基于Pro E “布局”的液压支架设计与分析
尹 力,刘德利,于 洋,张其智,陈艳秋
(三一重型装备有限公司研究院,沈阳110027)
摘 要:重点介绍了液压支架计算机辅助设计方面的研究情况,提出了一种用于支架结构设计、分析与建模的新方
法。结合仿真分析软件Matlab 和三维建模软件Pro E 的各自特点,通过“布局—骨架”的建模方式,实现参数化与交互式绘图的有效结合,在液压支架的结构设计分析和有限元前处理等方面显示出明显的优势。实践证明,该方法同样适用于在其它相关的工程领域。
关键词:液压支架;仿真;参数化建模;Pro E 中图分类号:TP31;T D355 文献标识码:A 文章编号:1008-8725(2005)10-0041-02
0 引言
液压支架是综采工作面的主要设备之一,与采煤机、刮板运输机并称为“三机配套”,是综采工作面高产、高效得以实现的关键设备。近年来,随着综采技术的进一步发展,对液压支架的设计也提出了越来越高的要求。同时支架“更新快、品种多”的特点也对设计手段提出了更高的要求。当前,计算机软硬件相关技术的发展使得结构设计手段得到了空前的提高,参数化设计与尺寸驱动的理念在支架设计中逐步得到了推广和应用。与传统手工做图和类比等方法相比,计算机技术的应用为支架结构设计与分析提供了有利武器。设计手段从二维绘图转化为三维建模为主。美国PT C 公司的Pro E 三维绘图软件完全基于参数化设计的建模理念,布局和骨架结构的引入,为结构参数化设计和设计意图的体现提供了实现的良好平台。三一重型装备有限公司在Matlab 仿真环境下开发出了一套液压支架参数优化计算程序。同时,借助于Pro E 中的“关系”接口,与Pro E 布局文件相结合,通过布局来声明产品的“骨架”结构,再由“骨架模型”驱动整体三维结构(见流程图1)。上述思路实现了结构参数优化与三维建模的有效结合,为支架乃至其它相关产品的设计与开发提供了一条有效途径
。
图1 设计流程图
1 结构参数分析优化
液压支架的结构设计分析基于机构运动学和结构力学。通过仿真分析工具的使用,提高结构设计的效率和质量。在支架结构设计中,四连杆机构的设计和优化是关键环节之一。合理的四连杆设计可以保证支架的结构稳定性和整体刚度,决定整个顶梁的运动轨迹与掩护梁的运动姿态。同时,连杆机构设计是否合理也直接影响到了支架前、后连杆的受力分布。在设计过程中,四连杆机构通常不受立柱数量与架型的影响,较为独立,可以作为参数优化设计的主要变量。以两柱支撑掩护式支架为设计原型,支架的整体结构尺寸如图
2所示。
图2 支架结构示意图
参数设计以四杆机构为优化主要设计变量(L 0,L 1,L 2,L 3,L 5,L 6,L 7,Alfa w )。考虑到不同的支架设计人员对支架的理解和设计要求的不同,支架优化目标通常很难准确地确定,强行建立某种多目标的优化函数结构往往也很难如人意。故该软件从实际应用出发,着重分析支架结构尺寸变化的趋势对系统性能的影响,通过仿真分析对相关的结构参数进行优化,得到支架整个运动过程中的相关结构参数。同时,支架整体结构仿真结果以图形的形式动态显示。对满意
收稿日期:2005-07-15;修订日期:2005-08-17
作者简介:尹力(1973-),男,辽宁沈阳人,工学博士,2004年毕业于北京航空航天大学,现于三一重型装备有限公司研究院数字化中心工作,主要研究方向为计算机辅助设计、仿真优化,C AE 分析等,发表相关论文多篇,T eI :024-********,E -mail :yin 2liyang @1261com 。
第24卷第10期2005年10月 煤 炭 技 术C oal T echnology
V ol 124,N o 110
Oct ,2005
的结构参数保存成为相应的数据文件,以便其它的模块调用。在受力分析模块中通过对支架的主体结构进行力学分析,得到支架的有效支护阻力和整体力流分布情况(包括截面的弯矩、顶梁支护强度和底板比压)。同时对结构尺寸自动导成Pro E 关系文件要求的格式,为“布局文件”内部参数的建立提供依据。
2 布局-骨架模型建立
支架三维模型的建立以Pro E 为平台。模型建立目的有两个:一是为了生产提供三维数模样本,为结构详细设计提供一个良好的基础;另一方面,为有限元分析提供一个合理、准确的模型,为结构设计提供一个强度校核的依据。
首先,在Pro E 中建立一个布局文件(Lay out )。其本质上是一个结构尺寸示意图,与图2中的尺寸相对应。尺寸具体数值由仿真分析模块自动导入。布局文件用来定义组件的基本要求和约束,而不必处理大量的或具体的几何特征
