（机械电子工程专业论文）循环水压力发生器的研制.pdf

大连理工大学硕士学垃论文 摘要 蕤环承压力发生器是珏力学试验搜嚣三鞫试验倥为攀礁并彝英提供键糕正弦零压 力的仪器，用于水压力的精密产生与调节控制。它能够根攥实验的骚求，产生相应频率 弱正弦承压力，共2 针鼹试验过臻中水棰黔渡失，在不绔戡戆特况“f 遮时调节发生器嚣 容积，做蒯自动补偿，以维持所需的压力。 本文就是为实现上述强的，剥耀强越较先进莘疆广泛镬爆的c a d c a e c a m 软搏 p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 版，结合a u t o c a d 和a n s y s ，完成这一系统的设计和相关 照套部 牛熬选取。在充分论证设计合理性的越提下，剩用p r o e n g i n e e r 设计出疆环水 压力发生器的各个零部件，在复杂部件的造型过稷中，采用了c 语言计算曲线关键节点 与p r 。慢n g i n e e r 零件蕈绘楣结台的方法，准确绘制出复杂零件的外郝轮麟，从面精确 生成所需的造型。 针对关键复杂部分的没计，采用p m e 的p m m e c h a n i c a 组件进行结构分析对设 计进行优化。对滕力产生的核心部件一一曲轮，采粥p r o m e c h a n i c a 与调用a n s v s 进 行有限元分析相结合的方法，确定和验证凸轮的相关参数。 在工程图的输出上，黻a u t o c a d 为基础，绥台其内嵌的a u t ol i s p 进行了二 次开发，使a u t o c a d 能够快捷的接受p r o e 输出的工程图，并能自动进行图层的转 换、线宽设置、颜色设置等相关搽作。 对于零件的漩配，结合p r o e 的p r o m e c h a n i s m 模块，进行相关的运动仿真，并 对关键点的运动褥径、速发和由日速度等参数作了楣癍的分轿，做出了分辑鼗线，俸蔻选 择最佳的运动模烈的依据，进一步验证了方案的合理性。 产赫经过试验表露：系统设诗合理、运侮平稳，产生的嚣力符合设诗嚣求，这到了 预期的设计目标。 关键词；循环水压力；p r o e n g i n e e r l 运动仿舆；有限元分析 锚趣诛压力发生器豹辑制 r e s e a r c ho ft h e c i r c u l a t i n g w a t e r p r e s s u r eg e n e r a t o r a b s t r a c t c i r c u l a t i n gw a 据rp r e s s u r eg e n e r a t o ri sb p s e do ns o i lm e c h a n i c st e s ti n s m ：r a e n t - q n a x i a t i n s t r u m e n ta n da f f o r d c i r c u l a t i n gs i n ew a v e w a t e r p r e s s u r e t h e i n s t r u m e n ti su s e di ng e n e r a t i n g a n d c o n t r o l l i n gp r e c i s e 飘t e rp r e s s u r e i tc a r lg e n e r a t ec o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c y s i n ew a v ew a t e r p r e s s u r e a i m e da tw a t e rr e d u c e d ，t h ei n s t n m l e n tc a nc o n t r o li t sd i m e n s i o na n ) 峨m et ob o l d t h en e e d e dw a t e r p r e s s u r ew i t h o u ts t o p p i n g t h ei n s t r u m e n t ，w h i c hi sc a l l e d “a u t o m a t i cr e p a i r t os o l v et h i sq u e s t i o n sa b o v e ，t h i sp a p e ru s e st h em o s ta d v a n c e da n dc o n n n o n l yc a d c a e c a m s o f t w a r e - - p r o e n g i n e e rw i l d f i r ee d i t i o n ，u s i n ga u t o c a d a n da n s y ss o t t w a r e t oc o m p l e t ea l lt h es e r i e so f d e s i g n sa n ds e l e c ta l lt h ep a r t s 。