（机械工程专业论文）基于ug的摊铺机螺旋叶片参数化设计.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 随着经济的快速发展，人们对行车的舒适性和安全性提出了很高的要求，沥青 混合料路面以其优越的性能使其成为高速公路的首选，从而推动了沥青混合料摊铺 机的快速发展。螺旋叶片作为摊铺机的重要组成部分，其制造精度直接影响到摊铺 路面的质量。随着科学技术的快速发展，以参数化、智能化、三维化为主要特征的 现代c a d 己成为机械设计和制造的重要手段。基于这一背景，用参数化设计思想和 u g 软件结合，开发了螺旋叶片的参数化设计系统，同时使得叶片的多学科协同设计 部分可以并行，进而缩短叶片的设计周期。 本文主要完成以下几方面的工作： l 、针对摊铺中出现的离析现象，提出通过改进螺旋分料器的设计参数和结构来 防止离析的出现。 2 、研究了螺旋叶片特征信息模型，将螺旋叶片的设计信息和几何信息有机统一 在了一起。并在此模型的基础上，实现了叶片的设计数据管理和设计过程保存。 3 、研究了u g 的二次开发技术，利用v i s u a lc + + 6 0 和数据库技术，开发了基 于u g 的螺旋叶片参数化设计系统。 关键词：螺旋叶片，离析，特征造型，参数化设计，u g o p e n 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，p e o p l eh a v em a d eav e r yh i g hd e m a n do n d r i v i n gc o m f o r ta n ds e c u r i t y a s p h a l tp a v e m e n tw i t hi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c em a k e si t t h ep r e f e r r e dh i g h w a y , w h i c hp r o m o t e dt h ea s p h a l tp a v e r sr a p i dd e v e l o p m e n t s p i r a l b l a d ea sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fp a v e r ，i t sm a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o nd i r e c t l ya f f e c t s t h eq u a l i t yo fp a v i n gr o a d s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ， m o d e r nc a dh a sb e c o m et h em a i nm e t h o do fm e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g w h i c hi sp a r a m e t e r i z e ，i n t e l l i g e n t ，r e v i s e da st h em a i nf e a t u r e s b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ， t h i sp a p e ra d a p t sp a r a m e t r i cd e s i g ni d e a sa n du gf o rd e v e l o p i n gt h es p i r a lb l a d eo f p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，m a k em u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g np o r t i o nc a n p a r a l l e l ，s h o r t e nd e s i g nc y c l e so fl e a v e s t h i sa r t i c l ei st oc o m p l e t et h ef o l l o w i n gs t e p s ： 1 f o rt h es e g r e g a t i o np h e n o m e n o no fp a v i n g ，p r e v e n tt h ee m e r g e n c eo fs e g r e g a t i o n b yi m p r o v i n ga u g e rd e s i g np a r a m e t e r sa n dt h es t r u c t u r e 2 t os t u d yt h es p i r a lb l a d e sf e a t u r ea n di n f o r m a t i o nm o d e l ，p u tt h es p i r a lb l a d e d e s i g ni n f o r m a