基于NX的挖掘机斗杆参数化建模与强度仿真分析

张 俊，吕 震，谭孝天

(浙江大学城市学院 工程学院，浙江 杭州 310015)

挖掘机是开挖土壤的施工机械，主要用于筑路工程中的堑壕开挖，水利工程中的河道疏浚，露天开采中的矿石挖掘等，具有高产量、高速度、高效能等优点[1]。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机已经成为工程建设中最主要的工程机械之一[2]。据统计，目前工程施工中约60%的土石方量靠挖掘机完成[3]。

挖掘机主要由斗杆、铲斗、动臂、回转平台、动力传动装置、行走机构等部件组成，其中斗杆是连接动臂和铲斗的关键部件，其结构复杂，设计时往往会花费大量的人力和财力[4]。为了在较短的时间内完成复杂结构的系列产品设计以应对迅速变化的市场需求，针对挖掘机主要零部件模型的快速参数化设计的研究已经成为科研工作者重要的研究领域。

参数化设计思想从20世纪70年代开始出现，目前已经在国内外多种商业建模软件中得到广泛的应用。参数化设计思想在挖掘机主要零部件模型设计上的研究主要有：Solazzi[5]通过评估和测量挖掘机机械臂各个部件的尺寸，根据机械原理建立了挖掘机的CAD模型；王水林[6]使用NX二次开发工具对矿用挖掘机进行了二次开发；文卫星[7]采用表达式的参数化方法建立了挖掘机工作装置的设计模块；陈饪尘[8]在NX平台上通过二次开发工具开发了挖掘机工作装置的参数化设计平台。本文在挖掘机传统设计经验的基础上，利用NX的WAVE和PTS模块功能，构建了挖掘机关键部件斗杆的参数化可重用设计模型。该模型可完成全新的关联尺寸的同步修改变形功能，缩短了挖掘机斗杆变型设计周期，提高了斗杆再设计效率。

1 斗杆参数化模型

1.1 Siemens NX技术

Siemens NX是一个交互式CAD/CAE/CAM系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂参数化实体及模型建构，已被多学科科研工作者广泛使用[9]。WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是NX中一个功能强大的模块，可实现产品装配组件间关联建模，Top-down自顶向下的建模方式是WAVE的指导思想，它使得在产品零部件间进行自顶向下的关联设计成为可能[10]；PTS (Product Template Studio)是NX中一个无代码实现人机交互设计的功能模块，通过PTS创建产品模板，可显著提高设计知识的重用度，使得面向对象的可视化参数设计成为可能。这些功能模块可以全面改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。

1.2 斗杆参数化模型的功能组成

斗杆是挖掘机的重要组成部分，主要由根脚支架、前端支架、中间支架以及各个连接板所组成，如图1所示。构建的斗杆参数化模型必须达到使用简单、方便，不会造成参数控制混乱的设计效果，并实现以下几个功能：

(1)在NX装配导航器中通过“编辑可重用组件”，打开模板浏览器后，可修改相关组件内的关键尺寸参数，从而模型可随之更新；

(2)当斗杆顶层模型的尺寸修改后，底层各子部件模型也将随之更新；

(3)当斗杆子部件模型的尺寸修改之后，与之相关联的同级模型也随之修改，从而带动斗杆顶层模型的更新；

1.前端支架;2.各连接板;3.根脚支架;4.中间支架。图1 斗杆组件Fig.1 Stick assembly

1.3 斗杆参数化模型设计流程

1.3.1 参数化装配模型构建

首先通过对比多系列挖掘机中斗杆零部件的主要参数，选取经常变动的参数作为重要控制参数，利用WAVE功能自顶向下的建模方式建立重用部件的参数化装配模型。

1.3.2 交互式对话框构建

通过使用NX/PTS模块，采用无代码对话框设计技术，完成斗杆模型的交互式对话框构建；再在对话框中配上相关视图和主要参数，来实现驱动和修改部件模型的功能。

2 基于WAVE的参数化装配模型构建

参数化建模是CAD技术的核心，参数化模型是使用PTS制作产品模板的前提，是实现知识重用的关键。参数化建模的关键在于运用参数、公式、链接、特征等来驱动和改变模型。目前绝大多数的CAD软件都具有参数化建模的功能，在Siemens NX系统中，WAVE就是其自顶向下的参数化装配建模的功能模块。

