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拉臂式
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河北工业大学硕士学位论文垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计姓名：曾刚平申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：王金刚20081001河北工业大学硕士学位论文 要 随着我国经济建设的稳步前进和计算机技术的迅速发展，先进的设计方法及制造技术的应用越来越广泛。拉臂式垃圾车产品设计与制造也需要紧随发展趋势，不断应用新技术对其进行创新设计，以提高企业的生产力，缩短产品的设计周期，减少上市时间，降低成本，提高企业产品的竞争力。 拉臂式垃圾车由汽车底盘、垃圾车厢及拉臂系统等组成。本课题采用三维建模软件动态仿真软件 结合的方法对设计的垃圾车拉臂系统进行了三维建模、动力学仿真分析与结构优化设计。然后再采用有限元分析软件对优化后的拉臂系统进行了刚度与强度校核。 为了获得拉臂系统动力学特性，为结构优化设计提供依据，首先对设计的垃圾车拉臂系统进行了动力学仿真分析，得到了液压缸推力及重要铰接点的受力曲线。然后对各个铰接点进行敏感度分析，将敏感度高的铰接点进行参数化，得到了拉臂系统优化模型。 对结构优化后的拉臂系统进行仿真分析的结果显示，液压缸推力及重要铰接点的最大受力都得到了很大程度的改善。钩臂液压缸推力的最大值从优化前的 05N 减小到优化后的 05N ，减小幅度达到 05N， 依据优化模型的仿真分析结果，利用有限元分析软件对拉臂系统的 5 种实际工况进行了有限元分析，得到了各工况应力较大的危险点。结果显示优化后的拉臂系统在各个工况下的最大结构应力都在材料许可应力范围内，满足实用要求。 为进一步提高拉臂式垃圾车工作的可靠性，根据拉臂系统应力分布的特点给出了改进意见，并对改进后的拉臂系统再次进行了5种工况下的有限元分析，为样车的制造奠定了基础。 关键词:垃圾车，拉臂系统，建模，仿真，优化设计，有限元分析 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 F F of of is in As a of is to of of of of of s is of a of to 005 N to 005 N, to of to 005 N to 005 N, to to of by of of of in in of of in to a of to of 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1第一章 绪论 1引言 生活垃圾车按收集对象可分为生活垃圾收运车、餐厨垃圾收运车和其他类型的垃圾车，按运动功能可分为收集垃圾车和中转垃圾车，按车身装置可分为压缩式垃圾车、车厢可卸式垃圾车、自装卸垃圾车和自卸式垃圾车等1,2。国内大中型城市的生活垃圾收运车辆大多具有装载效率高，运输成本低等特点。 随着经济的快速发展，我国城市现代化建设和乡镇城市化建设步伐明显加快，国家及地方的环保政策不断出台，促进了垃圾收集处理技术与设备的快速发展，同时国内一些大中城市逐渐淘汰了落后的自卸式垃圾车，代之以压缩式垃圾车和车厢可卸式垃圾车，由于这些产品在周转过程中基本克服了二次污染，且效率明显提高，因而市场前景广阔。 随着人们生活质量的提高，人们对环境卫生的要求也越来越高，按照现阶段城市垃圾处理“无害化、减量化、资源化，避免二次污染”的要求，车厢可卸式垃圾车很好的满足了这一潮流，特别是“十一五”期间具有国际影响和国计民生的重大工程，如2010年上海市举办世博会、2010年广州举办亚运会等。与这些重要活动相关的商业、旅游基础设施建设、旧城区改造、环卫环保等延伸领域所花费的费用将是举办费用的数十倍，必将对高技术含量和高环保标准的垃圾车产生大量需求，更为垃圾车的发展带来了良好机遇，并将对全国城市产生示范作用。 按照市环境卫生设施规划规范，人，据此，我国城市环卫车辆配备总量应在 10万辆左右，而实际上远远不够。如果按照我国城市生活垃圾的年增长率8%计算，参考近几年垃圾处理车辆的年销售增量情况，垃圾车的年需求增长率应超过20%，其市场需求可能从2006年600辆发展到2010的1250辆左右，基本上可在原有基础上翻一番。 1现代机械设计方法概述 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉技术。它是为了适应市场剧烈竞争的需要，提高设计质量和缩短设计周期，以及推动计算机在设计中的广泛应用，于20世纪60年代在设计领域相继诞生与发展的一系列新型技术的集成。目前它的内容主要包括计算机辅助设计、有限元法、优化设计、虚拟设计、动态设计、并行工程等。下面简单介绍其中的部分方法3。 1计算机辅助设计（计算机辅助设计（指以计算机为基础，完成整个产品设计过程。产品设计过程是指从接受产品的功能定义开始到设计完成产品的材料信息、结构形状、精度要求和技术要求等，并且最终以零件图、装配图的形式表现出来的过程。