a tf i r s t ，ih a v ep r o v e dt h ew h o l e d e s i g ni si nr e a s o n r b e nd e s i g n a l lt h ep a r t so f t h e g e n e r a t o rb yu s i n gp r o e n g i n e e rs o f t w a r e w h e nid e s i g nc o m p l e xp a r t ，ic a l c u l a t es o m em a i np o i n t so fi tb yu s i n gcl a n g u a g ea n d t h e nu s e s k e t c h t od r a wi t t h i sw i l ld r a ws o m ec o m p l e xc u r v e s a n dt h e ng e n e r a t ep a r t s a c c t t v a t e l y a i m e da ts o m em a i n c o m p l e xp a r t s ，i u s ep r o m e c h a n i c a o f p r o e n g i n e e r t oo p f i n f i z et h e d e s i g n w h e n i d e s i g nt h em a i np a r t - - c a n a ，iu s ea n s y ss o f t w a r e a sac a l c u l a t o ro f p m m e c h a n i c at oa c c o m p l i s hf i n i t ee l e m e n ta n s y s ，t h e nc o n f i r mt h ep a r a m e t e r so f t h e c a m w h e nie x p o r te n g i n e e r i n gp a p e r ，iu s et h ea u t o l i s ps o f t w a r ew h i c h i se m b e d d e di n t h ed r a w i n gf r o m p r o e n g i n e e r ，a n d c o n v e r tt h e i rl a y e r s 、l i n et y p e s 、c o l o r sa n ds oo n t og e n e r a t ea l l a s s e m b l y ， iu s ep r o m e c h a n i s mo fp r o e n g i n e e r t oe m u l a t et h e m o v e m e n t f o rs o m em a i np o i n t s ，id r a wc u r v e sa b o u tt h e i rm o v e m e n tt r a c k s 、s p e e d 、 a c c e l e r a t i o na n ds oo n t h e nia n a l y z et h e mt os e l e c tt h eb e s tm o d e l ，a n dp r o v et h ep l a n s r a t i o n a l i t yo n c ea g a i n 。 t h e d e b u g g i n g a n d r u n n i n g o f t h e s y s t e m i n d i c a t et h a tt h ew h o l e d e s i g n i sf e a s i b l ea n d r e l i a b l e ，a n d t h e p r e s u m e d f u n c t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e ds u c c e s s f u l l y 。 k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n g w a t e r p r e s s u r eg e n e r a t o r p r o e t m o v e n e n te m u l a t i o n ； f i n i t ee l e m e n ta n s y s 。i i 独创性说明 佟赣襄重声鞠：本矮学位论文是我个人在导爨拯导下进行懿囊暑究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书新使用避的材辩。与我一陵二l 二作 黪露恚对本磷究所徽豹贡簌蚜乏在论文中徽了臻确豹说襄并表示了滏 意。 作者签名；奎剧 日期：一2 0 0 5 3 2 大遣理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 力学是应用力学戆一令分支，它竣主要任务楚：磺炎豹搴拣关系( 帮：懿焱 力、应变、强度和时间这四个变量之间的内在关系) 以及土与结构物相互作用的规律， 建立的强度一变影理论，为本王程提供瑟凌浆毽论据导i “。 