【正文】 of Virtual Concept 2005Biarritz, France, November 8th – November 10th, 2005 Realitydriven virtual wheel loader operationKjell Andersson1, Ulf Sellgren2(1):School of Industrial Engineering and ManagementRoyal Institute of Technology (KTH)SE100 44 Stockholm, Sweden+46 8 790 6374, kan (2): School of Industrial Engineering and ManagementRoyal Institute of Technology (KTH)SE100 44 Stockholm, Sweden+46 8 790 7387, ulfs Abstract: Virtual prototyping (VP) tools enable us to investigate, explore, and municate the performance and behavior of an evolving product and thus reduce the number of physical prototypes needed. Finite element (FE) and multibody simulation (MBS) tools are frequently used for virtual prototyping in mechanical engineering tools can effectively support the process of problem identification, concept verification, and detailed optimization. The industrial use of VP tools can be enhanced by developing methods that support situated modeling,efficient simulation, and visualization based on virtualreality (VR) technology. In this paper we have concentrated on the development of methods for inverse modeling and VR animation. The method presented is illustrated by a simulation and visualization of internal dynamic forces in a wheel loader when excavating granulated material such as gravel or seed.Key words: Virtual prototyping, inverse modeling, FE,MBS, visualization 1 IntroductionVirtual reality (VR) tools offer new possibilities for product development, including simulation, skills training,and munication with distributed colleagues [1]. Virtualprototyping (VP) uses VR technology to investigate and explore a product before it is manufactured. The aim of VP is to reduce the number of physical prototypes needed and thus save both time and money. Finite element (FE) and multibody simulation (MBS) tools are monly used for virtual prototyping in mechanical engineering today. These tools can provide effective support for the process of verifying formulated requirements. For example, they can be used to evaluate and select alternative solutions or as a final check or optimization of a solution concept. The useof VP tools is even more effective if they are supported by an information framework for handling the information created during the verification process. Effective use of VP tools requires integration of methods and models. Integration can be achieved by using various types of frameworks, such as product lifecycle management (PLM) systems or extended PLM systems, in which some models can s。