液压支架的参数化设计及其顶梁的结构优化研究

1、硕士学位论文（专业学位）液压支架的参数化设计及其顶梁的结构优化研究A dissertation submitted toTongji University in conformity with the requirements forthe degree of Master of ScienceParametric modeling of hydraulic support and its roof Beams Structure Optimization Analysis May， 2013同济大学 硕士学位论文 摘要摘要液压支架是综合机械化采煤中的重要设备，在确保其安全性和功能的基础上，进

2、行轻量化设计，减少重量，对于降低产品成本、提高经济效益，具有重要的意义。本文首先对液压支架进行了参数化建模,利用Pro/E进行了二次开发，为后期的结构优化效率的提高了奠定了基础。然后以顶梁为例对轻量化的方法进行了研究，为该课题整架的优化研究提供了理论和方法，具体内容如下：1.为了能够快速提供优化过程中所需要的模型，对液压支架采用了参数化的骨架建模，实现了模型的快速修改和重生。2.利用Pro/E二次开发程序，开发了液压支架的参数化设计平台及尺寸驱动平台。该平台实现了液压支架的参数化受力分析，为液压支架的设计提供了力学依据。同时也可以通过对骨架参数刷新，实现液压支架模型的驱动再生。并且在该平台中添

3、加了参数关联功能，实现了对模型中任意参数的尺寸驱动。3.建立了液压支架顶梁的有限元模型，并进行了有限元计算，得到了不同工况下液压支架顶梁的应力和应变，为顶梁轻量化分析的奠定了基础。4.为了对顶梁进行轻量化研究，选取了三个顶梁关键部件尺寸作为设计变量，以降低顶梁在不同工况下最大应力为研究目标，通过试验设计选取了试验样本点，并通过有限元计算得到了样本点的响应值。同时引入了牛顿插值法进行最大应力计算，为提高整架结构优化的效率进行了探索研究。5.基于响应面法，建立了顶梁最大应力的近似模型，并对响应面模型进行了验证。响应面模型的建立解决了液压支架顶梁结构优化过程中高精度有限元计算费时费力且优化效率低的问

4、题，使优化效率得到了提高。液压支架顶梁的优化研究为其他部件以及整架结构的优化提供了思路和方法。关键词：液压支架，二次开发，顶梁，代理模型，结构优化IIITongji University Master of Science AbstractABSTRACTHydraulic support is an important mechanized coal mining equipment. Ensuring its security and functionality，to make lightweight design, reduce weight, is of great significa

5、nce for reducing product costs and improve economic efficiency.This article first made the parametric modeling of hydraulic support and secondary development by Pro/E, to base the foundation of efficiency improvement von structural optimization. Then made an example by roof beam to study methods of

6、lightweight. Thus providing methods and theory for the entire shelf optimization, specific content is as follows:1. To be able to provide the required model for optimization and to achieve the function of rapid changes and remodeling, the hydraulic support was made by parametric skeleton modeling.2.

7、 Hydraulic support parametric design and dimension-driven platform was established by using Pro/E secondary development programme. The platform can provide parametric stress analysis for hydraulic support design. And it can achieve hydraulic support model driven generation by refreshing skeleton par

8、ameters. A parameter correlation function was added to the platform and realized dimension-driven of any parameter. 3. A hydraulic support roof beam finite element model was established and was made finite calculation. Then stress and strain of hydraulic support roof beam in different conditions was

9、 achieved. It is the foundation of roof beam lightweight analysis.4. In order to study roof beam lightweight, three key components dimensions was selected design variables and the reduction of maximum stress of roof beam in different conditions was selected as research objectives. Sample points was

10、selected through experiment design, and response of sample points was calculated by element finite analysis. The introduction of the maximum stress calculation von Newton interpolation method explored in order to improve the efficiency of the whole frame structure optimization5. Based on the respons

11、e surface method, a maximum stress of the top beam approximation model was established, and the response surface model was proven. Response surface model solved the time-consuming problem and low efficiency von high accuracy finite element calculation during the structural optimization of hydraulic

12、support beam. Thus improving the efficiency of optimization. The optimization research of hydraulic support roof beam provided ideas and methods for optimization of entire frame structure and other components.Key words: hydraulic support, secondary development, roof beam, agent model, structure opti

13、mization同济大学 硕士学位论文 目录目录第1章 绪论11.1 液压支架的发展与研究现状11.1.1 国外液压支架的发展11.1.2 国内液压支架的发展与研究现状21.2 研究目的及意义31.3 课题主要内容及技术路线41.3.1 主要研究内容51.3.2 技术路线51.3.3 论文篇章安排61.4 本章小结6第2章 基于Pro/ENGINEER的液压支架参数化建模72.1 液压支架关键参数的确定72.2 CAD简介92.2.1 CAD技术92.2.2 CAD软件92.2.3 参数化的设计理念及基本方法102.3 液压支架建模方式的选择112.3.1 传统的建模方式112.3.2 自上而

