CAD与CAE设计方法在液压支架设计中的应用

摘要 当前，AutoCAD 软件成为了我国液压支架图纸设计所使用的主要软件，对于设计现有的支架 ，CAD 软件仅仅对设计环境有所改变，可是并没有改变设计过程的基本概念，所以它并没有改变传统手工绘图所遇到的图形表达与标注错误等障碍。应用三维 CAD建模设计液压支架，综合运用CAE手段,对液压支架进行三维建模,运动仿真及动力学分析,检查运动干涉,并对其结构件双伸缩立柱进行了偏载有限元仿真分析，能使设计者不再受到这些低级错误的困扰，以往的问题在由于现代计算机技术而迎刃而解，设计质量得到提高，设计周期得以缩短，企业的竞争力也随之大幅提高。本文将通过CAD与CAE设计方法在液压支架设计中的应用，系统地讲述现代设计软件与设计技术在现代机械行业中的发展。

关键词 液压支架；CAD；CAE；有限元软件；三维建模；实体模型

中图分类号TP31 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）65-0173-03

0引言

近阶段，世界各国都对液压支架的研发和设计非常重视。尤其是近年来，随着各国在经济与科技领域的合作不断扩大，技术不断得到完善和发展，作为液压支架，很多机械化生产中的关键设备，在CAD与CAE软件里也得到了不同程度的发展。世界各国从20世纪70年代开始，对CAD以及CAE软件应用于液压支架设计方面的工作，做了许多研究和工作，并且带来了非常不错的经济效益。给机械行业的发展以新的前景与启示，使世界工业实现自动化和精密化发展提供了可能。

1 CAD与CAE软件于液压支架设计中的应用

CAD在其发明的初期是英文Computer Aided Drafting（计算机辅助制图）的缩写，由于计算机软件技术和硬件技术的逐渐发展，人们慢慢地认识到单一地只运用计算机制图还不可以称之为计算机辅助设计；对于整个产品，包括产品的构思、产品的功能设计、产品的结构分析和产品的加工制造等的设计才是真正的设计。二维的工程图设计只是产品设计中的一个分支；由于这些原因，Computer Aided Design也取代了Computer Aided Drafting，成为了CAD的代称。与此同时，CAD也拜托了辅助绘图这个单一地功能，成为了整个产品的辅助设计工具。

CAE、PDM以及CAM等软件都是在CAD的基础上实现的。对于CAE来说，CAD不仅为单个零件提供造型设计、还为整机提供有限元分析、机构的运动分析、造型设计以及装配成型。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE、CAM和PDM中有所反应。总而言之，一旦CAD做得不理想，CAE、PDM以及CAM就很难做好。

CAE是计算机辅助工程的英文缩写，其全称是Computer-Aided Engineering。随着计算技术的逐步应用，对于每个即将投产的产品，企业都可以先在计算机上建立一个数字样机，然后通过数字样机来模拟产品和零件的工作状态，通过这些模拟实验来对零件和产品做出工程校验、有限元分析以及计算机仿真。在产品研发过程中，企业通过CAE模拟软件的应用，可以方便地对零件和产品进行仿真检测。这些仿真实验能够得到零件或者是产品的相关运行参数，对于产品缺陷的发现、产品设计的优化以及产品的设计成本的降低有这极大的促进作用。而且CAE软件模拟能对产品维护检修提供很大的帮助。例如：分析产品故障的原因以及产品质量因素等。 CAE软件通常会有有限元分析模块。把物体，也可以称之为连续的求解域，通过离散的方法分解为有限个简单单元的组成形式是有限单元法的基本思路。为了将连续的具有无限个自由度的问题进行简化，形成离散的有限自由度问题，需要对这些被离散过得单元进行模拟并且得到原来的物体。通过对被离散的物体的每个单元进行有限元分析，进而能得到物体被离散前的分析结构。并且所得到的解会随着单元数目的增加而越来越准确得逼近真实的情况。

最新研究表明，许多复杂的，诸如机构分析、强度分析、静态干涉检查、动力学分析、动态干涉分析以及装配模拟等工作，都可以通过在由CAD软件创建的实体模型上进行。而一些简单的工作比如模型的铸造、加工以及产品效果的渲染处理等，也能由此实现。与以往通过消耗大量资源的基于传统理念的设计思路“物理样机验证试验”相比，基于三维模型的CAE分析，凭借着其能够借助现代计算机所拥有的突出的数值计算能力，能够建立“虚拟样机”，从而有效地降低了设计成本并且使设计周期缩短。并且，随着信息技术的进步，这种基于CAE技术的产品设计手段将会越来越有效。

