（机械设计及理论专业论文）基于cadcaepdm系统集成的液压支架设计平台研究.pdf

郑州大学硕士论文 摘要 本课题首先分析了在当前产品设计分析一体化趋势下液压支架设计的一些特征， 指出了传统设计的不足，介绍了c a d 、c a e 、p d m 的特点及应用现状。针对传统设计 的不足并结合当前产品设计方法的发展趋势，讨论了c a d ，c a e ，p d m 系统集成的概念 与方法，并详细描述了各模块之间的相互关系及组织结构，以及采用系统集成后对企业 的生产效率、产品质量及市场竞争力等带来的影响。 在v c 的环境下，采用面向对象方法集成了参数型c a d 软件p r o e 、c a e 软件 a n s y s 和a d a m s ，以及数据库s q ls e r v e r ，开发了一个液压支架的专用设计平台。 该设计平台集设计分析为一体，采用s o l s e r v e r 对产品数据进行统一管理。 该设计平台首先通过建模模块完成液压支架主要零部件的三维模型，然后使用结 构分析模块对零部件进行结构分析。如果结构分析结果不能满足设计要求，可以在建模 模块对零部件结构尺寸修改后重新进入结构分析模块进行分析，直到分析结果满足设计 要求为止。最后，完成液压支架的整机装配，在仿真分析模块中对整机进行运动和动力 分析。在设计分析过程中，设计平台对所有中间数据进行统一管理。 通过对实体建模软件p r o e 、有限元分析软件a n s y s 及动力学仿真分析软件 a d a m s 的分析和研究，实现了软件之间的无缝连接，从而完成了p r 0 e 与a n s y s 、 p r o e 与a d a m s 之间的有效数据交换。同时，采用p r 0 厂r d o 脚对p r o e 进行二 次开发，实现了液压支架的参数化建模。采用a p d l 语言对a n s y s 进行二次开发，实 现了结构分析自动化。 最后，以z y 3 8 0 液压支架为实例在设计平台进行运行、分析，结果表明采用该设 计平台可以有效地保证液压支架的设计质量，提高设计的效率。 关键词：液压支架；c a d c a e p d m 系统集成；参数化设计；p r o e ta n s y s ：a d a m s 郑州大学硕士论文 a b s t r a c t s o m ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r td e s i g na r ea n a l y z e di nt e r m so ft h e t r e n do fd e s i g na n da n a l y s i si n t e g r a t i o n a n dt h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a ld e s i g ni si n d i c a t e d i n t h em e a n w h i l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea p p l i c a t i o no fc a d ，c a e ，p d ma r ei n t r o d u c e d o nb a s i co fa n a l y z i n gt h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a ld e s i g n ，t h ei n t e g r a t i o no fc a d c a e p d m w a sp r o p o s e d ，a n dt h ec o r r e l a t i o na n dt h es t r u c t u r eo ft h et h r e em o d u l e sa r ed e s c r i b e di n d e t a i l t h ei n f l u e n c ew h i c ht h ei n t e g r a t i o ns y s t e mm a k e so nt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ， p r o d u c tq u a l i t ya n dm a r k e tc o m p e t i t i o no ft h ee n t e r p r i s ei sd i s c u s s e d b yi n t e g r a t i n gp r o e 、a n s y s 、a d a m sw i t hs q ls e r v e r , ad e s i g ns o f t w a r es y s t e mf o r t h eh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r ti sd e v e l o p e do ns i t u a t i o no fv i s u a lc + + i tc o m b i n e st h e d e s i g na n da n a l y s i so fh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r ta n dm a n a g e st h ep r o d u c td a t ai ns q l s e r v e r t h ed e s i g no