本站原创[摘 要]传统的机械设计方法开发周期长、成本高,采用虚拟设计技术不仅可以达到有效控制成本,而且能够有效缩短生产周期.UG是当今世界上最先进的、紧密集成的PLM软件,它为整个机械制造行业提供了全面的产品生命周期解决方案.为此,本文介绍了基于UG的煤矿机械产品虚拟设计的方法,并以煤矿分级装置的设计和仿真为例,体现了UG软件在机械设计中的优越性.实践证明,将现代设计、仿真等理论和方法应用到机械研究中,是一种切实可行的方法.
[关 键 词]UG；建模；分级装置；仿真
引言
UG是Unigraphics软件的简称,是起源于美国麦道飞机公司,在1991年并入世界上最大的软件公司之一的美国电子资讯系统公司,是当今世界上最先进、紧密集成的PLM软件.目前UG软件已经成为全球最有影响力、最先进的CAD/CAM/CAE软件,并且在各个领域都有广泛的应用,如航空、汽车、通用机械、模具等领域.UG软件有一项非常有用的功能叫做实体模型功能,它能够在设计阶段就给客户提供产品的实体模型,从而能够显著的缩短产品的确认周期,同时该软件还具有复合式建模工具,从而能够根据需要进行一定的增加、删除、恢复改变产品的参数便于修改.传统的煤矿机械制造通常包括可靠性研究、初步设计、详细设计、改进设计等几个阶段,在这个过程中机械需要反复的调试,需要耗费大量的人力物力.
1煤矿分级装置的UG建模
1.1煤矿分级装置
在中国南方,煤炭资源量主要集中于贵州、云南、四川三省,这三省煤炭资源量之和为3525.74亿吨,占中国南方煤炭资源量的91.47%；探明保有资源量也占中国南方探明保有资源量的90%以上.目前在煤炭行业,需要对挖掘的煤根据筛选设备和用户对于产品粒度的要求进行分级销售.针对煤炭的粒度分级,设计一种分级装置,其分级装置按照煤矿的粒度大小分成大、中、小,对应的粒度大小分别为50-100mm、25-50mm、13-25mm.该分级装置主要是通过半月槽滚柱式分级机构进行分级,其原理是通过两个半月槽滚柱之间的空隙大小来控制煤炭的分级.装置图如下图所示：
图中1部分由三个直接为100mm的圆柱形铁皮滚柱组成,2部分由五个圆孔间隙直径为25mm的半月槽铁皮滚柱组成,3部分由五个圆孔间隙直径为50mm的半月槽铁皮滚柱组成.工作时由输送装置将煤炭输送到圆形滚柱1,它确保了煤炭能够正常输送到第一级分级设备,粒度小于25mm的煤炭就能够从间隙落下；而后粒度小于50mm的煤炭从二级滚柱间隙落下,剩下的粒度大于100mm的的煤炭被输送装置输出.
1.2煤炭分级装置的建模
目前,该软件三维建模主要有：特征建模、实体建模、自由曲面建模、用户自定义建模以及综合以上建模形式,将其融为一体的复合建模.其中特征建模的模块的设计信息是用工程特征来定义的,从而可以显著的、更加清楚的表达用户的设计意图.该模块可以进行标准设计特征的生成和编辑.对于零件的建模,并没有一套统一的标准顺序,但是一般是根据零部件的结构和特点,先建立一个基本提携,而后再在该体系上逐步建立零件的孔、槽等以及其他的用户自定义特征,最后再创建螺纹、修剪和阵列等特征.
1.2.1输送机构的建模
在本装置中输送结构根据旋转命令进行建模.建模的程序步骤如下：运行UG软件,然后进入应用（application）然后选择建模（modeling）模块,通过草图（sketch）命令集画出初步草图,在完成草图之后点击旋转（revolvedbody）命令就可建立输送机构的模型.
1.2.2一级分级机构的建模
一级分级机构的建模方法与输送机构大体相同,不同点在于旋转草图的不同.一级机构在完成建模之后,还需进一步处理,即还需通过倒圆角（edgeblend）命令对滚柱半月槽的槽肩部分进行倒圆角.二级机构的建模与一级机构相同.
1.2.3分级装置支架的建模
分级装置支架建模与一级二级分级结构的建模有所不同,它不是通过旋转命令建立的,而是通过采用实体建模中的拉伸命令.前面部分与一级建模一样,先打开UG软件,进入应用中的建模模块,通过草图功能画出支架平面的草图,然后采用拉伸（extrudebody）命令,即可完成建模.
1.2.4各部件建模装配
在完成各部件的建模之后,需要对各部件进行装配,进入应用后进入装配（assemblies）模块,该模块中装配配对类型主要有配对、对齐、中心等,通过这些装配类型对分级装置整体进行装配.装配结果如下图：
UG装配建模有以下特点：采用自底向上和自顶向下的混合装配方法,这样生成的装配模型零件的数据是对零件本身的链接映像；建模之后装配模型和零件之间是完全双向相关的,这样不仅提高了软件的实际操作性能,同时也可显著减少储存空间.若部分零件根据产品的实际需要进行了部分修改,则装配模型中的零件会自动更新.UG装配功能之间的相关性使得整个设计团队实现了设计模型共享,是团队成员之间可以与他人同步并行工作,这样大大提高了工作效率,节约了时间.
