[精品资料]毕业资料：液压油泵虚拟装配及部件有限元分析

摘 要 YOTCHP8756 液压油泵是大连液压机械厂的主要产品之一。它的工作效率和容积效 率都比较高，可以广泛应用于很多场合。但该厂产品开发手段基本是传统的串行方法， 设计试制出原型样机，然后测试、验证并分析它们，但是由于工程师设计出产品，往 往要经过多次反复的试制才能成功进入市场，产品开发时间长；在对设计大型、复杂 程度较高的产品时，由于设计手段及生理因素的限制，设计易出错和人为疏漏，并缺 乏对产品的制造、装配工艺性的预见，影响设计质量；产品设计、制造费用高，产品 成本上升，缺乏市场竞争力。 通过使用虚拟装配技术能够更加真实生动的反应液压油泵的装配过程，为了能够 了解在实际载荷下关键部位的变形和应力的情况还需要使用到有限元分析技术。 本次毕业设计是在 3ds max 软件环境下对液压油泵进行虚拟装配动画制作，通过 三维动画生动的描述液压油泵的装配过程。同时在 HyperMesh 软件下环境下进行单元 网格划分和有限元分析，通过分析的结果真实反映出液压油泵的轴受力及载荷的状况。 关键词：液压油泵 虚拟装配 液压泵轴 有限元分析 Abstract The YOTCHP8756 hydraulic pressure pump is the main products of the Dalian hydraulic pressure machine factory. Its work efficiency and the capacity efficiencies are all high, and can be used in lots of situations. But the factorys products development is basic on a traditional method. first, they design manufactures as a prototype machine on a trial basis, then make the test、verify and analyze. Because engineers design the produces usually base on many times manufacture trial, only after the manufacture trial, the produces can succeed put into the market, it means the time of product developing is too long; Because of the design restrict and the physiology factor, then when they design the more large and complicated product, design would make mistakes and artificial careless easily, and lack the foresee of the product manufacture and assemble craft ,this can be a influence to design quantity; It also make more designing、manufacturing expense of the product, the products cost would be rising, then the produces lack the competition ability. Through the use of more realistic virtual assembly vivid response to hydraulic pump assembly process, in order to understand the key parts in the actual load of the deformation and stress of the situation also need to use finite element analysis techniques. The graduation project is the environment in 3ds max software, virtual assembly of hydraulic pump animation, animated by a vivid description of three-dimensional hydraulic pump assembly. While under the HyperMesh software environment for cell mesh and finite element analysis, reflected through the true results of Hydraulic pump shaft by the force