[发明专利]悬臂式掘进机截割头计算机辅助设计方法及CAD系统

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。