【正文】 施工成 本等方面差距明顯。 當前，國際上液壓挖掘機的生產(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，應用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，加快了向標準化、系列化、通用化發(fā)展的步伐，相對而言，雖然國內(nèi)液壓挖掘機行業(yè)近年來有很大發(fā)展，但總體水平與發(fā)達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工作裝置設計進行了不少研究，開發(fā)了設計軟件，為工作裝置設計參數(shù)分析和在 CAD 上自動設計提供了基礎和參考。 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)液壓挖掘機行業(yè)來說，充分利用國際化配套、積極引進先進的生產(chǎn)技術(shù)和積極采用先進的設計開發(fā)技術(shù)迫在眉睫。 2．利用 PRO/ENGINEER 軟件繪制液壓挖掘機三維實體模型，然后對動臂進行參數(shù)化分析。 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．利用多體動力學仿真軟件 ADAMS 對挖掘機虛擬樣機機械系統(tǒng)運動軌跡及整機的工作范圍進行仿真。 課題研究意義 本論文對挖掘機工作裝置進行建模、裝配，并對動臂進行參數(shù)化分析。將虛擬樣機技術(shù)引入到挖掘機設計分析領(lǐng)域， 提高產(chǎn)品的設計效率和設計質(zhì)量， 從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。 同時有利于推動和促進 CAD技術(shù)在企業(yè)的深入發(fā)展和應用。面對持續(xù)發(fā)展、風云變幻的市場需求，企業(yè)為了提高自身競爭力，必須盡快推出新產(chǎn)品，更新設計，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，進行創(chuàng)新性設計，這樣才能對瞬息萬變的市場需求做出敏捷反應，從而在競爭中獲得相當?shù)氖袌龇蓊~和利潤。 虛擬樣機的基本概念 虛擬樣機 (Virtual prototype，簡稱 VP)技術(shù)是當前設計制造領(lǐng)域的一項新技術(shù)，又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真 (Mechanical System Simulation)技術(shù)，是國際上80 年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程新技術(shù)。利用該技術(shù)，工程設計人員可以直接利用 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，在計算機上進行虛擬裝配 (定義零部件間的連接關(guān)系及其作用力、 運動激勵 )，從 而獲得產(chǎn)品的虛擬樣機模型，并對其進行仿真分析，進而在產(chǎn)品物理樣機試 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)。 虛擬樣機技術(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)設計優(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)件間沒有相對運動，研究中只關(guān)心這些結(jié)構(gòu)在受到載荷時的強度、剛度與穩(wěn)定性。如航空航天器、操作機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、機器人等復雜機械系統(tǒng)。 對于復雜的機械系統(tǒng)，研究其在載荷作用下各部件的動力學響應是產(chǎn)品設計中的重要問題。已知系統(tǒng)的運動確定運動副動反力的問題稱為動力學的逆問題，它是系統(tǒng)各 部件強度分析的基礎。多體系統(tǒng)動力學是由多剛體系統(tǒng)動力學與多柔體系統(tǒng)動力學組成的。研究這些系統(tǒng)的動力學需要建立非線性運動方程、能量表達式、運動學表達式以及其他一些量的公式。 2．多柔體系統(tǒng)動力學的研究對象是由大量剛體和柔體組成的系統(tǒng)。根據(jù)多柔體系統(tǒng)組成的特點，一般以多剛體系統(tǒng)動力學的以研究為基礎，對系統(tǒng)中柔性體進行不同的處理，在機械系統(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。 虛擬樣機技術(shù)的特點 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)步驟通常分為：產(chǎn)品設計、試驗室試制、制造物理樣機和產(chǎn)品生產(chǎn)等四個階段。同傳統(tǒng)的基于物理樣機的設計研發(fā)方法相比，虛擬樣機設計方法具有以下特點： 1．全新的研發(fā)模式。而虛擬樣機技術(shù)真正實現(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)品的概念設計階段就可以迅速地分析、比較多種設計方案，確定影響產(chǎn)品性能的敏感參數(shù)，并進行優(yōu)化和改進，通過可視化技術(shù)仿真分析產(chǎn)品在各種真實工況下的行為特征以及所具有的響應，直至獲得最優(yōu)工作性能。