基于ADAMS的42吨集装箱叉车转向机构的仿真与优化设计 毕业论文.doc

基于 adams的 42吨集装箱叉车转向机构的 仿真与优化设计 摘 要 本文介绍了42t集装箱叉车的转向机构采用由横置液压缸组成的一组六连杆机构， 为了保证车轮转向时作纯滚动，需对六连杆机构优化设计。为了分析叉车的转向性能， 采用adams 软件对叉车的转向机构进行了建模仿真，测量了该转向机构的转角误差； 实现了转向机构的参数化建模，以转向机构的累计转角误差最小为目标函数对转向机 构进行了优化设计，并建立了叉车的整车模型，测量了叉车的外转向轮误差和整车模 型的转向半径变化曲线，为分析叉车的转向性能提供了依据。并且以优化设计的结果 为参数在adams中建立叉车的整车模型，仿真结果证明优化设计的有效。 关键字：adams；转向机构；仿真；优化设计 abstract this article describes the 42t container forklift steering hydraulic cylinder used by the tap of a group composed of six-bar linkage, in order to ensure the steering wheel, made of pure rolling, the need for optimization of six-bar linkage design. to analyze the forklifts steering performance, the use of adams, the steering mechanism on the truck the modeling and simulation, measuring the angle of the steering error; to achieve a steering mechanism of the parametric modeling, the steering angle error of the cumulative goal of minimizing function of the steering mechanism was optimized, and the establishment of a forklift vehicle model, measured outside the steering wheel forklift model error and the vehicle turning radius curve, analysis of the forklifts steering provided. and the results to optimize the design parameters to create the forklift vehicle adams model, simulation results show that the effective optimal design. key words: adams；steering system; simulation; optimization design 目 录 前 言 1 1绪 论2 1.1 本文研 究的背景 2 1.2 虚拟样机技术.2 1.2.1 虚拟样机技术.3 1.2.2 虚拟产品的开发流程3 1.3 adams 软件的介绍 5 1.3.1 adams 软件的概述 5 1.3.2 adams 软件基本模块 .7 1.3.3 adams 仿真分析步骤 10 1.4 平面连杆机构.11 1.4.1 连杆机构的特点11 1.4.2 42 吨集装箱叉车转向机构的连杆机构12 1.4.3 横置液压缸式转向桥的结构形式.12 2利用 adams对叉车转向机 构进行建模14 2.1 叉车转向机构的建模 14 2.2 应用 adams 创建转向机构模型 14 2.2.1 启动 adams .14 2.2.2 设置工作环境.15 2.2.3 创建设计点.16 2.2.4 创建机构的各个部件.16 2.2.5 创建车轮和地面.17 2.2.6 保存模型20 3转向机构的仿真22 3.1 叉车转向系统动力学仿真分析系统前处理模块 .22 3.2 叉车转向系统动力学仿真分析系统分析计算模块.22 3.3 叉车转向系统动力学仿真分析系统后处理模块 .24 4叉车转向机构的优化设计26 41 定义设计变量 .26 4.2 定义目标函数.28 4.3 确 定约束条件29 4.4 优化模型 29 5创建整车模型，仿真叉车的转向运动轨迹31 结 论 .33 致 谢 .34 参考文献 .35 1 前 言 叉车是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆。 叉车国际标准化组织 iso/tc110称为工业车辆。属于物料搬运机械。广泛应用于车 站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门，是机械化装卸、堆垛和短距离运输 的高效设备。 叉车在企业的物流系统中扮演着非常重要的角色，是物料搬运设备中的主力军。 广泛应用于车站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门，是机械化装卸、堆垛 和短距离运输的高效设备。自行式叉车出现于 1917年。第二次世界大战期间，叉车得 到发展。中国从 20世纪 50年代初开始制造叉车。特别是随着中国经济的快速发展， 大部分企业的物料搬运已经脱离了原始的人工搬运，取而代之的是以叉车为主的机械 化搬运。因此，在过去的几年中，中国叉车市场的需求量每年都以两位数的速度增长。 