搜索3D技術(shù)在環(huán)保疏浚機(jī)具研制中的應(yīng)用
2013-05-26 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
疏浚市場(chǎng)的不斷變化,使得疏浚公司更換設(shè)備與技術(shù)愈來愈快,環(huán)保疏浚新技術(shù)能夠創(chuàng)造新市場(chǎng)。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,使得3D數(shù)字化技術(shù)為疏浚作業(yè)系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式運(yùn)行、虛擬協(xié)作、遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控等提供了可能。將3D技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保疏浚行業(yè),對(duì)環(huán)保疏浚機(jī)具研制和環(huán)境保護(hù)都將起到積極推動(dòng)作用。本文通過3D技術(shù)研究示例介紹了環(huán)保疏浚機(jī)具的研究技術(shù)。
一、引言
我國(guó)疏浚設(shè)備發(fā)展歷程經(jīng)歷了以下三個(gè)階段:
(1) 測(cè)繪、設(shè)計(jì)仿造階段----到60年代末期處于仿制階段;
(2) 獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)階段 ---- 70年代初期至80年代,我國(guó)挖泥船開始走上獨(dú)立設(shè)計(jì)階段,一批專業(yè)化的工程船建造廠及設(shè)備配套廠初步形成,并開發(fā)出一大批國(guó)內(nèi)急需、具有一定技術(shù)水準(zhǔn)的船型。
(3) 以高新技術(shù)為目標(biāo)的高性能挖泥船研制階段 ---- 進(jìn)入90年代,一大批高技術(shù)含量的創(chuàng)新產(chǎn)品相繼問世,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)多項(xiàng)空白,包括配套的挖泥機(jī)具等,部分產(chǎn)品的性能已接近國(guó)際水平,并形成批量生產(chǎn),還實(shí)現(xiàn)了挖泥船出口的歷史性突破,充分表明我國(guó)挖泥船技術(shù)躍上了一個(gè)新臺(tái)階,縮短了與世界先進(jìn)水平的差距。更換現(xiàn)代設(shè)備是很重要的投資,設(shè)備設(shè)計(jì)能力,交貨時(shí)間是很重要的。
尤其值得指出的是,進(jìn)入90年代以來,隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng),各類環(huán)保挖泥船相繼研究成功。如:IHC的環(huán)保型絞刀頭,日本的旋轉(zhuǎn)刮刀集泥機(jī),ELLICOTT的小型泥貓挖掘機(jī),HAM公司的全封閉抓斗,ET公司的子、母式潛水清淤機(jī)等爭(zhēng)相問世。
市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)說到底就是高新技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng),上述公司在市場(chǎng)中的輝煌業(yè)績(jī)就是最好的印證。
二、3D技術(shù)對(duì)環(huán)保疏浚機(jī)具研制的意義
加大力度發(fā)展我國(guó)疏浚機(jī)具,實(shí)現(xiàn)“國(guó)輪國(guó)造”,不僅必要,也是完全可能的。經(jīng)過幾代人的掙扎、拼搏,不僅研制水平有了重大突破,而且形成了一定的規(guī)模。我們已相繼研制成功技術(shù)形態(tài)比較先進(jìn)的耙吸、絞吸、吸盤、鏈斗、抓斗、鏟斗、斗輪、螺旋切刀、氣力泵、噴射泵等各型產(chǎn)品,除環(huán)保疏浚設(shè)備外,基本覆蓋了國(guó)際上現(xiàn)有挖泥船品種,一定程度上滿足了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防的需要,并躋身國(guó)際市場(chǎng),所以,環(huán)保疏浚設(shè)備自主研發(fā)更具有實(shí)際意義:
(1)具有價(jià)格上的明顯優(yōu)勢(shì),通常國(guó)內(nèi)船價(jià)只及進(jìn)口船的1/3~2/3,能以有限的資金投入,更大程度地滿足國(guó)內(nèi)需求。
(2)拉動(dòng)內(nèi)需形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),在荷蘭,僅為挖泥船配套的廠家就有520余家,我國(guó)的配套廠斷不低于這個(gè)數(shù)字。
(3)解決一大批船廠及設(shè)備配套廠下崗職工的就業(yè)困難,救活一大批企業(yè)?！鞍俅こ獭?999年計(jì)劃投產(chǎn)的53艘挖泥船尚未出臺(tái)之前,踏破水利部門檻的船廠、設(shè)備廠、及設(shè)計(jì)單位足有百家之多,形成“百家爭(zhēng)百船”的火爆局面!