2 通过有限元软件实现液压支架运动的仿真

目前，市面上有关于CAD以及CAE的软件很多，大部分的三维机械设计软件除了能够实现三维建模功能以外，都附带有用于结构分析的有限元模块。而动力学模块以及机构干涉检查运动学模块等常见的模块，大部分软件也会带有。UnigraphicsSolutions公司推出的产品：UG，以其突破传统模式的创新性，为用户带来了与众不同的模型建立系统。UG软件非常有效地将参数化与变量化等先进的技术与以往的平面功能如实体、线框等相结合，并且广泛得为许多软件公司所采用。UG软件是基于许多传统的功能比如说曲面造型、二维空间绘图亦或是数控加工编程等发展起来的。UnigraphicsSolutions公司于上世纪90年代后期成功得将Intergraph公司的运用于机械方面的CAD产品合并，并且通过Parasolid平台统一了微机版的SOLIDEDGE软件。并通过这项运作，组建了一个既有WindowsNT微机版，又有Unix工作站版的相对完整的集成了CAD、CAE、CAM的系统。美国参数技术公司(PTC)，提供了一款有趣的产品叫做Pro/Engineer。PTC公司提出许多从未有过的理念：单一数据库、参数化、基于特性、全相关等等，这些理念改变了传统的机械设计软件的概念, 其带来的这种前所未有的理念已经作为新的标准在世界范围内的机械CAD/CAE设计方案所推广应用。利用这种理念研制出来的第3代机械CAD/CAE产品Pro/Engineer-wildfire野火版便是采用这种理念所开发出来的，这种产品能够充分地利用网络资源,并且充分得表达了并行工程的内在理念。

应用于Windows平台上得机械设计软件有生信国际有限公司出品的SolidWorks。改公司的产品可以形容为：应用于Windows平台的集成CAD、CAE、CAM和PDM功能的桌面系统。其核心是SolidWorks软件。这个桌面系统包括有各种各样的应用，最主要的有工程数据管理、运动分析、结构分析以及数控加工等。SolidWorks是最近涌现出的应用于微型计算机上的参数化特征造型软件，其主要优点是价格低廉，使众多从事机械设计工作的人员可以在舒适的界面与环境中运用实体造型等实用的功能。SolidWorks是应用于Windows平台的特征造型软件，它能实现全参数化，并且在工程图的生成、复杂装配以及三维零件的造型设计方面也非常便捷。

由于整个设计过程全部建立在物体的三维模型上，通过直观的图形与图像将产品的设计与思路进行了清晰的表达，三维CAD技术符合了人们正常的思维习惯，成为广大设计者所常用的设计软件。

3 液压支架设计中的三维CAD建模

线框建模、表面建模以及实体建模是三维建模的三个组成部分。在液压支架设计时，我们通常采用的是实体建模，原因是在计算机内部，只有要对几何物体实行独一无二的无冲突的完整的描绘必须采用实体模型。这样做得好处是我们每做一次有效的操作，都能生成一个有效的模型，这样就能使设计工作者摆脱几何一致性检查这种浪费时间与精力的步骤，将宝贵的精力投入到其他工作中。三维实体建模可以为设计者提供众多帮助：对复杂的形体进行形象的描述与清晰的表达，简化评价的难度；按照设计师的要求在3D模型的基础上做出产品的剖面图与效果图；进行产品装配过程的研究以及空间布局的研究；实现干涉碰撞问题的简化；模拟空间运动，仿真加工顺序；实现有限元模型的自动生成。

顶梁、掩护梁、底座、尾梁、侧护板、护帮机构、推移机构、立柱、千斤顶和液压控制系统等不同构建组成了液压支架的主要部分。通过组焊钢板来得到结构件，但是这样的情况下得到的结构件不规则并且有很大的形变。从优化结构设计的角度讲，最好是在支架的总体方案设计完成后，再建立液压支架的三维模型，这样就能轻松地实现对支架的几何结构干涉问题进行检查。

对于支架强度分析来说，三维建模在液压支架设计上得运用能大大地提升它的效率。支架有限元分析需要以三维建模为基础，CAD软件拥有有效的模型建立功能，通过它的运用，我们能够将支架的实体模型建立起来，之后再借助接口的转换，将实体模型置于有限元软件中分析，从而得到需要的结果。《液压支架通用技术条件》对于不同的加载方式都有详细的规定，将不同的垫块放置在在支架模型的不同位置上，以此来模拟其承担井下围岩的挤压力时的工况，通过定义求解项和程序的运算，软件模拟其在多项空间力系作用下的应力变化和形状变化的分布状态，可以用云图的形式来输出用以表明变形、应力等趋势和以颜色表示的数值，为以后的支架设计优化提供数据参考。

