Pro/E软件在卧式振动离心机研发中的应用

                               李迎喜  毛冬梅

                   (煤炭科学研究总院唐山研究院,河北唐山　063012)

    摘要：应用Pro/E软件,对卧式振动离心机进行参数化建模和可视化设计,在离心机的设计阶段 实现了干涉检测,并对关键零部件进行了有限元分析,提高了产品的设计品质,减少了设计缺 陷,缩短了设计周期,进一步提高了产品的设计质量和可靠性。

    关键词：卧式振动离心机;实体建模;模拟装配;有限元分析

    中图书分类号：TD455　文献标识码：A

    随着选煤市场的迅速发展和竞争的日益激烈, 对选煤设备大型化、高效化的要求日益迫切。如何 紧跟市场变化,提高产品品质,增强产品的市场竞 争能力,缩短产品开发周期,降低生产成本,已经 成为选煤设备制造企业十分重视的问题。然而,目 前国内大多数企业在进行整机设计时,基本上还停 留在静态设计的基础上,利用二维图纸表达设计思 想、指导生产。虽然二维图纸也能表达很多信息, 但存在着一些弊端,例如,对于复杂件,设计人员 很难将二维视图转化成三维实体,而且二维图形不 能表达空间机构运动,也不能对产品装配进行干涉 检验[1, 2]。

    计算机技术的发展及其在产品设计开发中的应用,对于提高绘图效率,解决复杂计算过程,修改设计,促进设计工作的规范化、标准化和可视化发 挥了重要的作用。文章将基于美国PTC公司的 PRO/E (WILDFIRE)软件,详细阐述和介绍CAD 技术在卧式振动离心机产品设计中具体应用和效果。

    1　实体建模和模拟装配

    应用Pro/E软件对卧式振动离心机进行三维可 视化设计。Pro/E具有基于特征、全参数和全相关等特点,参数化是Pro/E三维设计的基本思想。三维设计中的参数化设计模块,使得零件的设计尺寸 可以随着某些结构尺寸约束的修改而自动修改,无需删除原来的线条进行重新定义,它建立在统一基层的数据库上,工程中的所有资料都来自一个数据库,整个设计过程中的任意一处发生改动,都可以系统地反映在整个设计过程的相关环节上。

    1·1　三维实体建模

    在卧式振动离心机设计开发过程中,使用 Pro/E软件进行产品设计与传统的设计方式完全不 同,其主要特点在于设计人员在设计过程中把零件 由毛坯开始加工成所需要的零件,能非常直观地发 现问题,及时加以纠正。

    在设计过程中,首先根据功能要求,创建关键 零部件的实体模型,同时考虑加工工艺,反复进行 结构调整和参数优化,直到设计出结构合理、工艺 性强和生产便利的产品。

    图1是卧式振动离心机主轴实体图。主轴是离心机的重要零部件之一,其设计品质的好坏直接关 系到离心机工作的稳定性。利用实体模型能更好地 进行结构和参数优化设计,提高设计品质。

                   

    1·2　模拟装配及优化设计

    分别建立好各个零件的实体模型后,就可以进行三维实体的装配了。用Pro/E软件中的装配模块对各零部件进行三维实体装配的顺序一般是:首先,建立一个总装任务,在其下面建立相应的各组件或部件的子装配任务;然后,把相关零件装配成部件,再把相关部件装配成组件;最后把各组件装配成整机。在装配过程中,要注意装配的第一个元 件是以后不会被删除的元件,所以在装配前要做好规划。

    在新产品设计研发过程中,设计人员无法对产品零部件形成直观的认识,不能对产品零部件的结构、尺寸等进行有效的把握,在装配中,特别是复杂零部件的装配,零部件间的干涉是很难避免的。在过去,往往要到零部件加工结束后实际装配时才能发现,这不仅造成经济损失,更重要的是延误了研制周期和制造周期。作为参数化和全相关的软件, Pro/E可以实现在装配模式下修改零件尺寸、装配尺寸,把问题消灭在设计过程中,达到优化设计的目的。

