锚杆机试验台三维设计及应用研究

　　本文探讨了锚杆机试验台三维设计及应用研究相关内容。

　　1 SolidWorks软件的介绍

　　在当今的社会中，各行各业的竞争越来越激烈，为了缩短设计周期，降低成本，提高产品质量，学习和应用计算机辅助工程(CAE，全称Computer Aided Engineering)显得愈来愈重要。尤其是近几年，计算机三维CAD/CAE/CAM软件的应用与普及，使得传统的二维机械设计逐步向三维设计转化。设计构思的表达由原来的二维图纸演变成直接用计算机模拟三维实体模型的虚拟产品。不远的将来无图纸生产将会普及。

　　SolidWorks软件是美国SolidWorks公司基于Windows开发的全参数化三维实体造型软件。三维机械设计的所有的功能(SolidWorks三维建模软件)、数据管理软件PDMworks Client、以及用于设计交流的常用工具：eDrawings专业版(基于e-mail的设计交流工具)，3D Instant Website(即时网页发布工具)，PhotoWorks(高级渲染)，SolidWorks Animator(动画工具);设计效率提高工具：SolidWorks Toolbox(三维标准零件库)，SolidWorks Utilities(特征比较模块)，FeatureWorks(特征识别)。该软件可与Cosmos/Works工程师设计分析软件、Cosmos/Motion三维运动仿真软件等无缝结合。

　　功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设 计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

　　SolidWorks三维设计软件的功能在于：装配和干 涉检查;有限元分析与优化设计(CAE);机构运动 仿真;工艺规程生成(CAPP);数控加工(CAM);由 三维直接自动生成二维工程图纸;产品数据共享与 集成等。这种形象化的三维设计具有直观、精确、快速的特点。

　　无与伦比的设计功能和易学易用的操作(包括 Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘帖)，使得 SolidWorks的整个产品设计可百分之百编辑，零件设计、装配设计和工程图之间全相关。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中， 设计过程最简便、最方便的莫过于SolidWorks了。就象美国著名咨询公司Daratech所评论的那样："在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。"下面就以锚杆机试验台为例介绍应用SolidWorks软件进行锚杆机试验台机械结构设计的过程和方法。

　　2锚杆机试验台设计过程流程图

　　锚杆机试验台是指专为修理后的锚杆机加载试验用的试验装置，并非出厂检验设备。其机械结构设计过程流程图如图1所示。

　　3 三维实体建模和后期处理

　　3.1设计要求

　　锚杆机试验台机械结构要求：

　　1)由于试验台高达5 m多高，因此须具有一定的刚度和强度，以致在试验推力和模拟钻孔的时候不至于振动过大出现事故;在满足刚度、强度的前提下，其重量要轻，回转体的转动惯量尽量小;

　　2)具备模拟井下锚杆机钻孔实际情况，即随着钻孔的不断加深，锚杆机的输出扭矩不断增大。这也是本试验台的独特之处(相对其他矿兄弟单位的试验台而言)。

　　3.2三维建模设计

　　根据锚杆机使用尺寸以及推力和扭矩的要求，结合以往的设计并本着节约的方针尽量使用我单位现有材料以及回用物品，初步确定结构尺寸、结构用材类型，进行三维造型设计，完成零部件设计并按约束进行装配，其局部图如图2所示。

　　3.3物理参数设计、工程计算分析

　　利用质量特性命令可以计算整个实体的质量特性，包括质量、体积和重心位置等方面的信息。SolidWorks软件可以添加材料的比重，自动输出其物理特性，其中包括重量、重心、对重心的转动惯量和对坐标原点的转动惯量等。

　　对试验台可移动和可转动部分的重量要求，利用软件的质量特性命令，可以非常方便给出设计，利用更改结构尺寸的方式驱动零部件的外形，达到更改零部件重量的目的，可以说是非常的便利。此质量特性命令可作为设计计算的依据。如果用手工计算，要几个人用几周的时间，而在这里瞬间即可完成，大大提高了设计效率。质量特性输出结果如图3所示。

　　3.4应力、应变分析

　　这里主要对关键部件主轴进行应力和应变分析。主轴的变形会影响机械正常运转和寿命，利用Solidworks软件中Cosmosxpress插件进行应力应变分析，看最大变形量是否满足精度要求，最大应力是否满足材料要求。若不满足或余量过大可利用该软件尺寸驱动的特点进行设计修改。下面仅以主轴为例介绍分析过程。

　　打开solidworks软件中cosmosxpress插件，根据锚杆机主要技术参数和主轴机械性能要求，确定主轴的材质、约束和载荷等基本的分析参数。依照插件的提示，单击下一步按钮，直到运算分析和显示结果。如图4所示。

　　3.5输出结果解释

　　输出结果类型如图5所示。应力、应变等计算结果，以彩色图片形式输出，并附有对应数据，如图6和图7所示。

　　第一个分析结果是安全系数，该系数是材料的屈服强度与实际应力的对比值。Cosmosxpress使用最大的应力标准来计算安全系数。其安全系数是6.43。考虑到扭应力，此系数不是很高。如果分析扭应力，必须使用cosmos works插件，此处不再叙述。由图6中的应力分布可知，材料的屈服应力是2.206 e+108(N/M2)，即机械工程常用的表示方法是220 MPa;实际发生的最大应力是3.429 e+107(N/M2)，即机械工程常用的表示方法是34.29MPa，显然远小于220 MPa的屈服应力，完全可靠。

　　如若应力计算结果超出材料允许值或变形超出精度要求范围，利用其参数化设计的特性可以很快修改其结构尺寸并重新计算。

　　由图7的应变结果图可以看出，红色区域变形最大，其最大值是1.212 e一10 nlln，即为0.012 12mm，也在主轴的精度范围之内。

　　3.6机构仿真及运动分析

　　机械产品的虚拟装配设计与运动仿真，是在计算机构成的虚拟环境中，进行机械产品的装配，并通过计算机动画技术对其进行运动模拟。

　　此过程是通过Cosmos/motion软件来完成的，具有优化性、经济性、安全性和可视性等特点，从而及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题。

　　根据锚杆机试验台实际运动工况，对相关运动副加以约束，实现机构真实的运动仿真，进行动态干涉检查。同时输出速度、加速度、位移、力矩等的曲线图，输出机构运动的影视文件。

　　3.7二维工程图转化

　　初步结构设计完全满足要求后，SolidWorks可以利用已建立的装配体模型生成二维工程图。

　　4结语

　　在新产品开发和设计过程中，对锚杆机试验台进行产品的仿真设计和实际工况下的仿真分析，可以大大提高设计效率，同时避免了试仅显著缩短了新产品的开发周期，还大大降低了设计成本，大大提高了企业的产品设计能力，增强市场竞争力。SolidWorks公司的宗旨就是让参与产品开发的每个人都能发挥3D的威力。SolidWorks公司是第一家开发出既易用，价格又适中的强大3D机械设计软件的公司。今天，SolidWorks软件在实际用户数量、客户满意度和销售方面均是主流市场上排在世界第一位的3D设计软件，是全球主流的三维设计软件。