CAD與CAE設(shè)計(jì)方法在液壓支架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張軍輝

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013

0 引言

近階段，世界各國都對(duì)液壓支架的研發(fā)和設(shè)計(jì)非常重視。尤其是近年來，隨著各國在經(jīng)濟(jì)與科技領(lǐng)域的合作不斷擴(kuò)大，技術(shù)不斷得到完善和發(fā)展，作為液壓支架，很多機(jī)械化生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，在CAD與CAE軟件里也得到了不同程度的發(fā)展。世界各國從20世紀(jì)70年代開始，對(duì)CAD以及CAE軟件應(yīng)用于液壓支架設(shè)計(jì)方面的工作，做了許多研究和工作，并且?guī)砹朔浅２诲e(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。給機(jī)械行業(yè)的發(fā)展以新的前景與啟示，使世界工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化發(fā)展提供了可能。

1 CAD與CAE軟件于液壓支架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

CAD在其發(fā)明的初期是英文Computer Aided Drafting（計(jì)算機(jī)輔助制圖）的縮寫，由于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和硬件技術(shù)的逐漸發(fā)展，人們慢慢地認(rèn)識(shí)到單一地只運(yùn)用計(jì)算機(jī)制圖還不可以稱之為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品，包括產(chǎn)品的構(gòu)思、產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析和產(chǎn)品的加工制造等的設(shè)計(jì)才是真正的設(shè)計(jì)。二維的工程圖設(shè)計(jì)只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)分支；由于這些原因，Computer Aided Design也取代了Computer Aided Drafting，成為了CAD的代稱。與此同時(shí)，CAD也拜托了輔助繪圖這個(gè)單一地功能，成為了整個(gè)產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)工具。

CAE、PDM以及CAM等軟件都是在CAD的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于CAE來說，CAD不僅為單個(gè)零件提供造型設(shè)計(jì)、還為整機(jī)提供有限元分析、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析、造型設(shè)計(jì)以及裝配成型。在CAD中對(duì)零件及部件所做的任何改變，都會(huì)在CAE、CAM和PDM中有所反應(yīng)。總而言之，一旦CAD做得不理想，CAE、PDM以及CAM就很難做好。

CAE是計(jì)算機(jī)輔助工程的英文縮寫，其全稱是Computer-Aided Engineering。隨著計(jì)算技術(shù)的逐步應(yīng)用，對(duì)于每個(gè)即將投產(chǎn)的產(chǎn)品，企業(yè)都可以先在計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)數(shù)字樣機(jī)，然后通過數(shù)字樣機(jī)來模擬產(chǎn)品和零件的工作狀態(tài)，通過這些模擬實(shí)驗(yàn)來對(duì)零件和產(chǎn)品做出工程校驗(yàn)、有限元分析以及計(jì)算機(jī)仿真。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，企業(yè)通過CAE模擬軟件的應(yīng)用，可以方便地對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行仿真檢測(cè)。這些仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫搅慵蛘呤钱a(chǎn)品的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)于產(chǎn)品缺陷的發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本的降低有這極大的促進(jìn)作用。而且CAE軟件模擬能對(duì)產(chǎn)品維護(hù)檢修提供很大的幫助。例如：分析產(chǎn)品故障的原因以及產(chǎn)品質(zhì)量因素等。 CAE軟件通常會(huì)有有限元分析模塊。把物體，也可以稱之為連續(xù)的求解域，通過離散的方法分解為有限個(gè)簡(jiǎn)單單元的組成形式是有限單元法的基本思路。為了將連續(xù)的具有無限個(gè)自由度的問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，形成離散的有限自由度問題，需要對(duì)這些被離散過得單元進(jìn)行模擬并且得到原來的物體。通過對(duì)被離散的物體的每個(gè)單元進(jìn)行有限元分析，進(jìn)而能得到物體被離散前的分析結(jié)構(gòu)。并且所得到的解會(huì)隨著單元數(shù)目的增加而越來越準(zhǔn)確得逼近真實(shí)的情況。

