【正文】 ..................... 12 液壓挖掘機概況 .............................................. 12 參數(shù)化建模與特征建 模 ........................................ 14 參數(shù)化軟件 PRO/ENGIEER 介紹 .................................. 15 工作裝置的參數(shù)化建模 ........................................ 16 參數(shù)化的具體實現(xiàn) ............................................ 20 工作裝置的裝配 .............................................. 24 第四章 基于 ADAMS 的液壓挖掘機仿真 ................................. 25 挖掘機工作裝置的仿真 ........................................ 25 仿真分析概述 ................................................ 29 工作裝置的 運動學(xué)仿真分析 .................................... 30 工作裝置的動力學(xué)仿真 ........................................ 37 仿真分析及結(jié)果后處理 ....................................... 41 第五章 總結(jié) ....................................................... 47 參考文獻 ............................................................ 48 致謝 ................................................................ 49 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 一章 緒論 課題的研究背景 液壓挖掘機作為一種重要的工程機械使用在土石方施工和礦山采掘工業(yè)中，它有別于其他機械設(shè)備，它的工作環(huán)境惡劣，常工作在地質(zhì)情況復(fù)雜、載荷情況多變、大氣條件差的條件下。因此，對國產(chǎn)挖掘機行業(yè)來說，引進先進的生產(chǎn)技術(shù)和積極采用先進的設(shè)計 開發(fā)技術(shù)迫在眉睫。液壓系統(tǒng)和元件的設(shè)計技術(shù)、大尺寸高壓油缸的制造技術(shù)、整體性能參數(shù)的測試技術(shù)缺乏，滿足不了國民經(jīng)濟重點工程發(fā)展的需要。通過 CAD、 CAE 軟件進行準確建模，動態(tài)仿真、運動學(xué)分析和動力學(xué)分析，然后進行優(yōu)化設(shè)計。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完成的。為了使挖掘機設(shè)計人員從繁忙的計算中解脫出來，將計算機輔助計算和優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于液壓挖掘機工作裝置的設(shè)計中是目前研究的重點。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，建立虛擬樣機模型，對挖掘機進行挖掘過程的運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析。 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)計方法提出了挑戰(zhàn)，虛擬樣機技術(shù)從分析解決機械系統(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)的機械產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)所帶來的弊端的一項高新技術(shù) 手段。已知外力求系統(tǒng)運動的問題歸結(jié)為求非線性微分方程的積分，稱為動力學(xué)正問題。 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。 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。 2．開發(fā)和實現(xiàn)有效的處理數(shù)學(xué)模型的計算方法與數(shù)值積分方法。 4．系統(tǒng)優(yōu)化分析、控制系統(tǒng)設(shè)計與分析軟件和技術(shù)。 ADAMS 概述及其仿真技術(shù) 機械系統(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)于一體的虛擬樣機分析軟件，是世界上目前使用范圍最廣、最負盛名的機械系統(tǒng)仿真分析軟。該軟件自動形成機械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供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 靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的解算結(jié)果。用戶可以在 ADAMSView 中建立液壓系統(tǒng)回路的框架，然后通過液壓驅(qū)動元件如油缸等將其連接到機械系統(tǒng)模型中，最后選取適當?shù)?