有了计中许多简单的人工重复劳动由计算机代替垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 2 完成，计算结果的修改、复制、保存和传递等都变得很便利。计算机图形不仅能直观地反映结构设计，也能将工程中大量物理数据可视化，如质量、转动惯量等，为工程技术人员分析和应用这类数据提供了极大的方便4。 1有限元法(有限元法是一种新的现代数值方法。它将连续的求解域离散为有限个单元的组合体。这样的组合体能用来模拟和逼近求解域。因为单元本身可以有不同的几何形状，且单元间能够按照各种不同的联结方式组合在一起，所以这个组合体可以模型化几何形状非常复杂的求解域。有限元法就是利用在每一单元内假设的近似函数在各个单元节点上的函数值以及单元插值函数来表达。因此，在一个问题的有限元分析中，未知场函数的节点值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题化为离散的有限自由度问题。一经求出这些节点未知量，就可以利用插值函数确定单元组合体上的场函数。显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，解答的近似程度将不断改进。如果单元满足收敛条件，得到的近似解最后将收敛于精确解5。 有限元法的应用已由求解弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题；由求解静力平衡问题扩展到求解动力问题、稳定问题；从线性分析扩展到物理、几何边界的非线性分析，分析的对象也从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他领域。当前用有限元方法解决的问题主要有6： 1. 杆、梁、板、壳、二维和三维固体、管道和弹簧等各种单元组合而成的复杂结构的静力分析； 2. 包括频率、振型、各种动力响应和撞击在内的各种复杂结构的动力分析； 3. 大型复杂结构的稳定性分析； 4. 整机的静力分析； 5. 复合材料零部件的强度分析； 6. 工程构件及其零部件的弹塑性应力分析； 7. 金属、橡胶等材料的大应变分析； 8. 梁、板、壳结构的几何分线性分析； 9. 工程构件和零部件的热弹塑、蠕变、粘弹性和粘塑性分析； 10. 工程构件和零件的线性和非线性屈曲分析； 11. 各种边界条件下的线性和非线性稳态和瞬态温度场分析； 12. 零部件之间的接触应力分析； 13. 二维和三维问题的线性和非线性电磁场分析； 14. 二维和三维液压流场分析； 15. 气动力学分析； 16. 工程机械轴承润滑、油膜计算； 17. 随机激励下结构振动与强度分析； 18. 金属冲压加工成形数值模拟。 1虚拟设计（虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计，主要表现在设计者可以用不同的交互手段在虚拟环境中对参数化的模型进行修改7。 一个虚拟设计系统要具备三个功能： 1. 3计者不再用2用手势、声音、3标、游杆、触摸屏河北工业大学硕士学位论文 3幕等多种方式进行交互。 2. 选择参数 设计者用各种交互方式选择或激活一个在虚拟环境中的数据并修改原来的数据。参数修改后，在虚拟环境中的模型也随之变成一个新模型。 3. 数据传送机制 模型修改后所生成的数据要传送到和虚拟环境协同工作的 统中，有时又要将数据从统中返回到虚拟环境中，这种虚拟设计系统中包含一个独立的 统，为虚拟环境提供建造模型的功能。在虚拟环境中所修改的模型有时还要返回到 统中进行精确整理和再输出图形。这种双向数据传送机制在一个虚拟设计系统中是必要的。 1优化设计（优化设计亦称最优化设计，它是以数学规划理论为基础，以电子计算机为辅助工具的一种设计方法。这种方法是，首先将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适的优化算法，选择或编制计算机程序，然后通过计算机自动获得最优设计方案8,9。 对机械工程领域来说，优化使机械设计的改进和优选速度大大提高。例如为提高机构性能的参数优化，为减轻重量或降低成本的机械结构优化，各种传动系统的参数优化和发动机机械系统的隔振与减振优化等。优化技术不仅用于产品成型以后的再优化设计过程中，而且已经渗透到产品的开发设计过程中。同时，它与可靠性设计、有限元法等其它设计方法有机结合，取得了新的效果。优化设计常用算法主要有10,11： 1. 非线性规划数值算法。 2. 一维搜索计算方法。 3. 无约束极值问题的算法。 4. 约束极值问题算法。 1课题来源及主要研究内容 1题来源 前已述及，随着我国环保意识的增强以及对生活环境质量的重视，对车厢可卸式垃圾车需求逐年增加，我国生产此种车辆的厂家也越来越多，但是这些厂家技术力量大多并不强，大多数拉臂式压缩垃圾车生产厂家都是照抄同类产品且手工作坊生产，因此我国生产的许多拉臂式压缩垃圾车存在着可靠性低、车辆载重能力利用率低的缺点，与世界同类产品相比有一定差距。 当今社会，市场竞争越来越激烈，产品原材料价格不断上涨，因此，如何有效的缩短产品开发周期，提高产品质量，降低产品的生产成本，从而提高产品市场竞争力，是各环卫装备企业必须面对的问题。