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锤式破碎机可重用的动态仿真和数字化分析
发布时间：2013-09-12 08:33 来源：未知
0、引言
随着科学技术和人类需求多样化的发展，现代产品的设计研发呈现了许多新的特点：高科技化、多学科化、多功能化等，现代产品多为一个复杂的系统，其组成关系复杂，与外界环境的交互关系复杂，开发过程复杂，涉及的子系统多，学科技术种类多，人员与研发工具多．一类以多领域协同的CAX/DFX为特征的复杂产品的数字样机技术，正成为制造业产品研发的热点．
复杂产品一般指客户需求复杂，产品组成复杂，产品研发技术复杂，产品制造工艺复杂，项目管理复杂等的一类产品，这类产品一般有涵盖理论领域广的特点，该类型的样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体，包括产品的CAD模型、外观表示模型、功能和性能仿真模型以及环境设计模型．该样机涉及的仿真类型多、学科领域多，应用范围广，涉及虚拟仿真和构造仿真，包括机械、电子、控制、软件等多学科领域，该类型样机将应用于产品开发制造的全生命周期，包括需求分析和定义、概念设计、生产制造、测试评估、使用、维护训练直至销毁等不同阶段，
破碎机作为一种机械类产品，其本身也具备复杂产品的特点，对于锤式破碎机而言，关键零部件很难用理论计算来得出其详细的受力状况，而载荷大小又是设计其结构尺寸特征，保证其在工作状况下安全、可靠的重要依赖因素．国内外对这方面的研究也仅仅是在假设原则下单个锤头碰撞单个矿物模型的分析，这种分析和实际的破碎过程差别很大．而采用数字样机技术不仅能很好地解决破碎机产品研发中遇到的诸多难题，而且能对各方面因素对其结构的影响提供科学分析。
1、建立破碎机的几何模型和动力学仿真模型
1.1建立破碎机几何模型
Pro／Engineer wildfire是美国参数科技公司推出的三维建模软件，它具有基于特征、全参数、全相关、单一数据库等特点，产品的整个设计过程可以完全在三维模型上完成，形象直观，它具有单一数据库，任何一处发生参数改动，都反映到整个设计过程的相关环节．单一数据库技术和全相关功能，为并行工程的实施提供一个良好的开发平台．
图l所示为建立的PCM400锤式破碎机关键零件的几何模型和总装配图．
1.2建立破碎机动力学仿真模型
在Pro/E中把建立的锤式破碎机的几何模型导出为parasolid(+x-t)格式的文件，此文件能被ADAMS软件读�。贏DAMS中选择“Import a fde”读入此文件，为建立锤式破碎机动力学仿真模型做准备．
在ADAMS中对导入的装配模型施加约束和驱动具体如下：
1)在锤体和锤头部分创建固定约束；
2)在键和主轴间创建固定约束；
3)在键和锤体间创建固定约束；
4)在锤头和壳体之间创建固定约束：
5)在主轴一端中心处创建旋转副；
6)创建驱动电机，在旋转副上添加旋转速度；
7)在锤头和煤块之间创建碰撞副；
8)设置煤块的密度为l.80g/cm3，矿物的尺寸选择为最大通过尺寸1110mmx400 mmx618 mm，仿真最恶劣工作环境．
1.3实现动态仿真
用动力学可视化仿真的方法不用创建机械系统的数学模型和列出描述系统特性的微分方程，应用动力学可视化仿真软件就可进行上述求解，不仅可以对线性系统进行求解也可以对非线性系统进行求解．图3为锤头l上的速度、加速度、角速度、角加速度的运动曲线图．
2、建立ANSYS&ADAMS联合仿真分析平台
2.1建立可重用有限元模型
运用ANSYS&APDL，实现了参数化建模和自动控制求解，从而降低人工操作的复杂性和困难程度，以便构建数字化的可重用的分析模型，通过改变样机结构参数，从而改变样机结构特征，为实现面向不同需求的产品设计提供参考．而关键参数即为结构在设计过程中需要着重考虑零部件的尺寸，主要是主轴轴径大小以及与其存在尺寸耦合部分的结构尺寸，
在建模过程中，为了方便后续ANSYS分析，需要对模型进行适当的简化，另一方面由于破碎机为对称结构，所以建模时采用对称方式建立模型，并在分析过程中设置对称约束，只对一半的装配模型进行分析，在分析完毕后扩展模型得到整体结构的计算结果，这样不仅可以得到想要的结果，还可以大大节省资源，缩短计算机时．
在ANSYS中建立的破碎机模型如图4所示，划分完网格后的有限元模型如图5所示．
2.2建立联合仿真分析平台
结构分析利用ANSYS和ADAMS构建的联合分析平台来实现，因为锤头破碎物料时受力状况极其复杂，无法通过传统的方法来得到锤头上各个时刻的受力，所以利用ADAMS仿真来得到锤头受力状况，再加载到ANSYS中进行有限元分析．
随着对机械产品质量的要求不断提高，动力学分析的精度要求也不断提高，所以在动力学分析中，不仅要考虑刚体运动，还要考虑柔性体的运动情况，在机构动力学分析理论上趋向于多刚体动力学与多柔体动力学相结合进行分析．与之相对应，在实现动力学可视化分析上，趋向于应用机械刚体动力学分析软件与有限元分析软件相结合的模式进行分析，在软件应用上，包括CAD软件、多体动力学分析软件ADAMS、有限元分析软件ANSYS.