虛擬樣機的設計方法是通 過計算機技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型 (虛擬樣機 )，擺脫了對物理樣機的依賴，從而可以完成無數(shù)次物理樣機無法進行的虛擬試驗，有時這些試驗是破壞性的，因此大大減少了物理樣機的數(shù)量，而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。為了適應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。參盟的企業(yè)為了實現(xiàn)并行設計和制造，信息的快速交流尤顯重要，而虛擬 樣機是一種數(shù)字化模型，通過網(wǎng)絡可以快速、準確的傳輸，從而為動態(tài)聯(lián)盟活動的高度并行性提供了基礎。 20 世紀 60 年代，古典的剛體力學、分析力學與計算機相結(jié)合的力學分支 —— 多體系統(tǒng)動力學產(chǎn)生了，其主要任務是 ： 1．建立復雜機械系統(tǒng)運動學和動力學程式化的數(shù)學模型，開發(fā)實現(xiàn)這個數(shù)學模型的軟件系統(tǒng)，自動進行程序化處理。 3．實現(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。但一種優(yōu)秀的虛擬樣機分析軟件除了進行機械系統(tǒng)運動學和動力學分析，還應包含以下技術(shù)： 1． CAD 軟件和技術(shù)。 2．有限元分析軟件和技術(shù)。 3．利用實驗裝置的實驗結(jié)果進行某些構(gòu)件的建模并模擬各種各樣的作用力對樣機進行仿真分析。虛擬樣機軟件可以運用傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的控制理論，進行機械系統(tǒng)的運動仿真分析，并運用虛擬樣機分析技術(shù)進行機械系統(tǒng)的優(yōu)化設計和分析。 目前國外虛擬樣機技術(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。 基于一些客觀因素，虛擬樣機技術(shù)在我國還沒有被廣泛的應用。 虛擬樣機技術(shù)是一門新興的技術(shù)，它有著廣闊的發(fā)展前景及市場 。該軟件 90 年代開始在我國的機械制造、汽車交通、航空航天、鐵道、兵器、石油化工等領(lǐng)域得到應用，為各領(lǐng)域中的產(chǎn)品設計、科學研究做出了貢獻。 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 仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷，支持 ADAMS 同大多數(shù) CAD， FEA 及控制設計軟件包之間的雙向通訊。用戶可以利用 ADAMS 的工作站或 PC 機上建造、試驗“虛擬樣機 ，在此基礎上與其它模塊集成就可以滿足多方面的仿真要求． 模塊簡介： ADAMS /View(用 戶界面模塊 )是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它將簡單的圖標、菜單、鼠標點取操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示等功能完美地集成在一起。 ADAMS／ Solver(求解器 )是 ADAMS 系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是求解機械 系統(tǒng)運動學和動力學問題的程序。 ADAMS／ Solver 有各種建模和求解選項， 以便精確有效地解決各種問題。 ADAMS／ Postprocessor 還可以對仿真分析曲線進行一些數(shù)學和統(tǒng)計計算；可以輸入試驗數(shù)據(jù)繪制試驗曲線，并同仿真結(jié)果進行比較：對分析結(jié)果曲線圖進行各種編輯。 動畫顯示的真實感。用戶使用該模塊，能夠精確地對由液壓系統(tǒng)驅(qū)動的復雜機械系統(tǒng) (如工程機械、汽車制動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、飛機起落架等 )進行動力學仿真分析。 ADAMS／ Flex(柔性模塊 )是 ADAMS 與 Flex 軟件之間進行雙向數(shù)據(jù)通訊的接口。 Flex 是合成柔性體的有效途。通過柔性體節(jié)點增加適當?shù)募s束和力，就可以使柔性體與其它剛體共同形成一個有機的 ADAMS 模型。 ADAMS／ Linear(系統(tǒng)模態(tài)分析模塊 )可將 ADAMS形成的機械系統(tǒng)非線性運動方程線性化，計算特征值、特征向量和狀態(tài)空間矩陣。用戶可以在各種不同的道路條件下運行 ADAMS／ Car 模型，執(zhí)行駕駛操作，使車輛在試驗道路上正常行駛，用戶可以準確模擬汽車的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、安全性及其它各項性能參數(shù)。 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 ADAMS 建模、仿真的步驟 用 ADAMS 進行建模、仿真和分析，一般要遵循以下步驟。 (2) 給模型施加約束和運動。 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 2．對樣機進行仿真分析 對模型進行初步仿真，通過仿真結(jié)果檢驗模型中各個零件、約束及力是否正確，設置測量和仿真輸出。 4．完善模型 可以在模型中加入更復雜的單元，如在運動副上加入摩擦，用線性方程或一般方程定義控制系統(tǒng)，加入柔性連接件等等。 5．