and load conditions. Key words: hydraulic pressure pump virtual assemble Hydraulic pump shaft FEA 目 录 引引 言言.3 第一章第一章 绪论绪论.4 1.1 液压油泵的基本原理4 1.2 液压油泵的发展情况4 1.3 YOTCHP8756 液压油泵特点 5 1.3.1 液压油泵的优缺点5 1.32 该厂产品内容简介6 1.4 设计研究的内容7 第二章第二章 相关软件介绍相关软件介绍.8 2.1 3DS MAX软件介绍.8 2.2 HYPERMESH软件介绍8 2.3 ANSYS软件简介9 第三章第三章液压油泵虚拟装配液压油泵虚拟装配10 3.1 虚拟现实技术与虚拟装配简介10 3.1.1 虚拟现实技术10 3.1.2 虚拟装配10 3.2 虚拟装配的方案和步骤11 3.2.1 液压油泵泵轴装置装配顺序11 3.2.2 装配动画的具体步骤11 3.2.3 动画生成 .14 3.3 液压油泵虚拟装配总结 .15 第四章第四章 液压油泵的轴有限元分析液压油泵的轴有限元分析.16 4.1 有限元基本理论简介 .16 4.2 有限元分析基本步骤 .17 4.3 液压油泵的轴有限元分析主要步骤 .17 4.3.1 有限元网格的创建 .17 4.3.2 刚性单元的创建 .18 4.3.3 相关属性的创建 .19 4.3.4 约束和载荷的创建 .19 4.3.5 工况的创建 .21 4.3.6 计算及结果分析 .21 4.4 有限元分析小结 .26 结论与展望结论与展望.27 谢谢 辞辞.28 参考文献参考文献.29 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 3 引 言 我国液压件生产起步较早， 20 世纪 80 年代后期，我国液压组件的生产逐步市场 化，近几年在主机行业的带动下，发展速度加快，每年的增速都在 30%左右，现在已有 大小规模的专业生产厂家六百多家。 当前国内对液压泵的需求正在不断地增长，不仅在数量上，而且还对其品种、质 量和性能都有更高的要求。液压泵产品由于应用广泛，随着装备制造业的发展，是很 有潜在市场的机械基础件产品。可以替代进口，节约外汇，并且还可以走出国门，为 国创汇。 YOTCHP8756 液压油泵是大连液压机械厂开发的主要产品之一。它的工作效率和容积 效率都比较高，可以广泛应用于很多场合，也可组成高效的液压传动系统。 虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作 的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装 配过程。除了虚拟装配技术，在毕业设计过程中还应用到了有限元分析技术,通过有限 元分析技术了解部件在实际载荷下的变形及应力情况，为检验设计是否符合标准提供 依据，而且为今后的生产和技术革新提供了技术支持。 本次毕业设计是对液压油泵进行虚拟装配动画制作及其关键部件的有限元模拟仿 真分析。通过对液压油泵虚拟装配的动画制作，可以使工厂维修人员对液压油泵的实 际装配过程有直观的认识，使转向架这类复杂产品的结构清晰的展现，为接下来的分 析提供了帮助。通过对液压油泵的轴的有限元分析可以了解在载荷下液压油泵的轴的 变形及应力情况，为检验设计是否符合标准提供依据。 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 4 第一章 绪论 1.1 液压油泵的基本原理 液压传动技术因其介质对环境无污染、来源广泛、价格低廉、节约能源、使用安 全、压缩损失小、系统使用和维护成本低等一系列突出优点,正好满足了人们日益强烈 的环保要求,因而它具有十分广阔的应用领域,如:冶金、井下作业、食品、制药、海洋 开发、生物工程等行业.液压传动技术涉及多个学科,是流体传动与控制领域的前沿课 题,具有广阔的发展前景. 齿轮泵的结构和工艺在各类液压泵中最简单,并在价格、可靠性、寿命、抗污染以 及自吸能力（允许的吸油真空度）等方面都有很强的优势,因此在液压传动与控制技术 中,齿轮泵的应用占很大的比重,它广泛应用于机床、轻工、农林、冶金、矿山、建筑、 船舶、飞机、汽车、石化机械等机械产品的液压系统中.但齿轮泵也有不少缺点,主要 是流量和压力脉动较大,动态性能差,噪声较大,排量不可变,高温效率较低. 齿轮泵是液压传动系统中常用的液压泵，在结构上可分为外啮合式和内啮合式两 类，外啮合齿轮泵的优点是结构简单，尺寸小，重量轻，制造方便，价格低廉，工作 可靠，自吸能力强，对油液的污染不敏感，维护容易。它的缺点是一些机件承受不平 衡径向力，磨损严重，工作压力提高受到限制。此外，它的流量脉动大，因而压力脉 动和噪声都较大。内啮合齿轮结构紧凑，尺寸小，重量轻，由于齿轮转向相同，相对 滑动速度小，磨损小，使用寿命长，流量脉动远比外啮合齿轮小，因而压力脉动和噪 声都较小，内啮合齿轮允许使用高转速（高转速下的离心力能使油液更好的充入密封 工作腔） ，可获得较高的容积效率。 