把现代设计方法融入到产品的开发过程中，是提高产品市场竞争力重要手段之一。 本课题研究内容来源于与某专用汽车制造有限公司合作的科研项目。该科研项目研究的主要任务是完成在重庆红岩汽车有限责任公司生产的 号底盘基础上设计出一种适合小城镇生活垃圾处理的拉臂式车厢可卸式垃圾车。为提高产品设计质量，采用现代机械设计方法，首先对设计的拉臂系统进行了机构动力学仿真分析、结构刚度与强度分析，然后对其拉臂系统进行了优化设计和有限元分析，使得拉臂系统在满足强度要求的前提下达到结构合理与总重量最小化的设计目的12。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 4 1主要研究内容 本课题的研究内容主要是在完成了对拉臂式车厢可卸式垃圾车设计的基础上对其拉臂系统进行仿真分析与结构优化设计。究步骤流程图 he of 完成基于 号底盘对拉臂式车厢可卸式垃圾车的设计之后，本课题主要是对该车的拉臂系统进行仿真分析与结构优化设计。主要做了以下几个方面的研究。 1、 建立拉臂系统仿真分析三维模型。利用 2、 利用机械动力学分析软件定各部件间的接触参数、摩擦系数与连接副关系。然后对拉臂系统进行多刚体动力学仿真分析，得到了拉臂式垃圾车工作运动过程中拉臂与车厢，底盘的相互作用力。并对这些作用力数据进行分析验算。确定了操作过程中车厢的加速度惯性力，为拉臂和车厢的结构有限元分析打下基础。 3、 进行拉臂结构的构件尺寸优化设计。合理设定设计变量，约束条件，建立结构优化的数学模型。 4、 建立各种工况下拉臂结构的参数化有限元分析模型。合理确定单元类型，载荷施加方式与边界约束，对拉臂进行了5种典型工况下的结构有限元分析。 5、 根据拉臂机构的结构变形与应力分布特点，对拉臂机构进行了结构布局优化与局部调整,为提高产品质量奠定了基础。 在三维建模软件中，根据装配关系建立拉臂系统的三维装配体模型。 在到各关键铰接点仿真曲线。 在优化前后的仿真结果进行对比分析。 在有限元分析软件中对优化后的拉臂系统进行刚度与强度分析。 河北工业大学硕士学位论文 5第二章 虚拟样机技术与有限元法简介 2虚拟样机技术简介 2虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某单一系统中的和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术13。 随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低生产成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁最早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机并进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计试验设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活应用了。样机的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在严酷的市场竞争背景下，基于物理样机的设计验证过程严重制约了产品质量的提高、成本的降低和对市场的占有。 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上方便地发现并修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机14。 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，完成对物理样机而言难以进行或根本无法进行的实验，直到获得系统的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程中，它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率得到了提高15。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 6 虚拟 物理样机 （数字化物理样机） 虚拟样机与 改进设计 （功能虚拟样机） 虚拟 产品 （虚拟工厂仿真） 系统 装配 巡航 浏览 运动 包迹 冲突 碰撞 运动/ 操纵 震动/ 噪声 耐久/ 疲劳 安全/ 冲击 工效/ 舒适 公差 机器人 装配 序列 面向系统的虚拟样机技术 2照美国前. 虚拟样机技术的界定，虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机（功能虚拟样机（虚拟工厂仿真（个方面内容16。数字化物理样机对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能；功能虚拟样机对应于产品分析过程，用于评价已装配系统整体上的功能和操作性能；虚拟工厂仿真对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能。