我國(guó)采煤機(jī)械傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和以往設(shè)計(jì)實(shí)例，設(shè)計(jì)人員在紙面上設(shè)計(jì)所需的產(chǎn)品，產(chǎn)品生產(chǎn)人員再按照紙面設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝準(zhǔn)備，做出樣機(jī)，然后進(jìn)行各種工況下的功能試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)。如果出現(xiàn)問(wèn)題或不滿(mǎn)足預(yù)定設(shè)計(jì)要求的情況，就要修改設(shè)計(jì)，然后再?gòu)念^開(kāi)始。這樣，一方面把產(chǎn)品從開(kāi)始設(shè)計(jì)到正式投放市場(chǎng)的周期拉得很長(zhǎng)，從而痛失良機(jī)，二是增加了開(kāi)發(fā)成本，甚至喪失了市場(chǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和性能的不斷提高，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用虛擬樣機(jī)制造技術(shù)成為可能。

　　虛擬樣機(jī)制造技術(shù)將產(chǎn)品研制工作中的方案選擇、技術(shù)設(shè)計(jì)、部件裝配、結(jié)構(gòu)分析和性能優(yōu)化放在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下進(jìn)行，充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，提高產(chǎn)品的性能，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。應(yīng)用該技術(shù)可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量，使產(chǎn)品在投入生產(chǎn)之前進(jìn)行優(yōu)化以提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而降低開(kāi)發(fā)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　一、虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，是各領(lǐng)域CAx/DFx技術(shù)的發(fā)展和延伸。虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)一步融合了先進(jìn)建模/仿真技術(shù)，現(xiàn)代信息技術(shù)，先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期和全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)他們進(jìn)行綜合管理。與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，涉及產(chǎn)品全生命周期，支持對(duì)產(chǎn)品的全方位測(cè)試，分析與評(píng)估，強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計(jì)。

　　針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)，近年來(lái)提出了一種新設(shè)計(jì)方法：虛擬樣機(jī)技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)就是采用并行工程理念，融合現(xiàn)代管理技術(shù)、先進(jìn)設(shè)計(jì)/制造技術(shù)、先進(jìn)仿真技術(shù)、多學(xué)科分析與優(yōu)化技術(shù)，將管理、技術(shù)、人三者之間有機(jī)地集成為一個(gè)協(xié)調(diào)的統(tǒng)一體，建立設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)、制造和項(xiàng)目管理的協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的全壽生命周期管理和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，縮短研制周期，降低研制成本與研制風(fēng)險(xiǎn)，提高研制質(zhì)量。

　　二、 虛擬樣機(jī)制造技術(shù)在采煤機(jī)械設(shè)計(jì)中的內(nèi)容

　　虛擬樣機(jī)制造技術(shù)在采煤機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以分為四個(gè)環(huán)節(jié)，即實(shí)體造型、強(qiáng)度分析、動(dòng)力學(xué)分析、疲勞分析。四個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相套，互相依托。實(shí)體造型中，傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)是二維平面設(shè)計(jì)，隨著計(jì)算機(jī)性能不斷提高，按照零件實(shí)際幾何尺寸生成三維實(shí)體，再由三維實(shí)體生成2D工程圖，這種設(shè)計(jì)思想逐漸成為當(dāng)今設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種趨勢(shì)。通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、特征陣列及打孔等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)械的設(shè)計(jì);將各個(gè)零件進(jìn)行組裝成裝配體，進(jìn)而成為樣機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立采煤機(jī)搖臂所有構(gòu)件的幾何模型，并進(jìn)行組裝。

　　幾何模型包括搖臂殼、行星頭和滾筒，保留重要部位的圓角，略去無(wú)關(guān)緊要的倒角、小孔。 零件設(shè)計(jì)及組裝 三維實(shí)體建模。動(dòng)力學(xué)模型建模中的的干涉檢查與動(dòng)力學(xué)性能分析。結(jié)構(gòu)離散化是靜特性有限元分析的前提，也是有限元解題的重要步驟。其主要任務(wù)是：把結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)單元;把結(jié)構(gòu)邊界上的約束用適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)來(lái)代替;把作用在結(jié)構(gòu)上的非節(jié)點(diǎn)載荷等效地移植為節(jié)點(diǎn)荷載。