fh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r ti n c l u d e st h et h r e e d i m e n s i o nm o d e l i n gf o rt h e m a i np a r t so f h y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t , t h ec o n f i g u r a t i o na n a l y s i s o ft h ep a r t si n c o n f i g u r a t i o na n a l y s i sm o d u l ei nt h i ss y s t e m i f t h er e s u l tc a n n o tf i l l f u lt h ed e s i g nr e q i r e m e n t ， t h ed i m e n s i o no ft h ep a r t si nm o d e l i n gm o d u l ew i l lb ec h a n g e da n dt h ec o n f i g u r a t i o ni s a n a l y z e d o v e ra g a i n 删t h er e s u l tf i l l f u l st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t f i n a l l y ，t h ew h o l e a s s e m b l a g eo ft h eh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r ti sf i n i s h e da n dt h em o v e m e n ta n dd y n a m i c a l a n a l y s i so f t h ew h o l eh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r ta r ec o m p l e t e di ne m u l a t i o na n a l y s i sm o d u l e b yt h ei n t e g r a t i o np r o e ，a n s y sw i t ha d a m s ，t h es e a m l e s sc o n n e c t i o n o ft h e s o f t w a r e si sr e a l i z e da n dt h ev a l i dd a t ae x c h a n g ea m o n gp r o ea n da n s y s ，p r o ea n d a d a m si sa c h i e v e d m e a n w h i l e ，t h r o u g ht h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt op r o eb a s e do n p r o t o o l k i t , p a r a m e t r i cd e s i g ni s r e a l i z e d t h ea u t o m a t i z a t i o no fs t m c t u r a la n a l y s i si s f i n i s h e db yt h em e a n so fd e v e l o p m e n ta n s y sb a s i c e do na p d l f i n a l l y , t h ez y 3 8 0t y p ea sa l le x a m p l ei sd e s i g n e do nt h ep l a t f o r m t h er e s u l ts h o w st h a t t h i ss y s t e mc a ne n s u r e sd e s i g nq u a l i t ye f f e c t i v e l ya n dp r o m o t e sd e s i g ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t ：c a d c a e p d m ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；p r o e ； a n s y s ：a d a m s 郑州大学硕士论文 1 绪论 1 1 液压支架设计的国内外现状及发展 液压支架是综合机械化采煤工作面的主要设备之一，分散布置在整个采煤工作面 上，以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成。它能够防止顶板冒落，维持 一定的作业空间，保证工人安全和各项作业的正常进行，还能实现支撑、切项、自移和 推溜等工序，与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板运输机组成回采工作面的综合机械 化设备【l 】o 由于各个煤矿所在地理位置不同，其地质环境有着很大的差别，同一个煤矿， 不同煤层其地质也有很大的差别。因此，设计出一套能适用于所有煤矿的液压支架是不 现实的。为了满足生产和降低成本，必须针对不同地质环境，设计不同的液压支架。 