柔性体将会对整个机械系统的运动产生重要影响，同样整个系统的运动情况也反过来决定丁每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布，因此对运动系统中的柔性体进行应力应变分析则需要用到ANSYS与ADAMS两个软件．
ANSYS与ADAMS联合分析平台如图6所示．
破碎机的工作过程是电机通过变速箱将力和运动传递给主轴，而后通过键把运动传递给锤体部分，采用螺栓组件将锤体和锤头刚性连接在一起，这样，就将电机的运动和力传递到执行部件—锤头上，这就是整个工作过程，基于ADAMS和ANSYS两个研究平台的分析特征，在此将破碎机主轴，锤体及锤头、键、螺栓组件等作为一个整体来研究，可称之为破碎机主体部分．其主要受如下类型的力．
1)摩擦载荷．作用在锤式破碎机主体上的摩擦载荷主要由轴与密封装置之间的摩擦、轴承的滚动产生的滚动摩擦及其它辅助装置的摩擦引起的．
2)惯性载荷．当破碎机具有角加速度时所产生的载荷．
3)阻尼载荷．阻尼载荷是与外界环境相关的一种载荷，其大小与运动物体的速度成正比，该载荷较小，一般分析时可不计．
4)工作载荷，锤式破碎机正常工作时，锤头与煤岩冲击碰撞，将产生的作用力．在碰撞时，虽然锤式破碎机的锤头与煤岩的速度发生有限的变化，但由于碰撞时间极短，加速度很大，将出现巨大的碰撞力，其值远大于前三者，占到90%以上，在分析中只考虑工作载荷即可．
2.3创建锤头柔性体
1)建立模型，对模型划分网格．
2)建立外部节点．外部节点在ANSYS程序中即指柔性体与刚性体联结位置处的节点，用于在ADAMS所进行的运动学分析中，连接柔性体与刚性体，当在ANSYS中建立模型需要运用到ADAMS仿真中时，在结构体中如何选取外部节点是一个很重要的问题，一般来说．一个关节位置只使用一个节点作为外部节点，如果柔性体的连接部位为空心，则需要在连接处创建节点作为外部节点，外部节点与其周围的柔性体节点一般使用刚性区域来定义．
3)统一单位．
4)输出ADAMS (MNF)文件，
*MNF文件是从ansys中生成adams软件所使用的柔性体模态中性文件，该文件中包含了柔性体的质量，质心，转动惯量，频率，振型以及对载荷的参与因子等信息．
在破碎机中，由于锤头的斜面是碰撞的主要位置，故必须选择斜面上的所有节点进行耦合与外部节点进行连接，以保证有限元分析过程中模拟碰撞力的准确性．另外还要创建一个节点作为锤头与锤体的连接点，
图7所示把柔性体部件导入到ADAMS中，进行仿真，仿真结束后，图8所示导出作用在柔性体上的载荷文件-Lod文件，把ADAMS仿真得到的Locl文件加载到ANSYS中，并对模型旌加相应的约束，进行瞬态动力学分析，如图9所示．
2.4有限元分析结果
通过以上得出的关键零部件的应力值与许用应力值进行比较，发现其值远远小于各个零件材料的屈服极限，可以满足使用要求．
3、结论
数字样机技术是以CAX/DFX技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟现实、仿真技术、三维计算机图形技术，为产品的研发提供全新的数字化设计方法．
在数字化设计的大背景下，以锤式破碎机为研究对象，对其进行数字样机的建模与分析，具有十分重要的研究意义．
本文相关研究内容和结论主要体现在以下几个方面：
1)利用Pro/E三维造型软件对破碎机的关键零部件进行建模及装配，并利用Pro/E与ADAMS的软件接口，把装配模型导入到ADAMS中，建立动力学仿真模型，实现锤式破碎机动态仿真，得到锤头上的运动曲线图。用性能，因此，该方案设计欠佳．
4、结束语
1)在压铸工艺设计过程中充分利用CAD/CAE技术，可缩短设计周期、提高设计效率，有效减少试验次数并降低设计成本。
2)采用方案2所示环形浇注系统，可实现镁合金汽车方向盘压铸件充型平稳、完整，夹杂物缺陷少，产品质量好，是较合理的工艺方案。
