计算机辅助设计及在带式输送机中的应用

计算机辅助设计及在带式输送机中的应用

边海涛

【摘要】计算机辅助设计是技术人员在计算机的帮助下，通过优化设计、有限元分析、模拟仿真等技术完成

产品的开发设计，在带式输送机的开发设计过程中应用计算机辅助技术，可以缩短产品的设计周期，提高设计质量，从而增强产品的市场竞争力。

【关键词】计算机辅助设计；输送机

计算机辅助设计简称CAD技术，指设计人员利用计算机对不同的方案进行大量的计算、分析和比较，最后决出最优方案，并将设计信息存储在计算机内，由计算机完成由草图到工程图的转换工作，从而缩短设计周期，提高设计质量。其包含了合理建模、创新构思、工程分析、性能仿真等内容。随着科学技术的不断发展，优化设计、有限元分析、计算机仿真技术等学科相继融入到CAD技术中，使CAD技术有了新的内涵。

1.CAD技术的分类

根据模型的不同，CAD技术可分为二维CAD技术和三维CAD技术。二维CAD技术所依赖的数学模型是几何模型，将产品设计变成几何图形，并记录了几何图形的特征。二维CAD系统一般由图形的输入与编辑、硬件接口、数据接口和二次开发工具等部分组成。三维CAD技术的核心是产品的三维模型。三维模型是在计算机中将产品的实际形状表示为三维模型，其包含了几何机构中关于点、线、面、体的各种信息。由于三维CAD技术模型包含了更多的实际结构特征，使用户在采用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的构造或加工制造过程。

2.CAD技术的设计过程

典型的CAD结构设计的过程为：启动CAD系统，调用几何构型软件，根据设计者的主观意志或利用设计专家系统进行计算机辅助几何造型，从而完成方案设计；调用几何构型软件，审查或修改方案设计，确定设计对象的几何形体、结构，选定尺寸和形状参数，进行结构细节设计并存储在几何模型中；调用结构分析软件进行结构与机构运动学、动力学分析，完成强度计算工作，按照反馈的分析计算结构对原结构设计进行优化修改；调用工作仿真模块软件进行数字仿真，并在计算机屏幕上观察所设计结构的工作过程。

3.计算机辅助设计在带式输送机中的应用

带式输送机是由驱动装置通过摩擦驱动支撑在托辊上的皮带以输送散粒物料或成品的连续输送机械。在输送机的设计过程中应用CAD技术，可以缩短产品的设计生产周期，增强输送机的市场竞争力。

3.1优化设计在整体设计过程中的应用

输送机进行整体结构设计时，需要同时考虑使用性能与经济性能，即要求输送张力最大，单位消耗功率最小，满足强度要求的情况下输送带张力最小。因此将输送机的整体结构设计转化为一个多目标的优化问题的求解[3]。

3.1.1确定目标函数和设计变量

（x）为求出问题的最优解，需建立一个用于评选最优方案的目标函数F，最优化问题

即求解minF(x)。

输送机的输送能力用F1(x)表示为：

F1(x)vA

式中 —装料系数

v—带速m/s

2 A—物料的有效截面积m

2 —物料的堆积重度kg/m

输送机的功率用F2(x)表示为：

F2(x)Fwv

式中 Fw—驱动力N v—运行速度m/s 输送带最大张力F3(x)表示为

F3(x)S'f

'式中 S—最大张力前一点的张力N

f—两点间的阻力之和N 取设计变量为XvAl1S1Z

式中 S1—最小张力N Z—带的层数 l1—上托辊间距m

采用线性加权法建立总目标函数

F(x)w1F1(x)w2F2(x)w3F3(x)