(4)有利于造就一大批挖泥船設(shè)計(jì)建造的技術(shù)隊(duì)伍,提高我國(guó)挖泥船建造的整體水平,增強(qiáng)在國(guó)際挖泥船市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
(5)有利于擺脫國(guó)外對(duì)我國(guó)環(huán)保疏浚市場(chǎng)的長(zhǎng)期壟斷。
我國(guó)急需大量的挖泥船,這已是不爭(zhēng)的事實(shí)。我國(guó)已有相當(dāng)一批較為成熟的國(guó)產(chǎn)挖泥船船型可供建造,我國(guó)眾多的中、小船廠普遍任務(wù)不足、急待訂單,現(xiàn)階段年建造五、六十艘中小型挖泥船,相信沒有疑問?！笆濉逼陂g我國(guó)應(yīng)能新造大約300艘高性能挖泥船,以增加疏浚能力5~6億m3(含對(duì)舊船的更新),方可基本緩解防洪、清淤方面的需求并滿足大型疏浚工程的需要。立足國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造、引進(jìn)關(guān)鍵裝備及技術(shù) ,堅(jiān)持走適合我國(guó)國(guó)情的發(fā)展道路 ---- 90年代以來,高技術(shù)含量,高附加值的環(huán)保挖泥船及大型挖泥船研制更有待國(guó)家政策上的扶持和統(tǒng)籌規(guī)劃。
三、3D技術(shù)在環(huán)保疏浚機(jī)具研制中的應(yīng)用示例
3.1空間復(fù)雜絞刀刀臂的建模設(shè)計(jì)
絞刀刀臂呈空間復(fù)雜圓錐螺旋結(jié)構(gòu),空間角度參數(shù)多,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高、難度大,而其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,直接影響著疏浚作業(yè)的產(chǎn)量和成效,所以,絞刀刀臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是疏浚刀具整體設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。絞刀組件(見圖一)是環(huán)保型挖泥刀具的關(guān)鍵部件,它由絞刀刀臂、刀轂、螺旋輸送機(jī)構(gòu)、刀圈組焊而成。絞刀刀臂乃關(guān)鍵部件中的關(guān)鍵件,刀臂外形呈復(fù)雜空間圓錐結(jié)構(gòu),刀臂數(shù)量為6~10個(gè),疏浚作業(yè)時(shí),刀臂先接觸底泥,刀臂上的刀刃隨絞刀的旋轉(zhuǎn)疏松泥土并聚集進(jìn)刀腔,刀臂的刃口均需分布在園錐面上,其螺旋角為40°~70°,錐角為20°~30°。刀臂刃口部分的前角與基面的夾角δ為10°~35°,后角α為28°~60°,刃口角β為18°~28°。絞刀刀臂是絞刀挖泥的切削部位,切削面是空間螺旋面,其空間姿態(tài)直接影響著挖掘效率。
圖 1
對(duì)絞刀臂進(jìn)行三維建模,首先需要一條空間螺旋線,這條螺旋曲線是在二維狀態(tài)下通過預(yù)先設(shè)定參數(shù),求出空間各點(diǎn)擬合而成。利用AUTO CAD軟件先做出主、俯視圖對(duì)應(yīng)關(guān)系,再進(jìn)行等分,求出對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的坐標(biāo)值。之后,在三維建模軟件下,輸入對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)點(diǎn)值,獲得空間擬合曲線作為刀臂建模的原始軌跡。
空間復(fù)雜環(huán)保型挖泥刀具關(guān)鍵件—絞刀刀臂的造型設(shè)計(jì)開發(fā)流程為:
借用二維CAD圖形的設(shè)計(jì)思想與三維建模的綜合應(yīng)用,即采用畫法幾何原理, 把空間復(fù)雜絞刀刀臂在二維CAD作圖下求出的一系列特征點(diǎn)輸入到建模軟件中,擬合出特征曲線,經(jīng)過反復(fù)調(diào)整樣條曲線,優(yōu)化出理想角度參數(shù)的絞刀刀臂模型,以滿足環(huán)保疏浚設(shè)定要求。
3.1.1借用二維CAD確定特征點(diǎn)