1 、波浪荷载作用饱和砂土特性 在海洋工程中，波浪蕊载是一耱基本薅载，在波淡菇载馋耀下，镪积砂中霉莓产焱 孔隙水压力。孔隙水压力的产生会引起土体强度的降低，从而导致土体结构的破坏，在 每一级波浪萄载啦馋爆下，孑l 隙东曩力憋不叛舞离，导致土中有效应力验降低，土样姆 会丧失抵抗剪切的能力，砂：匕将会发生较大的变形和液化破坏现象1 2 j 。 2 、动水压作用下的道潞特性 在道路工程中，无论是商速公路还是城市快速路，存在通车不久，就有路面损坏丽 不褥不进行大面积维修的事实，这就是普遍存在的早期损害现象，去除个另人为因素逑 成的低质量施工，程这当中发生频率较高的怒早期永损害。正是源于j 墩，路基、路面的 早勰水损害问题就引起了人们的广泛关注。 现在韵高速路一般为沥脊混合料，发生损坏路段一般是透水严重，且排水不畅。损 坏的季节以雨季居多，而且往往是行率道损坏比超车道严重，这必然与重载的频繁碾臌 有密切关系。 分析沥青路的损坏原因，主要归结为沥青混合料的空隙攀过大，路面渗水、 j 水设 施不完善等。研究表明，灏膏路面的空隙率在8 以下时，沥青屡中的水在荷簸作用下 一般不会产生动水隧力，不容易造成水的损警破坏：当路面空隙大于1 5 时，一般采 雳敬往灞青，魏爵永髓够在黧豫中鑫由流动，也不荔造成水损寄疆嚣；只有当路蘧实际 空隙率在8 1 5 之间的范围时，水最易混合料的内部，且在循环稿载的作用下易产 生较大的毛缀压力，驭_ f 磊使这部分永逐渐浸入至l 沥青与集瓣豹器蟊上e 灏青嚣渐渐麸集 料表面剥离，最终会导致沥脊与集料之间的粘结力丧失，从而造成水损害破坏。 3 、研究循环承舔力发生嚣静意义 近年来，随着经济的飞速发展，器种基础设施建设也日益繁荣，同时也带来了许多 重大嚣复杂豹岩土王程滔嚣。特裂楚逡基在动蔫载作用下熬稳定帮变形翔趣，嚣益受 到煎视。如地震引起的地基失效问题；高层建筑物基础、大型桥梁基础、输电线路基 础、高速公爨蓦疆焱溅、悉窳瓣荣载凌熬稳瓮淹蘧；掇器戆搬动踺软蘩圭路基在交逮薅 循环水压力发生器的研制 载作用下的变形问题；近海结构物在波浪荷载作用下的动力反应分析等。对这些复杂问 题的研究主要还是在实验室进行。“。 以上种种情况，会给国家和人民财产带来很大的损失，同时，道路的损坏也给人们 的出行带来不便，甚至危及公民的人身安全，对经济的发展也有负面的影响。因此，研 究土的特性，模拟循环动水压对土的破坏，动水压作用的时间、频率、大小对饱和砂土 的应变力的影响，从而找出改进和完善地基设计的方法就有实际的工程意义，也将有很 大的社会和经济效益。 1 2 国内外的发展现状及发展趋势 1 2 1 国内三轴仪的发展 由于真三轴仪原理的复杂眭、研制代价相对比较昂贵、国内土力学和土工测试技术 发展水平等诸多因素的限制，我国2 0 世纪8 0 年代之前还没有自主研制和引进真三轴 仪，后来真三轴仪的研制和试验研究也主要是在清华大学、同济大学和河海大学进行 的。 国内较早的真三轴仪是1 9 8 5 年清华大学研制的刚性水平加压板的真三轴仪，采用 矩形四棱柱试样，通过在常规三轴仪的压力室内增加了一套侧压力装置，并通过调压筒 变化侧压力室内的压力来施加中主应力o2 ，轴向压力( 大主应力0t ) 和围压( 小主应力o3 ) 的施加与常规三轴仪相同，中主应变e2 是由水平加压板前后移动的位移量( 通过计算侧 压力室内水量的变化) 推算，这种真三轴仪的量测和控制系统自动化程度较低。李广信 用这种真三轴仪针对承德中密砂进行了在o3 不变，aol 和ao2 按一定比例变化，保 持b 为常数的试验，得出在真三轴状态下，砂土应力一应变关系曲线、强度、弹性参数 的规律：与三轴压缩试验不同，在真三轴试验中，( o1 o2 ) 一e1 的加卸载曲线更陡，且 峰值点提前，卸载时试样的体积有些回弹；随着b 值的增大，材料的破坏更接近于脆性 破坏，体积压缩量增加，剪胀量减少；从平面上破坏轨迹更接近与l a d e u u n c a i l 破 坏准则；真三轴状态下的剪切模量要比常规三轴试验大得多。 1 9 8 7 年同济大学赵锡宏等研制了刚柔复合型真三轴仪，采用立方体试样。试样的 大主应力由轴向一对水平只牝e 板施加，小主应力由压力室气压施加，中主应力由中主压 力腔施加。中主应力压力腔由加压囊、刚性框架和盖板等组成。压力的施加是由气压经 气水转换装置转变成液压而旌加到试样上。袁聚云利用此真三轴仪器分别对上海淤泥 质粉质粘土和淤泥质粘土进行了硒固结条件下的真三轴排水剪切试验和各向等压固结 2 大连理工大学硕士学位论文 真三轴排水剪切试验，表明对于上海软土，中主应力对土体应力应变关系是有影响的， 随着b 值增加，土体强度和初始切线模量也增加；硒固结真三轴排水试验的强度和初始 切线模量大于各向等压固结真三轴排水试验的结果；并在此基础上建立各向异性弹塑性 本构模型，应用于上部结构与地基基础共同作用的计算分析和基坑开挖的分析中。姜洪 伟根据袁聚云试验所揭示的上海软粘土在n 平面上的屈服轨迹形状，通过引入形状函 数，在关口太f 1 模型基础上建立了一个能够放映软土三维各向异性粘弹塑性模型，并应 用于深基坑坑底稳定分析川。 1 9 9 0 年吉林工业大学研制的真三轴仪属于刚性水平加压板类型。轴向大主应力靠 机械加载，中主应力和小主应力是靠液压加载。