CN103761352B - 基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法，属于疏浚工程领域。

背景技术

Pro/E(全称Pro/ENGINEER)操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E经历十几年的发展和完善，已经有了20多个升级版本，并且功能也延伸到CAM及CAE领域，成为多功能的3D软件，广泛应用于机械、电子、航空航天、产品设计、模具设计等各行各业。Pro/E功能强大，融合了零件设计、大型组件装配、模具开发、加工、饭金件设计、铸造件设计、造型设计、自动测量、机构仿真设计、有限元分析、数据库管理、电缆布线以及印刷线路设计等功能与一体。其中最擅长的是实体造型、加工以及大型组件装配、管理和模具结构设计，这些方面的应用在全球得到普及并且拥有极大的优势。

Pro/E具有如下特点和优势：

参数化设计和特征功能：Pro/E是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基本特征功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

单一数据库：Pro/E是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管是哪一个部分的。

全相关性：Pro/E的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性使得在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

基于特征的参数化造型：Pro/E使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸，还包括非几何属性)，然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。

数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。开发研制的数据管理模块，专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/E独特的全相关性功能，因而使之成为可能。装配管理：Pro/E的基本结构能够使用户利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。

易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。

绞吸式挖泥船产品的设计与生产过程是非常复杂且经常改动，参数化建模比较复杂，现有的通过Solidworks对绞刀进行建模，但是过程相当简洁，省略了许多步骤，目前还没有发现有利用Pro/E软件对绞吸式挖泥船绞刀进行建模的技术。

发明内容

为了弥补现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法，运用Pro/E可以实现快速参数化建模，实现运动仿真，并且可以根据切削受力分析，在原模型的基础上进行精确改动以优化绞刀模型。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法，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：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{d_1}{2}\sin \left({\mathrm{\Ω}}_1\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ y=\frac{(Z-1)}{2}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+\mathrm{kH}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{D}{2Z}\\ z=H\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{k(Z-1)}{2Z}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+k\frac{(Z-1)D}{2Z}\end{array}\right.$

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，

其中，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。

通过采用上述技术手段，本发明运用Pro/E可以实现快速参数化建模，并且可以在原模型的基础上较为容易的精确改动；通过建立绞刀的受力模型，在绞刀上施加均布载荷，通过对绞刀刀刃和刀齿进行分析，根据在同等功率的情况下，旋转切削力最大的要求来修改绞刀模型，实现消耗相同的能量具有更大的产量，从而优化绞刀模型，间接达到节能减排的目的。

附图说明

图1为本发明基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细说明本发明。

如图1所示，基于Pro/E的绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真优化方法包括以下步骤：

一、在挖泥船绞刀的建模过程中，需要用到挖泥船的绞刀参数，首先根据挖泥船船体要求配置绞刀规格并计算绞刀参数，不同的挖泥船型号不同，故而所配置的绞刀型号也不一样，绞刀型号不同其绞刀参数不同，根据所设计的挖泥船的挖泥量配置绞刀，然后计算绞刀参数，绞刀主要参数有绞刀直径、绞刀转速和绞刀功率等，其参数的计算分别为：

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，通常为0.7-0.9，现取0.75，ρ为绞刀前移距系数，取0.9，V_m为横移速度，通常为0-20m/min，现取12m/min，Q为所设计挖泥船船体的挖泥量；挖泥船船体的挖泥量确定后，绞刀直径可确定；

绞刀的转速是由绞刀的切削速度（即圆周速度）V_切决定的，它既不能超过临界速度，又要受到吸入速度和横移速度的影响，

根据文献可知，绞刀的切削速度V_切与吸入速度V_吸存在比值关系：

假设吸入速度V_吸为3.4m/s，则切削速度V_切为1.88～2.22（m/s），

则绞刀转速n的计算公式为：

为了保证切削速度与吸入速度有良好的匹配，一般取绞刀的切削速度在2.0m/s，绞刀直径确定后则可确定绞刀转速；

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，由切削的土质决定，k为切削比阻力系数，现取k=1.2，l为切削的有效长度，取l=95cm，ε为系数，取ε＝0.38，β为切削速度指数，取β＝1.27，为切削宽度，Z为绞刀刀臂数，R为同时参加切削的刀臂数，本实施例中取Z＝6，R＝2，η为绞刀的切削效率，取η＝0.9，γ为切削角；

