基于SolidWorks的缆绳挖泥装置虚拟样机设计

2018-07-27王星李治国刘晓飞郭伟军

科技视界 2018年9期

王星　李治国　刘晓飞　郭伟军

【摘要】为了分析缆绳挖泥装置的机械特性，运用SolidWorks软件建立缆绳挖泥装置的虚拟样机。利用外点惩罚函数法对抓斗结构参数进行优化，并在C++语言环境编写优化程序。建立缆绳挖泥装置各零部件模型，并进行组合装配，运动仿真，干涉检验机构不存在干涉。用SolidWorks simulation进行有限元分析，得出应力最大点集中在抓斗背部中间位置，最大应力为1474.4KN，许用应力为710000KN，经校核满足应力要求。为计算工作效率，仿真模拟真实运动过程，输出抓斗速度、加速度曲线。

【关键词】虚拟样机；机械优化；运动仿真；有限元分析

中图分类号： TH212 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0238-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.116

Cable dredging based on SolidWorks Device Virtual Prototyping

WANG Xing LI Zhi-guo LIU Xiao-fei GUO Wei-jun

（College of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010051， China）

【Abstract】In order to analyze the mechanical characteristics of the cable dredging device， SolidWorks software was used to establish the virtual prototype of the cable dredging device. The external point penalty function method is used to optimize the grab structure parameters， and an optimization program is written in the C++ language environment. The model of each part of the cable dredging device was established， and the assembly， motion simulation， and interference inspection agencies had no interference. The finite element analysis using SolidWorks simulation shows that the maximum stress is concentrated in the middle of the back of the grab. The maximum stress is 1474.4KN， the allowable stress is 710000KN， and the stress is checked to meet the stress requirement. To calculate the work efficiency， simulation simulates the real motion process and outputs the grab speed and acceleration curve.

【Key words】Virtual prototyping；Mechanical optimization；Motion simulation；Finite element analysis

0 引言

中国目前的疏浚能力位居全球第三，我国的疏浚市场也凸显着强大的生命力与市场前景[1]，潜力大且后劲足，挖泥船不断出厂，年疏浚能力超过53亿立方米[2]。我们本次研究的内容就是小型挖泥船的核心装置之一抓斗。抓斗作为一个简单机械，在我国的研究比较少，且结构各异，标准没有严格的统一。国内多家起重机械公司也仅仅是依据市场的需求自己设计一些抓斗，包括两爪式、三爪式、链式等等[3]。

依据我们所要抓取的对象——泥沙，既要考虑到保持效率，又考虑到泥沙的流动性特点，我们此次的设计采用两爪式抓斗。利用SolidWorks软件建立分析模型，之后对模型进行干涉检测、运动仿真、有限元分析等，并输出运动曲线等工作。

1 抓斗结构尺寸参数优化

抓斗涉及四个主要参数：单侧抓斗容量Q、抓斗宽B、以转动点为圆心到外廓的半径R、抓斗满角Φ[4-5]。R、B、Q三者之间有以下数学关系：Q=0.5R2*B（2tan（φ）-sin（φ））ks（1）

式中ks为土壤松散系数，近似值取1.25。单侧抓斗容量Q=0.65m3。然后利用外点惩罚函数法，对结构参数进行优化，并利用C++编写程序，优化后得：R=0.94m，φ=49.7°，B=0.73m。界面及结果如下图1。

2 建立虚拟样机

2.1 建立部件模型

根据优化后的数据，在SolidWorks软件上建立缆绳挖泥装置的84个模型。在设计模型时考虑到泥沙对机械设备的侵蚀，机械中鲜有齿轮轴承等部件，动力源也是采用液压驱动以及提拉式驱动等方式[6]。

2.2 零件裝配

在SolidWorks中装配采用先整体后局部的装配思路。首先将顶架固定，导入抓斗和液压缸，采用连杆将三者连接。而后导入中间的滑动部分，用中间导杆连接顶架和滑动部分。最后用销钉齿轮等部件连接细节处。装配后结果如图2所示。由于绳索为非刚性部件，在SolidWorks中无法表达，所以初步建立刚性绳索模型，以便读者能直观的看到。

2.3 干涉检测

干涉检测主要的作用是检测在建模过程中结构存在的不合理现象，“无干涉”是能顺利进行有限元分析的前提条件，对此我们对整体做了干涉检测工作。结果显示不存在干涉。

2.4 运动仿真

装配完成后的机构应达到运动要求，拖动关键部件，可以实现抓斗的张开与闭合。为了能进一步研究机构的运动，以及某点的速度、加速度等，我们进行了运动仿真工作。按照实际要求，机构的动力源是液压缸以及中间的提拉缆绳，给液压缸加装直线运动型电机，使其可以上下运动。运动曲线采用震荡形式，使机械做往复式运动。规定运动速度以及运动方向、距离以后，即可实现运动[7]。

3 有限元分析与运动曲线研究

3.1 受力计算

抓斗机是一个对称结构，所以研究时仅对单侧抓斗进行讨论。单侧抓斗抓取重物时的受力较复杂，本项目对受力进行了简化，只分析计算了抓斗主要阻力，分析如图3所示：

F—水平刃口切入阻力； y—挖掘深度；切入阻力的计算（以下数据除优化所得，其他均为查资料所得）

其中：γ—物料容重，查资料得1.5KN/m3；f0—物料内摩擦系数，查资料得0.8；δ—铲厚度，δ=0.05m；a—物料平均粒度，查资料得12～17μm；B—斗宽，B=0.73m；y—切入深度（m）；

计算得：F=228.9KN。

3.2 有限元分析

有限元分析是给目标定义材料后再对目标施加我们给与的力，分析目标是否满足我们预定的要求[8]。

首先定义设想材料，定义为AISI4340钢，正火，弹性模量2.05e+011N/m2，泊松比0.32，屈服强度7.1*108N。添加切入阻力F，分析结果如图4所示。图中是抓斗背部部分，显示最大应力集中点在两板交接处红色部分，屈服力为710000KN，最大应力为1474.4KN，所以材料满足要求。

3.3 运动曲线分析

motion分析工作是建立在运动仿真上的，仿真生成录像以后，点击结果的图像按钮，添加分析元素：速度/加速度，分析加速度，在Y周平面内，拾取抓斗上的一个点，即可得出运动图像。实际中我们选择了机构中该部位进行Y轴方向的加速度分析[9]。

4 结论与讨论