最新研究表明，許多復(fù)雜的，諸如機(jī)構(gòu)分析、強(qiáng)度分析、靜態(tài)干涉檢查、動(dòng)力學(xué)分析、動(dòng)態(tài)干涉分析以及裝配模擬等工作，都可以通過在由CAD軟件創(chuàng)建的實(shí)體模型上進(jìn)行。而一些簡(jiǎn)單的工作比如模型的鑄造、加工以及產(chǎn)品效果的渲染處理等，也能由此實(shí)現(xiàn)。與以往通過消耗大量資源的基于傳統(tǒng)理念的設(shè)計(jì)思路“物理樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)”相比，基于三維模型的CAE分析，憑借著其能夠借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)所擁有的突出的數(shù)值計(jì)算能力，能夠建立“虛擬樣機(jī)”，從而有效地降低了設(shè)計(jì)成本并且使設(shè)計(jì)周期縮短。并且，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，這種基于CAE技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段將會(huì)越來越有效。

2 通過有限元軟件實(shí)現(xiàn)液壓支架運(yùn)動(dòng)的仿真

目前，市面上有關(guān)于CAD以及CAE的軟件很多，大部分的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件除了能夠?qū)崿F(xiàn)三維建模功能以外，都附帶有用于結(jié)構(gòu)分析的有限元模塊。而動(dòng)力學(xué)模塊以及機(jī)構(gòu)干涉檢查運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊等常見的模塊，大部分軟件也會(huì)帶有。UnigraphicsSolutions公司推出的產(chǎn)品：UG，以其突破傳統(tǒng)模式的創(chuàng)新性，為用戶帶來了與眾不同的模型建立系統(tǒng)。UG軟件非常有效地將參數(shù)化與變量化等先進(jìn)的技術(shù)與以往的平面功能如實(shí)體、線框等相結(jié)合，并且廣泛得為許多軟件公司所采用。UG軟件是基于許多傳統(tǒng)的功能比如說曲面造型、二維空間繪圖亦或是數(shù)控加工編程等發(fā)展起來的。UnigraphicsSolutions公司于上世紀(jì)90年代后期成功得將Intergraph公司的運(yùn)用于機(jī)械方面的CAD產(chǎn)品合并，并且通過Parasolid平臺(tái)統(tǒng)一了微機(jī)版的SOLIDEDGE軟件。并通過這項(xiàng)運(yùn)作，組建了一個(gè)既有WindowsNT微機(jī)版，又有Unix工作站版的相對(duì)完整的集成了CAD、CAE、CAM的系統(tǒng)。美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)，提供了一款有趣的產(chǎn)品叫做Pro/Engineer。PTC公司提出許多從未有過的理念：?jiǎn)我粩?shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特性、全相關(guān)等等，這些理念改變了傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的概念, 其帶來的這種前所未有的理念已經(jīng)作為新的標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)的機(jī)械CAD/CAE設(shè)計(jì)方案所推廣應(yīng)用。利用這種理念研制出來的第3代機(jī)械CAD/CAE產(chǎn)品Pro/Engineer-wildfire野火版便是采用這種理念所開發(fā)出來的，這種產(chǎn)品能夠充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源,并且充分得表達(dá)了并行工程的內(nèi)在理念。

應(yīng)用于Windows平臺(tái)上得機(jī)械設(shè)計(jì)軟件有生信國際有限公司出品的SolidWorks。改公司的產(chǎn)品可以形容為：應(yīng)用于Windows平臺(tái)的集成CAD、CAE、CAM和PDM功能的桌面系統(tǒng)。其核心是SolidWorks軟件。這個(gè)桌面系統(tǒng)包括有各種各樣的應(yīng)用，最主要的有工程數(shù)據(jù)管理、運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)分析以及數(shù)控加工等。SolidWorks是最近涌現(xiàn)出的應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)上的參數(shù)化特征造型軟件，其主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，使眾多從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作的人員可以在舒適的界面與環(huán)境中運(yùn)用實(shí)體造型等實(shí)用的功能。SolidWorks是應(yīng)用于Windows平臺(tái)的特征造型軟件，它能實(shí)現(xiàn)全參數(shù)化，并且在工程圖的生成、復(fù)雜裝配以及三維零件的造型設(shè)計(jì)方面也非常便捷。

由于整個(gè)設(shè)計(jì)過程全部建立在物體的三維模型上，通過直觀的圖形與圖像將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與思路進(jìn)行了清晰的表達(dá)，三維CAD技術(shù)符合了人們正常的思維習(xí)慣，成為廣大設(shè)計(jì)者所常用的設(shè)計(jì)軟件。