叉车作为机动工业车辆的典型机种,结构紧凑,机动性好,广泛用于港口仓库、货场、 货舱内堆码、拆垛作业。良好的机动性能反映了叉车在狭窄通道和场地灵活转弯和作 业能力,体现了叉车对作业场所的适应性及对仓库、货场面积的利用率。与汽车不同, 叉车的作业特点是直线行驶较少而转向频率较高。频繁的转向造成轮胎的寿命大大缩 短,因此,叉车整体设计注重转向系统和轮胎的寿命,对降低叉车的使用成本,提高叉车 的利用率有着深远的意义。一般来说，高质量的叉车其优越的性能往往体现在高效率、 低成本、高可靠性、人机工效设计好以及服务便利等诸多方面。 42吨集装箱叉车，用于大型集装箱的短途和堆码作业。该叉车的转向机构采用横 置液压缸式转向桥取代传统的拉杆式转向桥。具有转角大、左右转向一致性好、结构 简单安装维护方便等特点。虚拟样机技术是在计算机上建造产品的整体模型，对产品 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。 本文基于 adams虚拟样机技术软件，对 42吨集装箱叉车的转向机构进行了建模和 运动仿真，测量了叉车转向机构的转角误差。并进行了参数化建模，利用 adams提供 的算法进行了优化设计。并且建立了该叉车的整车模型，对叉车的转向性能进行了分 析。 希望本篇论文能够成为日后广大读者工作中的一份资料，能让广大读者在叉车的 设计优化时多一份参考，使您在经济活动中获得一定的效益。 由于本人学识、专业水平的局限，本论文中疏漏、错误在所难免，敬请指导老师 和各位评委老师批评指正并提出宝贵意见，以便使本论文不断完善。 2 1绪 论 1.1本文研究的背景 近年来，国外叉车尤其是大吨位叉车大多采用横置液压缸式转向桥取代拉杆式转 向桥。与拉杆式转向桥相比横置液压缸式转向桥具有下述特点： (1)转角误差小，从而可降低转向阻力，减少转向车轮磨损。 (2)最小传动角较大，有利于改善机构的力学特性，减小转向液压系统的最大与 最小压力差。 (3)左右转向一致，行程和灵敏度完全相同，且转向操纵力小。 (4)制造简单，零件少，维护保养方便，使用寿命长。 鉴于上述特点，为适应市场需求，在 20t位以上级叉车，尤其是大吨位集装箱叉 车上采用了这种结构。为使结构更加合理，转向平稳、可靠，在设计过程中应用计算 机模拟仿真转向机构运动过程对机构进行了优化设计。 叉车作为机动工业车辆的典型机种,结构紧凑,机动性好,广泛用于港口仓库、货场、 货舱内堆码、拆垛作业。良好的机动性能反映了叉车在狭窄通道和场地灵活转弯和作 业能力,体现了叉车对作业场所的适应性及对仓库、货场面积的利用率。与汽车不同, 叉车的作业特点是直线行驶较少而转向频率较高。频繁的转向造成轮胎的寿命大大缩 短,因此,叉车整体设计注重转向系统和轮胎的寿命,对降低叉车的使用成本,提高叉车 的利用率有着深远的意义。一般来说，高质量的叉车其优越的性能往往体现在高效率、 低成本、高可靠性、人机工效设计好以及服务便利等诸多方面。本文基于 adams虚拟 样机技术软件，对 42吨集装箱叉车的转向机构进行了建模和运动仿真，测量了叉车转 向机构的转角误差。并建立了该叉车的整车模型，对叉车的转向性能进行了分析。 运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开 发周期和降低开发费用，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。 adams 是目前著名的虚拟样机分析软件。运用 adams 软件，用户可以很方便地对 虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。这里阐述了虚拟样机技术的概念、体系 结构和关键技术，对 adams 软件及应用步骤进行了介绍。并介绍了 42 吨集装箱叉 车转向机构的六连杆机构。 1.2虚拟样机技术 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上 20 世纪 80 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来一项计算机辅助工程（cae） 技术。工程 师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案， 用数字化形式代替传统的物理样机。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设 计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产 品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出 3 现，立即受到了工业发达国家、有关机构和大学、公司的极大重视，许多著名制造厂 商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益。 1.2.1虚拟样机技术 目前对于虚拟样机的概念还没有一种通用精确的定义，针对不同的研究领域，有不 同的定义方法。从计算机图形学的角度出发，fan dai 等人将虚拟样机定义为一种快速 评价不同的物理产品设计的方法。通过将虚拟现实技术（vr）、计算机仿真技术和 cad 技术相结合，建立起一个物理造型的数字原型。产品设计人员可以通过具有高度 沉浸感的虚拟现实用户接口灵活的操纵、控制和修改该原型，并支持设计数据的重用 和仿真分析 1。 从机械工程研究领域的角度出发，ed p.ander 等人认为虚拟样机是一种针对测试 的对象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真过程，基于虚拟样机技术建立的工程化 制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械，物理，外观和 功能特性的有关信息。 