毕业设计基于PROE的陆上拔桩设备虚拟设计与运动仿真.docx

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毕业设计基于PROE的陆上拔桩设备虚拟设计与运动仿真

存档编号

NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower

毕业设计

题目基于Pro/E的陆上拔桩设备

虚拟设计及运动仿真

学院机械学院

专业机械设计制造及其自动化

姓名李衍哲

学号200906214

指导教师郝用兴吴林峰侯艳君

完成时间2013年5月26日

教务处制

独立完成与诚信声明

本人郑重声明：

所提交的毕业设计是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。

文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

毕业设计作者签名：

指导导师签名：

签字日期：

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毕业设计版权使用授权书

本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用毕业设计的规定。

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同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计原件或复印件和电子文档（涉密的成果在解密后应遵守此规定）。

毕业设计作者签名：

导师签名：

签字日期：

签字日期：

基于Pro/E的陆上拔桩设备虚拟设计及运动仿真

摘要

随着黄河干支流水库调节洪水力度的不断加大，特别是小浪底水库的建成运用后，黄河下游出现大规模洪水的概率减小，再加上黄河下游一些河段河势的畸形发育，会影响对黄河的利用和治理，为了应对这些情况，需要一种移动式不抢险潜坝来遏制和归顺畸形河势。

本文利用虚拟设计软件Pro/Engineer强大的建模和运动仿真功能，对混凝土预制管桩进行拔除的陆上拔桩设备进行零件三维建模和运动仿真。

这种混凝土管桩就是黄河中下游可移动潜坝的组成部分。

传统的拔桩方法对桩体或多或少均有损害，而且黄河岸上土层较软，适合用射流法进行拔桩。

射流法拔桩是用高压喷口将混凝土管桩周围的土层冲击成泥浆状，以便实现对桩体的无损拔出，再次利用。

Pro/Engineer是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理、机构仿真等。

本文利用Pro/Engineer对射流法拔桩设备的零件及其主体进行三维建模，以及对其工作状态进行运动仿真分析，本文还对其他三维建模软件也有介绍。

利用本文的运动仿真结果，可以对射流拔桩设备的工作状态和其组成部分进行形象的了解。

参考本文三维建模、运动仿真的方法，可为对各种机械设备进行Pro/Engineer虚拟设计和工作状态仿真的设计人员提供一些帮助。

关键字：

可移动潜坝；射流拔桩；Pro/Engineer；三维建模；运动仿真。

中图分类号：

TP602；TP603

TheVirtualDesignandMotionSimulationBasedonPro/EngineerOfLandUpliftPileEquipment

Abstract

WiththeYellowRiverReservoirregulatingfloodeffortscontinuetoincrease,theXiaolangdireservoirbuiltaftertheuseofthelowerreachesoftheYellowRiverreducetheprobabilityoflarge-scaleflood,coupledwiththelowerreachesoftheYellowRivermalformationoftheriverregime,willaffectthetheuseandmanagementoftheYellowRiver,inordertodealwiththesesituations,thereisaneedforamobilerescuethesubmergeddamtocontainandsubmissiondeformityriverregime.

UsingvirtualdesignsoftwarePro/Engineerpowerfulmodelingandmotionsimulation,precastconcretepipepileremovaloflandupliftpileequipmentparts3Dmodelingandmotionsimulation.ThisconcretepipepileisthemiddleandlowerreachesoftheYellowRivercanbeanintegralpartofthemobilesubmergeddam.

Thetraditionalupliftpiletopilemoreorlesshavedamage,andtheYellowRivershoresoilisrelativelysoft,suitableforjetmethodupliftpile.Jetforgingpilewithhigh-pressurenozzleoftheconcretepipepilesaroundtheimpactofsoilintoamud-like,inordertoachievenon-destructivepulloutofthepile,andreuse.