8 0 年代以来，世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本 2 1 ，实 现矿井集中生产做努力，他们积极开发和应用新技术，致力于高性能、高可靠性的新一 代重型液压支架的研制。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀， 推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过4 0 0 m m 。为 减少割煤时间，一般采用0 8 1 m 的截深。支架还采用屈服强度8 0 0 1 0 0 0 m p a 的钢板， 既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增 加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为 4 0 5 0 m p a ，额定流量4 0 0 5 0 0 l m i n ，可实现工作面成组或成排快速移架，达到6 8 “架【3 1 。 美国是世界上最先进的采煤国家，早在1 9 9 0 年就己采用额定压力5 0 m p a 、额定 流量4 7 8 l m i n 的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架速度达6 8 s 架。美国的高 产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命8 1 0 年，可用率高达9 5 9 8 。支架 平均工作阻力6 4 7 0 k n ( 最大为9 8 0 0 k n ) ，支架宽度普遍增大，中心距达到1 7 5 m ，并向 2 m 发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高 单产。 澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式支架，支架 的平均工作阻力为7 6 4 0 k n 。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架，在1 9 9 5 年8 月8 日创下澳大利亚有史以来日产3 4 1 万吨的最高记录，班产一直保持在5 0 0 0 6 0 0 0 吨。 英国也在大力发展两柱掩护式支架，工作阻力有了很大提高，达到6 0 0 0 8 0 0 0 k n 。 对于综采设备液压支架的研究，目前英国、澳大利亚和德国等采矿行业发达的国 家进行得较多，尤其是德国在这一领域的研究比较突出。德国d b t 公司生产的液压支 架在国际市场具有竞争力，支架设计通过运动学仿真和有限元分析，对其四连杆机构进 郑州大学硕士论文 行优化完善，推出一定使用高度支架的成熟架型 4 1 。这类架型的使用高度在某一范围内， 有很大的拘限性，而在设计中，注重液压支架的电液控制技术和高强度板材的使用。 我国的煤炭储量多，分布范围广，赋存条件复杂。分布在1 1 3 3 1 5 m 、倾角在2 5 。以下，处于中稳及中稳以下顶板条件下的煤层，其产量约占总产量的8 6 。我国的综 采工作面绝大部分分布在缓倾斜中稳及中稳以上顶板的中厚煤层，而其他条件下的煤 层，因为现有的液压支架适应性差，使用效果不理想。就全国来说，由于地质条件复杂 和资金不足等原因，虽然经过十几年的努力，综采机械化程度仍只有2 1 ，而国外发达 国家综采机械化程度已达7 0 8 0 1 ”。 从我国近几年的支护改革来看，投资巨大的综采发展十分缓慢，而单体液压支柱 工作面却有了大发展，少数矿区己基本上实现了单体液压支柱化。我国综采液压支架的 推广使用，目前还存在许多亟待解决的问题 6 1 。 我国液压支架的基本架型：按围岩的相互作用和维护回采空间的方式，可分为支撑 式、掩护式和支撑式三类；按移架方式可分为整体自移式和迈步前移式两类；按使用地 点不同可分为工作面支架和端头支架两类；工作面支架按煤层厚度和开采方法不同可分 为铺联网支架和放顶煤液压支架 支撑掩护式液压支架是在支撑式液压支架的基础上，吸取掩护式液压支架的特点 而设计的。液压支架的前探梁和顶梁是箱体焊接结构，支撑着工作面顶板，起着防止漏 矸冒顶的作用。前探梁千斤顶操纵着前探梁向上和向下摆动，可以较好适应顶板的起伏 不平，改善其接顶性能。四根立柱( 双作用单伸缩油缸) 支撑在顶梁与底座之间，立柱 与顶梁、底座接触处为球面铰，可以改善立柱受力。为了适当增大支架的支撑高度，扩 大适用范围，根据需要可在立柱上端加接机械加长杆。 掩护梁是由钢板焊接而成的箱型结构，下端通过前、后连杆与底座铰接成四连杆 机构，起着稳定支架重心和防止采空区岩石涌入工作面的作用，既能保证支架前梁顶端 与煤壁的间距基本恒定，又承担了支架在工作过程中的水平分力，以保证支架的工作稳 定性；底座是钢板焊接的箱型结构，它与底板直接接触，将立柱传来的顶板压力传递给 底板。底座的后部与前后连杆铰接，前端焊接有安装推移千斤顶的联结耳，推移千斤顶 的另一端与工作面运输机连接，通过推移千斤顶的伸缩，实现推溜和移架行走动作。 乳化液泵站是液压支架的心脏，是乳化液泵、乳化液箱和其他附属设备的总称； 液压胶管构成支架的“动脉”和“静脉”；操纵阀、安全阀和液控单向阀按规定的采煤 工艺要求实现各部件的动作，以满足综合机械化采煤的需要。 目前国内液压支架的设计主要包括三个步骤：首先，根据将要开采煤矿的地质环 境确定液压支架的工作阻力；然后，根据工作阻力计算液压支架的主要零部件尺寸，其 他零部件主要根据设计经验确定尺寸及形状；最后，完成液压支架的整机装配，并对其 进行压架实验测试。