mitchel m.tseng 等人将虚拟样机定义为取代实际产品模型的一种数学模型，通过 它可以对实际的物理产品进行几何、功能等方面的建模和分析。bloor 等人则认为虚拟 样机是将目前;cad、cae 等 cax 技术结合在一起的一种集成技术，虚拟样机技术贯 穿于产品生命周期的全过程。他认为虚拟样机模型包含了分布式的产品数据信息，由 于虚拟样机模型强调集成性，因此必须提供一个标准的信息建模和数据交换方法。 建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室 （dmso）的定义。 dmso 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系 统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物 理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。美国国防部 采办委员会将虚拟样机定义为一个系统，该系统在仿真进行过程中可以和其它虚拟环 境间进行交互 2。 1.2.2 虚拟产品的开发流程 虚拟产品开发最主要的特征是产品开发过程的数字化，它彻底地改变了传统的产品 开发流程；不仅如此，数字化设计还贯穿于产品全生命周期。产品全生命周期包括一 系列不同的阶段，如图 1.1 所示。数字化设计主要用于产品开发，包括产品规划、产品 设计（包括初步设计和详细设计）和产品试验这三个阶段，并且是一个循环反复的过 程。同时，数字化模型不只是限于存在于产品开发阶段，还根据不同的需要存在于后 续的产品制造、产品销售、产品使用等过程。 4 产 品 研 究 产 品 规 划 产 品 设 计 产 品 试 验 产 品 制 造 产 品 销 售 产 品 使 用 产 品 报 废 产 品 开 发 产 品 形 成 产 品 市 场 产 品 处 理 图 1.1 产品全生命周期 fig1.1 product life cycle 比照产品全生命周期阶段图，可以对虚拟产品开发和传统产品开发的流程进行比较， 如图 1.2 所示。 图 1.2 虚拟产品开发与传统产品开发流程比较 fig1.2 virtual product development compared with the traditional product development process 传统产品开发，在概念设计（产品规划）之后，是一个产品设计样机建造测试 评估反馈设计的循环反复过程，这其中的每一次循环，都伴随有物理样机的建造或 修改，随之而来的产品开发周期的延长和开发成本的增长。 虚拟产品开发，将传统的产品设计样机建造测试评估反馈设计的循环过程采 5 用虚拟样机技术，以数字化方式进行，避免了物理样机的建造，不仅利于缩短产品开 发周期和降低产品开发成本，而且数字化方式采用利于协同工作的进行，数字化模型 的应用使得产品全生命周期的统一成为可能。 由如图 1.2 所示的虚拟产品开发流程可以看到，在虚拟产品开发过程中，起到核心 作用的是虚拟样机（virtual prototype），它统一了产品开发过程中的产品设计样机 建造测试评估过程。在这里要指出的是，虚拟样机（virtual prototype）和虚拟样机 技术（virtual prototyping）是相近的两个概念，但有所区别，虚拟样机侧重于产品的 数字化模型，指对一个与物理样机具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于 计算机的仿真；而虚拟样机技术则侧重于虚拟样机的应用，指使用虚拟样机来代替物 理样机对候选设计方案的某方面或综合的特性进行仿真测试和评估的过程。 虚拟样机的开发和实施涉及许多关键技术和相关的领域，主要包括：系统总体技术、 建模/ 仿真技术、虚拟现实（vr） 技术、产品建模技术、模型 vv&a( 校验、验证和 确认) 技术和支撑平台/ 框架技术。 虚拟样机技术的核心是工程设计技术、建模/ 仿真技术和虚拟现实/vr 技术。虚拟 样机的技术基础，主要包括五个方面：即几何建模、多物理场仿真、系统动力学仿真、 控制系统仿真和样机测试。 在几何建模中， 模型主要是二维图形、三维线框和三维实体造型。几何建模技术 还包括虚拟样机的体系结构转换技术，是指不同格式的几何模型间的无损变换；几何 模型的渲染技术，主要有表面纹理修饰和光照技术；几何模型的操纵技术，涉及模型 的立体显示、消隐、透明等。多物理场仿真主要是对虚拟样机进行多种物理场的有限 元分析，包括温度场、流场、电磁场、多场耦合、结构应力分析等。系统动力学仿真 主要是对多学科（诸如机械、热能）动力学仿真。控制系统仿真主要是对复杂物理系 统进行数学建模和仿真模拟。至于高质量的产品开发仍然不能完全离开物理样机的实 验，虚拟样机减少了实验的成本和次数，但仍需要物理实验的验证。 1.3 adams 软件的介绍 1.3.1 adams软件的概述 adams 软件，即机械系统动力学自动分析软件 adams(automatic dynamic analysis of mechanical systems)，是美国 mdi 公司(mechanical dynamics inc.)开发的虚 拟样机分析软件。目前，adams 己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。 根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，adams 软件销售 总额近 8 千万美元、占据了 51%的份额。 