基于NX的挖掘機(jī)斗桿參數(shù)化建模與強(qiáng)度仿真分析

張 俊，呂 震，譚孝天

(浙江大學(xué)城市學(xué)院 工程學(xué)院，浙江 杭州 310015)

挖掘機(jī)是開挖土壤的施工機(jī)械，主要用于筑路工程中的塹壕開挖，水利工程中的河道疏浚，露天開采中的礦石挖掘等，具有高產(chǎn)量、高速度、高效能等優(yōu)點[1]。從近幾年工程機(jī)械的發(fā)展來看，挖掘機(jī)已經(jīng)成為工程建設(shè)中最主要的工程機(jī)械之一[2]。據(jù)統(tǒng)計，目前工程施工中約60%的土石方量靠挖掘機(jī)完成[3]。

挖掘機(jī)主要由斗桿、鏟斗、動臂、回轉(zhuǎn)平臺、動力傳動裝置、行走機(jī)構(gòu)等部件組成，其中斗桿是連接動臂和鏟斗的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計時往往會花費大量的人力和財力[4]。為了在較短的時間內(nèi)完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品設(shè)計以應(yīng)對迅速變化的市場需求，針對挖掘機(jī)主要零部件模型的快速參數(shù)化設(shè)計的研究已經(jīng)成為科研工作者重要的研究領(lǐng)域。

參數(shù)化設(shè)計思想從20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)，目前已經(jīng)在國內(nèi)外多種商業(yè)建模軟件中得到廣泛的應(yīng)用。參數(shù)化設(shè)計思想在挖掘機(jī)主要零部件模型設(shè)計上的研究主要有：Solazzi[5]通過評估和測量挖掘機(jī)機(jī)械臂各個部件的尺寸，根據(jù)機(jī)械原理建立了挖掘機(jī)的CAD模型；王水林[6]使用NX二次開發(fā)工具對礦用挖掘機(jī)進(jìn)行了二次開發(fā)；文衛(wèi)星[7]采用表達(dá)式的參數(shù)化方法建立了挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計模塊；陳飪塵[8]在NX平臺上通過二次開發(fā)工具開發(fā)了挖掘機(jī)工作裝置的參數(shù)化設(shè)計平臺。本文在挖掘機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用NX的WAVE和PTS模塊功能，構(gòu)建了挖掘機(jī)關(guān)鍵部件斗桿的參數(shù)化可重用設(shè)計模型。該模型可完成全新的關(guān)聯(lián)尺寸的同步修改變形功能，縮短了挖掘機(jī)斗桿變型設(shè)計周期，提高了斗桿再設(shè)計效率。

1 斗桿參數(shù)化模型

1.1 Siemens NX技術(shù)

Siemens NX是一個交互式CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜參數(shù)化實體及模型建構(gòu)，已被多學(xué)科科研工作者廣泛使用[9]。WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是NX中一個功能強(qiáng)大的模塊，可實現(xiàn)產(chǎn)品裝配組件間關(guān)聯(lián)建模，Top-down自頂向下的建模方式是WAVE的指導(dǎo)思想，它使得在產(chǎn)品零部件間進(jìn)行自頂向下的關(guān)聯(lián)設(shè)計成為可能[10]；PTS (Product Template Studio)是NX中一個無代碼實現(xiàn)人機(jī)交互設(shè)計的功能模塊，通過PTS創(chuàng)建產(chǎn)品模板，可顯著提高設(shè)計知識的重用度，使得面向?qū)ο蟮目梢暬瘏?shù)設(shè)計成為可能。這些功能模塊可以全面改善設(shè)計過程的效率，削減成本，并縮短進(jìn)入市場的時間。

1.2 斗桿參數(shù)化模型的功能組成

斗桿是挖掘機(jī)的重要組成部分，主要由根腳支架、前端支架、中間支架以及各個連接板所組成，如圖1所示。構(gòu)建的斗桿參數(shù)化模型必須達(dá)到使用簡單、方便，不會造成參數(shù)控制混亂的設(shè)計效果，并實現(xiàn)以下幾個功能：

