中等复杂的机械组成分析和3D建模方法在汽车举升机设计中的应用外文翻译资料

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中等复杂的机械组成分析和3D建模方法在汽车举升机设计中的应用

摘要：本文涉及中等难度的机械系统的设计方法，并专注于这种方法中的两个标准步骤：2D画图（包括在设计的前期）和3D CAD模型的简化和变形（包括在设计步骤中的分析阶段），这种方法对机械设计的贡献一直是有争议的。在最先进的机械设计基础上，这份“意见书”的倡导者完成了上面两个步骤，并且详细说明了相应的机械和设计改进方法。这种新的设计方法在现实生活中的应用（电梯车的设计）已经进行了全面分析，并演示了这种方法对中等难度的机械组成的功效。

关键词：设计，3D CAD，综合分析，电梯，汽车举升机，变形

1. 中等复杂的装配设计方法

机械产品的生产和装配的设计方法一直是备受争议的但也在不断发展的课题。设计这个系统的一般目的和方法有以下几个：

C1、分析客户的需求并制定详细的设计说明书。

C2、制定机械组成的2D草图。

C3、制定所包含的零件的2D草图。

C4、初步评估设计部件和组成。

C5、如果需要重新设计草图。

C6、完善3D模型中的部件的细节。

C7、完善3D模型中的装配细节。

C8、根据设计说明书评估设计的步骤1，重点在产品的寿命分析（例如：功能）。

C9、3D CAD建模的简化和变形-FE建模并加强分析。

C10、如果需要，优化或者重新设计。

C11、设计完成：生产技术图纸以及监管部门对相关文件的批准。

上述（传统）机械设计方法（步骤c1-c11）——这种传统的特点正是由上述步骤中的编号c1-c11中的字母c体现出来的——有这些众所周知的缺点：

1. 当设计器以交互方式寻求自动程序时，把2D草图（生产步骤C2-C3）转化为3D模型（必需步骤C6-C7）几乎是不可能的。实际上2D草图向三维实体的转换算法（自动）是一个开放研究的问题，这个问题的研究进程极为缓慢；详见例5.这就是为什么目前没有任何CAD系统会提供“将2D草图转化为三维实体”的工具。在这种情况下“2D”到“3D”的转化只能由手动进行，当然现在的CAD系统确实提供了一些2D转化3D的工具以便设计者使用，比如“固态挤压”、“切/槽挤压”、“回转曲面”、“曲面放样”、“实体或曲面扫除”等等。这些工具为3D建模的组成提供了必需的基础，并且他们的性能完全提升了，但是，不幸的是，没有一个完整的方法能够给设计师提供一个有效的可以捕获所以细节的3D模型和给定的影响设计意图的2D草图。
2. 年轻一代的工程师和设计师非常熟悉3D建模或可视化，但是非常不熟悉2D草图或者在国际标准的基础上画出机械图纸。对于他们之中的大多数而言，初步步骤C2和C3，2D模型的相关步骤都是一种负担，只会浪费时间，而不会提供帮助。
3. 上述的传统方法包括一个标准组件（在步骤 C9) 在 3D 模型进行简化和减小的阶段，相应的有限元模型才能更简单更经济。最先进的电脑技术提供处理能力和存储能力，引导我们，当然还有其他工程师去了解此模型简化部分的有限元分析步骤C9的实用性。而另外的事实是，即使对于中等复杂结构的有限元分析（或人类的有限元分析师）来说，也没有一套强硬的标准来指出不重要的设计特点（所以可以移动），进一步证明了当模型简化不是绝对必需的时候是可以避免的。

由于传统机械设计方法有着上述几个缺点，所以我们提出了新的“意见书”，提出下面针对中等复杂机械装配的“全3D”设计方发（在此方法中所涉及的步骤的编号是'T1 T9'与字母'T'意味着这种方法的完全的三维性质）：

T1、分析给定的客户的要求和相应的'设计规范'的标识。

T2、使用3D的rsquo;边界框“或者更精确地3D模型甚至智能空间模型的装配布局（例如，基于八叉树）。

T3、详细的3D设计的部分。

T4、详细的3D设计的完整的程序集。

T5、设计的评估。

T6、如果有必要，重新设计。

T7、没有任何外文或简化的精确三维装配模型的有限元建模与强度分析。

T8、如果有必要，优化或重新设计。

T9、设计完成：生产技术图纸以及监管部门对相关文件的批准。

一个以创新为特征的方法认为不在设计的任何阶段用2D画图。相反，整个设计过程都在3D建模环境中发生。这种方法可以进行准确的空间设计，能够满足复杂的设计要求和具有挑战性的机械设计运用，比如汽车电梯的设计。这个方法的主要优点是能够根据设计者的经验和3D CAD专业知识大大减少设计时间。此外，因为现代的CAD程序可以提供先进的优化工具，所以，设计过程可以更加有效率，可以减少组合的重量、体积。下面，上述提出的方法被应用于电梯汽车设计一例。一个机械工程师（本文第一作者）经过为期60天（一直工作这个项目），执行并记录了整个设计和分析过程。