adams 软件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郎日方程方法，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、 6 速度、加速度和反作用力曲线。adams 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运 动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 adams 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对 虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发 工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样 机分析的二次开发工具平台。adams 软件有两种操作系统的版本： unix 版和 windows nt/2000 版。本书将以 windows 2000 版的 adamsl2.0 为蓝本。 adams 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱 5 类模块 组成，如表 1-1 所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且 可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 表 1.1 adams 软件模块 tabl 1.1 adams software modules 用户界面模块 adamsview 求解器模块 adamssolver基本模块 后处理模块 adamspostprocessor 液压系统模块 adams/hydraulics 振动分析模块 adams/vibration 线性化分析模块 adams/linear 高速动画模块 adams/animation 试验设计与分析模块 adams/insight 耐久性分析模块 adams/durability 扩展模块 数字化装配回放模块 adams/dmu replay 柔性分析模块 adams/flex 控制模块 adams/controls 图形接口模块 adams/exchange catia 专业接口模块 cat/adams 接口模块 pro/e 接口模块 mechanical/pro 轿车模块 adams/car 悬架设计软件包 suspension design 概念化悬架模块 csm 驾驶员模块 adams/driver 动力传动系统模块 adams/driveline 轮胎模块 adams/tire 柔性环轮胎模块 ftire module 专业领域模 块 柔性体生成器模块 adams/fbg 7 经验动力学模型 edm 发动机设计模块 adams/engine 配气机构模块 adams/engine valvetrain 正时链模块 adams/engine chain 附件驱动模块 accessory drive module 铁路车辆模块 adams/rail ford 汽车公司专用汽车模块 adams/pre（现改名为 chassis） 软件开发工具包 adams/sdk 虚拟试验工具箱 virtual test lab 虚拟试验模态分析工具箱 virtual experiment modal analysis 钢板弹簧工具箱 leafspring toolkit 飞机起落架工具箱 adams/landing gear 履带/轮胎式车辆工具箱 tracked/wheeled vehicle 工具箱 齿轮传动工具箱 adams/gear tool 1.3.2 adams软件基本模块 1）用户界面模块（adams/view） adams/view 是 adams 系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心的交互式 图形环境，将图标操作、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、x-y 曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。 adams/view 采用简单的分层方式完成建模工作。采用 parasolid 内核进行实体建 模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/ 力矩库，并且支持布尔运算、支持 fortran/77 和 fortran/90 中的函数。除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度 函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力/力矩函数、合力 /力矩函数、数据元函数、 若干用户子程序函数以及常量和变量等。 自 9.0 版后，adams/view 采用用户熟悉的 motif 界面(unix 系统)和 windows 界 面(nt 系统)，从而大大提高了快速建模能力。在 adams/view 中，用户利用 table editor，可像用 excel 一样方便地编辑模型数据，同时还提供了 plot browser 和 function builder 工具包。ds(设计研究)、doe(实验设计)及 optimize(优化) 功能可使用户方便地进行优化工作。