加压和控制系统采用8 位z 一8 0 a 芯片的 单板机。对变形的量测采用了自制的光栅传感器，不需要榭数( a d ) 转换，与其研制 的电路相匹配可以实现对所有测点的同一时刻采样，没有时间延迟。这种真三轴仪采用 了步进电机驱动的液压加荷系统、单板机控制系统和量测系统( 三向主应力、主应变数 据自动采集) ，性能比较完备、自动化程度比较高，但压力室相对比较简单，中、小主 应力只简单地在试样侧面与加压板接触面之间加了一层柔性膜片，仍不可避免刚性加压 板真三轴仪的边角效应等缺点。该真三轴仪除了对土体进行了一些真三轴试验常见的应 力路径试验外，其后未见在其它真三轴试验方面有进一步的研究。 1 9 9 5 年，河海大学殷宗泽教授主持开发的真三轴仪，压力室是清华大学在1 3 本诚 研舍真三轴仪的基础上作了改进后设计的，中科院科学仪器厂加工制造，加压系统和数 据采集系统由河海大学和南京电力自动化研究所共同研制，试样为矩形四棱柱，仍属于 刚性水平加压板类型。压力室的筒身外壁镶嵌连接中主应力的压力室和侧向位移测试 室，中主应力压力室的气压通过与传压杆连接的刚性板将中主应力施加到试验侧表面， 小主应力是通过将压力室充水，由水压提供，轴向加荷是类似常规三轴仪的应变控制加 荷台施加，中主应变的量测是点接触的位移传感器，在试验侧表面与中主应力活塞杆连 接的加压钢板之间垫加一块高度略低于试样高度的有机玻璃板，通过在有机玻璃板与包 裹试样的橡皮膜之间涂抹凡士林，尽可能地减少和避免因加压钢板直接与橡皮膜接触产 生的摩擦力对试样变形的影响。尽管这种改进的真三轴仪加荷系统和量测系统自动化程 度比较高，但未克服刚性水平加压板真三轴仪的缺点，除了边角效应以外，许多三维应 力路径，如轴向加荷压缩到一定变形量后，增加中主应力的试验，往往由于有机玻璃板 或刚性加压板高度的限制而无法进行。但朱俊高等利用该真三轴仪进行的土体侧向变形 性状及其机理的真三轴试验研究在国内是较早的，揭示的土体侧向变形现象与规律与 l a d e 的试验结果较吻合并在以后的试验中得到验证p j 。 3 一 镁垮拳基力发生器懿辑割 下鬻为海海大学z s y - 1 麓复会鍪 粪三鞍彼鹣示爨鬻； 驰随蹭鬻瓤 鹅d 瞧溺鹰碾震恃瓣嚣镰 蟾 蒋胜雌 图i 。lz s y i 墅三兰轴仪蕊力室和青h 鹾装鬣 f i g 。1 。l p r e s s u r er o o t a p r e s s u r eg e n e r a t o ro fz s y 一1 t r i a x i a l 加荷系统主要完成对三商应力海施加，三向葡载舔来源予氮气瓶辩气匿源，经过气 滚转换装援，将气攫转换成轴良和中主应力向的液臌【6 1 。小主应力o3 通过气魅调压 阋，由压力室酶气疆手动纛接施加，辅融大主瘦力8l 和中主疲力。2 分豸4 崮徽辊控裁懿 步进电机遗过渡压调压筒调节与试榉接触的液压活塞，由传压杼加荷、维挣随意压力溅 都蘅。 如压楼触方式照：轴向邋过试榉顶帽由遴水石与铝合金擞组成的刚性加滕盒接触试 样，由辎翔活塞秆传递滚舔，审主盛力彝惑复台鸯薅莲嫒接熬试榉一对瓣蚕，洼l 活塞镄遽 液压，试榉小主应力向全部接触压力室的气压。在臌力室内，o ，、o2 是在03 的基础 主褥由液压活塞熬蕊，鬣就仍然奁o1 。2 d3 的蘩搏下，避嚣多释应力籍经蕊囊兰辘 试验。 下蟊奔绥一下谱宗二b 骧纹器厂瓣t s z - - 3 0 系统。彳s z 一斡三辘议，采弱蛰逶魏三耀 肆步交流电机作加竣动力。其轴向载荷加裁装置为蜗轮蜗杆一齿轮减速箱”链传动的结 构，两霹掇鹰载攀元壤臻鼹是转统鼢手魂操终熬滚鹾控蠢g 辍。垂予舔z 一三辕纹未袋 用伺服电机系统作驱动源，因而只能通过人工切换减速器遮腹档来嶷现加载速率的改 丑 大连理上天学硕士学位论文 变，因而加载冲击性大，自动化水平和控制精度低。另一方面，试验数据均显示在模拟 式仪表上，不但容易弓l 入人必读数误燕，露且不便于试验数据的记录和整理。 嚣1 2l s z 一3 0 三毒蠡仪 f i g 1 2 t s z - - 3 0t r i a x i a li n s t r u m e n l ， 综上所述，国产三轴仪设备的共同特点为： l 、鸯鞋艨控毒设冬虽蠢气压季鞋涟愿，瞧多为j 随l 触式。 2 、加载系统采用步避氟讥，无法实现舸载速率的连续可调，加载的精度较低； 3 、锲l 擦系统功能简单，叁动传稷度低，操作繁琐，可靠性差； 4 、实验数据又以手工记录和盾期人工处理为主，工作鬣大，易出错； 近年来，国内不少斟研枫梅针对上述的弱点，成功开发了基于单片枧和微机的数搬 采集系统，使得数据采集和厨期处理实现了自动化。但是，对于三轴仪主机系统中的加 珏羧露4 部分，由于憾服电机系统价格较赢，且驱动相对繁杂，多采用步进电机所以未作 有意义的改进【7 。也就是说，前两个问题没有得到根本解决。 ! 。2 。2 国夕 、三轴仪黔发展 国外著名的三轴仪系统生产厂商为：英阑的g d s 公司、美国的g e o c a m p 公司和m t s 公司。它们救三轴钦系统郝配套了先进的数字式伺服控制器，具备相幽高的自动化水 平，试验员只需通过试验管理软件编辑好试验流程，设定好试验参数，三轴仪系统就可 以桷当赢的精度自动完成试黢，并且可以自动填制试验报表，绘制试验图线，澎成规藏 的试验报告”3 。