XXXX起闭机培训(现代设计技术及先进生产系统)

水利工程启闭机何小新博士地址：武汉武昌东湖南路8号武汉大学电话：[phone]E-mail:[e-mail]现代设计技术及先进生产系统本章介绍几种有助于提高水利机械产品质量的现代设计方法和手段，包括虚拟样机技术和机械产品快速设计平台，同时还介绍有关的先进生产系统，使技术人员了解现代设计与先进制造技术方面的相关知识，以便在实际生产中推广与应用。主要内容•一虚拟样机技术•二快速设计平台及其在起闭机设计中的应用•三生产系统管理•四生产率管理与工业工程•第一节虚拟样机技术•传统的产品开发通常分为4个阶段：–产品设计、–试验、–制造样机、–产品生产。•(1)产品设计阶段，包括方案设计、结构设计和零部件设计；•(2)实验室试验阶段，主要是对关键零部件的工作进行探索性的研究；•(3)制造物理样机阶段，主要是根据设计做出物理样机，以检验设计的合理性；•(4)产品生产阶段。•传统的产品开发周期长，消耗大，成本高，有明显的局限性，不能适应现代化制造业中要求柔性化、快捷及高质量的要求。•为从根本上改变这种局面，近年来在产品开发中出现了一个新的研究领域--虚拟样机技术(virtualprototypetechnology)。•虚拟样机的设计方法同传统的设计方法相比具有显著特点：–在设计早期确定关键的设计参数、–更新产品开发过程、–缩短开发周期、–降低成本、提高产品质量。•国内外对虚拟样机技术进行了广泛的研究和探讨–如波音777，空中客车–北京航空航天大学的BH—4灵巧手的设计。•一、虚拟样机概述•虚拟样机(virtualprototype，简称VP)。–VP利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。•虚拟样机技术–一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术，它以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品生产的最优目标。•虚拟样机技术作为一项工程分析和预测技术，目前日益显示出强大的生命力，其应用范围已经超越了国家、地区和行业的界限，在航空、航天、车辆等机械领域已经有了广泛的应用，如–美军研制F22第四代战斗机的虚拟样机与风洞试验的经费比是6：4，充分说明了虚拟样机技术的重要性。–另外美国航空航天局的喷气推进实验室成功地实现了火星探测器探路号在火星上的软着陆。在探测器发射之前，工程师运用虚拟样机技术预测到探测器可能在着陆时滚翻。针对这个问题，工程师们修改了技术方案，保证了火星登陆计划的顺利完成。•二、虚拟样机技术的基础•1、智能设计技术。–ＣＡＤ技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量。–但现有的ＣＡＤ技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述。实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。–由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具(如有限元分析、快速原型等)、计算机辅助概念设计和ＣＡＤ技术有机地集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算。•2、并行工程。–并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理。–它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素(质量、成本、工艺、结构、性能等),且要求实现计算机网络环境下的协同工作。–要实现同步的目标，其实质就是整个工作都要在一个共享的数据库下进行信息交互。•3、仿真工程。–对于虚拟样机系统来说，必须有一套能有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型。•产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据(如形位公差等);•工艺模型包括统计分析、计算机工艺仿真、制造数据库和制造规则库等；•生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和状态的描述。–虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。•4、网络技术。–在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时地决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。•以上技术仍处于发展、完善之中，相比之下，支持虚拟样机技术所需的硬件较软件更为成熟。•三、制造虚拟样机的基本过程•制造虚拟样机的过程就是上述各种先进技术相互支持、相互融合的过程•机械系统虚拟样机建立的步骤如图5-1所示。确定研究目标实体模型建立输入试验数据外挂程序编制程序验证？实验设计虚拟样机成功是是模型再验证？否否否仿真研究？模型寻优系统描述是图5-1虚拟样机的建立步骤否样机雏型验证？•首先是进行机械设计，建立实体模型（虚拟样机）。设计的原始数据来自设计要求、应改进的缺陷、干涉尺寸、装配环境等。–在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、全尺寸是不可能、不现实的，重要的是建立一些方程和规则，以体现一些最重要的工程数据，使零件在设计准则下可自动修改。–在完整、安全的网络环境下，设计小组成员不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，并能主动控制修改和更新。•最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能预测产品在实际环境中的性能，它包含了一系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和约束，到预测其在真实工况下的响应。