14、下（Top-Down）的建模方式122.4 液压支架的Top-Down建模132.4.1 液压支架的总体骨架建模132.4.2 液压支架骨架建模中的几何传递162.4.3 液压支架模型的建立172.5 本章小结19第3章 液压支架的参数化设计平台的建立203.1 引言203.2 Pro/ENGINEER的二次开发技术203.2.1 二次开发的目的203.2.2 二次开发的方法213.3 液压支架整体平面力学分析223.3.1 力学分析平台各项参数的确定223.3.2 液压支架平面受力分析计算233.4 液压支架的骨架模型驱动的实现293.5 本章小结30第4章 液压支架顶梁的有限元分析314.

15、1 有限元法简介314.1.1 有限元的基本理论314.1.2有限元的发展历程334.2液压支架有限元模型的建立344.2.1有限元法在液压支架设计中的应用354.2.2液压支架顶梁有限元模型的建立354.3液压支架顶梁危险工况下的静力学分析404.3.1液压支架顶梁的偏载工况分析404.3.2液压支架顶梁的扭转工况分析424.4本章小结43第5章 液压支架顶梁最大应力近似模型的建立445.1代理模型方法简介445.2液压支架顶梁轻量化的试验设计445.2.1试验设计方法445.2.2 液压支架有限元计算结果抽样495.2.3 基于插值计算的样本点选取法505.3液压支架顶梁受力近似模型的建立

16、及验证525.3.1液压支架顶梁优化问题研究525.3.2顶梁最大应力响应面模型的建立及验证525.4本章小结55第6章 总结与展望566.1总结566.2进一步研究的方向57致谢58参考文献59附录 部分参数化力学计算程序61个人简历6573第1章 绪论第1章 绪论液压支架是煤矿工业中的一种复杂的机械设备，是工业化的煤矿采集工程中的一种极其重要的支护设备。在过去的50多年里，煤矿开采支护设备的发展取得了突破式的发展，其中最值得一提的是在全球范围内液压支架开始被用来作为煤矿综采的主要支护设备。液压支架的主要作用是支护采场顶板，维护作业空间的安全。作为现代化高效矿井中综合机械化采煤的关键设备，液

17、压支架的重量占综采设备总重量的60%70%。液压支架属于结构较为复杂的机械设备，它的强度及可靠性决定了综采空间的安全李立.基于有限元发的ZFS3200型液压支架工程分析C.济南：山东大学，2007：1。因此，在保证可靠性的前提下，为了降低成本，需要对液压支架进行优化研究。1.1 液压支架的发展与研究现状1.1.1 国外液压支架的发展早在100多年前，法国、西班牙和南斯拉夫等国就已应用放顶煤开采。在当时只是作为复杂地质条件下的一种特殊采煤方法。本世纪40年代末和50年代初，法国、南斯拉夫等国开始应用长臂和断臂工作面放顶煤开采，工作面支护使用单体金属支柱和金属顶梁，采用刮板输送机运送煤炭，工作面为

18、爆破落煤。随着采煤机械化程度的提高，放顶煤开采工作面的机械化也在不断取得进步。前苏联1957年就研制出KTY型掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克煤矿使用。此放顶煤工作面为预先开采顶层煤，铺设人工假顶，然后再采低煤。采用装有单输送机的KTY纯掩护式放顶煤支架回收顶煤。法国1963年研制出来用于放顶煤综采的支撑掩护式放顶煤液压支架，并且在补朗齐实验成功。英国70年代才开始研制放顶煤液压支架，主要有道梯公司和伽利克公司。道梯公司研制了DT400型天窗式放顶煤液压支架，这种支架将放顶空间置于支架前、后连杆之间，支架的稳定性较高，前梁可以伸缩，支架的综合性能较好。1983年英国原道梯公

19、司为美国坎赛尔煤矿制造了于1984年投产的微机控制液压支架NoorAK,Atluri SN. Advances and Trends in Computational Structural MechanicsJ. AIAAJ, 1987,25(7):3121-3134。德国70年代末80年代初开始生产放顶煤液压支架。主要的企业有韦斯特法利亚公司和赫姆夏特公司魏雷.煤矿液压支架强度校核方法及其软件开发C.武汉：华中科技大学，2011：2。上个世纪80年代以来，澳大利亚采用了一井一面的高度集中化生产模式，使用两柱掩护式支架，支架的平均工作阻力为7640kN。英国也大力发展两柱掩护式支架，支架的工作

