虛擬樣機(jī)技術(shù)在礦用帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用研究

程 剛，郭永存，2，胡 坤，董祖?zhèn)?/p>

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2.安徽省礦山掘進(jìn)與運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，安徽 淮南232001；3.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司南京設(shè)計(jì)研究院，江蘇 南京210031）

隨著我國高產(chǎn)高效礦井的投入使用，礦用帶式輸送機(jī)正朝高帶速、長距離、大運(yùn)量的方向發(fā)展，由于受到煤礦特殊工況的影響，傳統(tǒng)的靜態(tài)選型設(shè)計(jì)方法的局限性顯然不能滿足礦用帶式輸送機(jī)的實(shí)際需要，特別是在輸送機(jī)關(guān)鍵零部件和驅(qū)動(dòng)、拉緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，更不能達(dá)到動(dòng)態(tài)運(yùn)行的要求[1]。另外，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在輸送機(jī)產(chǎn)品前期也不能很好的進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，可視化程度較差且不能根據(jù)不同的運(yùn)行環(huán)境模擬運(yùn)動(dòng)和分析動(dòng)力學(xué)特性。若在礦用帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)過程中引入虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)于提高整機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化程度、降低設(shè)計(jì)成本、預(yù)測(cè)整機(jī)運(yùn)行性能都將具有重要的實(shí)際意義[2]。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)（virtual prototyping technology）是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，融合了先進(jìn)建模方法和仿真技術(shù)[3]。與傳統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)主要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整機(jī)性能，強(qiáng)調(diào)多領(lǐng)域協(xié)同仿真設(shè)計(jì)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、有限元分析和控制理論等，同時(shí)緊密結(jié)合了三維圖形的可視化技術(shù)[4]。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品的運(yùn)行性能，獲得最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的可視化操作，進(jìn)爾提高設(shè)計(jì)效率，降低研發(fā)成本。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，虛擬樣機(jī)技術(shù)在國內(nèi)外機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)不可或缺，專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用空間也逐步擴(kuò)大，主要體現(xiàn)在武器制造、航空航天、工程機(jī)械、汽車設(shè)計(jì)等方面。典型的案例是美國波音777飛機(jī)，以無紙化方式進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)與制造，其設(shè)計(jì)、裝配、性能分析均采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，使研發(fā)時(shí)間從8年降至5年[5]；美國登陸火星的“好奇號(hào)”火星探測(cè)器，采用Siemens PLM Software軟件進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，模擬了起飛時(shí)的振動(dòng)和沖擊、高達(dá)3000℃的溫差、1.54億英里的飛行距離和火星重力的影響[6]。當(dāng)前，虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)通過功能強(qiáng)大的軟件支持實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，比較成熟的CAD／CAE軟件有：Catia、PRO／E、SolidWorks、MATLAB、NASTRAN、ANSYS、ADAMS、RecurDyn、AMESim、EDEM等等。

2.2 帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

帶式輸送機(jī)是最重要的散料運(yùn)輸設(shè)備，零部件較多，且其剛、柔體的結(jié)構(gòu)特征又決定了整機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)大都依賴于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算與靜態(tài)選型計(jì)算，因而將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)過程中是非常有必要的，可以打破傳統(tǒng)式經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，更加科學(xué)化地優(yōu)化零部件參數(shù)和系統(tǒng)布置方案，便于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)。當(dāng)前，國外在帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)的研發(fā)做得較為成熟、虛擬仿真與計(jì)算分析平臺(tái)基本上實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化，功能強(qiáng)大，現(xiàn)以美國conveyor dynamic公司的BELTSTAT、overland conveyor公司的Belt Analyst軟件和澳大利亞Helix delta－T軟件為代表，它們尤其在長距離帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面給予用戶最大的技術(shù)支持[7]。帶式輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)技術(shù)在國內(nèi)也得到了應(yīng)用，但出于技術(shù)壁壘和其他條件限制，仍沒有得到深層次的開發(fā)與應(yīng)用，大部分研究人員只注重單個(gè)零部件的分析或獨(dú)立于單領(lǐng)域系統(tǒng)仿真計(jì)算。例如，對(duì)于驅(qū)動(dòng)滾筒、機(jī)架等關(guān)鍵零部件的建模與有限元分析、拉緊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析、軟啟、制動(dòng)的控制計(jì)算仿真等。面向整機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、有限元分析的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與聯(lián)合仿真的設(shè)計(jì)案例較少，以子系統(tǒng)或單領(lǐng)域來建模與仿真計(jì)算結(jié)果并不能簡單的線性疊加，因此結(jié)果有很大的局限性。國內(nèi)針對(duì)帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)專業(yè)化仿真計(jì)算平臺(tái)較少，通常是借助第三方軟件來實(shí)現(xiàn)的。常見的方法主要有4種：①將帶式輸送機(jī)的系統(tǒng)抽象化，在建立物理模型與基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，利用離散單元法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，以往采用C語言編程或數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的搭建和計(jì)算，代表性的研究者如東北大學(xué)的宋偉剛教授等[8]、中國礦業(yè)大學(xué)的侯友夫教授等[9]，現(xiàn)流行使用多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)AMESim來進(jìn)行仿真計(jì)算，AMESim的優(yōu)勢(shì)在于模型庫非常豐富，免去了繁瑣的數(shù)學(xué)建模過程，代表性的研究者如上海師范大學(xué)的曹椋炎教授[10]；②運(yùn)用三維建模軟件完成帶式輸送機(jī)實(shí)體模型建模，然后通過接口將模型導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中，同時(shí)利用柔性模塊ADAMS／FLEX完成對(duì)輸送帶的柔性體建模，實(shí)加約束，載荷，研究帶式輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性；③在建立帶式輸送機(jī)三維模型的基礎(chǔ)上或直接使用動(dòng)力學(xué)分析軟件RecurDyn來建立帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)，機(jī)理上基本與ADAMS相同，但RecurDyn的優(yōu)勢(shì)在于它具有Belt模塊，輸送帶的建模略為簡單，省去帶塊建模過程，因而可以更加注重對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)品質(zhì)的研究，代表性的研究者如王鵬彧或教授[11]；④基于EDEM離散單元模型對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行物料流顆粒數(shù)值模擬與仿真分析，代表性的研究者如延邊大學(xué)的樸香蘭教授[12]、東北大學(xué)的宋偉剛教授等[13]。

