以得 到形 状 和性 能各 异 的零件 ， 并通过零件族 的功能存储起来 。这样 ， 工 程师设计 了一个 零件 后 ， 实 际上是 设计 了一 个 系列 的产 品。 4二 维 C A D 1 二维 C A D到三维 C A D 对 于设计工 程师来 说 ， 将二 维图纸 转化 为基 于 维普资讯 2 0 0 4年第 8期 在 液压支架中采用三维辅助设计的几点探讨 高 闱 ， 等 4 1 实 体 的 三 维 设 计 ， S o l i d E d g e是 理 想 的解 决 方 案 。 Sol i d E d g e 可 以借 助 已有 的 2 D图形 数据 生成 3 D实 体模 型。例如 在 Sol i d E d g e 制 图模块 中 ， 打开 A u t o ． C A D的 ． d w g文件 已获得零 件 的 2 D表达 ， 然 后运 用 简单 的拷 贝 和 粘贴 操作 ， 放置 2 D几 何 图形作 为 草 图 ， 然 后 利 用 特 征 轮 廓 用 于 3 D 实 体 造 型。Sol i d Edg e可 以用 2 D图形 的扫 掠、 拉伸 或 旋转 方法 生 成 三维实体 ， 用 这 种 方法 将 C A D 2 D图纸转 化 到全 3 D 实体造型 中去 。 2 三维 C A D到二维 C A D 在三维模 型空 间中 ， 勾 画 草 图， 生成 部件 ， 装 配 体 的三维实体 造型 ， 设计并 了解该实体 的重心 、 重量 及相关力学特性 ， 并修改三维实体模型 ， 使其达到设 计技术要求 ， 然后 由该三维 实体 模 型 自动 生成工 程 图纸中所需要 的二维投 影 视 图， 并进 行关键 尺寸 自 动智能标注 ， 最后补 标 尺寸 、 公差 、 填 写相关 技术 要 求 、 标题 栏等 内容 ， 完 成二维工程图纸 的设计。在采 用 Sol i d E d g e 3 D设计时 ， 可 以继续用 2 D预先绘制 草 图。最佳 的制 图和标 注 ， Sol i d E d g e高效 的制 图和标 注模 块具有 许 多 先进 的 C A D制 图工 具 。不 管是 实 体零件 ， 装配模型 ， 甚至草 图设计 ， Sol i d Edg e都能帮 助你快速生成工 程视 图 ， 并 自动地应 用你所 需要 的 机械制 图标准 I S O， A N S I ， B S I ， U N I ， D I N或 J I S 。 3 模 型与视图的双 向关联 Sol i d E d g e自动 生成 的视 图 与模 型之 间是 双 向 关联的。改变模 型会 导致 视 图发 生改 变 ， 双 击视 图 会 自动打开模 型到造 型环境 。但直接修改视图上标 注 的尺寸 ， 不会 使模 型 随之更 新 ， 相反 ， 系统 会 给尺 寸数字加下划线 以反映视图与模 型的差异 。视图与 模 型的关联 关 系 可用 视 图转 化命 令 把 它们 割 裂 开 来 ， 这样 的视图就转变为纯二维 图形 ， 并且这种转化 是不可逆转 的。 5静力学分析 模 拟各种工况 由于 液压 支架在井 下 的受力很 复杂 ， 手工很 难 建立有 效 的受 力 模 型。可 是 由于 一 开始 就用 Sol i d Edg e 设计各部件 ， 当三维 C A D生成的液压支架进行 三维实体模型组装后 ， 利用三 维 C A D软件 中的模块 进行有 限元 网格 自动 生成 ， 它 自动地 将实体模 型划 分成有限元素， 数据可以直接传输到有限元软件进 行有 限元 分析 。从 而可 以模 拟井下 工况 ， 进 行深 入 地有 限元 分析 ， 从 而加强产品设计 的薄弱部位 ， 减 少 产 品设计 的粗笨多余 部位 ， 使液 压支 架的重 量和性 能达 到最合 理 。 1 应用 C A D软件 Sol i d E d g e和 C A E软件 C O S MO S针对前连杆进行 实体建 模 、 强度 含 焊 缝 分析 。 例 1 描述前连杆强度分析报告一 压力 本专题按 以下力学条件分析 ①铰接部位 3 0 0 0 k N压力 ； ② 各 焊 接 件材 料 按碳 素结 构 钢 Q 2 3 5 考 虑。材料特性 如表 1 所示 。 表 1 材料 特性 T a b． 1 M a t e r i a l p 明 一y 属性名称 数值 方 向弹性 模量 泊 松 比 X Y x y剪切模 量 方向热膨胀系数 质量密度 方 向热导 率 比热 拉 应力强 度 屈服强度 21 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0． 0 0 0 0 0 0 O． 2 8 O 0 0 0 7 9 00 000 000 0． 0 0 000 0 0． 0 0 0 01 3 7 8 0 0． 00 0 0 0 0 4 3． 0 0 000 0 4 4 0． 0 0 0 0 0 0 3 9 9 8 2 600 0． 