數字化樣機技術在制動器研發中的應用

宋玉濤， 楊京蘭，季洪博

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

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數字化樣機技術在制動器研發中的應用

宋玉濤1， 楊京蘭1，季洪博2

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

數字化樣機技術作為一種新型的設計手段，能夠在設計的早期盡可能的發現設計環節存在的不足并進行及時的完善優化，達到產品最優化設計的目的。本文利用數字化樣機技術，搭建了制動器3維模型并將其導入到Ansys Workbench環境，加以條件限定，通過數值分析進行優化設計，選定滿足制動器要求的性能材料。

數字化樣機；Ansys Workbench；仿真分析

0 前言

隨著世界經濟和科學技術的飛速發展，產品的消耗結構不斷的向多元化、個性化方向發展。面對無法預測、持續發展的市場需求，企業為了提高競爭力，必須盡快改變品種，更新設計，提高產品質量的同時，縮短新產品的研發周期，提高產品的設計質量，降低產品的研發成本，進行創新性設計，這樣才能迎合市場的需求。數字化樣機技術就是在這種迫切需要的驅動下產生的，目前這種技術在一些較發達國家已經得到了廣泛的應用。

1 搭建制動器三維模型

制動器由于其功能的特殊性，其工作的安全可靠性對整車設備而言起著決定性作用。制動器結構的合理性是保證制動器安全工作的前提。制動器整機結構相對較復雜，傳統的設計方法一般是通過二維設計的手段來完成裝備圖及零件圖的設計，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，重復性勞動強度大，準確度也相對較低。

圖1 制動器三維模型Fig.1 3D brake model

三維設計軟件的應用很好的避免了這一弊端。圖1為利用UG NX4.0設計軟件對制動器搭建的三維模型，從圖中可以清晰的看到各零件相互的位置及配合關系，且在設計過程中可以實現裝配圖與零件圖實時改動。

2 仿真計算與結果分析

從制動器的整體結構及工作原理角度出發，將其結構件部分提取出來進行相關的仿真計算，如圖2所示。

圖2 結構件三維模型Fig.2 3D model of the structure

模擬制動器在實際工作過程中所承受的載荷力情況，對導入到ANSYS Workbench環境中的三維模型進行力學加載及相關定位條件限定，如圖3所示，并對其進行網格劃分如圖4所示。

圖3 力學模型Fig.3 Mechanical model

圖4 網格劃分Fig.4 Meshing model

在ANSYS Workbench工作環境中經過計算可以得到圖5制動器最大型變量及圖6制動器最大等效應力值。從圖5的數值分析結果可以看出，制動器的最大型變量為0.206 mm，對其三種結構件的型變量數值分別進行分析，可以得到在制動器的工作過程中發生最大型變量的為被動支架，且靠近被動支架的尾部如圖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的數值分析結果可以看出，在工作過程中制動器所承受的最大等效應力為211.13MPa，對其三種結構件的等效應力值分別進行分析，可以得到在制動器的工作過程中產生最大等效應力的仍然為被動支架，且從其圖譜中可以看到，等效應力集中點為被動支架中凸臺的位置，如圖6(c)所示。

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

以上的分析結果中可以判定，制動器在工作過程中被動支架為整個機構的相對薄弱環節，根據計算結果以設計經驗，選定材料QT500-7即可滿足制動器使用的性能要求。

另外在結果輸出階段如過對輸出的結果不理想，可根據輸出結果進行相應的設計優化改進。即返回三維設計階段，在三維設計軟件中對制動器的結構件進行相應的改進，后期通過ANSYS Workbench中的更新模型參數的命令來實現分析軟件中三維模型的的同步改進。在其他工作條件如加載力等不變的情況下，可直接進行相應的計算，直到得到滿意的輸出結果為止。這樣既方便又快捷，也很大程度上的提高了設計的準確性。在得到滿意的分析結果后可從三維設計軟件中直接輸出二維設計圖紙進行下一步的生產工作。

4 結 論

從上述論述中可以看到，數字化樣機技術在工業領域尤其是機械設計領域有著獨特的優勢。一方面，能夠較大程度的提高設計的準確性，縮短了產品研發的周期，一定程度上的降低了研發成本，提高了其市場競爭力。另一方面，數字化樣機的應用，有利于設計人員很好的掌握產品的特點，便于對該產品進行實時的改進，得到最優的設計效果。

[1] 劉廣利，吳坤.數字化樣機技術在斜齒輪副嚙合仿真中的應用[J]. 科學技術與工程, 2011(11):5967-5969.

[2] 袁鋒，謝里陽，隋天中.數字化生產線制造過程建模仿真系統研究[J]. 計算機工程與應用, 2004(32):18-21.

[3] 李啟忠，劉凱.基于虛擬樣機技術的齒輪嚙合力的計算與仿真[J]. 重型機械, 2006(6):49-51.

[4] 謝明軍. 數字化仿真樣機在企業產品研發中的應用[J]. 科技廣場, 2011(5):66-69.

[5] 陳小曦，王玥琳. 數字化樣機技術在機械系統設計中的應用[J]. 天津工程師范學院學報, 2008(2):33-35.

[6] 李瑞濤，方湄，張文明，等. 虛擬樣機技術的概念及應用 [J]. 金屬礦山, 2000(7):38-40.

[7] 向華安，劉愛軍，朱沛洪. 機械系統的數字化樣機技術[J]. 動力學與控制學報, 2004(6):42-46.

[8] 謝志江，孫玉，李誠，等. 基于ANSYSWorkbench的搬運機械手結構優化設計[J]. 機械與電子.2010(1):65-67.

[9] 張向宇，熊計，好鋅，等. 基于ANSYS的立柱有限元分析與結構優化設計[J]. 機械科學與技術, 2008(12):1602-1605.

[10]徐中華，張茜，程偉. 基于UG和ANSYS的四缸曲軸有限元模態分析[J]. 機械工程與自動化, 2009(4):17-19.

[11]亢風林，孫江宏，夏素民. UG NX4.0 中文版基礎教程與案例實例[M]. 北京：清華大學出版社，2007.

[12]劉義，許志沛. 機械設計中基于有限元方法的模態分析[J]. 機械, 2003(S1):96-99.

[13]熊運星. 基于UG和Ansys-Workbench下的協同仿真技術及實現[J]. 浙江工商職業技術學院學報, 2006(3):60-61.

[14]陳德人. 參數化設計模型與方法[J]. 浙江大學學報, 1995(3):36-38.

[15]張爾文,孫友松,周先輝. UG與ANSYS模型數據轉換的方式及實例分析[J]. 機械制造與自動化, 2007(02):90-91,94.

[16]花廣如,蘆信,王海洋. 基于UG和ANSYS的墻角托架有限元分析[J]. 機械工程與自動化, 2012(04):48-49.

[17]郝鐘雄. ANSYS與CAD軟件的接口問題研究[J]. 機械設計與制造, 2007(07):75-76.

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，大連華銳重工集團股份有限公司工程師，研究方向：機械電子工程。

TH122

A

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