0、引言
    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(jì)研發(fā)呈現(xiàn)了許多新的特點(diǎn)：高科技化、多學(xué)科化、多功能化等，現(xiàn)代產(chǎn)品多為一個(gè)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(kāi)發(fā)過(guò)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(diǎn)．
    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(xiàng)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(diǎn)，該類型的樣機(jī)是由分布的、不同工具開(kāi)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(jì)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(kāi)發(fā)制造的全生命周期，包括需求分析和定義、概念設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、測(cè)試評(píng)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(diǎn)，對(duì)于錘式破碎機(jī)而言，關(guān)鍵零部件很難用理論計(jì)算來(lái)得出其詳細(xì)的受力狀況，而載荷大小又是設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究也僅僅是在假設(shè)原則下單個(gè)錘頭碰撞單個(gè)礦物模型的分析，這種分析和實(shí)際的破碎過(guò)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(duì)各方面因素對(duì)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(dòng)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(guó)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(kù)等特點(diǎn)，產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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(kù)，任何一處發(fā)生參數(shù)改動(dòng)，都反映到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)．單一數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和全相關(guān)功能，為并行工程的實(shí)施提供一個(gè)良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)．
    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(dòng)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�。�在ADAMS中選擇“Import a fde”讀入此文件，為建立錘式破碎機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型做準(zhǔn)備．
    在ADAMS中對(duì)導(dǎo)入的裝配模型施加約束和驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(guò)尺寸1110mmx400 mmx618 mm，仿真最惡劣工作環(huán)境．
1.3實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真
    用動(dòng)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(dòng)力學(xué)可視化仿真軟件就可進(jìn)行上述求解，不僅可以對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行求解也可以對(duì)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(yùn)動(dòng)曲線圖．
2、建立ANSYS&ADAMS聯(lián)合仿真分析平臺(tái)
2.1建立可重用有限元模型
    運(yùn)用ANSYS&APDL，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化建模和自動(dòng)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(guò)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(shí)現(xiàn)面向不同需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考．而關(guān)鍵參數(shù)即為結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)程中，為了方便后續(xù)ANSYS分析，需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，另一方面由于破碎機(jī)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以建模時(shí)采用對(duì)稱方式建立模型，并在分析過(guò)程中設(shè)置對(duì)稱約束，只對(duì)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(jì)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(jì)算機(jī)時(shí)．
    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(tái)
    結(jié)構(gòu)分析利用ANSYS和ADAMS構(gòu)建的聯(lián)合分析平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殄N頭破碎物料時(shí)受力狀況極其復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的方法來(lái)得到錘頭上各個(gè)時(shí)刻的受力，所以利用ADAMS仿真來(lái)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(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，動(dòng)力學(xué)分析的精度要求也不斷提高，所以在動(dòng)力學(xué)分析中，不僅要考慮剛體運(yùn)動(dòng)，還要考慮柔性體的運(yùn)動(dòng)情況，在機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析理論上趨向于多剛體動(dòng)力學(xué)與多柔體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合進(jìn)行分析．與之相對(duì)應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)可視化分析上，趨向于應(yīng)用機(jī)械剛體動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS、有限元分析軟件ANSYS.
    柔性體將會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響，同樣整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況也反過(guò)來(lái)決定丁每個(gè)構(gòu)件的受力狀況和運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(gè)軟件．
    ANSYS與ADAMS聯(lián)合分析平臺(tái)如圖6所示．
    破碎機(jī)的工作過(guò)程是電機(jī)通過(guò)變速箱將力和運(yùn)動(dòng)傳遞給主軸，而后通過(guò)鍵把運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)和力傳遞到執(zhí)行部件—錘頭上，這就是整個(gè)工作過(guò)程，基于ADAMS和ANSYS兩個(gè)研究平臺(tái)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(gè)整體來(lái)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(dòng)產(chǎn)生的滾動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)物體的速度成正比，該載荷較小，一般分析時(shí)可不計(jì)．
    4)工作載荷，錘式破碎機(jī)正常工作時(shí)，錘頭與煤巖沖擊碰撞，將產(chǎn)生的作用力．在碰撞時(shí)，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(shí)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(duì)模型劃分網(wǎng)格．
    2)建立外部節(jié)點(diǎn)．外部節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，用于在ADAMS所進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)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(yùn)用到ADAMS仿真中時(shí)，在結(jié)構(gòu)體中如何選取外部節(jié)點(diǎn)是一個(gè)很重要的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)．一個(gè)關(guān)節(jié)位置只使用一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為外部節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)作為外部節(jié)點(diǎn)，外部節(jié)點(diǎn)與其周圍的柔性體節(jié)點(diǎn)一般使用剛性區(qū)域來(lái)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(dòng)慣量，頻率，振型以及對(duì)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(diǎn)進(jìn)行耦合與外部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，以保證有限元分析過(guò)程中模擬碰撞力的準(zhǔn)確性．另外還要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為錘頭與錘體的連接點(diǎn)，
    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(duì)模型旌加相應(yīng)的約束，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，如圖9所示．
2.4有限元分析結(jié)果
    通過(guò)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(gè)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(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，融合虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)、三維計(jì)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(jì)方法．
    在數(shù)字化設(shè)計(jì)的大背景下，以錘式破碎機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)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?jī)?nèi)容和結(jié)論主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    1)利用Pro/E三維造型軟件對(duì)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(dòng)力學(xué)仿真模型，實(shí)現(xiàn)錘式破碎機(jī)動(dòng)態(tài)仿真，得到錘頭上的運(yùn)動(dòng)曲線圖。用性能，因此，該方案設(shè)計(jì)欠佳．
4、結(jié)束語(yǔ)
    1)在壓鑄工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用CAD/CAE技術(shù)，可縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率，有效減少試驗(yàn)次數(shù)并降低設(shè)計(jì)成本。
    2)采用方案2所示環(huán)形澆注系統(tǒng)，可實(shí)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。