錨桿機試驗臺的設計-solidworks

2013-05-14 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

1 SolidWorks軟件的介紹

在當今的社會中,各行各業的競爭越來越激烈,為了縮短設計周期,降低成本,提高產品質量,學習和應用計算機輔助工程(CAE,全稱Computer Aided Engineering)顯得愈來愈重要。尤其是近幾年,計算機三維CAD/CAE/CAM軟件的應用與普及,使得傳統的二維機械設計逐步向三維設計轉化。設計構思的表達由原來的二維圖紙演變成直接用計算機模擬三維實體模型的虛擬產品。不遠的將來無圖紙生產將會普及。

SolidWorks軟件是美國SolidWorks公司基于Windows開發的全參數化三維實體造型軟件。三維機械設計的所有的功能(SolidWorks三維建模軟件)、數據管理軟件PDMworks Client、以及用于設計交流的常用工具:eDrawings專業版(基于e-mail的設計交流工具),3D Instant Website(即時網頁發布工具),PhotoWorks(高級渲染),SolidWorks Animator(動畫工具);設計效率提高工具:SolidWorks Toolbox(三維標準零件庫),SolidWorks Utilities(特征比較模塊),FeatureWorks(特征識別)。該軟件可與Cosmos/Works工程師設計分析軟件、Cosmos/Motion三維運動仿真軟件等無縫結合。

功能強大、易學易用和技術創新是SolidWorks 的三大特點,使得SolidWorks成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量。SolidWorks不僅提供如此強大的功能,同時每個工程師和設計者來說,操作簡單方便、易學易用。

SolidWorks三維設計軟件的功能在于:裝配和干涉檢查;有限元分析與優化設計(CAE);機構運動仿真;工藝規程生成(CAPP);數控加工(CAM);由三維直接自動生成二維工程圖紙;產品數據共享與集成等。這種形象化的三維設計具有直觀、精確、快速的特點。

無與倫比的設計功能和易學易用的操作(包括 Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘帖),使得 SolidWorks的整個產品設計可百分之百編輯,零件設計、裝配設計和工程圖之間全相關。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中, 設計過程最簡便、最方便的莫過于SolidWorks了。就象美國著名咨詢公司Daratech所評論的那樣:"在基于Windows平臺的三維CAD軟件中,SolidWorks是最著名的品牌,是市場快速增長的領導者。"下面就以錨桿機試驗臺為例介紹應用SolidWorks軟件進行錨桿機試驗臺機械結構設計的過程和方法。

    2錨桿機試驗臺設計過程流程圖

錨桿機試驗臺是指專為修理后的錨桿機加載試驗用的試驗裝置,并非出廠檢驗設備。其機械結構設計過程流程圖如圖1所示。

    3 三維實體建模和后期處理

    3.1設計要求

錨桿機試驗臺機械結構要求:

1)由于試驗臺高達5 m多高,因此須具有一定的剛度和強度,以致在試驗推力和模擬鉆孔的時候不至于振動過大出現事故;在滿足剛度、強度的前提下,其重量要輕,回轉體的轉動慣量盡量小;

2)具備模擬井下錨桿機鉆孔實際情況,即隨著鉆孔的不斷加深,錨桿機的輸出扭矩不斷增大。這也是本試驗臺的獨特之處(相對其他礦兄弟單位的試驗臺而言)。

    3.2三維建模設計

根據錨桿機使用尺寸以及推力和扭矩的要求,結合以往的設計并本著節約的方針盡量使用我單位現有材料以及回用物品,初步確定結構尺寸、結構用材類型,進行三維造型設計,完成零部件設計并按約束進行裝配,其局部圖如圖2所示。

錨桿機試驗臺的設計-solidworkssolidworks simulation分析圖片2

    3.3物理參數設計、工程計算分析

利用質量特性命令可以計算整個實體的質量特性,包括質量、體積和重心位置等方面的信息。SolidWorks軟件可以添加材料的比重,自動輸出其物理特性,其中包括重量、重心、對重心的轉動慣量和對坐標原點的轉動慣量等。

