隨著科學(xué)技術(shù)和人類需求多樣化的發(fā)展，現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)呈現(xiàn)了許多新的特點：高科技化、多學(xué)科化、多功能化等，現(xiàn)代產(chǎn)品多為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其組成關(guān)系復(fù)雜，與外界環(huán)境的交互關(guān)系復(fù)雜，開發(fā)過程復(fù)雜，涉及的子系統(tǒng)多，學(xué)科技術(shù)種類多，人員與研發(fā)工具多．一類以多領(lǐng)域協(xié)同的CAX/DFX為特征的復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，正成為制造業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的熱點．
復(fù)雜產(chǎn)品一般指客戶需求復(fù)雜，產(chǎn)品組成復(fù)雜，產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品制造工藝復(fù)雜，項目管理復(fù)雜等的一類產(chǎn)品，這類產(chǎn)品一般有涵蓋理論領(lǐng)域廣的特點，該類型的樣機(jī)是由分布的、不同工具開發(fā)的、甚至異構(gòu)的子模型組成的模型聯(lián)合體，包括產(chǎn)品的CAD模型、外觀表示模型、功能和性能仿真模型以及環(huán)境設(shè)計模型．該樣機(jī)涉及的仿真類型多、學(xué)科領(lǐng)域多，應(yīng)用范圍廣，涉及虛擬仿真和構(gòu)造仿真，包括機(jī)械、電子、控制、軟件等多學(xué)科領(lǐng)域，該類型樣機(jī)將應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)制造的全生命周期，包括需求分析和定義、概念設(shè)計、生產(chǎn)制造、測試評估、使用、維護(hù)訓(xùn)練直至銷毀等不同階段，
破碎機(jī)作為一種機(jī)械類產(chǎn)品，其本身也具備復(fù)雜產(chǎn)品的特點，對于錘式破碎機(jī)而言，關(guān)鍵零部件很難用理論計算來得出其詳細(xì)的受力狀況，而載荷大小又是設(shè)計其結(jié)構(gòu)尺寸特征，保證其在工作狀況下安全、可靠的重要依賴因素．國內(nèi)外對這方面的研究也僅僅是在假設(shè)原則下單個錘頭碰撞單個礦物模型的分析，這種分析和實際的破碎過程差別很大．而采用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)不僅能很好地解決破碎機(jī)產(chǎn)品研發(fā)中遇到的諸多難題，而且能對各方面因素對其結(jié)構(gòu)的影響提供科學(xué)分析。
1、建立破碎機(jī)的幾何模型和動力學(xué)仿真模型
1.1建立破碎機(jī)幾何模型
Pro／Engineer wildfire是美國參數(shù)科技公司推出的三維建模軟件，它具有基于特征、全參數(shù)、全相關(guān)、單一數(shù)據(jù)庫等特點，產(chǎn)品的整個設(shè)計過程可以完全在三維模型上完成，形象直觀，它具有單一數(shù)據(jù)庫，任何一處發(fā)生參數(shù)改動，都反映到整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)．單一數(shù)據(jù)庫技術(shù)和全相關(guān)功能，為并行工程的實施提供一個良好的開發(fā)平臺．
圖l所示為建立的PCM400錘式破碎機(jī)關(guān)鍵零件的幾何模型和總裝配圖．
1.2建立破碎機(jī)動力學(xué)仿真模型
在Pro/E中把建立的錘式破碎機(jī)的幾何模型導(dǎo)出為parasolid(+x-t)格式的文件，此文件能被ADAMS軟件讀�。贏DAMS中選擇“Import a fde”讀入此文件，為建立錘式破碎機(jī)動力學(xué)仿真模型做準(zhǔn)備．
