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)計研發(fā)呈現(xiàn)了許多新的特點：高科技化、多學(xué)科化、多功能化等，現(xiàn)代產(chǎn)品多為一個復(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，開發(fā)過程復(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)字樣機技術(shù)，正成為制造業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的熱點．
    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，該類型的樣機是由分布的、不同工具開發(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)計模型．該樣機涉及的仿真類型多、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，包括機械、電子、控制、軟件等多學(xué)科領(lǐng)域，該類型樣機將應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)制造的全生命周期，包括需求分析和定義、概念設(shè)計、生產(chǎn)制造、測試評估、使用、維護訓(xùn)練直至銷毀等不同階段，
    破碎機作為一種機械類產(chǎn)品，其本身也具備復(fù)雜產(chǎn)品的特點，對于錘式破碎機而言，關(guān)鍵零部件很難用理論計算來得出其詳細的受力狀況，而載荷大小又是設(shè)計其結(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．國內(nèi)外對這方面的研究也僅僅是在假設(shè)原則下單個錘頭碰撞單個礦物模型的分析，這種分析和實際的破碎過程差別很大．而采用數(shù)字樣機技術(shù)不僅能很好地解決破碎機產(chǎn)品研發(fā)中遇到的諸多難題，而且能對各方面因素對其結(jié)構(gòu)的影響提供科學(xué)分析。
1、建立破碎機的幾何模型和動力學(xué)仿真模型
1.1建立破碎機幾何模型
    Pro／Engineer wildfire是美國參數(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)庫等特點，產(chǎn)品的整個設(shè)計過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，任何一處發(fā)生參數(shù)改動，都反映到整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)．單一數(shù)據(jù)庫技術(shù)和全相關(guān)功能，為并行工程的實施提供一個良好的開發(fā)平臺．
    圖l所示為建立的PCM400錘式破碎機關(guān)鍵零件的幾何模型和總裝配圖．
1.2建立破碎機動力學(xué)仿真模型
    在Pro/E中把建立的錘式破碎機的幾何模型導(dǎo)出為parasolid(+x-t)格式的文件，此文件能被ADAMS軟件讀取．在ADAMS中選擇“Import a fde”讀入此文件，為建立錘式破碎機動力學(xué)仿真模型做準備．
    在ADAMS中對導(dǎo)入的裝配模型施加約束和驅(qū)動具體如下：
    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)動電機，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尺寸1110mmx400 mmx618 mm，仿真最惡劣工作環(huán)境．
1.3實現(xiàn)動態(tài)仿真
    用動力學(xué)可視化仿真的方法不用創(chuàng)建機械系統(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)用動力學(xué)可視化仿真軟件就可進行上述求解，不僅可以對線性系統(tǒng)進行求解也可以對非線性系統(tǒng)進行求解．圖3為錘頭l上的速度、加速度、角速度、角加速度的運動曲線圖．
2、建立ANSYS&ADAMS聯(lián)合仿真分析平臺
2.1建立可重用有限元模型
    運用ANSYS&APDL，實現(xiàn)了參數(shù)化建模和自動控制求解，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，通過改變樣機結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而改變樣機結(jié)構(gòu)特征，為實現(xiàn)面向不同需求的產(chǎn)品設(shè)計提供參考．而關(guān)鍵參數(shù)即為結(jié)構(gòu)在設(shè)計過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，
在建模過程中，為了方便后續(xù)ANSYS分析，需要對模型進行適當?shù)暮喕�，另一方面由于破碎機為對稱結(jié)構(gòu)，所以建模時采用對稱方式建立模型，并在分析過程中設(shè)置對稱約束，只對一半的裝配模型進行分析，在分析完畢后擴展模型得到整體結(jié)構(gòu)的計算結(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，縮短計算機時．
    在ANSYS中建立的破碎機模型如圖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
    結(jié)構(gòu)分析利用ANSYS和ADAMS構(gòu)建的聯(lián)合分析平臺來實現(xiàn)，因為錘頭破碎物料時受力狀況極其復(fù)雜，無法通過傳統(tǒng)的方法來得到錘頭上各個時刻的受力，所以利用ADAMS仿真來得到錘頭受力狀況，再加載到ANSYS中進行有限元分析．
    隨著對機械產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，動力學(xué)分析的精度要求也不斷提高，所以在動力學(xué)分析中，不僅要考慮剛體運動，還要考慮柔性體的運動情況，在機構(gòu)動力學(xué)分析理論上趨向于多剛體動力學(xué)與多柔體動力學(xué)相結(jié)合進行分析．與之相對應(yīng)，在實現(xiàn)動力學(xué)可視化分析上，趨向于應(yīng)用機械剛體動力學(xué)分析軟件與有限元分析軟件相結(jié)合的模式進行分析，在軟件應(yīng)用上，包括CAD軟件、多體動力學(xué)分析軟件ADAMS、有限元分析軟件ANSYS.