。在“布局”模式下创建的二维草绘,用于以概念方式记录和注释零件或组件。创建布局文件的主要目的是确定关键设计参数之间的配合、大小和其它关系,定义一组用于组件及其成员的全局参数。
其次,建立总体骨架模型,如图3。骨架模型是构成装配件的框架。骨架通常由曲面和基准特征组成,同时也可具有实体几何特征。骨架在工程图BOM 中不显示,对质量或曲面属性也没有影响。由于骨架的功能特征与其它元件有着显著的区别,因此在“模型树”内用特殊的图标来表示。在“模型树’中,骨架模型放置于所有其它具有实体几何形状的元件之前,便于管理和维护。从支架建模基础角度出发,建立如图3所示的整体骨架模型。同时,在骨架模型中需要进行参数声明,声明指向之前建立的布局文件。这样,模型的相对位置尺寸完全由布局文件驱动。之后,在骨架模型的基础上建立模型的三维特征,如图4所示。这样完成了主体结构的建立
。
图3 骨架模型图4 三维数模
在主体模型构架确立后,对支架的零部件进行下一层的细化设计。分别建立顶梁、底座、掩护梁和连杆等部件的布
局文件,并以此来驱动三维模型的特征建立,从而实现参数化建模。根据需要和实际情况,对部件进一步向下分解,得到下一层的布局文件。布局文件的实质是工程图的一种几何参数化描述,最终的结果得到了一系列的具有树形拓扑关系的布局文件和对应的模型组件文件。考虑到支架结构细节的多样性和难以参数表述的特点,细节部分可以采用交互式绘图方式,通过设计人员进行必要修补和改进。支架工程图与相应的三维模型实时相互映射。
建立三维模型后,可以进入Proe mechanica 仿真模块,可以方便地进行有限元分析。在支架模型单元类型选择中,主要板筋结构采用壳单元;各梁体铰接处采用大刚度梁单元处理,同时释放轴向自由度;复杂结构处采用实体单元。上述简化模型在计算时间和精度上可以获得满意的结果(见图5)。由于模型建立采用纯参数化的方式,保证了整个模型网格划分的成功率,缩短了有限元分析的前处理过程。为支架计算机模拟压架试验的建立提供了有力的工具
。
图5 有限元分析
3 结论
计算机相关技术和现代先进的设计手段的应用,为液压
支架的设计提供了方便,也是其它相关机械产品设计开发的必然趋势。文中结合企业自身在支架设计开发方面的经验,提出了仿真软件和先进建模工具设计相结合的思路,从Pro E 布局文件出发,参数化尺寸驱动方式的建模。该方法特别适用于结构上较为规整、产品设计需求多变的产品开发。当然在实际应用中,参数化设计与人机交互式设计应当相互结合与补充,设计者的思想和经验在一定程度上是计算机不能完全取代的。参考文献:
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R esearch of Computer -Aided Structure Design about H ydraulic
Support B ased on the Layout File of Pro E
YIN Li ,LUI De -li ,Y U Y ang ,ZHANG Qi -zhi ,CHEN Y an -qiu
(Sany Heavy Equipment Ltd.C o.,Shenyang 110027,China )
Abstract :A new way of com puter -aided structure design about hydraulic support is introduced.The method includes stmcture simulation ,op 2timization and preprocessing of FE A ,which combilies the advantages of Matlab and Pro E to realize the structure parametric design and m odel 2ing by use of the lay out file and the skeleton file ,The kind of method als o may be applied in s ome related mechanical fields effectively.K ey w ords :hydtaulic support ;simulation ;parametric m odeling ;Pro E
?42? 煤 炭 技 术 第10期