搜索3D技术在环保疏浚机具研制中的应用
2013-05-26 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
疏浚市场的不断变化,使得疏浚公司更换设备与技术愈来愈快,环保疏浚新技术能够创造新市场。随着计算机和网络技术的发展,使得3D数字化技术为疏浚作业系统的并行作业、分布式运行、虚拟协作、远程操作与监控等提供了可能。将3D技术应用于环保疏浚行业,对环保疏浚机具研制和环境保护都将起到积极推动作用。本文通过3D技术研究示例介绍了环保疏浚机具的研究技术。
一、引言
我国疏浚设备发展历程经历了以下三个阶段:
(1) 测绘、设计仿造阶段----到60年代末期处于仿制阶段;
(2) 独立开发设计阶段 ---- 70年代初期至80年代,我国挖泥船开始走上独立设计阶段,一批专业化的工程船建造厂及设备配套厂初步形成,并开发出一大批国内急需、具有一定技术水准的船型。
(3) 以高新技术为目标的高性能挖泥船研制阶段 ---- 进入90年代,一大批高技术含量的创新产品相继问世,填补了国内多项空白,包括配套的挖泥机具等,部分产品的性能已接近国际水平,并形成批量生产,还实现了挖泥船出口的历史性突破,充分表明我国挖泥船技术跃上了一个新台阶,缩短了与世界先进水平的差距。更换现代设备是很重要的投资,设备设计能力,交货时间是很重要的。
尤其值得指出的是,进入90年代以来,随着人们环保意识的不断增强,各类环保挖泥船相继研究成功。如:IHC的环保型绞刀头,日本的旋转刮刀集泥机,ELLICOTT的小型泥猫挖掘机,HAM公司的全封闭抓斗,ET公司的子、母式潜水清淤机等争相问世。
市场竞争说到底就是高新技术的竞争,上述公司在市场中的辉煌业绩就是最好的印证。
二、3D技术对环保疏浚机具研制的意义
加大力度发展我国疏浚机具,实现“国轮国造”,不仅必要,也是完全可能的。经过几代人的挣扎、拼搏,不仅研制水平有了重大突破,而且形成了一定的规模。我们已相继研制成功技术形态比较先进的耙吸、绞吸、吸盘、链斗、抓斗、铲斗、斗轮、螺旋切刀、气力泵、喷射泵等各型产品,除环保疏浚设备外,基本覆盖了国际上现有挖泥船品种,一定程度上满足了国内经济建设和国防的需要,并跻身国际市场,所以,环保疏浚设备自主研发更具有实际意义:
(1)具有价格上的明显优势,通常国内船价只及进口船的1/3~2/3,能以有限的资金投入,更大程度地满足国内需求。
(2)拉动内需形成新的经济增长点,在荷兰,仅为挖泥船配套的厂家就有520余家,我国的配套厂断不低于这个数字。
(3)解决一大批船厂及设备配套厂下岗职工的就业困难,救活一大批企业。“百船工程”1999年计划投产的53艘挖泥船尚未出台之前,踏破水利部门槛的船厂、设备厂、及设计单位足有百家之多,形成“百家争百船”的火爆局面!
(4)有利于造就一大批挖泥船设计建造的技术队伍,提高我国挖泥船建造的整体水平,增强在国际挖泥船市场的竞争力。
(5)有利于摆脱国外对我国环保疏浚市场的长期垄断。
我国急需大量的挖泥船,这已是不争的事实。我国已有相当一批较为成熟的国产挖泥船船型可供建造,我国众多的中、小船厂普遍任务不足、急待订单,现阶段年建造五、六十艘中小型挖泥船,相信没有疑问。“十五”期间我国应能新造大约300艘高性能挖泥船,以增加疏浚能力5~6亿m3(含对旧船的更新),方可基本缓解防洪、清淤方面的需求并满足大型疏浚工程的需要。立足国内设计制造、引进关键装备及技术 ,坚持走适合我国国情的发展道路 ---- 90年代以来,高技术含量,高附加值的环保挖泥船及大型挖泥船研制更有待国家政策上的扶持和统筹规划。
三、3D技术在环保疏浚机具研制中的应用示例
3.1空间复杂绞刀刀臂的建模设计
绞刀刀臂呈空间复杂圆锥螺旋结构,空间角度参数多,结构设计要求高、难度大,而其结构设计的优劣,直接影响着疏浚作业的产量和成效,所以,绞刀刀臂的结构优化设计是疏浚刀具整体设计的难点和关键。绞刀组件(见图一)是环保型挖泥刀具的关键部件,它由绞刀刀臂、刀毂、螺旋输送机构、刀圈组焊而成。绞刀刀臂乃关键部件中的关键件,刀臂外形呈复杂空间圆锥结构,刀臂数量为6~10个,疏浚作业时,刀臂先接触底泥,刀臂上的刀刃随绞刀的旋转疏松泥土并聚集进刀腔,刀臂的刃口均需分布在园锥面上,其螺旋角为40°~70°,锥角为20°~30°。刀臂刃口部分的前角与基面的夹角δ为10°~35°,后角α为28°~60°,刃口角β为18°~28°。绞刀刀臂是绞刀挖泥的切削部位,切削面是空间螺旋面,其空间姿态直接影响着挖掘效率。
图 1
对绞刀臂进行三维建模,首先需要一条空间螺旋线,这条螺旋曲线是在二维状态下通过预先设定参数,求出空间各点拟合而成。利用AUTO CAD软件先做出主、俯视图对应关系,再进行等分,求出对应点上的坐标值。之后,在三维建模软件下,输入对应三维坐标点值,获得空间拟合曲线作为刀臂建模的原始轨迹。
空间复杂环保型挖泥刀具关键件—绞刀刀臂的造型设计开发流程为:
借用二维CAD图形的设计思想与三维建模的综合应用,即采用画法几何原理, 把空间复杂绞刀刀臂在二维CAD作图下求出的一系列特征点输入到建模软件中,拟合出特征曲线,经过反复调整样条曲线,优化出理想角度参数的绞刀刀臂模型,以满足环保疏浚设定要求。
