CAD與CAE設計方法在液壓支架設計中的應用

張軍輝

中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013

0 引言

近階段，世界各國都對液壓支架的研發和設計非常重視。尤其是近年來，隨著各國在經濟與科技領域的合作不斷擴大，技術不斷得到完善和發展，作為液壓支架，很多機械化生產中的關鍵設備，在CAD與CAE軟件里也得到了不同程度的發展。世界各國從20世紀70年代開始，對CAD以及CAE軟件應用于液壓支架設計方面的工作，做了許多研究和工作，并且帶來了非常不錯的經濟效益。給機械行業的發展以新的前景與啟示，使世界工業實現自動化和精密化發展提供了可能。

1 CAD與CAE軟件于液壓支架設計中的應用

CAD在其發明的初期是英文Computer Aided Drafting（計算機輔助制圖）的縮寫，由于計算機軟件技術和硬件技術的逐漸發展，人們慢慢地認識到單一地只運用計算機制圖還不可以稱之為計算機輔助設計；對于整個產品，包括產品的構思、產品的功能設計、產品的結構分析和產品的加工制造等的設計才是真正的設計。二維的工程圖設計只是產品設計中的一個分支；由于這些原因，Computer Aided Design也取代了Computer Aided Drafting，成為了CAD的代稱。與此同時，CAD也拜托了輔助繪圖這個單一地功能，成為了整個產品的輔助設計工具。

CAE、PDM以及CAM等軟件都是在CAD的基礎上實現的。對于CAE來說，CAD不僅為單個零件提供造型設計、還為整機提供有限元分析、機構的運動分析、造型設計以及裝配成型。在CAD中對零件及部件所做的任何改變，都會在CAE、CAM和PDM中有所反應。總而言之，一旦CAD做得不理想，CAE、PDM以及CAM就很難做好。

CAE是計算機輔助工程的英文縮寫，其全稱是Computer-Aided Engineering。隨著計算技術的逐步應用，對于每個即將投產的產品，企業都可以先在計算機上建立一個數字樣機，然后通過數字樣機來模擬產品和零件的工作狀態，通過這些模擬實驗來對零件和產品做出工程校驗、有限元分析以及計算機仿真。在產品研發過程中，企業通過CAE模擬軟件的應用，可以方便地對零件和產品進行仿真檢測。這些仿真實驗能夠得到零件或者是產品的相關運行參數，對于產品缺陷的發現、產品設計的優化以及產品的設計成本的降低有這極大的促進作用。而且CAE軟件模擬能對產品維護檢修提供很大的幫助。例如：分析產品故障的原因以及產品質量因素等。 CAE軟件通常會有有限元分析模塊。把物體，也可以稱之為連續的求解域，通過離散的方法分解為有限個簡單單元的組成形式是有限單元法的基本思路。為了將連續的具有無限個自由度的問題進行簡化，形成離散的有限自由度問題，需要對這些被離散過得單元進行模擬并且得到原來的物體。通過對被離散的物體的每個單元進行有限元分析，進而能得到物體被離散前的分析結構。并且所得到的解會隨著單元數目的增加而越來越準確得逼近真實的情況。

最新研究表明，許多復雜的，諸如機構分析、強度分析、靜態干涉檢查、動力學分析、動態干涉分析以及裝配模擬等工作，都可以通過在由CAD軟件創建的實體模型上進行。而一些簡單的工作比如模型的鑄造、加工以及產品效果的渲染處理等，也能由此實現。與以往通過消耗大量資源的基于傳統理念的設計思路“物理樣機驗證試驗”相比，基于三維模型的CAE分析，憑借著其能夠借助現代計算機所擁有的突出的數值計算能力，能夠建立“虛擬樣機”，從而有效地降低了設計成本并且使設計周期縮短。并且，隨著信息技術的進步，這種基于CAE技術的產品設計手段將會越來越有效。

