搜索3D技術在環(huán)保疏浚機具研制中的應用
2013-05-26 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
疏浚市場的不斷變化,使得疏浚公司更換設備與技術愈來愈快,環(huán)保疏浚新技術能夠創(chuàng)造新市場。隨著計算機和網(wǎng)絡技術的發(fā)展,使得3D數(shù)字化技術為疏浚作業(yè)系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式運行、虛擬協(xié)作、遠程操作與監(jiān)控等提供了可能。將3D技術應用于環(huán)保疏浚行業(yè),對環(huán)保疏浚機具研制和環(huán)境保護都將起到積極推動作用。本文通過3D技術研究示例介紹了環(huán)保疏浚機具的研究技術。
一、引言
我國疏浚設備發(fā)展歷程經(jīng)歷了以下三個階段:
(1) 測繪、設計仿造階段----到60年代末期處于仿制階段;
(2) 獨立開發(fā)設計階段 ---- 70年代初期至80年代,我國挖泥船開始走上獨立設計階段,一批專業(yè)化的工程船建造廠及設備配套廠初步形成,并開發(fā)出一大批國內(nèi)急需、具有一定技術水準的船型。
(3) 以高新技術為目標的高性能挖泥船研制階段 ---- 進入90年代,一大批高技術含量的創(chuàng)新產(chǎn)品相繼問世,填補了國內(nèi)多項空白,包括配套的挖泥機具等,部分產(chǎn)品的性能已接近國際水平,并形成批量生產(chǎn),還實現(xiàn)了挖泥船出口的歷史性突破,充分表明我國挖泥船技術躍上了一個新臺階,縮短了與世界先進水平的差距。更換現(xiàn)代設備是很重要的投資,設備設計能力,交貨時間是很重要的。
尤其值得指出的是,進入90年代以來,隨著人們環(huán)保意識的不斷增強,各類環(huán)保挖泥船相繼研究成功。如:IHC的環(huán)保型絞刀頭,日本的旋轉刮刀集泥機,ELLICOTT的小型泥貓挖掘機,HAM公司的全封閉抓斗,ET公司的子、母式潛水清淤機等爭相問世。
市場競爭說到底就是高新技術的競爭,上述公司在市場中的輝煌業(yè)績就是最好的印證。
二、3D技術對環(huán)保疏浚機具研制的意義
加大力度發(fā)展我國疏浚機具,實現(xiàn)“國輪國造”,不僅必要,也是完全可能的。經(jīng)過幾代人的掙扎、拼搏,不僅研制水平有了重大突破,而且形成了一定的規(guī)模。我們已相繼研制成功技術形態(tài)比較先進的耙吸、絞吸、吸盤、鏈斗、抓斗、鏟斗、斗輪、螺旋切刀、氣力泵、噴射泵等各型產(chǎn)品,除環(huán)保疏浚設備外,基本覆蓋了國際上現(xiàn)有挖泥船品種,一定程度上滿足了國內(nèi)經(jīng)濟建設和國防的需要,并躋身國際市場,所以,環(huán)保疏浚設備自主研發(fā)更具有實際意義:
(1)具有價格上的明顯優(yōu)勢,通常國內(nèi)船價只及進口船的1/3~2/3,能以有限的資金投入,更大程度地滿足國內(nèi)需求。
(2)拉動內(nèi)需形成新的經(jīng)濟增長點,在荷蘭,僅為挖泥船配套的廠家就有520余家,我國的配套廠斷不低于這個數(shù)字。
(3)解決一大批船廠及設備配套廠下崗職工的就業(yè)困難,救活一大批企業(yè)?！鞍俅こ獭?999年計劃投產(chǎn)的53艘挖泥船尚未出臺之前,踏破水利部門檻的船廠、設備廠、及設計單位足有百家之多,形成“百家爭百船”的火爆局面!