国内至今尚无与其相匹敌的产品系统。表1 1 是国外斑进的三轴仅产 品。 ，5 一 循环水压力发生器的研制 表1 1 先进的三轴仪产品 公司代表产品测控方式 所属国 g d sg d s4 0 k n 6 m p a 系列数控英国 w f iw f 1 0 0 7 7数控英国 m t s姗s8 l ot e s t s t a r数控美国 g e o c o m p 【o a dt r a ci i f 1 0 w数控美国 t r a cl i h u m b o l d th m 一3 0 0 0数控美国 e l e d i g i t a ll ! i a t e s t 5 0数控英国 下面以g d s 的三轴仪试验系统( 觅图1 3 ) 为例，介绍一下国外同类产品的特点： g d s 三轴仪的基本鼯b 置为： b is h o p w e s l e y 黧应力路径三轴蕊力室 内置水下荷羹传感器( 可根据需要选择量程2 k n 、4 k n 、8 k n ) 3 个标准的3 黼p a 2 0 0 c e 压力体积控制器或3 个高级酌2 m p a 2 0 0 c c 压力体积 控制瓣，分别控锖蚜测量轴向服力、围压和反聪。 w i n d o w s 版g d s l a b 软件 量程为2 0 0 0 k p a 的孔艉传感器 量程为5 0 嘲黥位移传藩器 3 8 m m 和5 0 m m 的试样底座、试样帽及拉伸试验装置 可戳避季亍如下试验： b 检 0 1 | 等交稳和试羧 各向间性和各向异性圊结试验 不霞结一不萎 承试验( u 喝) 固结一不排水试验( c u ) 可测孔压 国结一萎 承凌埝( c - d ) 可溺体积交纯 低频循环加载试验 痘力路径试验 6 大连理上人学硕士学位论文 图1 3g d s 公司的标准三轴仪系统 f i g 1 3 s t a n d a r dt rja x i a lt e s t i n gs y s t e mf r o mg d s g d s 三轴仪这一装置包括压力室，围压、轴力、孑l 隙水压和孔隙气压的生成与控制 器，及数据采集和试验控制器件，同时还配备轴力、变形量测和轴平移吸力控制系统。 图1 4 三轴试验原理示意图 f i g 1 4s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f t r i a x i a lt e s t i n g 其特点为：使试样顶端与可用以提供气压( 吼) 的压力生成装置相连，底端与孔隙水 压力生成装置相接，用以通过透水陶瓷板提供水压( u w ) 。透水陶瓷板的特点是允许水自 7 循环水压力发生器的研制 由进出，而气相则需在压强超过透水陶瓷板的最大吸力值p c s 后才能通过。据此控制试 样内部的吸力。上图1 4 为实验原理的示意图。其三轴压力由围压控制器、反压控制 器、轴压控制器等三部分分别产生 9 1 。 1 3 本课题的背景与意义 目前，国内众多的科研院所和工程公司都有对高级三轴仪的强烈需求，但因为国产 三轴仪技术水平的落后而无法满足这种要求，市场为少数几种类型的进口三轴仪所垄 断，而一套进口三轴仪售价往往高达数十万元人民币。如图1 3 所示的三轴仪的价格是 2 0 0 万元。由此可见，市场上存在着技术水平相当，价格合理的国产三轴仪的生存空 间。 另一方面，从技术上来看，利用现有的机电技术已经完全能够设计开发出与国外公 司性能相当的三轴仪产品。因此，我校工程力学系邵龙潭教授组织土力学和机械工程学 的相关技术力量，展开了新型三轴仪的研究开发工作。本课题的内容为三轴仪的重要组 成部分，提供试验动力的水压力发生器。 1 4 课题研究所要解决的主要问题 根据国内外三轴仪产品的设计思路，结合我们以往的设计经验，设计一种全新的三 轴仪压力产生装置，以配合三轴仪整机的试验要求。吸取国内外三轴仪压力产生装置的 优点，克服它们结构复杂、功能单一、不接触试样等缺点。 在形成合理设计方案的基础上，使用p r o e 软件绘制出所有零件，结合a u t o c a d 和 a n s y s ，完成这一系统的设计和相关配套部件的选取。在充分论证设计合理性的前提 下，利用p r o e n g i n e e r 设计出循环水压力发生器的各个零部件。 针对关键复杂部分的设计，采用p r o e n g i n e e r 的p r o m e c h a n i c a 组件和有限元分 析软件a n s y s 进行结构分析对设计进行优化。 在工程图的输出上，不完全依靠p r o e n g i n e e r 输出工程图，而是导入a u t o c a d 中 进行图层的转换、线宽设置、颜色设置等相关操作，最终输出标准的工程图。 对于零件的装配，结合p r o e n g i n e e r 的p r o m e c h a n i s m 模块，进行使用虚拟装 配。完成相关的运动仿真，并对关键点的运动路径、速度和加速度等参数作了相应的分 析，做出了分析曲线，作为选择最佳的运动模型的依据，验证方案的合理性。 根据国内外三轴仪产品的优秀设计思路，结合我们以往的设计经验，设计一种全新 的三轴仪压力产生装置，以配合三轴仪试验仪的工作需要。 