20、阻力有了显著提高，达到了60008000kN1。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命为8到10年，可用率高达95%98%。支架平均工作阻力6470Nk（最大为9800kN）。支架中心距增大、到1.75m，并向2m发展，增大架宽有利于缩短移架时间、减少工作面架数、增加有效工作时间和提高单产。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60008000kN李长江.液压支架的计算机辅助工程分析C.济南：山东大学，2005：1-2。这些新技术新成果无一不是在一定程度上推进了液压支架乃至整个煤矿工业的发展。1.1.2 国内液压支架的发展与研究现状我国煤机行业从上世纪60年代开始

21、研究和开发液压支架。由于起步较晚，我国于1964年才成立了第一个研究单位，开展液压支架架型及阀门类的研究。到了70年代，我国从英国、德国、波兰和前苏联等国家引进了数十套液压支架，由太原分院和郑州煤机厂共同开始设计70型迈步式自移液压支架，从此开始了液压支架的国产化道路黄尚志.我国液压支架技术30年发展回顾与展望J.煤矿机电.2000（5）：46-50。经过使用、仿制和总结经验，到上世纪80年代我国液压支架的研制和应用取得了迅速的发展。1984年，北京开采所、沈阳所等液压支架研究机构在沈阳浦河矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验，为我国的液压支架的研究积累了大量宝贵的经验。这一时期开发的支

22、架的重量较轻，如QY31经济型支架重量仅有6吨，支架的工作阻力也偏小，两柱支架一般在20003500kN，四柱支架一般30004600kN，寿命试验仅有8000次高有进. 6.2米液压支架关键技术研究与优化设计M.武汉：华中科技大学，2008：5-9，支架的可靠性比较差，与国外的差距较大。1990年以后，国产液压支架得到了迅速的发展，各地相继研制和生产了TD系列、ZY系列和ZZ系列等二十多种不同规格的液压支架。尤其是放顶煤开采技术在我国的成功应用极大地推动了放顶煤支架快速发展。液压支架的架型按放煤位置分有高位、中位、低位放顶煤支架，按四连方向分有正四连杆和反四连杆放顶煤支架等。以前国内大部分支

23、架采用350MPa的16Mn的钢板，虽焊接性能较好，但强度低，支架重量大。为了降低支架重量，国内从20世纪90年代中期开始研究高强度板的焊接工艺，经过几年的努力，现在对1000MPa级以下钢板的焊接工艺进行了系统的研究。随着我国煤炭工业的发展及煤矿现场对综采设备要求的不断提高，一方面要求液压支架可靠性大大提高，要求支架试验寿命达到5万次以上，井下大修周期5年以上赵衡山.德国液压支架设计研究的新进展J.煤炭学报，2006，(5)：21-25。另一方面，随着我国加入世贸组织后国内市场的进一步开放，国产液压支架的价格优势越来越受到进口产品的冲击，因此在提高产品可靠性和质量的同时应当进一步节省设计和生

24、产成本。1.2 研究目的及意义随着工业化的程度进一步提高，我国对煤炭的需求量越来越大，煤炭行业在扩大产能的同时也要保证工作环境的安全，减少安全事故，杜绝安全隐患。在我国实现高产高效矿井开采的主要途径是发展较厚的煤层的放顶煤开采技术，由于液压支架是煤层工作面的核心设备，液压支架的投资占到了综采设备的60%以上。因此，在保证设备功能性的同时降低设备的成本是提高生产效益的重要途径。自从中国加入世界贸易组织以后，外国一些煤炭机械生产商，例如德国的DBT公司（原威斯特伐利亚公司）、艾柯夫公司（EDW）；美国的久益采煤设备公司（JOY）和朗艾道公（LONG-AmDOX）；英国的安德森公司、艾姆科公司（EI

25、MCON）、BRUSH公司、B&F公司；日本三井三池和澳大利亚多米诺公司（DOMINO）等都已经积极开拓中国市场许亚军.高强度结构钢的焊接性与液压支架结构强度的研究C.北京：煤炭研究总院， 2003： 5。尤其在近年全球经济萎靡不振，而中国经济一枝独秀的情况下，国外的企业更是紧盯中国市场。目前国内煤炭机械企业，尤其是液压支架的生产企业要想在国内生存与发展，必须提高产品的可靠性、安全性和经济效益。而实现该目标，一方面是要提高现有的设计方法，另一方面要在保证可靠性的同时降低机械的生产制造成本，进而使国内的液压支架设计和生产制造的能力上一个新的台阶，有能力与国外产品相竞争。与国外产品相比较，国产液压

