宋玉濤， 楊京蘭，季洪博

(1.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司液壓裝備廠，遼寧 大連 116035；2.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

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數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在制動(dòng)器研發(fā)中的應(yīng)用

宋玉濤1， 楊京蘭1，季洪博2

(1.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司液壓裝備廠，遼寧 大連 116035；2.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)作為一種新型的設(shè)計(jì)手段，能夠在設(shè)計(jì)的早期盡可能的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在的不足并進(jìn)行及時(shí)的完善優(yōu)化，達(dá)到產(chǎn)品最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。本文利用數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，搭建了制動(dòng)器3維模型并將其導(dǎo)入到Ansys Workbench環(huán)境，加以條件限定，通過(guò)數(shù)值分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選定滿足制動(dòng)器要求的性能材料。

數(shù)字化樣機(jī)；Ansys Workbench；仿真分析

0 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的消耗結(jié)構(gòu)不斷的向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展。面對(duì)無(wú)法預(yù)測(cè)、持續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)需求，企業(yè)為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，必須盡快改變品種，更新設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，這樣才能迎合市場(chǎng)的需求。數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)就是在這種迫切需要的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的，目前這種技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1 搭建制動(dòng)器三維模型

制動(dòng)器由于其功能的特殊性，其工作的安全可靠性對(duì)整車設(shè)備而言起著決定性作用。制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的合理性是保證制動(dòng)器安全工作的前提。制動(dòng)器整機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般是通過(guò)二維設(shè)計(jì)的手段來(lái)完成裝備圖及零件圖的設(shè)計(jì)，而在后期圖紙完善階段，零件圖與裝配圖之間不具備跟隨性，重復(fù)性勞動(dòng)強(qiáng)度大，準(zhǔn)確度也相對(duì)較低。

圖1 制動(dòng)器三維模型Fig.1 3D brake model

三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用很好的避免了這一弊端。圖1為利用UG NX4.0設(shè)計(jì)軟件對(duì)制動(dòng)器搭建的三維模型，從圖中可以清晰的看到各零件相互的位置及配合關(guān)系，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)裝配圖與零件圖實(shí)時(shí)改動(dòng)。

2 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

從制動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)及工作原理角度出發(fā)，將其結(jié)構(gòu)件部分提取出來(lái)進(jìn)行相關(guān)的仿真計(jì)算，如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)件三維模型Fig.2 3D model of the structure

模擬制動(dòng)器在實(shí)際工作過(guò)程中所承受的載荷力情況，對(duì)導(dǎo)入到ANSYS Workbench環(huán)境中的三維模型進(jìn)行力學(xué)加載及相關(guān)定位條件限定，如圖3所示，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖3 力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing model

在ANSYS Workbench工作環(huán)境中經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到圖5制動(dòng)器最大型變量及圖6制動(dòng)器最大等效應(yīng)力值。從圖5的數(shù)值分析結(jié)果可以看出，制動(dòng)器的最大型變量為0.206 mm，對(duì)其三種結(jié)構(gòu)件的型變量數(shù)值分別進(jìn)行分析，可以得到在制動(dòng)器的工作過(guò)程中發(fā)生最大型變量的為被動(dòng)支架，且靠近被動(dòng)支架的尾部如圖5(c)。

圖5 最大值型變量為0.206 mmFig.5 Image under max. deformation of 0.206mm

同樣，從圖6的數(shù)值分析結(jié)果可以看出，在工作過(guò)程中制動(dòng)器所承受的最大等效應(yīng)力為211.13MPa，對(duì)其三種結(jié)構(gòu)件的等效應(yīng)力值分別進(jìn)行分析，可以得到在制動(dòng)器的工作過(guò)程中產(chǎn)生最大等效應(yīng)力的仍然為被動(dòng)支架，且從其圖譜中可以看到，等效應(yīng)力集中點(diǎn)為被動(dòng)支架中凸臺(tái)的位置，如圖6(c)所示。

圖6 最大等效應(yīng)力為211.13 MPaFig.6 Image under max. equivalent stress of 211.13 MPa

以上的分析結(jié)果中可以判定，制動(dòng)器在工作過(guò)程中被動(dòng)支架為整個(gè)機(jī)構(gòu)的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果以設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選定材料QT500-7即可滿足制動(dòng)器使用的性能要求。

另外在結(jié)果輸出階段如過(guò)對(duì)輸出的結(jié)果不理想，可根據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)。即返回三維設(shè)計(jì)階段，在三維設(shè)計(jì)軟件中對(duì)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，后期通過(guò)ANSYS Workbench中的更新模型參數(shù)的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)分析軟件中三維模型的的同步改進(jìn)。在其他工作條件如加載力等不變的情況下，可直接進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，直到得到滿意的輸出結(jié)果為止。這樣既方便又快捷，也很大程度上的提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。在得到滿意的分析結(jié)果后可從三維設(shè)計(jì)軟件中直接輸出二維設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行下一步的生產(chǎn)工作。

4 結(jié) 論

從上述論述中可以看到，數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一方面，能夠較大程度的提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期，一定程度上的降低了研發(fā)成本，提高了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。另一方面，數(shù)字化樣機(jī)的應(yīng)用，有利于設(shè)計(jì)人員很好的掌握產(chǎn)品的特點(diǎn)，便于對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)的改進(jìn)，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。

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Application of digital prototyping technology in development of brake

SONG Yu-tao1， YANG Jing-lan1，JI Hong-bo2

(Hydraulic Equipment Plant of Dalian Huarui Heavy Industry Group Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116035)

Digital prototyping technology is a new kind of design method, which can find out the deficiencies in design forepart and optimize it shortly to be a perfect design. Using virtual prototyping technology, this paper put up a 3D brake model and imported that into Ansys Workbench with boundary condition，which could selected the required materials through numerical analysis.

digital prototype; Ansys Workbench; simulation analysis

2014-10-31；

2014-12-06

宋玉濤(1977-)，男，大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司工程師，研究方向：機(jī)械電子工程。

TH122

A

1001-196X(2015)01-0080-04