在ADAMS中對導(dǎo)入的裝配模型施加約束和驅(qū)動具體如下：
1)在錘體和錘頭部分創(chuàng)建固定約束；
2)在鍵和主軸間創(chuàng)建固定約束；
3)在鍵和錘體間創(chuàng)建固定約束；
4)在錘頭和殼體之間創(chuàng)建固定約束：
5)在主軸一端中心處創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副；
6)創(chuàng)建驅(qū)動電機(jī)，在旋轉(zhuǎn)副上添加旋轉(zhuǎn)速度；
7)在錘頭和煤塊之間創(chuàng)建碰撞副；
8)設(shè)置煤塊的密度為l.80g/cm3，礦物的尺寸選擇為最大通過尺寸1110mmx400 mmx618 mm，仿真最惡劣工作環(huán)境．
1.3實現(xiàn)動態(tài)仿真
用動力學(xué)可視化仿真的方法不用創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和列出描述系統(tǒng)特性的微分方程，應(yīng)用動力學(xué)可視化仿真軟件就可進(jìn)行上述求解，不僅可以對線性系統(tǒng)進(jìn)行求解也可以對非線性系統(tǒng)進(jìn)行求解．圖3為錘頭l上的速度、加速度、角速度、角加速度的運動曲線圖．
2、建立ANSYS&ADAMS聯(lián)合仿真分析平臺
2.1建立可重用有限元模型
運用ANSYS&APDL，實現(xiàn)了參數(shù)化建模和自動控制求解，從而降低人工操作的復(fù)雜性和困難程度，以便構(gòu)建數(shù)字化的可重用的分析模型，通過改變樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而改變樣機(jī)結(jié)構(gòu)特征，為實現(xiàn)面向不同需求的產(chǎn)品設(shè)計提供參考．而關(guān)鍵參數(shù)即為結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中需要著重考慮零部件的尺寸，主要是主軸軸徑大小以及與其存在尺寸耦合部分的結(jié)構(gòu)尺寸，
在建模過程中，為了方便后續(xù)ANSYS分析，需要對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕�，另一方面由于破碎機(jī)為對稱結(jié)構(gòu)，所以建模時采用對稱方式建立模型，并在分析過程中設(shè)置對稱約束，只對一半的裝配模型進(jìn)行分析，在分析完畢后擴(kuò)展模型得到整體結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，這樣不僅可以得到想要的結(jié)果，還可以大大節(jié)省資源，縮短計算機(jī)時．
在ANSYS中建立的破碎機(jī)模型如圖4所示，劃分完網(wǎng)格后的有限元模型如圖5所示．
2.2建立聯(lián)合仿真分析平臺
結(jié)構(gòu)分析利用ANSYS和ADAMS構(gòu)建的聯(lián)合分析平臺來實現(xiàn)，因為錘頭破碎物料時受力狀況極其復(fù)雜，無法通過傳統(tǒng)的方法來得到錘頭上各個時刻的受力，所以利用ADAMS仿真來得到錘頭受力狀況，再加載到ANSYS中進(jìn)行有限元分析．
隨著對機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，動力學(xué)分析的精度要求也不斷提高，所以在動力學(xué)分析中，不僅要考慮剛體運動，還要考慮柔性體的運動情況，在機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析理論上趨向于多剛體動力學(xué)與多柔體動力學(xué)相結(jié)合進(jìn)行分析．與之相對應(yīng)，在實現(xiàn)動力學(xué)可視化分析上，趨向于應(yīng)用機(jī)械剛體動力學(xué)分析軟件與有限元分析軟件相結(jié)合的模式進(jìn)行分析，在軟件應(yīng)用上，包括CAD軟件、多體動力學(xué)分析軟件ADAMS、有限元分析軟件ANSYS.