氣控閥的進(jìn)氣口與貯氣罐相連，出氣口與動(dòng)臂油缸控制閥7的進(jìn)氣口相連。當(dāng)裝載粘性物料時(shí)，可以來回搬動(dòng)轉(zhuǎn)斗油缸控制閥，使鏟斗和限位擋塊碰撞，使物料抖落倒凈。時(shí)，鏟斗上的擋塊4與動(dòng)臂或橫梁上相應(yīng)的檔塊相碰(圖6—1b)鏟斗即停止上翻。因此需要有鏟斗自動(dòng)放平機(jī)構(gòu)。6. 工作裝置的限位機(jī)構(gòu)裝載機(jī)工作時(shí)，為使操縱方便，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，要求在工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小，對(duì)鏟斗在地面時(shí)的后傾角，一般不小于，在最大卸載高度時(shí)的卸載角(或前傾角)，—般不小于。 由于則 在系列中取D=140mm. 3）確定活塞桿直徑d 速比，壓力較大時(shí)選用大值，此處取則， （5—7）取系列d=80mm.4)計(jì)算油缸壁厚 （5—8） 式中：py——試驗(yàn)壓力，取24MPa； [σ]——許用應(yīng)力，油缸材料選用45號(hào)鋼，其σb=700MPa，n=5,即 所以 在系列中取δ=13mm 根據(jù)上述數(shù)據(jù)選用油缸型號(hào)為HSGF140/80——700x1330. 轉(zhuǎn)斗油缸與動(dòng)臂油缸被動(dòng)作用力的確定轉(zhuǎn)斗油隨和動(dòng)臂油缸的被動(dòng)作用力PP4，是根據(jù)裝載機(jī)在工作中， 工作裝置受力最大的計(jì)算工況確定的。當(dāng)油缸大腔進(jìn)油，活塞桿承受推力P1 （5—2）即式中：D——油缸內(nèi)徑； p——系統(tǒng)壓力；η——油缸機(jī)械效率，對(duì)于橡膠密封η=。進(jìn)行分析與計(jì)算。所以最大鏟起力Ng是確定油缸作用力的依據(jù)。動(dòng)臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸的作用力有兩種情況：油缸推動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的作用力為主動(dòng)作用力(簡稱工作力或作用力)，其最大值取決于液壓系統(tǒng)的工作壓力和油缸直徑(活塞作用面積)；工作裝置工作時(shí)作用于閉鎖狀態(tài)的油缸上的作用力為被動(dòng)作用力，其最大值取決于液壓系統(tǒng)的過載閥壓力值和承載活塞面積。因?yàn)閯?dòng)臂計(jì)算斷面多為矩形，則 （MPa） （4—39）E點(diǎn)橫截面圖形見圖4—8。搖臂搖臂的危險(xiǎn)截面處于E點(diǎn)附近，在次截面上作用有彎曲應(yīng)力和正應(yīng)力，計(jì)算方法與動(dòng)臂相同，將搖臂主軸線分成DE、EF段分別計(jì)算其內(nèi)力。鉸銷材料選用40Cr,其σS=800MPa,則 MPa現(xiàn)將各個(gè)鉸銷的參數(shù)列于下表：表4—1 鉸銷各參數(shù)及應(yīng)力計(jì)算值 連桿裝載機(jī)在作業(yè)過程中，連桿有時(shí)受拉，有時(shí)受壓，需要同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算。目前國內(nèi)外一些工程機(jī)械工作裝置上采用密封式鉸銷。動(dòng)臂的危險(xiǎn)斷面一般在H點(diǎn)附近，在此斷面上作用有彎曲應(yīng)力和正應(yīng)力： (MPa) （4—37）式中 M——計(jì)算斷面上的彎矩（）； N——計(jì)算斷面上的軸向力(N)； W——計(jì)算斷面的抗彎斷面系數(shù)(m3) F——計(jì)算斷面的截面積(m2)。如圖4—4c所示，取搖臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分橋搖臂的受力； 由 （4—17） (4—18)由 （4—19）由 （4—20）如圖3—24d所示，取動(dòng)臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析動(dòng)臂的受力： 由 （4—21）由 （4—22）由 （4—23）b）垂直偏載（Pxa=0,Pza=116KN）與求水平偏載一樣，如圖4—4a所示，取鏟斗為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析鏟斗的受力：由 （4—24） （4—25）由 （4—26）所以 （4—27）由 （4—28）則 （4—29） 如圖3—24b所示，取連桿為脫離體，根據(jù)平衡原理，作用于連桿兩端的力大小相等，方向相反，即： （4—30）由圖示受力分析可知，連桿此時(shí)受拉。 