26、支架的一个突出的优势就是价格。一般来说，相同类型的液压支架的进口产品比国内贵3倍以上。从这个角度上讲，我国的国产液压支架只要能在保证质量的基础上降低成本，还是拥有很强竞争力的。因此，我国煤炭机械行业要在激烈的竞争中立于不败之地，必须在保证液压支架功能性和安全性的基础上，降低成本，提高经济效益。液压支架设备的主要成本分为两方面：（1）设计的成本目前计算机技术已经很成熟，计算机辅助设计和制造的应用已经非常普遍。现在借助于计算机已经可以实现从设计到制造的全程数字化。CAD软件应用于设计，可以很好的克服手工绘图时容易出现的不足，同时实现数字化制造，提高效率，为后期的CAE做好准备。虽然使用CAD技术可

27、以提高液压支架的设计效率，但是目前使用CAD技术进行设计时仍然存在一些可以改进的空间。用CAD方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是开发效率的关键性因素之一。在产品开发初期，零件形状和尺寸有一定的不确定性，要在装配验证、性能分析之后才能完全确定。这就要求零件模型具有能够快速修改的特点。而参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为能够任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同的值，就可得到不同大小和形状的零件模型单泉，陈砚，汪殿龙等.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版参数化从入门到精通M机械工业出版社，2008：III。国内外的参数化设计主要集中在零件的参数化上，对

28、产品整体的参数化建模研究较少。在液压支架的设计中如果能够应用整体的参数化骨架建模，则可以在设计过程中通过这种设计方法减少工作量，提高工作效率。尤其在设计过程中需要反复修改参数时，这种便利性体现得更加明显。在设计完成以后的优化过程中，参数化的模型也可以在较短时间内提供多个不同尺寸的模型，为优化工作提供了快速生成模型的条件。并且，在设计前需要考虑初始设计尺寸。因此，在建模之前进行主要尺寸的设计和受力分析的研究也是设计的重要组成部分。在这些设计过程中如果能够尽量提高效率，缩短时间，也能够给整个设计和制造节省不小的成本。（2）制造的成本由于综采设备在煤矿设备的投资占比很大，且液压支架的很大一部分成本是

29、来自于原材料。因此，在保证稳定性和安全性能的同时减轻液压支架的重量，是降低成本的一个重要举措。在减轻液压支架重量的同时必须保证其安全性和稳定性，因此，势必要对液压支架进行结构上的优化分析，去除不必要部分，优化现有结构。在优化的过程中需要反复修改CAD模型的参数来进行试验，因此，参数化骨架建模为设计节省了成本，提高了效率。优化分析的目的是为了在保证液压支架功能性的基础上进行轻量化设计，减轻设备的重量从而达到节省成本的目的。因此可以从结构上、厚度尺寸等方面对液压支架的整体及关键部件进行优化研究。1.3 课题主要内容及技术路线1.3.1 主要研究内容本文是校企合作课题“液压支架优化设计分析平台项目”

30、的一部分。课题前期已经完成了液压支架的主要尺寸参数以及四连杆尺寸参数的计算。该计算是液压支架模型建立的前期工作，也是二次开发平台的一部分内容。本文在课题前期研究成果的基础上进一步进行了参数化设计、优化等研究。主要内容包括两大块：一是液压支架的参数化设计平台的开发和液压支架的参数化建模；二是对液压支架顶梁结构尺寸的优化研究。在课题前期研究取得成果的基础上，对液压支架进行了参数化骨架建模，这是对液压支架进行有限元分析的基础。同时为液压支架的优化分析做准备，通过Pro/E二次开发得到液压支架的参数化力学分析平台和尺寸驱动平台。选取顶梁三个关键部件的尺寸作为设计变量，在试验设计的基础上选择试验样本点，

31、通过二次开发得出的尺寸驱动平台重生得到试验所需的模型，然后对顶梁进行有限元计算得到样本点的相应值。通过所得样本建立了顶梁最大应力的响应面模型，并对该模型进行了验证。经验证，得到的响应面模型能够代替复杂的有限元计算来进行优化。同时，在取样本点时亦研究了通过数值分析中的插值法直接得到样本点响应值的方法，提高了优化的效率。1.3.2 技术路线1.根据课题先期已经取得的成果，即液压支架四连杆机构尺寸计算平台，进行液压支架的主要尺寸计算。确定液压支架的主要尺寸后，通过Pro/ENGINEER进行液压支架的参数化建模，得到完整的液压支架CAD模型。2.从液压支架的实际工况出发，根据理论力学原理，对液压支架