如果实验结果不满足设计要求，根据实验结果对主要零部件进行修 2 郑州大学硕士论文 改，直至液压支架实验结果满足要求。 国内液压支架的设计手段主要以二维力学模型设计为主，这种设计方法简洁，与 传统设计方法衔接过渡快，但也存在自身难以克服的问题：复杂投影线的生成问题、漏 标尺寸、漏画图线问题、设计的更新与修改问题以及设计产品工程管理问题等。在设计 过程中不能有效地检查干涉、确定重心位置以及对支架进行总体受力分析，更不能定量 化分析机构间隙对支架动力学特性所产生的影响；由于二维支架力学模型是一个简化模 型，在很多地方进行了简化处理，同现实有一定的出入，其设计精度有待提高，目前支 架设计仅是分析静力学特性，很少涉及动力学特性；支架设计只是进行瞬时力学分析， 难以对其运动动力学进行分析，因而不了解支架在每一个瞬时的力学特性。上述这些问 题是二维设计本身固有的问题，不可能在二维c a d 中得到解决。 目前，国外液压支架设计的自动化程度总体比国内要高。液压支架的设计主要包 括三个步骤：首先，根据要开采煤矿的地质环境确定液压支架的工作阻力，然后，根据 工作阻力，在三维c a d 软件中修改已经成型的液压支架的参数，再在c a e 软件中对 修改后的c a d 模型进行结构分析，最后，在虚拟样机软件中对液压支架进行动力学及 运动学分析【碣9 j 。 国外液压支架的设计大部分工作通过计算机完成，这样就极大地缩短了设计周期， 提高了设计效率和产品精度，降低设计成本，而且还能对产品数据资料进行有效的管理。 国内液压支架生产厂家有些也在进行液压支架三维设计的尝试和探讨，三维c a d 软件不仅仅可以创建实体模型，而且可以利用设计出的三维实体模型进行模拟装配和静 态干涉检查、机构分析和动态干涉检查、动力学分析、强度分析、铸造、各种加工、渲 染处理等。在三维基础上进行的c a e 分析，利用现代计算机强大的数值计算能力所起 到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证 试验”过程，极大地缩短了设计周期、减少了成本。必须强调的是，随着信息技术的发 展，这种前期c a e 手段将会愈来得到加强。随着支架有限元分析中各个问题的解决， 基于三维设计的c a e 才能真正实现，使c a e 融入液压支架设计的全过程。 1 2c a d c a e p d m 系统集成技术 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 技术是电子信息技术的一个重要组 成部分【1 0 , 1 1 l ：它是利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技 术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。它是综合了计算机科学与工程 设计方法的最新发展而形成的- - f j 新兴学科。从广义上说，c a d 技术包括二维工程绘 图、三维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以 及上述技术( c a d c a e c 的集成技术等。狭义地讲，c a d 主要指二维工程绘图、三 维几何设计等1 1 2 1 。 3 郑州大学硕士论文 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程) 【”堤以有限元分析技术为基 础，综合了迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计 算技术而形成的一门综合性、知识密集型学科，它包括了工程和制造业信息化的所有方 面，其相关软件就称之为c a e 软件。 p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，产品数据管理) 【1 4 】是一门管理所有与产品相关的信 息( 包括电子文档、数字化文件、数据库记录等) 和所有与产品相关的过程( 工作流程、更 改流程、项目管理等) 的技术。它就像一个面向对象的电子资料管理室，集成了产品生 命周期内的全部信息( 图、文、数据等多媒体信息) ，实现产品生产过程的管理；提供对数 据、文件、文档的更改管理、版本管理，并能对产品配置和工作流程进行管理。同时， p d m 可看作是一个企业信息的集成“框架( f r a m e w o r k ) ”。它是介于数据库和应用软件间 的一个软件开发平台，提供大量的开放性接口，在这个平台上可以集成或封装c a d 、 c a m 、c a e 、工艺参数和办公自动化( m s o f f i c e ) 等多种软件和工具，使得分布在企业各 个地方、在各个应用中使用的所有产品数据得以高度集成、协调、共享，所有产品研发 过程得以高度优化或重组【埘。 目前，己有许多性能优良的商品化的独立c a d 、c a e 等系统。这些独立的系统， 分别在产品设计自动化和工程分析方面起到了重要的作用，但是由于c a d 和c a e 相 互独立，产品数据管理不方便。p d m 系统是企业的管理基础，它的核心思想是使设计 数据有序、设计过程优化和资源共享【1 6 1 。它是企业实现信息集成的桥梁和纽带，同样 也是企业实施大规模定制设计和生产的数据管理中心和流程管理中心。利用p d m 把己 经存在的c a d 、c a e 系统通过数据库及有关应用接口互连来实现c a d c a e 的集成， 实现设计自动化。 国内。