t i o na n dg e o m e t r i ci n f o r m a t i o nf o rt h eo r g a n i cu n i t yt o g e t h e r a n do nt h i s m o d e l ，t or e a l i z el e a v e so fd e s i g nd a t am a n a g e m e n ta n ds a v et h ed e s i g np r o c e s s 3 t os t u d yt h eu gs e c o n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , u s ev i s u a lc + + 6 0a n d d a t a b a s et e c h n o l o g yt od e v e l o pt h eu g s p i r a lb l a d ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mb a s e do n u g k e yw o r d s ：s p i r a lb l a d e ，s e g r e g a t i o n ，f e a t u r em o d e l i n g ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，u g o p e n i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 指导教师繇名芍中 j 趼啤侈月日)一op 年g 月z 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 率 禾 佃 籼 - 轹 泊 剑 6 者 年 储 僻 文 号 论 ： 位 期 学 日 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 中国过去几十年来在经济增长和减贫上取得了举世瞩目的成就，其重要成就为 基础设施尤其是交通设施的发展。1 9 8 8 年1 2 月，沪嘉高速公路的建成通车，标志 着中国高速公路从无到有，进入了一个中国高速公路快速发展的过程，截至2 0 0 9 年，中国高速公路通车总里程达到6 5 万公里，居世界第二位。按照中国2 0 0 5 年公 布的高速公路网发展规划，中国正在全力以赴地加快国家高速公路网主骨架建设， 到2 0 2 0 年，基本建成国家高速公路网，届时，中国高速公路通车总里程将达1 0 万 公里。新路网由7 条首都放射线，9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成，简称为 “7 9 1 8 网 【1 l 。伴随着高速公路的快速发展，人们对于道路的行车舒适性和安全性 也在不断的提高。 虽然沥青路面的成本价格比起混凝土路面的价格要高一些，但是从长远的效益 以及后期的维护、保养上来看，沥青路面有着混凝土路面不可比拟的优势。首先是 沥青路面的风噪声小，对车子的胎面磨损小一些，同时也有利于提高车子的抓地力， 提高了行车的安全性；其次是沥青路面的物理特性，主要表现在韧性方面比较好， 抗压性和拉伸性好，能够较好适应不是很稳定的路基；再次是后期维护简易，可以 进行部分重建，而不用像混凝土路面那样要大规模的修建，维护成本价低，这是进 行基础建设工程不得不考虑的问题；最后是在环保方面来讲，虽然沥青路面在铺设 的过程中会造成一定的环境污染，但是沥青材料只要不发生化学上的反应，是可以 进行反复利用的，这有效地提高了资源的利用率。因此沥青混合料一直作为高速公 路的首选材料。而沥青混合料摊铺机作为沥青路面的重要施工设备也得到了全面的 发展和提高。螺旋布料器作为摊铺机的一个重要组成部分，担负着横向输送物料的 任务，它设计的合理性将直接影响摊铺机对路面的施工质量。是整机设计的关键技 术之一。 1 2 摊铺机及其技术现状 沥青混合料摊铺机是铺筑沥青路面的专用施工机械，作用是将拌制好的沥青混 江苏大学工程硕士学位论文 合料均匀地摊铺在路面底层上，并保证摊铺层的厚度、宽度、路面拱度、平整度、 密实度等。摊铺机一般与自卸车、压路机联合作业。自卸车将沥青混合料运至施工 现场，倒车行驶至摊铺机前，其后轮抵靠在摊铺机的顶推滚轮上，变速器处于空档 位置，然后将部分沥青混合料卸入摊铺机的接料斗内，并被刮板输送机、螺旋输送 器运至摊铺面，然后摊铺机以适当的稳定速度顶推着自卸车向前行驶，自卸车一边 前进一边卸料，摊铺机连续摊铺。摊铺的沥青混合料由振捣器初步振实，由熨平板 整平。 2 0 世纪6 0 年代，中国开始研制沥青混合料摊铺机产品，在1 9 8 6 , - 一1 9 9 3 年期间 分别引进日本n i i g a t a 、德国戴纳派克、福格勒和a b g 公司的制造技术，同时也 进口大量的德国摊铺机产品。截至目前我国已经形成了可生产制造全系列摊铺机产 品的能力，并得到了广泛应用，可满足各种工况要求【2 1 。目前国产摊铺机产品在技 术水平、质量、使用性能等方面己取得了长足的进步。拥有一批具有相当先进技术 和可进行批量生产的专业摊铺机制造工厂，年生产能力可达1 5 0 0 台套以上。