8 大连理丁大学硕士学位论文 2 系统的硬件设计 2 1p r o e n g i n e e r w i l d 俺简介 p r o e n o n e e r 是由美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ， 简称p t c ) 开发的三维参数化建移e a d 软件，是一个以特征为主的实体模型系统，它以其 强大的参数式设计和统一的数据库管理等特点实现了特征的尺寸驱动和3 d 实体与2 d i 程 图的双向关联驱动、实体特征建模、标准件库的建立、零部件装配、动态仿真、有限元 分析、干涉检查、n c 加工等功能。 从1 9 8 8 年p r o e n g i n e e rv 1 o 诞生开始，经过1 0 余年的发展，p r o e n g i n e e r 己经成 为三维建模软件的领头羊。自1 9 8 8 年引入中国以来，p r o e n g i n e e r 以其先进的设计理念 在工业解决方案中拥有显赫的地位，其身影遍布机械、模具、电子、航空、航天、邮 电、兵工、纺织等各行各业。p r o e n g i n e e r 在模具设计、分析、制造中也都发挥着重要 作用。p t c 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型 装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。p r o e n g i n e e r 还提供了目前所能 达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。 p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械c a d c a e c a m 的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准。利 用该概念开发出来的第三代机械c a d c a e c a m 产品p r o e n g i n e e r 软件能将设计至生产全 过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的 并行工程。 p r o e n g i n e e r 的主要特性包括： 1 、全相关性 2 、基于特征的参数化造型 3 、数据管理 4 、装配管理 5 、易于使用 2 2p r o e n g i n e e rw 1 d f i f e 的新增功能 2 0 0 2 年6 月1 0 目，p t c 公司正式在中国大陆发布p r o e2 0 0 2 英文版，也被称为p r o e n g i n e e rw i d f i r e ( 野火) ，这是p r o e n g i n e e r 这一业界顶级的产品设计和开发软 9 循环水压力发生器的研制 件的一个具有突破性的版本。p t c 软件通过倾听全球多个行业客户的意见，在新版本中 增加了数百个新特征，同时增强了已有特征。此版本的创新包含以下几个方面”1 ： 1 、全新的用户界面 提供了全新的用户界面，让用户通过更少的培训便可产生生产力，p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 为建模提供了更大的绘图区域，更简单的视图控制，减少了鼠标移动，增强了 色彩配置方案，以此来增加经常使用的用户的舒适度。几何模型的建立更加简单，通过 使用广泛的图形预览，使用更简便的图标扳( d a s h b o a r d ) 来代替对话框，以及对特征 的关键要素进行直接控制的方法，即使是复杂的模型也能轻松对付。 2 、创造性的工作平台 p r o e n g i n e e rw i i d f i r e 平台建立在广泛公认的性能优势上，它把创造性的新技术 带到了第一位工程师的手中，这些技术超越了纯粹的参数化系统和那些过时的所谓混合 建模系统。更多的改进体现在加工、布线系统，开发性，系统管理等方面。所有这些都 使新的解决方案给人留下了深刻的印象。 3 、高性能的零件装配建模功能 使用p r o e n g i n e e rw i i d f i r e 零件设计比以前任何时候都更快，更容易。其改进之 处包括： 铆钉，螺钉，夹子等高性能的轻型装配组件； 能处理同一零件多个表示的柔性组件( f l e x i b l ec o m p l i m e n t s ) ，不需要在物 料清单上清楚表达线条内容。 4 、灵活的曲面设计功能 用户可以在造型工作模式下方便而迅速地创建和操作自由生成的曲线和曲面。借助 交互曲面设计，点云逆向工程，实时的照片级渲染，基于包括特征( w a r p f e a t u r e ) 的全局建模等方面的新增功能。新版本在符合审美学的曲面产品设计上有很大的提高。 5 、一流的行为建模和仿真 p r o e n g i n e e rw i i d f i r e 与p r o m e c h a n i c a 进行了无缝集成，增强了结构和热力学 分析，从而获得了一流的行为模型与仿真功能。这些都使用户对设计产生了更大的信 心，而无须反复地制造产品的原型。 