對(duì)于空間復(fù)雜絞刀刀臂的建模設(shè)計(jì)技術(shù),首先需要找到一系列滿足此空間結(jié)構(gòu)特性的特征點(diǎn),對(duì)于刀臂這一設(shè)定的空間螺旋結(jié)構(gòu),必須使此空間螺旋結(jié)構(gòu)的一棱邊回轉(zhuǎn)輪廓在圓錐臺(tái)面上。而在二維CAD制圖上,可利用畫法幾何的投影原理求出一系列特征點(diǎn)(見圖二)。這些點(diǎn)的位置對(duì)模型的構(gòu)造甚為重要,直接關(guān)系到特征線的質(zhì)量。為了得到光滑的模型,我們采用的思路是:調(diào)整此空間螺旋結(jié)構(gòu)的取點(diǎn)截面,間距過大,特征線擬合半徑變化越小,創(chuàng)建的模型就越光順,但模型的準(zhǔn)確性就越差;反之,間距過小,特征線擬合半徑變化越大,創(chuàng)建的模型就越不光滑,但模型的準(zhǔn)確性就越好。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整優(yōu)化,在設(shè)定的誤差范圍內(nèi),可以確定出較合理的取點(diǎn)間距,獲得理想的一系列特征點(diǎn)。
圖 2
3.1.2采用三維建模軟件進(jìn)行建模
根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想,采用三維建模軟件對(duì)CAD軟件求出的一系列特征點(diǎn)進(jìn)行擬合,求出此空間螺旋結(jié)構(gòu)的特征曲線(見圖三)。應(yīng)用三維建模軟件實(shí)體造型命令進(jìn)行絞刀刀臂三維建模(見圖四)。同時(shí),還可以應(yīng)用建模軟件的測(cè)量、分析功能,對(duì)特征曲線逐步進(jìn)行優(yōu)化,使其更符合空間螺旋體的設(shè)計(jì)要求。
圖 3
建模軟件對(duì)特征點(diǎn)的修改很方便。從二維CAD獲取的特征點(diǎn)被讀入建模軟件保存后,建模軟件即刻把這些點(diǎn)生成建模菜單下的編輯點(diǎn),若要修改這些特征點(diǎn)時(shí),調(diào)出建模軟件中的編輯點(diǎn)文件,修改輸值并保存后,即完成了修改。
圖 4
有效綜合應(yīng)用二維CAD軟件優(yōu)化模型的特征點(diǎn),配合三維建模軟件對(duì)模型的特征線進(jìn)行優(yōu)化,應(yīng)用二維軟件的結(jié)果完成建模軟件的三維建模,可提高空間復(fù)雜環(huán)保型挖泥刀具關(guān)鍵件—絞刀刀臂建模的效率和質(zhì)量。
3.2環(huán)保絞刀結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)、裝配與分析
計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學(xué)研究的一種手段,在生產(chǎn)實(shí)踐中也已作為必備工具普遍應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)到了較為成熟的階段,工業(yè)化應(yīng)用已相當(dāng)普遍,絕大多數(shù)的汽車零部件設(shè)計(jì)都必須經(jīng)過多方面的計(jì)算機(jī)仿真分析,否則根本通不過設(shè)計(jì)審查,更談不上試制和投入生產(chǎn)。
我所從設(shè)計(jì)和管理兩方面分析考慮,通過絞刀設(shè)計(jì)手段與設(shè)計(jì)過程的數(shù)字化和智能化,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,促進(jìn)產(chǎn)品的數(shù)字化,提高其創(chuàng)新能力?；谶@種思想,采用全新的設(shè)計(jì)模式和開發(fā)體系――絞刀數(shù)字化樣機(jī),將二維圖紙表達(dá)的設(shè)計(jì)構(gòu)思演變成基于3D實(shí)體模型的虛擬產(chǎn)品(虛擬樣機(jī)),建立起企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái),因而其特性完全被參數(shù)化。例如絞刀的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、連接部分和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),完全采用參數(shù)化三維建模,進(jìn)行零部件裝配并進(jìn)行受力分析。由于創(chuàng)新設(shè)計(jì),使得絞刀結(jié)構(gòu)件和控制器件充分?jǐn)?shù)字化,對(duì)外體現(xiàn)出了近乎100%的精確性和可控性。因?yàn)槲覀兯P(guān)心的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最終體現(xiàn),而并不關(guān)心控制執(zhí)行器件的特性,因此我所設(shè)計(jì)的環(huán)保絞刀作為執(zhí)行器件時(shí),體現(xiàn)了如一的、合理的疏浚能力,這樣的絞刀設(shè)計(jì),我們稱之為工業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì),便于產(chǎn)品的系列化和數(shù)據(jù)庫管理。