培养了 一大批摊铺机开发研究、使用管理、维修保养等方面的专业人才，为今后进一步发 展打下了良好的技术基础。 发达国家的摊铺机制造和应用已有8 0 余年的历史。我国是从2 0 世纪6 0 年代正 式开始，快速发展阶段不足1 0 年，因此和国外的技术水平还存在差距，主要体现在 以下几个方面：1 ) 我国目前各个制造厂家生产的高档摊铺机产品基本上都采用德国 先进摊铺机型的技术和结构，其主要的液压元件、电控元器件、传动箱体等均选用 进口件，亦有发动机也采用进口产品。导致国产率过于低下；2 ) 我国摊铺机在使用 可靠性、稳定性以及故障率等方面尚存在相当大的差距，由于国内整体技术水平、 加工工艺、装配、人员素质以及国产配件和材料等方面差距较大，使得我们的产品 在制造方面存在诸多先天不足；3 1 自主开发创新能力亟待改进和提高，我们在引进、 学习和借鉴国外先进技术、结构等方面都做得不错，也很及时。但属于我们自主开 发的专利技术和结构较少，这将会制约我们今后的发展和产品大规模出口业务。 现代先进摊铺机的关键技术主要有以下几个方面：1 ) 左右行走履带全液压独立 驱动方式，可实现圆滑转向摊铺以及无级变速的性能；2 1 全自动比例供料系统，全 自动比例及非接触式传感控制技术，使供料均匀、稳定，确保高质量连续摊铺作业； 3 ) 多种组合形式的高密实度熨平装置，目前具有多种组合的高密实度熨平装置，分 2 江苏大学工程硕士学位论文 别采用不同工作原理和结构，更便于用户选择应用；4 ) 组合式自动找平系统，将参 照基准分别设置在己摊铺和未摊铺的路面上，并采用非接触式传感装置，有效提高 了摊铺平整度和应用机动性能；5 ) 全轮驱动的轮胎式摊铺机，加大了附着牵引力， 减少打滑，改善了轮胎式摊铺机的使用性能。 1 3 参数化设计的发展现状 目前，参数化设计已成为c a d 中最热门的应用技术之一，能否实现参数化设 计也成为评价c a d 系统优劣的重要技术指标之一，因为它更符合和贴近现代c a d 中概念设计以及并行设计思想，工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件 图，通过对产品形状及大小的约束最后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直 接通过修改第一次设计实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响产品的整 个开发周期，设计参数可以来自于其他系统，同时参数化设计还能实现参数化建库， 极大方便后续设计工作。因此，参数化设计的研究对进一步提高设计和绘图效率以 及柔性化设计都具有十分重要的意义。 参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法。这是由于产品的整个设计过 程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求精过程。目前常见的参数化 设计方法主要有以下几种【3 1 。 1 、程序参数化法：由于不同的用户要求系统具有不同的常用模型库或标准模型 库，此方法允许有经验的用户或二次开发软件工程师利用系统提供的内嵌编程语言 或二次开发语言接口来定义产品的参数化模型，并支持对参数化模型库的建立、管 理和使用。 2 、变量几何法：它将几何模型定义成一系列特征点，约束则表示成一特征点坐 标为变元的非线性方程，这样，约束传播的过程也就是对应求解方程组的过程。 3 、人工智能法：是将触技术引入参数化设计中，提高对模型求解的智能化程 度。根据推理的不同机理又可分为基于知识的几何推理法、基于自由度分析的约束 传播法、基于神经网络的自学习方法等。 4 、基于构造过程的方法：它记录了用户在交互造型过程中的每一步操作，采用 一种参数化履历机制，通过记录作图过程中几何体素生成的先后顺序及连接关系来 捕捉设计者的意图。 3 江苏大学工程硕士学位论文 5 、基于辅助线法：辅助线的求解条件在作图的过程中已明确规定，不必再作遍 历搜索和检索求解是否充分，使约束的表达简化，减小了约束方程的求解规模。 6 、基于图形的参数化方法：是直接操作图形数据库，把图形数据库的数据交换 结构略作修改，用图形来描述实体的相应约束。 7 、基于自组织方式的离线参数化：此方法的最重要特征就是参数化过程与图形 一开始的生成过程是无关的。原理是适用于任何图形系统生成的图，作图过程与对 图的理解是相分离的，本质是通过对图形约束信息的自动组织、识别和理解尺寸对 图形的约束关系，从而进行参数化联动。 参数化设计作为机械c a d 的一项关键技术，它贯穿于从概念设计到详细设计 的全部过程，由于每种方法都有其局限性，只有综合各种方法的长处，走算法融合 的道路，才能真正完善参数化技术。 当前亟待解决和需要进一步研究的问题包括：1 、欠约束问题的有效处理；2 、 参数化设计与产品功能设计相结合；3 、向系统集成化、商品化方向发展；4 、研究 并行设计中的基于约束的参数化设计模型；5 、使参数化设计理论和实际设计更紧密 的联系。 1 4 本文研究内容及其意义 1 4 1 课题来源 本课题来源于镇江华晨华通公司w l t 8 5 b 型多功能摊铺机的设计制造。该机型 是引进日本新泻铁工所n f 系列摊铺机制造技术并结合国内摊铺机的工况研制的新 产品。 