3.1.2确定约束条件

在进行优化过程中，给出每个参数的边界约束，并满足带式输送机设计的条件： 托辊间悬垂度条件

q物q带l28Scos0.025l1

式中 S—输送带的张力N 输送带强度条件 kiBd Smax皮带不打滑条件

S入e S出建立模型后，给定初始数值，编写程序，求解优化后的数据组合，并将其作为输送机的设计参数。

3.2应用有限元分析对滚筒进行优化

滚筒是输送机中的重要部件，根据需要分为传动滚筒、改向滚筒和拉紧滚筒，其结构形式分为装配辐板式、辐条式和整体辐板式。图1为滚筒的结构形式。

图1 传动滚筒的结构形式

1—轮毂 2—辐板 3—轴 4—筒体 5—胀套 6—透板

传动滚筒的设计一直是输送机设计的一个难点，结合行业特点生产的新型滚筒还没有通用的设计系列，其计算公式也是各不相同。除典型的滚筒轴有比较成熟的公式外，其它如筒体和辐板的受力变形情况仍没有权威的解释。为满足输送机械行业的需求，生产厂家将数学、力学等最新研究成果与计算机辅助设计相结合，产生了应用广泛的现代

设计方法，有限元分析法就是其中之一。

有限元分析方法的通常步骤为：首先分析滚筒的受力情况，建立有限元模型；应用有限元分析软件如ANSYS、COSMOS/S等对模型进行分析计算，得出滚筒应力图和位移变形图，图2为对滚筒进行有限元分析得到的位移变形图；由变形图分析出滚筒各个部分的受力情况，对易破坏部分进行必要的加强，并对滚筒参数进行优化处理[4]。

图2 滚筒位移变形图

3.3带式输送机的动态分析

随着带式输送机朝长距离、大输送量发展，长距离、大功率带式输送机的动态特性以不容忽视，起制动的加减速度对输送机的影响越来越显著，同时要求输送机的起制动系统能平稳起制动，连续地、长时高效的运行，故需对输送机进行动态分析，从而使输送机的动态冲击降到最小，提高输送带的使用寿命和降低强度等级[5]。

3.3.1建立动态分析模型

力学模型的分析方法主要有解析法和数值法。完整的带式输送机的连续模型的动力学方程很难实现解析求解，通常需对简化模型进行数值求解。采用Kelvin—Vogit粘弹性模型建立输送机的力学模型，如图3所示。

图3 输送机的力学模型

3.3.2动态分析与计算机仿真

模型建立后，应用计算机仿真软件如Simulink、AMESim等对模型进行分析，调整各模块的特征参数，得到起动速度曲线、张力曲线和位移曲线，通过分析带速和张力的变化，从而得到合理的设计参数。

4.结束语

随着计算机技术的不断提高，网络技术的普及和应用以及用户的不同需求，计算机辅助设计自身的不断完善，多种学科的不断融入，使得计算机辅助设计的功能越来越强大，在实际应用中发挥着越来越重要的作用。

带式输送机作为重要的散状物料连续输送设备，随着其朝向大运输量、长距离的发展，在设计过程中需要不断引进新技术，将计算机辅助设计应用在带式输送机的设计过程中，可以缩短设计周期，提高产品的设计质量，从而增强产品的市场竞争力。

参考文献：

[1]白明龙. 制造业信息化的关键技术—数字化设计与制造. 科技信息. 2008，第30期.

[2]潘紫薇. 数字化设计与制造的进程与发展. 安徽工业大学学报. 2003（10），第20卷，第4期. [3]罗宁，贾美芹，顾颖诗. 煤矿自备发电厂带式输送机整体参数的优化设计. 煤矿现代化. 2005，第4期.

[4]曹云露，张文祥，裴善报，李法俊. 矿用带式输送机传动滚筒的有限元分析. 煤炭科学技术. 2003年10月，第31卷第10期. [5]杨华，郑志昊. 基于AMESim的带式输送机动态分析. 煤矿机电. 2008年，第3期.

[6]高玉安，郭峰，王峰. 基于InTouch的带式输送机实时监控系统. 煤矿机械. 2008年，第29卷，第12期.