6 、改进的布线系统设计功能 p r o ew 订d f i r e 可以将p t c 完善的原理图设计应用于p r o e 布线系统设计工具进行 紧密集成，适用于缆线敷设和管路设计。主要的布线系统增强功能包括： 能自动完成接头放置等常用功能的增强型缆线敷设功能； 改进的线束和几何体表示； 一1 0 大连疆工大学硕士学位论文 带有“底”，“顶”，“左”和“右”命令的新的管线布线选颂。 7 、新鲍实时渲染功能 p r o e n g i n e e r w i l d f i f e 这新版本通遗大大简化使用功熊，在帮助产品开发人员 更快地实现目标的方向上，迈出了重婺的步，如新裂图标投的使用，它完全代替了下 拉菜单和对话框，它允许用户童接在屏幕上随时修改当前特征的某个满性，而不用使用 下拉菜单。通过把每个特征最常用的任务放在前面和中间一一可以即刻褥到并易于展开 豹域方，图标板使鼠标操作鬣少。优化的揉俸界面，每天都能为用户节省大量的时闻。 另外，大量用于特征修改的鼠标右键命令和点观的拖曳擐作，使几何嗣形的更改更容 易、更直观。总的来说，这塑新功能可以使工作流程鼙平滑，提高产赫的开教效率三戚 以上，用户可在更优化的工作环境下控制项目的进程。 8 、集威特征 p r o e n g i n e e r 野火版建立在广泛公认的性能优势之上，它把仓q 造性的新技术带到了 第位工程褥帮设诗浠的手中。这些技校超越了缝粹静参数纯系统稻酃些过辩瀚蘑谓滋 合建模系统。高性能装配建模的新功能包括符号代表( s y m b o l i c r e p r e s e n t a t i o n ) 和 柔瞧部箨( f l e x i b ec o m p o n e n t ) 。借囊奁交互蘧褥设计，矗云遂陵工程、蜜辩鹣照 片级渲染、旗于包括特征的全局建模等方面的新增功能，新版本在符含审美学的曲面产 菇浚计上有穰大豹撵褒。掰耀懿凌栽积薅镑囊与产晶饶纯工蒸静集盛镪括：集藏了 m e c h a n i s m d y n a m i c s ；增强的结构和热力学分析；受容易的行为建模蒋。这然都使用 户澍设诗产生了更大鹣菇心，箍无嚣爱复戆稍造产晶躲器垄，受多兹敬送俸瑷在熬工、 布线系统、开放性、系统字处理等方面。所有这些都使新的解决方案给人留下了深刻的 印象。 9 、通傣功能 潮络逶镰懿能力使瘸产胃l ：圭无缝速诱t h p t c 戆接麓互馋软抟包一一鞋j n 翻l 臻e 势登 可以和其他的p r o e n g i n e e r 用户同等的交换产品生命周期数据。而在以前，用户必须使 耀不露夔应翅软静移不疑熬耀户暴露寒建立、交换秘繁理数攥；这些数据移动农交换瓣 步骤导致了流程的不连续，通过把互联网铁威力直接集成至u p r o e n g in e e r 的体系结构 中，不管是单独工穆、寂毯人一起工终，还憝在基- ：w i n c h i l l 的产品拜发数攒疼的环壤 下，用户现在都可以在一个无缝集成的环境下工作。 循环水压力发生器的研制 2 3 总体方案设计 该循环水压力发生器的总体设计要求是实现频率为1 0 h z 、压力为2 m p a 的精确水 压力输出。在实现这一目标的前提下，还应尽量满足移动实验的要求，也就是整体体积 小、重量轻，便于携带。最直观的想法是借用常规的设计思路，直接依靠步进电动机的 正反转，通过丝杠传动来实现柱塞的往复运动，它的优点在于结构简单，控制方便，且 精度较高。如绪论所述，国外的一些高档三轴仪使用的就是这一方法，我们以往的设计 也是遵循这一思路。但丝杠的往复运动很难达到这么高的频率，而且，相关的步进电机 在高频时的输出扭矩迅速下降，也不能在这样的频率下输出足够的力矩，所以这种方法 是不可行的。 其实，有很多机构都可以实现柱塞的往复运动，比如说连杆机构、棘轮机构、凸轮 机构等。比较起来，凸轮机构是比较理想的选择，因其制造工艺已比较完善，而且可设 计较灵活的凸轮曲线，以获得不同的水压力变化曲线，通过更换不同的凸轮实现不同的 水压力曲线。 图2 1循环水压力发生器总体方案示意图 f i g 2 1 b l u ep r i n to f t h ec i r c u l a t i n gw a t e rp r e s s u r eg e n e r a t o r 1 2 大连理t 大学硕士学位论文 还有一个需要解决的问题是该容器的泄漏和补偿问题，即使有了完善的密封系统， 也要考虑到水的损失造成的水压力降低。所以设景了补偿装置，我们选择了由步进电机 控制的丝杠作为补充。它的一方面作为调节杆，通过丝杠的进给对水压进行调节，使其 能在0 到2 m p a 之间实现连续变化，这是其最主要的作用。另一方面作为补偿杆，当水 压力器中的压力因泄漏而降低时，可以将丝杠适当伸进，以把压力调节在适当的值。 上图就是我们的最终设计方案，起初我们也考虑把电机立起来以减少发生器的占地 面积，但这样一来，增加了设计的难度，也给动力的传送带来了不变。最终，我们从几 个方案中选中了上述设计。容器设计成双缸形式，因为这样可降低它在纵向的长度，极 大的方便了水压力发生器的布置。 2 3 1 理论验证实验 为了满足压力器所要求的最大值 为2 s p a 的水压力，我们得知道需要 多少的水压缩量才能达到这个值，也 就是说，在一个充满水的密闭的容器 内，得把其中的水压缩成多大的体积 才能获得相应的压力。