镇江华晨华通路面机械有限公司由江苏华通机械集团公司和华晨中国机械控股 有限公司( b c m 公司) 根据中外合资经营企业法共同出资建立的有限公司，是我 国生产经营路面机械和建筑机械产品的重点企业和骨干企业，为江苏省高新技术企 业、外商投资先进技术企业、全国c a d 应用工程示范企业、全国火炬计划重点高 新技术企业、设立国家级博士后科研工作站企业和通过i s 0 9 0 0 1 质量体系认证的企 业。企业产品有摊铺机械、拌和机械、养护机械和建筑机械四大系列5 0 多个品种， 国内市场占有率达3 5 以上，技术性能达到国际九十年代先进水平。近年来公司通 过合资合作和整合重组，加快了技术改革的步伐，企业产品需要不断进行升级换代。 4 江苏大学工程硕士学位论文 1 4 2 研究的目的和意义 螺旋分料器是沥青混合料摊铺机必不可少的重要组成部分，在摊铺机设计中往 往作为一个独立的组成而存在。当沥青混合料从前部料斗经输送器送至熨平板前方 时，是集中在中心或中心附近的范围内。分料器的作用就是将这些混合料按照一定 生产率( 匹配的速度和数量) 均匀的分布到整个熨平板的宽度上，经熨平板振捣、 振动和初压实后，形成路面的幅宽【4 1 。 螺旋分料器实际上就是一种敞开式大螺距大叶片的螺旋式输送器。螺旋叶片的 制造精度对摊铺材料的均匀性与否有着直接的影响。螺旋叶片设计主要包括螺旋转 速、螺距、螺旋直径等参数计算，设计的步骤复杂而繁琐，计算量大，数据多，牵 涉的设计人员众多，而且不同设计人员有不同的设计习惯。因此对于螺旋叶片建立 标准的设计规范和统一的设计数据管理是很有必要的，这也有利于后期的工艺分析 和模具设计，便于螺旋叶片数字产品c a d c a m c a e p d m 一体化和并行工程的实 施。 传统的螺旋叶片设计方法效率低、成本高，不利于快速设计的要求。而现有的 三维c a d 软件对于叶片中一些特有的结构特征没有提供直接的参数化造型方法。 导致叶片产品模型造型困难，可修改性差，零件设计模型的可重用性或部分可重用 性几乎不能实现。此外由于设计过程与制造过程相对独立，再加上制造加工因素的 影响，经常造成叶片的结构设计修改，并进一步影响到整台设备的研制周期。因此， 研究叶片的参数化造型技术将对提高质量和缩短研发周期具有重要意义。 1 4 3 主要研究内容 本课题通过u g 软件来实现螺旋叶片的三维参数化造型，可通过改变输入的原 始数据，生成相应的叶片，达到设计要求。具体研究内容如下： 1 ) 螺旋分料器的参数设计及结构改进 沥青混合料摊铺机螺旋分料器的结构形状及参数选择直接影响螺旋分料器的生 产能力和路面的施工质量。合理的摊铺机螺旋分料器应具有良好搅拌物料的能力， 使前期工序产生的物料离析得到有效改善，同时满足摊铺宽度上不同部位所需物料 量，使平整度得到保证。 2 ) 叶身截面线造型技术 5 江苏大学工程硕士学位论文 传统的叶身截面( 叶型) 设计是经气动计算得出叶身截面离散气动数据点，以气 动数据文件的方式提供给结构设计人员；如果是测绘仿制，则是用三坐标测量仪测 量出叶身截面线离散数据的值，经气动设计验证后提供给结构设计人员使用。结构 设计人员再根据这些气动数据点拟合出叶型。在拟合过程中，既要考虑尽量满足叶 片的气动性能，又要考虑叶身截面的光顺性，这成为叶身截面造型技术中的难点。 随着c a g d 技术的发展，b e z i e r 曲线、b 样条曲线和非均匀有理b 样条( n u r b s ) 曲线为叶身截面的造型问题提供了有效的解决方案。 3 ) 叶片参数化c a d 系统 螺旋叶片设计系统有大量构件参数与展开数据需要处理，而采用建立数据文件 的方法或把数据写入程序中，都存在着较多问题，解决问题的途径应是建立数据库， 数据库设计是整个软件设计的基石。 本系统以w i n d o w s 操作系统为平台，采用v i s u a lc + + 6 0 作为本系统的开发工 具，u g 软件进行实体建模、u g o p e n 实现界面的可视化设计与参数的传递。 6 江苏大学工程硕士学位论文 第二章摊铺机螺旋叶片的设计及优化分析 2 1 螺旋叶片的结构特点和功能 螺旋分料器是筑路机械中常用的一种分料装置，担负着输送沥青混合料及控制 摊铺过程中离析现象的任务，它的结构及性能是否合理将直接影响路面的施工质量。 螺旋分料器的位置在刮板输送机卸料端的后下方，下边缘的离地间隙略大于整 机最大摊铺厚度。如果摊铺厚度范围较大，离地间隙可以进行调整。根据熨平板摊 铺宽度的延伸和刮板输送机的类型的不同，螺旋分料器除基本的左右螺旋外，还包 括反向螺旋和延伸螺旋，借助这些螺旋的旋转运动，将刮板的落料均匀地分布到整 个熨平板宽度，同时消除了落料的离析现象。 螺旋分料器实际上就是一种敞开式大螺距大叶片的螺旋输送机。左右两根螺旋 方向相反，而旋向一致。不同的生产率决定了不同的螺旋直径、螺距和转速，直径 和螺距的尺寸量级达3 0 0 r a m 左右。为了获得延伸熨平板的供料和中间死区( 双刮板 输送机) 的补料，左右螺旋的外端往往增加可方便拆装的延伸螺旋。 从驱动方式上，目前国内外流行机械式和液压式两种。其中机械式链传动，左 右螺旋分料器独立驱动，由链传动至螺旋的左右端。而液压式则由液压马达直接或 经伞齿轮间接驱动，通过螺旋分料器的旋转，可将摊铺材料分送到两边或集中到中 央，从而满足各种不同的工作状态的要求。