2 通過有限元軟件實現液壓支架運動的仿真

目前，市面上有關于CAD以及CAE的軟件很多，大部分的三維機械設計軟件除了能夠實現三維建模功能以外，都附帶有用于結構分析的有限元模塊。而動力學模塊以及機構干涉檢查運動學模塊等常見的模塊，大部分軟件也會帶有。UnigraphicsSolutions公司推出的產品：UG，以其突破傳統模式的創新性，為用戶帶來了與眾不同的模型建立系統。UG軟件非常有效地將參數化與變量化等先進的技術與以往的平面功能如實體、線框等相結合，并且廣泛得為許多軟件公司所采用。UG軟件是基于許多傳統的功能比如說曲面造型、二維空間繪圖亦或是數控加工編程等發展起來的。UnigraphicsSolutions公司于上世紀90年代后期成功得將Intergraph公司的運用于機械方面的CAD產品合并，并且通過Parasolid平臺統一了微機版的SOLIDEDGE軟件。并通過這項運作，組建了一個既有WindowsNT微機版，又有Unix工作站版的相對完整的集成了CAD、CAE、CAM的系統。美國參數技術公司(PTC)，提供了一款有趣的產品叫做Pro/Engineer。PTC公司提出許多從未有過的理念：單一數據庫、參數化、基于特性、全相關等等，這些理念改變了傳統的機械設計軟件的概念, 其帶來的這種前所未有的理念已經作為新的標準在世界范圍內的機械CAD/CAE設計方案所推廣應用。利用這種理念研制出來的第3代機械CAD/CAE產品Pro/Engineer-wildfire野火版便是采用這種理念所開發出來的，這種產品能夠充分地利用網絡資源,并且充分得表達了并行工程的內在理念。

應用于Windows平臺上得機械設計軟件有生信國際有限公司出品的SolidWorks。改公司的產品可以形容為：應用于Windows平臺的集成CAD、CAE、CAM和PDM功能的桌面系統。其核心是SolidWorks軟件。這個桌面系統包括有各種各樣的應用，最主要的有工程數據管理、運動分析、結構分析以及數控加工等。SolidWorks是最近涌現出的應用于微型計算機上的參數化特征造型軟件，其主要優點是價格低廉，使眾多從事機械設計工作的人員可以在舒適的界面與環境中運用實體造型等實用的功能。SolidWorks是應用于Windows平臺的特征造型軟件，它能實現全參數化，并且在工程圖的生成、復雜裝配以及三維零件的造型設計方面也非常便捷。

由于整個設計過程全部建立在物體的三維模型上，通過直觀的圖形與圖像將產品的設計與思路進行了清晰的表達，三維CAD技術符合了人們正常的思維習慣，成為廣大設計者所常用的設計軟件。

3 液壓支架設計中的三維CAD建模

線框建模、表面建模以及實體建模是三維建模的三個組成部分。在液壓支架設計時，我們通常采用的是實體建模，原因是在計算機內部，只有要對幾何物體實行獨一無二的無沖突的完整的描繪必須采用實體模型。這樣做得好處是我們每做一次有效的操作，都能生成一個有效的模型，這樣就能使設計工作者擺脫幾何一致性檢查這種浪費時間與精力的步驟，將寶貴的精力投入到其他工作中。三維實體建模可以為設計者提供眾多幫助：對復雜的形體進行形象的描述與清晰的表達，簡化評價的難度；按照設計師的要求在3D模型的基礎上做出產品的剖面圖與效果圖；進行產品裝配過程的研究以及空間布局的研究；實現干涉碰撞問題的簡化；模擬空間運動，仿真加工順序；實現有限元模型的自動生成。

頂梁、掩護梁、底座、尾梁、側護板、護幫機構、推移機構、立柱、千斤頂和液壓控制系統等不同構建組成了液壓支架的主要部分。通過組焊鋼板來得到結構件，但是這樣的情況下得到的結構件不規則并且有很大的形變。從優化結構設計的角度講，最好是在支架的總體方案設計完成后，再建立液壓支架的三維模型，這樣就能輕松地實現對支架的幾何結構干涉問題進行檢查。

對于支架強度分析來說，三維建模在液壓支架設計上得運用能大大地提升它的效率。支架有限元分析需要以三維建模為基礎，CAD軟件擁有有效的模型建立功能，通過它的運用，我們能夠將支架的實體模型建立起來，之后再借助接口的轉換，將實體模型置于有限元軟件中分析，從而得到需要的結果。《液壓支架通用技術條件》對于不同的加載方式都有詳細的規定，將不同的墊塊放置在在支架模型的不同位置上，以此來模擬其承擔井下圍巖的擠壓力時的工況，通過定義求解項和程序的運算，軟件模擬其在多項空間力系作用下的應力變化和形狀變化的分布狀態，可以用云圖的形式來輸出用以表明變形、應力等趨勢和以顏色表示的數值，為以后的支架設計優化提供數據參考。

