搜索3D技術在環保疏浚機具研制中的應用
2013-05-26 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
疏浚市場的不斷變化,使得疏浚公司更換設備與技術愈來愈快,環保疏浚新技術能夠創造新市場。隨著計算機和網絡技術的發展,使得3D數字化技術為疏浚作業系統的并行作業、分布式運行、虛擬協作、遠程操作與監控等提供了可能。將3D技術應用于環保疏浚行業,對環保疏浚機具研制和環境保護都將起到積極推動作用。本文通過3D技術研究示例介紹了環保疏浚機具的研究技術。
一、引言
我國疏浚設備發展歷程經歷了以下三個階段:
(1) 測繪、設計仿造階段----到60年代末期處于仿制階段;
(2) 獨立開發設計階段 ---- 70年代初期至80年代,我國挖泥船開始走上獨立設計階段,一批專業化的工程船建造廠及設備配套廠初步形成,并開發出一大批國內急需、具有一定技術水準的船型。
(3) 以高新技術為目標的高性能挖泥船研制階段 ---- 進入90年代,一大批高技術含量的創新產品相繼問世,填補了國內多項空白,包括配套的挖泥機具等,部分產品的性能已接近國際水平,并形成批量生產,還實現了挖泥船出口的歷史性突破,充分表明我國挖泥船技術躍上了一個新臺階,縮短了與世界先進水平的差距。更換現代設備是很重要的投資,設備設計能力,交貨時間是很重要的。
尤其值得指出的是,進入90年代以來,隨著人們環保意識的不斷增強,各類環保挖泥船相繼研究成功。如:IHC的環保型絞刀頭,日本的旋轉刮刀集泥機,ELLICOTT的小型泥貓挖掘機,HAM公司的全封閉抓斗,ET公司的子、母式潛水清淤機等爭相問世。
市場競爭說到底就是高新技術的競爭,上述公司在市場中的輝煌業績就是最好的印證。
二、3D技術對環保疏浚機具研制的意義
加大力度發展我國疏浚機具,實現“國輪國造”,不僅必要,也是完全可能的。經過幾代人的掙扎、拼搏,不僅研制水平有了重大突破,而且形成了一定的規模。我們已相繼研制成功技術形態比較先進的耙吸、絞吸、吸盤、鏈斗、抓斗、鏟斗、斗輪、螺旋切刀、氣力泵、噴射泵等各型產品,除環保疏浚設備外,基本覆蓋了國際上現有挖泥船品種,一定程度上滿足了國內經濟建設和國防的需要,并躋身國際市場,所以,環保疏浚設備自主研發更具有實際意義:
(1)具有價格上的明顯優勢,通常國內船價只及進口船的1/3~2/3,能以有限的資金投入,更大程度地滿足國內需求。
(2)拉動內需形成新的經濟增長點,在荷蘭,僅為挖泥船配套的廠家就有520余家,我國的配套廠斷不低于這個數字。
(3)解決一大批船廠及設備配套廠下崗職工的就業困難,救活一大批企業。“百船工程”1999年計劃投產的53艘挖泥船尚未出臺之前,踏破水利部門檻的船廠、設備廠、及設計單位足有百家之多,形成“百家爭百船”的火爆局面!
(4)有利于造就一大批挖泥船設計建造的技術隊伍,提高我國挖泥船建造的整體水平,增強在國際挖泥船市場的競爭力。
(5)有利于擺脫國外對我國環保疏浚市場的長期壟斷。
我國急需大量的挖泥船,這已是不爭的事實。我國已有相當一批較為成熟的國產挖泥船船型可供建造,我國眾多的中、小船廠普遍任務不足、急待訂單,現階段年建造五、六十艘中小型挖泥船,相信沒有疑問。“十五”期間我國應能新造大約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。立足國內設計制造、引進關鍵裝備及技術 ,堅持走適合我國國情的發展道路 ---- 90年代以來,高技術含量,高附加值的環保挖泥船及大型挖泥船研制更有待國家政策上的扶持和統籌規劃。
三、3D技術在環保疏浚機具研制中的應用示例
3.1空間復雜絞刀刀臂的建模設計
絞刀刀臂呈空間復雜圓錐螺旋結構,空間角度參數多,結構設計要求高、難度大,而其結構設計的優劣,直接影響著疏浚作業的產量和成效,所以,絞刀刀臂的結構優化設計是疏浚刀具整體設計的難點和關鍵。絞刀組件(見圖一)是環保型挖泥刀具的關鍵部件,它由絞刀刀臂、刀轂、螺旋輸送機構、刀圈組焊而成。絞刀刀臂乃關鍵部件中的關鍵件,刀臂外形呈復雜空間圓錐結構,刀臂數量為6~10個,疏浚作業時,刀臂先接觸底泥,刀臂上的刀刃隨絞刀的旋轉疏松泥土并聚集進刀腔,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,其空間姿態直接影響著挖掘效率。
圖 1
對絞刀臂進行三維建模,首先需要一條空間螺旋線,這條螺旋曲線是在二維狀態下通過預先設定參數,求出空間各點擬合而成。利用AUTO CAD軟件先做出主、俯視圖對應關系,再進行等分,求出對應點上的坐標值。之后,在三維建模軟件下,輸入對應三維坐標點值,獲得空間擬合曲線作為刀臂建模的原始軌跡。
空間復雜環保型挖泥刀具關鍵件—絞刀刀臂的造型設計開發流程為:
借用二維CAD圖形的設計思想與三維建模的綜合應用,即采用畫法幾何原理, 把空間復雜絞刀刀臂在二維CAD作圖下求出的一系列特征點輸入到建模軟件中,擬合出特征曲線,經過反復調整樣條曲線,優化出理想角度參數的絞刀刀臂模型,以滿足環保疏浚設定要求。
3.1.1借用二維CAD確定特征點