4 设计方案的优化以及CAE应用的作用

通过运用先进的计算机所拥有的非凡的数值计算能力来制作虚拟样机，并将此种虚拟样机用来取代传统液压支架设计中需要花费大量资源的验证物理样机的过程,CAE软件设计能够将样本的设计周期极大地压缩并且将设计成本降到很低的水平。在确定产品设计方案的过程中，有限元计算作为检验液压支架的力学性能的一种仿真手段，一直都非常受到重视, 但是其却并没有作为普遍应用的设计手段得以推广应用，究其原因主要有过于繁杂的计算过程, 边界条件无法确定, 过长的计算时间等。不过其作为一种可行的数值计算方法,有限元法可以轻松解决很多问题，比如说对于结构形状、载荷和支撑情况复杂的零部件进行应力分析等， 这是任何其他传统的设计方法不能做到的。因而, 有限元法在机械设备的强度计算中的占据了非常有利的位置。在立柱、千斤顶产品和技术标准更新的研究课题中, 采用ANSYS软件对新型QXEK200千斤顶和LSGGK360立柱进行了整体有限元仿真分析计算, 以了解立柱、千斤顶的整体应力及其应力分布情况。并对立柱、千斤顶的局部构造进行了有限元仿真分析, 用来处理无法通过常规计算方法来实现的的计算局部应力的问题。

通过美国机械工程师协会( ASME) 、美国核安全局( NQA) 等权威机构认证的标准化的设计软件：ANSYS软件，是近年来全世界应用最为普遍的CAE分析软件。并且其是首个通过了中国压力窗口标准化技术委员会的认证，而且在众多个部委被广泛应用的分析软件。ANSYS分析软件现在已经为全世界超过七成的高校和研究机构所使用。ANSYS分析软件不同于之前PTC公司(其全称为 ParametricTechnology Corporation) 的软件Pro/Engineer本身就有的有限元分析模块和SolidWorks的cosmos模块, 它的功能以及界面都有了较大的改观, 并且在此基础上实现了这两个软件没有办法做到的约束、加载边界工况。ANSYS分析软件适应于各种类型的设计工作并且能够胜任之。

由于千斤顶和需要加载的立柱模型具有非常繁杂的表面与边界条件, 双伸缩立柱的外侧为具有球形地面的外缸, 柱头在其活动端为球形, 结构具有不规则的立体形状,但是边界条件和载荷情况与实际工况相一致是模型分析所要求的基本原则, 因为只有这样的计算结果才具有参考价值, 除此之外,在导向环以及密封装置等环节的作用下，各个相互接触的面之间（双伸缩立柱的外缸、中缸以及小柱发生接触的部分；千斤顶的活塞和缸体之间）会发生相互作用, 在这些地方创建面-面接触单元并且对其相互作用力进行模拟; 运用耦合自由度法来对节点的自由度进行限定，并且运用了多种处理方法进行建模工作, 建立了用来定义边界坐标的局部坐标系, 以此最大限度地与实体工况相一致, 同时不出现附加应力。

通过对CAE软件的综合运用，在液压支架设计阶段能够借助于三维造型对液压支架进行有限元、运动仿真以及动力学方面的研究与分析，从而有效地减少在运动中产生机构干涉现象, 这样一来，设计中的虚拟样机检验就能产生非常大的作用, 并且确保液压支架的安全性以及可靠性, 对结构的合理性进行较大优化, 并且对探索液压支架设计的新思路,液压支架设计水平的提高有很大帮助。

5 结论

三维 CAD软件 为虚拟产品的描述带来了前所未有的福音，以支架方案设计为开始，然后进行详细的设计、计算以及图形绘制，最后是产品的完善，支架生产设计制造的全过程都是在三维CAD软件的帮助下完成的。由于通过实体模型，我们能得到产品完整的特性数据，物理模型或者样品的制造就变得没有必要了，这样就大大缩短了模型或样品制作过程所用去的时间。

通过三维建模设计液压支架的成功，使设计者摆脱图纸低级错误的困扰，运用计算机技术解决这些问题，提高了设计质量，缩短了设计周期，更好地为企业现代化生产服务。

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