    柔性體將會對整個機械系統(tǒng)的運動產(chǎn)生重要影響，同樣整個系統(tǒng)的運動情況也反過來決定丁每個構(gòu)件的受力狀況和運動狀態(tài)，從而決定了構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布，因此對運動系統(tǒng)中的柔性體進行應(yīng)力應(yīng)變分析則需要用到ANSYS與ADAMS兩個軟件．
    ANSYS與ADAMS聯(lián)合分析平臺如圖6所示．
    破碎機的工作過程是電機通過變速箱將力和運動傳遞給主軸，而后通過鍵把運動傳遞給錘體部分，采用螺栓組件將錘體和錘頭剛性連接在一起，這樣，就將電機的運動和力傳遞到執(zhí)行部件—錘頭上，這就是整個工作過程，基于ADAMS和ANSYS兩個研究平臺的分析特征，在此將破碎機主軸，錘體及錘頭、鍵、螺栓組件等作為一個整體來研究，可稱之為破碎機主體部分．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、軸承的滾動產(chǎn)生的滾動摩擦及其它輔助裝置的摩擦引起的．
    2)慣性載荷．當破碎機具有角加速度時所產(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，其大小與運動物體的速度成正比，該載荷較小，一般分析時可不計．
    4)工作載荷，錘式破碎機正常工作時，錘頭與煤巖沖擊碰撞，將產(chǎn)生的作用力．在碰撞時，雖然錘式破碎機的錘頭與煤巖的速度發(fā)生有限的變化，但由于碰撞時間極短，加速度很大，將出現(xiàn)巨大的碰撞力，其值遠大于前三者，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，對模型劃分網(wǎng)格．
    2)建立外部節(jié)點．外部節(jié)點在ANSYS程序中即指柔性體與剛性體聯(lián)結(jié)位置處的節(jié)點，用于在ADAMS所進行的運動學(xué)分析中，連接柔性體與剛性體，當在ANSYS中建立模型需要運用到ADAMS仿真中時，在結(jié)構(gòu)體中如何選取外部節(jié)點是一個很重要的問題，一般來說．一個關(guān)節(jié)位置只使用一個節(jié)點作為外部節(jié)點，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)點作為外部節(jié)點，外部節(jié)點與其周圍的柔性體節(jié)點一般使用剛性區(qū)域來定義．
    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)動慣量，頻率，振型以及對載荷的參與因子等信息．
    在破碎機中，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)點進行耦合與外部節(jié)點進行連接，以保證有限元分析過程中模擬碰撞力的準確性．另外還要創(chuàng)建一個節(jié)點作為錘頭與錘體的連接點，
    圖7所示把柔性體部件導(dǎo)入到ADAMS中，進行仿真，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，并對模型旌加相應(yīng)的約束，進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，如圖9所示．
2.4有限元分析結(jié)果
    通過以上得出的關(guān)鍵零部件的應(yīng)力值與許用應(yīng)力值進行比較，發(fā)現(xiàn)其值遠遠小于各個零件材料的屈服極限，可以滿足使用要求．
3、結(jié)論
    數(shù)字樣機技術(shù)是以CAX/DFX技術(shù)為基礎(chǔ)，以機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心，融合虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)、三維計算機圖形技術(shù)，為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計方法．
    在數(shù)字化設(shè)計的大背景下，以錘式破碎機為研究對象，對其進行數(shù)字樣機的建模與分析，具有十分重要的研究意義．
    本文相關(guān)研究內(nèi)容和結(jié)論主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
    1)利用Pro/E三維造型軟件對破碎機的關(guān)鍵零部件進行建模及裝配，并利用Pro/E與ADAMS的軟件接口，把裝配模型導(dǎo)入到ADAMS中，建立動力學(xué)仿真模型，實現(xiàn)錘式破碎機動態(tài)仿真，得到錘頭上的運動曲線圖。用性能，因此，該方案設(shè)計欠佳．
4、結(jié)束語
    1)在壓鑄工藝設(shè)計過程中充分利用CAD/CAE技術(shù)，可縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計效率，有效減少試驗次數(shù)并降低設(shè)計成本。
    2)采用方案2所示環(huán)形澆注系統(tǒng)，可實現(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。