山技术的普及率现在已经非常的高，大型企业都能运用三维c a d 工具进 行产品的外形和结构设计，从三维零件图到装配图，最后出工程图，但这只是完成了产 品的初步设计，并不一定是可行的设计，更谈不上是最佳的设计了。c a e 在国内还主 要是在科研院所应用，在企业中的实施还尚属于发展阶段，但应用前景非常广阔，不仅 在工业各个领域的产品设计中占有举足轻重的地位，近来在日用消费品设计方面的优势 也己显现。 g 址惴系统与p d m 系统的集成，能够从根本上提高企业的整体设计能力和管 理水平，对改善面向大批量定制的设计技术有非常重要的作用【1 8 , 1 9 。通过这两个系统的 集成可以充分利用现有零部件资源，缩短产品设计时间1 2 0 | 2 1 1 ；可以迅速向客户提出正确 的报价和展示产品原型；可以追溯整个产品生命周期内的产品情况等。 1 3 课题的来源和意义 国内液压支架设计的现状是：首先根据工作阻力确定主要零部件的尺寸，然后根 4 郑州大学硕士论文 据经验，利用c a d 软件完成二维图纸的绘制。接着，简化模型并手工校核零件应力， 如果零部件受的最大应力超过材料的许用应力，得重新修改零件尺寸，直至得到合适结 果。最后，加工样品进行压架测试，如果测试结果不符合要求，必须重新修改零部件尺 寸。 当前液压支架的设计不仅设计周期长，而且设计费用高、设计精度低、可靠性差， 很难适应现代市场竞争的需求。 当今计算机技术已经很完善，计算机辅助设计和计算机辅助工程分析已经得到了 广泛应用。借助计算机，可以实现从设计到制造的全部数字化。 c a d 软件层出不穷，能很好地克服手工绘图的缺点。用c a d 软件不仅制图效率 高、出错率低、图纸重用性好，而且可以直接建立三维模型，观察设计效果。 利用c a e 软件不仅可以对液压支架主要零部件进行强度等分析，还可以对整个支 架进行分析。根据分析结果对零部件结构进行再设计。利用c a e 软件的优化模块对主 要零部件进行优化设计。这样不仅使整机性能有了很大提高，而且还能降低成本。 利用g 虹) c a e 完成产品的设计，在进行批量生产前也要进行整机试验及其动态 特性分析。可以用样机进行测试，也可以使用软件进行动态特性模拟。而用软件进行动 态模拟能缩短设计周期提高产品质量。 目前虽然采用c a d c a e 技术可以提高液压支架的性能、缩短开发周期、降低成 本，但是还存在两点不足1 2 2 j ： 1 、由于c a d 与c a e 相互独立，对同一个零部件进行建模和分析不是很方便瞄l 。 2 、现在c a d 和c a e 软件都是通用软件，虽然可以对零部件进行设计分析，但是 操作都很复杂，这样对系列产品的设计分析效率不是很高，管理起来也不方便。 为了改善目前液压支架设计的不足，本次设计主要搭建一个液压支架设计的专用 平台，并针对液压支架对建模、分析软件进行二次开发。在此平台上可以快速有效地进 行液压支架的设计与计算，并能实现部分零部件的参数化设计、整机的动态特性分析， 实现对液压支架所有设计数据的管理。从而可以提高产品的设计效率、降低设计成本、 缩短设计周期、提高产品性能、增强市场竞争力。 该课题研究是郑州大学机械工程学院与郑州煤机集团横向合作项目的前期研究， 是以后合作的一个关键基础。 1 4 课题的主要研究内容及关键技术 本课题的主要内容是：搭建一个掩护式液压支架设计专用平台，在此平台上可以 实现掩护式液压支架的三维建模、结构分析、动态特性分析及其所有数据的管理。 关键技术： a 、利用p r o t o o l k i t 针对液压支架对p r o e 进行二次开发，实现参数化建模。 5 郑州大学硕士论文 b 、利用a p d l 语言对a n s y s 软件进行二次开发，实现对主要零部件的快速有效 分析。 c 、利用a d a m s 对液压支架整机进行动态特性分析。 d 、利用v c + + 的数据库功能实现对整个平台数据的管理。 e 、研究p r o e 与a n s y s 、p r o e 与a d a m s 、a n s y s 与a d a m s 之间的接1 ：3 问 题，实现各个软件之间的无缝连接。 6 郑州大学硕士论文 2 机械设计设计平台概述 2 1 机械产品设计的一般过程 一部机器的质量基本上决定于设计质量。制造过程对机器质量所起的作用，本质 上就在于实现设计时所规定的质量。因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。 设计过程是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经 验的工作。要很好地把继承与创新结合起来，才能设计出高质量的机器。作为一部完整 的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。一部机 器的设计程序基本上可以包含四个阶段： 1 、计划阶段。 在根据生产或生活的需要提出所要设计新机器的目标后，计划阶段只是一个预备 阶段。此时，对所要设计的机器仅有一个模糊的概念。 在计划阶段中，应对所设计的机器的需求情况作充分的调查研究和分析。通过分 析，进一步明确机器所应具有的功能，并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时 限等各方面所确定的约束条件。在此基础上，明确地写出设计任务的全面要求及细节， 最后形成设计任务书，作为本阶段的总结。 2 、方案设计阶段。 本阶段对设计的成败起关键的作用。在这一阶段中也充分地表现出设计工作有多 个解( 方案) 的特点。设计工作中的创新性在这一阶段表现得最为充分。 