2煤矿分级装置的运动仿真
2.1UG运动仿真模块简介
UG运动仿真模块（UG/Motion）是一个模拟仿真分析的工具,该模块能够对所设计的三维或者二维模块进行运动学和动力学分析,同时还可分析所设计产品的临界点、速度以及加速度等参数,并且还能通过图形动画等直观的形式显示出来,输出仿真动画.UG运动分析模块会复制主模型的装配文件,并且能够根据实际提供一些列不同的运动分析方案,对运动机构进行优化分析,根据分析优化结构指导零件的设计和改进.此外,该模块还能够嵌入求解分析运动方法的ADAMS解算器.分析方案所用的处理器就是基于该嵌入式软件代码的.1.整个分析的前处理过程就是创建分析方案包括创建连杆、运动副和定义运动驱动等.用所创建的分析方案生成ADAMS输入数据文件,然后再传输回ADAMS结算器上；2.第二阶段是求解阶段,该阶段是根据前处理阶段得到的数据通过求解器求出解,再反馈到运动模型中进行分析；3.第三阶段称为后处理阶段,通过运动分析模块解释第二阶段的数据,并通过动画、图表及报表等直观形式显示.2.2运动仿真过程
2.2.1建立运动分析场景
运动仿真的建立需要一个载体,这个载体储存了整个运动模型的信息,也就是说需要建立一个运动场景.建立新场景的方法如下：打开之前已经建立的煤炭分级装置的三维模型,然后选择应用菜单中的运动仿真选项（motion）,这样就进到了UG运动仿真模块,此时系统会自动弹出对话框即运动导航器窗口,在此窗口中选择已经建立的模型并点击鼠标右键,而后选择新建场景（newscenario）,至此,运动分析场景建立完成.
2.2.2建立连杆特性
建立运动分析场景之后还不能将分散的各个部件直接按一定的关系连接起来,还需对所有运动部件定义为连杆,赋予各个部件一定的运动学特性,在定义连杆的同时根据需要确定其质量特性和材料特性.材料特性在仿真运动中非常重要,它是计算质量和惯性矩的重要因素.UG软件的材料库中提供了一定的材料,若材料库中没有,用户也可根据需要自定义.在本例中建立连杆特性的步骤如下：首先单击创建连杆,然后选择需要创建连杆的三维模型,系统会弹出连杆创建选项卡,然后根据实际需要勾选连杆的质量属性、初始速度等参数.
2.2.3创建运动副
运动副的作用是使两个构件能够相互接触,但又能够保持相对运动的一个部件,它规定了连杆的运动,同时也限制了连杆的自由度.在UG中若要用到运动副,需先给部件定义连杆特性,然后才能用运动副连接,组成运动机构.煤炭的分离装置主要是完成分级的任务,各部件主要是旋转作用,因此创建运动副时选择创建旋转副.
2.2.4添加驱动
根据配套的分离装置初步计算得出的分离装置的速度为2m/s,转速为360rpm.创建完运动副之后还需完成以下步骤：单击滚柱勾选驱动方式（motiondrive）为恒定驱动（constant）,初始位移设置为0,初始加速度设置为0,初始速度设置为2m/s,各项参数设置完成后点击确定,运动模型建立完成.
2.3运动仿真分析结果的曲线输出
当对煤矿分级装置进行运动仿真分析时,在UG内部会自动生成一系列数据.当需要分析时,可调用所需要的数据.UG软件的数据可用XESS或者MicrosoftExcel打开.然后通过电子表格可将驱动机构到特定的位置然后输出运动仿真视频.进行图表输入的步骤如下：单击动画设置（animation）,然后选择动力学/静力学分析（kinematic/dynamicanalysis）中的运动学分析,时间设置为100s,步骤设置为20,然后点击提交；接着再单击生成图表（graphing）时,会出现之前定义的连杆名称,选择需要分析的连杆,同时勾选曲线类型和输出特点就可得到相对应的数据表格.煤炭分级装置的曲线如下图所示：
由图可知,在煤炭分离时速度变化呈现一定的规律性变化,并且稳定性也有保证.因此能够完成分级的任务.
3结语
用UG创建的三维模型,形象、逼真,可以直观的反应煤矿分级装置的构造.本文通过对煤矿分级装置的分析和仿真,达到了初始设置的目的.UG制作的三维动态模拟,方便工程设计人员了解掌握机械的结构和运行原理,不仅可以有效的检验机械在用户操作过程中人为的操作干涉,同时节约了大量的时间和成本,大大提高了机械的设计质量和市场竞争力.
[参考文献]
[1]张双侠,纳斯哈提.基于UG软件的铺膜机计算机辅助设计[J].农机化研究,2007,（11）：138-141.
[2]夏林海.基于UG的新型自动编烟机虚拟样机设计[D].重庆：重庆大学,2012.
[3]邓锋,章新喜,王进松.一种新型煤炭干法分级设备的试验研究[J].煤炭技术,2010,29（11）：109-111.
[4]沈健,李森.UG在机械设计中的应用[J].机械设计及其自动化,2007,（2）：43-45.
[5]王晓英,李森.基于UGNX的模具三维建模与装配设计[J].机械设计与造,2007,（1）：146-148