　　有關(guān)采煤機(jī)搖臂有限元模型邊界條件的處理中，為了保證結(jié)構(gòu)離散化的計(jì)算精度和內(nèi)存空間的有效利用，可采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)自由度(x,y,z方向上的位移，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng))。利用其中提供的自由網(wǎng)格劃分器，對(duì)實(shí)體模型自由劃分網(wǎng)格，生成可靠的、高質(zhì)量的體單元，為了保證分析模型的合理和計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分時(shí)需對(duì)支撐耳等的網(wǎng)格密度和網(wǎng)格尺寸進(jìn)行合理控制和過(guò)渡，通過(guò)對(duì)四面體網(wǎng)格進(jìn)行整形，提高了整體網(wǎng)格的剖分質(zhì)量。劃分后模型單元數(shù)。

　　對(duì)邊界條件的處理：將上支撐耳處節(jié)點(diǎn)徑向位移固定，與油缸接觸的下支撐耳半圓周節(jié)點(diǎn)施以x向5000KN的力。對(duì)滾筒截割部分各節(jié)點(diǎn)施加：x向800KN，y向-2000KN，z向-800KN的合力。具體的滾筒受力計(jì)算是根據(jù)參與截割的單個(gè)截齒的截割阻力求合力而得。這樣處理大致相當(dāng)于實(shí)際情況下的工況。

　　根據(jù)以上邊界條件和載荷的施加情況，可以在這當(dāng)中計(jì)算。從實(shí)踐中可以看出，最大應(yīng)力為81.8Mpa,位于下支撐耳處。其他地方的應(yīng)力都相對(duì)較小。按照給定材料的疲勞強(qiáng)度[σ]=270Mpa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算的最大應(yīng)力，故搖臂不致失效，可以安全工作。危險(xiǎn)工況的最大主應(yīng)力與危險(xiǎn)工況的最大位移包括：動(dòng)力學(xué)分析

　　結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，不同于靜力分析,常用來(lái)確定時(shí)變載荷對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或部件的影響, 同時(shí)還要考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用。首先應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)自然模態(tài)分析，求出結(jié)構(gòu)的各階

　　三、動(dòng)力性結(jié)構(gòu)評(píng)估

　　它可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，比如，在搖臂上要安裝旋轉(zhuǎn)滾筒，那么為了避免過(guò)分的振動(dòng)，必須考慮滾筒的旋轉(zhuǎn)頻率是否接近搖臂的某個(gè)自然頻率。

　　滾筒負(fù)荷與截齒的切削深度，截線距和同時(shí)參與截割的截齒數(shù)有關(guān)，就單獨(dú)一個(gè)截齒而言，在滾筒旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生的頻率為滾筒的轉(zhuǎn)速頻率及其諧波頻率：

　　疲勞分析，其任務(wù)是根據(jù)產(chǎn)品幾何,受載和材料的選擇來(lái)預(yù)測(cè)產(chǎn)品所受的應(yīng)力和位移。 然而, 應(yīng)力預(yù)測(cè)僅僅是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分內(nèi)容， 現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)則更迫切地需要通過(guò)工程分析手段預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命。設(shè)計(jì)人員以往在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通常使用簡(jiǎn)單而不真實(shí)的計(jì)算來(lái)估計(jì)產(chǎn)品的壽命。 而實(shí)際產(chǎn)品壽命只有在試驗(yàn)階段才能得到初步驗(yàn)證, 無(wú)形中增加了大量的開(kāi)發(fā)成本。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段使用MSC.FATIGUE，可在設(shè)計(jì)～制造過(guò)程之前進(jìn)行疲勞分析，并為集成的壽命管理創(chuàng)造一個(gè)

　　MCAE環(huán)境, 真實(shí)地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命, 極大地降低了生產(chǎn)原型機(jī)和進(jìn)行疲勞壽命測(cè)試所帶來(lái)的巨額開(kāi)銷(xiāo)。

　　而且在疲勞壽命分析中不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可以修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型以提高構(gòu)件強(qiáng)度或修改系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)以降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)載荷作用。

　　綜上所述，對(duì)于虛擬樣機(jī)在采煤機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，整個(gè)分析過(guò)程具有通用性，對(duì)于同系列，由于采用虛擬樣機(jī)制造技術(shù)，提高了采煤機(jī)的質(zhì)量，降低了成本，縮短設(shè)計(jì)周期;提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;應(yīng)用高級(jí)軟件平臺(tái)，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到采煤機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，初步解決了將虛擬樣機(jī)制造技術(shù)應(yīng)用到采煤機(jī)械設(shè)計(jì)中的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明虛擬樣機(jī)制造技術(shù)在我國(guó)新型采煤機(jī)械的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中將越來(lái)越發(fā)揮重要的作用。

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