首先，进行机器的功能分析，即对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、 最低要求及希望达到的要求进行综合分析，然后确定出功能参数，作为进一步设计的依 据。 接着，根据功能参数寻求可能采用的执行方案。寻求方案时，可按原动部分、传 动部分及执行部分分别进行讨论。 最后，对所有可选方案进行评定，找出最合理的一种方案。 3 、技术设计阶段。 技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图。通过草图设计确定出各 部件及其零件的外形及基本尺寸，最后绘制零件的工作图、部件装配图和总装图。 为了确定主要零件的基本尺寸，必须做以下工作： ( 1 ) 、机器的运动学设计； ( 2 ) 、机器的动力学计算； ( 3 ) 、零件的工作能力设计； 7 郑州大学硕士论文 ( 4 ) 、部件装配草图及总装配草图的设计； ( 5 ) 、主要零件的校核。 4 、技术文件编制阶段。 技术文件的种类较多，常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明 晰表等。 液压支架设计平台是液压支架专用设计平台。用户在完成1 、2 两个阶段，即完成 计划阶段和方案设计后，在该设计平台上快速完成3 、4 两个设计阶段的主要工作。 2 2 液压支架设计平台构建 图2 - 1 软件功能模块 设计平台按功能划分主要包括四个部分： ( 1 ) 、建模模块； ( 2 ) 、结构分析模块； ( 3 ) 、整机动态特性分析模块； ( 4 ) 、数据库管理模块。 设计平台从层次上划分主要分为三层： 8 郑州大学硕士论文 ( 1 ) 、用户操作界面层； ( 2 ) 、软件后台运行处理层； ( 3 ) 、数据存储层。 用户操作界面层是用户和设计平台进行交互的主要部分。用户通过操作界面可以 方便地完成对设计平台的操作。用户操作界面包含5 个部分( 如图2 - 1 ) ：模型管理、结 构分析、动态特性分析、设计人员管理、辅助工具。 模型管理是用户向设计系统添加、删除、修改模型的主要接口，通过本部分用户 可以实现对模型参数的快速修改，生成a n s y s 软件进行结构分析所需的数据文件，生 成a d a m s 软件进行动态分析的数据文件。 结构分析部分是用户对零部件进行静力学分析和模态分析的接口。通过结构分析 界面用户可以直接编写a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 文件，并可以直接 在设计平台上启动a n s y s 软件运行所编的a p d l 文件，平台会自动保存和管理运行结 果。用户还可以直接运行p r o e 生成的a n s 和a n f 文件。 动态特性分析部分是用户进行整机特性分析的接口。通过它用户对装配好的液压 支架进行动态仿真分析。 设计人员管理部分是用来管理所有设计人员的权限，实现数据共享，完成产品的 协同设计。 辅助工具部分是为了方便操作人员进行设计而添加的一些辅助工具，如数据报表 输出及打印、计算器、w o r d 编辑、a c c e s s 数据库编辑、e x c e l 、画图板工具等。 软件后台运行处理层是设计平台的核心部分。它是用户界面层和存储层之间的连 接层，大部分的设计管理工作都在本层上运行。它主要包括6 个部分( 如图2 - 1 ) ：建模 模块、结构分析模块、动态仿真分析模块、数据库管理模块、数据报表输出及打印模块、 辅助功能模块。 建模模块的主要功能是根据用户的操作完成模型的添加、修改、删除、查询及参 数化修改模型数据，另外，它还要向结构分析模块提供结构分析数据文件，向动态仿真 模块提供分析模型数据，并且根据结构分析和动态仿真分析结果对模型参数修改，使设 计更合理。 结构分析模块的功能是根据用户界面层结构分析部分用户的操作，完成零部件结 构分析。它还接受建模模块提供的结构分析数据文件，并且可以把分析结果反馈回建模 模块，建模模块再根据分析结果对模型进行修改，也可以把分析结果传给动态仿真模块， 动态仿真模块根据分析结果对部件进行动态特性分析。 动态仿真分析模块的功能是根据用户界面层动态特性分析部分用户的操作，完成 部件的动态仿真分析，并且把仿真结果反馈给建模模块或结构分析模块。 数据管理模块的功能是对平台所有数据管理。它是建模模块、结构分析模块及仿 9 郑州大学硕士论文 真分析模块和数据库联系的纽带，上面三个模块不直接和数据库交换数据，都是通过数 据管理模块来完成，这样就保证数据库的安全。 数据报表输出及打印模块的功能是根据用户界面层辅助工具部分用户的操作，完 成相关数据的报表和所有需要进行打印输出的操作。 辅助功能模块是一个独立的模块，它根据用户操作启动响应的工具，主要包含计 算器，画图板、w o r d ，a c a 三s s ，e x c e l 。 软件后台运行处理层的前5 个模块都不是相互独立的，各个模块之间相互联系相 互依存。建模模块、结构分析模块和动态仿真分析模块之间必须进行数据交换，数据库 模块和其他所有模块都有联系，管理其他模块的所有数据。 数据存储层包括两个部分：数据库和磁盘文件。数据库是整个设计平台的核心， 它保存零部件的所有数据信息、结构分析结果文件路径、仿真分析结果文件路径等；磁 盘文件是数据文件的真是载体，数据库里只这些文件在磁盘上的路径信息。 2 2 1 参数化建模软件的选择 三维建模软件众多，选择何种软件更符合企业的要求，是设计人员在选用软件时 必须要考虑的问题。就目前市场上存在的各种三维建模软件来说，对于支架设计而言， 可以选用s o l i d w o r k s 、a u t o c a d 、s o l i d e d g e 、c a x a 、p r o e 等软件。 