優(yōu)化模型 對模型進行參數(shù)分析，優(yōu)化設計。 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 第三章 基于 PRO/E 的液壓挖掘機參數(shù)化建模 本文主要的研究內(nèi)容是液壓挖掘機工作裝置的參數(shù)化建模。因此本章首先對涉及到的理論知識，如液壓挖掘機概述、參數(shù)化設計技術(shù)、特征建模技術(shù)方面進行闡述，最后對所用的參數(shù)化設計軟件 PRO/ENGIEER 進行簡明的介紹。如圖 31 為正在工作的液壓挖掘機。 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 32液壓挖掘機基本組成簡圖 1一動臂； 2一斗桿； 3一鏟斗； 4一連桿機構(gòu)； 5一動臂液壓缸； 6一斗桿液壓缸； 7一鏟斗液壓缸 I一挖掘裝置； 11一回轉(zhuǎn)裝置； 111一行走裝置 工作裝置各運動部件之間采用銷軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下鉸點轉(zhuǎn)動實現(xiàn)動臂的升降。當斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞 動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機構(gòu)來和鏟斗聯(lián)結(jié)。 液壓挖掘機的工作循環(huán)過程 液壓挖掘機工作循環(huán)過程的仿真是進行液壓挖掘機虛擬樣機研究必不可少的一個過程。 其工作過程如下： 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 先下放動臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動斗桿及鏟斗，當挖掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作位置開始下一次作業(yè)循環(huán)。鏟斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束的時候裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機的最大挖掘力一般是由鏟斗液壓缸實現(xiàn)的。這兩種方法都屬于基于約束的實體造型技術(shù)。因此，參數(shù)化建模通過捕捉模型中的參數(shù)化關(guān)系記錄了設計過程。 這種記錄過程與次序有關(guān) (是順序化的 )。 參數(shù)化建模的優(yōu)勢在于其速度快。 基于特征設計技術(shù) (feature Based Design Technology)是一種面向產(chǎn)品制造全過程的描述信息和信息關(guān)系的產(chǎn)品數(shù)字建模方法， PRO/ENGINEER、 I 一 DEAS、MDT、 Solidworks 等都是在一定程度上以參數(shù)化、變量化、特征設計為特點的新一代實體造型軟件產(chǎn)品。特 征概念使工程師可以使用熟悉的術(shù)語與 CAD 系統(tǒng)進行交流。例如，通孔可以用一個足夠長的圓柱進行布爾差運算得到。相反，通孔“特征”卻能理解它必須徹底穿透零件這一規(guī)則，不管零件發(fā)生什么變化，它都能作到這一點。 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 參數(shù)化軟件 PRO/ENGIEER 介紹 PRO/ENGIEER 是世界領(lǐng)先的機械設計自動化解決方案，專門 用于機械計算機輔助設計。 下面簡單介紹一下 PRO/ENGIEER 參數(shù)化設計的特點： 單一數(shù)據(jù)庫： PRO/ENGIEER 是建立在統(tǒng)一基礎上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動 ，亦可以反應在整個設計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這種行為建模技術(shù)被業(yè)界作為第五代 CAD 技術(shù)。 工程分析能力： Pro/MECHANI 是 PRO/ENGIEER 的一個比較獨立的模塊，是專門的工程分析模塊。 自動約束功能：在二維截面的繪制中，圖形自動約束功能大大提高了設計效率。 特征靈活性：因為在當今的產(chǎn)品設計中，為了滿足客戶的要求，適應市場的變化，更改設計是司空見慣的事。在 PRO/ENGIEER 中，增加了一種稱為意向參考 (Intent Manager)的新功能。 PRO/ENGIEER 具有的這些特點，使其非常適合于機械產(chǎn)品的開發(fā)設計，并運用其參數(shù)化功能方便地進行系列化產(chǎn)品的開發(fā)。 斗桿機構(gòu)大致可以分為三種外形結(jié)構(gòu)： 1． 結(jié)構(gòu)特點是斗桿油缸耳支座板，鏟斗油缸支座耳板分開，是目前市場上最為常見的結(jié)構(gòu)。 3． 結(jié)構(gòu)特點是斗桿的側(cè)板，斗桿油缸耳支座板和鏟斗油缸耳支座板整個都由一塊板組成，或者側(cè)板和其中的一塊耳支座板是一體的，采用該結(jié)構(gòu)的挖掘機廠商主要有利勃海爾， JCB 等。一個成功 的參數(shù)化設計平臺，為結(jié)構(gòu)工程師節(jié)約了大量的時間和精力，提高了新產(chǎn)品開發(fā)效率，必將為企業(yè)帶來效益。例如繪制動臂先繪制草繪圖 ,用到 [ 直線 ] 、 [ 圓弧 ] 、 [ 相切 ]和 [修剪 ]等操作 ,最后用 [圓角 ]工具完成整個動臂的繪制。