上述各参数的取值均根据经验值所得。

二、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，齿式绞刀还在刀臂上装有不同形状的刀齿，各零件构建过程具体为：

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，具体方法为在Pro/E中执行以下操作：插入→拉伸→伸出项→实体一草绘(选择参考面、绘制截面及旋转轴)→完成退出草绘→接受默认选项→完成，其中在Pro/E草绘界面中，有X、Y、Z三个相互垂直现有的平面，软件会提示选取绘制平面与参考面（绘制平面即是在其上绘制二维封闭图形，而参考平面是与绘制平面相互垂直的平面），从三个平面中任意选取两个，其中一个作为绘制平面，另一个即为参考面，反之亦然；绘制截面是在绘制平面上画的二维封闭图形此时可以想象成绞刀从中间截开的断面，再输入大小轮毂的半径，即为旋转轴的位置，使得二维平面以旋转轴为中心旋转，即可得到三维实体轮毂；大环的绘制方法相同；

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，我国的绞刀轮廓方法多用于类比法，即对照先进国家疏浚绞刀进行仿制，而后利用逆向取点法，再得到绞刀大体轮廓（取的点越多越接近原轮廓曲线）。本发明中构建轮廓线即采用这种方法，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，绘图的时候参照面都是一样，一般的三个基准面就是TOP/FRONT/RIGHT（也就是pro/E自带的X,Y,Z平面），此时可以选择TOP平面作为绘图的基准平面（其他任何一面都是可以的），在此空间随便选取一点作为基准点，在此点设置笛卡尔坐标系，最后在Pro/E中执行：插入基准曲线→来自文件→完成→选取坐标系→根据路径提示选择IBL文件→生成曲线，将生成的IBL文档导入设置的笛卡尔三维坐标中，这样就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，具体过程为：混合扫描→选择伸出项→打开参照选项卡→选择轮廓线为轨迹→选择链选项→创建草绘平面→确定完成；

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；绞刀共有5个刀臂组成，那可以通过以下两步来实现：选择新生成刀臂→编辑→阵列→选择表示两个刀臂之间角度的尺寸：60→输入个数6→确定退出；

2-2-4）生成刀臂上的刀齿，具体过程为，先设置一个水平基准平面，作为刀齿所在的平面；使这个平面与刀臂曲面交截，再选取一个垂直方向的基准平面，在这个垂直方向的平面上画刀齿的初始段截面轨迹（截面为矩形），在水平平面上画刀齿的长度轨迹，沿刀齿长度方向再选取一个垂直方向基准平面，在这个平面上画刀齿的另一端的截面轨迹，截面为矩形，此矩形尺寸小于上面截面矩形尺寸，也就是是的刀齿主体部分为梯形体，然后扫描混合；同理绘制刀尖的最外端的截面轨迹，然后扫描混合；

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，具体操作方法为在Pro/E中执行以下操作：插入→旋转→伸出项→实体一草绘(选择参考面、绘制截面及旋转轴)→完成退出草绘→接受默认选项→完成；

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，具体为通过一平面沿着一侧边回转为一实体，再通过拉伸为轴杆。

三、完成零件模型后，将设计的零件按照设计要求的约束条件或连接方式装配在一起才能形成一个完整的产品或机构装置。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满足设计要求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，具体执行过程为：进入组件窗口--插入--元件--装配，导入首个要装配的部件，会在窗口下方弹出组件控制面板，它用来设置约束条件，确定部件位置关系的，然后逐个导入其他部件进行装配即可，因为绘图时是按照统一尺寸绘制的，此时只要在装配窗口中拖动一个部件，移动到另一部件，按照一定的装配约束类型组合即可，在此模式下，所有的元件都是可以移动的。

操作过程中，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装配，电机轴杆下端与尾筒的装配；

装配完成后，可以进行干涉检验，干涉检验是进行机构运动仿真的最重要的检测环节，如果出现干涉的现象，可以将整机设计中可能存在的问题消除在未然状态,能够及时发现问题，减少试制样机的费用,并大大缩短机械产品的开发周期，通过点选手动拖动按钮可以直观的显示出设计是否存在干涉现象，执行过程为点选“应用程序”下拉菜单下“机构”，出现了“销钉”连接的符号，表示这些构建之间的连接是可动的。