p r o e 是美国参数技术公司( p t c ) 推出的功能强大的参数化设计软件包，在机械， 电子、航空，航天、邮电、兵工、纺织等各个行业都有应用，是c a d c a m c a e 领域 中少有的顶尖“人物”，也是当今世界广泛应用的计算机辅助设计、制造和分析软件之 一 p r o e 不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和工程图设计等功能，还提 供了p r o t o o l k i t 程序设计模块，p r o t o o l k i t 是美国期r c 公司为p r o e n g 巧咂e r 软件提供的开发工具包，其主要目的是让用户或第三方通过c 程序代码扩充 p r o e n g i n e e r 系统的功能，开发基于p r o e n g i n e e r 系统的应用程序模块，从而满足 用户的特殊要求。不仅如此，还可以利用p r o t o o l k i t 提供的u i 对话框、菜单以及 v c 的可视化界面技术，设计出方便实用的人机交互界面，从而大大提高系统的使用效 率【卅。 选择p r o e 作为参数化建模工具是基于以下几点考虑的： 第一、p r o e 能够胜任支架设计工作。强大的建模功能完全能够满足建模需要。 第二、p r 0 e 提供了比较完备的接口功能。目前能够和a u t o c a d 、有限元分析软 件a n s y s 和c o s m o s 、动态特性分析软件a d a m s 、以及产品数据管理( p r o d u c td a t a m a n a g e r - p d m ) 等软件实现无缝兼容i 矧。 第三、p r o e 提供了功能完备的二次开发工具p r o t o o l k i t 2 6 1 ，利用p r o t o o l k i t 1 0 郑州大学硕士论文 可以根据液压支架对p r o 肥进行二次开发，实现液压支架的参数化设计。参数化设计方 法作为一种全新的设计方法现在己广泛被工业界所采用。它所具有的高效性、实用性等 特点使其成为设计工作的发展方向。参数化设计应用水平的高低直接决定了企业设计效 率与设计质量的高低和企业核心竞争力的强弱。这是关系到企业长久生存与发展的重大 问题。 2 2 2 7 限元分析软件的选择 a n s y s 是一套功能十分强大的有限元分析软件，能实现多场及多场耦合分析；是 实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型f e a 软件；支持异种、异构 平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容，强大的并行 计算功能支持分布式并行及共享内存式并行鲫。该软件具有如下特点： ( 1 ) 、完备的前处理功能 a n s y s 不仅提供了强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地构造数学模型， 而且还专门设有用户所熟悉的一些大型通用有限元软件的数据接口( 如m s c n s s t r a n ，a l g o r ，a b a q u s 等) ，并允许从这些程序中读取有限元模型数据，甚至 材料特性和边界条件，完成a n s y s 中的初步建模工作。此外，a n s y s 还具有近2 0 0 种单元类型，这些丰富的单元特性能使用户方便而准确地构建出反映实际结构的仿真计 算模型。 ( 2 ) ，强大的求解器 a n s y s 提供了对各种物理场量的分析，是目前唯一能融结构、热、电磁、流体、 声学等为一体的有限元软件。除了常规的线性、非线性结构静力、动力分析外，还可以 解决高度非线性结构的动力分析、结构非线性及非线性屈曲分析。提供的多种求解器分 别适用于不同的问题及不同的硬件配置。 ( 3 ) 、方便的后处理器 a n s y s 的后处理分为通用后处理模块( p o s t ) 和时问历程后处理模块( p o s t 2 6 ) 两部分。后处理结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度以及热流等，输出形式可 以有图形显示和数据列表两种。 h ) 、多种实用的二次开发工具 a n s y s 除了具有较为完善的分析功能外，同时还为用户进行二次开发提供了多种 实用工具。如宏( m a r c o ) 、参数设计语言( a p d l ) 、用户界面设计语言( u i d l ) 及用 户编程特性( u p f s ) ，其中a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 是一种非常类 似于f o r t r a n 7 7 的参数化设计解释性语言，其核心内容为宏、参数、循环命令和条件语 句，可以通过建立参数化模型来自动完成一些通用性强的任务；u i d l ( u s e ri n t e r f a c e d e s i g nl a n g u a g e ) 是a n s y s 为用户提供专门进行程序界面设计的语言，允许用户改变 郑州大学硕士论文 a n s y s 的图形用户界面( g u i ) 中的些组项，提供了一种允许用户灵活使用、按个人喜 好来组织设计a n s y s 图形用户界面的强有力工具；u p f s ( u s e rp r o g r a m m a b l ef e a t u r e s ) 提供了一套f o r t r a n 7 7 函数和例程以扩展或修改程序的功能，该项技术充分显示了 a n s y s 的开放体系，用户不仅可以采用它将a n s y s 程序剪裁成符合自己所需的任何 组织形式( 如可以定义一种新的材料，一个新的单元或者给出一种新的屈服准则) ，而 且还可以编写自己的优化算法，通过将整个a n s y s 作为一个子程序调用【勰】的方式实 现。 