基于有限元法的虚拟样机研究平台的构建

基于有限元法的虚拟样机研究平台的构建

上述打开方向门炮戏压缩器是目前开采矿山的理想拆卸装置。在装载过程中，需要低影响，以确保安全。传统设计因手段落后、周期长、耗资大等缺点,存在局限性。因此,探索相关的理论体系和研究方法,将现代设计手段应用于上开式扇形闸门箕斗卸载装置的设计是十分必要的。虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法。本文搭建了上开式扇形闸门箕斗卸载装置虚拟样机的研究平台,通过虚拟样机实验,分析了卸载装置的性能。1关于加载设备虚拟原型的理论研究1.1复杂系统开发的理论基础虚拟样机技术是在CAX和DFX技术基础上发展的,进一步融和了现代信息技术、先进制造技术和先进仿真技术,将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统,并对它们进行综合管理,从系统层面来分析复杂系统,支持“由上至下”的复杂系统开发模式。其理论基础为计算多刚体系统动力学、结构有限元理论、其他领域物理系统建模与仿真理论,以及多领域物理系统混合建模与仿真理论。本文采用三维参数化设计软件Pro/E、机械系统动力学仿真软件Adams、有限元分析软件Ansys、科学计算软件Matlab、疲劳分析软件Fatigue,构建集成化、自动化的卸载装置虚拟样机研究平台。1.2平台分析流程上开式扇形闸门箕斗卸载装置是一个完整的机械系统,其虚拟样机研究平台包括以下内容:三维参数化建模,虚拟装配,干涉检验,运动学/动力学仿真,强度分析,疲劳分析,摩擦/磨损分析,振动/噪声分析。此平台的分析流程如图1所示。这个分析流程不仅利用了各软件的强大功能,而且充分利用了它们的数据接口,简化了数据传递过程,避免了传递错误,实现了开发过程的自动化、集成化。1.3点面接触的简化卸载装置卸载时,卸载滚轮在曲轨中滑动时的接触力的大小是设计中最应关注的问题。本文借助Adams中实体模型的几何属性离散接触区域,采用Adams中的点面接触方式。每一点的接触法向力和摩擦力分别按式(1)计算:式中k———接触刚度,N/mme;e———非线性作用力指数;c———阻尼系数。2项目实例2.1模型的导入adams结合某矿16t箕斗参数,用Pro/E创建各零件的参数化模型,进行装配,干涉检验,启动Mechanism/pro,设置简单约束副(旋转,移动)后,将整个装配模型导入Adams中。在Adams中,对整个模型做适当修补,完成卸载滚轮与曲轨的接触约束和煤对扇形闸门打开阻力的施加,参数化整个模型,得到图2所示的卸载装置虚拟样机。2.2曲轨圆弧过渡处接触力设置运行时间为2.96s,输出1000子步,首先进行静平衡分析,保证扇形闸门打开前处于闭合状态,避免箕斗运行过程中闸门自动打开,然后进行动力学仿真,得到扇形闸门打开角加速度、卸载滚轮与曲轨的接触力曲线,分别如图3、图4所示。图3、图4的运动/动力学结果与以往的计算结果趋势一致,但曲轨圆弧过渡处均出现了不同程度的波动。特别是角加速度的波动特别大,其最大值是相应理论计算值的165倍,表明卸载时振动剧烈。图4中卸载滚轮与曲轨的接触力峰值为101080N,为理论计算值(40639N)的2.49倍。原因是理论模型将各零部件看作刚体,忽略了接触面的接触刚度、阻尼,无法体现冲击的影响。通过此参数化的虚拟模型,可充分了解各参数对此接触力的影响。这些参数主要包括闸门初始位置、曲轨形状、爬行速度、曲轨与卸载滚轮的接触刚度、阻尼等。可以在这些参数允许的范围内选取它们的最佳组合,达到系统整体性能的优化。图5、图6给出了接触刚度、阻尼的变化与接触力峰值的关系曲线。实际设计中,应该参照图5、图6中接触力峰值与接触刚度、阻尼的关系,选择合适的结构、材料,削弱接触力峰值。文件,生成Adams中柔性体,替换原刚性体可提高计算精度,能更加真实地反映实际运行情况,但会明显增大计算量,需权衡处理。2.3模态的模态求解上开式扇形闸门箕斗卸载装置卸载时,冲击力大,需要优化曲轨的动态性能,提高使用寿命;通过计算曲轨的传递函数,可识别曲轨的动态载荷,解决冲击力测量时传感器不可达。这都需要摸清曲轨的各阶振型及固有频率。采用有限元法对曲轨离散近似,可准确求解各阶模态。本文研究平台中,将Pro/E中的模型导入Ansys中,采用SOLID95单元,进行自由网格划分,得到5440个单元,全约束全部螺栓孔,弹性模量E=2.12×105MPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.8×103kg/m3。选用Subspace方法求解,得到曲轨前五阶固有频率分别为10.65Hz、20.66Hz、30.73Hz、40.84Hz、50.94Hz,其相应的振形如图7。增强曲轨侧板刚度,减小侧板变形。2.4动态伺服环境通过Adams生成时间历程的Ansys载荷步文件,在Ansys中对同一模型加载,可以得到整个卸载过程中,各个零部件的动应力—时间历程,为后续的疲劳强度分析提供材料的动态服役环境。本文给出了曲轨上最大受力点在0～0.6s时的动应力—时间历程,在轮轨开始接触的瞬间,冲击载荷峰值为182MPa,如图8。3提高仿真精度的研究将虚拟样机技术应用于