對于空間復雜絞刀刀臂的建模設計技術,首先需要找到一系列滿足此空間結構特性的特征點,對于刀臂這一設定的空間螺旋結構,必須使此空間螺旋結構的一棱邊回轉輪廓在圓錐臺面上。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(見圖二)。這些點的位置對模型的構造甚為重要,直接關系到特征線的質量。為了得到光滑的模型,我們采用的思路是:調整此空間螺旋結構的取點截面,間距過大,特征線擬合半徑變化越小,創建的模型就越光順,但模型的準確性就越差;反之,間距過小,特征線擬合半徑變化越大,創建的模型就越不光滑,但模型的準確性就越好。經過反復調整優化,在設定的誤差范圍內,可以確定出較合理的取點間距,獲得理想的一系列特征點。
圖 2
3.1.2采用三維建模軟件進行建模
根據上述設計思想,采用三維建模軟件對CAD軟件求出的一系列特征點進行擬合,求出此空間螺旋結構的特征曲線(見圖三)。應用三維建模軟件實體造型命令進行絞刀刀臂三維建模(見圖四)。同時,還可以應用建模軟件的測量、分析功能,對特征曲線逐步進行優化,使其更符合空間螺旋體的設計要求。
圖 3
建模軟件對特征點的修改很方便。從二維CAD獲取的特征點被讀入建模軟件保存后,建模軟件即刻把這些點生成建模菜單下的編輯點,若要修改這些特征點時,調出建模軟件中的編輯點文件,修改輸值并保存后,即完成了修改。
圖 4
有效綜合應用二維CAD軟件優化模型的特征點,配合三維建模軟件對模型的特征線進行優化,應用二維軟件的結果完成建模軟件的三維建模,可提高空間復雜環保型挖泥刀具關鍵件—絞刀刀臂建模的效率和質量。
3.2環保絞刀結構數字化設計、裝配與分析
計算機模擬現在已不僅僅作為科學研究的一種手段,在生產實踐中也已作為必備工具普遍應用。在發達國家已達到了較為成熟的階段,工業化應用已相當普遍,絕大多數的汽車零部件設計都必須經過多方面的計算機仿真分析,否則根本通不過設計審查,更談不上試制和投入生產。
我所從設計和管理兩方面分析考慮,通過絞刀設計手段與設計過程的數字化和智能化,縮短產品開發周期,促進產品的數字化,提高其創新能力?；谶@種思想,采用全新的設計模式和開發體系――絞刀數字化樣機,將二維圖紙表達的設計構思演變成基于3D實體模型的虛擬產品(虛擬樣機),建立起企業數字化設計平臺,因而其特性完全被參數化。例如絞刀的旋轉結構、連接部分和控制執行機構,完全采用參數化三維建模,進行零部件裝配并進行受力分析。由于創新設計,使得絞刀結構件和控制器件充分數字化,對外體現出了近乎100%的精確性和可控性。因為我們所關心的是執行機構的最終體現,而并不關心控制執行器件的特性,因此我所設計的環保絞刀作為執行器件時,體現了如一的、合理的疏浚能力,這樣的絞刀設計,我們稱之為工業數字化設計,便于產品的系列化和數據庫管理。
3.3環保絞刀機構運動分析
對設計的環保絞刀各運動機構進行機械運動分析:其中包括絞刀旋轉運動分析、絞刀頭角度調整運動分析及防護罩開啟運動分析,并根據運轉情況逐步進行參數調整,優化現行設計。
通過數字化虛擬樣機的建立、實施,我所建立起一套基于3D(三維CAD)的產品開發體系,實現設計模式的轉變,提高產品創新能力,加快產品推向市場的周期。在環保絞刀的設計、分析、新產品的開發等方面,數字化技術發揮了重要作用,使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題,通過計算機模擬得到滿意的解答;另一方面,計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化,使復雜的過程層次化,節省了大量的時間,避免了低水平重復的工作,使疏浚工程分析更快、更準確。
同時我們也注意到,環保疏浚設備國產化,不僅需要環保疏浚機具的開發研制,還需船型的系列化和標準化、節能以及污染控制等這些方面的配套研究,共同推動我國環保疏浚事業的發展。
四、與先進國家環保疏浚機具的比較
環保疏浚設備的技術復雜性主要體現在疏浚系統方面,著名挖泥船制造廠商(如IHC、KRUPP)都特別注重環保挖泥機具的專項開發研究,我國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室對泥泵、耙頭、絞刀等進行過多項卓有成效的研究試驗,終因長期沒有投入,使得這方面研究的進展大大受阻。我國雖在開發設計方面有一批技術素質較高、經驗豐富的設計隊伍,但一直缺少針對市場的前期開發研究,單一的設計院所難有經濟實力進行中長期研究,在此情況下,中國船舶重工集團公司第十二研究所承擔了環保疏浚機具的研制任務,經過三年的研究開發,已研制出具有國際先進水平、符合國情的環保疏浚虛擬樣機,正在投產運行之中。新研制的環保絞刀與先進國家疏浚設備研制相比:在制造工藝、周期方面,因為采用了先進的3D技術,參數化建模數字化設計,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行了優化選型匹配等工作?？梢哉f隨著我國造船業的高速發展,環保疏浚機具的研究趕上國際先進水平是大有希望的。
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