3 建立礦用帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)的技術(shù)方法

礦用帶式輸送機(jī)是由輸送帶、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)件、控制系統(tǒng)等組成的“機(jī)－電－液－控”復(fù)雜剛?cè)狁詈蠙C(jī)械系統(tǒng)，各部件之間，如滾筒和輸送帶、輸送帶和張緊裝置之間的相互關(guān)系直接影響到帶式輸送機(jī)整體動(dòng)力學(xué)特性，基礎(chǔ)建模時(shí)應(yīng)對(duì)樣機(jī)合理定義，明確各部件組成、性質(zhì)、約束以及對(duì)整機(jī)性能的影響，把握核心部件如輸送帶、滾筒、托輥、張緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置等，忽略對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)性能影響較小的細(xì)節(jié)，從而對(duì)樣機(jī)合理簡化。對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中的施加物理約束和加載時(shí)，可采用以剛?cè)岫囿w動(dòng)力學(xué)分析方法，將各種物理約束在虛擬樣機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行正確施加，并通過多領(lǐng)域聯(lián)合仿真技術(shù)協(xié)同計(jì)算輸送機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的關(guān)于機(jī)械、液壓、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制等不同領(lǐng)域的性能。各領(lǐng)域之間采用接口的方式傳遞有關(guān)數(shù)據(jù)，并盡可能實(shí)現(xiàn)軟件之間的無縫連結(jié)。礦用帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)框架，如圖1所示。

圖1 礦用帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)框架

4 礦用帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

理論上，礦用帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)的建立是可行的，但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，仍存在一些問題尚未很好解決，主要有3個(gè)關(guān)鍵性問題。

關(guān)鍵問題一：輸送帶的建模。輸送帶是帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，其特性直接影響著整機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。輸送帶本身的物理特性較為復(fù)雜，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系為非線性關(guān)系，具有蠕變特性、松弛特性、滯后特性和動(dòng)態(tài)特性等，是一種典型的黏彈性體[14]。準(zhǔn)確處理輸送的建模是十分棘手的，目前大都采用的是離散單元法，以離散模型替代連續(xù)模型，將輸送帶分成有限個(gè)剛體單元。采用柔性特征的彈簧阻尼單元使剛體單元之間相互連接。理論上，離散性可以很好替代連續(xù)性計(jì)算，然而在實(shí)際操作中，如采用ADAMS或RecurDyn軟件來處理輸送帶三維模型時(shí)，長距離的輸送帶是不易處理的，原因在于計(jì)算在有限元?jiǎng)澐謺r(shí)，巨大的單元數(shù)目和連接約束對(duì)計(jì)算機(jī)硬件是很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在筆者看來，運(yùn)用ADAMS或RecurDyn軟件做仿真計(jì)算時(shí)，處理短距離輸送機(jī)優(yōu)勢(shì)比較明顯，對(duì)于處理長距離帶式輸送機(jī)弊端是比較多的，矛盾恰恰又在于長距離的帶式輸送機(jī)更需要?jiǎng)討B(tài)特性分析與仿真計(jì)算。運(yùn)用AMESim軟件可以解決離散單元的計(jì)算問題，鑒于圖標(biāo)驅(qū)動(dòng)，求解效率高，但缺點(diǎn)是可視化程度較低，且為一維縱向運(yùn)動(dòng)求解。但就現(xiàn)階段來講，利用AMESim對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真不失為一種很好的求解手段。