通過上面的分析與假設(shè)，就能將工作裝置這樣一個(gè)空間超靜定結(jié)構(gòu)，簡化為平面問題進(jìn)行受力分析。由于工作裝置是一個(gè)受力較復(fù)雜的空間超靜定系統(tǒng)，為簡化計(jì)算，通常要作如下假設(shè)：1) 在對(duì)稱受載工況中(圖4—2 a、b、c)，由于工作裝置是個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故兩動(dòng)臂受的載荷相等。 3．對(duì)稱水平力與垂直力同時(shí)作用的工況(圖4—2g)此時(shí)垂直力由式(4—3)給出，水平力取發(fā)動(dòng)機(jī)扣除工作油泵功率后，裝載機(jī)所能發(fā)揮的牽引力。2. 對(duì)稱垂直力的作用工況(圖4—2b)垂直力(即鏟起阻力)的大小受裝載機(jī)縱向穩(wěn)定條件的限制(圖3—21)，其最大值為 （43）式中 W——裝載機(jī)滿載時(shí)的自重； ——裝載機(jī)重心到前輪與地面接觸點(diǎn)的距離；在此處取軸距的四分之一靠前。裝載機(jī)的鏟掘過程通?？煞秩缦氯N受力情況：1）斗水平插入料堤，工作裝置油缸閉鎖，此時(shí)認(rèn)為鏟斗切削刃只受到水平力的作用。4)主要零件的強(qiáng)度校核。若要滿足要求，則應(yīng)該滿足下列要求： （3—33）在軌跡圖中測量出：所以滿足和的要求。動(dòng)臂舉升油缸的最小安裝距離為：1644 mm動(dòng)臂最大伸長：2558 mm動(dòng)臂舉升油缸行程：963mm由于裝載機(jī)要求在最低位置舉升到最高位置時(shí)的任意位置都能卸載，卸載角不能小于，所以轉(zhuǎn)斗油缸的行程必須滿足。但不論那種連接方式，都要使動(dòng)臂油缸的下端到地面的距離HM滿足裝載機(jī)離地間隙的要求。 確定動(dòng)臂油缸的鉸接位置及動(dòng)臂油缸的行程確定動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂及車架的鉸接點(diǎn)H、M的位置(圖3—5)，通常參考同類樣機(jī)，同時(shí)考慮動(dòng)臂油缸的提升力臂與行程的大小選定。但是，采用底部鉸接式油缸時(shí)，要使M點(diǎn)前移是比較困難的，它受前橋限制，支座布置也較麻煩，如圖3—7a所示，為克服M點(diǎn)前移的困難，可采取M點(diǎn)上移(即加大)和H點(diǎn)向B點(diǎn)方向前移的辦法，使舉升動(dòng)臂油缸幾乎呈水平狀態(tài)，計(jì)算證明，這樣布置也能得到較好的舉升特性。考慮到聯(lián)合鏟裝(邊抓入邊舉臂)工況的需要，在滿足M點(diǎn)最小離地高度要求的前提下，令工況Ⅰ時(shí)HM近似于水平，一般取HM與水平線成10o~15o夾角。 動(dòng)臂舉升油缸的布置應(yīng)本著舉臂時(shí)工作力矩大、油缸穩(wěn)定性好、構(gòu)件互不干擾、整機(jī)穩(wěn)定性好等原則來確定。根據(jù)搖臂的結(jié)構(gòu)尺寸和鏟斗在任意位置能卸凈物料這一條件，作出鏟斗在不同卸載位置時(shí)所對(duì)應(yīng)的搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿鉸接點(diǎn)位置，連接各點(diǎn)得一曲線，過點(diǎn)作此曲線的內(nèi)包圓弧，則圓弧的圓心G即為與車架的交接點(diǎn)，圓弧的半徑G既為轉(zhuǎn)斗油缸的最小安裝尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)初步取m=(~)，=(~)，EF==（~）=，DE==（~）。搖臂是形狀以及長短臂的比例關(guān)系及鉸點(diǎn)E的位置的確定，主要考慮連桿的受力情況及它們?cè)诳臻g布置的方便和可能性，同時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸的行程及連桿的長度也不要過大。 確定C 、D兩點(diǎn)時(shí)，既要考慮對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，如必須保證鏟斗在各工況時(shí)的轉(zhuǎn)角，又要注意動(dòng)力學(xué)要求，如鏟斗在鏟裝物料時(shí)應(yīng)能輸出較大的鏟取力，同時(shí)，還要防止前述各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)被破壞的現(xiàn)象。它對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比、倍力系數(shù)、連桿機(jī)構(gòu)的布置以及轉(zhuǎn)斗油缸的長度等都有很大影響。動(dòng)臂育車架鉸點(diǎn)的高度通常取：=鏟斗回轉(zhuǎn)半徑A點(diǎn)位置盡可能低一點(diǎn)，以提