虛擬樣機(jī)技術(shù)在模鍛水壓機(jī)接力器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-05-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 陳暉譚建平來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 虛擬樣機(jī)技術(shù) SolidWorks 接力器虛擬裝配

在分析傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法中所存在的問題的基礎(chǔ)上,論述了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念、主要特點(diǎn)及其用于300 MN模鍛水壓機(jī)接力器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。闡述了模鍛水壓機(jī)接力器的結(jié)構(gòu)和工作原理。詳細(xì)介紹了基于SolidWorks軟件的接力器虛擬樣機(jī)的開發(fā)過程,其中包括接力器虛擬樣機(jī)的一維建模、虛擬裝配、干涉檢查、運(yùn)動(dòng)仿真、關(guān)鍵部件強(qiáng)度校核和二維工程圖的輸出等。結(jié)果表明,虛擬樣機(jī)技術(shù)在接力器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以大大縮短其研制周期,節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。

1引言

目前,300 MV模鍛水壓機(jī)是我國(guó)最大的模鍛水壓機(jī).也是亞洲最大的模鍛水壓機(jī).是我國(guó)唯一能夠生產(chǎn)大型航空航天鍛件的關(guān)鍵設(shè)備.在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)中起著不可估量的作用。而接力器是水壓機(jī)分配器的驅(qū)動(dòng)裝置.它直接影響到模鍛水壓機(jī)的工作運(yùn)行情況.作用極其重要.在300 MV模鍛水壓機(jī)操縱系統(tǒng)"油控水"改造項(xiàng)目中.接力器的設(shè)計(jì)成為機(jī)械系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)主要通過設(shè)計(jì)者先在頭腦中建立產(chǎn)品的三維圖形.然后借助于正投影方法.把頭腦中的三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為二維工程圖。其開發(fā)過程一般要經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、方案論證、圖紙繪制、圖紙審核、工藝分析、零件制造、產(chǎn)品裝配等過程.裝配時(shí)如發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤又要對(duì)相應(yīng)圖紙進(jìn)行修改并重新加工制造相應(yīng)零件.重新進(jìn)行裝配.其設(shè)計(jì)過程繁瑣復(fù)雜、設(shè)計(jì)成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。特別是對(duì)結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系比較復(fù)雜的產(chǎn)品.設(shè)計(jì)周期長(zhǎng).且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是在建造第一臺(tái)產(chǎn)品之前.設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型.進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性.并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型.它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性.包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特性.它與物理樣機(jī)相比.在功能和性能上具有本質(zhì)上的一致性。它用精確的數(shù)學(xué)模型描述物理樣機(jī)的各個(gè)部分以及整個(gè)樣機(jī)。借助這項(xiàng)技術(shù).設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)初期就發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中的出現(xiàn)的主要問題。通過使用二維設(shè)計(jì)軟件的虛擬裝配和干涉檢查功能.在產(chǎn)品開發(fā)過程中可以發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)裝配中可能出現(xiàn)的碰撞情況.以便及時(shí)修改.大大降低了成本、縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期。模鍛水壓機(jī)接力器的結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系較復(fù)雜.其內(nèi)部齒條柱塞的行程有嚴(yán)格的要求.且存在多個(gè)零件尺寸的相互制約關(guān)系.在接力器設(shè)計(jì)中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)最為有利.本文主要闡述利用SolidWorks進(jìn)行300MV模鍛水壓機(jī)主分配器接力器虛擬樣機(jī)開發(fā)的過程。

     2模鍛水壓機(jī)接力器的結(jié)構(gòu)及工作原理

在300 MV模鍛水壓機(jī)操縱控制系統(tǒng)改造中將操縱系統(tǒng)控制方式由原有的"水控水"改為了"油控水"方式.即新增加一套油壓系統(tǒng).新設(shè)計(jì)一個(gè)接力器作為水壓機(jī)分配器閥門的驅(qū)動(dòng)裝置。接力器由箱體、油缸、齒輪軸、齒條柱塞、導(dǎo)向柱、導(dǎo)向套、密封圈、支撐環(huán)、管接頭等組成.其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工作時(shí).接力器某一油缸內(nèi)油壓推動(dòng)接力器齒條柱塞作水平運(yùn)動(dòng).通過齒輪齒條裝置柱塞的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成傳動(dòng)軸的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)在模鍛水壓機(jī)接力器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用solidworks simulation技術(shù)圖片1

