搜索3D技術(shù)在環(huán)保疏浚機具研制中的應(yīng)用
2013-05-26 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)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(shè)備與技術(shù)愈來愈快,環(huán)保疏浚新技術(shù)能夠創(chuàng)造新市場。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,使得3D數(shù)字化技術(shù)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(shù)應(yīng)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(shù)研究示例介紹了環(huán)保疏浚機具的研究技術(shù)。
一、引言
我國疏浚設(shè)備發(fā)展歷程經(jīng)歷了以下三個階段:
(1) 測繪、設(shè)計仿造階段----到60年代末期處于仿制階段;
(2) 獨立開發(fā)設(shè)計階段 ---- 70年代初期至80年代,我國挖泥船開始走上獨立設(shè)計階段,一批專業(yè)化的工程船建造廠及設(shè)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(shù)水準的船型。
(3) 以高新技術(shù)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(shù)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(shù)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(shè)備是很重要的投資,設(shè)備設(shè)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(shù)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(shè)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(shè)和國防的需要,并躋身國際市場,所以,環(huán)保疏浚設(shè)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(shè)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(shè)備廠、及設(shè)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(shè)計建造的技術(shù)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(dāng)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(wù)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。“十五”期間我國應(yīng)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(shè)計制造、引進關(guān)鍵裝備及技術(shù) ,堅持走適合我國國情的發(fā)展道路 ---- 90年代以來,高技術(shù)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(shù)在環(huán)保疏浚機具研制中的應(yīng)用示例
3.1空間復(fù)雜絞刀刀臂的建模設(shè)計
絞刀刀臂呈空間復(fù)雜圓錐螺旋結(jié)構(gòu),空間角度參數(shù)多,結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高、難度大,而其結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是疏浚刀具整體設(shè)計的難點和關(guān)鍵。絞刀組件(見圖一)是環(huán)保型挖泥刀具的關(guān)鍵部件,它由絞刀刀臂、刀轂、螺旋輸送機構(gòu)、刀圈組焊而成。絞刀刀臂乃關(guān)鍵部件中的關(guān)鍵件,刀臂外形呈復(fù)雜空間圓錐結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)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(yù)先設(shè)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(yīng)關(guān)系,再進行等分,求出對應(yīng)點上的坐標值。之后,在三維建模軟件下,輸入對應(yīng)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(fù)雜環(huán)保型挖泥刀具關(guān)鍵件—絞刀刀臂的造型設(shè)計開發(fā)流程為:
借用二維CAD圖形的設(shè)計思想與三維建模的綜合應(yīng)用,即采用畫法幾何原理, 把空間復(fù)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(fù)調(diào)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(shè)定要求。
3.1.1借用二維CAD確定特征點
對于空間復(fù)雜絞刀刀臂的建模設(shè)計技術(shù),首先需要找到一系列滿足此空間結(jié)構(gòu)特性的特征點,對于刀臂這一設(shè)定的空間螺旋結(jié)構(gòu),必須使此空間螺旋結(jié)構(gòu)的一棱邊回轉(zhuǎn)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(gòu)造甚為重要,直接關(guān)系到特征線的質(zhì)量。為了得到光滑的模型,我們采用的思路是:調(diào)整此空間螺旋結(jié)構(gòu)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(fù)調(diào)整優(yōu)化,在設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)的特征曲線(見圖三)。應(yīng)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(yīng)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(shè)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(diào)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(yīng)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(yīng)用二維軟件的結(jié)果完成建模軟件的三維建模,可提高空間復(fù)雜環(huán)保型挖泥刀具關(guān)鍵件—絞刀刀臂建模的效率和質(zhì)量。
3.2環(huán)保絞刀結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計、裝配與分析
計算機模擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學(xué)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(yīng)用。在發(fā)達國家已達到了較為成熟的階段,工業(yè)化應(yīng)用已相當(dāng)普遍,絕大多數(shù)的汽車零部件設(shè)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(shè)計審查,更談不上試制和投入生產(chǎn)。
我所從設(shè)計和管理兩方面分析考慮,通過絞刀設(shè)計手段與設(shè)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?；谶@種思想,采用全新的設(shè)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(shè)計構(gòu)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(shè)計平臺,因而其特性完全被參數(shù)化。例如絞刀的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、連接部分和控制執(zhí)行機構(gòu),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(shè)計,使得絞刀結(jié)構(gòu)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(guān)心的是執(zhí)行機構(gòu)的最終體現(xiàn),而并不關(guān)心控制執(zhí)行器件的特性,因此我所設(shè)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(shè)計,我們稱之為工業(yè)數(shù)字化設(shè)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(gòu)運動分析
對設(shè)計的環(huán)保絞刀各運動機構(gòu)進行機械運動分析:其中包括絞刀旋轉(zhuǎn)運動分析、絞刀頭角度調(diào)整運動分析及防護罩開啟運動分析,并根據(jù)運轉(zhuǎn)情況逐步進行參數(shù)調(diào)整,優(yōu)化現(xiàn)行設(shè)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(shè)計模式的轉(zhuǎn)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(shè)計、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面,數(shù)字化技術(shù)發(fā)揮了重要作用,使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)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(fù)雜的過程層次化,節(jié)省了大量的時間,避免了低水平重復(fù)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(shè)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(shè)備的技術(shù)復(fù)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(shè)計方面有一批技術(shù)素質(zhì)較高、經(jīng)驗豐富的設(shè)計隊伍,但一直缺少針對市場的前期開發(fā)研究,單一的設(shè)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(dān)了環(huán)保疏浚機具的研制任務(wù),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(shè)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(shù),參數(shù)化建模數(shù)字化設(shè)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(guān)標簽搜索：3D技術(shù)在環(huán)保疏浚機具研制中的應(yīng)用 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓(xùn) Abaqus培訓(xùn) Autoform培訓(xùn) 有限元培訓(xùn) Solidworks培訓(xùn) UG模具培訓(xùn) PROE培訓(xùn) 運動仿真
