【正文】 論證中，便于設(shè)計師將自己的經(jīng)驗與想象融于計算機的虛擬樣機設(shè)計中，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，并替代物理樣機進行性能模擬試驗。通過運動仿真機試驗，還可節(jié)省建立試驗臺、安裝測試設(shè)備和測試儀表等有關(guān)的費用，更快地確定影響設(shè)計方案性能的敏感參數(shù)，達到最優(yōu)化設(shè)計目的。 總結(jié)基于運動仿真的設(shè)計方法將成為21世紀工礦設(shè)備開發(fā)、研究的主流。以及那些事關(guān)國際名聲的骨干行業(yè)，如汽車工業(yè)、軍事工業(yè)等，仿真技術(shù)在這些行業(yè)的應(yīng)用在帶來可觀經(jīng)濟效益的同時，亦可提高其產(chǎn)品的設(shè)計水平和市場競爭力，有著廣闊的發(fā)展前景。 CATIA軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用 CATIA軟件介紹CATIA是法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件，Dassault System 成立于1981年，CATIA是英文 Computer Aided TriDimensional Interface Application 的縮寫。 從1982年到1988年，CATIA 相繼發(fā)布了1版本、2版本、3版本，并于1993年發(fā)布了功能強大的4版本，現(xiàn)在的CATIA 軟件分為V4版本和 V5版本兩個系列。 CATIA如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)地位，已得到世界范圍內(nèi)的承認。雇員人數(shù)由20人發(fā)展到2，000多人。 CATIA 提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。在世界上有超過13,000的用戶選擇了CATIA。CATIA 的著名用戶包括波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等一大批知名企業(yè)。波音飛機公司使用CATIA完成了整個波音777的電子裝配，創(chuàng)造了業(yè)界的一個奇跡，從而也確定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位。完全參數(shù)化操作。除了包括GSD中的所有功能以外，還可完成諸如曲面控制點（可實現(xiàn)多曲面到整個產(chǎn)品外形同步調(diào)整控制點、變形），自由約束邊界，去除參數(shù)，達到汽車ClassA的曲面橋接、倒角、光順等功能，所有命令都可以非常輕松的達到G2。 Class A簡稱ACA，汽車A級曲面，完全非參，此模塊提供了強大的曲線曲面編輯功能，和無比強大的一鍵曲面光順 應(yīng)用CATIA的豐田F1幾乎所有命令可達到G3，而且不破壞原有光順外形。對于豐田等對A級曲面要求近乎瘋狂（全G3連續(xù)等）的要求，可應(yīng)付自如。 Sketch Tracer簡稱FST，自由風(fēng)格草圖繪制，可根據(jù)產(chǎn)品的三視圖或照片描出基本外形曲線。完全非參。 Sculpter,小三角片體外形編輯，可以對小三角片體進行各種操作，功能強大到與CATIA曲面操作相同，完全非參。 amp?？梢詷O其快速的完成產(chǎn)品外形概念設(shè)計。 運動仿真技術(shù)對裝載機設(shè)計理念的影響裝載機是一種作業(yè)效率高，用途廣泛的工程機械，它不僅對松散的堆積物料可進行裝運、卸作業(yè)，還可對巖石、硬土進行輕度鏟掘工作，并能用來清理刮平場地及牽引作業(yè)。目前，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了許多能夠滿足不同要求的規(guī)格種類繁多的裝載機產(chǎn)品。