基于參數化的散料輸送機械快速設計系統開發

葉南海+何韻+施奇佳+鄧鑫+毛億+戚一男

摘 要：為了解決散料輸送機械的設計及其優化過程中存在的產品設計周期長、方案優化過程慢等問題，開發出一套針對散料輸送機械的快速設計系統平臺.以某公司斗輪機構的斗子和輪體為例，首先建立了參數化尺寸驅動的設計模型；然后基于參數化的原理利用有限元分析軟件建立多目標優化分析模型，實現了產品的快速優化設計，提升了復雜鋼結構的設計效率與準確性；最后將參數化設計與參數化分析優化模塊進行高度集成，搭建完成快速設計系統平臺，用戶可通過快速設計系統平臺的交互界面輸入參數得到所需要的產品.工程實踐表明，該快速設計系統對散料輸送機械的系列化開發具有較好的應用前景.

關鍵詞：參數化；散料輸送機械；設計與分析；多目標優化；快速設計系統

中圖分類號：TH132.4 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）10-0016-07

Abstract：To meet the demands of today's market fast fine design and to solve the bulk material conveying machinery's problem of long cycle of product design and slow process of optimization， we developed a platform of rapid design system for bulk material conveying machinery. Taking the bucket and wheel body of a company's bucket wheel mechanism as an examples， we firstly built parametric dimension driven design models， and then used the finite element analysis software to establish multi-objective optimization models based on the principle of parametric， realized the quick optimization of product design， and improved the design efficiency and the accuracy of the complex steel structure. Finally， the parametric design and parametric analysis of the optimization module were highly integrated and the rapid design system platform was completed. Users can use the interactive interface of the rapid design system platform input parameters to get the product they need. The example has indicated that the rapid design system has good application prospects in the serialization development of bulk material conveying machinery.

Key words：parameterization；bulk material conveying machinery； design and analysis； multi-objective optimization； rapid design system

散料輸送機械在港口、礦山等領域的應用得到了越來越廣泛地重視，國內外學者對散料輸送機械進行了CAD/CAE方面的研究[1-2].最常見的是以實現輕量化為目的，運用有限元分析[3]，疲勞強度分析[4]，動力學仿真等相關知識對產品進行結構優化設計[5].然而由于散料輸送機械的組成零件繁多，零部件之間關聯緊密，對產品結構的分析修改以及尺寸參數調整的工作量較大，尤其涉及到產品的優化時，往往會因為研發周期過長，而延誤生產及產品交付周期.

本文開發一套基于參數化的散料輸送機械快速設計系統[6-7]，以斗輪機構中斗子與輪體為例，首先依靠已知的設計目標和工況，建立參數化三維模型和有限元分析模型，得出可供快速修改的三維實體模型和工程圖以及斗子和輪體負載狀況下的力學性能；然后根據相應的計算數據，以符合產品強度剛度等力學性能的要求為前提，針對斗輪機構中斗子和輪體產品性能進行多目標優化；最終集成各個模塊進行快速設計系統平臺搭建與封裝，達到了高精、高效完成產品系列化開發的目的.

1 快速設計系統開發流程

該快速設計系統包括參數化設計、參數化分析、基于多目標優化的結構優化以及平臺封裝等關鍵技術，具體的開發流程圖如圖1所示.

2 參數化設計技術

2.1 參數化設計軟件平臺選擇

在工程機械設計中三維建模軟件的發展特別快，為產品的設計開發提供了非常便利的工具.INVENTOR是一款非常適用于大型鋼結構工程機械快速建模的軟件，能方便地檢查裝配過程中造成的干涉問題；該軟件由AUTODESK公司開發，能與常用的二維制圖軟件AutoCAD進行無縫鏈接，生成的DWG格式工程圖用AutoCAD查看時不會有圖元缺失，并且工程圖與三維數模鏈接能同時實現參數化驅動，保證了參數化驅動的時效性和完整性.本文選用INVENTOR軟件作為專家系統中建立參數化三維數模和二維工程圖的軟件平臺，并以斗輪機構中輪體和斗子為例進行了參數化設計[8-9].