另外，延伸的螺旋分料器，常设计成较 小的直径和螺距，以便在延伸部分能保证均匀供料f 。 螺旋分料器结构如图2 1 所示： 图2 1 螺旋分料器结构简图 1 左长螺旋2 右长螺旋3 链轮 4 链轮箱5 左短螺旋6 右短螺旋 7 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 螺旋叶片参数分析 螺旋分料器的重要性能指标是输送效率、生产率、防离析等，这些指标主要取 决于螺旋叶片的设计参数。螺旋叶片的结构形状及参数选择是否合理将直接影响螺 旋分料器的生产能力和路面的施工质量。合理的摊铺机螺旋分料器应具有良好搅拌 物料的能力，使前期工序产生的物料离析得到有效改善，同时满足摊铺宽度上不同 部位所需物料量，使平整度得到保证的综合功能。 1 、螺旋直径d 的确定 螺旋直径d 是确定螺旋分料器输送能力的重要因素之一，可以根据下列公式计 算螺旋叶片的螺旋直径d 1 6 l 。 d k 2 5 q ：额定输送量，f j i l ； k ：物料综合特性系数 k 口：倾角系数； d 沥青混合料的堆积密度，t m 3 2 、螺距s 的确定 s = ( 0 8 1 ) o( 2 _ - 2 ) 3 、螺旋输料轴直径d 的确定 轴的强度计算一般可分为按扭转强度或刚度计算、按弯扭合成强度计算、精确 强度计算三种。由于螺旋输料轴主要传递扭矩，因而可以按扭转强度确定所需的轴 端直径d ，为减轻轴的总质量，采用空心轴结构。其计算公式如下： 捌7 2 3 1 f f t 了击 ( 2 _ 3 ) 丁：轴所传递的扭矩，n m ； f p ：许用扭转剪应力，m p a ：空心轴的内径与外径之比； t ：7 1 6 2 一n ( 2 4 ) ：螺旋分料器功率，k w 江苏大学工程硕士学位论文 n ：螺旋分料器转速，r m i n 4 、螺旋转速刀的确定 n ：盟 ( 2 一- - d 。) = i， 2 a s p ，k 、 b ：螺旋有效输送长度，b = b a ：b 为摊铺宽度，a 为刮板宽度 ，：行走最大速度，m l m i n 岛：压实后混合料的密度，, o l = 2 0 t m 3 h ：摊铺厚度，m 岛：松散料密度，p 2 = 1 5 t m 3 k ：供料均衡系数，一般取k = 0 8 5 、螺旋叶片厚度盯的确定 叶片厚度盯根据物料性质，一般取8 m m ，各尺寸与叶片厚度无直接关系。 通过( 2 _ 1 ) ( 2 - 5 ) 公式及叶片厚度可初步确定螺旋叶片的基本设计参数，为下 一步的参数化设计打下基础。 2 3 螺旋叶片优化设计的探讨 摊铺离析是目前困扰着高等级公路质量的一个重要问题。沥青路面施工中的离 析可分为级配离析和温度离析【7 1 。 级配离析是指集料在外力作用下大粒径料和小粒径料会分别聚集的现象。混合 料中集料的粒径不同其运动惯量也不相同，当混合料受到外力( 机械) 作用后，大 粒径集料的运动速率必然大于小粒径集料的运动速率，于是就产生了大小粒径的分 离而形成离析。出现级配离析时，沥青路面上一些区域粗料集中，另一些区域细料 集中，使得混合料不均匀，破坏了最合理最优良的级配组成设计，也相对局部改变 了沥青的设计用量。离析处所聚集的大集料，是从多方面聚合而来的。在缺少细料 和施工碾压时难以压实的双重作用下，空隙率增大，成为地面水下渗的通道，导致 沥青层内进水浸泡，引起沥青剥离，基层泡软、唧浆、冻胀等一系列水损害，最后 导致网裂、坑槽。另外，由于缺少细料的填充，不能形成粗集料的粘结面，集料之 间近似于点接触的状态，结构稳定性差，容易发生颗粒间的相对位移，在轮胎水平 力的作用下，产生松散、剥落、脱粒，甚至坑槽。在寒冬季节，也易形成温缩裂缝 9 江 苏大学工程硕士学位论文 及冷脆型载荷裂缝。因此，离析料聚集处无论是抗压强度，还是抗弯强度，都被大 大地削弱了，在形成载荷、温度应力等的作用下被提早破坏。离析出部分大集料后， 余下的混合料虽然由于骨架结构被削弱而影响到强度，但由于大集料缺失的数量不 是很多，对级配组成的改变也不太大，所以，无论从孔隙率还是从强度来看，一般 情况下影响还不太大，但这部分材料相对来说细料多了，沥青也多了，原设计的嵌 挤结构有可能变成悬浮结构，影响高温稳定性，降低抗车辙、抗滑性能。 温度离析是指摊铺沥青面层时，经充分搅拌，温度均匀的沥青混合料，经过某 一过程后，温度出现较大差异的现象。混合料的温度离析，会导致路面压实度不均 匀，温度较低的区域路面孔隙率较大、纹理深度也较大，易出现早期损坏。研究表 明，离析严重的路面使用寿命会可能减少5 0 以上。目前高速公路沥青路面的一些 早期损坏，如松散、网裂、坑洞、局部严重辙槽、局部泛油、新铺沥青路面的构造 深度不均等，都与沥青混合料的离析密切相关。 防止离析的方法有很多，如在摊铺机前加置物料转运车的作业方式。而对摊铺 机自身而言，改善离析和提高摊铺路面质量，主要是通过改进螺旋分料器的机构设 计以及运动学参数来实现的【8 】。 工作参数及转速的改进： 目前，多数摊铺机的实际情况是，物料的内、外摩擦力作用造成大粒料容易被 送进螺旋两外侧，摊铺宽度越大则离析越严重。其主要原因是螺旋工作参数设计存 在缺陷，强调物料输料高度位于螺旋中心上方叶片直径2 3 处位移，由于螺旋的料 位较低，需要较高的工作转速才能满足输料量要求，在高速抛撒、快速推移运动中， 不同粒径物料被离析。