虛擬樣機技術在模鍛水壓機接力器設計中的應用

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

作者: 陳暉譚建平來源: 萬方數據
關鍵字: 虛擬樣機技術 SolidWorks 接力器虛擬裝配

在分析傳統機械設計方法中所存在的問題的基礎上,論述了虛擬樣機技術的概念、主要特點及其用于300 MN模鍛水壓機接力器設計的優點。闡述了模鍛水壓機接力器的結構和工作原理。詳細介紹了基于SolidWorks軟件的接力器虛擬樣機的開發過程,其中包括接力器虛擬樣機的一維建模、虛擬裝配、干涉檢查、運動仿真、關鍵部件強度校核和二維工程圖的輸出等。結果表明,虛擬樣機技術在接力器設計中的應用可以大大縮短其研制周期,節省開發費用。

1引言

目前,300 MV模鍛水壓機是我國最大的模鍛水壓機.也是亞洲最大的模鍛水壓機.是我國唯一能夠生產大型航空航天鍛件的關鍵設備.在我國經濟發展和國防建設中起著不可估量的作用。而接力器是水壓機分配器的驅動裝置.它直接影響到模鍛水壓機的工作運行情況.作用極其重要.在300 MV模鍛水壓機操縱系統"油控水"改造項目中.接力器的設計成為機械系統開發的重點之一。

傳統的機械產品開發主要通過設計者先在頭腦中建立產品的三維圖形.然后借助于正投影方法.把頭腦中的三維實體模型轉化為二維工程圖。其開發過程一般要經過概念設計、方案論證、圖紙繪制、圖紙審核、工藝分析、零件制造、產品裝配等過程.裝配時如發現設計錯誤又要對相應圖紙進行修改并重新加工制造相應零件.重新進行裝配.其設計過程繁瑣復雜、設計成本高、費時費力。特別是對結構和裝配關系比較復雜的產品.設計周期長.且容易出現錯誤。

虛擬樣機技術是在建造第一臺產品之前.設計師利用計算機技術建立機械系統的數字化模型.進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統在真實工程條件下的各種特性.并根據仿真結果進一步優化系統的技術。虛擬樣機是一種計算機模型.它能夠反映實際產品的特性.包括外觀、空間關系以及運動學和動力學的特性.它與物理樣機相比.在功能和性能上具有本質上的一致性。它用精確的數學模型描述物理樣機的各個部分以及整個樣機。借助這項技術.設計師可以在設計初期就發現和解決設計中的出現的主要問題。通過使用二維設計軟件的虛擬裝配和干涉檢查功能.在產品開發過程中可以發現在生產裝配中可能出現的碰撞情況.以便及時修改.大大降低了成本、縮短了新產品的研發周期。模鍛水壓機接力器的結構和裝配關系較復雜.其內部齒條柱塞的行程有嚴格的要求.且存在多個零件尺寸的相互制約關系.在接力器設計中采用虛擬樣機技術最為有利.本文主要闡述利用SolidWorks進行300MV模鍛水壓機主分配器接力器虛擬樣機開發的過程。

     2模鍛水壓機接力器的結構及工作原理

在300 MV模鍛水壓機操縱控制系統改造中將操縱系統控制方式由原有的"水控水"改為了"油控水"方式.即新增加一套油壓系統.新設計一個接力器作為水壓機分配器閥門的驅動裝置。接力器由箱體、油缸、齒輪軸、齒條柱塞、導向柱、導向套、密封圈、支撐環、管接頭等組成.其結構示意圖如圖1所示。工作時.接力器某一油缸內油壓推動接力器齒條柱塞作水平運動.通過齒輪齒條裝置柱塞的水平往復運動轉換成傳動軸的正反向轉動。

虛擬樣機技術在模鍛水壓機接力器設計中的應用solidworks simulation技術圖片1

     閥芯相聯接.閥芯向上運動過程中相應的閥門逐漸打開.這樣通過液壓系統接力器的驅動就可以精確控制分配器各個閥門的開啟和閉合.形成一種"油控水"的控制形式。軸的另一端接有編碼器.用于檢測軸的轉角.通過反饋環節實現開啟角度的精確控制。其驅動形式可簡單概括為:油缸+齒輪齒條+傳動軸+凸輪頂桿裝置+位移檢測裝置。