2.1 斗杆总体控制尺寸的选定

总体控制尺寸主要指影响产品功能和结构的参数。在运用NX/WAVE功能对挖掘机斗杆进行参数化建模时，首先依托挖掘机斗杆传统设计所积累的经验对斗杆的结构设计需求进行分析，再根据斗杆结构特点确立斗杆根脚支架孔为坐标原点，进而得出总体控制尺寸L1(前端支架孔相对坐标原点的水平坐标)、L2(中间支架孔相对坐标原点的水平坐标)、H(中间支架孔相对坐标原点的垂直坐标)，如图2所示。

图2 斗杆总体控制尺寸Fig.2 Overall control size of the stick

2.2 斗杆关联结构的确定

挖掘机斗杆组成结构较为复杂，为了表现斗杆清晰的关联设计结构，方便设计人员操作和管理，根据斗杆对称的结构特点、各零部件间草图、基准的相互关联关系，定义了斗杆部件和零件间的控制结构关系，如图3所示。

图3 斗杆零部件关联结构图Fig.3 Stick component related structure diagram

2.3 基于WAVE的斗杆参数化装配模型构建

挖掘机斗杆的参数化建模按照关联结构图，采用Top-down的设计方法，运用NX/WAVE功能模块分两层来顺序构建。

(1)首先运用NX的建模模块创建挖掘机斗杆的三维空模型并命名为“dougan”，将此作为整个装配模型的顶层组件；再利用表达式、基准及草图功能在空模型中创建斗杆的3个总体控制尺寸，如图4所示。

图4 总体控制尺寸创建Fig.4 Overall control size creation

(2) 利用WAVE“新建级别”功能新建斗杆各子部件，分别命名为“genjiaozj”“qianduanzj”“zhongjianzj”“ceb”“dib”“dingb”“hengb”，作为装配模型的底层组件；再使用WAVE几何链接器将顶层组件的几何特征关联复制到新建的各个底层组件中，再加上新建的草图共同创建底层几何特征。

现以根脚支架为例，其参数化模型的创建如图5所示。需要注意的是草图的创建必须符合规范，并保证全约束，而不能有虚约束和过约束。全约束的方案设计可能有多种，需要根据设计经验，选取一种较为合理的全约束方式，以达到设计要求。另外，底层各个子部件间也可能需要WAVE相互关联，以达到同步更新的目的。

当顶层模型的尺寸修改后，与之关联的各子部件模型也随之改变；当底层模型尺寸修改后，与之关联的底层子部件模型亦同步更新，从而实现装配级的参数化建模。

图5 底层根脚支架参数化模型构建Fig.5 Parametric model construction of root foot support

2.4 斗杆二维工程图创建

在挖掘机斗杆的实际工程设计过程中，当其零件的三维模型创建好之后，还要设计制作符合相应标准和规范的二维工程图，并进行尺寸及公差标注、注释、显示样式、属性填写等操作，然后对创建好的挖掘机斗杆二维工程图进行另存。

3 基于PTS的交互式对话框构建

PTS模块是NX面向用户、无需代码的参数化对话框设计工具。在NX中建立的表达式、草图数据等只需通过简单的拖动就可传递给PTS，最终生成拥有示图显示、数据输入等功能的用户参数对话框界面。这个用户界面可以直接嵌入NX装配模型文件中，使用者通过简单的界面操作可实现修改模型参数的功能。

斗杆的PTS对话框设计主要分为以下几个步骤：(1)启动PTS，导入斗杆参数化模型；(2)双击模型缩略图进入操作界面，在工作区域中添加类型块、组、分割符、位图等项目；(3)在模型操作界面，采用拖放功能将参数化建模时建立的相关尺寸、表达式等拖放至对应的组中；(4)添加之前创建好的二维工程图进入PTS，建立模型和二维图之间的联系。