(1)在NX裝配導(dǎo)航器中通過“編輯可重用組件”，打開模板瀏覽器后，可修改相關(guān)組件內(nèi)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，從而模型可隨之更新；

(2)當(dāng)斗桿頂層模型的尺寸修改后，底層各子部件模型也將隨之更新；

(3)當(dāng)斗桿子部件模型的尺寸修改之后，與之相關(guān)聯(lián)的同級模型也隨之修改，從而帶動斗桿頂層模型的更新；

1.前端支架;2.各連接板;3.根腳支架;4.中間支架。圖1 斗桿組件Fig.1 Stick assembly

1.3 斗桿參數(shù)化模型設(shè)計流程

1.3.1 參數(shù)化裝配模型構(gòu)建

首先通過對比多系列挖掘機(jī)中斗桿零部件的主要參數(shù)，選取經(jīng)常變動的參數(shù)作為重要控制參數(shù)，利用WAVE功能自頂向下的建模方式建立重用部件的參數(shù)化裝配模型。

1.3.2 交互式對話框構(gòu)建

通過使用NX/PTS模塊，采用無代碼對話框設(shè)計技術(shù)，完成斗桿模型的交互式對話框構(gòu)建；再在對話框中配上相關(guān)視圖和主要參數(shù)，來實現(xiàn)驅(qū)動和修改部件模型的功能。

2 基于WAVE的參數(shù)化裝配模型構(gòu)建

參數(shù)化建模是CAD技術(shù)的核心，參數(shù)化模型是使用PTS制作產(chǎn)品模板的前提，是實現(xiàn)知識重用的關(guān)鍵。參數(shù)化建模的關(guān)鍵在于運(yùn)用參數(shù)、公式、鏈接、特征等來驅(qū)動和改變模型。目前絕大多數(shù)的CAD軟件都具有參數(shù)化建模的功能，在Siemens NX系統(tǒng)中，WAVE就是其自頂向下的參數(shù)化裝配建模的功能模塊。

2.1 斗桿總體控制尺寸的選定

總體控制尺寸主要指影響產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的參數(shù)。在運(yùn)用NX/WAVE功能對挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行參數(shù)化建模時，首先依托挖掘機(jī)斗桿傳統(tǒng)設(shè)計所積累的經(jīng)驗對斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計需求進(jìn)行分析，再根據(jù)斗桿結(jié)構(gòu)特點確立斗桿根腳支架孔為坐標(biāo)原點，進(jìn)而得出總體控制尺寸L1(前端支架孔相對坐標(biāo)原點的水平坐標(biāo))、L2(中間支架孔相對坐標(biāo)原點的水平坐標(biāo))、H(中間支架孔相對坐標(biāo)原點的垂直坐標(biāo))，如圖2所示。

圖2 斗桿總體控制尺寸Fig.2 Overall control size of the stick

2.2 斗桿關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的確定

挖掘機(jī)斗桿組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了表現(xiàn)斗桿清晰的關(guān)聯(lián)設(shè)計結(jié)構(gòu)，方便設(shè)計人員操作和管理，根據(jù)斗桿對稱的結(jié)構(gòu)特點、各零部件間草圖、基準(zhǔn)的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，定義了斗桿部件和零件間的控制結(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 斗桿零部件關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Stick component related structure diagram

2.3 基于WAVE的斗桿參數(shù)化裝配模型構(gòu)建

挖掘機(jī)斗桿的參數(shù)化建模按照關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，采用Top-down的設(shè)計方法，運(yùn)用NX/WAVE功能模塊分兩層來順序構(gòu)建。

(1)首先運(yùn)用NX的建模模塊創(chuàng)建挖掘機(jī)斗桿的三維空模型并命名為“dougan”，將此作為整個裝配模型的頂層組件；再利用表達(dá)式、基準(zhǔn)及草圖功能在空模型中創(chuàng)建斗桿的3個總體控制尺寸，如圖4所示。