adams/view 有自己的高级编程语言，支持命令 行输 命令和 c+语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和 修改工具包，而且具有在线帮助功能。adams/view 模块界面如图 1.3 所示。 8 图 1.3 adams/view模块 fig1.3 adams / view module adams/view 新版采用了改进的动画/曲线图窗口，能够在同一窗口内可以同步显 示模型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点曲 线、圆曲线、平面曲线、以及曲线曲线、实体实体等碰撞副自动定义接触力； 具有实用的 parasolid 输入/输出功能，可以输入 cad 中生成的 parasolid 文件，也可以 把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个 parasolid 文件 中；具有新型数据库图形显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选 择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘 图速度是原版本的 20 倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个 名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其 说明内容；具有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精 确地控制对象的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持 lntel windows nt 平台的快速图形加速卡，确保 adams/view 的用户可以利用高性能 opengl 图形卡提高软件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行自动检查。 2）求解器模块 (adams/solver) adams/solver 是 adams 系列产品的核心模块之一，是 adams 产品系列中处 于心脏地位的仿真器。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运 动学和动力学的解算结果。adams/solver 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解 决各种工程应用问题。 adams/solver 可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系 统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自 己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添 加不同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。 adams/solver 新版中对校正功能进行了改进，使得积分器能够根据模型的复杂程 9 度自动调整参数，仿真计算速度提高了 30%；采用新的 s12 型积分器（stabilized index 2 intergrator），能够同时求解运动方程组的位移和速度，显著增强积分器的鲁棒性， 提高复杂系统的解算速度；采用适用于柔性单元(梁、衬套、力场、弹簧-阻尼器)的新 算法，可提高 s12 型积分器的求解精度和鲁棒性；可以将样条数据存储成独立文件使 之管理更加方便，并且 spline 语句适用于各种样条数据文件，样条数据文件子程序还 支持用户定义的数据格式；具有丰富的约束摩擦特性功能，在 translational, revolute, hooks, cylindrical, spherical, universal 等约束中可定义各种摩擦特性。 3）后处理模块（adams/postprocessor） mdi 公司开发的后处理模块 adams/postprocessor，用来处理仿真结果数据、显 示仿真动画等。既可以在 adams/view 环境中运行，也可脱离该环境独立运行。如图 1.4 所示。 adams/postprocessor 的主要特点是，采用快速高质量的动画显示，便于从可视化 角度深入理解设计方案的有效性；使用树状搜索结构，层次清晰，并可快速检索对象； 具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能；具有灵活多变的窗口风格，支持多 窗口画面分割显示及多页面存储；多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影 文件；具有完备的曲线数据统计功能：如均值、均方根、极值、斜率等；具有丰富的 数据处理功能，能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等； 为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式；强化了曲线编辑工具栏功能；能 支持模态形状动画，模态形状动画可记录的标准图形文件格式有： *.gif， *.jpg，*.bmp，*.xpm， *.avi 等；在日期、分析名称、页数等方面增加了图表 动画功能；可进行几何属性的细节的动态演示。 