虚拟样机技术在模锻水压机接力器设计中的应用

2013-05-23 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 陈晖谭建平来源: 万方数据
关键字: 虚拟样机技术 SolidWorks 接力器虚拟装配

在分析传统机械设计方法中所存在的问题的基础上,论述了虚拟样机技术的概念、主要特点及其用于300 MN模锻水压机接力器设计的优点。阐述了模锻水压机接力器的结构和工作原理。详细介绍了基于SolidWorks软件的接力器虚拟样机的开发过程,其中包括接力器虚拟样机的一维建模、虚拟装配、干涉检查、运动仿真、关键部件强度校核和二维工程图的输出等。结果表明,虚拟样机技术在接力器设计中的应用可以大大缩短其研制周期,节省开发费用。

1引言

目前,300 MV模锻水压机是我国最大的模锻水压机.也是亚洲最大的模锻水压机.是我国唯一能够生产大型航空航天锻件的关键设备.在我国经济发展和国防建设中起着不可估量的作用。而接力器是水压机分配器的驱动装置.它直接影响到模锻水压机的工作运行情况.作用极其重要.在300 MV模锻水压机操纵系统"油控水"改造项目中.接力器的设计成为机械系统开发的重点之一。

传统的机械产品开发主要通过设计者先在头脑中建立产品的三维图形.然后借助于正投影方法.把头脑中的三维实体模型转化为二维工程图。其开发过程一般要经过概念设计、方案论证、图纸绘制、图纸审核、工艺分析、零件制造、产品装配等过程.装配时如发现设计错误又要对相应图纸进行修改并重新加工制造相应零件.重新进行装配.其设计过程繁琐复杂、设计成本高、费时费力。特别是对结构和装配关系比较复杂的产品.设计周期长.且容易出现错误。

虚拟样机技术是在建造第一台产品之前.设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型.进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性.并根据仿真结果进一步优化系统的技术。虚拟样机是一种计算机模型.它能够反映实际产品的特性.包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性.它与物理样机相比.在功能和性能上具有本质上的一致性。它用精确的数学模型描述物理样机的各个部分以及整个样机。借助这项技术.设计师可以在设计初期就发现和解决设计中的出现的主要问题。通过使用二维设计软件的虚拟装配和干涉检查功能.在产品开发过程中可以发现在生产装配中可能出现的碰撞情况.以便及时修改.大大降低了成本、缩短了新产品的研发周期。模锻水压机接力器的结构和装配关系较复杂.其内部齿条柱塞的行程有严格的要求.且存在多个零件尺寸的相互制约关系.在接力器设计中采用虚拟样机技术最为有利.本文主要阐述利用SolidWorks进行300MV模锻水压机主分配器接力器虚拟样机开发的过程。

     2模锻水压机接力器的结构及工作原理

在300 MV模锻水压机操纵控制系统改造中将操纵系统控制方式由原有的"水控水"改为了"油控水"方式.即新增加一套油压系统.新设计一个接力器作为水压机分配器阀门的驱动装置。接力器由箱体、油缸、齿轮轴、齿条柱塞、导向柱、导向套、密封圈、支撑环、管接头等组成.其结构示意图如图1所示。工作时.接力器某一油缸内油压推动接力器齿条柱塞作水平运动.通过齿轮齿条装置柱塞的水平往复运动转换成传动轴的正反向转动。

虚拟样机技术在模锻水压机接力器设计中的应用solidworks simulation技术图片1

     阀芯相联接.阀芯向上运动过程中相应的阀门逐渐打开.这样通过液压系统接力器的驱动就可以精确控制分配器各个阀门的开启和闭合.形成一种"油控水"的控制形式。轴的另一端接有编码器.用于检测轴的转角.通过反馈环节实现开启角度的精确控制。其驱动形式可简单概括为:油缸+齿轮齿条+传动轴+凸轮顶杆装置+位移检测装置。

     3基于SolidWorks的水压机分配器虚拟样机设计

目前流行的二维图形软件主要有Solidworks ,proe, UC等.其中SolidWorks是在Windows平台下开发的二维机械设计软件.其功能强大.有全面的零件实体建模功能和变量化的草图轮廓绘制功能.并能够自动进行动态约束检查。与其它二维软件相比.Solidworks还具有易学易用的特点.普通的设计人员在很短的时间内就可以掌握SolidWorks的使用方法.并能尽快运用到设计实践中。故而在本次设计中选用了SolidWorks。