Pro/EngineerParametricTechnologyCorporation（PTC）'sCAD/CAM/CAEintegrationofthree-dimensionalsoftware,istoday'smainstreamCAD/CAM/CAEsoftwareone,especiallyinthefieldofdomesticproductsdesignedtooccupyanimportantposition.Pro/Emodule,sketching,partsproduction,assemblydesign,sheetmetaldesign,processing,simulationandotherinstitutions.ByPro/EngineerpullthejetLawpileequipmentpartand,forthree-dimensionalmodeling,motionsimulationanalysisaswellasitsworkingstate,thearticlealsoother3Dmodelingsoftwaredescribed.

Understandingofimagemotionsimulationresults,youcanusethisontheworkingstatusofthejetpilepullingdeviceanditscomponents.Referencethree-dimensionalmodeling,motionsimulation,forvariousmachineryandequipmentcarriedPro/ENGINEERvirtualdesignandworkingconditionsimulationdesignerstoprovidesomehelp.

KeyWords:

MovableSubmergedDam;JetUpliftPile;Pro/ENGINEER;3DModeling;MotionSimulation.

绪论

在当今水资源短缺的情况下，黄河干支流水库调节洪水力度的不断加大，特别是小浪底水库的建成运用后，黄河下游出现大规模洪水的概率减小，再加上黄河下游一些河段河势的畸形发育，会影响对黄河的利用和治理，为了应对这些情况，需要一种移动式不抢险潜坝来遏制和归顺畸形河势。

这种潜坝应用的是预制混凝土管桩，用时需要将管桩沉入岸上或河底。

由于这种潜坝是可移动的，所以预制混凝土管桩也是需要重复利用的，此时就需要一种拔桩技术将管桩无损拔出以便再次利用。

我国传统的桩工技术在桩拔除的过程中多少会对桩体有损害，不符合本文介绍的工程情况。

经过理论研究和实践证明，射流法拔桩适用于土质较软的黄河滩和黄河河底的土层情况，实现对混凝土预制管桩的无损拔出。

在射流法拔桩设备的研制过程中，传统的机械部件设计方法效率较低，设计周期长，设计精度低，影响工程质量。

随着信息化时代的来临，全球正进行着一场新的“工业革命”，将计算机技术和工程技术结合起来产生了一种新的设计方法——虚拟设计，这种利用虚拟设计软件进行产品设计的方法使得如今产品的开发周期缩短，质量提高。

在众多的虚拟设计软件中，美国参数技术公司（PTC）开发的Pro/Engineer，比较著名，多用于机械零部件和钣金件、整机等的设计，是参数化设计的最早应用者。

本文探讨利用Pro/Engineer三维建模软件对射流拔桩设备进行虚拟设计，包括对产品的零件建模、设备装配、运动仿真分析等设计部分，利用虚拟设计软件分析射流法拔桩设备的结构组成、工作方法和运动情况。

第一章射流拔桩器设备介绍

1.1射流拔桩技术概述

1.1.1研究目的

为了遏制黄河中下游岸堤的畸形发展，研制一种无损拔出不抢险式可移动潜坝混凝土预制管桩的拔桩设备。

1.1.2射流拔桩技术原理和利用

世界桩工机械比较发达的国家主要是德国、意大利和日本，最先进的设备和工法一般也是这三个国家首先开发的。

我国工程上比较常用的拔桩方法是利用振动、静力或锤击作用将桩拔出地层，即将振动拔桩机固装于桩头，索具悬挂于吊钩下，开动振动拔桩机使振动器产生的振动，引起桩和土体的共振，从而导致土体结构破坏，桩身与土体间摩擦力逐渐减小，此时收紧索具,用吊机将桩逐渐拔出。

