【正文】 機(jī)市場的增大、產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴(kuò)大，世界著名的挖掘機(jī)生產(chǎn)商紛紛采用新技術(shù)、新手段來提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的市場競爭力。 液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械的產(chǎn)品代表，它具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、挖掘力大、傳動平穩(wěn)、操縱簡便、易實(shí)現(xiàn)無級變速和自動控制等系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水利電力工程、建筑工程、市政工程、礦山采掘以及國防等工程的 施工中。它具有很高的生產(chǎn)效率和可靠的安全 穩(wěn)定性，對于保證工程質(zhì)量、 加快建設(shè)速度，有著重要作用。據(jù)建筑施工部門統(tǒng)計(jì)，一臺斗容為 I～Ⅳ級土壤時，每班生產(chǎn)率大約相當(dāng)于 300400 個工人一 天的作業(yè)量。因此，一般工程施工中約有百分之六十五、百分之七十的土方量、露天煤礦 中百分之八十的剝離量和采掘量都是用挖掘機(jī)完成的。因此使得挖掘機(jī)在現(xiàn)代“挖土改水 的建設(shè)中發(fā)揮課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣 賞 中越來越重要的作用。 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的日益推廣，機(jī)械設(shè)計(jì)及制造技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，而作為一個重要分支的液壓挖掘機(jī)行業(yè)，應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì)技術(shù)勢在必行。在國外 很多科研機(jī)構(gòu)和一些大型企業(yè)，都已經(jīng)對挖掘機(jī)工 作裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并開發(fā)了一些專業(yè)軟件，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)了競爭力。 我國從 1958 年開始研制液壓挖掘機(jī)，逐步開發(fā)了 1— ； 80 年代初從德國 LIEBHERR 公司與 Oamp。K 公司引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)斗容量 1— ，但質(zhì)量和數(shù)量與國外相比均存在較大差距，在故障時間、經(jīng)濟(jì)性、燃油消耗率、施工成 本等方面差距明顯。到了 80 年代末、 90 年代初，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家液壓挖掘機(jī)技術(shù)水平得到迅速的提高，在追求高效率 (同一機(jī)重的挖掘功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大，作業(yè)循環(huán)時間減小，作業(yè)效率大大提高 )、高可靠性、司機(jī)操作的舒適性方面表現(xiàn)尤為突出。 當(dāng)前，國際上液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化、專用化和智能化的方向發(fā)展，應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，加快了向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展的步伐，相對而言，雖然國內(nèi)液壓挖掘機(jī)行業(yè)近年來有很大發(fā)展，但總體水平與發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距，可喜的是國內(nèi)眾多的研究 人員和單位對液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了不少研究，開發(fā)了設(shè)計(jì)軟件，為工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)分析和在 CAD 上自動設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)和參考。為了使挖掘機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來，將計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)中是目前研究的重點(diǎn)。 隨著我國加入 WTO，在國際化合作變得日益密切之際，對國內(nèi)液壓挖掘機(jī)行業(yè)來說，充分利用國際化配套、積極引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和積極采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)迫在眉睫。 本課題的研究內(nèi)容及意義 課題研究內(nèi)容 1．概述虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念、特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述 多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS 建模仿真的基本流程，分析它與常用三維 CAD 軟件之間的數(shù)據(jù)交換問題。 2．利用 PRO/ENGINEER 軟件繪制液壓挖掘機(jī)三維實(shí)體模型，然后對動臂進(jìn)行參數(shù)化分析。將模型導(dǎo)入 ADAMS 中，建立虛擬樣機(jī)模型。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣 賞 3．利用多體動力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動軌跡及整機(jī)的工作范圍進(jìn)行仿真。并進(jìn)行順序動作、復(fù)合動作的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析。 課題研究意義 本論文對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行建模、裝配，并對動臂進(jìn)行參數(shù)化分析。然后將整個模型導(dǎo)入到多體動力學(xué)仿真分析軟件 ADAMS中，建立虛擬樣機(jī)模型，對挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘過程的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真分析。將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到挖掘機(jī)設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域， 提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量， 從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。于改進(jìn)原有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，或進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)研制，對提高此類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量很有實(shí)用意義。 同時有利于推動和促進(jìn) CAD技術(shù)在企業(yè)的深入發(fā)展和應(yīng)用。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣 賞 第二章 虛擬樣機(jī)技術(shù) 虛擬樣機(jī)技術(shù)概述 隨著 21 世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā) 展，全球性的市場競爭日益激烈，產(chǎn)品的消費(fèi)結(jié)構(gòu)日趨向多元化、個性化方向發(fā)展。