     3基于SolidWorks的水壓機分配器虛擬樣機設計

目前流行的二維圖形軟件主要有Solidworks ,proe, UC等.其中SolidWorks是在Windows平臺下開發的二維機械設計軟件.其功能強大.有全面的零件實體建模功能和變量化的草圖輪廓繪制功能.并能夠自動進行動態約束檢查。與其它二維軟件相比.Solidworks還具有易學易用的特點.普通的設計人員在很短的時間內就可以掌握SolidWorks的使用方法.并能盡快運用到設計實踐中。故而在本次設計中選用了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.整個零件可以看成各個特征的先后疊加陳。建模時.先在草繪環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、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特征的二維草繪圖。此外.在草繪過程中可設定各種約束條件相切、垂直等.可支持參數化的智能尺寸驅動.還可以設定各個尺寸之間的相對關系.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、掃描、放樣、倒角、鏡像、復制、陣列等十余種特征.可根據各個零件的特點對其進行特征造型。對于一些復雜的標準件(如齒輪).SolidWorks還提供了標準工具箱插件TOOLBOX支持各種標準件的快速建模.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標準工具箱TOOLBOX.進人TOOLBOX界面.選擇所要造型的標準件為"齒輪"并選擇齒輪的樣式為"ISO直齒輪".輸人齒輪的模數及齒數等參數.點擊"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草繪圖作加材料的旋轉.形成齒輪軸本體.通過"退刀槽"命令創建齒輪軸上的退刀槽.并通過"倒角"命令創建倒角。(3)孔及鍵槽的創建。以齒輪軸的一端面作為草繪平面繪制相應草繪圖作切減材料的拉仲.切除屬性設為穿過所有.形成齒輪軸的孔及鍵槽.并通過"倒角"命令創建孔端口的倒角。

虛擬樣機技術在模鍛水壓機接力器設計中的應用solidworks simulation技術圖片2

     3. 2虛擬裝配

各零件二維建模完成后.可在SolidWorks裝配體模式下對其進行虛擬裝配。虛擬裝配能以可視化的方式展示接力器的裝配關系;同時.可對接力器各個零部件的靜態干涉情況進行檢驗分析.能夠初步評價設計是否合理.能夠及時修改設計中的不合理部分.避免了在實際裝配階段因零件的設計錯誤而導致裝配失敗的情況發生。在實際裝配工作中也可利用接力器的虛擬裝配關系對其進行指導。

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系。在SolidWorks三維裝配平臺上.各零部件之間的裝配關系通過裝配約束來實現。裝配約束確定了不同零部件點、線、面之間的相對位置關系.使用配合約束.可設定不同零部件之間的配合關系.還可定義零部件相對于其他零部件的位移和旋轉等位置關系.設計者通過這些約束關系的組合對零件進行虛擬裝配。在進行接力器虛擬裝配時應采用與實際工藝要一致的裝配關系.首先應對接力器的結構及接力配求器各運動副進行詳細的分析.再確定各個配合采用何種裝配約束將零件進行裝配。

(2)將接力器進行分層裝配。在大裝配體里.如果將所有的零件裝入最終的裝配里.會是非常雜亂的情形,而且眾多零件凌亂的裝人還會使計算機的反應速度越來越慢,因此,有必要將產品按大的功能進行劃分,先裝配成一些的子裝配體,再將各個子裝配體裝配成最終的產品。水壓機接力器是一個多結構體,有必要進行分層裝配,接力器裝配分層圖如圖3所示。裝配時先將整個接力器分成如圖所示5個子裝配體各自進行裝配,最后將該5個子裝配體裝配成接力器。裝配時當模型上現有點、線、面不足以或不便于確定零部件之間的相對位置關系時,還可以考慮在零部件模型上創建輔助特征來確定零部件之間的裝配關系。接力器裝配圖如圖4所示。