也有采用机械拔桩的方法，即由电动卷扬机连接钢丝绳滑轮组，将桩强制拉出地面。

这种方法使用方便，成本低，但拔桩力不大、设备笨重、拔桩效率低，只适用于软土地层施工。

还有利用双动汽锤拔桩的方法，将锤体倒置，固定于桩头，先将土中桩头略微晃动，以减低桩和土壤间紧密度，破换土体结构。

然后开动汽锤，向上锤击振动，将桩逐渐拔出，可在各种土层中拔混凝土桩及其他桩。

但是这些方法都是直接对桩体进行施工，对桩体多少会有些伤害。

对于黄河治理需要的可移动潜坝这种施工土质较软的情况，还有一种射流拔桩的方法。

射流法拔桩的工作原理是，先将拔桩机安装在需要拔出的桩位上，再将成孔器套在需要拔出桩的桩头上，开启成孔器使其喷射水流，利用岸上的高压水泵和成孔器射流各个方向的喷嘴形成高速、高压的水射流，高速、高压的水射流在成孔器和预拔管桩的导向作用下，依据拔桩器的自重沿混凝土预制管桩下移冲击破坏需要拔出的桩管壁周圈泥土，变成水土混合而成的泥浆（或沙浆）状态，该泥浆（或沙浆）沿成孔器内外壁与需拔出管桩和土层的空隙上翻至成孔器上方，沿需拔出管桩外壁和土层间的环状空腔上升，通过地面井口溢流自井内排出，同时利用射流成孔事旋转装置的作用破坏硬地层及碎石杂草等杂物，从而形成与成孔器大小相对应的深孔，破坏土体结构，实现管桩与其周围土体的分离。