面對持續(xù)發(fā)展、風(fēng)云變幻的市場需求，企業(yè)為了提高自身競爭力，必須盡快推出新產(chǎn)品，更新設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，這樣才能對瞬息萬變的市場需求做出敏捷反應(yīng)，從而在競爭中獲得相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~和利潤。虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在這種迫切市場需求的驅(qū)動下產(chǎn)生的。 虛擬樣機(jī)的基本概念 虛擬樣機(jī) (Virtual prototype，簡稱 VP)技術(shù)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，又稱為機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真 (Mechanical System Simulation)技術(shù)，是國際上80 年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程新技術(shù)。 一種新產(chǎn)品的開發(fā)和研制需要考慮諸多因素，因此對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法提出了挑戰(zhàn)，虛擬樣機(jī)技術(shù)從分析解決機(jī)械系統(tǒng)整體性能及其相關(guān)問題的角度出 發(fā)，研究解決采用傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)所帶來的弊端的一項(xiàng)高新技術(shù) 手段。利用該技術(shù)，工程設(shè)計(jì)人員可以直接利用 CAD系統(tǒng)所提供的 各零部件的物理信息 (如質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等 )及幾何信息，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬裝配 (定義零部件間的連接關(guān)系及其作用力、 運(yùn)動激勵 )，從 而獲得產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而在產(chǎn)品物理樣機(jī)試 制出來之前就對其性能有一個大體了解，并可把仿真結(jié)果作為對系統(tǒng)關(guān)鍵零 部件有限元分析的依據(jù)。 目前虛擬樣機(jī)的概念從機(jī)械工程研究領(lǐng)域的角度出發(fā)，虛擬樣機(jī)是一種針對測試對象和物理原形進(jìn)行的一個虛擬制造和仿真過程，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立的工程化制造開發(fā)模型可以使設(shè)計(jì)人員訪問一個實(shí)際物理模型的所有關(guān)于機(jī)械、物理、外觀和功能特性的有關(guān)信息。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心理論 工程中的研究對象大多是由大量零部件構(gòu)成的系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能分析 的要求可以將其分為兩大類：一類稱為結(jié)構(gòu)，它們的特征是在正常的工況下構(gòu)件間沒有相對運(yùn)動，研究中只關(guān)心這些結(jié)構(gòu)在受到載荷時的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性。另一類是系統(tǒng)在運(yùn)行過程中部件間存在相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。如航空航天器、操作機(jī)課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣 賞 械臂、機(jī)器人等復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。力學(xué)模型為多個物體通過運(yùn)動副連接的系統(tǒng)，稱為多體系統(tǒng)。 對于復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，研究其在載荷作用下各部件的動力學(xué)響應(yīng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要問題。已知外力求系統(tǒng)運(yùn)動的問題歸結(jié)為求非線性微分方程的積分，稱為動力學(xué)正問題。已知系統(tǒng)的運(yùn)動確定運(yùn)動副動反力的問題稱為動力學(xué)的逆問題，它是系統(tǒng)各 部件強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心理論是多體系統(tǒng)動力學(xué)。多體系統(tǒng)動力學(xué)是由多剛體系統(tǒng)動力學(xué)與多柔體系統(tǒng)動力學(xué)組成的。 1．多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的研究對象是由任意有限個剛體組成的系統(tǒng)，剛體之間以某種形式的約束連接，這些約束可以是理想完整約束、非完整約束、定?；蚍嵌ǔ＜s束。研究這些系統(tǒng)的動力學(xué)需要建立非線性運(yùn)動方程、能量表達(dá)式、運(yùn)動學(xué)表達(dá)式以及其他一些量的公式。多剛體系統(tǒng)動力學(xué)主要解決多個剛體組成的系統(tǒng)動力學(xué)問題，各個構(gòu)件之間可以有較大的相對運(yùn)動。 2．多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究對象是由大量剛體和柔體組成的系統(tǒng)。 多柔體系統(tǒng)動力學(xué)可以看作是多剛體動力學(xué)的自然延伸。根據(jù)多柔體系統(tǒng)組成的特點(diǎn)，一般以多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的以研究為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)中柔性體進(jìn)行不同的處理，在機(jī)械系統(tǒng)中常用的處理方法有離散法、模態(tài)分析法、形函數(shù)法和有限單元法等。將柔性體的分析結(jié)果與多剛體系統(tǒng)的研究方法相結(jié)合，最終得到系統(tǒng)的動力學(xué)方程。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn) 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)步驟通常分為：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)室試制、制造物理樣機(jī)和產(chǎn)品生產(chǎn)等四個階段。這種基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)模式的致命缺點(diǎn)是成本高、周期長，因此它不能適應(yīng)現(xiàn)代化制造業(yè)中的柔性化、快捷化以及 高質(zhì)量的要求。同傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)方法相比，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn)： 1．全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)是一個串行過程，它存在很多弊端。而虛擬樣機(jī)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化，它基于并行工程，無需建立物理模型，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案，確定影響產(chǎn)品性能的敏感參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，通過可視化技術(shù)仿真分析產(chǎn)品在各種真實(shí)工況下的行為特征以及所具有的響應(yīng)，直至獲得最優(yōu)工作性能。 