4 設計方案的優化以及CAE應用的作用

通過運用先進的計算機所擁有的非凡的數值計算能力來制作虛擬樣機，并將此種虛擬樣機用來取代傳統液壓支架設計中需要花費大量資源的驗證物理樣機的過程,CAE軟件設計能夠將樣本的設計周期極大地壓縮并且將設計成本降到很低的水平。在確定產品設計方案的過程中，有限元計算作為檢驗液壓支架的力學性能的一種仿真手段，一直都非常受到重視, 但是其卻并沒有作為普遍應用的設計手段得以推廣應用，究其原因主要有過于繁雜的計算過程, 邊界條件無法確定, 過長的計算時間等。不過其作為一種可行的數值計算方法,有限元法可以輕松解決很多問題，比如說對于結構形狀、載荷和支撐情況復雜的零部件進行應力分析等， 這是任何其他傳統的設計方法不能做到的。因而, 有限元法在機械設備的強度計算中的占據了非常有利的位置。在立柱、千斤頂產品和技術標準更新的研究課題中, 采用ANSYS軟件對新型QXEK200千斤頂和LSGGK360立柱進行了整體有限元仿真分析計算, 以了解立柱、千斤頂的整體應力及其應力分布情況。并對立柱、千斤頂的局部構造進行了有限元仿真分析, 用來處理無法通過常規計算方法來實現的的計算局部應力的問題。

通過美國機械工程師協會( ASME) 、美國核安全局( NQA)等權威機構認證的標準化的設計軟件：ANSYS軟件，是近年來全世界應用最為普遍的CAE分析軟件。并且其是首個通過了中國壓力窗口標準化技術委員會的認證，而且在眾多個部委被廣泛應用的分析軟件。ANSYS分析軟件現在已經為全世界超過七成的高校和研究機構所使用。ANSYS分析軟件不同于之前PTC公司(其全稱為 ParametricTechnology Corporation) 的軟件Pro/Engineer本身就有的有限元分析模塊和SolidWorks的cosmos模塊, 它的功能以及界面都有了較大的改觀, 并且在此基礎上實現了這兩個軟件沒有辦法做到的約束、加載邊界工況。ANSYS分析軟件適應于各種類型的設計工作并且能夠勝任之。

由于千斤頂和需要加載的立柱模型具有非常繁雜的表面與邊界條件, 雙伸縮立柱的外側為具有球形地面的外缸, 柱頭在其活動端為球形, 結構具有不規則的立體形狀,但是邊界條件和載荷情況與實際工況相一致是模型分析所要求的基本原則,因為只有這樣的計算結果才具有參考價值, 除此之外,在導向環以及密封裝置等環節的作用下，各個相互接觸的面之間（雙伸縮立柱的外缸、中缸以及小柱發生接觸的部分；千斤頂的活塞和缸體之間）會發生相互作用, 在這些地方創建面-面接觸單元并且對其相互作用力進行模擬; 運用耦合自由度法來對節點的自由度進行限定，并且運用了多種處理方法進行建模工作,建立了用來定義邊界坐標的局部坐標系, 以此最大限度地與實體工況相一致, 同時不出現附加應力。

通過對CAE軟件的綜合運用，在液壓支架設計階段能夠借助于三維造型對液壓支架進行有限元、運動仿真以及動力學方面的研究與分析，從而有效地減少在運動中產生機構干涉現象, 這樣一來，設計中的虛擬樣機檢驗就能產生非常大的作用,并且確保液壓支架的安全性以及可靠性, 對結構的合理性進行較大優化, 并且對探索液壓支架設計的新思路,液壓支架設計水平的提高有很大幫助。

5 結論

三維 CAD軟件 為虛擬產品的描述帶來了前所未有的福音，以支架方案設計為開始，然后進行詳細的設計、計算以及圖形繪制，最后是產品的完善，支架生產設計制造的全過程都是在三維CAD軟件的幫助下完成的。由于通過實體模型，我們能得到產品完整的特性數據，物理模型或者樣品的制造就變得沒有必要了，這樣就大大縮短了模型或樣品制作過程所用去的時間。

通過三維建模設計液壓支架的成功，使設計者擺脫圖紙低級錯誤的困擾，運用計算機技術解決這些問題，提高了設計質量，縮短了設計周期，更好地為企業現代化生產服務。

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