32、的受力情况进行参数化分析计算。根据计算所得表达式，利用Pro/Toolkit二次开发包进行二次开发，得到液压支架参数化力学分析平台。3.通过Pro/Toolkit二次开发包与Pro/E的接口，建立参数化尺寸驱动平台，实现参数化模型的尺寸驱动，为得到优化设计所需的大量不同尺寸模型节省了时间，提高了效率。4.通过有限元分析，计算液压支架顶梁不同的危险工况下的应力和应变，这是下一步优化研究的技术基础。5.通过选择合理的试验设计，选择建立顶梁优化代理模型所需的样本点。通过尺寸驱动，得到计算样本点所需要的各种尺寸的模型。通过有限元计算，得到样本点的结果。6.建立响应面代理模型，并验证了顶梁最大应力代理模

33、型的精度。确定了可以使用响应面代理模型代替有限元计算来求得顶梁最大应力。1.3.3 论文篇章安排首先本文第1章对液压支架的研究现状及发展情况进行了叙述，同时阐述了本文的研究目的、意义、主要内容和技术路线；第2章在课题前期研究的基础上对液压支架进行了参数化骨架建模；第35章是本文的核心内容，通过二次开发建立参数化力学分析平台，为液压支架的力学优化提供参考依据，同时建立了尺寸驱动平台，为优化分析提供了快速生成的模型，模型生成后通过试验设计确定样本点，由有限元分析得到最大应力值，即样本点的响应值，最终建立顶梁最大应力的响应面近似模型代替有限元计算参与优化；第6章进行了总结和展望。本文篇章结构安排如图

34、1.1所示。图1.1 本文篇章结构1.4 本章小结本章的主要工作是对本课题研究背景和主要内容进行阐述。首先介绍了液压支架的研究现状和发展趋势，对液压支架的国内外研究现状进行了综述。然后总结了目前研究中存在的不足，提出了本课题研究的主要目的和意义。最后给出了本文的主要研究内容和技术路线和论文内容与章节安排。第2章 基于Pro/ENGINEER的液压支架参数化建模第2章 基于Pro/ENGINEER的液压支架参数化建模2.1 液压支架关键参数的确定液压支架是煤矿综采工作面的支撑掩护设备，其主要的作用是支护煤矿采场顶板，维护作业空间的安全。液压支架的类型有很多，其基本功能都是相同的，基本结构也有类似

35、之处。在进行液压支架建模之前，应该对液压支架的总体参数进行设计，以保证建立的模型尽量符合要求，减少由于设计不当而带来的修改。1.液压支架高度一般来说，首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。不同的煤层所确定的采高不一样，如大采高支架，可以适用公式 Hmax=Mmax+（200400） （2.1） Hmin=Mmin-（500900） （2.2）其中 Hmax支架最大高度（mm） Hmin支架最小高度（mm） Mmax最大采高（mm） Mmin最小采高（mm） 液压支架的最大高度Hmax减去最小高度Hmin之差为支架的调高范围。支架高度用H来表示，液压支架的调高范围越大，支架适用的煤层

36、范围越广，但调高范围过大会降低支架的可靠度，并且会加大支架设计的难度。根据查阅文献和本课题组前期的工作，在本课题的设计过程先大致确定液压支架的工作高度和调高范围，然后再后期的力学分析和优化分析的过程中再进一步修改。2.液压支架中心距和宽度的确定中心距即液压支架的整体宽度，这是液压支架的重要参数之一。支架的中心距一般情况下为工作面上一节溜槽的长度。目前国内外的液压支架的中心距一般采用1.5m。为了提高稳定性，大采高支架的中心距可以采用1.75m，其他的轻型支架为了适应快速移动的要求，可以采用1.25m的中心距。支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。支架顶梁一般装有活动侧护板，当支架中心距为1.5m时

37、，最小宽度一般为14001430mm，最大宽度取值为15701600mm王国法等.液压支架技术M.北京：煤炭工业出版社，1998：36。3.液压支架四连杆机构参数的确定四连杆机构是液压支架的最重要的组成部分之一。四连杆机构的引入是液压支架设计史上的一次重大革新。四连杆机构设计是支架整体设计的核心。其设计的好坏决定着顶梁端点运动轨迹的合理与否，直接影响连杆结构的受力状态，以及支架整体轮廓的尺寸的大小。因此，四连杆机构设计往往成为支架设计的关键。在本课题的前期研究中，已经对液压支架的主要尺寸以及四连杆机构的设计进行了充分的研究，并开发出一个液压支架及四连杆的尺寸计算平台，如图2.1所示。图2.1