四、通过添加和设置伺服电机，为各零件的运动提供动力，完成吸式挖泥船绞刀模型的构建；我们可以直接将伺服电机设置在“销钉”、“滑动键”、“圆柱”、“平面”、“轴承”等连接对的轴线上，提供元件平移或旋转所需的动力，也可以指定驱动图元及参照图元，以设置元件之间的相对运动，来设定电动机的传动轴。本发明中伺服电机仅作用于电机轴杆，通过轴杆的旋转带动绞刀，所以只要在电机轴杆上设置一个伺服电机即可，具体为在机构状态下选择伺服电动机按钮，选取运动轴为旋转台销钉连接，设置旋转方向为顺时针，并设置相应旋转速度，即完成伺服电机的添加，如果要求绞刀逆时针旋转，则将旋转方向设置为逆时针即可。

通过设置伺服电机的运行时间，就可以实现绞吸式挖泥船绞刀切削土壤的仿真运动。

五、绞刀模型构建完成后，通过在绞刀上施加均布载荷，使其模拟切削土壤的运动，根据切削受阻状况，对绞刀刀刃及刀齿进行受力分析，使得在同等功率的情况下，旋转切削力最大，并根据此要求来修改绞刀模型。

首先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；

然后运用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，

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：

首先将所述步骤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：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{d_1}{2}\sin \left({\mathrm{\Ω}}_1\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ y=\frac{(Z-1)}{2}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+\mathrm{kH}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{D}{2Z}\\ z=H\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{k(Z-1)}{2Z}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+k\frac{(Z-1)D}{2Z}\end{array}\right.$

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，

其中，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，绞刀外径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，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；

然后利用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。

表1为包角Ω₁和Ω₂均为60度，切削角为37度，剪切角为45度，情况下刀齿受力情况，

表1刀齿受力表

刀齿加载位置	沿齿面受力（N)	垂直齿面受力（N）
			9	7230.1	537.7
8	6831.2	508.1
			7	6188	460.1
6	5350.8	397.9
			5	4384.4	326.1
4	3363.7	250.2
			3	2367.8	176.1
2	1473.9	109.7
			1	751.2	55.9

其中，9是离轮毂最近的刀齿，1是离大环最近的刀齿，

从上述表中可以看出，最大的集中力在靠近轮毂的前几个刀齿上，即前几个刀齿磨损最快，根据理论分析与实际工况，在给定切削功率的情况下，通过不断调整绞刀模型的包角，剪切角，切削角参数，进行受力分析，直至旋转切削力最大，进而得到优化的绞刀模型。其中判断旋转切削力最大，是指根据受力的平行四边形法则，一个力在沿齿面方向的分力最大即使旋转切削力最大。

本实施例中，优化所得到的较合理的刀臂内外轮廓线包角Ω₂，Ω₁均为60°，切削角为37°，剪切角为45°；

同时，需要优化的还包括以下几个方面：

1、使同一刀臂上的刀齿切削角与剪切角依次改变，安装在最佳有利位置，减少磨损，增加寿命；从理论上分析，绞刀是旋转体，在旋转的过程中首先是最下方刀齿接触土壤，在第二个刀齿接触土壤时，土壤的切削平面已经被第一个刀齿破坏了，与第一个刀齿的切削角度已经不一样的，所以把刀齿切削角按照刀臂曲线依次变化，就是要使后面的刀齿切削情况与第一个相同；

2、磨损严重的刀齿要单独加固，应用耐磨材料，尽量使得所有刀齿磨损一致；因为耐磨材料价格昂贵，所以必须计算出什么位置磨损快，在此处着重安装这样的耐磨材料，既可以增加性能，又可以节省成本；

3、刀齿与刀臂结合处要光滑过度，防止应力集中。

Claims (1)

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由刀头尾筒，电机轴杆，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：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{d_1}{2}sin\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ y=\frac{(Z-1)}{2}cos\left(\mathrm{\θ}\right)+kHsin\left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{D}{2Z}\\ z=Hsin\left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{k(Z-1)}{2Z}cos\left(\mathrm{\θ}\right)+k\frac{(Z-1)D}{2Z}\end{array}\right.$

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，

其中，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。