基于SolidWorks的纜繩挖泥裝置虛擬樣機設計

王星　李治國　劉曉飛　郭偉軍

【摘 要】為了分析纜繩挖泥裝置的機械特性，運用SolidWorks軟件建立纜繩挖泥裝置的虛擬樣機。利用外點懲罰函數法對抓斗結構參數進行優化，并在C++語言環境編寫優化程序。建立纜繩挖泥裝置各零部件模型，并進行組合裝配，運動仿真，干涉檢驗機構不存在干涉。用SolidWorks simulation進行有限元分析，得出應力最大點集中在抓斗背部中間位置，最大應力為1474.4KN，許用應力為710000KN，經校核滿足應力要求。為計算工作效率，仿真模擬真實運動過程，輸出抓斗速度、加速度曲線。

【關鍵詞】虛擬樣機；機械優化；運動仿真；有限元分析

中圖分類號： TH212 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0238-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.116

Cable dredging based on SolidWorks Device Virtual Prototyping

WANG Xing LI Zhi-guo LIU Xiao-fei GUO Wei-jun

（College of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010051， China）

【Abstract】In order to analyze the mechanical characteristics of the cable dredging device， SolidWorks software was used to establish the virtual prototype of the cable dredging device. The external point penalty function method is used to optimize the grab structure parameters， and an optimization program is written in the C++ language environment. The model of each part of the cable dredging device was established， and the assembly， motion simulation， and interference inspection agencies had no interference. The finite element analysis using SolidWorks simulation shows that the maximum stress is concentrated in the middle of the back of the grab. The maximum stress is 1474.4KN， the allowable stress is 710000KN， and the stress is checked to meet the stress requirement. To calculate the work efficiency， simulation simulates the real motion process and outputs the grab speed and acceleration curve.

【Key words】Virtual prototyping；Mechanical optimization；Motion simulation；Finite element analysis

0 引言

中國目前的疏浚能力位居全球第三，我國的疏浚市場也凸顯著強大的生命力與市場前景[1]，潛力大且后勁足，挖泥船不斷出廠，年疏浚能力超過53億立方米[2]。我們本次研究的內容就是小型挖泥船的核心裝置之一抓斗。抓斗作為一個簡單機械，在我國的研究比較少，且結構各異，標準沒有嚴格的統一。國內多家起重機械公司也僅僅是依據市場的需求自己設計一些抓斗，包括兩爪式、三爪式、鏈式等等[3]。

依據我們所要抓取的對象——泥沙，既要考慮到保持效率，又考慮到泥沙的流動性特點，我們此次的設計采用兩爪式抓斗。利用SolidWorks軟件建立分析模型，之后對模型進行干涉檢測、運動仿真、有限元分析等，并輸出運動曲線等工作。

1 抓斗結構尺寸參數優化

抓斗涉及四個主要參數：單側抓斗容量Q、抓斗寬B、以轉動點為圓心到外廓的半徑R、抓斗滿角Φ[4-5]。R、B、Q三者之間有以下數學關系：Q=0.5R2*B（2tan（φ）-sin（φ））ks（1）

式中ks為土壤松散系數，近似值取1.25。單側抓斗容量Q=0.65m3。然后利用外點懲罰函數法，對結構參數進行優化，并利用C++編寫程序，優化后得：R=0.94m，φ=49.7°，B=0.73m。界面及結果如下圖1。

2 建立虛擬樣機

2.1 建立部件模型

根據優化后的數據，在SolidWorks軟件上建立纜繩挖泥裝置的84個模型。在設計模型時考慮到泥沙對機械設備的侵蝕，機械中鮮有齒輪軸承等部件，動力源也是采用液壓驅動以及提拉式驅動等方式[6]。

2.2 零件裝配

在SolidWorks中裝配采用先整體后局部的裝配思路。首先將頂架固定，導入抓斗和液壓缸，采用連桿將三者連接。而后導入中間的滑動部分，用中間導桿連接頂架和滑動部分。最后用銷釘齒輪等部件連接細節處。裝配后結果如圖2所示。由于繩索為非剛性部件，在SolidWorks中無法表達，所以初步建立剛性繩索模型，以便讀者能直觀的看到。