鉴于上述特点，故选用a n s y s 软件作为结构分析的软件。 2 2 3 动态仿真分析软件的选择 a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i c a n a l y s i s o f m e c h a n i c a l s y s t e m ) 软件，是由美国机械动 力公n ( m e c h a n i c a ld y n a m i c sh c ) 开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最 具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用a d a m s 软件，可 以自动生成包括机一电一液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机 模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、 试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产 品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于a d a m s 具有通用、 精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件己在 全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。国外的一些著名大学己开设了介绍 a d a m s 软件的课程，而将三维c a d 软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业 学生必须了解的工具软件。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统 计资料，a d a m s 软件占据了销售总额近8 千万美元的5 1 份额【2 9 1 。 a d a m s 一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常 方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿 真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类 型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台嗍。在产品开发过程中，工程师通过应 用a d a m s 软件会收到明显效果： ( 1 ) 、分析时间由数月减少为数日； ( 2 ) 、降低工程制造和测试费用； ( 3 ) 、在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案： ( 4 ) 、在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量； ( 5 ) 、当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和 仿真； ( 6 ) 、缩短产品的开发周期。 郑州大学硕士论文 使用a d a m s 建立虚拟样机非常容易。通过交互的图形界面和丰富的仿真单元库， 用户快速地建立系统的模型。a d a m s 与先进的c a d 软件m g 、p r o e ) 以及c a e 软件 ( a n s y s ) 可以进行计算机图形格式文件的相互交换以保持数据的一致性。a d a m s 软件 支持并行工程环境，节省大量的时间和经费。利用a d a m s 软件建立参数化模型可以 进行设计研究、试验设计和优化分析。为系统参数优化提供了一种高效的开发工具。 a d a m s 软件包括3 个最基本的解题程序模块：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c 圮s s o r ( 后处理) 。另外还有一些特殊场合应 用的附加程序模块，例如：a d a m s c a r ( 轿车模块) 、a d a m s r a i l ( 机车模块) 、 a d a m s d r i v e r 驾驶员模块) 、a d a m s 仍( 轮胎模块) 、a d a m s l i n e a r ( 线性模块) 、 a d a m s f l e x ( 柔性模块) 、a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 、a d m s 班渔( 有限元模块) 、 a d a m s h y d r a u l i c s 液压模块) 、a d a m s e x c h a n g e ( 接口模块) 、m e c h a n i s m f r o ( 与 p r o e n g i n c e r 的接口模块) , a d a m s a n i m a