图 1.4 adams/postprocessor 模块 fig1.4 adams / postprocessor module 10 adams/postprocessor 的主要功能包括：adams/postprocessor 为用户观察模型的 运动提供了所需的环境，用户可以向前、向后播放动回，随时中断播放动画，而且可 以选择员佳观察视角，从而使用户更容易地完成模型排错任务；为了验证 adams 仿 真分析结果数据的有效性可以输入测试数据，并测试数据与仿真结果数据进行绘图 比较，还可对数据结果进行数学运算、对输出进行统计分析；用户可以对多个模拟结 果进行图解比较，选择合理的设计方案；可以帮助用户再现 adams 中的仿真分析结 果数据，以提高设计报告的质量；可以改变图表的形式，也可以添加标题和注释；可 以载入实体动画，从而加强仿真分析结果数据的表达效果；还可以实现在播放三维动 画的同时，显示曲线的数据位置，从而可以观察运动与参数变化的对应关系。 1.3.3 adams 仿真分析步骤 adams 仿真分析步骤如图 1.5 所示，其中，产品定义数据模型是在计算机中建 立的反映产品结构特征和属性数据的静态产品模型。它是进行仿真、分析、优化的基 础。adams 具有建模、施加运动约束的功能。对于复杂的产品，其三维几何模型的 建立、产品预装配通常在 cad 软件（如 uc、pro e 等）中完成。然后通过格式转 换，导入 adams 环境。环境定义数据指在产品工作过程中，施加在产品上的外界激 励的总称。对产品进行受力分析和运动分析，使产品受到和真实工作中相同的各种力 和外界作用。在产品仿真的同时，可以对产品感兴趣的零件运动参数设置测量，绘制 仿真结果曲线。通过对曲线数据和试验数据的对比分析，可以验证模型的正确性。同 时，确定是否要修正模型。在仿真模型验证正确的基础上，可以对产品设置可控参数， 根据需求，有目的的对模型进行优化分析。 11 三维几何模型 施加形位约束 （ 产品装配 ） 施加运动约束 （ 运动副 ） 建立属性数据 建立产品 定义数据 模型 施加环境 定义数据 力 力矩 热力 仿真 设置测量和仿真输出 进行仿真 结果分析 回放仿真结果 绘制仿真结果曲线 验证仿真 分析结果 输入实验数据 添加实验数据曲线 与仿真结果一致 模型修正 检验产品定义数据的一致性 修正产品定义数据 修正环境定义数据 重复仿真 分析 设置产品定义数据可控参数 设置环境定义数据可控参数 求解应用领域作用算子 性能优化 分析 优化参数和优化方法的选择 优化目标和优化方案的确立 进行最优化研究 是 否 图 1.5 adams 仿真分析步骤 fig1.5 adams simulation steps 1.4平面连杆机构 1.4.1 连杆机构的特点 连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动， 从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。此外，低副面接触的结构使连杆机构具有 以下一些优点： 1) 运动副一般均为低副。 低副两运动副元素为面接触，压强较小，故的载荷； 且有利于润滑，磨损较小；此外，运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造。 2) 构件多呈现为杆的形状（故常简称构件为杆）。因而可以很方便地用来达到增 力、扩大行程和实现远距离传动等目的。此外，构件的几何形状也较简单，便于加工 制造。 3)可实现多种形式的运动变换和运动规律。在连杆机构中，当原动件的运动规律 不变，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。 4) 具有丰富的连杆曲线形状。在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状 的曲线( 称为连杆曲线) ，其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形 12 式众多的连杆曲线，可满足不同轨迹的设计要求。 因此，平面连杆机构广泛应用于各种机械、仪表和机电产品中。 连杆机构也存在如下一些缺点： 1) 由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生 较大的误差积累，同时，也使机械效率降低。 2) 在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，所产生的惯性力 难于用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构不宜用于高 速运动。 3) 虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计 却是十分繁难的，且一般只能近似地得以满足。 故连杆机构常用于速度较低的场合。 近年来，随着连杆机构设计方法的发展，电子计算机的普及应用以及有关设计软 件的开发，连杆机构的设计速度和设计精度有了较大的提高，而且在满足运动学要求 的同时，还可考虑到动力学特性。尤其是微电子技术及自动控制技术的引入，多自由 度连杆机构的采用，使连杆机构的结构和设计大为简化，使用范围更为广泛。 1.4.2 42吨集装箱叉车转向机构的连杆机构 叉车转向机构主要由转向桥体、转向节臂、连杆和转向液压缸等组成，如图 1.6 所示。这是一组六连杆机构，其中转向桥体和转向油缸固定。通过油缸活塞的左右移 动带动连杆运动，连杆带动转向节臂使车轮左右摆动，实现转向。 图 1.6 横置油缸转向机构示意图 fig1.6 schematic diagram of transverse steering cylinder 1.4.3横置液压缸式转向桥的结构形式 横置液压缸式转向桥主要由转向节臂、连杆、转向液压缸、转向桥体等构成。 