3.1.1借用二维CAD确定特征点
对于空间复杂绞刀刀臂的建模设计技术,首先需要找到一系列满足此空间结构特性的特征点,对于刀臂这一设定的空间螺旋结构,必须使此空间螺旋结构的一棱边回转轮廓在圆锥台面上。而在二维CAD制图上,可利用画法几何的投影原理求出一系列特征点(见图二)。这些点的位置对模型的构造甚为重要,直接关系到特征线的质量。为了得到光滑的模型,我们采用的思路是:调整此空间螺旋结构的取点截面,间距过大,特征线拟合半径变化越小,创建的模型就越光顺,但模型的准确性就越差;反之,间距过小,特征线拟合半径变化越大,创建的模型就越不光滑,但模型的准确性就越好。经过反复调整优化,在设定的误差范围内,可以确定出较合理的取点间距,获得理想的一系列特征点。
图 2
3.1.2采用三维建模软件进行建模
根据上述设计思想,采用三维建模软件对CAD软件求出的一系列特征点进行拟合,求出此空间螺旋结构的特征曲线(见图三)。应用三维建模软件实体造型命令进行绞刀刀臂三维建模(见图四)。同时,还可以应用建模软件的测量、分析功能,对特征曲线逐步进行优化,使其更符合空间螺旋体的设计要求。
图 3
建模软件对特征点的修改很方便。从二维CAD获取的特征点被读入建模软件保存后,建模软件即刻把这些点生成建模菜单下的编辑点,若要修改这些特征点时,调出建模软件中的编辑点文件,修改输值并保存后,即完成了修改。
图 4
有效综合应用二维CAD软件优化模型的特征点,配合三维建模软件对模型的特征线进行优化,应用二维软件的结果完成建模软件的三维建模,可提高空间复杂环保型挖泥刀具关键件—绞刀刀臂建模的效率和质量。
3.2环保绞刀结构数字化设计、装配与分析
计算机模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段,在生产实践中也已作为必备工具普遍应用。在发达国家已达到了较为成熟的阶段,工业化应用已相当普遍,绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析,否则根本通不过设计审查,更谈不上试制和投入生产。
我所从设计和管理两方面分析考虑,通过绞刀设计手段与设计过程的数字化和智能化,缩短产品开发周期,促进产品的数字化,提高其创新能力。基于这种思想,采用全新的设计模式和开发体系――绞刀数字化样机,将二维图纸表达的设计构思演变成基于3D实体模型的虚拟产品(虚拟样机),建立起企业数字化设计平台,因而其特性完全被参数化。例如绞刀的旋转结构、连接部分和控制执行机构,完全采用参数化三维建模,进行零部件装配并进行受力分析。由于创新设计,使得绞刀结构件和控制器件充分数字化,对外体现出了近乎100%的精确性和可控性。因为我们所关心的是执行机构的最终体现,而并不关心控制执行器件的特性,因此我所设计的环保绞刀作为执行器件时,体现了如一的、合理的疏浚能力,这样的绞刀设计,我们称之为工业数字化设计,便于产品的系列化和数据库管理。
3.3环保绞刀机构运动分析
对设计的环保绞刀各运动机构进行机械运动分析:其中包括绞刀旋转运动分析、绞刀头角度调整运动分析及防护罩开启运动分析,并根据运转情况逐步进行参数调整,优化现行设计。
通过数字化虚拟样机的建立、实施,我所建立起一套基于3D(三维CAD)的产品开发体系,实现设计模式的转变,提高产品创新能力,加快产品推向市场的周期。在环保绞刀的设计、分析、新产品的开发等方面,数字化技术发挥了重要作用,使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题,通过计算机模拟得到满意的解答;另一方面,计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化,使复杂的过程层次化,节省了大量的时间,避免了低水平重复的工作,使疏浚工程分析更快、更准确。
同时我们也注意到,环保疏浚设备国产化,不仅需要环保疏浚机具的开发研制,还需船型的系列化和标准化、节能以及污染控制等这些方面的配套研究,共同推动我国环保疏浚事业的发展。
四、与先进国家环保疏浚机具的比较
环保疏浚设备的技术复杂性主要体现在疏浚系统方面,著名挖泥船制造厂商(如IHC、KRUPP)都特别注重环保挖泥机具的专项开发研究,我国在这方面的差距似乎更加突出,早期七O八所通过自己的试验室对泥泵、耙头、绞刀等进行过多项卓有成效的研究试验,终因长期没有投入,使得这方面研究的进展大大受阻。我国虽在开发设计方面有一批技术素质较高、经验丰富的设计队伍,但一直缺少针对市场的前期开发研究,单一的设计院所难有经济实力进行中长期研究,在此情况下,中国船舶重工集团公司第十二研究所承担了环保疏浚机具的研制任务,经过三年的研究开发,已研制出具有国际先进水平、符合国情的环保疏浚虚拟样机,正在投产运行之中。新研制的环保绞刀与先进国家疏浚设备研制相比:在制造工艺、周期方面,因为采用了先进的3D技术,参数化建模数字化设计,符合世界潮流,缩短了周期提高了工效;在仪表及液压部件等配套装备方面进行了优化选型匹配等工作。可以说随着我国造船业的高速发展,环保疏浚机具的研究赶上国际先进水平是大有希望的。
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