1.2 液压油泵的发展情况 我国液压件生产起步较早， 20 世纪 80 代后期，我国液压组件的生产逐步市场化， 近几年在主机行业的带动下，发展速度加快，每年的增速都在 30%左右，现在已有大小 规模的专业生产厂家六百多家。 当前国内对液压泵的需求正在不断地增长，不仅在数量上，而且还对其品种、质 量和性能都有更高的要求。液压泵产品由于应用广泛，随着装备制造业的发展，是很 有潜在市场的机械基础件产品。可以替代进口，节约外汇，并且还可以走出国门，为 国创汇。 随着科技的发展，纳米技术的应用越来越广泛，纳米技术主要是发掘了材料本身 固有的一些隐含特性，有些特性可以降低或消除材料本省的一些弊端，并发挥出材料 本身所具有的一些卓越特性。液压油泵产品行销全国各地，做工精良，广泛用于石油、 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 5 化工、油脂、食品、制药、橡胶、塑料、纺织、印染、合成纤维、船舶制造、筑路养 路、木材加工、工程机械设备配套等行业公司。在密封行业中，密封材料的研究和开 发一直是行业的尖端技术领域，经国内外知名纳米研究机构的长期合作，成功开发出 了纳米盘根系列，并向国家知识产权局申请了发明专利，同时也开辟了盘根应用的新 领域，使盘根填料密封技术跨越性的提高，它的应用使设备的密封性能和使用寿命均 有显著提高，并给用户带来可观的经济效益。液压油泵的结构形式分为三种： 1.齿轮式 2.柱塞式 3.转子式 液压油泵与油马达在使用过程中会发生故障,这些故障的发生频率与日常使用维护 和保养的好坏有着密切的关系。为了能使其长期保持良好的工作状态和较长的使用寿 命,除应建立和健全必要的日常维护保养制度,还应当防止使用过程中突发性事故的发 生。由于工况条件的不同，盘根填料的种类也非常的繁多。为了更好的区分和选用盘 根，我们通常按盘根填料的主体密封基材的材质将盘根填料分为： 1.天然纤维类主要有天然棉、麻、毛等为密封基材的盘根。 2.陶瓷和金属纤维盘根主要有：碳化硅盘根、碳化硼盘根、中碱玻璃纤维盘根等， 由于单一的纤维材料都或多或少存在一些材料本身所具有的缺点，采用单一的纤维来 编织盘根，由于盘根纤维间存在着空隙，容易也引起渗漏，同时有些纤维的自润滑性 差，摩擦系数大，所以要浸渍一些润滑剂、填充剂及特种添加剂等。来提高填料的致 密性和润滑性，如：混有石墨粉的矿物油或二硫化钼润滑脂，还有滑石粉、云母、甘 油、植物油等，还有浸渍聚四氟乙烯分散乳液，并在乳液中加以适量的表面活性剂和 分散剂等。特种添加剂通常有锌微粒、阻隔剂、钼基缓蚀剂等等，来降低盘根填料对 设备的腐蚀。 3.矿物纤维类盘根 矿物纤维类盘根主要有石棉类盘根等 4.合成纤维类盘根 合成纤维类盘根主要有：石墨类盘根、碳纤维类盘根、聚四氟乙烯类盘根、 Kevlar 类盘根、亚克力夹硅胶型纤维盘根等。 1.3 YOTCHP8756 液压油泵特点 YOTCHP8756 液压油泵是大连液压机械厂开发的液压旋转组件，是该厂的主要产品 之一。它是属于内啮合齿轮泵，具有上述内啮合齿轮泵的特点，工作效率和容积效率 都比较高，可以广泛应用于很多场合，也可组成高效的液压传动系统。 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 6 1.3.1 液压油泵的优缺点 和其他的液压泵产品相比较，大连液压机械厂生产的 YOTCHP8756 液压油泵有以下 几个优点： 1产品的质量和可靠性比其它同类产品高，使用寿命较长，是一个比较成熟的产 品。 2结构合理，设计以实用为最根本诉求。 3效率比其它产品高。 4传动平稳噪音低，可提高机器性能，改善操作者的劳动条件。 液压油泵的缺点： 1在恶劣的环境下容易发生故障。 2由于生产设备的原因，该产品的工艺还不是很精湛。 1.32 该厂产品内容简介 该厂产品开发手段基本是传统的串行方法，设计试制出原型样机，然后测试、验 证并分析它们，工程师设计出产品，往往要经过多次反复的试制才能成功进入市场， 产品开发时间长，无法在缩短上市时间上取得实质性的突破。而且传统制造业在产品 设计、制造过程中存在以下问题： 1. 产品设计质量不高、预见性差，主要表现在对设计大型、复杂程度较高的产品 时，由于设计手段及生理因素的限制，设计易出错和人为疏漏，并缺乏对产品的制造、 装配工艺性的预见，影响设计质量。 2. 在传统设计模式中，基本是串行的工作流程，设计、制造周期长，不能快速响 应市场。 3. 产品设计、制造费用高，产品成本上升，缺乏市场竞争力。由于设计中的错误 多数只有在生产、装配中发现，返工和废品增加成本;依靠物理原型机进行产品生产、 装配、测试和更改设计，产品开发周期长，成本高，己不能满足当前激烈的市场竞争 对产品开发的要求，企业急需根据自身特点，探索一种先进高效的设计方法和模式。 要解决上述问题，制造业必须从的设计手段和方法的研究着手，加强信息技术与 传统产业的结合，促进传统产业的技术升级。