     閥芯相聯(lián)接.閥芯向上運(yùn)動(dòng)過程中相應(yīng)的閥門逐漸打開.這樣通過液壓系統(tǒng)接力器的驅(qū)動(dòng)就可以精確控制分配器各個(gè)閥門的開啟和閉合.形成一種"油控水"的控制形式。軸的另一端接有編碼器.用于檢測(cè)軸的轉(zhuǎn)角.通過反饋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)開啟角度的精確控制。其驅(qū)動(dòng)形式可簡(jiǎn)單概括為:油缸+齒輪齒條+傳動(dòng)軸+凸輪頂桿裝置+位移檢測(cè)裝置。

     3基于SolidWorks的水壓機(jī)分配器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

目前流行的二維圖形軟件主要有Solidworks ,proe, UC等.其中SolidWorks是在Windows平臺(tái)下開發(fā)的二維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件.其功能強(qiáng)大.有全面的零件實(shí)體建模功能和變量化的草圖輪廓繪制功能.并能夠自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)約束檢查。與其它二維軟件相比.Solidworks還具有易學(xué)易用的特點(diǎn).普通的設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就可以掌握SolidWorks的使用方法.并能盡快運(yùn)用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中。故而在本次設(shè)計(jì)中選用了SolidWorks。

3. 1接力器零件三維建模

     接力器零件的二維建模是在SolidWorks零件模式下完成的。SolidWorks有全面的零件實(shí)體建模功能.其建模思想是:零件是由一系列的特征組成.整個(gè)零件可以看成各個(gè)特征的先后疊加陳。建模時(shí).先在草繪環(huán)境下選擇草繪平面和參考平面并繪制所要建立特征的二維圖形.再通過SolidWorks提供的特征造型功能將所繪制的二維圖形二維化。在SolidWorks的草繪菜單中提供了點(diǎn)、直線、矩形、圓、圓弧、樣條曲線等圖形繪制功能.可以方便地繪制各個(gè)特征的二維草繪圖。此外.在草繪過程中可設(shè)定各種約束條件相切、垂直等.可支持參數(shù)化的智能尺寸驅(qū)動(dòng).還可以設(shè)定各個(gè)尺寸之間的相對(duì)關(guān)系.使得草繪圖的修改十分方便。在特征造型過程中.SolidWorks提供了拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣、倒角、鏡像、復(fù)制、陣列等十余種特征.可根據(jù)各個(gè)零件的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行特征造型。對(duì)于一些復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)件(如齒輪).SolidWorks還提供了標(biāo)準(zhǔn)工具箱插件TOOLBOX支持各種標(biāo)準(zhǔn)件的快速建模.大大提高了特征造型的速度。

接力器齒輪軸的二維模型如圖2所示.它的特征造型基本過程如下(1)建立齒輪本體的三維模型。在SolidWorks"插件"菜單中激活SolidWorks標(biāo)準(zhǔn)工具箱TOOLBOX.進(jìn)人TOOLBOX界面.選擇所要造型的標(biāo)準(zhǔn)件為"齒輪"并選擇齒輪的樣式為"ISO直齒輪".輸人齒輪的模數(shù)及齒數(shù)等參數(shù).點(diǎn)擊"確定"完成齒輪本體的快速建模。(2)軸端的建模。以過圓柱齒輪軸線的平面作為草繪平面繪制相應(yīng)草繪圖作加材料的旋轉(zhuǎn).形成齒輪軸本體.通過"退刀槽"命令創(chuàng)建齒輪軸上的退刀槽.并通過"倒角"命令創(chuàng)建倒角。(3)孔及鍵槽的創(chuàng)建。以齒輪軸的一端面作為草繪平面繪制相應(yīng)草繪圖作切減材料的拉仲.切除屬性設(shè)為穿過所有.形成齒輪軸的孔及鍵槽.并通過"倒角"命令創(chuàng)建孔端口的倒角。