對試驗臺可移動和可轉動部分的重量要求,利用軟件的質量特性命令,可以非常方便給出設計,利用更改結構尺寸的方式驅動零部件的外形,達到更改零部件重量的目的,可以說是非常的便利。此質量特性命令可作為設計計算的依據。如果用手工計算,要幾個人用幾周的時間,而在這里瞬間即可完成,大大提高了設計效率。質量特性輸出結果如圖3所示。

錨桿機試驗臺的設計-solidworkssolidworks simulation分析圖片3

    3.4應力、應變分析

這里主要對關鍵部件主軸進行應力和應變分析。主軸的變形會影響機械正常運轉和壽命,利用Solidworks軟件中Cosmosxpress插件進行應力應變分析,看最大變形量是否滿足精度要求,最大應力是否滿足材料要求。若不滿足或余量過大可利用該軟件尺寸驅動的特點進行設計修改。下面僅以主軸為例介紹分析過程。

打開solidworks軟件中cosmosxpress插件,根據錨桿機主要技術參數和主軸機械性能要求,確定主軸的材質、約束和載荷等基本的分析參數。依照插件的提示,單擊下一步按鈕,直到運算分析和顯示結果。如圖4所示。

錨桿機試驗臺的設計-solidworkssolidworks simulation分析圖片4

    3.5輸出結果解釋

輸出結果類型如圖5所示。應力、應變等計算結果,以彩色圖片形式輸出,并附有對應數據,如圖6和圖7所示。

第一個分析結果是安全系數,該系數是材料的屈服強度與實際應力的對比值。Cosmosxpress使用最大的應力標準來計算安全系數。其安全系數是6.43。考慮到扭應力,此系數不是很高。如果分析扭應力,必須使用cosmos works插件,此處不再敘述。由圖6中的應力分布可知,材料的屈服應力是2.206 e+108(N/M2),即機械工程常用的表示方法是220 MPa;實際發生的最大應力是3.429 e+107(N/M2),即機械工程常用的表示方法是34.29MPa,顯然遠小于220 MPa的屈服應力,完全可靠。

    如若應力計算結果超出材料允許值或變形超出精度要求范圍,利用其參數化設計的特性可以很快修改其結構尺寸并重新計算。

    由圖7的應變結果圖可以看出,紅色區域變形最大,其最大值是1.212 e一10 nlln,即為0.012 12mm,也在主軸的精度范圍之內。

錨桿機試驗臺的設計-solidworkssolidworks仿真分析圖片圖片5

錨桿機試驗臺的設計-solidworkssolidworks simulation學習資料圖片6

錨桿機試驗臺的設計-solidworkssolidworks simulation學習資料圖片7

    3.6機構仿真及運動分析

機械產品的虛擬裝配設計與運動仿真,是在計算機構成的虛擬環境中,進行機械產品的裝配,并通過計算機動畫技術對其進行運動模擬。

此過程是通過Cosmos/motion軟件來完成的,具有優化性、經濟性、安全性和可視性等特點,從而及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題。

根據錨桿機試驗臺實際運動工況,對相關運動副加以約束,實現機構真實的運動仿真,進行動態干涉檢查。同時輸出速度、加速度、位移、力矩等的曲線圖,輸出機構運動的影視文件。

    3.7二維工程圖轉化

初步結構設計完全滿足要求后,SolidWorks可以利用已建立的裝配體模型生成二維工程圖。

    4結語

在新產品開發和設計過程中,對錨桿機試驗臺進行產品的仿真設計和實際工況下的仿真分析,可以大大提高設計效率,同時避免了試僅顯著縮短了新產品的開發周期,還大大降低了設計成本,大大提高了企業的產品設計能力,增強市場競爭力。SolidWorks公司的宗旨就是讓參與產品開發的每個人都能發揮3D的威力。SolidWorks公司是第一家開發出既易用,價格又適中的強大3D機械設計軟件的公司。今天,SolidWorks軟件在實際用戶數量、客戶滿意度和銷售方面均是主流市場上排在世界第一位的3D設計軟件,是全球主流的三維設計軟件。