38、液压支架尺寸计算平台课题前期的工作研究了液压支架的关键尺寸，如图2.1所示，并能够求出在一定尺寸范围内能够设计出的液压支架的个数。结合图2.1可知，在前期设计的成果是：可以在给定液压支架的多项尺寸数据取值范围时，计算出液压支架四连杆机构的尺寸。所需的尺寸范围如表2.1所示。表2.1 输入尺寸 名称编号输入尺寸1支架高度 H取值范围2顶梁掩护梁交接点高度 L2取值范围3后连杆下铰接点高度 Z2取值范围4前后连杆下铰接点水平距离Z3取值范围5顶梁掩护梁铰接点与掩护梁的垂直距离Y2取值范围6前连杆上铰接点与掩护梁的垂直距离Y5取值范围7后连杆上铰接点与掩护梁的垂直距离Y6取值范围8掩护梁后段长度Y0

39、取值范围9最大、最小高度时后连杆水平夹角范围10最大、最小高度时掩护梁水平夹角范围11顶梁掩护梁与后连杆下铰接点水平距离取值范围12双纽线摆幅13前后连杆上铰接点的距离取值范围14瞬心水平角取值范围根据课题的前期研究工作，在前人研究成果的基础上，进一步对液压支架进行设计和优化是本文的主要工作。下面就根据之前的成果，对液压支架进行参数化建模。2.2 CAD简介2.2.1 CAD技术计算机辅助设计（Computer Aided Design，缩写为CAD）是一项利用计算机协助设计人员进行产品设计的技术。CAD是借助于计算机完成产品设计过程的一项技术。它的功能包括几何造型、工程分析、动态模拟和自动绘

40、图等四类明兴祖，姚建民.机械CAD/CAEM.北京：化学工业出版社，2003：1。几何造型是CAD图形处理的核心。针对本文的论述对象液压支架， CAD的曲线与曲面造型、实体造型等都有较大的适用性。在液压支架的建模过程中，实体造型和曲面造型等功能将被反复使用，这是构建三维模型的基础。2.2.2 CAD软件CAD技术经过几十年的发展，涌现出众多的优秀产品。尤其是90年代以来，三维建模软件的开发，使得CAD软件更为普及。尤其是进入90年代，国际著名商品化三维CAD系统，如美国的UG、CATIA、Pro/ Engineer等都得到了广泛的应用。Unigraphics（UG）是美国UGS公司（2007年

41、被Siemens公司收购，现名称为UGPLM公司）推出的集CAD/CAE/CAM于一体的工程应用软件系统。该公司致力于数字化产品的开发，其推出的CAD软件UG广泛应用于航空航天、汽车等行业。从20世纪90年代进入我国市场以来，UG以其高端的技术和专业化的服务，在我国得到很广泛的应用杨培中.UG NX6.0基础与进阶M.北京：机械工业出版社，2009：III。这一点在汽车行业体现得尤为明显。众多国内的整车制造公司和汽车零部件生产商均使用UG作为其CAD软件。CATIA（Computer Aided Three-dimensions Interface Access）软件是由法国达索公司开发的工程

42、应用软件，集辅助设计、工程分析和制造于一体，具有三维设计、结构设计、数控加工广泛的功能。这款软件体现了先进的设计理念，如智能设计、以流程为中心等，并覆盖了设计的全部流程。CATIA软件是世界上先进的机械设计软件之一，在航空、汽车、电子和电气等领域占据主导地位张萌.CATIA机械结构设计M.北京：机械工业出版社，2006：II，1。Pro/ENGINEER是美国PTC公司推出的一套三维CAD参数化软件系统，该软件涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的输出，到生产加工成为产品的全过程，这中间还包括了大量的使用模块，应用范围涉及到航空航天、汽车、机械、数

43、控加工及电子等各个领域詹友刚.Pro/ENGINEER中文野火版4.0快速入门教程M.机械工业出版社，2008：VII，1。由于具有较强的功能，Pro/ENGINEER在三维CAD领域应用极广。该软件在国外大学已经成为学习工程类专业必修的课程，也是工程技术人员必修掌握的技术陈洪亮，王妍，袁亮.Top-Down参数化设计在液压支架产品中的应用J.价值工程，2012（17）：27。2.2.3 参数化的设计理念及基本方法Pro/ENGINEER中首先出现了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。无论多复杂的几何模型，都可以被分解成有限数量的构成特征。而每一种构成特征，都可以用有