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     3. 2虛擬裝配

各零件二維建模完成后.可在SolidWorks裝配體模式下對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配。虛擬裝配能以可視化的方式展示接力器的裝配關(guān)系;同時(shí).可對(duì)接力器各個(gè)零部件的靜態(tài)干涉情況進(jìn)行檢驗(yàn)分析.能夠初步評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)是否合理.能夠及時(shí)修改設(shè)計(jì)中的不合理部分.避免了在實(shí)際裝配階段因零件的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而導(dǎo)致裝配失敗的情況發(fā)生。在實(shí)際裝配工作中也可利用接力器的虛擬裝配關(guān)系對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)。

接力器虛擬裝配的基本過程如下:

(1)確定接力器各零件間的裝配關(guān)系。在SolidWorks三維裝配平臺(tái)上.各零部件之間的裝配關(guān)系通過裝配約束來實(shí)現(xiàn)。裝配約束確定了不同零部件點(diǎn)、線、面之間的相對(duì)位置關(guān)系.使用配合約束.可設(shè)定不同零部件之間的配合關(guān)系.還可定義零部件相對(duì)于其他零部件的位移和旋轉(zhuǎn)等位置關(guān)系.設(shè)計(jì)者通過這些約束關(guān)系的組合對(duì)零件進(jìn)行虛擬裝配。在進(jìn)行接力器虛擬裝配時(shí)應(yīng)采用與實(shí)際工藝要一致的裝配關(guān)系.首先應(yīng)對(duì)接力器的結(jié)構(gòu)及接力配求器各運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行詳細(xì)的分析.再確定各個(gè)配合采用何種裝配約束將零件進(jìn)行裝配。

(2)將接力器進(jìn)行分層裝配。在大裝配體里.如果將所有的零件裝入最終的裝配里.會(huì)是非常雜亂的情形,而且眾多零件凌亂的裝人還會(huì)使計(jì)算機(jī)的反應(yīng)速度越來越慢,因此,有必要將產(chǎn)品按大的功能進(jìn)行劃分,先裝配成一些的子裝配體,再將各個(gè)子裝配體裝配成最終的產(chǎn)品。水壓機(jī)接力器是一個(gè)多結(jié)構(gòu)體,有必要進(jìn)行分層裝配,接力器裝配分層圖如圖3所示。裝配時(shí)先將整個(gè)接力器分成如圖所示5個(gè)子裝配體各自進(jìn)行裝配,最后將該5個(gè)子裝配體裝配成接力器。裝配時(shí)當(dāng)模型上現(xiàn)有點(diǎn)、線、面不足以或不便于確定零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系時(shí),還可以考慮在零部件模型上創(chuàng)建輔助特征來確定零部件之間的裝配關(guān)系。接力器裝配圖如圖4所示。

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(3)裝配體靜態(tài)干涉檢查。利用SolidWorks自帶工具條可對(duì)接力器裝配體進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查.選擇"工具"下的"干涉檢查"工具條.再在接力器裝配體中選擇兩個(gè)或多個(gè)零部件.運(yùn)行干涉檢查即可。如果存在干涉.則干涉信息清單上會(huì)列出所有干涉零件名稱.并在圖形區(qū)域上顯示干涉包圍的區(qū)域和大小。發(fā)現(xiàn)干涉后.可以直接在裝配體環(huán)境下修改發(fā)生干涉的零件。裝配體零件中的修改可以直接反映在零件模型上.實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)交互更新。對(duì)干涉零件修改后繼續(xù)進(jìn)行干涉檢查如還有干涉再次將零件進(jìn)行修改直到不發(fā)生干涉為止。

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     3. 3運(yùn)動(dòng)仿真

     運(yùn)動(dòng)仿真的目的是對(duì)接力器各零件之間的動(dòng)態(tài)干涉情況進(jìn)行分析并檢查運(yùn)動(dòng)行程是否滿足設(shè)計(jì)要求。接力器存在著旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副.運(yùn)動(dòng)時(shí)要求滿足:(1)齒輪的旋轉(zhuǎn)角度范圍為-120~+120。(2)在齒輪旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí).齒條柱塞不得與缸底碰撞。(3)運(yùn)動(dòng)過程中.齒條柱塞的齒不得通過柱塞缸的密封圈進(jìn)人缸體內(nèi)部。