    Pro/E具有强大的模拟装配及动态仿真功能, 通过旋转、放大可以清楚地看到装配中的不合理情 况,这对保证产品在生产过程中一次装配成功尤为 重要。图2是经过优化的、工艺性能良好的卧式振 动离心机振动体实体装配图。为了看清装配图内部 的零件结构,还可生成装配爆炸图(图3)。

                 

    Pro/E除了能进行实体建模和装配外,还可生 成二维视图,它比传统的二维图先进,且效率成倍 增长,实体和图样绝对一致,图面错误大大减少, 避免了设计人员的实体概念与产品图表达的偏差, 使设计人员从繁琐的图文处理中解脱出来,把更多 的时间用在概念设计上。图4为卧式振动离心机锁 紧螺栓二维视图。

    2　关键件的有限元分析

    Pro/MECHANICA Structure是一个有CAD模块为奥援的结构分析有限元模块,它专门用来进行零件和组件模式下的结构分析,其分析种类有静态分析、模态分析、屈曲分析、接触分析、预应力分析及振动分析等。

                  

    卧式振动离心机的关键部件是振动体和主轴, 其结构的合理性和强度直接影响整机的使用寿命。因此应用Pro/MECHANICA Structure对振动体和主轴进行静力分析和模态分析具有十分重要的意义。有限元分析的基本步骤如图5所示。

               

    对主轴、振动体进行分析时,首先要定义好主轴、振动体的框架、截面性质,并对其增加重力和施加约束,然后做结构分析,以确定主轴和振动体将产生的位移、变形及所受应力的大小,这有助于我们分析主轴的结构是否合理,能否保证强度要求;有助于找出振动体的应力分布和自然频率,判断振动体结构是否合理;有助于找出工作频率和固振频率,防止工作频率和固振频率叠加而产生共振,影响使用寿命。分析结果如表1、图6所示。

                  

    针对有限元分析过程中发现的问题,可以对零部件的结构、材料等进行修改,直到结果满足设计要求为止,从而确保了设计产品的可靠性。



    3　Pro/E软件应用于产品设计研发的优越性 Pro/E具有二维工程设计绘图、三维实体造型 的动态装配和应力分析等功能模块,尽管目前我们 只在三维实体造型、模拟装配、有限元分析方面进 行了初步应用,但是从使用效果来看, Pro/E在实 现产品设计自动化方面已经发挥了重要作用。

    3·1　Pro/E软件可以优化产品的设计方法,缩短 产品的开发周期

Pro/E软件为设计人员提供了协同工作环境, 极大地改进了产品的设计过程,可以使设计人员在 设计过程中并行工作。协同工作的环境可以使设计 人员在产品开发的全过程相互保持联系,以确保与产品开发的所有设计人员均使用统一的产品设计数据,从而保证产品数据的一致性。利用Pro/E软件进行三维实体造型、模拟装配和有限元分析,能及时发现、并解决产品设计时存在的问题,可缩短产品开发周期60%左右[2],并且产品的设计品质也可得到保证与控制。

    3·2　Pro/E软件可以增强对数字化产品的分析能 力,提高产品的设计品质

利用Pro/E软件可以开发出未来的数字样机, 利用这种方法进行设计,可以在没有制造出实物样 机和实际投产之前,让有关人员获得关于产品外 形、性能和成本等方面的详细资料,从而缩短产品 的开发周期。产品品质随着研制开发的全过程而得 到自然的、内在的保证与控制。

    4　结束语

    应用Pro/E软件对卧式振动离心机零部件进行 三维可视化设计和模拟装配,可以直观地显示卧式 振动离心机的模型和实际操作过程,实现了卧式振 动离心机在设计阶段就能可视地对它进行干涉检 测,从而为实物的制造和安装提供了一切必要的准 备。同时,对关键零部件进行有限元分析还可以进 一步对产品结构进行优化,以确保产品的质量和可 靠性。

参考文献:

[1]　杨宇,等·卧式螺旋沉降离心机的三维可视化设计 及仿真[J]·机械设计, 2008, (2): 8~10·

[2]　丁锦宏,吴国庆·Pro/E软件在新产品设计中的应 用[J]·信息技术, 2006, (4): 138~139·