这三者在产品数据管理（统或产品全生命周期管理（统的基础上实现集成。 数字化物理样机（ 决方案不同于以是强调结构上的设计，而是更重视物理样机零部件的形态特性和系统装配特性的数字化检视。增强对大型系统的快速显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览、运动轨迹检测等功能，并有效支持协同设计、巡航浏览、干涉/碰撞检测等。在与产品数据管理（统集成的情况下，提供有效的方法以保证产品的所有零部件配合良好（并且显示为所设计的形态（国外在这方面领导潮流的公司或产品主要有功能虚拟样机（ 决方案充分利用三维零件的实体模型和零件有限元模型的模态表示，在虚拟实验室或虚拟试验场的试验中精确地预测产品的操作性能，如运动/操纵性、振动/噪声、耐久性/疲劳、安全性/冲击、工效学/舒适性等等。在这方面居领先地位的主要公司/产品有虚拟工厂仿真（ 决方案对产品完整的制造和装配过程进行仿真，以解决产品制造和装配过程中的公差、机器人、装配、序列等问题。在这方面突出的公司和产品主要有为 数字化物理样机（功能虚拟样机（虚拟工厂仿真（合起来，提供了有效的方法，实现从实体物理样机向软件虚拟样机的转化，从而有效地支持了虚拟产品开发17。虚拟样机技术内容 he of 河北工业大学硕士学位论文 72拟样机技术与传统术的比较 从20世纪7080年代起，传统意义上的们主要关注产品零部件质量和性能，通过采用结构设计、工程分析和制造过程控制的软件或工具，以达到设计和制造高质量零部件的目的。具体地说，传统的持产品零部件的详细结构设计和形态分析。传统的成产品零部件的结构分析、热分析、振动特性等功能分析问题。传统的供对机床、机器人、铸造过程、冲压过程、锻造加工等方面更好的控制。 在过去的几十年里，传统的车、航空、通用机械、机械电子等）得到了广泛的应用，并且取得了巨大的成效。以汽车工业来说，在19951999的五年里，零部件故障率降低了40%，与之相伴的，是产品开发和制造成本的相应降低。 但是，产品零部件的优化并没有带来期望的系统的优化。继续上面汽车工业的例子，在同样的周期内，虽然采用优化了的零部件，但整车制造商并没有取得与之对应的效益的提升。这是因为产品零部件的形态特性、配合性、功能、制造过程中的装配性等因素之间存在着依赖关系，其间的相互作用极大地影响了产品的整体质量和性能18。 虚拟样机技术与传统 术最大的差别正在于这一点，即前者是面向系统的设计/分析/制造、以提高产品整体质量和性能并降低开发与制造成本为目的的，而后者是面向产品零部件的设计/分析/制造、以提高零部件的质量和性能为目的的。面向系统的虚拟样机技术 面向零部件的传统计 分析 产品 产品数据管理系统（ 产品全生命周期管理系统（虚拟物理样机 （数字化物理样机） 虚拟样机技术 （功能虚拟样机） 虚拟产品 （虚拟工厂仿真） 虚拟样机技术与传统 AM 拟样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等诸多方面19,20。 例如，美国波音飞机公司生产的波音777飞机，是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。火星探测器“探路号”和 样机应用的另外两个典型例子。 美国航空航天局（喷气推进实验室（功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。入大气层、减速和着陆）的工作过程。在探测器发射以前，测器很可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功实施。 载机和工程机械制造商之一。由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以，为了提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。同样，作为生产工程机械的著名厂商了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。 2体系统动力学的基础理论 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。 多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。多柔体系统动力学可以看作是多刚体系统动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成特点，一般以多刚体系统动力学的研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等。将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程21。 在应用多体系统动力学理论解决实际问题时，一般经过以下的步骤： 1. 实际系统的多体模型简化。 2. 自动生成动力学方程。 3. 准确的求解动力学方程。 2限元法简介 有限元法是工程领域中应用最广泛的一种数值计算方法，它不但可以解决工程中的结构分析问题，而且己成功地解决了传热学、流体力学、电磁学和声学等领域的问题。