3 液壓支架設(shè)計(jì)中的三維CAD建模

線框建模、表面建模以及實(shí)體建模是三維建模的三個(gè)組成部分。在液壓支架設(shè)計(jì)時(shí)，我們通常采用的是實(shí)體建模，原因是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，只有要對(duì)幾何物體實(shí)行獨(dú)一無二的無沖突的完整的描繪必須采用實(shí)體模型。這樣做得好處是我們每做一次有效的操作，都能生成一個(gè)有效的模型，這樣就能使設(shè)計(jì)工作者擺脫幾何一致性檢查這種浪費(fèi)時(shí)間與精力的步驟，將寶貴的精力投入到其他工作中。三維實(shí)體建?？梢詾樵O(shè)計(jì)者提供眾多幫助：對(duì)復(fù)雜的形體進(jìn)行形象的描述與清晰的表達(dá)，簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)的難度；按照設(shè)計(jì)師的要求在3D模型的基礎(chǔ)上做出產(chǎn)品的剖面圖與效果圖；進(jìn)行產(chǎn)品裝配過程的研究以及空間布局的研究；實(shí)現(xiàn)干涉碰撞問題的簡(jiǎn)化；模擬空間運(yùn)動(dòng)，仿真加工順序；實(shí)現(xiàn)有限元模型的自動(dòng)生成。

頂梁、掩護(hù)梁、底座、尾梁、側(cè)護(hù)板、護(hù)幫機(jī)構(gòu)、推移機(jī)構(gòu)、立柱、千斤頂和液壓控制系統(tǒng)等不同構(gòu)建組成了液壓支架的主要部分。通過組焊鋼板來得到結(jié)構(gòu)件，但是這樣的情況下得到的結(jié)構(gòu)件不規(guī)則并且有很大的形變。從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度講，最好是在支架的總體方案設(shè)計(jì)完成后，再建立液壓支架的三維模型，這樣就能輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)支架的幾何結(jié)構(gòu)干涉問題進(jìn)行檢查。

對(duì)于支架強(qiáng)度分析來說，三維建模在液壓支架設(shè)計(jì)上得運(yùn)用能大大地提升它的效率。支架有限元分析需要以三維建模為基礎(chǔ)，CAD軟件擁有有效的模型建立功能，通過它的運(yùn)用，我們能夠?qū)⒅Ъ艿膶?shí)體模型建立起來，之后再借助接口的轉(zhuǎn)換，將實(shí)體模型置于有限元軟件中分析，從而得到需要的結(jié)果?！兑簤褐Ъ芡ㄓ眉夹g(shù)條件》對(duì)于不同的加載方式都有詳細(xì)的規(guī)定，將不同的墊塊放置在在支架模型的不同位置上，以此來模擬其承擔(dān)井下圍巖的擠壓力時(shí)的工況，通過定義求解項(xiàng)和程序的運(yùn)算，軟件模擬其在多項(xiàng)空間力系作用下的應(yīng)力變化和形狀變化的分布狀態(tài)，可以用云圖的形式來輸出用以表明變形、應(yīng)力等趨勢(shì)和以顏色表示的數(shù)值，為以后的支架設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

4 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化以及CAE應(yīng)用的作用

通過運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)所擁有的非凡的數(shù)值計(jì)算能力來制作虛擬樣機(jī)，并將此種虛擬樣機(jī)用來取代傳統(tǒng)液壓支架設(shè)計(jì)中需要花費(fèi)大量資源的驗(yàn)證物理樣機(jī)的過程,CAE軟件設(shè)計(jì)能夠?qū)颖镜脑O(shè)計(jì)周期極大地壓縮并且將設(shè)計(jì)成本降到很低的水平。在確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的過程中，有限元計(jì)算作為檢驗(yàn)液壓支架的力學(xué)性能的一種仿真手段，一直都非常受到重視, 但是其卻并沒有作為普遍應(yīng)用的設(shè)計(jì)手段得以推廣應(yīng)用，究其原因主要有過于繁雜的計(jì)算過程, 邊界條件無法確定, 過長的計(jì)算時(shí)間等。不過其作為一種可行的數(shù)值計(jì)算方法,有限元法可以輕松解決很多問題，比如說對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀、載荷和支撐情況復(fù)雜的零部件進(jìn)行應(yīng)力分析等， 這是任何其他傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不能做到的。因而, 有限元法在機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算中的占據(jù)了非常有利的位置。在立柱、千斤頂產(chǎn)品和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更新的研究課題中, 采用ANSYS軟件對(duì)新型QXEK200千斤頂和LSGGK360立柱進(jìn)行了整體有限元仿真分析計(jì)算, 以了解立柱、千斤頂?shù)恼w應(yīng)力及其應(yīng)力分布情況。并對(duì)立柱、千斤頂?shù)木植繕?gòu)造進(jìn)行了有限元仿真分析, 用來處理無法通過常規(guī)計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)的的計(jì)算局部應(yīng)力的問題。