针对上述情况，根据国内外摊铺实践，可以采用增加整机功 率匹配，物料满埋螺旋，增大螺旋输料能力，降低螺旋驱动转速的措施。 螺旋机构设计的改进： 1 、加装反向螺旋叶片 由于螺旋驱动链轮箱的空间干涉，使左右螺旋在中缝处断开一定距离，在断裂 处的物料得不到螺旋的强制挤压和搅拌，而仅靠物料的自然流动来充填，摊铺后密 实度很低且级配不匀，形成明显的条形离析带。在螺旋中缝处加装一组角度可调的 反向螺旋叶片，将其固定牢固，保证输料时不会转动，反向叶片使摊铺层中缝处填 料充足，改善了中缝处的离析现象。 1 0 江苏大学3 - 程硕士学位论文 2 、减少螺旋支撑横截面尺寸 螺旋支撑处的离析带面主要由下支撑处螺旋输科不畅，破坏了物料沿螺旋在宽 度方向上输送的均匀连续性，影响了该处的密实度和级配所致。为此，应减少螺旋 支撑横截面尺寸，并使支撑结构呈圆弧过渡面，在支撑处的螺旋上加装圆周角1 0 0 0 以上的过渡叶片，可以减少集料在螺旋输送过程中形成的阻滞、堆尖。 综上所述，通过对螺旋分料器的工作参数改进、加装反向叶片、加装过渡叶片， 螺旋分料器满埋物料工作，除町以有效防止离析现象的产生外还可以使不同宽度 位置卜的摊铺物料的密实度、平整度一致。改进后的螺旋分料嚣模型如图2 2 所示。 2 4 本章小结 w 确6 i 1 9 i 悄样潮w 滞 图22 改进后的螺旋分料器模型 本章首先介绍了螺旋叶片的结构特点和功能。针对螺旋分料器的主要性能指标， 提出台理设计螺旋的参数和结构是关键。此外，对摊铺过程中出现的离析现象作了 介鲥，提出了通过改进螺旋分料器的结构来防止离析的出现。方法主要有：1 ) 增加 整机功率匹配，物料满埋螺旋，增大螺旋输料能力降低螺旋驱动转速；2 ) 加装反 向螺旋叶片；3 ) 减少螺旋支撑横截面尺寸，加装过渡叶片。 江苏大学工程硕士学位论文 第三章摊铺机螺旋叶片参数化设计系统体系结构 3 1 参数化设计概述 3 1 1 参数化设计定义 所谓参数化，又称为尺寸驱动，是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数 约束几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋 予不同的参数序列值时，就可驱动得到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计 信息的模型【9 1 。参数化设计的过程如图3 1 所示： 图3 1 参数化设计过程 3 1 2 参数化设计的产生和发展 根据参数化设计方法在不同时期的特点，我们将参数化的研究划分为以下几个 阶段： 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 1 ) 6 俨一7 0 年代中的萌芽期 这一阶段以s u t h e r l a n d 为代表，他在s k e t c h p a d ( 1 9 6 3 ) 系统中提出利用约束作为 辅助手段进行零件生成，但模型生成后约束不能反过来限制模型【1 0 】。 2 ) 7 0 年代末一8 0 年代初的开创时期 以h i l l y a r d 提出变量几何和几何约束思想为代表，他把尺寸和公差视为特征点 约束，通过尺寸和视图指定零部件的形状，利用给定的尺寸方案来判定零件图是欠 约束、过约束、还是完备约束【1 1 】。 3 ) 8 0 年代中期一9 0 年代初的发展时期 以b a l d e f e l d 、a v e r r o u s t 提出的基于专家系统的方法为主要代表【1 2 】。 b a l d e f e l d ( 1 9 8 8 ) 提出一种基于符号操作和推理机来处理一般几何模型的方法， 二维几何模型被表示成一系列几何元素集和定义约束计划的原子规则集，他将约束 分为机构约束与公制约束，并用一阶谓词表示这些约束，通过构造、技术规则库与 推理机进行求解。 a v e r r o u s t 提出基于专家系统来处理约束等式，将所有约束分为角度约束与距 离约束、通过构造规则、三角形规则、平行规则将求解模型分为简单模型、似解模 型与不解模型，并且试图寻找给定尺寸约束的几何元素的计算序列，同时给出了处 理设计的一系列规则集。 4 ) 9 0 年代中期至今 这一阶段以j a ey e o ll e e 提出的利用图表示的基于知识的几何推理法和 x i a o s h a ng a o 提出的约束传播法为主要代表。 韩国p o h a n g 大学j a ey e o ll e e ( 1 9 9 6 ) 提出利用图表示基于知识的几何推理方 法，将完备的约束设计模型和几何规则表示成图，从设计图选择出适当的子图以得 到新的事实，并在规则图中搜索子规则图去匹配模型中的子图，目的是改善推理过 程，节省推理时间【1 3 1 。 中科院系统所x i a o s h a ng a o 和美国w i c h i t a 国立大学s h a n g c h i n gc h o u ( 1 9 9 8 ) 在几何约束求解系统中提出一种全局传播法和代码计算法，该方法对局部传播方法 进行扩展，全局传播法在确定一个几何元素对象的位置时是从几何元素集中的已知 元素推理而来的，推理过程中不仅使用了显式约束，而且有约束信息中的隐含约束， 并且能判定一几何对象是过约束还是欠约束1 1 4 1 。 