錨桿機(jī)試驗臺的設(shè)計-solidworks

2013-05-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

1 SolidWorks軟件的介紹

在當(dāng)今的社會中,各行各業(yè)的競爭越來越激烈,為了縮短設(shè)計周期,降低成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,學(xué)習(xí)和應(yīng)用計算機(jī)輔助工程(CAE,全稱Computer Aided Engineering)顯得愈來愈重要。尤其是近幾年,計算機(jī)三維CAD/CAE/CAM軟件的應(yīng)用與普及,使得傳統(tǒng)的二維機(jī)械設(shè)計逐步向三維設(shè)計轉(zhuǎn)化。設(shè)計構(gòu)思的表達(dá)由原來的二維圖紙演變成直接用計算機(jī)模擬三維實體模型的虛擬產(chǎn)品。不遠(yuǎn)的將來無圖紙生產(chǎn)將會普及。

SolidWorks軟件是美國SolidWorks公司基于Windows開發(fā)的全參數(shù)化三維實體造型軟件。三維機(jī)械設(shè)計的所有的功能(SolidWorks三維建模軟件)、數(shù)據(jù)管理軟件PDMworks Client、以及用于設(shè)計交流的常用工具:eDrawings專業(yè)版(基于e-mail的設(shè)計交流工具),3D Instant Website(即時網(wǎng)頁發(fā)布工具),PhotoWorks(高級渲染),SolidWorks Animator(動畫工具);設(shè)計效率提高工具:SolidWorks Toolbox(三維標(biāo)準(zhǔn)零件庫),SolidWorks Utilities(特征比較模塊),FeatureWorks(特征識別)。該軟件可與Cosmos/Works工程師設(shè)計分析軟件、Cosmos/Motion三維運動仿真軟件等無縫結(jié)合。

功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點,使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè) 計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不僅提供如此強(qiáng)大的功能,同時每個工程師和設(shè)計者來說,操作簡單方便、易學(xué)易用。

SolidWorks三維設(shè)計軟件的功能在于:裝配和干涉檢查;有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(CAE);機(jī)構(gòu)運動仿真;工藝規(guī)程生成(CAPP);數(shù)控加工(CAM);由三維直接自動生成二維工程圖紙;產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享與集成等。這種形象化的三維設(shè)計具有直觀、精確、快速的特點。

無與倫比的設(shè)計功能和易學(xué)易用的操作(包括 Windows風(fēng)格的拖/放、點/擊、剪切/粘帖),使得 SolidWorks的整個產(chǎn)品設(shè)計可百分之百編輯,零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間全相關(guān)。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中, 設(shè)計過程最簡便、最方便的莫過于SolidWorks了。就象美國著名咨詢公司Daratech所評論的那樣:"在基于Windows平臺的三維CAD軟件中,SolidWorks是最著名的品牌,是市場快速增長的領(lǐng)導(dǎo)者。"下面就以錨桿機(jī)試驗臺為例介紹應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行錨桿機(jī)試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程和方法。

    2錨桿機(jī)試驗臺設(shè)計過程流程圖

錨桿機(jī)試驗臺是指專為修理后的錨桿機(jī)加載試驗用的試驗裝置,并非出廠檢驗設(shè)備。其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程流程圖如圖1所示。

    3 三維實體建模和后期處理

    3.1設(shè)計要求

錨桿機(jī)試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)要求:

1)由于試驗臺高達(dá)5 m多高,因此須具有一定的剛度和強(qiáng)度,以致在試驗推力和模擬鉆孔的時候不至于振動過大出現(xiàn)事故;在滿足剛度、強(qiáng)度的前提下,其重量要輕,回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量盡量小;

2)具備模擬井下錨桿機(jī)鉆孔實際情況,即隨著鉆孔的不斷加深,錨桿機(jī)的輸出扭矩不斷增大。這也是本試驗臺的獨特之處(相對其他礦兄弟單位的試驗臺而言)。

    3.2三維建模設(shè)計

根據(jù)錨桿機(jī)使用尺寸以及推力和扭矩的要求,結(jié)合以往的設(shè)計并本著節(jié)約的方針盡量使用我單位現(xiàn)有材料以及回用物品,初步確定結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)用材類型,進(jìn)行三維造型設(shè)計,完成零部件設(shè)計并按約束進(jìn)行裝配,其局部圖如圖2所示。

錨桿機(jī)試驗臺的設(shè)計-solidworkssolidworks simulation分析圖片2

    3.3物理參數(shù)設(shè)計、工程計算分析

利用質(zhì)量特性命令可以計算整個實體的質(zhì)量特性,包括質(zhì)量、體積和重心位置等方面的信息。SolidWorks軟件可以添加材料的比重,自動輸出其物理特性,其中包括重量、重心、對重心的轉(zhuǎn)動慣量和對坐標(biāo)原點的轉(zhuǎn)動慣量等。