在产品实际生产前就采取预防措施，从 而使产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期的目的，为企业全面 采用虚拟产品开发技术设计产品，提供可行的流程和方法。 对该产品的所有部件进行三维立体建模，然后进行模拟装配，用动画的形式把装 配过程最直观生动的展现出来。 该液压泵的非标准件有：泵隔板，泵轴，泵轴承，挡圈，隔离套，密封垫，密封 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 7 盖板，内转子，偏心套，外转子，油泵体，左泵盖。标准件有：垫圈，螺钉，销，半 圆键，铆钉，螺堵，油封，键。 1.4 设计研究的内容 本次设计主要由制作液压油泵的虚拟装配动画和对液压油泵的轴的有限元分析两 方面内容组成，具体任务内容如下： 1. 学习掌握虚拟装配的理论及基本方法。 2. 熟悉 3ds max 等软件应用。 3. 使用 3ds max 软件完成液压油泵虚拟装配动画图片的渲染。 4. 使用 Photoshop 及 Premiere 软件将渲染的图片制作成完整的动画并添加字幕。 5. 熟悉 Hypermesh 及 Ansys 软件的应用。 6. 使用 Hypermesh 及 Ansys 软件完成对液压油泵的轴的有限元网格划分及施加载 荷约束并进行有限元分析。 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 8 第二章 相关软件介绍 本次毕业设计需要使用到3ds max，HyperMesh及Ansys等软件，本章内容是对相关 软件进行简单介绍。 2.1 3ds max 软件介绍 3ds max 是美国 Autodesk 公司的电脑三维模型制作和渲染软件，是目前最流行的 三维动画制作软件，在电影、游戏、室内设计等众多领域得到广泛的应用。3DS 系列 软件在三维动画领域拥有悠久的历史，在 1990 年以前，只有少数几种可以在 PC 上可 用的渲染和动画软件，这些软件或者功能极为有限，或者价格非常昂贵,或者二者兼而 有之。 作为一种突破性新产品，3d studio 的出现，打破了这一僵局。3d studio 为在 PC 机 上进行渲染制作动画提供了价格合理、专业化、产品化的工作平台，并且使制作计算 机动画成为一种前人所不能的职业。后来随着 Windows 平台的普及以及其他三维软件 开始向 Windows 平台发展，三维软件技术面临着重大的技术改革。从 1993 年开始， 3d studio 软件所属公司果断地放弃了在 DOS 操作系统下创建的 3d studio 源代码，而开 始使用全新的操作系统（Windows NT） 、全新的编程语言（Visual C+） 、全新的结构 （面向对象）编写了 3d studio max。在 3d studio max1.0 版本问世后仅 1 年，该公司又 重写代码，推出了 3d studio max2.0。这次升级是一个质的飞跃，增加了上千处的改进， 尤其是增加了 NURBS 建模、光线跟踪材质发及镜头光斑等强大功能，使得该项版本 成为了一个非常稳定的三维动画制作软件，从而占据了三维动画软件市场的主流地位。 随后的几年里，3d studio max 先后升级到 3.0、4.0、5.0 一直到 9.0 版本，每一个版本 的升级都包含了许多革命性的技术更新。从 4.0 版本开始，所属公司发生变化，由原来 的 Kinetix 变为一样的 Discreet，3d studio max 的名称也精简为“3ds max”。 2.2 HyperMesh 软件介绍 HyperMesh 是一个高性能有限单元前后处理器，让工程师在高度交互及可视化的环 境下验证各种设计条件。HyperMesh 的图形用户界面易于学习，并且支持直接输入 CAD 几何模型和已有的有限元模型，减少重复性的工作。先进的后处理工具保证形象地表 现复杂的仿真结果。HyperMesh 具有无比的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没 有软件限制。 HyperMesh 主要特点如下： 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 9 1.通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期。 2.直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率。 3.直接输入 CAD 几何模型及有限元模型，减少用于建模的重复工作和费用。 4.高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程。 5.在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使 用适用的求解器。 6.极高的性价比使软件投资得到最好的回报。 7.高度可定制性更进一步提高效率。 8.用户可以创建宏以自动运行一系列操作。 9.通过模板可以将 HyperMesh 数据输出为其他求解器和程序可读的格式。 10.