2．更短的研發(fā)周期、更低的研發(fā)成本、更高的產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法是通 過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型 (虛擬樣機(jī) )，擺脫了對物理樣機(jī)的依賴，從而可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)，有時這些試驗(yàn)是破壞性的，因此大大減少了物理樣機(jī)的數(shù)量，而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣 賞 3．實(shí)現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟的重要手段。為了適應(yīng)快速變化的全球市場，克服單個企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時間內(nèi)，通過 Interamp。Intra 臨時締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)，即目前被世界廣泛接受了的動態(tài)聯(lián)盟 (Virtual Company)的概念。參盟的企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和制造，信息的快速交流尤顯重要，而虛擬 樣機(jī)是一種數(shù)字化模型，通過網(wǎng)絡(luò)可以快速、準(zhǔn)確的傳輸，從而為動態(tài)聯(lián)盟活動的高度并行性提供了基礎(chǔ)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀 虛擬樣機(jī)技術(shù)源于對多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究。 20 世紀(jì) 60 年代，古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的力學(xué)分支 —— 多體系統(tǒng)動力學(xué)產(chǎn)生了，其主要任務(wù)是 ： 1．建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)程式化的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)實(shí)現(xiàn)這個數(shù)學(xué)模型的軟件系統(tǒng)，自動進(jìn)行程序化處理。 2．開發(fā)和實(shí)現(xiàn)有效的處理數(shù)學(xué)模型的計(jì)算方法與數(shù)值積分方法。 3．實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理，采用動畫、圖表或其他可視化顯示方式提 供數(shù)據(jù)處理結(jié)果。 經(jīng)過了 40 多年的發(fā)展，多體系統(tǒng)動力學(xué)理論框架已經(jīng)建成，并編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，使理論研究成果商品化，開發(fā)了多種多體動力學(xué)軟件。但一種優(yōu)秀的虛擬樣機(jī)分析軟件除了進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，還應(yīng)包含以下技術(shù)： 1． CAD 軟件和技術(shù)。為機(jī)械系統(tǒng)建模服務(wù)，并用來展示分析結(jié)果。 2．有限元分析軟件和技術(shù)。可以利用運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析的結(jié)果，確定進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)有限元分析所需的外力和邊界條件，對構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的分析。 3．利用實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行某些構(gòu)件的建模并模擬各種各樣的作用力對樣機(jī)進(jìn)行仿真分析。 4．系統(tǒng)優(yōu)化分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析軟件和技術(shù)。虛擬樣機(jī)軟件可以運(yùn)用傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的控制理論，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動仿真分析，并運(yùn)用虛擬樣機(jī)分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。通過分析獲得機(jī)械系統(tǒng)的最佳綜合性能。 目前國外虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件的商品化過程已經(jīng)完成，在這個日益增長的市場上競爭的有二十多家公司，其中比較有影響力的產(chǎn)品包括美國 MSC 公 司的 ADAMS、比利時 LMS 公司的 DADS 以及德國航天局的 SIMPACK。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣 賞 虛擬樣機(jī)技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等已經(jīng)廣泛地應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域從汽 車制造業(yè)、工程機(jī)械、航天航空業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面。 基于一些客觀因素，虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國還沒有被廣泛的應(yīng)用。但作為一項(xiàng)適用于各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程的通用技術(shù)，只要找對市場切入點(diǎn)，組織得當(dāng)并加強(qiáng)與國外的交流，定會使虛擬樣機(jī)技術(shù)為中國的工業(yè)發(fā)展服務(wù)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門新興的技術(shù)，它有著廣闊的發(fā)展前景及市場 。 ADAMS 概述及其仿真技術(shù) 機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)，是美國 MDI 公司 (Mechanical Dynamics Inc．，現(xiàn)屬于 MSC公司 )開發(fā)的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)分析軟件，是世界上目前使用范圍最廣、最負(fù)盛名的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟。該軟件 90 年代開始在我國的機(jī)械制造、汽車交通、航空航天、鐵道、兵器、石油化工等領(lǐng)域得到應(yīng)用，為各領(lǐng)域中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科學(xué)研究做出了貢獻(xiàn)。 工程中利用 ADAMS 交互式圖形環(huán)境和零件約束、力庫等，進(jìn)行仿真分析和比較，研究“虛擬樣機(jī) 可供選擇的多種設(shè)計(jì)方案。 ADAMS 自動輸出位 移、速度、加速度和作用力，其仿真結(jié)果可顯示為逼真的動畫或 XY 曲線圖形， ADAMS 仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷，支持 ADAMS 同大多數(shù) CAD， FEA 及控制設(shè)計(jì)軟件包之間的雙向通訊。 ADAMS 的核心軟件包 括交互式圖 形環(huán)境 ADAMS/View 和 仿真求解器ADAMS/Solver，二者之間形成了無縫連接。用戶可以利用 ADAMS 的工作站或 PC 機(jī)上建造、試驗(yàn)