(4)有利于造就一大批挖泥船設計建造的技術隊伍,提高我國挖泥船建造的整體水平,增強在國際挖泥船市場的競爭力。
(5)有利于擺脫國外對我國環(huán)保疏浚市場的長期壟斷。
我國急需大量的挖泥船,這已是不爭的事實。我國已有相當一批較為成熟的國產(chǎn)挖泥船船型可供建造,我國眾多的中、小船廠普遍任務不足、急待訂單,現(xiàn)階段年建造五、六十艘中小型挖泥船,相信沒有疑問?！笆濉逼陂g我國應能新造大約300艘高性能挖泥船,以增加疏浚能力5~6億m3(含對舊船的更新),方可基本緩解防洪、清淤方面的需求并滿足大型疏浚工程的需要。立足國內(nèi)設計制造、引進關鍵裝備及技術 ,堅持走適合我國國情的發(fā)展道路 ---- 90年代以來,高技術含量,高附加值的環(huán)保挖泥船及大型挖泥船研制更有待國家政策上的扶持和統(tǒng)籌規(guī)劃。
三、3D技術在環(huán)保疏浚機具研制中的應用示例
3.1空間復雜絞刀刀臂的建模設計
絞刀刀臂呈空間復雜圓錐螺旋結構,空間角度參數(shù)多,結構設計要求高、難度大,而其結構設計的優(yōu)劣,直接影響著疏浚作業(yè)的產(chǎn)量和成效,所以,絞刀刀臂的結構優(yōu)化設計是疏浚刀具整體設計的難點和關鍵。絞刀組件(見圖一)是環(huán)保型挖泥刀具的關鍵部件,它由絞刀刀臂、刀轂、螺旋輸送機構、刀圈組焊而成。絞刀刀臂乃關鍵部件中的關鍵件,刀臂外形呈復雜空間圓錐結構,刀臂數(shù)量為6~10個,疏浚作業(yè)時,刀臂先接觸底泥,刀臂上的刀刃隨絞刀的旋轉疏松泥土并聚集進刀腔,刀臂的刃口均需分布在園錐面上,其螺旋角為40°~70°,錐角為20°~30°。刀臂刃口部分的前角與基面的夾角δ為10°~35°,后角α為28°~60°,刃口角β為18°~28°。絞刀刀臂是絞刀挖泥的切削部位,切削面是空間螺旋面,其空間姿態(tài)直接影響著挖掘效率。
圖 1
對絞刀臂進行三維建模,首先需要一條空間螺旋線,這條螺旋曲線是在二維狀態(tài)下通過預先設定參數(shù),求出空間各點擬合而成。利用AUTO CAD軟件先做出主、俯視圖對應關系,再進行等分,求出對應點上的坐標值。之后,在三維建模軟件下,輸入對應三維坐標點值,獲得空間擬合曲線作為刀臂建模的原始軌跡。
空間復雜環(huán)保型挖泥刀具關鍵件—絞刀刀臂的造型設計開發(fā)流程為:
借用二維CAD圖形的設計思想與三維建模的綜合應用,即采用畫法幾何原理, 把空間復雜絞刀刀臂在二維CAD作圖下求出的一系列特征點輸入到建模軟件中,擬合出特征曲線,經(jīng)過反復調整樣條曲線,優(yōu)化出理想角度參數(shù)的絞刀刀臂模型,以滿足環(huán)保疏浚設定要求。
3.1.1借用二維CAD確定特征點
對于空間復雜絞刀刀臂的建模設計技術,首先需要找到一系列滿足此空間結構特性的特征點,對于刀臂這一設定的空間螺旋結構,必須使此空間螺旋結構的一棱邊回轉輪廓在圓錐臺面上。而在二維CAD制圖上,可利用畫法幾何的投影原理求出一系列特征點(見圖二)。這些點的位置對模型的構造甚為重要,直接關系到特征線的質量。為了得到光滑的模型,我們采用的思路是:調整此空間螺旋結構的取點截面,間距過大,特征線擬合半徑變化越小,創(chuàng)建的模型就越光順,但模型的準確性就越差;反之,間距過小,特征線擬合半徑變化越大,創(chuàng)建的模型就越不光滑,但模型的準確性就越好。經(jīng)過反復調整優(yōu)化,在設定的誤差范圍內(nèi),可以確定出較合理的取點間距,獲得理想的一系列特征點。
圖 2
3.1.2采用三維建模軟件進行建模
根據(jù)上述設計思想,采用三維建模軟件對CAD軟件求出的一系列特征點進行擬合,求出此空間螺旋結構的特征曲線(見圖三)。應用三維建模軟件實體造型命令進行絞刀刀臂三維建模(見圖四)。同時,還可以應用建模軟件的測量、分析功能,對特征曲線逐步進行優(yōu)化,使其更符合空間螺旋體的設計要求。
圖 3
建模軟件對特征點的修改很方便。從二維CAD獲取的特征點被讀入建模軟件保存后,建模軟件即刻把這些點生成建模菜單下的編輯點,若要修改這些特征點時,調出建模軟件中的編輯點文件,修改輸值并保存后,即完成了修改。
圖 4
有效綜合應用二維CAD軟件優(yōu)化模型的特征點,配合三維建模軟件對模型的特征線進行優(yōu)化,應用二維軟件的結果完成建模軟件的三維建模,可提高空間復雜環(huán)保型挖泥刀具關鍵件—絞刀刀臂建模的效率和質量。
3.2環(huán)保絞刀結構數(shù)字化設計、裝配與分析