3.3環(huán)保絞刀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析
對(duì)設(shè)計(jì)的環(huán)保絞刀各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析:其中包括絞刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分析、絞刀頭角度調(diào)整運(yùn)動(dòng)分析及防護(hù)罩開啟運(yùn)動(dòng)分析,并根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況逐步進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,優(yōu)化現(xiàn)行設(shè)計(jì)。
通過數(shù)字化虛擬樣機(jī)的建立、實(shí)施,我所建立起一套基于3D(三維CAD)的產(chǎn)品開發(fā)體系,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變,提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力,加快產(chǎn)品推向市場(chǎng)的周期。在環(huán)保絞刀的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面,數(shù)字化技術(shù)發(fā)揮了重要作用,使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題,通過計(jì)算機(jī)模擬得到滿意的解答;另一方面,計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡(jiǎn)單化,使復(fù)雜的過程層次化,節(jié)省了大量的時(shí)間,避免了低水平重復(fù)的工作,使疏浚工程分析更快、更準(zhǔn)確。
同時(shí)我們也注意到,環(huán)保疏浚設(shè)備國(guó)產(chǎn)化,不僅需要環(huán)保疏浚機(jī)具的開發(fā)研制,還需船型的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化、節(jié)能以及污染控制等這些方面的配套研究,共同推動(dòng)我國(guó)環(huán)保疏浚事業(yè)的發(fā)展。
四、與先進(jìn)國(guó)家環(huán)保疏浚機(jī)具的比較
環(huán)保疏浚設(shè)備的技術(shù)復(fù)雜性主要體現(xiàn)在疏浚系統(tǒng)方面,著名挖泥船制造廠商(如IHC、KRUPP)都特別注重環(huán)保挖泥機(jī)具的專項(xiàng)開發(fā)研究,我國(guó)在這方面的差距似乎更加突出,早期七O八所通過自己的試驗(yàn)室對(duì)泥泵、耙頭、絞刀等進(jìn)行過多項(xiàng)卓有成效的研究試驗(yàn),終因長(zhǎng)期沒有投入,使得這方面研究的進(jìn)展大大受阻。我國(guó)雖在開發(fā)設(shè)計(jì)方面有一批技術(shù)素質(zhì)較高、經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)隊(duì)伍,但一直缺少針對(duì)市場(chǎng)的前期開發(fā)研究,單一的設(shè)計(jì)院所難有經(jīng)濟(jì)實(shí)力進(jìn)行中長(zhǎng)期研究,在此情況下,中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所承擔(dān)了環(huán)保疏浚機(jī)具的研制任務(wù),經(jīng)過三年的研究開發(fā),已研制出具有國(guó)際先進(jìn)水平、符合國(guó)情的環(huán)保疏浚虛擬樣機(jī),正在投產(chǎn)運(yùn)行之中。新研制的環(huán)保絞刀與先進(jìn)國(guó)家疏浚設(shè)備研制相比:在制造工藝、周期方面,因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的3D技術(shù),參數(shù)化建模數(shù)字化設(shè)計(jì),符合世界潮流,縮短了周期提高了工效;在儀表及液壓部件等配套裝備方面進(jìn)行了優(yōu)化選型匹配等工作。可以說隨著我國(guó)造船業(yè)的高速發(fā)展,環(huán)保疏浚機(jī)具的研究趕上國(guó)際先進(jìn)水平是大有希望的。
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