0D 00D 0 2 2 0 5 9 4 0 0 0． 0D 0 0D 0 注 零组件名称 A ； 材料名称 碳素结构钢 ； 单位系统 s l 在实 际 分 析 时 ， 有 多 个 零 件 ， 可 分 别 命 名 为 A[ 1 ] 、 A[ 2 ] 、 B等 。本 文 由于篇 幅有 限 ， 仅 列举 了 1 个零件， 其余略。 载荷信息如表 2所示 。 表 2载荷 信息 T a b ． 2 L ． 姗 曲 l g I n f o r ma t i o n 网格 信息 解 算信 息 约束 2 描述 一端 固定 。 载荷 1 描述 一端施 加 3 0 0 0 k N压力 。 解题信息 应力 结果绘 图 1 、 2 、 3 略 应 变结果绘 图 4 略 位 移结果绘 图 5 略 形 变结果绘 图 6 略 设计 检查结果绘 图 7 略 结论 铰接部位 和铰接部位焊缝强度不 足。 6 机构模拟和运动仿真 利用 Sol i d Edg e生成 的三维模 型可 以进行 运 动 仿真 和运动模拟 。在机 构运 动分 析方 面 ， 通过 定义 装配体 中的固定零 件 和运动零 件 、 各零 件 之 间 的连 接副 和主动运动零 件 的运动 就能 使模 型运 动起 来 ， 从而实现运动模拟及运动干 涉分 析。例如可 以考察 维普资讯 4 2 煤 矿 机 械 2 0 0 4年第 8期 文 章编 号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 4 0 8 0 0 4 2 0 3 一 种新型掘进 机工作机构 的有 限元分 析 * 杜 以昌’ ，赖 涤泉 ，李建 英 1 ． 石 家庄 铁 道学 院 四方 学 院 ，河 北 石家 庄 0 5 0 0 4 3 ；2 ． 石家庄 铁道 学 院 机 械工 程分 院 ，河北 石 家庄 0 5 0 0 4 3 摘要 对 自行研 制的软岩 隧道臂 式掘进机 肱尺分动 式工作机 构进 行 了有 限元 分析 ， 得 到 了 不 同工况 下工作机 构的 受力和 变形情 况。采 用 了接 触非线性有限元理论和子结构 方法来处理销轴 联 接 。 使 计算结果 更加 准确 ， 为 工程设 计提供 了有 力的理论依 据。 关键词 臂 式掘进机 ；工作机 构 ；有 限元 中图号 T D 4 2 1 ． 5 0 2 4 2 ． 2 1 文献标识码 A 1 引言 J S B Z 1 3 2型掘 进机 是一种 具有新 型工作 机构 的 部 分断面隧道掘 进机 ， 它集 开挖 、 装碴 和 自动行走 于 一 身 ， 操作 方便 ， 对复杂地质适应性强 ， 便于支护 ， 非 常适合 于软岩 隧道的掘进 。该掘进机 的工 作机构采 用肱臂 和尺臂 相连接形 式 称 之 为肱尺 分动 式工 作 机构 。在工作过 程 中 ， 工 作臂 是 主要承 载部 件 ， 应 *铁 道部 科技 发 展计 划 项 目 9 9 G 5 4 力状态 比较复杂 ， 其 刚度 的 大小将 直接 影 响截 割 头 的切削性能 。 在该机构 见图 1 中 ， 杆 0 2 3 4为肱臂 ， 上面安 装 有 4个铰 点 ， 其 中铰点 0与 回转 台相 连 ， 作 为肱臂 在 竖直面 内的 回转铰 点 ， 铰点 2安装 肱臂 液 压缸 的 上 支耳 ， 铰点 3安装尺臂液压缸 的下 支耳 ， 铰 点 4连接 尺臂 ， 为尺臂 的回转点 。尺臂 为杆 4 、 6 ， 其 上 的铰 点 5安装 尺臂 液压缸的上支耳 ， 6点 为截割头 的球 形 中 心。工作机构 中铰点数量的增多 和工 作臂 长度 的增 四连杆机构运 动时的结点运 动轨迹 以及运动时部件 干涉显示 ， 并在仿 真过 程 中 ， 可 以随时保 存 纪要 、 图 片或文 档 ， 可以创 造一个更加程式化 的 ， 完全归档 的 全 自动仿 真过程 。 1 干涉分析 与测量工具 干 涉分析是验证装 配体工作时是否发生碰撞 的 理 想工具 。通过 指定 2个检 查对 象 ， 并 指定提 供反 馈 的形 式 ， 系统 就能 自动分析判 断零 件是否干涉 ， 并 给出相应 的反馈 信 息。若 发生 干涉 ， 还 可 以使 用 系 统 提供 的各种距离 、 角度等测量工具 找出干涉原因。 2 运动仿真 可用 D e s i g n S p a c e A N S Y S公 司发布的 S o l i d E d g e 无缝连 接的产 品仿真 软件 对产 品进行仿 真测 试 ， 减 少 了样 机 试 制 与 测 试 的麻 烦 及 相关 的 费 用 支 出。 D e s i g n S p a c e由 于 采 用 了 参 数 化 仿 真 功 能 ， D e s i gn S p a c e和 S o l i d E d g e能 够 双 向 关 联 。使 用 D e s i gn S p a c e的参 数管理 表 ， 用户 可 以输 入多 种设 计规 则 ， 只要点击一下 鼠标 ， 就能生成新 的模型并 进行 分析 ， 这对于评估多种设计方案极为有利 。