重要备注：我们上面说的“2D图纸免费“并不是暗示我们认为2D画图和2D草图对机械设计毫无用处，毫无疑问它在许多文件上都有良好记录，有许多任务，在机械设计的早期阶段（像”设计问题分析“、”构思产生和拓展“、”新概念发展“设计师——设计师或设计师——顾客的交流”）2D素描绘图常常是理想的工具。

1. 汽车举升机设计案例研究：规范和设计目标

升降机或电梯是一种垂直运输的有效手段，能够让人们在一栋建筑物的不同楼层之间移动。众所周知，建立起重设备的尝试从远古时期就开始了，但电梯历史的起始点是在1852年以利沙奥的斯介绍他的安全电梯开始的。奥的斯发明了一种总督装置，用滚花辊来锁定电梯到需要的地方，防止速度下降过快。自那时以来，电梯的许多方面都得到了改善，例如增加的速度、安全的特点、和电梯的室内设计等等。

现代电梯最重要的组件是一个牵引机或一个液压泵作为原动力（具体取决于驱动器的类型）、电梯厢、配重（如果需要的话）、捣鬼、门、安全装置和总督装置、钢丝绳和和电子设备。如今，大部分的注意力都放在电梯的安全方面。安全是指电梯即使在自由落体或速度增大到了极端值的情况下。法律详细指出，电梯必需的机器和电子控制装备要对电梯和乘客的安全负责。吊装组件最关键的部分是轿。厢为焊接或螺栓链接施工提供电梯框架。它必须有自购的强度承受电梯加速和电梯缓冲的应力和当安全齿轮开动时满载舱产生的压缩力。这个电梯的主要部分是：十字头（1）、立柱（2）、底部渠道（3）、支架（4）、驾驶室安装点（5）、导靴（6）和安全齿轮（7）如图1a所示。下面，用“全3D”方法设计汽车电梯的详细步骤（步骤T1-T9）。

图1

步骤T1：关于汽车电梯的设计或建模的布局和部分，存在着许多差异。例如，金属绳是直接附着在框架上还是捆着传递，放在上面还是下面:。此外，小车沿着导轨升降，有的制造商喜欢指南鞋，但是有的人用滚子。这些还有其它“设计决定”必须把汽车电梯的设计问题与下面的“设计说明”联系起来：

1. 汽车电梯必须符合电梯制造规范中的各种类型的电梯，必须满足强度规格和电梯制造规范中的其他所有要求。
2. 为了装上额外重量的机舱设备如石地板、玻璃和玻璃门，电梯一定要轻。
3. 结构必须紧凑，还要求易于检查、维修或更换电梯的所有主要部件。
4. 它能够操作所有类型的电梯驱动器（牵引或液压）。
5. 一定要易于安装，不需要特殊的工具或合格的人员。
6. 最终的程序集必须是模块化，这样关键的零件，如导靴和安全装置，可以根据客户不断变化的需求重新制定。
7. 厢的基本尺寸必须能够通过更换部件或者小数目的改变，使电梯适合各种井。

已采取的第一个决定（这是包括在T1步骤中的主要任务）设计整体尺寸和电梯机箱的货物重量。这辆车的总高度取决于安装在车上的厢的尺寸。8人的单舱的尺寸取决于井的尺寸，但是大多数情况下总的外部高度等于2325毫米。这是目前研究案例中使用的值。此外，汽车电梯必须承受8人（货物）共600千克、舱的重量、它本身的重量。这总共1000千克的重量就是分析的目的。表一总结了最终规格。

1. 详细的3D建模和设计分析

步骤T2：为了明确初步草案的基本出发点，我们选用了一个1000毫米的DBG，DBG代表参考线之间的距离，是直接关系到井和客舱距离的重要数据。在图2的简图中，（1）是这辆车的中间平面，（2）是通过导轨所确定的平面，（3）是液压缸的外部直径，（4）是导靴。

图2

通过给定的舱的预定高度，我们选取合适的DBG和液压缸的直径。，并着手进行下一步T3，完成横梁和立柱的选定或建模，参见图1。下一步是确定钢丝绳夹紧装置的安装点。如果是液压驱动的电梯，四根钢丝绳的支持是很有必要的。选定的安装点的位置如图3所示。

图3

图4

之所以选用这种不对称的安装点的设计，是为了最大限度地减小合作滑轮的弯矩，从而使厢体偏向垂直轴。通常情况下，需要5个钢丝绳来牵引驱动电梯，就像图4中最后显示的安装点。

