悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法及CAD系统

摘要

本发明公开了一种悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法及CAD系统，基于Visual C++2012对ANSYS14.5进行二次开发，特征是包括如下步骤或模块：参数输入模块，参数化建模模块，参数化分析模块，参数化结果显示模块，性能评价模块，以及优化、调整模块。由设计人员输入截割头设计参数、截割头工况参数和煤岩特性参数，系统能自动完成建模和有限元分析过程，并反馈出分析结果文件供设计人员进行优化和设计参数的调整。本发明可以实现不同的煤岩地质条件以及截割工况下的悬臂式截割头的设计，采用有限元分析对截割过程进行仿真可以预测截割头的性能，根据分析结果可以实现截割头的结构优化，大大提高了截割头设计的水平。

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助设计方法，以及一种CAD系统；尤其涉及一种悬臂式掘进 机截割头计算机辅助设计方法，以及一种悬臂式掘进机截割头CAD系统。

背景技术

悬臂式掘进机截割头是用于煤岩截割的关键部件，其性能决定了整机的工作效率和使用 寿命。截割头在工作过程中受到较大的冲击载荷，截割头上的每个截齿受力情况不同，这就 会导致薄弱截齿达到最大静强度而破坏；而载荷的波动可以引起整机的振动，从而导致一些 部件的疲劳破坏，这些因素都会影响整个掘进机的使用寿命。

不同的煤岩地质条件对截割头的载荷等特性具有重要的影响。传统的截割头设计过程是 根据所给的煤岩参数和截割头工况参数等，依靠设计人员的经验，参照已有的模型进行类比 设计，缺乏充分的理论支撑，导致总体设计水平较低，设计出的截割头也很难与工作条件相 适应。

发明内容

为了解决现有技术中悬臂式掘进机截割头设计存在的不足，本发明提供了一种悬臂式掘 进机截割头计算机辅助设计方法及一种悬臂式掘进机截割头CAD系统，可以针对不同的煤岩 地质条件以及不同的截割工况进行截割头的设计参数输入、参数化建模、有限元分析和优化、 调整，以获得合理的悬臂式掘进机截割头的设计模型。

一种悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法，基于Visual C++2012对ANSYS14.5进行 二次开发，包括如下步骤：

参数输入步骤，设计人员按照设计要求输入截割头设计参数、截割头工况参数和煤岩特 性参数，其中截割头设计参数包括截齿和齿座的尺寸、截割头头体的尺寸、截齿在头体上的 排布参数；截割头工况参数包括截割头的截割速度和横切速度；煤岩特性参数包括煤岩的密 度、泊松比、弹性模量、摩擦角、粘着力、膨胀系数和分形维数；

参数化建模步骤，调用上述所输入的截割头设计参数，结合截齿布置理论，初步建立截 割头实体模型；并对生成的截割头实体模型进行网格划分，生成用于参数化分析的截割头有 限元模型；

参数化分析步骤，调用截割头有限元模型，并进行有限元分析，包括截割头截割煤岩的 动力学特性分析、截齿与煤岩接触的静接触分析以及截割头整体的模态分析，得出截割头有 限元分析结果；

参数化结果显示步骤，对截割头有限元分析结果进行后处理，获得悬臂式掘进机截割头 的应力和应变分布、截割头以及截齿受到的载荷曲线、截割头的振动频率和振型；

性能评价步骤，根据参数化结果显示步骤获得的结果对截割头的载荷波动、刚度、强度 和振动特性进行评价，进而获得截割头设计模型。

上述悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法，还包括优化、调整步骤，根据性能评价 步骤获得的评价结果判断是否需要优化，若需要优化，则由设计人员根据优化目标，调整相 应的设计参数，修改设计模型，还可将修改后的设计模型作为截割头有限元模型，重复参数 化分析步骤、参数化结果显示步骤及性能评价步骤，用以获得更佳的截割头设计模型。

一种悬臂式掘进机截割头CAD系统，基于Visual C++2012对ANSYS14.5进行二次开发， 包括如下模块：

参数输入模块，用于设计人员按照设计要求输入截割头设计参数、截割头工况参数和煤 岩特性参数，其中截割头设计参数包括截齿和齿座的尺寸、截割头头体的尺寸、截齿在头体 上的排布参数；截割头工况参数包括截割头的截割速度和横切速度；煤岩特性参数包括煤岩 的密度、泊松比、弹性模量、摩擦角、粘着力、膨胀系数和分形维数；