對試驗臺可移動和可轉(zhuǎn)動部分的重量要求,利用軟件的質(zhì)量特性命令,可以非常方便給出設(shè)計,利用更改結(jié)構(gòu)尺寸的方式驅(qū)動零部件的外形,達(dá)到更改零部件重量的目的,可以說是非常的便利。此質(zhì)量特性命令可作為設(shè)計計算的依據(jù)。如果用手工計算,要幾個人用幾周的時間,而在這里瞬間即可完成,大大提高了設(shè)計效率。質(zhì)量特性輸出結(jié)果如圖3所示。

錨桿機(jī)試驗臺的設(shè)計-solidworkssolidworks simulation分析圖片3

    3.4應(yīng)力、應(yīng)變分析

這里主要對關(guān)鍵部件主軸進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析。主軸的變形會影響機(jī)械正常運轉(zhuǎn)和壽命,利用Solidworks軟件中Cosmosxpress插件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析,看最大變形量是否滿足精度要求,最大應(yīng)力是否滿足材料要求。若不滿足或余量過大可利用該軟件尺寸驅(qū)動的特點進(jìn)行設(shè)計修改。下面僅以主軸為例介紹分析過程。

打開solidworks軟件中cosmosxpress插件,根據(jù)錨桿機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和主軸機(jī)械性能要求,確定主軸的材質(zhì)、約束和載荷等基本的分析參數(shù)。依照插件的提示,單擊下一步按鈕,直到運算分析和顯示結(jié)果。如圖4所示。

錨桿機(jī)試驗臺的設(shè)計-solidworkssolidworks simulation分析圖片4

    3.5輸出結(jié)果解釋

輸出結(jié)果類型如圖5所示。應(yīng)力、應(yīng)變等計算結(jié)果,以彩色圖片形式輸出,并附有對應(yīng)數(shù)據(jù),如圖6和圖7所示。

第一個分析結(jié)果是安全系數(shù),該系數(shù)是材料的屈服強(qiáng)度與實際應(yīng)力的對比值。Cosmosxpress使用最大的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)來計算安全系數(shù)。其安全系數(shù)是6.43?？紤]到扭應(yīng)力,此系數(shù)不是很高。如果分析扭應(yīng)力,必須使用cosmos works插件,此處不再敘述。由圖6中的應(yīng)力分布可知,材料的屈服應(yīng)力是2.206 e+108(N/M2),即機(jī)械工程常用的表示方法是220 MPa;實際發(fā)生的最大應(yīng)力是3.429 e+107(N/M2),即機(jī)械工程常用的表示方法是34.29MPa,顯然遠(yuǎn)小于220 MPa的屈服應(yīng)力,完全可靠。

    如若應(yīng)力計算結(jié)果超出材料允許值或變形超出精度要求范圍,利用其參數(shù)化設(shè)計的特性可以很快修改其結(jié)構(gòu)尺寸并重新計算。

    由圖7的應(yīng)變結(jié)果圖可以看出,紅色區(qū)域變形最大,其最大值是1.212 e一10 nlln,即為0.012 12mm,也在主軸的精度范圍之內(nèi)。

錨桿機(jī)試驗臺的設(shè)計-solidworkssolidworks仿真分析圖片圖片5

錨桿機(jī)試驗臺的設(shè)計-solidworkssolidworks simulation學(xué)習(xí)資料圖片6

錨桿機(jī)試驗臺的設(shè)計-solidworkssolidworks simulation學(xué)習(xí)資料圖片7

    3.6機(jī)構(gòu)仿真及運動分析

機(jī)械產(chǎn)品的虛擬裝配設(shè)計與運動仿真,是在計算機(jī)構(gòu)成的虛擬環(huán)境中,進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的裝配,并通過計算機(jī)動畫技術(shù)對其進(jìn)行運動模擬。

此過程是通過Cosmos/motion軟件來完成的,具有優(yōu)化性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可視性等特點,從而及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運動機(jī)構(gòu)的碰撞等問題。

根據(jù)錨桿機(jī)試驗臺實際運動工況,對相關(guān)運動副加以約束,實現(xiàn)機(jī)構(gòu)真實的運動仿真,進(jìn)行動態(tài)干涉檢查。同時輸出速度、加速度、位移、力矩等的曲線圖,輸出機(jī)構(gòu)運動的影視文件。

    3.7二維工程圖轉(zhuǎn)化

初步結(jié)構(gòu)設(shè)計完全滿足要求后,SolidWorks可以利用已建立的裝配體模型生成二維工程圖。

    4結(jié)語

在新產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計過程中,對錨桿機(jī)試驗臺進(jìn)行產(chǎn)品的仿真設(shè)計和實際工況下的仿真分析,可以大大提高設(shè)計效率,同時避免了試僅顯著縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期,還大大降低了設(shè) 計成本,大大提高了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計能力,增強(qiáng)市場競爭力。SolidWorks公司的宗旨就是讓參與產(chǎn)品開發(fā)的每個人都能發(fā)揮3D的威力。SolidWorks公司是第一家開發(fā)出既易用,價格又適中的強(qiáng)大3D機(jī) 械設(shè)計軟件的公司。今天,SolidWorks軟件在實際用戶數(shù)量、客戶滿意度和銷售方面均是主流市場上排在世界第一位的3D設(shè)計軟件,是全球主流的三維設(shè)計軟件。