•仿真的真正用意不是得到几个数据，而是评估产品的性能和优化产品的结构，进而指导设计，改进设计。–在产品设计和仿真阶段，需要使用一些应用软件(如三维产品设计软件、有限元分析软件等)。根据设计尺寸并利用这些软件，便可以在计算机上构造产品的虚拟样机，为最终投产做好准备。•四、ADAMS软件概述•ADAMS–AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems–机械系统动力学自动化分析软件包–由美国机械动力公司开发的。•世界上第一个具有仿真整个机械系统工作性能的大型仿真分析系统，可以建立机械系统的虚拟样机•采用比较先进的计算方法，大大缩短了计算时间，其精确度也相当高•被广泛应用于机械设计的各个领域。•ADAMS是集实体建模、结构参数优化、动态编辑于一体的机构仿真软件。–提供了图形菜单和文本菜单驱动，模型建立方便，操作一目了然；–提供了IGES接口，方便了与其它CAD软件的数据交换，便于简化建立模型工作；–提供了FEA接口，可与Msc/Nastran等有限元软件进行数据交换，使得物体大变形分析与刚体分析融于一体，有利于将复杂的模型抽象化，更逼近地反映真实样车。–提供了丰富的内嵌函数和与C语言/FORTRAN语言的接口，使用户能够应用数学公式精确地表达出模型，大大地提高了分析结果的可靠性和真实性。•整个实现过程是：–首先，通过CAD软件，根据总体参数进行结构设计和几何建模。–然后，根据几何模型建立有限元模型，然后通过有限元软件中解算，进行强度校核及模态解算。•如果结果符合要求，就将与控制系统设计有关的参数交于控制系统设计部门，根据这些参数及总体参数进行控制系统设计；•反之，将结果反馈给结构设计人员对结构进行修改。–得到满意结果后，将有限元模型及刚体模型都传输到ADAMS中进行多体建模并定义所需变量。通过ADAMS进行运动学和动力学仿真•如果结果满意，虚拟样机设计过程完毕；•反之，将信息传给控制系统设计和结构系统设计部门进行改进，重复上述过程，直至满意为止。•五、应用实例--自行火炮动力学仿真试验•1、仿真模型图5-2某自行火炮动力学模型•模型特点：–动力轮前置，–双侧履带，每侧有6个路轮、3个支撑滚子，每侧履带有83块履带板，–车体上有可旋转的炮塔，炮塔上装有摇架，用以调整炮管射角，摇架上装有炮管，炮管可沿摇架平动。•系统自由度–当两个动力轮上施加转动时，整个模型有1051个自由度–当两个动力轮上施加驱动力矩时，整个模型有1053个自由度•受力分析–履带板、–导向轮、–路轮、–动力轮–支撑滚子力•履带板与地面之间的作用力的表示–表示为3个方向的力和3个方向的力矩–其中z方向力表示履带板与地面之间的垂直方向的作用力，另外两个水平方向的作用力表示履带板与路面之间的剪切力（摩擦力）。•履带板与地面之间的作用力的计算–在仿真中，首先计算某一履带板上的参考坐标系在整体坐标系中的坐标（x,y,z），–然后计算坐标为(x,y)的路面点的z坐标，–通过比较这两个z坐标，判断履带板是否与地面接触，并计算接触后的变形，根据变形量，计算履带板与路面之间的z向作用力。–另外两个水平方向的变形，则以该履带板在两个相邻积分时刻的水平位置变化为度量。•相邻的履带板之间的摩擦力矩–两个相邻的履带板之间作用有场力和销子的摩擦力矩。–每个履带板都有6个自由度，两个相邻的履带板之间的相对平移和相对转动引起这种场力作用，它实际上相当于一个广义的弹簧和阻尼器。•履带板与车体的挡板之间的接触力–当履带摆动，其位置高于车体挡板时，即与车体接触，接触力的合力用一个一般力表示。•履带板对导向轮作用力–导向轮上作用有一个一般力，该力是履带板对导向轮作用力的合力。–首先判断哪些履带板与导向轮接触，然后计算接触变形、接触力，最后计算这些接触力的合力。–导向轮与张紧装置通过转动铰链相连，在该铰链上可设置摩擦力矩。•路轮上作用有一个一般力，路轮通过转动铰链与连杆相连，在铰链上可定义摩擦力矩的作用。–路轮与车体通过连杆相连，连杆一端通过转动铰链连接路轮，一端通过转动铰链和扭转弹簧与车体相连。–连杆与车体相连的铰链处作用有：轴承摩擦力矩、阻尼力矩、扭转弹簧力矩和限制扭转过位的力矩，该力矩只有当连杆的扭转弹簧变形过大时才起作用。•动力轮受到的履带板的作用力之合力–动力轮与车体通过转动铰链相连。动力轮受到的履带板的作用力之合力也用一个一般力表示。•支撑滚子上作用力–支撑滚子与车体用铰链相连，在该铰链上作用有轴承摩擦力矩，支撑滚子上作用的一般力的计算方法与路轮一样。•运动学和动力学仿真目的–感兴趣部件的运动、变形、受力等•2、仿真算例•针对4种行驶状况进行了动力学仿真：–1）初始条件•力轮设定恒定转速：55rad/min，所有部件的初速设为VX0=14.1725m/s，该设置使所有部件均以同样的初速前进。•使自行火炮通过一梯形障碍，障碍高0.4m，顶宽0.2m，底宽0.6m。–计算结果包括：•左侧动力轮上的一般力在其转轴上的力矩分量；•左侧路轮2的连杆与车体的连接扭转弹簧的变形；左侧路轮2的z向力。•2、仿真算例–（2）初始条件•VX0=0，两动力轮设定2000N.m的驱动力矩•初始时刻左侧第37、36块履带板都在路面上。–计算•车体质心速度、加速度在x轴方向的分量，•左侧路轮2的z向力，•作用在左侧第37块履带板上的场力。•2、仿真算例–3）初始条件•VX0=0•左动力轮的驱动力矩设为0，右动力轮的驱动力矩设为2000n.m，–计算•车体质心转动角速度、角加速度，•左侧路轮2的z向力，•左侧第37块履带板上的场力在其参考系中的x轴上的分量。•2、仿真算例–4）初始条件•VX0=0•左动力轮的驱动力矩设为-2000n.m，右动力轮的驱动力矩设为2000n.m，–计算•车体质心转动角速度、角加速度，•左侧路轮2的z向力，•左侧第37块履带板上的场力在其参考系中的x轴上的分量。•第二节快速设计平台及其在起闭机设计中的应用•门式启闭机现阶段，依照传统的设计方法会存在以下几个问题：–（1）知识的重用度不高，每一次设计都是在全新的基础上完成，以往的设计经验、图纸、分析数据等都很难方便的使用，导致设计效率低下，开发成本过高；–（2）计算手段有限，对设计完成的关键承载构件仍然采用近似的计算方法进行校核，导致计算精度不高，材料浪费严重；–（3）出图效率较低，由于仍然采用二维CAD软件进行绘图，造成设计意图不直观，校图时间过长。•为此，在门机初始设计和详细设计阶段应采取先进