柔性體將會對整個機(jī)械系統(tǒng)的運動產(chǎn)生重要影響，同樣整個系統(tǒng)的運動情況也反過來決定丁每個構(gòu)件的受力狀況和運動狀態(tài)，從而決定了構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布，因此對運動系統(tǒng)中的柔性體進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析則需要用到ANSYS與ADAMS兩個軟件．
ANSYS與ADAMS聯(lián)合分析平臺如圖6所示．
破碎機(jī)的工作過程是電機(jī)通過變速箱將力和運動傳遞給主軸，而后通過鍵把運動傳遞給錘體部分，采用螺栓組件將錘體和錘頭剛性連接在一起，這樣，就將電機(jī)的運動和力傳遞到執(zhí)行部件—錘頭上，這就是整個工作過程，基于ADAMS和ANSYS兩個研究平臺的分析特征，在此將破碎機(jī)主軸，錘體及錘頭、鍵、螺栓組件等作為一個整體來研究，可稱之為破碎機(jī)主體部分．其主要受如下類型的力．
1)摩擦載荷．作用在錘式破碎機(jī)主體上的摩擦載荷主要由軸與密封裝置之間的摩擦、軸承的滾動產(chǎn)生的滾動摩擦及其它輔助裝置的摩擦引起的．
2)慣性載荷．當(dāng)破碎機(jī)具有角加速度時所產(chǎn)生的載荷．
3)阻尼載荷．阻尼載荷是與外界環(huán)境相關(guān)的一種載荷，其大小與運動物體的速度成正比，該載荷較小，一般分析時可不計．
4)工作載荷，錘式破碎機(jī)正常工作時，錘頭與煤巖沖擊碰撞，將產(chǎn)生的作用力．在碰撞時，雖然錘式破碎機(jī)的錘頭與煤巖的速度發(fā)生有限的變化，但由于碰撞時間極短，加速度很大，將出現(xiàn)巨大的碰撞力，其值遠(yuǎn)大于前三者，占到90%以上，在分析中只考慮工作載荷即可．
2.3創(chuàng)建錘頭柔性體
1)建立模型，對模型劃分網(wǎng)格．
2)建立外部節(jié)點．外部節(jié)點在ANSYS程序中即指柔性體與剛性體聯(lián)結(jié)位置處的節(jié)點，用于在ADAMS所進(jìn)行的運動學(xué)分析中，連接柔性體與剛性體，當(dāng)在ANSYS中建立模型需要運用到ADAMS仿真中時，在結(jié)構(gòu)體中如何選取外部節(jié)點是一個很重要的問題，一般來說．一個關(guān)節(jié)位置只使用一個節(jié)點作為外部節(jié)點，如果柔性體的連接部位為空心，則需要在連接處創(chuàng)建節(jié)點作為外部節(jié)點，外部節(jié)點與其周圍的柔性體節(jié)點一般使用剛性區(qū)域來定義．
3)統(tǒng)一單位．
4)輸出ADAMS (MNF)文件，
*MNF文件是從ansys中生成adams軟件所使用的柔性體模態(tài)中性文件，該文件中包含了柔性體的質(zhì)量，質(zhì)心，轉(zhuǎn)動慣量，頻率，振型以及對載荷的參與因子等信息．
在破碎機(jī)中，由于錘頭的斜面是碰撞的主要位置，故必須選擇斜面上的所有節(jié)點進(jìn)行耦合與外部節(jié)點進(jìn)行連接，以保證有限元分析過程中模擬碰撞力的準(zhǔn)確性．另外還要創(chuàng)建一個節(jié)點作為錘頭與錘體的連接點，
圖7所示把柔性體部件導(dǎo)入到ADAMS中，進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后，圖8所示導(dǎo)出作用在柔性體上的載荷文件-Lod文件，把ADAMS仿真得到的Locl文件加載到ANSYS中，并對模型旌加相應(yīng)的約束，進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，如圖9所示．
2.4有限元分析結(jié)果
通過以上得出的關(guān)鍵零部件的應(yīng)力值與許用應(yīng)力值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于各個零件材料的屈服極限，可以滿足使用要求．
3、結(jié)論
數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是以CAX/DFX技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心，融合虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)、三維計算機(jī)圖形技術(shù)，為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計方法．
在數(shù)字化設(shè)計的大背景下，以錘式破碎機(jī)為研究對象，對其進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)的建模與分析，具有十分重要的研究意義．
本文相關(guān)研究內(nèi)容和結(jié)論主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1)利用Pro/E三維造型軟件對破碎機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模及裝配，并利用Pro/E與ADAMS的軟件接口，把裝配模型導(dǎo)入到ADAMS中，建立動力學(xué)仿真模型，實現(xiàn)錘式破碎機(jī)動態(tài)仿真，得到錘頭上的運動曲線圖。用性能，因此，該方案設(shè)計欠佳．
4、結(jié)束語
1)在壓鑄工藝設(shè)計過程中充分利用CAD/CAE技術(shù)，可縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計效率，有效減少試驗次數(shù)并降低設(shè)計成本。
2)采用方案2所示環(huán)形澆注系統(tǒng)，可實現(xiàn)鎂合金汽車方向盤壓鑄件充型平穩(wěn)、完整，夾雜物缺陷少，產(chǎn)品質(zhì)量好，是較合理的工藝方案。