虛擬樣機技術在模鍛水壓機接力器設計中的應用solidworks simulation技術圖片3

(3)裝配體靜態干涉檢查。利用SolidWorks自帶工具條可對接力器裝配體進行靜態干涉檢查.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或多個零部件.運行干涉檢查即可。如果存在干涉.則干涉信息清單上會列出所有干涉零件名稱.并在圖形區域上顯示干涉包圍的區域和大小。發現干涉后.可以直接在裝配體環境下修改發生干涉的零件。裝配體零件中的修改可以直接反映在零件模型上.實現模型動態交互更新。對干涉零件修改后繼續進行干涉檢查如還有干涉再次將零件進行修改直到不發生干涉為止。

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     3. 3運動仿真

     運動仿真的目的是對接力器各零件之間的動態干涉情況進行分析并檢查運動行程是否滿足設計要求。接力器存在著旋轉副和移動副.運動時要求滿足:(1)齒輪的旋轉角度范圍為-120~+120。(2)在齒輪旋轉角度范圍內運動時.齒條柱塞不得與缸底碰撞。(3)運動過程中.齒條柱塞的齒不得通過柱塞缸的密封圈進人缸體內部。

對于接力器運動仿真.可選用SolidWorks插件C0SMOSMotion作為運動仿真模塊.在裝配模塊下直接進人仿真環境。在進行仿真之前.應先進行與仿真相關的基本參數的設置.如力的單位、時間的單位以及與動畫有關的幀時間間隔及幀數等。在接力器運動仿真中.設置力的單位為N.時間單位是S.仿真動畫的時間間隔是0.05 s.幀數為20.然后利用C0SMOSMotion的智能運動構建器·把接力器的箱體進行固定.并根據接力器的真實運動情況.對接力器油缸的柱塞施加壓力.并在齒輪軸上施加載荷.觀察運動情況是否符合設計要求。通過運動仿真發現零件存在動態干涉或運動行程不符要求時.可直接在裝配體環境下對零件進行修改直到滿足要求為止。

     3.4強度校核

用SolidWorks自帶的插件-CosmosWorks,可以將三維模型通過標準數據接口導人并進行有限元分析。對于接力器來說.工作時主要考慮齒輪軸的承載能力.齒輪軸過細則在工作中可能出現斷裂。三維建模后可在CosmosWorks中對其進行有限元強度校核。分析時將其二維模型調人CosmosWorks環境中.首先在"Material對話框"中選擇模型的材料特性.并進行一些基本參數的設定.如三維模型各長度尺寸的單位、加載時力的單位等。接著在"Mesh Create"菜單下按要求進行網格劃分.在本例中選擇系統默認方式自動進行網格劃分即可。然后根據接力器齒輪軸的實際受力狀況設定齒輪軸的約束,并對其施加載荷,最后執行分析,計算齒輪軸各個部件的受力情況,得到應力應變圖,檢查設計是否滿足要求。

     3. 5工程圖輸出

利用SolidWorks的快速制圖功能(Rapid Draft),可以把現有的二維數據經過數學變換,迅速生成*. SLDDRW格式的二維工程圖。該二維工程圖可自動完成各個視圖的尺寸標柱,并支持參數化的智能尺寸驅動功能,保持了與原二維圖的相關性,當修改三維圖形和二維工程圖兩者中任一圖形的某個尺寸時,另一個圖形中相應的尺寸會自動修改過來,這給設計的修改帶來了極大的方便。生成二維工程圖時也可導出不再與SolidWorks三維圖相關聯的*.DWU格式,并可在AutoCAD中方便的對其編輯修改。

     4結語

在300 MN模鍛水壓機接力器設計中,利用虛擬樣機設計方法,通過計算機技術建立產品的數字化模型,方便快捷的完成了接力器設計的整個周期。有效避免了設計過程中錯誤的發生,降低了技術風險。使得整個設計工作在短短的幾周就完成了,大大縮短了了研發周期,降低了研發成本。可見虛擬樣機技術是一種全新的機械設計方法,其深人研究及廣泛應用具有重大意義,值得在類似設計中大力推廣。