計算機模擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學研究的一種手段,在生產(chǎn)實踐中也已作為必備工具普遍應用。在發(fā)達國家已達到了較為成熟的階段,工業(yè)化應用已相當普遍,絕大多數(shù)的汽車零部件設計都必須經(jīng)過多方面的計算機仿真分析,否則根本通不過設計審查,更談不上試制和投入生產(chǎn)。
我所從設計和管理兩方面分析考慮,通過絞刀設計手段與設計過程的數(shù)字化和智能化,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,促進產(chǎn)品的數(shù)字化,提高其創(chuàng)新能力。基于這種思想,采用全新的設計模式和開發(fā)體系――絞刀數(shù)字化樣機,將二維圖紙表達的設計構思演變成基于3D實體模型的虛擬產(chǎn)品(虛擬樣機),建立起企業(yè)數(shù)字化設計平臺,因而其特性完全被參數(shù)化。例如絞刀的旋轉結構、連接部分和控制執(zhí)行機構,完全采用參數(shù)化三維建模,進行零部件裝配并進行受力分析。由于創(chuàng)新設計,使得絞刀結構件和控制器件充分數(shù)字化,對外體現(xiàn)出了近乎100%的精確性和可控性。因為我們所關心的是執(zhí)行機構的最終體現(xiàn),而并不關心控制執(zhí)行器件的特性,因此我所設計的環(huán)保絞刀作為執(zhí)行器件時,體現(xiàn)了如一的、合理的疏浚能力,這樣的絞刀設計,我們稱之為工業(yè)數(shù)字化設計,便于產(chǎn)品的系列化和數(shù)據(jù)庫管理。
3.3環(huán)保絞刀機構運動分析
對設計的環(huán)保絞刀各運動機構進行機械運動分析:其中包括絞刀旋轉運動分析、絞刀頭角度調整運動分析及防護罩開啟運動分析,并根據(jù)運轉情況逐步進行參數(shù)調整,優(yōu)化現(xiàn)行設計。
通過數(shù)字化虛擬樣機的建立、實施,我所建立起一套基于3D(三維CAD)的產(chǎn)品開發(fā)體系,實現(xiàn)設計模式的轉變,提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力,加快產(chǎn)品推向市場的周期。在環(huán)保絞刀的設計、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面,數(shù)字化技術發(fā)揮了重要作用,使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題,通過計算機模擬得到滿意的解答;另一方面,計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化,使復雜的過程層次化,節(jié)省了大量的時間,避免了低水平重復的工作,使疏浚工程分析更快、更準確。
同時我們也注意到,環(huán)保疏浚設備國產(chǎn)化,不僅需要環(huán)保疏浚機具的開發(fā)研制,還需船型的系列化和標準化、節(jié)能以及污染控制等這些方面的配套研究,共同推動我國環(huán)保疏浚事業(yè)的發(fā)展。
四、與先進國家環(huán)保疏浚機具的比較
環(huán)保疏浚設備的技術復雜性主要體現(xiàn)在疏浚系統(tǒng)方面,著名挖泥船制造廠商(如IHC、KRUPP)都特別注重環(huán)保挖泥機具的專項開發(fā)研究,我國在這方面的差距似乎更加突出,早期七O八所通過自己的試驗室對泥泵、耙頭、絞刀等進行過多項卓有成效的研究試驗,終因長期沒有投入,使得這方面研究的進展大大受阻。我國雖在開發(fā)設計方面有一批技術素質較高、經(jīng)驗豐富的設計隊伍,但一直缺少針對市場的前期開發(fā)研究,單一的設計院所難有經(jīng)濟實力進行中長期研究,在此情況下,中國船舶重工集團公司第十二研究所承擔了環(huán)保疏浚機具的研制任務,經(jīng)過三年的研究開發(fā),已研制出具有國際先進水平、符合國情的環(huán)保疏浚虛擬樣機,正在投產(chǎn)運行之中。新研制的環(huán)保絞刀與先進國家疏浚設備研制相比:在制造工藝、周期方面,因為采用了先進的3D技術,參數(shù)化建模數(shù)字化設計,符合世界潮流,縮短了周期提高了工效;在儀表及液壓部件等配套裝備方面進行了優(yōu)化選型匹配等工作?？梢哉f隨著我國造船業(yè)的高速發(fā)展,環(huán)保疏浚機具的研究趕上國際先進水平是大有希望的。
相關標簽搜索：3D技術在環(huán)保疏浚機具研制中的應用 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真