關(guān)鍵問題二：物料流均勻與非均勻負(fù)載模擬。即便認(rèn)為輸送帶離散單元的處理方式合理，認(rèn)可忽略輸送帶的橫向和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的一維縱向模型，那么物料流的負(fù)載問題也是難點(diǎn)。常規(guī)的作法是視作輸送帶所承載的物料均勻化，將物料質(zhì)量等效在輸送帶的離散單元質(zhì)量上，但這種等質(zhì)量的劃分與煤礦環(huán)境下實(shí)際運(yùn)行的帶式輸送機(jī)是不符的。由于大量自然的、采礦技術(shù)和工藝組織等因素，煤或巖石的崩落、裝載和運(yùn)輸過程復(fù)雜的隨機(jī)相關(guān)性，物料流可能隨時(shí)間和空間在較為寬廣的范圍內(nèi)變動(dòng)[15]。物料流三維模型的加載仿真幾乎是無從為力的，一維模型的數(shù)值模擬，非均勻化物料的加載也困難重重，最多只能在機(jī)頭、機(jī)尾、裝料點(diǎn)、卸料點(diǎn)等動(dòng)應(yīng)力變化的敏感地方采用不等質(zhì)量單元?jiǎng)澐諿16]，這些對(duì)于處理非均勻物料流的負(fù)載問題仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。作者認(rèn)為，處理物料流負(fù)載問題，首先應(yīng)該就物料流的均勻與非均勻化進(jìn)行區(qū)別判別，找到類似于判別流體層流與湍流兩種形態(tài)的諾雷數(shù)，即物料流均勻與非均勻判別因子，以此縮小物料流負(fù)載的研究范圍，爾后研究均勻與非均勻兩類物料流負(fù)載模型復(fù)合到輸送機(jī)離散單元的模型當(dāng)中的求解算法。

關(guān)鍵問題三：剛－柔性體之間的耦合問題。帶式輸送機(jī)除輸送帶外，絕大部分零部件均可認(rèn)為是剛性體。建立帶式輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)不可避免面對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置—輸送帶相互作用、張緊裝置—輸送帶相互作用及負(fù)載—輸送帶相互作用，而這些都涉及到剛－柔性體之間的耦合問題。耦合中所包含的庫侖摩擦、接觸碰撞機(jī)理和接觸邊界的約束定義等是非常難處理的，多體接觸動(dòng)力學(xué)模型的搭建和參數(shù)選擇的方式、參數(shù)定義值都會(huì)影響最終的計(jì)算機(jī)求解結(jié)果。大變形柔性體輸送帶與剛性體之間的接觸定義，基于Hertz接觸理論和非線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的求解方式，在考慮摩擦特性時(shí)，接觸分析的收斂性時(shí)常是不穩(wěn)定的。非線性彈簧阻尼接觸力計(jì)算模型[17]如圖2所示，其中K為接觸剛度系數(shù)，C為阻尼系數(shù)，δ為穿透深度，f為接觸力大小。針對(duì)帶式輸送機(jī)這類特殊的剛－柔耦合特征結(jié)構(gòu)，其中很多參數(shù)設(shè)定都需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)綜合研究分析的，但目前這一方面的研究成果并不多見。

圖2 非線性彈簧阻尼接觸力計(jì)算模型

5 結(jié)語

礦用帶式輸送機(jī)一直朝著高帶速、重載、大運(yùn)量的方向發(fā)展，關(guān)鍵零部件的優(yōu)化和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性計(jì)算直接影響著整機(jī)運(yùn)行性能和資本投入。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，將虛擬樣機(jī)技引入到帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)中將具有很重要的實(shí)際意義。國內(nèi)對(duì)于礦用帶式輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)工作處于起步階段，大多集中在三維模型的構(gòu)建（包括二次開發(fā)形成零部件庫）、裝配、靜力學(xué)有限元分析及部分系統(tǒng)裝置的動(dòng)力學(xué)分析，系統(tǒng)化的三維多領(lǐng)域?qū)I(yè)仿真平臺(tái)的研究成果較少。鑒于此，相關(guān)科研院所、機(jī)構(gòu)若能把握住契機(jī)，合理地將虛擬樣機(jī)技術(shù)推廣應(yīng)用到礦用帶式輸送機(jī)或其他煤礦裝備的設(shè)計(jì)中，將有助于提高我國煤礦機(jī)械裝備的研發(fā)水平。

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