建立机构力学模型 横置液压缸转向桥比一般的拉杆式转向桥的双梯形机构少1个参数，有4个独立参 数：转向节臂长 m，液压缸外偏距 s，转向节初始角 和连杆长度 n。在考虑与原结构 的互换性并保证技术参数及装配尺寸不变的情况下，即左转向轮最大内转角 1为55 54，最大外转角 2为751，转向节初始角 为7918，主销中心距 m为 2254mm；根据桥体参数尺寸，确定液压缸外偏距 s=140mm，转向节臂长 m=300mm，连杆 13 长度 n=250mm。利用计算机进行结构优化设计前，建立如图1.7所示的力学模型。 图1.7 液压式转向桥力学模型 fig1.7 hydraulic steering bridge mechanical model 利用参数化设计程序对该模型进行参数化设计，确定液压缸的安装距为1750mm。 从图1.8可以看出，当左转向轮达到最大外转角 为751，右转向轮的最大 内转角 为5558。当左转向轮达到最大内转角 为5554，右转向轮的最大外 转角 为7458。 图1.8 左右转向轮最大内外转角 fig1.8 steering wheel left and right outside corner of the largest 14 2利用 adams 对叉车转向机构进行建模 42 吨集装箱叉车，用于大型集装箱的短途和堆码作业。该叉车的转向机构采用横 置液压缸式转向桥取代传统的拉杆式转向桥。具有转角大、左右转向一致性好、结构 简单安装维护方便等特点 3。虚拟样机技术是在计算机上建造产品的整体模型，对产 品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。 2.1叉车转向机构的建模 叉车转向机构主要是由转向桥体、转向节臂、连杆和转向液压缸等组成。如图 2.1 所示，这是一组六杆连杆机构，其中转向桥体与转向油缸固定。通过油缸活塞的左右 移动带动连杆运动，连杆带动转向节臂使车轮左右摆动，实现转向。因此横置油缸转 向机构有 4 个独立参数，分别是转向节臂长度 m，油压缸偏距 s，转向节初始角 和 连杆长度 n。 图 2.1 横置油缸转向机构示意图 fig2.1 schematic diagram of transverse steering cylinder 初始参数为：转向节臂 m=300mm，转向节初始角 =79.3，液压缸偏距 s=140mm，连杆长度 n=250mm。其中主销中心距 m=2254mm，叉车轴距 l=5500mm， 液压缸安装距为 1750mm4。对该机构进行运动分析和动力分析。 2.2应用 adams 创建转向机构模型 2.2.1启动 adams 双击桌面上 adams/view 的快捷图标,打开 adams/view。在欢迎对话框中选择 create a new model，model name 栏中输入： chache；gravity 中选择 earth normal (global y)； units 栏中选择 mmks mm,kg,n,s,deg。如图 2.2 所示。 15 图 2.2 启动对话框 fig2.2 startup dialog box 2.2.2设置工作环境 对于这个模型，网格间距需要设置成更高的精度以满足要求。 在 adams/view 菜单栏中，选择设置（setting）下拉菜单中的工作网格 （working grid）命令。系统弹出设置工作网格对话框，将网格的尺寸(size)中的 x 和 y 分别设置成 750mm 和 1000mm，间距（spacing ）中的 x 和 y 都设置成 10mm。然 后点击 ok 确定。如图 2.3 所示。 图 2.3 设置工作网格对话框 fig2.3 grid dialog box to set the work 16 用鼠标左键点击动态放大（dynamic zoom）图标 ，在模型窗口中，点击鼠标左 键并按住不放，移动鼠标进行放大或缩小。 用鼠标左键点击动态移动（dynamic translate）图标 ，在模型窗口中，按住鼠标 左键，移动鼠标选择合适的网格。 2.2.3创建设计点 点击 adams/view 中零件库的点（point） ，选择“add toground”和 “dont attach”在工作窗口中建立六个设计点，它们的名称和位置如图 2.4 所示 图 2.4 创建的六个坐标点 fig2.4 created six coordinates 2.2.4创建机构的各个部件 点击 adams/view 中零件库的连杆（link） ，创建转向桥体 宽 125mm,高 62.5mm 选择 point_1 和 point_3。在 adams/view 工作窗口中先用鼠标左键选择点 （0,0,0）mm(该点的位置可以选择在其他地方)，然后按照和题目中要求，点击鼠标左 键（选择点（2254,0,0）mm)，创建出转向桥体。 点击 adams/view 中零件库的连杆（link） ，创建转向节臂宽 100mm,高 50mm 选择 point_1 和 point_2 。在 adams/view 工作窗口中先用鼠标左键选择点 （0,0,0）mm(该点的位置可以选择在其他地方)，然后按照和题目中要求，点击鼠标左 键（选择点（55.52,-292.86,0）mm)，创建出转向节臂。 点击 adams/view 中零件库的连杆（link） ，创建连杆宽 100mm，高 50mm 选择 point_2 和 point_4。