44、参数进行完全约束，这就是参数化的基本概念。参数化设计是指将原有设计中的某些尺寸，如定形或者装配尺寸定义为变量，相关尺寸之间由一些简单公式来定义关系，在修改这些变量时，计算机就会根据这些新的参数值来自动完成产品设计5。参数化的技术极大地提高了产品模型的可修改性，使工程技术人员能借助于原有模型在短时间内设计出新的模型。抑或在开始建模时即采用参数化建模，使后期的修改变得极为便利，因为参数化建模已使原来的定量变量化，根据模型中的尺寸关系定义即可实现尺寸驱动，完成修改。参数化设计方法目前为止已经有尺寸驱动、变量驱动和图形驱动3种方式，用户可以根据需要选择。参数化的类型也有以下几种：（1）基于二维草图的参

45、数化这种方法是在草绘中建立约束关系后，将相关的参数关系确定，建立父子关系，即被参照的要素为父项，参照要素为子项。在参数化完成以后，只需修改父项的参数，子项的参数即会根据确定的关系自动生成。这种方法一般用于截面较为复杂的零件。（2）基于实体特征的参数化这种方法是针对模型的几何特征，包括控制特征外形的形状参数和决定特征的放置位置的定位参数。该类型适用于形状规则的模型。（3）基于装配的参数化这种方法将参数化设计引入装配中去，解决了复杂模型装配困难的问题。这种参数化设计一般是先建立空间骨架，确立好各个子装配模型基准位置，然后再由各子装配模型确定下一级子装配模型及零件，直至推至最后一级零件。这种方法最大

46、的优点在于可以用于复杂模型的参数化设计。2.3 液压支架建模方式的选择2.3.1 传统的建模方式在液压支架进行建模时，可以选择传统的建模方式，即自下而上的建模方法。自下而上地设计装配体，是指将生成零部件并将其插入到装配体中，然后根据设计要求设计零件Jinn- Jong Shen.A three-dimensional CAD/CAM/CAE integration system of sculpture surface die for hollow cold extrusionJ.International Journal of Machine Tools & Manufacture,1999

47、(39):33-53，单独绘制零件，生成零件后再进行装配。这种建模方式往往费时费力，液压支架结构复杂装配困难，还可能出现干涉等情况；而且之后修改尺寸的过程也相当繁杂，需要对零件的尺寸等逐一修改，整个液压支架的修改相当耗费人工成本。因此，针对液压支架这种复杂产品的建模，一般不宜采用传统的建模方式。在参数化设计在CAD技术中越来越普及的今天，使用参数化设计是针对液压支架这种结构复杂、装配困难的模型的一种很好的方法。而Pro/ENGINEER软件在国内使用广泛，且Pro/ENGINEER首先引入了参数化的设计理念，因此本文中液压支架采用Pro/ENGINEER的参数化设计作为液压支架设计的建模方法。

48、2.3.2 自上而下（Top-Down）的建模方式对于现代社会越来越快的工作节奏，加之工业越来越来激烈的竞争，在设计之初就采用先进的设计方法，可以在开始就胜人一筹。液压支架采用参数化的建模可以实现快速修改、缩短工时的目的。液压支架建模使用参数化的方法，可以设计过程中实现快速修改，缩短工时，提高设计效率。如前文所述，使用Pro/E进行参数化建模时有三种类型的参数化方法可以选择。选择使用合适的参数化类型可以使参数化建模的便利性发挥到极致，下面就采用何种类型的参数化方法更适合液压支架模型的建立展开探讨。图2.1 骨架建模流程图若采用基于草图的参数化，即在绘制零件草图时，可以在位置约束完成后 在“关系

49、”对话框中添加关系。但在这种类型的参数设计出的液压模型各个零件之间不存在联系，仍需要在零件绘制完成后进行装配。液压支架的各个部件，无论是顶梁、掩护梁、立柱、连杆还是底座，每个部件都包含了大量的零件，在装配过程中不可避免的需要修改。这种参数化的设计只能通过每个零件进行单独修改，尺寸驱动仅限于每个零件内部。如果涉及到特征修改，则需要重新画图，因此采用基于二维草图的参数化未能完全发挥参数化的优势，只是将参数化停留在零件内部的尺寸关系上。不适用于液压支架这一类零件较多、结构复杂、装配困难的模型。采用基于实体特征的参数化建模，可以进行基于特征的建模，该类参数化设计在修改特征时具有优势，能够使用参数设定的

50、父子关系，快速修改特征。这种参数化设计适用于较为复杂的零件，但是在各个零件之间仍然缺乏联系，各自独立。因此基于实体特征的参数化建模仍然无法解决液压支架的装配问题，众多零件的逐个组装势必费时费力，且有可能产生干涉，影响设计效率。基于装配的参数化是组件的参数化设计。该类型的参数化设计可以利用关系式等方法实现元件之间的尺寸驱动。对于液压支架这种结构复杂、零件繁多的产品，使用基于装配的参数化设计可以在设计之初就避免装配干涉问题。同时，针对液压支架部件较多的特点，引入骨架建模，在开始设计时就将子组件的基准面、基准位置和基准轴等确定好，运用发布几何传递空间位置直至最后一级零件，这样就形成了一个自上而下的设

