虚拟样机技术在采煤机械设计中的应用

　　我国采煤机械传统的设计是根据经验和以往设计实例，设计人员在纸面上设计所需的产品，产品生产人员再按照纸面设计进行工艺准备，做出样机，然后进行各种工况下的功能试验、可靠性试验和寿命试验。如果出现问题或不满足预定设计要求的情况，就要修改设计，然后再从头开始。这样，一方面把产品从开始设计到正式投放市场的周期拉得很长，从而痛失良机，二是增加了开发成本，甚至丧失了市场。随着计算机技术的发展和性能的不断提高，使产品设计应用虚拟样机制造技术成为可能。

　　虚拟样机制造技术将产品研制工作中的方案选择、技术设计、部件装配、结构分析和性能优化放在计算机虚拟环境下进行，充分利用先进的计算机软硬件技术，提高产品的性能，缩短产品的设计周期。应用该技术可以在产品设计阶段预测产品质量，使产品在投入生产之前进行优化以提高产品质量，从而缩短产品开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力。

　　一、虚拟样机技术的概念

　　虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术，现代信息技术，先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对他们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试，分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。

　　针对传统设计方法的缺点，近年来提出了一种新设计方法：虚拟样机技术。虚拟样机技术就是采用并行工程理念，融合现代管理技术、先进设计/制造技术、先进仿真技术、多学科分析与优化技术，将管理、技术、人三者之间有机地集成为一个协调的统一体，建立设计、仿真、试验、制造和项目管理的协同开发环境，以实现产品设计过程的全寿生命周期管理和产品创新设计，缩短研制周期，降低研制成本与研制风险，提高研制质量。

　　二、 虚拟样机制造技术在采煤机械设计中的内容

　　虚拟样机制造技术在采煤机械设计中的应用可以分为四个环节，即实体造型、强度分析、动力学分析、疲劳分析。四个环节环环相套，互相依托。实体造型中，传统的CAD设计是二维平面设计，随着计算机性能不断提高，按照零件实际几何尺寸生成三维实体，再由三维实体生成2D工程图，这种设计思想逐渐成为当今设计领域的一种趋势。通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列及打孔等操作来实现采煤机械的设计;将各个零件进行组装成装配体，进而成为样机。根据设计图纸，建立采煤机摇臂所有构件的几何模型，并进行组装。

　　几何模型包括摇臂壳、行星头和滚筒，保留重要部位的圆角，略去无关紧要的倒角、小孔。 零件设计及组装 三维实体建模。动力学模型建模中的的干涉检查与动力学性能分析。结构离散化是静特性有限元分析的前提，也是有限元解题的重要步骤。其主要任务是：把结构分割成有限个单元;把结构边界上的约束用适当的节点来代替;把作用在结构上的非节点载荷等效地移植为节点荷载。

　　有关采煤机摇臂有限元模型边界条件的处理中，为了保证结构离散化的计算精度和内存空间的有效利用，可采用10节点的四面体单元进行网格划分。每个节点上有三个自由度(x,y,z方向上的位移，无转动)。利用其中提供的自由网格划分器，对实体模型自由划分网格，生成可靠的、高质量的体单元，为了保证分析模型的合理和计算精度，网格划分时需对支撑耳等的网格密度和网格尺寸进行合理控制和过渡，通过对四面体网格进行整形，提高了整体网格的剖分质量。划分后模型单元数。

　　对边界条件的处理：将上支撑耳处节点径向位移固定，与油缸接触的下支撑耳半圆周节点施以x向5000KN的力。对滚筒截割部分各节点施加：x向800KN，y向-2000KN，z向-800KN的合力。具体的滚筒受力计算是根据参与截割的单个截齿的截割阻力求合力而得。这样处理大致相当于实际情况下的工况。

　　根据以上边界条件和载荷的施加情况，可以在这当中计算。从实践中可以看出，最大应力为81.8Mpa,位于下支撑耳处。其他地方的应力都相对较小。按照给定材料的疲劳强度[σ]=270Mpa,远远大于计算的最大应力，故摇臂不致失效，可以安全工作。危险工况的最大主应力与危险工况的最大位移包括：动力学分析

　　结构动力分析，不同于静力分析,常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响, 同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。首先应进行结构自然模态分析，求出结构的各阶

　　三、动力性结构评估

　　它可以评估结构的动力特性，比如，在摇臂上要安装旋转滚筒，那么为了避免过分的振动，必须考虑滚筒的旋转频率是否接近摇臂的某个自然频率。

　　滚筒负荷与截齿的切削深度，截线距和同时参与截割的截齿数有关，就单独一个截齿而言，在滚筒旋转过程中，产生的频率为滚筒的转速频率及其谐波频率：

　　疲劳分析，其任务是根据产品几何,受载和材料的选择来预测产品所受的应力和位移。 然而, 应力预测仅仅是产品设计的一部分内容， 现代产品设计则更迫切地需要通过工程分析手段预测产品的使用寿命。设计人员以往在概念或详细设计阶段通常使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命。 而实际产品寿命只有在试验阶段才能得到初步验证, 无形中增加了大量的开发成本。在产品设计阶段使用MSC.FATIGUE，可在设计～制造过程之前进行疲劳分析，并为集成的寿命管理创造一个

　　MCAE环境, 真实地预测产品的寿命, 极大地降低了生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额开销。

　　而且在疲劳寿命分析中不能满足要求时，可以修改系统结构模型以提高构件强度或修改系统的动力学参数以降低系统动态载荷作用。

　　综上所述，对于虚拟样机在采煤机械设计中的应用，整个分析过程具有通用性，对于同系列，由于采用虚拟样机制造技术，提高了采煤机的质量，降低了成本，缩短设计周期;提高了产品的市场竞争力;应用高级软件平台，将虚拟样机技术应用到采煤机械设计过程中，初步解决了将虚拟样机制造技术应用到采煤机械设计中的各个关键技术。实践证明虚拟样机制造技术在我国新型采煤机械的设计领域中将越来越发挥重要的作用。

　　参考文献：

　　[1]董江华，姜大成.基于ADAMS的虚拟样机技术实践[J].制造业信息化.2009.1

　　[2]李丹，李印川.虚拟样机技术在制造业中应用及研究现状[J].机械.2008.6

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文章名称： 虚拟样机技术在采煤机械设计中的应用

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