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 国内近年来对参数化的研究也越来越重视，在几何约束的表示和求解方面，提 出了各种新方法和思路。 浙江大学的董金祥教授和葛建新博士提出的变参数绘图系统中一种约束求解新 方法【1 5 】【1 6 】，通过分解和排序来提高求解速度，并且能快速指出约束不足和约束过载 来提高灵活性和可靠性。 山东大学孟祥旭教授采用扩展的有向超图结构( e x t e n d e dd i r e c t e dh y p e r g r a p h ) 建立了支持尺寸约束、几何约束和拓扑结构约束的参数化图形表示模型【1 7 】，利用交 互构造的图形对象的依赖关系建立参数化图形约束关系的求解次序，在超图中采用 有向边依次链接图形对象构成求解次序，由于图形构造的每一步都保证约束的一致 性，因此不会出现过约束或欠约束的情况。同时，针对约束耦合程度高的循环约束 情况，采用约束关系自定义机制和约束模型的递归求解机制，支持变结构参数化模 型。 清华大学张国伟等提出一种基于自由度分析的约束传播算法，求解二维参数化 设计中所建立的几何约束模型【1 8 】。用约束图表示几何元素及它们之间的约束关系， 用规则图来表示求解推理的过程，采用了基于规则的推理与数值计算相结合，基于 自由度分析的约束求解策略。 3 1 3 参数化设计功能和特点 参数化设计是产品建模的一个重要手段。早期的c a d 系统在首先需要绘制出 图形，然后才对其进行具体尺寸标注。由于系统采用固定的尺寸值定义几何元素， 导致设计出的图形在模型数据库中缺乏非图形信息，如设计知识、约束、功能条件 等，修改设计变的相当困难【1 9 】。这种设计方法只存储设计的最后结果，而丢失了设 计的过程信息，其缺点主要表现在：1 ) 不支持草图设计；2 ) 不能支持全部设计过 程，而一个机械产品的整个设计过程包括功能设计、概念设计、初步设计和详细设 计等不同阶段；3 ) 缺乏对产品内部不同组件关系的表示，不同的组件之间无明显的 约束关系，不支持并行设计；4 ) 信息表达不完整，产品的设计过程可看作产品数据 的逐步求精过程，在不同的设计阶段表现出不同的设计属性，另一方面，这些数据 信息又表现出多样性；5 ) 不能进行变动和系列化设计，而绝大多数的设计都是属于 改进型的设计。参数化设计正是针对这些不足应运而生的。参数化设计将产品的定 义、功能、特性、形状等属性通过约束表示出来。设计过程是构思设计要求、提出 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 产品功能、给出相应的结构和几何约束，最后形成设计对象，而不同的设计过程又 是不断循环，直到符合设计结果为止。基于约束的参数化产品设计过程如图3 2 所 示，产品的整个设计过程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求精过 程。 图3 2 基丁约束的参数化产品设计过程 参数化设计不仅记录了必要的几何信息，而且还保留了图形的拓扑结构，以及 各种设计知识、设计约束等信息，对结构相同而尺寸不同的，就可用同一参数化模 型描述其几何形状，当产品因某些定形定位参数发生变化而导致产品的局部形状发 生更改时，系统能维护原有的设计意图，在满足原有约束关系不变的条件下，自动 生成新的图形，实现参数化设计。 参数化是实现设计自动化的一种有效方法，是通过对图形的几何约束建模和求 解来实现，因此参数化技术也是一种智能化图形技术【2 0 1 。工程图形是表达工程信息 的载体，是计算机辅助设计( c a d ) 、地理信息系统( g i s ) 、产品数据管理( p d m ) 等计算机应用领域的重要数据类型。对这些领域的图形实现参数化建模可以简化图 形数据的表达与存储，实现图形的自动化生成与修改，从而方便图形的编剧与管理， 提高图形系统的智能化水平。 3 2 摊铺机螺旋叶片参数化设计总体方案 目前，我国叶片人工设计流程如图3 3 所示。 在设计叶片结构前，先是由叶片气动性能设计人员经气动计算得到叶片的气动 数据，或者经过测绘得到测绘数据，再由叶片结构设计人员根据这些数据进行叶片 的结构设计【2 1 1 。气动计算和叶片结构设计都需要进行反复的迭代和计算。 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 通用二维c a d 系统 | 甄 l ； 一 i i通用二维cado系统io 图3 3 人工设计流程 叶片每一部分基本机构的设计都是由专门的设计人员参照设计规范和经过一定 的计算后设计出的。因为目前国内的叶片设计大都还停留在二维绘图的基础上，所 以叶片设计人员一般是在通用二维c a d 上设计出叶片结构或者是专门的二维工程 图绘制人员绘出叶片的二维工程图。对于叶片结构的任何修改，都要再次经过计算， 然后再对二维工程图做修改。经过多次这样的结构修改得到最后的叶片结构二维工 程图。 由于叶身型面是自由曲面，形状复杂，加工精度高，一般的加工方法难以实现， 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 所以必须得到叶片的三维实体模型以便于数控加工的需要。这时需要专业的三维实 体造型人员对叶片的二维工程图作出详细的分析后，再用三维的c a d 软件作出叶 片的三维实体模型。