经过四十多年的发展，有限元方法的理论己经相当完善，将有限元理论、计算机图形学和优化技术相结合，开发出了一批使用有效的通用与专用有限元软件，它们以功能强、用户使用方便、技术结果可靠和效率高而逐渐形成了新的技术产品，使用这些软件己经成功地解决了机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、锻造、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程领域众多的大型科学和工程计算难题。有限元软件己经成为推动科技进步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和社会效益22。 河北工业大学硕士学位论文 92限元法的基本思想 有限元法是在连续体上直接进行近似计算的一种数值方法。这种方法首先是将连续的求解区域离散为一组有限个单元组合体，而且认为单元之间只通过有限个点连接起来，这些连接点称为节点(。单元与节点是有限元法中最基本的两个术语。有限元法利用在每一个单元内假定的近似函数分片地表示全求解域上待求的未知场函数(如位移场、应力场)。单元内的近似函数通常由未知场函数(或包括其导数)在单元内各个节点的数值通过函数插值来表示。这样，未知场函数(或包括其导数)在单元内各个节点的数值就成为新的未知量(即自由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过函数插值计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上场函数的近似值。显然，随着单元数量的增加，也即单元尺寸的减小，解的近似程度将不断改进。 由于单元本身可以有不同的形状，所以对几何形状复杂的问题都可方便地离散化，因此，有限元法可以处理各种复杂因素，如复杂的几何形状、任意的边界条件、不均匀的材料特性、结构中包含不同类型构件等等，它们都能用有限元法灵活地求解。有限元法在工程中得到了广泛的应用23,24,25。 2限元法分类 有限元法可分为两大类，即线弹性有限元法和非线性有限元法。其中线弹性有限元法是非线性有限元法的基础，二者不但在分析方法和研究步骤上有类似之处，而且后者常常要引用前者的某些结果26。 1. 线弹性有限元法 线弹性有限元法以理想弹性体为研究对象，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律；应变与位移也是线性关系。线弹性有限元问题归结为求解线性方程组问题，所以只需较少的计算时间。如果采用高效的代数方程组求解方法，也有助于降低有限元分析的时间。 线弹性有限元一般包括线弹性静力分析与线弹性动力分析两个主要内容。 2. 非线性有限元法 非线性有限元问题与线弹性有限元问题有很大不同，主要表现在如下三个方面: 1) 非线性问题的方程是非线性的，因此一般需要迭代求解； 2) 非线性问题不能采用叠加原理； 3) 非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。 以上三方面的因素使非线性问题的求解过程比线弹性问题更加复杂，费用更高和更具有不可预知性。有限元法所解非线性问题可以分为如下三类： 1. 材料非线性问题 材料的应力与应变是非线性关系，但应变与位移却很微小，此时应变与位移呈线性关系，这类问题属于材料非线性间题。由于从理论上还不能提供能普遍接受的本构关系，所以，一般来说，材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据，有时非线性材料特性可用数学模型进行模拟，尽管这些模型总是有它们的局限性。 在工程实际中较为重要的材料非线性问题有:非线性弹性（包括分段线弹性)、弹塑性、粘塑性及蠕变等。 2. 几何非线性问题 几何非线性是由于位移之间存在非线性关系引起的。当物体的位移较大时，应变与位移的关系是非线性关系，这意味着结构本身会产生大位移或大转动，而单元中的应变却可大可小。研究这类问题时一般都假定材料的应力与应变呈线性关系。这类问题包括大位移大应变问题及大位移小应变问题。如结构垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 10 的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题。 3. 非线性边界(接触问题) 在加工、密封、撞击等问题中，接触和摩擦的作用不可忽视，接触边界属于高度非线性边界。平时遇到一些接触问题，如齿轮传动、冲压成型、轧制成型、橡胶减振器、紧配合装配等，当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。 实际的非线性可能同时出现上述两种或三种非线性间题。 河北工业大学硕士学位论文 11 第三章 拉臂式垃圾车概述 拉臂式垃圾车是在二类汽车底盘上装有使车箱具有装载和卸载功能的拉臂架装置的专用汽车。它同时具有垃圾自卸和箱体自动装卸的功能且可实现车箱与汽车的结合和分离, 同时对车箱的散装货物实现自卸作业。