對(duì)于接力器運(yùn)動(dòng)仿真.可選用SolidWorks插件C0SMOSMotion作為運(yùn)動(dòng)仿真模塊.在裝配模塊下直接進(jìn)人仿真環(huán)境。在進(jìn)行仿真之前.應(yīng)先進(jìn)行與仿真相關(guān)的基本參數(shù)的設(shè)置.如力的單位、時(shí)間的單位以及與動(dòng)畫有關(guān)的幀時(shí)間間隔及幀數(shù)等。在接力器運(yùn)動(dòng)仿真中.設(shè)置力的單位為N.時(shí)間單位是S.仿真動(dòng)畫的時(shí)間間隔是0.05 s.幀數(shù)為20.然后利用C0SMOSMotion的智能運(yùn)動(dòng)構(gòu)建器·把接力器的箱體進(jìn)行固定.并根據(jù)接力器的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況.對(duì)接力器油缸的柱塞施加壓力.并在齒輪軸上施加載荷.觀察運(yùn)動(dòng)情況是否符合設(shè)計(jì)要求。通過運(yùn)動(dòng)仿真發(fā)現(xiàn)零件存在動(dòng)態(tài)干涉或運(yùn)動(dòng)行程不符要求時(shí).可直接在裝配體環(huán)境下對(duì)零件進(jìn)行修改直到滿足要求為止。

     3.4強(qiáng)度校核

用SolidWorks自帶的插件-CosmosWorks,可以將三維模型通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)人并進(jìn)行有限元分析。對(duì)于接力器來說.工作時(shí)主要考慮齒輪軸的承載能力.齒輪軸過細(xì)則在工作中可能出現(xiàn)斷裂。三維建模后可在CosmosWorks中對(duì)其進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核。分析時(shí)將其二維模型調(diào)人CosmosWorks環(huán)境中.首先在"Material對(duì)話框"中選擇模型的材料特性.并進(jìn)行一些基本參數(shù)的設(shè)定.如三維模型各長(zhǎng)度尺寸的單位、加載時(shí)力的單位等。接著在"Mesh Create"菜單下按要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分.在本例中選擇系統(tǒng)默認(rèn)方式自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可。然后根據(jù)接力器齒輪軸的實(shí)際受力狀況設(shè)定齒輪軸的約束,并對(duì)其施加載荷,最后執(zhí)行分析,計(jì)算齒輪軸各個(gè)部件的受力情況,得到應(yīng)力應(yīng)變圖,檢查設(shè)計(jì)是否滿足要求。

     3. 5工程圖輸出

利用SolidWorks的快速制圖功能(Rapid Draft),可以把現(xiàn)有的二維數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)變換,迅速生成*. SLDDRW格式的二維工程圖。該二維工程圖可自動(dòng)完成各個(gè)視圖的尺寸標(biāo)柱,并支持參數(shù)化的智能尺寸驅(qū)動(dòng)功能,保持了與原二維圖的相關(guān)性,當(dāng)修改三維圖形和二維工程圖兩者中任一圖形的某個(gè)尺寸時(shí),另一個(gè)圖形中相應(yīng)的尺寸會(huì)自動(dòng)修改過來,這給設(shè)計(jì)的修改帶來了極大的方便。生成二維工程圖時(shí)也可導(dǎo)出不再與SolidWorks三維圖相關(guān)聯(lián)的*.DWU格式,并可在AutoCAD中方便的對(duì)其編輯修改。

     4結(jié)語

在300 MN模鍛水壓機(jī)接力器設(shè)計(jì)中,利用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法,通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型,方便快捷的完成了接力器設(shè)計(jì)的整個(gè)周期。有效避免了設(shè)計(jì)過程中錯(cuò)誤的發(fā)生,降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。使得整個(gè)設(shè)計(jì)工作在短短的幾周就完成了,大大縮短了了研發(fā)周期,降低了研發(fā)成本?？梢娞摂M樣機(jī)技術(shù)是一種全新的機(jī)械設(shè)計(jì)方法,其深人研究及廣泛應(yīng)用具有重大意義,值得在類似設(shè)計(jì)中大力推廣。