3. 1接力器零件三维建模

     接力器零件的二维建模是在SolidWorks零件模式下完成的。SolidWorks有全面的零件实体建模功能.其建模思想是:零件是由一系列的特征组成.整个零件可以看成各个特征的先后叠加陈。建模时.先在草绘环境下选择草绘平面和参考平面并绘制所要建立特征的二维图形.再通过SolidWorks提供的特征造型功能将所绘制的二维图形二维化。在SolidWorks的草绘菜单中提供了点、直线、矩形、圆、圆弧、样条曲线等图形绘制功能.可以方便地绘制各个特征的二维草绘图。此外.在草绘过程中可设定各种约束条件相切、垂直等.可支持参数化的智能尺寸驱动.还可以设定各个尺寸之间的相对关系.使得草绘图的修改十分方便。在特征造型过程中.SolidWorks提供了拉伸、切除、旋转、扫描、放样、倒角、镜像、复制、阵列等十余种特征.可根据各个零件的特点对其进行特征造型。对于一些复杂的标准件(如齿轮).SolidWorks还提供了标准工具箱插件TOOLBOX支持各种标准件的快速建模.大大提高了特征造型的速度。

接力器齿轮轴的二维模型如图2所示.它的特征造型基本过程如下(1)建立齿轮本体的三维模型。在SolidWorks"插件"菜单中激活SolidWorks标准工具箱TOOLBOX.进人TOOLBOX界面.选择所要造型的标准件为"齿轮"并选择齿轮的样式为"ISO直齿轮".输人齿轮的模数及齿数等参数.点击"确定"完成齿轮本体的快速建模。(2)轴端的建模。以过圆柱齿轮轴线的平面作为草绘平面绘制相应草绘图作加材料的旋转.形成齿轮轴本体.通过"退刀槽"命令创建齿轮轴上的退刀槽.并通过"倒角"命令创建倒角。(3)孔及键槽的创建。以齿轮轴的一端面作为草绘平面绘制相应草绘图作切减材料的拉仲.切除属性设为穿过所有.形成齿轮轴的孔及键槽.并通过"倒角"命令创建孔端口的倒角。

虚拟样机技术在模锻水压机接力器设计中的应用solidworks simulation技术图片2

     3. 2虚拟装配

各零件二维建模完成后.可在SolidWorks装配体模式下对其进行虚拟装配。虚拟装配能以可视化的方式展示接力器的装配关系;同时.可对接力器各个零部件的静态干涉情况进行检验分析.能够初步评价设计是否合理.能够及时修改设计中的不合理部分.避免了在实际装配阶段因零件的设计错误而导致装配失败的情况发生。在实际装配工作中也可利用接力器的虚拟装配关系对其进行指导。

接力器虚拟装配的基本过程如下:

(1)确定接力器各零件间的装配关系。在SolidWorks三维装配平台上.各零部件之间的装配关系通过装配约束来实现。装配约束确定了不同零部件点、线、面之间的相对位置关系.使用配合约束.可设定不同零部件之间的配合关系.还可定义零部件相对于其他零部件的位移和旋转等位置关系.设计者通过这些约束关系的组合对零件进行虚拟装配。在进行接力器虚拟装配时应采用与实际工艺要一致的装配关系.首先应对接力器的结构及接力配求器各运动副进行详细的分析.再确定各个配合采用何种装配约束将零件进行装配。

(2)将接力器进行分层装配。在大装配体里.如果将所有的零件装入最终的装配里.会是非常杂乱的情形,而且众多零件凌乱的装人还会使计算机的反应速度越来越慢,因此,有必要将产品按大的功能进行划分,先装配成一些的子装配体,再将各个子装配体装配成最终的产品。水压机接力器是一个多结构体,有必要进行分层装配,接力器装配分层图如图3所示。装配时先将整个接力器分成如图所示5个子装配体各自进行装配,最后将该5个子装配体装配成接力器。装配时当模型上现有点、线、面不足以或不便于确定零部件之间的相对位置关系时,还可以考虑在零部件模型上创建辅助特征来确定零部件之间的装配关系。接力器装配图如图4所示。

