虚拟设计技术在带式输送机设计中的应用

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1、虚拟设计技术在带式输送机设计中的应用8 何青1 居敬杰1 董大仟1 杜冬梅2 刘天军3 1 屯站设备状态监测与控制教育部重点实验室华北电力大学动力系北京1 0 2 2 0 6 2 华北电力大学计算机系北京1 0 2 2 0 6 3 中国华电工程( 集团) 有限公司北京1 0 0 0 4 4 摘要：本文将虚拟设计技术应用于带式输送机设计，开发了基于虚拟设计技术的带式输送机设计 系统系统采用面向对象的组件技术，建立可视化动态图形组件，实现了可视化动态侧形建模、模型 验证、虚拟栽荷分析、动态响应仿真分析、虚拟监测控制和三维虚拟场景等功能。 关犍词：可视化虚拟设计组件技术带式输送机 1 引言 随着计算

2、机技术的高速发展，计算机在图像处理和辅助设计方面的应用进一步拓宽和深化，尤其是人 与信息科学相结合的高新技术一可视化( V i s u a l i z a t i o n ) 与虚拟现实( V i r t u a lR e a l i t y ) ，给计算机应用带来了新的 活力。虚拟现实技术与已经高度发展的C A X ( C A D 、C A M 及C A E 等) 系统的有机结合，为产品的创意、变更 以及工艺优化提供了虚拟的三维环境。设计人员借助于这样的虚拟环境可以在产品的设计过程中，对产品 进行虚拟设计、加工、装配和评价，避免设计缺陷缩短产品的开发周期，同时降低产品的开发成本和制 造成本。

3、虚拟技术的核心是仿真，通过仿真来处理人机交互、虚拟环境中物体的行为以及时间的流逝等。 虚拟现实的关键技术主要包括”J ： ( 1 ) 动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取 实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境。 ( 2 ) 实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，关键是如何实时生成。 f 3 ) 传感技术：虚拟现实中的人机交互效应主要由传感技术来完成。 ( 4 ) 系统集成技术：虚拟现实中包含大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。 虚拟现实具有三个最主要的特征： ( 1

4、) 多感知性( M u l t i S e n s a t i o n ) ：理想的虚拟现实技术应具有视觉感知、听觉感知、触觉感知、运动感知、 味觉感知，嗅觉感知等。目前，由于相关技术的限制，虚拟现实技术的感知范围和精度都无法与人相比拟。 ( 2 ) 沉浸( I m m e r s i o n ) ，也称为存在感( P r e s e n c e ) ：存在感是指用户身心置于模拟环境中的体验。 ( 3 ) 实时交互性( R e a l t i m eI n t e r a c t i v i t y ) 和自主性( A u t o n o m y ) ：实时交互性是指用户对模拟环境中的物体 的

5、可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的自然程度。 在输送领域中由于新技术和新设备的不断引入，增加了输送设备对于安全高效、自动化的要求，可视 化和虚拟现实技术将会成为满足这一需求的有效手段9 J 。本文将虚拟设计技术应用于带式输送机设计，开发 了带式输送机设计系统，实现了辅助侧形设计、模型修改、载荷分析、静态分析和动态仿真分析等。 叶乍者俺介t 何青( 1 9 6 2 - ) 男，教授； 居敬杰0 9 8 1 一) ，女，硕士研究生。 i = ：。；。I ： ：i ；点鲨I ；：娑 萱皇| | 宣i 叠i 一_ 2 带式输送机及其设计技术 带式输送机是

6、以胶带、钢带、钢纤维带、塑料带和化纤带作为传送物料和牵引工件的输送机械。如图 l 所示为几种典型的水平运输的输送机系统布置图。带式输送机结构简单，输送物料范围广泛，输送量大， 运距长，装卸料方便，基建投资省，营运费、维修费低廉，能耗低，效率高，广泛应用于电力、冶金、煤 炭、矿山、化工、港口等行业。一- 带式输送机系统机械结构虽然简单，但是随着输送机运量、运 速和运距的提高，大型带式输送机系统应用出现了些严重问题， _ ， 如跑偏、纵向褶皱、飘带、动力故障”1 等。因此，在系统设计时， 必须应用先进的分析技术和分析系统，对其基本运动、受力和强度 + ” 进行深入的计算分析，对动态响应进行详细的仿