汽车电梯在导轨表面滑动时应该配备导靴。最简单的导靴可以由实心钢、铁、铝或铜制成。结实的鞋子非常适合重型载货升降机与载客升降机，鞋通常用弹簧加载，或弹性安装，以减少厢内的噪声，校正导轨的细小差异。鞋通常是用钢尼龙绳插入箱体的运行表面。使用这种材料能降低噪音，并降低对润滑的需求。导靴放在上部，下方垂直向下，这是汽车电梯设计的标准做法。

人们对安全齿轮跳闸装置的正确设计十分重视。当电梯向上或向下的速度超过给定的界限时，或者一个或多个钢丝绳断裂时，安全装置必须关毕。如果是液压驱动的电梯，安全钳必须安装在瞬时速度不超过0.63米每秒的地方。即使是一小段停止距离也能给电梯设备或乘客带来沉重的震动和影响。对于牵引驱动电梯来说，速度超过1米每秒是十分正常的，所以必须使用渐进式安全钳。这种装置通关给导轨施加一定量的压力，是厢体逐步陷入停滞状态。如图5所示，是两种脱扣装置的设计。

图5

图6

这两种装置都是由下钢丝绳夹紧装置连接一个踏板组成。在故障时，夹紧装置的下半部分会弹出，并向下推动踏板，牵引驱动电梯的最终设计方案如图6所示。为了准确确定两个跳闸设备组件的尺寸，根据步骤T3中的“全3D”方法，完善3D模型中的各种细节是很有必要的。为了便于检查和维修，安全装置被安装在车架的下半部分。

最后，为了让厢体变得更长，需要设计一个加长到1000毫米的支架去配合。为了将支架长度从1000毫米调整到1500毫米，必须设计多个安装点。通过步骤T4、T5和T6中的改进，这个提议已经完全实现了，如图7所示。

图7

1. 材料和制造方面

这个提议最重要的部分是钣金件。为了提高产量，减少生产时间，可用的制造过程的分析也列入步骤T5、T6（“设计评价”和“重新设计”）的“全3D”设计方法中。

最常见的金属板材成型过程有冲切、激光切割。这些过程中的每一个都被发现有优点和缺点。要在平面或金属薄板上钻一个孔，冲压是最具有经济效益的方法，平均产量的提高取决于钻头和模具的质量。激光切割在应用中有很大缺陷，并且消耗大量能源，工业效率由5%提高到15%，但是另一方面，激光切割有较高的精度。由于生产过程中对准确性的需要，我们更喜欢用激光切割作为标准生产工艺。

关于这个组合的材料选择，我们选择St52.3-S355J2G4。这是因为基于此标准的材料具有足够的屈服强度，355牛每平方毫米，优良的生产表现，并且可以在本地市场轻松找到。

一项重要的设计决策是整个组合包括螺栓的连接，无需焊接。做出这一决策的主要原因是大多数电梯在使用时或使用后都需要调整。为了获得令人满意的尺寸精度，，升降机机厢的最后组装将采用专门的夹具。

1. 有限元分析

步骤T7：为了验证设计结构的总强度，使用CAD软件进行计算，它可以以简单快捷的方式改变步骤T8，目前的设计方法可以有效的使用自动生成的有限元模型。一个重要的决定，是使用的有限元模型相对于完整的3D模型没有任何简化或转变。为了尽快解决风险较大的结果不确定的问题，转变是许多工程师和设计者常见的做法。目前的方法已经完全消除了有限元分析的简化或转变导致的步骤T8最终定稿中出现的少量的迭代问题。

壳单元被应用于啮合钣金零件，而固体元素则被用于几何形状更加复杂的导靴和安全装置。分析应该包括当电梯处在自由落体或极端负载条件下时，瞬时安全钳能够迫使它停下来。这种极端负载条件不是由EN81设定的，因此我们在“设计规范”的基础上选择总质量为1000千克，必要停止时间0—4秒，电梯速度0.63米每秒。在这种假设条件下，电梯汽车船舱里的用于克总垂直力的安装点应该能承受16750牛的力。

完整的结构以及相应的应力和位移分布如图8所示。屈服应力为165牛每平方毫米，垂直位移为2.37毫米，都符合行业标准，这是让人十分满意的。

图8

图9是在机舱内的安装点的应力分布。图10是关于导靴和安全齿轮的应力分布。

完整的呈现图9和图10中的应力分布，是所有免费CAD模型简化方法都能做到的。确实，在靠近A区的孔和B区的焊缝的地方出现了应力，在A区的应力为91牛每平方毫米（相当于55%的最大应力），B区的应力为122牛每平方毫米（74%的最大应力）。为了建立不同分析结果的转化，在下一小节，我们分析汽车电梯的两个简单模型，比较我们所得的结果和上述方法中得出的CAD模型有什么不同。

图9

图10

5.1、有限元模型的准确对比：与分析结果比较

有限元分析的标准战略是转化（简化）复杂的CAD模型，但是与那些用准确CAD模型的结果不同，简化

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