由于它具备自动装卸箱体功能，装料时一般均将箱体卸下，降低装料高度，装满料后，则将箱体自动装车并运输。 目前该车型已在国外得到广泛使用, 在国内也常作为环卫行业的垃圾收集运输车。拉臂式垃圾车是常用车型之一。这种车于80年代引入国内，目前使用广泛，但我国对这种车辆特别是工作装置的研究甚少，产品设计主要是采用测绘或经验取值的方法，限制了产品性能的进一步提高，本课题将对其工作装置进行优化设计，以求从根本上改善这种车辆的工作性能27。 3臂式垃圾车总体结构 拉臂式垃圾车主要由汽车二类底盘、拉臂系统、垃圾车厢三大部分组成。图 臂式垃圾车结构简图 he of 车底盘 拉臂系统 垃圾车厢 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 12 3臂系统的结构和工作原理 3臂系统结构特点 拉臂式垃圾车拉臂系统主要由倾卸液压缸、钩臂、钩臂液压缸、车厢保险钩、车厢定位销、联动架以及副车架组成。钩臂采用的是不可伸缩的直角折弯式结构, 其一端与钩臂液压缸的活塞杆端铰接；另一端与联动架靠近前端轴心铰接， 形成拉臂的回转轴心。钩臂液压缸的缸头端铰接在联动架前端铰接点上，形成钩臂液压缸的回转轴心；联动架后端轴心铰接在副车架后部的铰支点上, 形成联动架的回转轴心；两倾卸液压缸缸头与副车架前端铰接点铰接，活塞杆与联动架铰接。图 臂系统结构简图 he of 臂系统工作原理 拉臂式垃圾车通过拉臂系统装置完成两种不同的功能动作：换箱和倾卸。 当拉臂系统装置进行换箱动作时, 首先保险钩油缸动作,开启车箱保险钩，然后再手动打开车厢定位销，车箱就解除了保险。接着钩臂液压油缸活塞杆伸长举起钩臂, 使钩臂绕铰支点顺时针回转, 钩臂钩就往后移动，使得垃圾车厢也向后运动。此时钩臂液压油缸工作到位。接着倾卸液压缸开始工作，倾卸液压缸活塞杆伸长，使得副车架上的垃圾车厢最终被推至到地面上。当要将地面上的垃圾车厢拉至副车架上时，钩臂液压油缸与倾卸液压油缸的工作顺序相反即可完成动作。 当拉臂系统装置进行倾卸动作时, 与换箱动作不同, 车箱保险钩与车厢定位销不动，在整个倾卸过副车架 倾卸液压缸 联动架 钩臂液压缸 钩臂 车厢保险钩 车厢定位销 河北工业大学硕士学位论文 13程中要保证拉臂与车箱始终不分离,。即钩臂、联动架及车箱通过车箱保险钩相互联结为一体, 以副车架后部铰接点为轴心顺时针回转,倾卸液压缸活塞杆伸长举升垃圾车箱直到卸去垃圾。车箱复位时, 只要倾卸油缸活塞杆回缩, 整个拉臂系统仍以铰支点为转轴点逆时针回转, 直至车箱复位。 3臂式垃圾车工作流程 拉臂式垃圾车工作流程主要包括： 将放置在垃圾中转站已经压缩好的垃圾车厢通过拉臂系统将其拉上副车架并固定；将垃圾车开往垃圾填埋场；到达填埋场后，通过倾卸液压缸将垃圾车厢顶起，打开垃圾车厢后门，完成垃圾倾卸。最后再回到垃圾中转站将垃圾车厢卸下。图 臂式垃圾车工作流程图 he of 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 14 第四章 拉臂系统动力学仿真分析 4真分析的意义与目的 仿真分析是一种能够在仿真分析软件中建立虚拟样机模型，并能够模拟出物理模型的相关特性的技术。随着计算机与科学技术的迅猛发展，仿真已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段。通过运用仿真分析可以取得更高的经济效益。 垃圾车拉臂系统的动力学仿真分析，主要是为了得到拉臂系统的各个铰接点载荷曲线、液压缸推力曲线与运动情况等关键数据，这些数据是进行优化设计与有限元分析的原始数据。因此，这些数据是对拉臂系统进行优化设计和有限元分析的基础。 4件是美国公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线等。动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等28。 4立仿真模型 选择在面模块）是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、果分析和数据打印等功能集成在一起。用是动机”，它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、动力学和运动学的计算结果。便精确有效地解决各种工程问题。 4置工作环境 1、 设置坐标系：选择在择方向为指向车尾方向（即与车辆行驶方向相反）；选择方向为垂直地面向上；最后根据右手螺旋定则确定垂直屏幕指向外）。 河北工业大学硕士学位论文 15a b 2、 设置工作网格：工作网格的设置是为了便于创建模型，在创建物体、约束、力等元素时，系统会自动捕捉这些网格点以确定元素的位置或方向。根据模型实际情况确定 寸)为：X 方向的长度为10000 方向的长度为3000距）为：3、 选择单位系统为毫米、千克、秒）。 4、 设置重力方向为5、 设置材料为钢材（6、 设置图标大小：设置图标大小是为了使模型显示的更加清晰。观察
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