2.3 干涉檢測

干涉檢測主要的作用是檢測在建模過程中結構存在的不合理現象，“無干涉”是能順利進行有限元分析的前提條件，對此我們對整體做了干涉檢測工作。結果顯示不存在干涉。

2.4 運動仿真

裝配完成后的機構應達到運動要求，拖動關鍵部件，可以實現抓斗的張開與閉合。為了能進一步研究機構的運動，以及某點的速度、加速度等，我們進行了運動仿真工作。按照實際要求，機構的動力源是液壓缸以及中間的提拉纜繩，給液壓缸加裝直線運動型電機，使其可以上下運動。運動曲線采用震蕩形式，使機械做往復式運動。規定運動速度以及運動方向、距離以后，即可實現運動[7]。

3 有限元分析與運動曲線研究

3.1 受力計算

抓斗機是一個對稱結構，所以研究時僅對單側抓斗進行討論。單側抓斗抓取重物時的受力較復雜，本項目對受力進行了簡化，只分析計算了抓斗主要阻力，分析如圖3所示：

F—水平刃口切入阻力； y—挖掘深度；切入阻力的計算（以下數據除優化所得，其他均為查資料所得）

其中：γ—物料容重，查資料得1.5KN/m3；f0—物料內摩擦系數，查資料得0.8；δ—鏟厚度，δ=0.05m；a—物料平均粒度，查資料得12～17μm；B—斗寬，B=0.73m；y—切入深度（m）；

計算得：F=228.9KN。

3.2 有限元分析

有限元分析是給目標定義材料后再對目標施加我們給與的力，分析目標是否滿足我們預定的要求[8]。

首先定義設想材料，定義為AISI4340鋼，正火，彈性模量2.05e+011N/m2，泊松比0.32，屈服強度7.1*108N。添加切入阻力F，分析結果如圖4所示。圖中是抓斗背部部分，顯示最大應力集中點在兩板交接處紅色部分，屈服力為710000KN，最大應力為1474.4KN，所以材料滿足要求。

3.3 運動曲線分析

motion分析工作是建立在運動仿真上的，仿真生成錄像以后，點擊結果的圖像按鈕，添加分析元素：速度/加速度，分析加速度，在Y周平面內，拾取抓斗上的一個點，即可得出運動圖像。實際中我們選擇了機構中該部位進行Y軸方向的加速度分析[9]。

4 結論與討論

（1）采用外點懲罰函數法對抓斗參數優化，優化結果為：R=0.94m，Φ=49.7°B=0.73m。

（2）建立了共84個零部件的纜繩挖泥裝置虛擬樣機模型，并進行裝配、干涉檢驗、運動仿真及有限元分析。

（3）有限元分析結果表明抓斗最大應力集中在抓斗背部兩板交接處，屈服應力為710000KN，最大應力為1474.4KN，材料滿足設計要求。

關于本文未解決的問題主要是設計抓斗時抓斗閉合方式我們采用的是繩索提升式，在建模過程中，由于軟件的局限性，并不能表達出繩索的柔韌性，只能以剛體的形式展現。這一點在后續工作中雖然沒有影響，但在運動仿真環節不能看到繩索運動實屬遺憾。

【參考文獻】

[1]姚文藝，時明立，崔長江.黃河泥沙問題研究綜述[J].黃河水利職業技術學院學報.2004，16：2-3.

[2]劉厚恕.走向21世紀的中國挖泥船[J].船舶工業技術經濟信息.2000，179：2.

[3]錢衛星.挖泥船的分類及其發展趨勢[J].江蘇船舶.2008，25：3.

[4]陳秀寧.機械優化設計[M].杭州：浙江大學出版社.1991：139-146.

[5]董立立，趙益萍，梁林泉，朱煜，段廣洪.機械優化設計理論方法研究綜述[J].機床與液壓.2010，38：1-2.

[6]胡仁喜，劉昌麗.SolidWorks2014標準實例教程[M].北京：機械工業出版社.2014：30-85.

[7]詹迪維.SolidWorks機械設計教程[M].北京：機械工業出版社.2009：27-33.

[8]江洪.SolidWorks有限元分析實例解析[M].北京：機械工業出版社.2007：24.

[9]陳超祥.SolidWorks Motion運動仿真教程[M].北京：機械工業出版社.2012：33-40.