在造型过程中发现的错误，再返回修改叶片结构的二维工程图。 经过多次反复修改得到叶片的三维实体几何模型。 通过对叶片的人工设计过程的详细分析，不难看出其中存在的主要问题是： 叶片结构设计没有实现三维设计，而是先绘n - 维图纸，加工人员为了数控加 工才建立三维模型，这种从二维到三维的设计过程是一个反过程，不符合现代设计 方法。 以工程图为信息传递媒介，劳动强度大，信息交流慢，易造成理解的二义性： 数据传递环境多、误差大，给叶片的修改工作带来了很大的困难。 叶片设计环节多，涉及的设计和绘图人员多，整个设计周期长，效率低。 叶片的结构设计与三维几何造型是分离的，不能很好体现设计者的意图。 叶片的三维模型大部分是非参数化的，可修改性差，重用性较低，大大延长了 叶片设计的周期，使生产成本急剧上升。 叶片结构设计还是“手工作坊 式的，每个叶片设计人员都有自己的方法，缺 乏统一和规范化的结构设计方法。 针对造成目前叶片人工设计效率低下的原因，相应的基于u g 的螺旋叶片参数 化设计系统应满足如下的要求： 在该系统支持下能使叶片设计人员直接进行三维的叶片设计 生成的叶片实体模型应该修改容易，考虑到叶片设计的特殊性，还应该具有高 效、精确的曲面造型功能。 能提炼出叶片结构设计的关键参数，有友好的用户界面，使叶片结构设计人员 能比较容易的实现叶片三维实体造型。 具有标准化的叶片设计规范和设计向导，对叶片的设计数据进行统一、有效的 管理。 基于u g 的摊铺机螺旋叶片参数化设计系统的设计方案如图3 4 所示。由图中 看出，在该系统支持下的叶片设计涉及的设计环节少，简化到只有气动设计环节和 结构设计环节；设计人员少，只需要气动设计人员和叶片结构设计人员；叶片设计 的周期短，效率高。叶片结构设计人员能够通过简单的用户界面直接进行设计产生 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 三维的叶片实体模型，不需要二维工程图绘制人员和三维实体造型人员的帮助。最 后生成的叶片实体模型具有一定的可修改性，可重用性高，大大方便了设计和修改。 困 图3 4 叶片参数化设计系统方案 3 3 摊铺机螺旋叶片参数化设计系统的体系结构 本文研究的摊铺机螺旋叶片参数化设计系统主要用于完成叶片结构设计、三维 实体建模和二维工程出图。下面对其总体结构作一介绍。体系结构如图3 5 所示。 螺旋叶片参数化设计系统由用户层、系统层和应用层组成【2 2 1 。用户层是叶片设 计操作界面，用于输入设计信息和几何信息；系统层由后台程序控制，将从用户层 得到的信息赋值给各个模块，按照一定的设计方法，在应用层，通过c a d 软件提 供的造型功能，构造出实体模型并进行显示。 1 8 1r i 二维工程图 江苏大学工程硕士学位论文 l 基于u g 的摊铺机螺旋叶片参数化设计用户界面 j f 。! 一 1r ；双玎灶任怵什 ： 设计信息 ii 构 总结 体构 信息 一j l f 雅g 设没 _ _ 一 计计 、 获取 模模 块块 措 h 设计规则 r 信息 拶 乙= = = = = = = = = = = ： u o 造犁功能 实体特征建模 自由曲面建模其他 j 叶片三维模型 j n 叶片一维上程图 图3 5 叶片设计体系结构图 体系结构的设计充分考虑了叶片结构设计的复杂性，使得该系统具有以下特点： 1 ) 用户界面友好，提供了叶片的参数化设计功能，实现了叶片的快速生成和修 改； 2 ) 开发了叶片自定义设计过程向导，为叶片设计提供了设计规范； 3 ) 为叶片结构设计提供了数据管理功能，设计人员能够很方便的得到设计信息 并进行查询； 4 ) 提供了设计过程的保存和重构功能，保证了设计过程的连续性和断点维护。 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 3 4 本章小结 本章首先对参数化设计的定义、发展阶段及功能特点作了介绍。提出目前的叶 片设计流程存在较多缺点，针对这些缺点，采用基于u g 的螺旋叶片参数化设计来 弥补这些缺点，使之更符合现代设计的特点。最后介绍了基于u g 的螺旋叶片参数 化设计系统的体系结构。 江苏大学工程硕士学位论文 第四章摊铺机螺旋叶片的参数化设计关键技术 4 1 参数化特征造型技术 特征造型( f e a t u r em o d e l i n g ) 技术是新一代c a d c a m 集成系统的关键技术之一， 是产品模型技术的核心。建立基于特征的统一而完备的产品信息模型，能够从根本 上解决产品在设计、生产、质量控制和组织管理等各个环节的数据交换和共享问题 【2 3 1 。同时，将参数化技术引入系统中，使得特征具有可调整性，提高了系统设计效 率。因此，基于特征的参数化技术已成为当今c a d 系统的主要依赖手段之一。 4 1 1 特征的概念 人们对于事物的认识往往要经历由表及里，从特征到一般的深化过程，因此国 内外对于特征技术的研究也都是从它的某一侧面开始起步，研究一些着眼于零件设 计自动化，用特征作为产品设计的知识表示和推理机制，从零件的功能要求出发， 根据以往的设计经验自动组织零件的受力分析、物理性能验算、几何造型、工艺性 检查等，这种特征可看作是设计特征。另一些研究工作从制造领域着手，将特征与 工艺过程设计、数控加工自动化编程、零件数控检测等环节联系起来，这种特征可 看作是制造特征