51、计，称为Top-down的参数化设计，设计流程如图2.1所示。2.4 液压支架的Top-Down建模TOP-DOWN是自顶向下设计的简称RUI Rui,XIA Yuanyou,LU Zhipeng,ZHANG Bing.NUMERICAL SIMULATION OF OVERSIZED DEEP FOUNDATION PIT CONSTRUCTED BY “TOP-DOWN” METHODJ. Serviceability of Underground Structures-Proceedings of the 1st International Workshop on Service Lif

52、e Design for Underground Structures.2006(10)：388-393。Top-down的建模方法精髓是自上而下的设计思路，纲举目张的思想方法。通过建立总体骨架和分骨架并通过关系式进行约束控制，实现总体条件对分系统的无缝传递。使用Top-Down的建模方法，将产品的主框架作为主组件，并将产品分解为组件、子组件，然后标识主组件元件及相关特征，最后通过组件内部及组件之间的关系来评估产品的装配方式SUNSL,WUSM,PEI H J. Orthogonal design study for numerical modeling of deformation of m

53、ultipropped deep foundation pitJ.Rock and soil Mechanics,2005,26(11):11-71。使用Top-Down完成液压支架参数化模板的建立，极大地提高了产品的研发效率，实现了产品快速设计11。由于液压支架的结构较为复杂，具体应用到液压支架的建模中，可以先建立总体模型，再建立字骨架，通过发布几何逐层建立子组件骨架，最终绘制出的零件即构成了整体模型。2.4.1 液压支架的总体骨架建模骨架模型是为了确立液压支架的各个部件之间的约束，即将各部件的主要基准轴、基准面等在骨架模型中加以确定。骨架模型其实是一种特殊的.prt文件，在建立液压支架的总

54、体骨架时，可以先在Pro/E中建立一个.prt文件。在新建的零件中，先草绘出基本骨架，如图2.2所示。在完成基本骨架的草绘后，回到三维模式中，在各部件的连接处加上基准轴。并建立子组件中所需的基准线，基准面等。建立好基准的骨架模型如图2.3所示。这些基准的建立对于参数化建模极为重要，因为只有在总体骨架中建立了这些参考基准，才能发布到下一级以及更下级的骨架中，在进行最基本的零部件绘制时，需要使用这些基准点、基准线和基准面作为基准。图2.2 骨架草绘在建立完成所需的基准后，保存当前的设计对象，为了便于识别，将其命名为skeleton_0.prt。图2.3参考基准建立后的模型该保存的零件仅是作为调用文

55、件使用，真正的骨架还需要建立骨架文件并调入该零件后才能够创建完成。在Pro/E中有两种常用的骨架模型，即标准骨架和运动骨架：1.标准骨架标准骨架模型的文件格式和普通零件的文件格式一样，也是*.prt格式。标准骨架模型一般由基准点、线、和面组成，可以看做是一个零件。建立标准骨架模型的目的是实现共有基准信息的共享。在标准骨架模型中，会建立三维的实际约束，其位置和尺寸的最终几何信息将被合并到个别的元件中，从而建立共享的几何信息，而且标准骨架模型可以表示两个元件之间的界面，实现信息的共享余龙.基于多领域统一建模的液压支架建模与仿真C.郑州：郑州大学，2010：23。2.运动骨架运动骨架模型一般由设计骨

56、架、主体骨架和预定义的约束集组成。其中，设计骨架既可以是一个已定义好的骨架模型，除此之外也可以是带有新建几何对象的内部骨架；骨架主体是预先定义的约束集放置于运动骨架模型中的一个元件。运动骨架模型中首个主体是基础主体，当创建并放置了多个骨架主体时，系统会自动创建基准轴来连接它们，与在机构仿真中建立的销钉连接相像。建立运动骨架模型的主要目的用来定义组件中实体之间的相对运动。运动骨架模型的文件格式和普通组件的格式一样，是*.asm格式12。本文的液压支架建模主要采用的是标准骨架。在完成基本骨架的建立之后，在Pro/E中建立装配文件，即在新建中选择组件。建立组件后，在Pro/E中选择插入/原件/创建，并在原件创建对话框中选择“骨架模型”，子类型是“标准”。在创建选项中选择“复制现有”，并选择之前创建的skeleton_0.prt文件。调入之前创建好的模型后即创建了液压支架的骨架模型，如图2.4所示，骨架模型在三维空间中已经确定了下一级骨架所需的