需要拔出的混凝土预制管桩在井内立浮或半立浮状态后，利用吊车将其拔出，从而完成了用射流法对桩体无损拔桩的过程。

1.2射流拔桩器的基本组成

根据工程要求，可移动潜坝的混凝土预制管桩内径500mm，外径600mm。

以下各部件的尺寸均以几何要求所得。

1.2.1成孔器

考虑到成孔器工作时收到冲击载荷占主导地位，在冲击过程中既要保证冲击的强度要求，又要保证孔壁的直线度要求（直线度要求不能大于1：

300），所以设计的射流拔桩器成孔器箱体部分是一个外径为932mm，内径为600mm，高为1500mm有缺口的套筒，下部开口加工有梯形锯齿以便于在陆上土中定位。

其内部结构的尺寸由布局的合理性设计，套筒壁厚20mm，内有一套管路，两条入水管的水流经过成孔器内部的横管分流，由下部11个出水管再经喷嘴射出高压水流。

入水管外径108mm，内径88mm。

横管直径146mm，出水管外径60mm，内径54mm。

考虑到桩与桩之间的距离和工作状态（当有两根管桩互相挨着时），成型器也能正常工作，这时需要将成型器留有一定的缺口。

假如桩达到最大直线度1：

300，桩高50米，此时桩最大倾斜距离为0.17米，为了保证成孔器正常工作则设有一70度的缺口。

1.2.2喷嘴

喷嘴出口直径假设分析为32mm，同时考虑到喷嘴在任何工作状态下都不会被土层堵住，故喷嘴尺寸如下：

喷嘴安装于成孔器内部出水管底端，高为200mm，外部有高20mm的六角螺母便于装卸，内部管道为30mm的圆柱和170mm的圆锥体。

由于需要向侧面喷射，故缺口处的两个喷嘴设计成弧形，交叉喷射。

1.2.3支架

支架用于入水管和出水管的连接分流，利用吊车吊起。

主体是一个外径300mm，内径250mm，长1246mm的圆筒，上方有吊耳。

下面有连接入水软管的两个硬管，两个连接出水软管的硬管，其尺寸由成孔器的入水管决定，设计直径均为110mm，管之间距离646mm。

另外出水管两侧有连接拔桩设备用的两个吊耳。

1.2.4软管

入水管连接水泵和支架入水硬管，出水管连接支架出水硬管和射流拔桩设备上部入水管。

长度视需拔除的管桩长度而定，外径150mm，内径110mm。

1.2.5其他部件

1.螺母：

本文所用到的螺母为国家标准，型号为GB-T6170-2000。

2.螺栓：

本文所用到的螺栓为国家标准，型号为GB-T5783-2000。

3.垫圈：

本文所用到的垫圈为国家标准，型号为GB-T95-2000。

1.3本章小结

本章主要介绍了本文的研究目的、所用拔桩方法原理的简单阐述、国内外对桩工技术的运用和研究现状，以及射流拔桩设备主要部分的工艺尺寸。

只有尺寸设计标准后，进行建模才不会出现干涉等问题。

第二章虚拟设计与运动仿真

2.1虚拟设计的概念及本文应用

在机械设计领域上，设计方式主要可分为原理方案设计、运动学分析、静力学或动力学分析、方案及系统优化、强度分析计算和结构设计等几个阶段。

传统的设计方法可以通过理论分析计算实现，但在大多数情况下，为了避免复杂的理论分析计算，在机械设计过程中人们总结了许多优化设计和减少复杂程度的方法，经常采用“经验法”、“类比法“或”试凑法”等设计方法，但是这样的人工计算不但会延长设计周期和降低工作效率，而且容易导致设计结果不准确，很难得到满意的结果，也缺乏科学的理论根据。

在机械设计技术飞速发展的现代，出现了虚拟设计技术，虚拟设计技术是由多个学科先进知识形成的综合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。

在利用虚拟设计建立模型的领域，有下列几款常用的软件，AutoCAD、Pro/E、Solidworks、UG、Matlab等，其中比较常用的三维设计软件是Pro/E和Solidworks。

简单来说，在机械上我们所用到的是利用虚拟设计软件进行三维建模，以可视化的方式来判断产品的合理性，并在其基础上进行优化设计。

在建模过程中，不仅可以对其单独的零件进行设计考虑，还可以将需要的零件组成装配体，考虑其形状尺寸、运动方式及性能。

三维建模按照需要可以分为三种，第一种是线框建模，三维实体仅通过顶点及其相连接的边来描述形体的几何形状（线框模式）。

其特点是；数据结构简单，信息量少，占用的处理内存空间小，对操作的响应速度快，通过对投影变换可以快速地生成三视图，生成任意视点和方向的视图和轴侧图，并能保证各视图正确的投影关系。

第二种是表面（曲面）建模；能过对物体各个表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。

特点；表面模型增加了面，边的影响关系，因而可以进行隐藏和显示处理、剖面图的生成、渲染、干涉、以及数控刀具轨迹的生成、有限元网格划分等作业。

但表面模型仍缺少体的信息以及体，面间的干涉关系，无法区分面的哪能一侧是体内或体外，仍不能进行物性计算和分析。

还有一种为实体建模，不仅描述了实体全部的几何信息，而且定义了所有的点、线、面、体的拓扑信息。

特点是可对实体信息进行全面完整的描述，能够实现隐藏显示面、剖切、有限元分析、数控加工、对实体着色、光照及纹处理、外形计算等各种处理和操作。

三维建模的步骤如图1所示

零件尺寸设计

进行产品的单个零件和整体设计

单个零件绘制

对单个零件进行建模

组成装配图

将多个零件按照实际情况进行约束、装配，组成整体产品

合理性检验

查看合理性，进行优化设计

运动仿真/有限元分析等

利用软件进行运动仿真或者有限元分析

图1

2.2运动仿真的概念及本文应用

运动仿真是指在虚拟装配产品建模完成后，根据其约束条件，对其运动方向、运动程度和需要的运动状态进行虚拟仿真的一种应用程序。

机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和计算机实用技术上的新技术，涉及机械建模、机械运动控制、机械机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机图形来模拟机械系统在现实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。

通过机械系统的运动仿真，不但可以对整个机械系统进行运动模拟，以验证设计方案是否正确合理，运动和力学性能参数是否满足设计要求，运动机构是否发生干涉等还可以及时发现设计中可能存在的问题，并通过不断改进和完善，严格保证设计阶段的质量，缩短了机械产品的研制周期，提高了设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。