通過美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)( ASME) 、美國核安全局( NQA)等權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)軟件：ANSYS軟件，是近年來全世界應(yīng)用最為普遍的CAE分析軟件。并且其是首個(gè)通過了中國壓力窗口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的認(rèn)證，而且在眾多個(gè)部委被廣泛應(yīng)用的分析軟件。ANSYS分析軟件現(xiàn)在已經(jīng)為全世界超過七成的高校和研究機(jī)構(gòu)所使用。ANSYS分析軟件不同于之前PTC公司(其全稱為 ParametricTechnology Corporation) 的軟件Pro/Engineer本身就有的有限元分析模塊和SolidWorks的cosmos模塊, 它的功能以及界面都有了較大的改觀, 并且在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)軟件沒有辦法做到的約束、加載邊界工況。ANSYS分析軟件適應(yīng)于各種類型的設(shè)計(jì)工作并且能夠勝任之。

由于千斤頂和需要加載的立柱模型具有非常繁雜的表面與邊界條件, 雙伸縮立柱的外側(cè)為具有球形地面的外缸, 柱頭在其活動(dòng)端為球形, 結(jié)構(gòu)具有不規(guī)則的立體形狀,但是邊界條件和載荷情況與實(shí)際工況相一致是模型分析所要求的基本原則,因?yàn)橹挥羞@樣的計(jì)算結(jié)果才具有參考價(jià)值, 除此之外,在導(dǎo)向環(huán)以及密封裝置等環(huán)節(jié)的作用下，各個(gè)相互接觸的面之間（雙伸縮立柱的外缸、中缸以及小柱發(fā)生接觸的部分；千斤頂?shù)幕钊透左w之間）會(huì)發(fā)生相互作用, 在這些地方創(chuàng)建面-面接觸單元并且對(duì)其相互作用力進(jìn)行模擬; 運(yùn)用耦合自由度法來對(duì)節(jié)點(diǎn)的自由度進(jìn)行限定，并且運(yùn)用了多種處理方法進(jìn)行建模工作,建立了用來定義邊界坐標(biāo)的局部坐標(biāo)系, 以此最大限度地與實(shí)體工況相一致, 同時(shí)不出現(xiàn)附加應(yīng)力。

通過對(duì)CAE軟件的綜合運(yùn)用，在液壓支架設(shè)計(jì)階段能夠借助于三維造型對(duì)液壓支架進(jìn)行有限元、運(yùn)動(dòng)仿真以及動(dòng)力學(xué)方面的研究與分析，從而有效地減少在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生機(jī)構(gòu)干涉現(xiàn)象, 這樣一來，設(shè)計(jì)中的虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)就能產(chǎn)生非常大的作用,并且確保液壓支架的安全性以及可靠性, 對(duì)結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行較大優(yōu)化, 并且對(duì)探索液壓支架設(shè)計(jì)的新思路,液壓支架設(shè)計(jì)水平的提高有很大幫助。

5 結(jié)論

三維 CAD軟件 為虛擬產(chǎn)品的描述帶來了前所未有的福音，以支架方案設(shè)計(jì)為開始，然后進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)、計(jì)算以及圖形繪制，最后是產(chǎn)品的完善，支架生產(chǎn)設(shè)計(jì)制造的全過程都是在三維CAD軟件的幫助下完成的。由于通過實(shí)體模型，我們能得到產(chǎn)品完整的特性數(shù)據(jù)，物理模型或者樣品的制造就變得沒有必要了，這樣就大大縮短了模型或樣品制作過程所用去的時(shí)間。

通過三維建模設(shè)計(jì)液壓支架的成功，使設(shè)計(jì)者擺脫圖紙低級(jí)錯(cuò)誤的困擾，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決這些問題，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期，更好地為企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)服務(wù)。

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