圖4 總體控制尺寸創(chuàng)建Fig.4 Overall control size creation

(2) 利用WAVE“新建級別”功能新建斗桿各子部件，分別命名為“genjiaozj”“qianduanzj”“zhongjianzj”“ceb”“dib”“dingb”“hengb”，作為裝配模型的底層組件；再使用WAVE幾何鏈接器將頂層組件的幾何特征關(guān)聯(lián)復(fù)制到新建的各個底層組件中，再加上新建的草圖共同創(chuàng)建底層幾何特征。

現(xiàn)以根腳支架為例，其參數(shù)化模型的創(chuàng)建如圖5所示。需要注意的是草圖的創(chuàng)建必須符合規(guī)范，并保證全約束，而不能有虛約束和過約束。全約束的方案設(shè)計可能有多種，需要根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，選取一種較為合理的全約束方式，以達(dá)到設(shè)計要求。另外，底層各個子部件間也可能需要WAVE相互關(guān)聯(lián)，以達(dá)到同步更新的目的。

當(dāng)頂層模型的尺寸修改后，與之關(guān)聯(lián)的各子部件模型也隨之改變；當(dāng)?shù)讓幽Ｐ统叽缧薷暮?，與之關(guān)聯(lián)的底層子部件模型亦同步更新，從而實現(xiàn)裝配級的參數(shù)化建模。

圖5 底層根腳支架參數(shù)化模型構(gòu)建Fig.5 Parametric model construction of root foot support

2.4 斗桿二維工程圖創(chuàng)建

在挖掘機(jī)斗桿的實際工程設(shè)計過程中，當(dāng)其零件的三維模型創(chuàng)建好之后，還要設(shè)計制作符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的二維工程圖，并進(jìn)行尺寸及公差標(biāo)注、注釋、顯示樣式、屬性填寫等操作，然后對創(chuàng)建好的挖掘機(jī)斗桿二維工程圖進(jìn)行另存。

3 基于PTS的交互式對話框構(gòu)建

PTS模塊是NX面向用戶、無需代碼的參數(shù)化對話框設(shè)計工具。在NX中建立的表達(dá)式、草圖數(shù)據(jù)等只需通過簡單的拖動就可傳遞給PTS，最終生成擁有示圖顯示、數(shù)據(jù)輸入等功能的用戶參數(shù)對話框界面。這個用戶界面可以直接嵌入NX裝配模型文件中，使用者通過簡單的界面操作可實現(xiàn)修改模型參數(shù)的功能。

斗桿的PTS對話框設(shè)計主要分為以下幾個步驟：(1)啟動PTS，導(dǎo)入斗桿參數(shù)化模型；(2)雙擊模型縮略圖進(jìn)入操作界面，在工作區(qū)域中添加類型塊、組、分割符、位圖等項目；(3)在模型操作界面，采用拖放功能將參數(shù)化建模時建立的相關(guān)尺寸、表達(dá)式等拖放至對應(yīng)的組中；(4)添加之前創(chuàng)建好的二維工程圖進(jìn)入PTS，建立模型和二維圖之間的聯(lián)系。

根據(jù)斗桿的PTS對話框設(shè)計步驟，得到斗桿頂層總體控制尺寸以及底層根腳支架尺寸設(shè)計對話框如圖6所示。

圖6 斗桿總控尺寸與根腳支架尺寸設(shè)計對話框Fig.6 Stick overall control size and root bracket size design dialog

4 斗桿參數(shù)化模型運(yùn)行

啟動NX，打開“dougan.prt”文件，在建模環(huán)境下的裝配導(dǎo)航器中選擇頂層組件，鼠標(biāo)右鍵選擇“編輯可重用組件”調(diào)出模板瀏覽器，進(jìn)入?yún)?shù)化建模對話框；雙擊打開的模板瀏覽器中頂層和底層的各個組件，修改相應(yīng)的尺寸即可實現(xiàn)模型及二維工程圖的關(guān)聯(lián)更新。

以斗桿總體控制尺寸L1為例，修改前后模型對比如圖7所示。

5 基于UG/Open的菜單欄創(chuàng)建

UG/Open是系列UG NX開發(fā)工具的總稱，它為用戶或第三方開發(fā)人員提供了開發(fā)工具。

a L1=4 350 mm

b L1=5 500 mm圖7 L1修改前后的模型對比圖Fig.7 Model comparison chart before and after L1 modification