参数化建模模块，用于调用通过参数输入模块所输入的截割头设计参数，结合截齿布置 理论，初步建立截割头实体模型；并对生成的截割头实体模型进行网格划分，生成用于参数 化分析的截割头有限元模型；

参数化分析模块，用于调用截割头有限元模型，并进行有限元分析，包括截割头截割煤 岩的动力学特性分析、截齿与煤岩接触的静接触分析以及截割头整体的模态分析，得出截割 头有限元分析结果；

参数化结果显示模块，用于对截割头有限元分析结果进行后处理，获得悬臂式掘进机截 割头的应力和应变分布、截割头以及截齿受到的载荷曲线、截割头的振动频率和振型；

性能评价模块，根据参数化结果显示模块获得的结果对截割头的载荷波动、刚度、强度 和振动特性进行评价，进而获得截割头设计模型。

上述悬臂式掘进机截割头CAD系统，还包括优化、调整模块，用于根据性能评价模块获 得的评价结果判断是否需要优化，若需要优化，则由设计人员根据优化目标，调整相应的设 计参数，修改设计模型，还可将修改后的设计模型作为截割头有限元模型，重复调用参数化 分析模块、参数化结果显示模块及性能评价模块，用以获得更佳的截割头设计模型。

所述的参数化建模模块，截割头实体模型是在对截割头结构进行初步设计的基础上进行 的。

所述的参数化分析模块，针对不同的煤岩地质条件以及不同的截割工况，用于调用参数 输入模块所输入的截割头工况参数和煤岩特性参数，进行截割仿真，该仿真过程包括单元类 型和材料模型的定义、接触的定义、载荷和约束的施加、求解参数的设定。

所述的参数化分析模块，用于获得截割头截割煤岩的动态过程，并得出不同时刻截割头 和单个截齿的受力情况，根据动力学分析的结果来确定截割性能较差的截齿编号；针对截割 性能较差的截齿进行静接触分析，获得单个截齿的应力和应变的仿真结果，并能够对其强度、 刚度、疲劳寿命等进行校核。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明可以实现不同的煤岩地质条件以及截割工况下的悬臂式截割头的设计，采用有限 元分析对截割过程进行仿真可以预测截割头的性能，根据分析结果可以实现截割头的结构优 化，大大提高了截割头设计的水平。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图为本发明中悬臂式掘进机截割头CAD系统的一种实施方式的结构原理示意框图。

具体实施方式

参看附图，一种悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法，基于Visual C++2012对 ANSYS14.5进行二次开发，包括如下步骤：

参数输入步骤，设计人员按照设计要求输入截割头设计参数、截割头工况参数和煤岩特 性参数，其中截割头设计参数包括截齿和齿座的尺寸、截割头头体的尺寸、截齿在头体上的 排布参数；截割头工况参数包括截割头的截割速度和横切速度；煤岩特性参数包括煤岩的密 度、泊松比、弹性模量、摩擦角、粘着力、膨胀系数和分形维数；

参数化建模步骤，调用上述所输入的截割头设计参数，结合截齿布置理论，初步建立截 割头实体模型；并对生成的截割头实体模型进行网格划分，生成用于参数化分析的截割头有 限元模型；

参数化分析步骤，调用截割头有限元模型，并进行有限元分析，包括截割头截割煤岩的 动力学特性分析、截齿与煤岩接触的静接触分析以及截割头整体的模态分析，得出截割头有 限元分析结果；

参数化结果显示步骤，对截割头有限元分析结果进行后处理，获得悬臂式掘进机截割头 的应力和应变分布、截割头以及截齿受到的载荷曲线、截割头的振动频率和振型；

性能评价步骤，根据参数化结果显示步骤获得的结果对截割头的载荷波动、刚度、强度 和振动特性进行评价，进而获得截割头设计模型。

上述悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法，还包括优化、调整步骤，根据性能评价 步骤获得的评价结果判断是否需要优化，若需要优化，则由设计人员根据优化目标，调整相 应的设计参数，修改设计模型，还可将修改后的设计模型作为截割头有限元模型，重复参数 化分析步骤、参数化结果显示步骤及性能评价步骤，用以获得更佳的截割头设计模型。

结合附图，一种悬臂式掘进机截割头CAD系统，系统基于Visual C++2012对ANSYS14.5 进行二次开发，实现参数化建模、参数化分析以及参数化结果显示的整个有限元分析过程， 并根据有限元分析的结果对截割头结构进行优化和调整。该系统包括如下模块：