7、真计算和分析，以 便对实际运行中可能出现的故障进行研究，并提供最佳解决方案。 在输送机系统设计中运用虚拟设计技术可大大提升设计系统可 用率及准确率，提高工程可行性并降低设计、施工、维护成本。根 据国际上对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和预 双驱动 测，传统的机械系统实物试验研究方法，将在很大程度上被迅速发 展起来的计算机数字化仿真技术所取代。运用虚拟设计技术可以方 ， 便地进行系统全过程的动态仿真分析与研究，确保输送机系统运行 的安全、稳定和高效。o- 大型带式输送机系统设计主要包括侧形设计，各种运行环境( 如 夏季与冬季) 、运行工况( 包括启动、正常运行、自由停机和制动) 下

8、L 的载荷分析、强度分析以及动态响应分析等。本文以大型带式输送 。 机系统为对象，研究虚拟设计技术在大型带式输送机设计中的应用 围j 揄 磊巍布f 技术。并开发相应的设计软件系统。 3 基于虚拟设计技术的带式输送机设计系统 虚拟设计技术可以应用于带式输送机系统设计的许多方面，例如可视化动态侧形设计、模型验证和动 态仿真分析等。本文应用虚拟设计技术开发了带式输送机设计软件系统，实现了可视化动态侧形建模、模 型验证、虚拟载荷分析、动态响应仿真分析、虚拟监测控制和三维虚拟场景等功能。 3 1 开发环境 系统采用c + + 浯言作为编程语言。运用C + + 语言面向对象、可视化快速应用程序开发和直接数

9、据库访 问等特点，开发基于w i l l o w s 操作系统的带式输送机系统设计软件。 带式输送机设计中涉及大量标准及其选型数据，因此系统采用基于数据库技术的软件开发方法。数据 库采用微软的A c c e s s 数据库。A c c e s s 数据库属于文件型数据库，对操作系统要求低，每个数据库文件可以 包括多个数据表，操作使用方便。系统使用了两个数据庠文件。一 个是系统数据库文件，用于保存C E M A 标准参数、部件型表和设计 模板等，供设计选型使用。另一个是项目数据库文件，为每个设计 项目创建，用于保存该项目的设计参数、分析模型和计算分析结果 数据等。 圉2 系统结构与功能模块 虚拟

10、设计技术在带式输送机设计中的应用 6 3 7 3 2 系统结构与功能 输送机设计是在给定运量、输送物料、地形路线和运行环境等条件下，进行侧形、输送带、托辊、拉 紧、滚筒、电动机、制动器等部件的设计，使输送机在正常启动、额定运行和紧急制动等工况下，在静强 度和动特性方面，均能满足输送机安全、稳定、可靠的要求。输送机设计系统软件结构与功能模块如图2 所示。 3 3 输送机的虚拟设计 虚拟设计技术在输送机设计系统软件中的应用主要体现在 以下几个方面。 3 3 ，l 图形化虚拟建模 输送机设计的第一步是侧形设计。系统建立了常用零部件 的动画组件，包括输送带、料斗、驱动滚筒、改向滚筒、压面 滚筒、拉紧装

11、置、翻带装置等。在侧形设计时( 如图3 所示) 可以根据需要在图形设计界面上，直接通过鼠标操作来放置或 移动组件，并设置组件属性，如显示颜色、动画参数等。 圉3 输送机图形化 3 3 2 可视化计算与分析 大型带式输送机是一个复杂的机电系统。为了形象地反映设计进程和清晰地表达设计结果，软件充分 运用可视化技术，实现计算与分析过程和结果的可视化。在零部件设计发生变化时通过可视化计算演示 系统结构的力学状态，如在各种运行工况下输送带张力变化情况，输送带纵向应力分布及应力波传播过程， 输送带纵向应变情况，等等。 3 3 3 虚拟运行 完成侧形设计和设计计算后，通过虚拟运行，对输送机进行动态仿真，形象