基于UG/Open的斗桿的菜單欄設(shè)計有“打開文件”“編輯可重用組件”“測量部件重量”“導(dǎo)出X_T文件”等功能，系統(tǒng)使用者利用這些功能模塊可以便捷地完成參數(shù)化模型的創(chuàng)建、修改、稱重和導(dǎo)出工作，為下一步動態(tài)強(qiáng)度仿真提供模型支持。

斗桿菜單欄效果如圖8所示。

圖8 斗桿菜單欄效果圖Fig.8 Stick menu bar renderings

6 模型動態(tài)強(qiáng)度仿真分析

為驗證斗桿部件是否達(dá)到設(shè)計的強(qiáng)度要求，采用有限元分析軟件ansys以及運(yùn)動學(xué)仿真軟件adams聯(lián)合仿真對斗桿進(jìn)行動態(tài)強(qiáng)度分析，步驟如下：

(1) 利用NX導(dǎo)出X_T格式的簡化斗桿模型文件，并導(dǎo)入ansys，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建一個斗桿的.mnf模態(tài)中性文件，并將其導(dǎo)入adams軟件，與工作裝置的鏟斗和動臂部件進(jìn)行裝配；

(2) 在斗桿與鏟斗和動臂之間添加旋轉(zhuǎn)副約束，斗桿、動臂和鏟斗與各自驅(qū)動缸鉸接處添加旋轉(zhuǎn)副約束，驅(qū)動缸缸體與活塞桿之間添加滑動副約束；

(3) 在滑動副上添加驅(qū)動并由相應(yīng)的驅(qū)動函數(shù)控制，在斗桿上添加重力載荷；

運(yùn)行5 s仿真得到在平推工況、挖掘工況以及舉升工況下的應(yīng)力變化情況，對比分析可得斗桿的最大應(yīng)力時刻發(fā)生在挖掘工況下。

圖9為斗桿在挖掘工況下最大應(yīng)力時刻的應(yīng)力云圖以及相應(yīng)的應(yīng)力熱點信息圖。

應(yīng)力熱點應(yīng)力值/(N·mm-2)節(jié)點時間/s生標(biāo)值/mmX Y Z1162.02334408511654.9-180.5576879.392156.68234409511615.4-10.566870.863155.71934407511692-180.5526895.684141.56634406511725-180.5456919.085139.52534410511579.9-180.5616870.07

圖9斗桿挖掘工況最大應(yīng)力時刻應(yīng)力云圖及應(yīng)力熱點信息
Fig.9Stressdiagram&hotspotsinformationofthemaximumstressmomentofstick

由圖9可知，斗桿應(yīng)力最大值162.02 MPa出現(xiàn)在斗桿的中間支架與液壓缸的鉸接處，并未超出斗桿材料的應(yīng)力極限300 MPa，符合設(shè)計要求。

7 結(jié)論與展望

利用NX/WAVE技術(shù)，通過表達(dá)式建立、參數(shù)關(guān)聯(lián)、特征鏈接的方法實現(xiàn)了挖掘機(jī)斗桿模型的參數(shù)化構(gòu)建；利用無需代碼的NX/PTS模塊創(chuàng)建了斗桿的交互式對話框，通過動態(tài)強(qiáng)度仿真驗證了利用本模型設(shè)計的斗桿符合強(qiáng)度要求。

整個參數(shù)化模型實現(xiàn)了頂層模型尺寸修改帶動關(guān)聯(lián)子部件模型同步修改、底層模型尺寸修改帶動關(guān)聯(lián)的底層模型同步修改的功能，交互式對話框界面簡潔、操作簡單，動態(tài)強(qiáng)度仿真符合設(shè)計要求，挖掘機(jī)關(guān)鍵部件的再設(shè)計效率大幅提高。

在下一階段，將完成鏟斗和動臂的參數(shù)化模型構(gòu)建，以完成整個工作裝置的參數(shù)化模型開發(fā)。