本次改裝設(shè)計的小型裝載機主要用于中小型礦井下代替人工，鏟裝粒度不大的散裝物料，對提高中小型礦井的機械化水平有重要意義。為解決這一問題，我們使用機械系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)分析仿真軟件對其進行分析。裝載機工作機構(gòu)的運動仿真的設(shè)計主要是用大型參數(shù)化建模工具CATIA對工作裝置先進行三維實體建模，然后實現(xiàn)動態(tài)模擬。裝載機虛擬樣機的設(shè)計步驟和傳統(tǒng)設(shè)計步驟基本相同如圖121所示。介紹了CATIA軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用。 工作裝置的結(jié)構(gòu)工作裝置是完成裝卸作業(yè)并帶液壓缸的空間多桿機構(gòu)，是組成裝載機的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計水平高低直接影響裝載機性能的好壞，進而影響整機的工作效率與經(jīng)濟指標(biāo)。一場用的輪胎式裝載機為例，期工程過程是發(fā)動機的動力傳給變速箱，再由變速箱經(jīng)過前后傳動軸分別傳送給前、后橋以便車輪轉(zhuǎn)動，使裝載機工作裝置接近并插入堆料。輪式裝載機是由動力裝置、車架、行走裝置、傳動系統(tǒng)、制動、液壓系統(tǒng)和工作裝置等組成。輪式裝載機的工作機構(gòu)由鏟斗、動臂、連桿及液壓系統(tǒng)組成，如圖21所示。動臂的升降和鏟斗的轉(zhuǎn)動均以液壓操縱。圖 21 輪式裝載機工作裝置圖 鏟斗 托架 轉(zhuǎn)斗油缸 連桿 動臂 動臂油缸 裝載機工作裝置的設(shè)計要求一般的，對于裝載機工作裝置的設(shè)計要求主要包括以下幾個方面：1） 鏟運功能：鏟斗運動軌跡符合作業(yè)要求，正常完成鏟掘、裝載功能；2） 平移性：動臂提升過程中，長都保持平移運動，以免斗中物料灑落，工作裝置的平移性就是轉(zhuǎn)斗缸閉鎖后，動臂在升舉過程中，連桿機構(gòu)應(yīng)能使鏟斗在收斗位置保持平移，或使斗底面與水平面夾角的變化不大于15度。平移性是為了提高裝載機工作效率而提出的重要指標(biāo)，無論大型還是小型裝載機都要對平移性有較高的要求。如果鏟斗平移性較差，在鏟斗舉升過程中，物料就會大量灑落，增加了整機的無功消耗。4） 干涉性：工作機構(gòu)各構(gòu)件之間不允許發(fā)生運動干涉。6） 機構(gòu)效率：機構(gòu)傳動省力，作業(yè)時消耗功率要盡量小。工作裝置的自動放平性就是動臂在上限位置卸料后，轉(zhuǎn)斗缸閉鎖，動臂下降至下限位置時，應(yīng)保持鏟斗自動放平，自動進入下一次的鏟掘狀態(tài)。另一方面，可以避免鏟斗復(fù)位不準(zhǔn)而引起的的作業(yè)阻力增加。8） 卸載性：滿足卸載高度和卸載距離要求，保證動臂在任何位置都能卸凈鏟斗中的物料。但從實際情況出發(fā)，認為動臂在運輸位置以下時，鏟斗的卸料角小于45度，也還是可以使用的。在工作裝置的設(shè)計中，卸料性主要受限轉(zhuǎn)斗缸的最小結(jié)構(gòu)長度及其行程。10） 在滿足作業(yè)要求的前提下，工作結(jié)構(gòu)簡單、自重輕、受力合理、強度高；應(yīng)保證駕駛員具有良好的工作條件，確保工作安全、視野良好、操作簡單和維修方便。動力性好，可充分發(fā)揮整機及其液壓系統(tǒng)的工作能力，在液壓系統(tǒng)壓力不變的前提下，可獲得較大的掘起力，在設(shè)計階段通過調(diào)整各桿長度之間的比例，而獲得較好的動力性。 工作裝置的結(jié)構(gòu)計算包括: (1)確定計算位置。分析裝載機插入料堆，鏟起、提升、卸載等作業(yè)過程可知，裝載機在鏟掘物料時，工作裝置受力最大。圖22 裝載機的鏟掘位置圖 由于物料種類和作業(yè)條件的不同，裝載機實際作業(yè)是不可能使鏟斗切削刃均勻受載，一般可以簡化為兩種極端情況(1)認為載荷沿切削刃均勻分布，并以作用在鏟斗切削刃中點的集中載荷來代替均勻載荷，稱為對稱受載情況。 