在 adams/view 工作窗口中先用鼠标左键选择 点（55.52,-292.86,0）mm(该点的位置可以选择在其他地方)，然后按照和题目中要求连 杆宽度（width=100) 高度（ depth=50），点击鼠标左键（选择点（255.12,-138.64,0） 17 mm)，创建出连杆。 点击 adams/view 中零件库的连杆（link） ，创建转向液压缸宽 100mm， 高 50mm 选择 point_4 和 point_5。在 adams/view 工作窗口中先用鼠标左键选择点 （55.52,-292.86,0）mm(该点的位置可以选择在其他地方)，然后按照和题目中要求，点 击鼠标左键（选择点（255.12,-138.64,0）mm)，创建出转向液压缸。 点击 adams/view 中零件库的连杆（link） ，创建连杆宽 100mm，高 50mm 选择 point_5 和 point_6。在 adams/view 工作窗口中先用鼠标左键选择点 （255.12,-138.64,0）mm(该点的位置可以选择在其他地方)，然后按照和题目中要求， 连杆宽度（width=100) 高度（depth=50），点击鼠标左键（选择点（2198.52,- 292.87,0）mm)，创建出转向液压缸。 创建转向节臂、连杆、转向液压缸和转向桥体的模型如图2.5所示。 图2.5 转向节臂、连杆、转向液压缸和转向桥体的模型 fig2.5 steering knuckle arm, connecting rod, hydraulic steering cylinder and steering the model bridge 2.2.5创建车轮和地面（添加运动副） 创建了构成模型的物体后，就需要使用约束副将它们连接起来，以定义物体之间 的相对运动。adams/view 提供的约束副有：理想约束（idealized joint）、虚约束 （joint primitive）、高副约束（contact ）和运动驱动（motions generator）等类型。理 想约束是通常的具有物理意义的约束副，如：旋转副（revolute joint）、移动副 （translational joint）、齿轮副（gear joint）等；虚约束用于限制物体之间的相对于运 动。 一个系统常常是由多个构件组成，各个构件之间通常存在某些约束关系，即一个 构件限制另一个构件的运动，两个构件之间的这种约束关系，通常重围运动副或者铰 接。运动副关联两个构件，并限制两个构件之间相对运动。 表 2.1 约束关系 table2.1 constraints 名称 按钮 约束关系 18 固定副 （fixed） 固定副将两个构件固定在一起，两个构件 之间没有任意相对运动，固定副约束两个构件 之间的 3 个平动自由度和 3 个旋转自由度，两 个构件之间没有任何相对自由度。 旋转副 （revolute） 旋转副约束两个构件在某一点处绕旋转轴 只能相对旋转，旋转副约束两个构件之间的 3 个平动自由度和 2 个旋转自由度，两个构件之 间之 1 个旋转自由度。 滑移副 （translation） 滑移副约束两个构件之间只能沿着某滑移 轴线滑移，滑移副约束两个构件之间 2 个平动 自由度和 3 个旋转自由度，两个构件之间之 1 个平动自由度。 由转向机构的各构件间的运动关系可以得到，叉车转向系统中共有六个旋转在转 向副。其中：转向桥体与地面之间施加固定副，转向桥体分别与左右转向节臂之间施 加旋转副，连杆与转向节臂之间施加旋转副，转向油缸与地面之间施加移动副，轮胎 与转向节之间施加旋转副。 1）添加桥体和地面间添加固定副 在 adams/view 中用鼠标左键选择约束库中的固定副（fixed joint）图标 ， 主工具箱中显示出固定副的选项。第一栏中的三个选项：“1 location”、“2 bod-1 loc”和 “2 bod-2 loc”，选择第一个表示桥体和地面之间的固定副。第二栏中的两个 选项：“normal to grid”和“pick feature”，选择第一个。在 adams/view 工作窗 口中先用鼠标左键选择转向桥体，然后选择地面，显亮的部分就是所创建的固定副 (joint_2)，该固定副连接转向桥体与地面，使转向桥体相对于地面固定。 2）转向桥体和转向节臂施加旋转副 在 adams/view 中用鼠标左键选择约束库中的旋转副 （jiont ：revolute）图标 ，参数选择 2 bod-1 loc 和 normal to grid。在 adams/view 工作窗口中先用鼠 标左键选择转向桥体，然后选择转向节臂。显亮的部分就是所创建的旋转副(joint_1) 该旋转副连接转向桥体和转向节臂，使转向桥体能相对转向节臂旋转。 3）连杆和转向节臂施加旋转副 在 adams/view 中用鼠标左键选择约束库中的旋转副 （jiont ：revolute）图标 ，参数选择 2 bod-1 loc 和 normal to grid。在 adams/view 工作窗口中先用鼠 标左键选择连杆，然后选择转向节臂。显亮的部分就是所创建的旋转副(joint_2)该旋 转副连接连杆和转向节臂，使连杆能相对转向节臂旋转。 19 4）轮胎与转向节臂施加旋转副 在 adams/view 中用鼠标左键选择约束库中的旋转副 （jiont ：revolute）图标 ，参数选择 2 bod-1 loc 和 normal to grid。在 adams/view 工作窗口中先用鼠 标左键选择轮胎，然后选择转向节臂。接着先后选择轮胎上的 part_4.cm 和转向节臂 上的 part_2.marker_2，该旋转副连接轮胎和转向节臂,使轮胎和转向节臂之间作相 对旋转运动。 5）转向油缸和地面施加移动副 在 adams/view 中用鼠标左键选择约束库中的移动副（joint：translational ）图标 ，参数选择 2 bod-