、功能最強的求解器分析整個系統(tǒng)的性能。 ADAMS／ Car(車輛模塊 )賦予工程師精確建立整套虛擬樣機的能力，其中包括懸架、傳動系、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、 ABS 系統(tǒng)以及其它復(fù)雜總成。 3．校驗 模型 導(dǎo)入實際實驗測試數(shù)據(jù)，與虛擬仿真的結(jié)果進行比較。 液壓挖掘機概況 液壓挖掘機 液壓挖掘機是在機械系統(tǒng)傳統(tǒng)挖掘機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種周期作業(yè)的土方機械，液壓挖掘機由于在動力裝置和工作裝置之間采用容積式液壓傳動，靠液體的壓力能進行工作。對于反鏟挖掘機來說，主要用于挖掘停機面以下的土壤，因此最大挖掘深度和最大挖掘半徑是其主要的作業(yè)尺寸。 參數(shù)化建模是指在參數(shù)化造型過程中記錄建模過程和其中的變量 (也就是捕捉設(shè)計意圖 )以及用戶執(zhí)行的 CAD/CAM/CAE 功能操作。特征是一種實體概念，它不僅包括定義約束和幾何拓撲信息，還包括包含規(guī)則和屬性的幾何行為信息。 PRO/ENGIEER 是一個適用于產(chǎn)品、模具等產(chǎn)品設(shè)計并具有基于單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化設(shè)計、行為建模能力、特征造型、全相關(guān)性等特性的 CAD/CAEICAM 軟件系統(tǒng)。它既可以和 PRO/ENGIEER 在一起使用，又可以獨立的使用，它的主要功能是有限元分析、靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析、震動分析、熱力分析，最新的功能還可以進 行疲勞分析、疲勞預(yù)側(cè)等。 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 工作裝置的參數(shù)化建模 動臂斗桿的結(jié)構(gòu)種類 通過對國內(nèi)外的幾十家公司的單斗反鏟液壓挖掘機工作裝置的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其外形結(jié)構(gòu)都是基本一致的，其中動臂主要分為單動臂油缸支撐和雙動臂油缸支撐兩種，單動臂油缸的結(jié)構(gòu)主要用在小型挖掘機上，大 中噸位的挖掘機都采用雙動臂油缸支撐支撐。其他主要零部件還包括斗桿、鏟斗等。 圖 35 單擊“工具”命令，系統(tǒng)打開“族表 DONG BI”對話框如圖 36 所示。從零件文件中生成各種零件，無需重新構(gòu)造，可以對零件產(chǎn)生細小的變化而無需用關(guān)系改變模型。裝配好后的整機模型如圖 312 所示。 從 Pro/E 到 ADAMS 的圖形文件傳遞可以通過兩種方法進行：一種是將 Pro/E 創(chuàng)建的模型存儲為中性文件格式，然后通過 ADAMS 的圖形數(shù)據(jù)傳遞接口ADAMS/Exchange 實 現(xiàn) 導(dǎo) 人 ； 另 一 種 是 使 用 Pro/E 和 ADAMS 的專用接口MECHANISM/Pro，將 Pro/E 創(chuàng)建的模型存儲為 ADAMS 的 *． cmd 或 *． adm 格式，完成模型傳遞。然后，在 ADAMS/View 中導(dǎo)入該文件， Parasolid 格式模型，可以進行布爾計算，可以直接結(jié)算構(gòu)件的質(zhì)量信息，可以捕捉到模型的幾何特征，如圓心、頂點等信息，這些對于后面的建立運動副、柔性連接等都很方便。簡單運動副用來表示具有相互作用的物理運動副，它所聯(lián)接的兩個零件可以是剛體、柔性體或質(zhì)點。 點運動：定義兩個零件的相對運動。 這樣，挖掘機機械系統(tǒng)的虛擬樣機模型基本建立，如圖 43 所示。 (2) 運動學(xué)分析 (Kinematic)：通過求解一系列代數(shù)方程，仿真分析自由度等于零、有確定運動的系統(tǒng)的運動。 在運動學(xué)仿真中， ADAMS/Solver 只解最少的代數(shù)方程，因此，對于運動學(xué)仿真系統(tǒng)的自由度必須為零。順序動作方式是指在挖掘機 工作的時候各個油缸是依次按順序動作收縮或伸出。 各個液壓油缸間的驅(qū)動方程，以 ADAMS 提供的階躍函數(shù) STEP 函數(shù)來表示，其中階躍函數(shù)的設(shè)置格式為： STEP(A， X0， H0， X1， H1) 參數(shù)說明： A — 自變量，可以是時間或時間的任意函數(shù) X0 — 自變量的 STEP函數(shù)開始值，可以是常數(shù)或函數(shù)表達式或設(shè)計變量； X1 — 自變量的 STEP函數(shù)結(jié)束值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達式或設(shè)計變量； H0 — STEP函數(shù)的初始值，可以是常數(shù)、設(shè)計變量或其它函數(shù)表達式； H1 — STEP函數(shù)的最終值，可以是常數(shù)、設(shè)計變量 或其它函數(shù)表達式。 圖 47動臂油缸函數(shù)曲線 圖 48 斗桿油缸函數(shù)曲線 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 圖 49 鏟斗油缸函數(shù)曲線 在設(shè)置好驅(qū)動后，運行 ADAMS 軟件的仿真模塊 ADAMS/Solver，進行仿真運算。