我國采煤機械傳統的設計是根據經驗和以往設計實例，設計人員在紙面上設計所需的產品，產品生產人員再按照紙面設計進行工藝準備，做出樣機，然后進行各種工況下的功能試驗、可靠性試驗和壽命試驗。如果出現問題或不滿足預定設計要求的情況，就要修改設計，然后再從頭開始。這樣，一方面把產品從開始設計到正式投放市場的周期拉得很長，從而痛失良機，二是增加了開發成本，甚至喪失了市場。隨著計算機技術的發展和性能的不斷提高，使產品設計應用虛擬樣機制造技術成為可能。

　　虛擬樣機制造技術將產品研制工作中的方案選擇、技術設計、部件裝配、結構分析和性能優化放在計算機虛擬環境下進行，充分利用先進的計算機軟硬件技術，提高產品的性能，縮短產品的設計周期。應用該技術可以在產品設計階段預測產品質量，使產品在投入生產之前進行優化以提高產品質量，從而縮短產品開發周期，進而降低開發成本，提高市場競爭力。

　　一、虛擬樣機技術的概念

　　虛擬樣機技術是一種基于虛擬樣機的數字化設計方法，是各領域CAx/DFx技術的發展和延伸。虛擬樣機技術進一步融合了先進建模/仿真技術，現代信息技術，先進設計制造技術和現代管理技術，將這些技術應用于復雜產品全生命周期和全系統的設計，并對他們進行綜合管理。與傳統產品設計技術相比，虛擬樣機技術強調系統的觀點，涉及產品全生命周期，支持對產品的全方位測試，分析與評估，強調不同領域的虛擬化的協同設計。

　　針對傳統設計方法的缺點，近年來提出了一種新設計方法：虛擬樣機技術。虛擬樣機技術就是采用并行工程理念，融合現代管理技術、先進設計/制造技術、先進仿真技術、多學科分析與優化技術，將管理、技術、人三者之間有機地集成為一個協調的統一體，建立設計、仿真、試驗、制造和項目管理的協同開發環境，以實現產品設計過程的全壽生命周期管理和產品創新設計，縮短研制周期，降低研制成本與研制風險，提高研制質量。

　　二、 虛擬樣機制造技術在采煤機械設計中的內容

　　虛擬樣機制造技術在采煤機械設計中的應用可以分為四個環節，即實體造型、強度分析、動力學分析、疲勞分析。四個環節環環相套，互相依托。實體造型中，傳統的CAD設計是二維平面設計，隨著計算機性能不斷提高，按照零件實際幾何尺寸生成三維實體，再由三維實體生成2D工程圖，這種設計思想逐漸成為當今設計領域的一種趨勢。通過拉伸、旋轉、薄壁特征、高級抽殼、特征陣列及打孔等操作來實現采煤機械的設計;將各個零件進行組裝成裝配體，進而成為樣機。根據設計圖紙，建立采煤機搖臂所有構件的幾何模型，并進行組裝。

　　幾何模型包括搖臂殼、行星頭和滾筒，保留重要部位的圓角，略去無關緊要的倒角、小孔。 零件設計及組裝 三維實體建模。動力學模型建模中的的干涉檢查與動力學性能分析。結構離散化是靜特性有限元分析的前提，也是有限元解題的重要步驟。其主要任務是：把結構分割成有限個單元;把結構邊界上的約束用適當的節點來代替;把作用在結構上的非節點載荷等效地移植為節點荷載。

　　有關采煤機搖臂有限元模型邊界條件的處理中，為了保證結構離散化的計算精度和內存空間的有效利用，可采用10節點的四面體單元進行網格劃分。每個節點上有三個自由度(x,y,z方向上的位移，無轉動)。利用其中提供的自由網格劃分器，對實體模型自由劃分網格，生成可靠的、高質量的體單元，為了保證分析模型的合理和計算精度，網格劃分時需對支撐耳等的網格密度和網格尺寸進行合理控制和過渡，通過對四面體網格進行整形，提高了整體網格的剖分質量。劃分后模型單元數。

　　對邊界條件的處理：將上支撐耳處節點徑向位移固定，與油缸接觸的下支撐耳半圓周節點施以x向5000KN的力。對滾筒截割部分各節點施加：x向800KN，y向-2000KN，z向-800KN的合力。具體的滾筒受力計算是根據參與截割的單個截齒的截割阻力求合力而得。這樣處理大致相當于實際情況下的工況。

　　根據以上邊界條件和載荷的施加情況，可以在這當中計算。從實踐中可以看出，最大應力為81.8Mpa,位于下支撐耳處。其他地方的應力都相對較小。按照給定材料的疲勞強度[σ]=270Mpa,遠遠大于計算的最大應力，故搖臂不致失效，可以安全工作。危險工況的最大主應力與危險工況的最大位移包括：動力學分析

　　結構動力分析，不同于靜力分析,常用來確定時變載荷對整個結構或部件的影響, 同時還要考慮阻尼及慣性效應的作用。首先應進行結構自然模態分析，求出結構的各階

　　三、動力性結構評估

　　它可以評估結構的動力特性，比如，在搖臂上要安裝旋轉滾筒，那么為了避免過分的振動，必須考慮滾筒的旋轉頻率是否接近搖臂的某個自然頻率。

　　滾筒負荷與截齒的切削深度，截線距和同時參與截割的截齒數有關，就單獨一個截齒而言，在滾筒旋轉過程中，產生的頻率為滾筒的轉速頻率及其諧波頻率：

　　疲勞分析，其任務是根據產品幾何,受載和材料的選擇來預測產品所受的應力和位移。 然而, 應力預測僅僅是產品設計的一部分內容， 現代產品設計則更迫切地需要通過工程分析手段預測產品的使用壽命。設計人員以往在概念或詳細設計階段通常使用簡單而不真實的計算來估計產品的壽命。 而實際產品壽命只有在試驗階段才能得到初步驗證, 無形中增加了大量的開發成本。在產品設計階段使用MSC.FATIGUE，可在設計～制造過程之前進行疲勞分析，并為集成的壽命管理創造一個

　　MCAE環境, 真實地預測產品的壽命, 極大地降低了生產原型機和進行疲勞壽命測試所帶來的巨額開銷。

　　而且在疲勞壽命分析中不能滿足要求時，可以修改系統結構模型以提高構件強度或修改系統的動力學參數以降低系統動態載荷作用。

　　綜上所述，對于虛擬樣機在采煤機械設計中的應用，整個分析過程具有通用性，對于同系列，由于采用虛擬樣機制造技術，提高了采煤機的質量，降低了成本，縮短設計周期;提高了產品的市場競爭力;應用高級軟件平臺，將虛擬樣機技術應用到采煤機械設計過程中，初步解決了將虛擬樣機制造技術應用到采煤機械設計中的各個關鍵技術。實踐證明虛擬樣機制造技術在我國新型采煤機械的設計領域中將越來越發揮重要的作用。

　　參考文獻：

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　　[2]李丹，李印川.虛擬樣機技術在制造業中應用及研究現狀[J].機械.2008.6