虚拟样机技术在模锻水压机接力器设计中的应用solidworks simulation技术图片3

(3)装配体静态干涉检查。利用SolidWorks自带工具条可对接力器装配体进行静态干涉检查.选择"工具"下的"干涉检查"工具条.再在接力器装配体中选择两个或多个零部件.运行干涉检查即可。如果存在干涉.则干涉信息清单上会列出所有干涉零件名称.并在图形区域上显示干涉包围的区域和大小。发现干涉后.可以直接在装配体环境下修改发生干涉的零件。装配体零件中的修改可以直接反映在零件模型上.实现模型动态交互更新。对干涉零件修改后继续进行干涉检查如还有干涉再次将零件进行修改直到不发生干涉为止。

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     3. 3运动仿真

     运动仿真的目的是对接力器各零件之间的动态干涉情况进行分析并检查运动行程是否满足设计要求。接力器存在着旋转副和移动副.运动时要求满足:(1)齿轮的旋转角度范围为-120~+120。(2)在齿轮旋转角度范围内运动时.齿条柱塞不得与缸底碰撞。(3)运动过程中.齿条柱塞的齿不得通过柱塞缸的密封圈进人缸体内部。

对于接力器运动仿真.可选用SolidWorks插件C0SMOSMotion作为运动仿真模块.在装配模块下直接进人仿真环境。在进行仿真之前.应先进行与仿真相关的基本参数的设置.如力的单位、时间的单位以及与动画有关的帧时间间隔及帧数等。在接力器运动仿真中.设置力的单位为N.时间单位是S.仿真动画的时间间隔是0.05 s.帧数为20.然后利用C0SMOSMotion的智能运动构建器·把接力器的箱体进行固定.并根据接力器的真实运动情况.对接力器油缸的柱塞施加压力.并在齿轮轴上施加载荷.观察运动情况是否符合设计要求。通过运动仿真发现零件存在动态干涉或运动行程不符要求时.可直接在装配体环境下对零件进行修改直到满足要求为止。

     3.4强度校核

用SolidWorks自带的插件-CosmosWorks,可以将三维模型通过标准数据接口导人并进行有限元分析。对于接力器来说.工作时主要考虑齿轮轴的承载能力.齿轮轴过细则在工作中可能出现断裂。三维建模后可在CosmosWorks中对其进行有限元强度校核。分析时将其二维模型调人CosmosWorks环境中.首先在"Material对话框"中选择模型的材料特性.并进行一些基本参数的设定.如三维模型各长度尺寸的单位、加载时力的单位等。接着在"Mesh Create"菜单下按要求进行网格划分.在本例中选择系统默认方式自动进行网格划分即可。然后根据接力器齿轮轴的实际受力状况设定齿轮轴的约束,并对其施加载荷,最后执行分析,计算齿轮轴各个部件的受力情况,得到应力应变图,检查设计是否满足要求。

     3. 5工程图输出

利用SolidWorks的快速制图功能(Rapid Draft),可以把现有的二维数据经过数学变换,迅速生成*. SLDDRW格式的二维工程图。该二维工程图可自动完成各个视图的尺寸标柱,并支持参数化的智能尺寸驱动功能,保持了与原二维图的相关性,当修改三维图形和二维工程图两者中任一图形的某个尺寸时,另一个图形中相应的尺寸会自动修改过来,这给设计的修改带来了极大的方便。生成二维工程图时也可导出不再与SolidWorks三维图相关联的*.DWU格式,并可在AutoCAD中方便的对其编辑修改。

     4结语

在300 MN模锻水压机接力器设计中,利用虚拟样机设计方法,通过计算机技术建立产品的数字化模型,方便快捷的完成了接力器设计的整个周期。有效避免了设计过程中错误的发生,降低了技术风险。使得整个设计工作在短短的几周就完成了,大大缩短了了研发周期,降低了研发成本。可见虚拟样机技术是一种全新的机械设计方法,其深人研究及广泛应用具有重大意义,值得在类似设计中大力推广。