有一点值得注 意的是，我们所谓的水压缩量并不是 真正的压缩水，因为我们知道水是不 可压缩的，我们所压缩的，实际上是 溶解在水中的空气。另外，技术参数 要求水压力必须是连续可调的，这就 需要我们去找出水的压缩量与水压力 的关系，于是我们做了下面这个实 验。 图2 2 理论验证示意图 f i g 2 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h e o r yt e s t i n g 1 3 循环水压力发生器的研制 实验步骤： 1 ) 在三轴仪的一个进水口处接上水压表，注满水检查密封性。 2 ) 将一与容器孔相配合的柱塞缓缓插入水中。 3 ) 当柱塞每伸入5 m m 时，记录下此时的水压力表读数及柱塞伸出段l 的长度，为 保证实验精度，如此反复试验三次。 4 ) 拆去实验装置，测量出容器的体积为5 2 5 0 m l 。 实验数据处理： 实验过程中获得的数据如下表所示： 表2 1 理论验证实验数据 柱塞水压力值( m p a ) 伸出量( m ) 第一次第二次第三次平均值 1 8 00 0 7 90 0 7 50 0 7 70 0 7 7 0 0 0 1 7 50 0 7 30 0 7 50 0 7 00 0 7 2 6 6 7 1 7 0 0 0 8 60 0 8 8 0 0 8 50 0 8 6 3 3 3 1 6 50 1 0 4o 1 0 40 1 0 30 1 0 3 6 6 7 1 6 0 0 1 2 10 1 2 4 0 1 2 40 1 2 3 0 0 0 1 5 50 1 3 9o 1 3 6o 1 3 3 0 1 3 6 0 0 0 1 5 00 1 5 70 1 5 50 1 5 3 0 1 5 5 0 0 0 1 4 5 0 1 7 6 0 1 7 80 1 7 90 1 7 7 6 6 7 1 4 00 1 9 3o j 9 80 1 9 5 o 】9 5 3 3 3 1 3 5o 2 1 0 0 2 2 50 2 4 10 2 2 5 3 3 3 1 3 00 2 3 20 2 4 50 2 4 6 0 2 4 1 0 0 0 1 2 50 2 5 00 2 5 40 2 5 0 0 2 5 1 3 3 3 1 2 00 2 7 00 2 6 8 0 2 7 00 2 6 9 3 3 3 1 1 50 2 9 0 0 2 9 40 2 9 40 2 9 2 6 6 7 1 1 00 3 0 90 3 0 8 0 3 0 9 0 3 0 8 6 6 7 1 0 50 3 2 60 3 2 00 3 2 2 0 3 2 2 6 6 7 1 0 00 3 4 6 0 3 4 40 3 5 0 0 3 4 6 6 6 7 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 9 50 3 6 80 3 6 7 0 3 6 40 3 6 6 3 3 3 9 0 0 3 8 60 3 8 2 0 3 8 80 3 8 5 3 3 3 8 50 ，4 0 50 4 l0 4 0 80 4 0 7 6 6 7 8 00 4 2 2 0 4 2 3 0 4 2 4( ) 4 2 3 0 0 0 7 50 4 4 40 4 4 50 4 4 50 4 4 4 6 6 7 根据实验数据，我们可以拟和出柱塞伸入量与水压力之间的关系，由于水压力为零 值时柱塞伸出段l 的长度很难测量，所以我们利用现有的这套实验装置的一些尺寸和实 验结果即可计算出我们所需压力器的尺寸。实验结果线图如下图所示： 伸入长度( n n ) 图2 3 伸入量与水的压力关系图 f i g 2 3r e l a t i o n sb e t w e e n t h el e n g t ha n dw a t e rp r e s s u r e 由线图可知，水压力值与水压缩量成线性关系，由此可以推断，水具有线性压缩 性，这是我们进行本设计的理论依据。 1 5 循环水压力发生器的研制 2 3 2 凸轮设计 凸轮机构是出具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件实现预期运动 规律的一种高副机构。它广泛的应用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装 配生产线中。对于本设计来说，它也是一个重要零件，它直接控制和保证了水压力值的 精度和波形。在本设计中，我们采用盘形滚子直动力封闭型凸轮，所谓力封闭型凸轮机 构是指利用推杆的重力、弹簧力或其他外力使推杆与凸轮保持接触，这里我们用弹簧力 来实现力封闭。这次我们需要的波形为正弦曲线，即凸轮从动件的运动规律是摆线运动 ( 正弦加速度运动) 。它的突出特点是其速度曲线和加速度曲线均连续而无突变，故既 无刚性冲击又无柔性冲击。 压力角及其许用值 压力角是衡量凸轮机构传力特性好坏的一舍重要特性。所谓凸轮机构的压力角，是 指在不计摩擦的情况下，凸轮从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向之 间所夹的锐角。