12、地展示输送机在启动、额 定运行、停机和制动等工况下的运行情况。动画模拟时，皮带传动，滚筒旋转物料移动，各种参数在实 时变化。在虚拟环境中，通过观察分析输送机在各种工况下的运行过程以及各种运行参数的变化情况，对 设计方案进行评价，体现虚拟设计技术带来的种种便捷，在设计阶段就可以自主直观地配置和协调各相关 因素，解决运行过程中功能、性能以及控制等的协调与配合。 3 3 4 虚拟监测及控制 在虚拟运行中，可以设置虚拟监测点。通过实时计算虚拟测点的监测值，得到监测参数曲线。如紧急 停机操作时的运行速度、加速度、冲击力、张力、应力、应变、振动等。通过对虚拟监测数据的分析，为 输送机设计提供改进和优化依据

13、，避免实际运行时出现问题而带来巨大经济损失。通过虚拟监测还可以为 输送机控制系统提供操作建议，实现结构设计及运行的虚拟控制。例如，将虚拟监测的应力分析结果加载 到模型中，根据实际的启动或停机时间、速度和加速度，控制输送机的运行。 3 4 虚拟输送场景 借助键盘、鼠标、显示器等标准外设和软件建模技术来营造一个窗口式的虚拟环境，使设计人员可直 接在建模环境中构建逼真的系统模型，完成输送机系统的整体方案设计，展示输送机系统场景。 虚拟输送场景采用大焦距的虚拟环境。将视点固定在输送机上方的几个位置，可以看到输送机系统空 间状态的演化过程。由于视点相对固定，视野开阔设计者可以清楚地观察机架的升高，堆取料

14、场的扩大， 运输线路的架设、转弯，进料点等，同时在另一窗口中显示输送带张力随时间、物料的变化曲线。 另外，在头尾部驱动、输送带、堆取料场等虚拟位置增加小范围视点，视野集中，让观察者跟随虚拟 物料的输送过程，在设计阶段就可以亲历感受现场效果。观察者可以在输送现场的任意地方观察输送系统 的运行，就像在观察一个真实运行的运输场地，有在皮带上运送的虚拟物料，有旋转的滚筒和托辊，有加 6 3 8计算机技术与应用进展2 0 0 6 料的进料斗，还有装卸货物的虚拟堆取料机等等。 在输送机设计系统中进行虚拟输送场景模拟，使得设计者既能从总体上把握工程主体布置，又能观测 分析各点微观受力、变形等情况。通过对计算

15、机模拟工程现场和工作过程的分析，发现设计缺陷，将隐患 消除在设计环节，优化输送机设计和运行控制，使输送机运行更安全，更稳定可靠。 4 结论 大运量、高带速和长距离带式输送机的应用符合现代化工业需要。对大型输送机设计技术提出了更高 要求，应用先进的设计分析技术和系统软件，是设计安全、稳定、高效和节能的输送机的需要。 本文将虚拟设计技术应用于带式输送机设计。开发了基于虚拟设计技术的带式输送机设计系统。系统 采用面向对象的组件技术，建立可视化动态图形组件，将其应用于带式输送机模型的虚拟设计，实现了可 视化动态侧形建模、模型验证、虚拟载荷分析、动态响应仿真分析、虚拟监测控制和三维虚拟场景等功能。 应用

16、本系统对国内某大型带式输送机系统进行设计分析，取得了良好的效果。应用表明，采用虚拟设 计技术进行大型带式输送机系统设计分析是切实有效的，可以大大缩短设计周期，节约设计成本，提高设 计质量，确保设计安全可靠。 参考文献 【1 1 徐绍军，何清华，云忠虚拟现实技术及其在机械领域的应用【I 】凿岩机械气动工具，2 0 0 4 ，3 【2 1 曾建超，俞志和虚拟现实的技术及其应用 M 清华大学出版社，1 9 9 6 3 1G r z e g o r zD e w i c l 【i B u l kM a t e r i a lH a n d l i n ga n dP r o c e s s i n g - N u m e