基于有限元法的虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)的構(gòu)建

基于有限元法的虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)的構(gòu)建

上述打開方向門炮戲壓縮器是目前開采礦山的理想拆卸裝置。在裝載過程中，需要低影響，以確保安全。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)因手段落后、周期長、耗資大等缺點(diǎn),存在局限性。因此,探索相關(guān)的理論體系和研究方法,將現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段應(yīng)用于上開式扇形閘門箕斗卸載裝置的設(shè)計(jì)是十分必要的。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法。本文搭建了上開式扇形閘門箕斗卸載裝置虛擬樣機(jī)的研究平臺(tái),通過虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn),分析了卸載裝置的性能。1關(guān)于加載設(shè)備虛擬原型的理論研究1.1復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ)虛擬樣機(jī)技術(shù)是在CAX和DFX技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的,進(jìn)一步融和了現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù),將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期和全系統(tǒng),并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理,從系統(tǒng)層面來分析復(fù)雜系統(tǒng),支持“由上至下”的復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)模式。其理論基礎(chǔ)為計(jì)算多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)有限元理論、其他領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真理論,以及多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模與仿真理論。本文采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Pro/E、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams、有限元分析軟件Ansys、科學(xué)計(jì)算軟件Matlab、疲勞分析軟件Fatigue,構(gòu)建集成化、自動(dòng)化的卸載裝置虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)。1.2平臺(tái)分析流程上開式扇形閘門箕斗卸載裝置是一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng),其虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)包括以下內(nèi)容:三維參數(shù)化建模,虛擬裝配,干涉檢驗(yàn),運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真,強(qiáng)度分析,疲勞分析,摩擦/磨損分析,振動(dòng)/噪聲分析。此平臺(tái)的分析流程如圖1所示。這個(gè)分析流程不僅利用了各軟件的強(qiáng)大功能,而且充分利用了它們的數(shù)據(jù)接口,簡化了數(shù)據(jù)傳遞過程,避免了傳遞錯(cuò)誤,實(shí)現(xiàn)了開發(fā)過程的自動(dòng)化、集成化。1.3點(diǎn)面接觸的簡化卸載裝置卸載時(shí),卸載滾輪在曲軌中滑動(dòng)時(shí)的接觸力的大小是設(shè)計(jì)中最應(yīng)關(guān)注的問題。本文借助Adams中實(shí)體模型的幾何屬性離散接觸區(qū)域,采用Adams中的點(diǎn)面接觸方式。每一點(diǎn)的接觸法向力和摩擦力分別按式(1)計(jì)算:式中k———接觸剛度,N/mme;e———非線性作用力指數(shù);c———阻尼系數(shù)。2項(xiàng)目實(shí)例2.1模型的導(dǎo)入adams結(jié)合某礦16t箕斗參數(shù),用Pro/E創(chuàng)建各零件的參數(shù)化模型,進(jìn)行裝配,干涉檢驗(yàn),啟動(dòng)Mechanism/pro,設(shè)置簡單約束副(旋轉(zhuǎn),移動(dòng))后,將整個(gè)裝配模型導(dǎo)入Adams中。在Adams中,對(duì)整個(gè)模型做適當(dāng)修補(bǔ),完成卸載滾輪與曲軌的接觸約束和煤對(duì)扇形閘門打開阻力的施加,參數(shù)化整個(gè)模型,得到圖2所示的卸載裝置虛擬樣機(jī)。2.2曲軌圓弧過渡處接觸力設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為2.96s,輸出1000子步,首先進(jìn)行靜平衡分析,保證扇形閘門打開前處于閉合狀態(tài),避免箕斗運(yùn)行過程中閘門自動(dòng)打開,然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,得到扇形閘門打開角加速度、卸載滾輪與曲軌的接觸力曲線,分別如圖3、圖4所示。圖3、圖4的運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)結(jié)果與以往的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致,但曲軌圓弧過渡處均出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)。特別是角加速度的波動(dòng)特別大,其最大值是相應(yīng)理論計(jì)算值的165倍,表明卸載時(shí)振動(dòng)劇烈。圖4中卸載滾輪與曲軌的接觸力峰值為101080N,為理論計(jì)算值(40639N)的2.49倍。原因是理論模型將各零部件看作剛體,忽略了接觸面的接觸剛度、阻尼,無法體現(xiàn)沖擊的影響。通過此參數(shù)化的虛擬模型,可充分了解各參數(shù)對(duì)此接觸力的影響。這些參數(shù)主要包括閘門初始位置、曲軌形狀、爬行速度、曲軌與卸載滾輪的接觸剛度、阻尼等?？梢栽谶@些參數(shù)允許的范圍內(nèi)選取它們的最佳組合,達(dá)到系統(tǒng)整體性能的優(yōu)化。圖5、圖6給出了接觸剛度、阻尼的變化與接觸力峰值的關(guān)系曲線。實(shí)際設(shè)計(jì)中,應(yīng)該參照?qǐng)D5、圖6中接觸力峰值與接觸剛度、阻尼的關(guān)系,選擇合適的結(jié)構(gòu)、材料,削弱接觸力峰值。文件,生成Adams中柔性體,替換原剛性體可提高計(jì)算精度,能更加真實(shí)地反映實(shí)際運(yùn)行情況,但會(huì)明顯增大計(jì)算量,需權(quán)衡處理。2.3模態(tài)的模態(tài)求解上開式扇形閘門箕斗卸載裝置卸載時(shí),沖擊力大,需要優(yōu)化曲軌的動(dòng)態(tài)性能,提高使用壽命;通過計(jì)算曲軌的傳遞函數(shù),可識(shí)別曲軌的動(dòng)態(tài)載荷,解決沖擊力測量時(shí)傳感器不可達(dá)。這都需要摸清曲軌的各階振型及固有頻率。采用有限元法對(duì)曲軌離散近似,可準(zhǔn)確求解各階模態(tài)。本文研究平臺(tái)中,將Pro/E中的模型導(dǎo)入Ansys中,采用SOLID95單元,進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,得到5440個(gè)單元,全約束全部螺栓孔,彈性模量E=2.12×105MPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.8×103kg/m3。選用Subspace方法求解,得到曲軌前五階固有頻率分別為10.65Hz、20.66Hz、30.73Hz、40.84Hz、50.94Hz,其相應(yīng)的振形如圖7。增強(qiáng)曲軌側(cè)板剛度,減小側(cè)板變形。2.4動(dòng)態(tài)伺服環(huán)境通過Adams生成時(shí)間歷程的Ansys載荷步文件,在Ansys中對(duì)同一模型加載,可以得到整個(gè)卸載過程中,各個(gè)零部件的動(dòng)應(yīng)力—時(shí)間歷程,為后續(xù)的疲勞強(qiáng)度分析提供材料的動(dòng)態(tài)服役環(huán)境。本文給出了曲軌上最大受力點(diǎn)在0～0.6s時(shí)的動(dòng)應(yīng)力—時(shí)間歷程,在輪軌開始接觸的瞬間,沖擊載荷峰值為182MPa,如圖8。3提高仿真精度的研究將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于