各個油缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的 STEP函數(shù)的具體設(shè)置如下。因此對于高效挖掘作業(yè)，主要運用挖掘機的復(fù)合動作工作方式，一般運用兩個和兩個以上的運動部件在動作，這樣不但可以節(jié)約作業(yè)循環(huán)時間，還可以提高工作效率。對以上所建立的各油缸驅(qū)動函數(shù)在 ADAMS 中曲線表示如圖 4圖 4圖 49 所示。 對于反鏟型挖掘機來說，主要用于挖掘停機面以下的土壤 (如建筑基坑、溝渠等 )，因此最大挖掘深度和最大挖掘半徑是其主要的作業(yè)尺寸，也是工程設(shè)計中所要優(yōu)先考慮的設(shè)計參數(shù)。液壓挖掘機反鏟工作液壓缸運動參數(shù)如下：（單位 mm） 動臂行程： 690，斗桿行程： 1300，鏟斗行程： 614。對于希望按照一套預(yù)先設(shè)置好的仿真參數(shù)，反復(fù)進行仿真分析的場合，使用仿真劇本是比較方便的。模型沒有多余約束，檢驗正確。 在施加力時，需要指明力作用的零件和作用點，以及力的大小和方向。但只能對移動副、轉(zhuǎn)動副或圓柱副添加運動副運動。 4．添加約束 ADAMS/View 提供了 3 中類型的約束；運動副約束、基本約束和運動約束。 為了保證模型傳遞傳遞到 ADAMS 后單位保持一致，在 PRO/E 里要把單位設(shè)置成 mmKs。 仿真模型的導(dǎo)入 在 ADAMS 中模型的建立通常有兩種方法：一種是使用 ADAMS/View 中的零件庫創(chuàng)建模型；另一種方法是使用 ADAMS/Exchange 模塊從其他 CAD 軟件導(dǎo)入模型。因此本文采用虛擬裝配方式。除了可以在“ 族表 DONG BI”對話框中編輯新的實例外，還可以在 Excel 表格中直接添加新的實例，單擊“ 族表 DONG BI”對話框中的“用 Excel 編輯當前表” 命令 ，系統(tǒng)打開 Excel，如圖 311 所示。把零件生產(chǎn)標準化，既省時又省力，從零件文件中生成各種零件，無需重新構(gòu)造，可以對零件產(chǎn)生細小的變化而無需用關(guān)系改變模型。 建模過程 對液壓挖掘機反鏟工作裝置的零件進行三維實體造型幾乎要用到 Pro/E 中常用的操作方法 ,如拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割、倒角以及圓角等常用命令。使用這種功能，設(shè)計 者可以定義特征建立的方式，利用這種定義方式，你可以靈活的構(gòu)建特征，并且在特征發(fā)生更改時仍然保持你的設(shè)計意圖，從而把設(shè)計人員從煩瑣的設(shè)計更改中解放出來。它通過把導(dǎo)出值 (比如容積 )包含到參數(shù)特征中，再反過來使用它們生成和控制其它模型的幾何圖形。此外，特征還可以攜帶供其它有用的屬性信息 (如密度、硬度、熱傳導(dǎo)系數(shù)等 )。其缺點是用戶必須提供幾何元素的全部尺寸、位置信息，即只有完全定義前一元素，然后才能定義下一個元素。 參數(shù)化建模與特征建模 目前， CAD 技術(shù)的基礎(chǔ)理論主要是以 PTC 公司的 Pro/E 為代表的參數(shù)化造型理論和以 SDRC 公司的 I 一 DEAS 為代表的變量化造型理論。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動。這要求設(shè)計者不僅要充分掌握產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)理論知識，而且還能熟練的運 用 CAD 軟件進行參數(shù)化建模。 (3) 給模型施加各種作用力。 。 ADAMS／ Hydraulics(液壓系統(tǒng)模塊 )，為了模擬包括液壓回路在內(nèi)的復(fù)雜機械系統(tǒng)的動力學(xué)性能， IDM 公司開發(fā) TADAMS／ Hydraulics 模塊。其實體建模的內(nèi)核采用 Parasolid 格式，除提供了豐富的零件幾何圖形庫外，還提供了完整的約束開和力／力矩庫，支持布爾運算，建模工作快速。但作為一項適用于各種產(chǎn)品的設(shè)計過程的通用技術(shù)，只要找對市場切入點，組織得當并加強與國外的交流，定會使虛擬樣機技術(shù)為中國的工業(yè)發(fā)展服務(wù)?？梢岳眠\動學(xué)和動力學(xué)分析的結(jié)果，確定進行機械系統(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)變和強度進行進一步的分析。 虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀 虛擬樣機技術(shù)源于對多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究。傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設(shè)計到生產(chǎn)是一個串行過程，它存在很多弊端。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動。力學(xué)模型為多個物體通過運動副連接的系統(tǒng)，稱為多體系統(tǒng)。虛擬樣機技術(shù)就是在這種迫切市場需求的驅(qū)動下產(chǎn)生的。并進行順序動作、復(fù)合動作的運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析。到了 80 年代末、 90 年代初，世界各工業(yè)發(fā)達國家液壓挖掘機技術(shù)水平得到迅速的提高，在追求高