参数输入模块1，用于设计人员按照设计要求输入截割头设计参数、截割头工况参数和 煤岩特性参数，其中截割头设计参数包括截齿和齿座的尺寸、截割头头体的尺寸、截齿在头 体上的排布参数；截割头工况参数包括截割头的截割速度和横切速度；煤岩特性参数包括煤 岩的密度、泊松比、弹性模量、摩擦角、粘着力、膨胀系数和分形维数；

参数化建模模块2，用于调用通过参数输入模块所输入的截割头设计参数，结合截齿布 置理论，初步建立截割头实体模型；并对生成的截割头实体模型进行网格划分，生成用于参 数化分析的截割头有限元模型；

参数化分析模块3，用于调用截割头有限元模型，并进行有限元分析，包括截割头截割 煤岩的动力学特性分析、截齿与煤岩接触的静接触分析以及截割头整体的模态分析，得出截 割头有限元分析结果；

参数化结果显示模块4，用于对截割头有限元分析结果进行后处理，获得悬臂式掘进机 截割头的应力和应变分布、截割头以及截齿受到的载荷曲线、截割头的振动频率和振型；

性能评价模块5，根据参数化结果显示模块获得的结果对截割头的载荷波动、刚度、强 度和振动特性进行评价，进而获得截割头设计模型。

优选地，上述悬臂式掘进机截割头CAD系统还包括优化、调整模块，用于根据性能评价 模块获得的评价结果判断是否需要优化，若需要优化，则由设计人员根据优化目标，调整相 应的设计参数，修改设计模型，还可将修改后的设计模型作为截割头有限元模型，重复调用 参数化分析模块、参数化结果显示模块及性能评价模块，用以获得更佳的截割头设计模型。

优选地，上述参数化建模模块，截割头实体模型是在对截割头结构进行初步设计的基础 上进行的。

优选地，上述参数化分析模块，针对不同的煤岩地质条件以及不同的截割工况，用于调 用参数输入模块所输入的截割头工况参数和煤岩特性参数，进行截割仿真，该仿真过程包括 单元类型和材料模型的定义、接触的定义、载荷和约束的施加、求解参数的设定。

优选地，上述参数化分析模块，用于获得截割头截割煤岩的动态过程，并得出不同时刻 截割头和单个截齿的受力情况，根据动力学分析的结果来确定截割性能较差的截齿编号；针 对截割性能较差的截齿进行静接触分析，获得单个截齿的应力和应变的仿真结果，并能够对 其强度、刚度、疲劳寿命等进行校核。

对上述有关技术内容更进一步说明如下：

所述系统基于Visual C++2012平台构建，使用微软MFC结合ANSYS参数化设计语言 APDL编写，系统结构基于对话框设计而成。

设计人员进行悬臂式掘进机截割头参数化建模前，首先根据输入参数进行截割头初步设 计，选择截齿和齿座形式，确定截割头总体尺寸和截齿排列方式；在此基础上，利用APDL 参数化设计语言编写截割头参数化建模命令流，分别建立截齿、齿座和截割头头体的参数化 模型，并根据截齿排列理论将截齿排布到截割头上。

对悬臂式掘进机截割头进行参数化分析时，系统首先调用ANSYS/LS-DYNA动力学分析 模块，调用APDL分析命令流，对截割头进行网格划分、单元类型和材料模型的定义、接触 的定义、载荷和约束的施加、求解参数的设定，动力学分析可以获得截割头截割煤岩的动态 过程，并得出不同时刻截割头和单个截齿的受力情况，根据动力学分析的结果可以确定截割 性能较差的截齿编号；根据上述动力学分析结果，系统调用ANSYS Multiphysics静力学分析 模块，对截割性能较差的截齿进行静接触分析，获得单个截齿的应力和应变等仿真结果，对 其强度、刚度、疲劳寿命等进行校核；在上述分析的基础上，系统调用ANSYS Workbench 中的模态分析模块，对截割头的振动特性进行分析。

根据有限元分析的结果，对截割头性能进行评价，如果截割头的性能不满足设计要求， 则进入优化、调整模块，设计人员根据系统优化目标，调整相应的设计参数，修改设计模型， 最终输出截割头的设计结果。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化 方式，诸如等同方式，或明显变型方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。