根据斗杆的PTS对话框设计步骤，得到斗杆顶层总体控制尺寸以及底层根脚支架尺寸设计对话框如图6所示。

图6 斗杆总控尺寸与根脚支架尺寸设计对话框Fig.6 Stick overall control size and root bracket size design dialog

4 斗杆参数化模型运行

启动NX，打开“dougan.prt”文件，在建模环境下的装配导航器中选择顶层组件，鼠标右键选择“编辑可重用组件”调出模板浏览器，进入参数化建模对话框；双击打开的模板浏览器中顶层和底层的各个组件，修改相应的尺寸即可实现模型及二维工程图的关联更新。

以斗杆总体控制尺寸L1为例，修改前后模型对比如图7所示。

5 基于UG/Open的菜单栏创建

UG/Open是系列UG NX开发工具的总称，它为用户或第三方开发人员提供了开发工具。

a L1=4 350 mm

b L1=5 500 mm图7 L1修改前后的模型对比图Fig.7 Model comparison chart before and after L1 modification

基于UG/Open的斗杆的菜单栏设计有“打开文件”“编辑可重用组件”“测量部件重量”“导出X_T文件”等功能，系统使用者利用这些功能模块可以便捷地完成参数化模型的创建、修改、称重和导出工作，为下一步动态强度仿真提供模型支持。

斗杆菜单栏效果如图8所示。

图8 斗杆菜单栏效果图Fig.8 Stick menu bar renderings

6 模型动态强度仿真分析

为验证斗杆部件是否达到设计的强度要求，采用有限元分析软件ansys以及运动学仿真软件adams联合仿真对斗杆进行动态强度分析，步骤如下：

(1) 利用NX导出X_T格式的简化斗杆模型文件，并导入ansys，进行网格划分，创建一个斗杆的.mnf模态中性文件，并将其导入adams软件，与工作装置的铲斗和动臂部件进行装配；

(2) 在斗杆与铲斗和动臂之间添加旋转副约束，斗杆、动臂和铲斗与各自驱动缸铰接处添加旋转副约束，驱动缸缸体与活塞杆之间添加滑动副约束；

(3) 在滑动副上添加驱动并由相应的驱动函数控制，在斗杆上添加重力载荷；

运行5 s仿真得到在平推工况、挖掘工况以及举升工况下的应力变化情况，对比分析可得斗杆的最大应力时刻发生在挖掘工况下。

图9为斗杆在挖掘工况下最大应力时刻的应力云图以及相应的应力热点信息图。

应力热点应力值/(N·mm-2)节点时间/s生标值/mmX Y Z1162.02334408511654.9-180.5576879.392156.68234409511615.4-10.566870.863155.71934407511692-180.5526895.684141.56634406511725-180.5456919.085139.52534410511579.9-180.5616870.07

图9斗杆挖掘工况最大应力时刻应力云图及应力热点信息
Fig.9Stressdiagram&hotspotsinformationofthemaximumstressmomentofstick

由图9可知，斗杆应力最大值162.02 MPa出现在斗杆的中间支架与液压缸的铰接处，并未超出斗杆材料的应力极限300 MPa，符合设计要求。

7 结论与展望

利用NX/WAVE技术，通过表达式建立、参数关联、特征链接的方法实现了挖掘机斗杆模型的参数化构建；利用无需代码的NX/PTS模块创建了斗杆的交互式对话框，通过动态强度仿真验证了利用本模型设计的斗杆符合强度要求。

整个参数化模型实现了顶层模型尺寸修改带动关联子部件模型同步修改、底层模型尺寸修改带动关联的底层模型同步修改的功能，交互式对话框界面简洁、操作简单，动态强度仿真符合设计要求，挖掘机关键部件的再设计效率大幅提高。

在下一阶段，将完成铲斗和动臂的参数化模型构建，以完成整个工作装置的参数化模型开发。