如果 需要进行 非线性有 限元分析 。 无论 处在何种阶段 ， D esi gn S p a c e 都能智能地 将 当前 的成果 转 换为 象 A N s Y S一 样 的 高端 F E A软件。 参考文 献 [ 1 ] 邢邦圣， 陶晓巍 ． 现代 C A D技术及应用[ J ] ， 煤矿机械 ， 2 O O 2 ， I 23． [ 2 ] 孟二 存 ， 张银亮 ， 王彪谋 ， 等 ． 关于 液压 支架辅 助设 计的思 考 [ A] ． 地下开采现代技术理论与实践[ C ] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 O O 2 ， 4 8 04 8 3． [ 3 ] 丁绍 南 ． 液压 支架设 计 [ M] ． 北 京 世界 图书 出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 4 ] G u p ， C h a n K． P r o d u c t mo d e l i n g u s i ng S T E P [ J ] ． c o m p u t e r A i d e d D e - s i g n ， 1 9 9 5 ， 2 7 3 1 6 3 1 7 9 ． 作者简介高闱 1 9 7 5一 ， 山西高平人， 助理工程 师， L 9 9 8 年毕 业于河南农业大学机电工程系， 现在郑州煤矿机械集 团有限责任公 司研 究所从 事液 压支架 设计 工作 ． T e l 0 3 7 17 8 9 1 1 8 8 ， Em a i l s o s w e i l 8 3 ． h a． c n． 收稿 日期 -- 2 0 0 4 0 5 1 9 A f e w 0 f t hr e ed i me n s i o na l CAD dis c u s s i o n i n h y d r a u l i c p o we r s upp o r t GAO W e i ，S ANG Ch o n g f e n g Z h e n g z h o u Mi n i n g M a c h i n e r y G r o u p L i mi t e d C o m p a n y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a t B a s i n g o n t h e p r o d u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f h y d r a u l i c p o w e r s u p p o r t - as a J l e x a mp l e o f So l i d E d g e s o f t w a r e - t h e a r t i c l e p u t s f o r w a r d h y d r a u l i c powe r s u p p o rt C AD p r o c e s s ． Ac c o rdi n g t o fl o w c h a rt a n d a c c e s s o r y mo d u l e- a s s e mb l y m od u l e - p r o j e c t p i c t u r e m odu l e i n c o m b i n a t i o n w i t h s o f t w a r e of Sol i d Ed g e ． I t d i s c u s s e s f r o m t h ree d i m e n s i o n a l b u i l d i n g m odu l e - fi c t i t i o u s p r o d u c t i o n ass e mb l y- s t a t i c s a n a l y s i s an d d y n a m i c s an aly s i s ． A t t h e s a me t i me - w i t h t h e c h a r a c t e ris t i c o f sof t w a r e - i t p u t s f o rw a r d c o r r e s po n d i n g e x a mpl e． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o rt； t h r e ed i me n s i o n al m od e l i n g ； sol i d e d g e ，I fi c t i t i o u s p rot o t y p e，I s t r e s s an aly s i s 维普资讯