因此，机械运动仿真当前已经成为机械系统运动学和动力学等方面研究的一种重要手段和方法，并在交通、国防、航空航天以及教学等领域都得到了非常广泛的应用。

运动仿真的目的是模拟和研究产品在现实中的运动情况，在进行运动仿真之前最重要的环节是对各需要运动的部件之间施加约束，使其按照需要的方向进行运动，工程中用到可以进行运动仿真的软件很多，Pro/E、Solidworks、UG这些软件都可以在零件建模之后对装配体进行运动仿真，但是由于上述软件的仿真模块存在着种种不足，可以将其装配文件导入到ADAMS、ANSYS中进行运动仿真和分析。

不同软件的仿真方式也不尽相同，大致来说的步骤如图2

完成装配体

装配零件完成装配体（或者导入装配体）

约束零件

对各零件之间的关系进行运动学约束

添加伺服电机

在运动关节处添加设置伺服电机

运动仿真

进行运动仿真或者分析，导出视频文件和运动图

图2

传统制造业在产品设计、制造过程中存在以下问题：

（1）产品设计质量不高、预见性差，主要表现在对大型、复杂程度较高的产品时，由于设计手段及生理因素的限制，设计易出错和人为疏漏，并缺乏对产品制造、装配工艺的预见，影响设计质量；

（2）在传统设计模式中，基本是串行流程，设计、制造周期长，不能快速响应市场，计划经济时代，是“大鱼吃小鱼”。

而在市场经济时代，则是快鱼吃慢鱼，市场响应快的企业往往能占得先机，赢得市场。

反之会被激烈的市场竞争淘汰；

（3）产品设计、制造费用高，产品成本上升，缺乏市场竞争力。

由于设计中的错误多数只有在生产、装配中发现，返工和废品增加成本。

依靠物理原型机进行产品生产、装配、测试和更改设计，产品开发的要求，企业继续根据自身特点，探索一种先进高效的设计方法和模式。

虚拟设计与运动仿真的优点：

（1）虚拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点。

（2）继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果。

（3）运动仿真技术具备可视化特点，便于改进和修正原有设计。

（4）支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期。

（5）便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。

2.3Pro/Engineer

2.3.1Pro/E简介

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。

Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域占有重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。

是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理、机构仿真等。

2.3.2Pro/E主要模块选用

本次设计使用Pro/E对零件和设备进行建模虚拟设计，建模过程中使用到以下模块：

草绘模式（Sketchermode）：

在此模式下可以创建一个二维参数化的草图模型，文件扩展名为.sec。

零件模式（Partmode）：

在此模式下可以创建一个三维模型，文件扩展名为.prt。

装配模式（Assemblymode）：

在此模式下可以创建一个将零件组装在一起的三维模型，文件扩展名为.asm。

工程图模式（Drawingmode）：

在此模式下可以创建一个零件或装配尺寸标注的二维绘图模型，文件扩展名为.drw。

曲面模式（Surfacemode）：

在此模式下可创建各种类型的曲面，创建方法与零件模式相似，而且扩展名也为.prt。

利用Pro/E进行建模时，首先要准备零件模型设计，通常在创建新零件模型设计之前，有必要了解有关组件中其周围零件的尺寸信息。

因此，需要在开始新设计前统筹考虑所有零件。

根据产品需要，了解周边零件都会对新零件建模设计有所帮助。

然后是创建新零件模型，新零件模型可通过基于实体特征的建模从概念中精确地捕获一种设计。

利用零件模型可以图形方式查看产品在其制造前的状态。

零件建模可用于捕获质量属性信息、改变设计参数以确定最佳方案。

创建单个零件时可根据尺寸，用草绘模块和拉伸、旋转、扫描等方式绘制出三维模型。

最后创建零件或组件的绘图零件或组件的建模完成后，通常需要通过创建其2D绘图来记录该零件或组件。

2D绘图通常包含零件或组件的视图、尺寸和标题栏。

绘图还可能包含注释、表和其它设计信息。

其格式是通用的DRW格式。

通过Pro/E建立的三维模型可根据不同需要利用“保存副本”保存为多种格式，