[发明专利]基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法

摘要

本发明公开了一种基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法，绞吸式挖泥船是疏浚工程中使用较为广泛的一种挖泥船，由于产量是挖泥船性能优劣的重要指标，故而具有挖泥作用的绞刀头是影响产量的重要因素。本发明利用三维建模软件Pro/E绘制绞刀的三维模型，通过MTLAB软件建立绞刀的受力模型，并对绞刀刀刃和刀齿进行分析，得到每个刀齿的受力，并在给定切削功率的情况下，调整绞刀模型参数，使旋转切削力最大，进而优化绞刀模型，使之更加科学，低功率产生更大的切削力，从而实现低能耗，高效率的目的。

主权项

1.基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法，其特征在于，包括如下步骤：1）根据挖泥船船体要求配置绞刀规格并计算绞刀参数，所述绞刀参数包括绞刀直径，绞刀转速和绞刀功率，所述绞刀直径D的计算公式为：Q＝60×ρLDcosV_m，式中：L＝αD，D为绞刀直径，L为绞刀高度，α为绞刀长度与直径比系数，ρ为绞刀前移距系数，V_m为横移速度，Q为所设计挖泥船船体的挖泥量；所述绞刀转速n的计算公式为：其中，V_切为绞刀的切削速度所述绞刀功率N的计算公式为：其中，为单个刀臂切削阻力，单位千克力，分别为土壤力学系数，k为切削比阻力系数，l为切削的有效长度，单位cm，ε为系数，β为切削速度指数，为切削宽度，Z为绞刀刀臂数，R为同时参加切削的刀臂数，η为绞刀的切削效率，γ为切削角；2）基于Pro/E构建绞吸式挖泥船的绞刀零件模型，绞吸式挖泥船的绞刀一般由若干刀臂，大环和轮毂构成，各零件模型的构建过程具体为：2-1）在Pro/E软件中，利用拉伸命令将绞刀大环和轮毂建模为规则的回转体；2-2）将绞刀的刀臂看成由内外两条轮廓线构成的曲面，构建绞刀刀臂，具体构建过程为：2-2-1）构建轮廓线，具体为，在仿制的绞刀模型上，选取内外轮廓上的若干点坐标做成Pro/E可以识别的IBL后缀格式的记事本文档，然后在Pro/E中建立基准面基准点设置笛卡尔坐标系，再将IBL文档导入设置的笛卡尔三维坐标中，即生成绞刀刀臂的内外轮廓曲线；2-2-2）以构建的轮廓线为轨迹，利用Pro/E的变截面扫描命令构建出刀臂的工作面；2-2-3）以上述步骤生成的刀臂为母体，根据两个刀臂之间的角度，生成所有的刀臂；2-2-4）生成刀臂上的刀齿；2-3）在Pro/E软件中，利用旋转命令将绞刀刀头尾筒建模为回转体；2-4）在Pro/E软件中，将绞刀的电机轴杆建模为回转及拉伸结构；3）在Pro/E软件的组件模块中，将构建的绞刀零件模型进行装配，使所创建的零件模型构成一个完整的绞吸式挖泥船绞刀，具体为以约束条件装配固定不动的原件和以连接条件装配可移动的原件，其中，绞刀刀头采用销钉的连接方式进行装配，实现绞刀刀头与尾筒的装配；电机轴杆采用销钉的连接方式进行装配，实现电机轴杆上端与绞刀轮毂的装配，电机轴杆下端与尾筒的装配；4）添加和设置伺服电机，为各零件的运动提供动力，所述伺服电动机添加在电机轴杆的轴线上，完成吸式挖泥船绞刀模型的构建；5）通过设置伺服电机的运行时间，实现绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真运动；6）将上述所建的挖泥船绞刀模型导入到有限元分析软件ANSYS中，利用ANSYS对绞刀进行网格划分；7）运用MTLAB软件编制程序，对绞刀施加均布载荷，建立绞刀的受力模型，对绞刀周围环境施加约束力来充当泥土阻力，反馈到绞刀刀刃和刀齿上；8）通过ANSYS软件计算出各个划分网格的受力，进而得到每个刀齿的受力，根据理论分析与实际工况，在给定切削功率的情况下，调整绞刀模型参数，使旋转切削力最大，进而优化绞刀模型，具体过程为：8-1)将所述步骤2-2）中构建的刀臂轮廓线在绞刀轴面上的投影及刀臂轮廓线在绞刀平面上的投影相结合，得到绞刀三维轮廓线，刀臂外轮廓空间曲线：x=d12sin(Ω1)sin(θ)y=(Z-1)2cos(θ)+kHsin(θ)+D2Zz=Hsin(θ)-k(Z-1)2Zcos(θ)+k(Z-1)D2Z]]>刀臂内轮廓空间曲线：其中，x,y,z分别为绞刀刀臂的三维坐标，d₁,d₂分别为绞刀轮毂的外径和内径，Ω₁，Ω₂分别为刀臂外轮廓线和内轮廓线包角，H,h分别为刀臂外轮廓线和内轮廓线顶点高度，φ为刀臂安装角，θ是保证内外轮廓线与轮毂面相交的参数，k为切削比阻力系数，D为绞刀直径，B为切削宽度，Z为刀臂数，对于确定的挖泥船船体要求，绞刀轮毂的外径和内径d₁,d₂，刀臂外轮廓线和内轮廓线顶点高度H,h，刀臂安装角φ，绞刀直径D，切削宽度B，刀臂数Z，切削比阻力系数k，保证内外轮廓线与轮毂面相交的参数θ，这些参数确定，则上述刀臂外内轮廓线方程分别变为变量为外轮廓线包角Ω₁和内轮廓线包角Ω₂的方程；通过修改包角即可生成不同的内外轮廓线三维曲线，即不同的绞刀模型；8-2）利用ANSYS软件分析计算每一个绞刀模型，通过改变绞刀的剪切角和切削角，计算不同的剪切角和切削角下，每个刀齿的受力，直至旋转切削力最大，进而得到最优的包角，剪切角和切削角，同时得到优化的绞刀模型。