裝載機在鏟掘過程中通常有如下三種受力情況。 (2)鏟斗水平插入料堆后，翻轉(zhuǎn)鏟斗(靠動臂油缸工作)或提升動臂(靠動臂油缸工作)鏟掘時，此時認為鏟斗切削刃只受到垂直力的作用。綜上述分析可得到如下六種工作裝置的典型工況，如圖23所示。裝載機空載時的最大牽引力； 裝載機使用重量； 裝載機空載時自重 L1垂直力的作用點到前輪與地面接觸點的水平距離3 對稱水平力與垂直力同時作用得工況，如圖23(c)所示；此時垂直力是水平力為發(fā)動機扣除工作裝置油泵功率后所能發(fā)出的牽引力（由文獻[32]可知）水平力為= (23)式中 產(chǎn)生垂直力N所消耗的工作油泵功率 車輪滾動半徑m。裝載機除了上述六種典型工況外，尚需驗算切土工況，即裝載機利用轉(zhuǎn)斗油缸作用力把鏟斗刀刃強制切入土中，其極限情況是整機繞后輪接地點轉(zhuǎn)動，前輪抬起。裝載機自重； 確定了計算位置及外載荷后，便可對工作裝置的受力情況進行分析。 為簡化計算作如下假定（由文獻[34]可知） (1)忽略鏟斗和支撐橫梁對工作裝置各構(gòu)建受力和變形的影響。其上作用的載荷取相應(yīng)工況外載之半進行計算，即: ； ； 在非對稱偏載工況中，如圖23(d)， (e)，(f)近似地用求簡支梁支座反力的方法求出左、右動臂平面內(nèi)的等效力如圖24(b)所示。由于 ； ；所以取與進行計算。即略去了由于安裝鉸支座而產(chǎn)生的附加扭矩，從而可以用直線、折線或曲線來代替實際的構(gòu)件。工作裝置的受力計算，可用解析法或圖解法，下面以工況3為例對工作裝置各構(gòu)件上的力進行分析和計算如圖25 (a)所示，取鏟斗為分離體，根據(jù)鏟斗靜力平衡方程可求出作用在鏟斗上的外力，即 (25) (26) (27)解方程得 (28) (29) (210)由于連桿是一個桿件，故 ，此時受拉力，如圖25(b)所示同理，如圖25(c)所示，根據(jù)搖臂靜力平衡方程式，可求出搖臂桿上的外力，既由 (211)由 (212) 由 (213)解方程得： (214) (215) (216)取動臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析動臂受力如圖25(d)所示：同理可求得： (217) (218) (219)根據(jù)計算工況及其對工作裝置各構(gòu)件進行受力分析后所計算出的外力，便可對動臂、搖臂、連桿、鏟斗等零部件進行有限元分析及強度計算（由文獻[34]可知）。動臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸的作用力分為兩種情況。如工作裝置的動臂油缸動，靠轉(zhuǎn)斗油缸轉(zhuǎn)動鏟斗而進行。當(dāng)油缸最大被動作用力大于外載荷的作用時，油缸無回縮現(xiàn)象，否則因過載閥打開溢流而使油缸發(fā)生回縮。分析裝載機的工作情況可知，為保證裝載機能正常而有效的工作，油缸作用力應(yīng)能保證裝載機工作時發(fā)揮最大的鏟起力；使鏟斗裝滿。所以最大鏟起力是確定油缸作用力的依據(jù)。裝載機空載時的自重 垂直力的作用點到前輪與地面接觸點的水平距離鏟斗自重： 考慮連桿機構(gòu)摩擦損失系數(shù)由（文獻[34]可知），= 如圖26(d)所示，根據(jù)靜力平衡條件，確定動臂油缸的作用力 ?？梢灾苯永们懊媪N工況的計算結(jié)果，取其中最大值作為轉(zhuǎn)斗油缸和動油缸的被動作用力，并以此來確定液壓系統(tǒng)過載閥的調(diào)定壓力，通常過載閥的調(diào)定壓力要比油缸最大被動作用力所產(chǎn)生的壓力高20%左右。第3章裝載機工作裝置三維實體建模 工作裝置零件建模在傳統(tǒng)的工程設(shè)計中，設(shè)計人員首先在頭腦中形成產(chǎn)品的三維輪廓，然后在圖紙上利用二維的工程圖表示，其他設(shè)計人員、工藝生產(chǎn)人員等其他不同部門的工作者再通過二維圖紙將產(chǎn)品還原為三維影像。在產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的時候尤其如此。三維模型的發(fā)展經(jīng)歷