通过增加个人的输入转换器，可以扩展 HyperMesh 对其他分析软件数据的支持 11.应用提供的工具可以创建专用的转换器，将特殊的分析结果转化成 HyperMesh 结果格式。 12.HyperMesh 具有工业界主要的 CAD 数据格式接口。它包含一系列工具，用于整 理和改进输入的几何模型。输入的几何模型可能会有间隙、重叠和缺损，这些会妨碍 高质量网格的自动划分。通过消除缺损和孔，以及压缩相邻曲面的边界等，可以在模 型内更大、更合理的区域划分网格，从而提高网格划分的总体速度和质量。同时具有 云图显示网格质量、单元质量跟踪检查等方便的工具，及时检查并改进网格质量。 2.3 Ansys 软件简介 Ansys 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、 流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车 工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有 限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析） 、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模 拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也 可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有 多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 10 PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 第三章液压油泵虚拟装配 3.1 虚拟现实技术与虚拟装配简介 3.1.1 虚拟现实技术 虚拟现实是利用计算机技术，对现实的运动进行模拟和声像演示。 在虚拟机过程中，操纵者可以身临其境地感觉到这个过程的运动情况，可以对设 备进行操纵，可以查看生产过程、实验过程、施工图过程、供应过程、物流过程等活 动的各种技术参数的动态值，从而确认现实的系统是否有能力完成预定的任务和如何 去完成，也可从中发现运动过程的缺陷和问题，予以改进。 典型的虚拟现实系统有以下几部分组成： 1.效果发生器。效果发生器是完成人与虚拟环境交互的硬件接口装置，包括人们 产生现实沉浸感受到的各类输出装置，例如头盔显示器、立体声耳机；还包括能测定 视线方向和手指动作的输入装置，例如头部方位探测器和数据手套等。 2.实景仿真器。实景仿真器是虚拟现实系统的核心部分，它实际上是计算机软硬 件系统，包括的软件开发工具及配套硬件组成，其任务是接受和发送效果发生器产生 或接收的信号。 3.应用系统。应用系统是面向不同虚拟过程的软件部分，它描述虚拟的具体内容， 包括仿真动态逻辑、结构，以及仿真对象及之间和仿真对象与用户之间交互关系。 4.几何构造系统。它提供描述仿真对象物理属性，例如形状、外观、颜色、位置 等信息，应用系统在生成虚拟世界时，需要这些信息。 。 3.1.2 虚拟装配 虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作 的正确与否，以便及早的发现状配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装 配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包 括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在 向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。 近几年虚拟装备(VA)技术在虚拟产品开发（VPD）技术和面向装配的设计（DFA） 技术的基础上发展了起来。VPD 是虚拟现实（VR）技术在制造业产品开发方面的具体应 用。VPD 的实质，就是在设计阶段对产品从设计到制造业产品开发方面的具体应用。 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 11 VPD 的实质，就是在设计阶段对产品从设计到制造的全过程同意建模，并通过仿真技术 在计算机上对虚拟产品进行快速反复迭代，使生命周期内的各个方面如产品性能，可 加工性，可装配性，可维护性等达到均衡优化。 1980 年，美国马萨诸塞大学的 G.Boothroyd 和 P.Dewhurst 正式提出了面向装配的 设计（DFA）这一概念，装配自动化的迫切雪球式这一技术产生与发展的动力。随着信 息技术的飞速发展，计算机软件，硬件性能日益提高，为 DFA 的研究提供了更好的工 具和环境，CIMS 的深入，并行工程和虚拟制造（VM）的兴起也为 DFA 的作用对象得以 拓展为涵盖产品开发过程中与装配相关的所有活动，集成化，并行化和拟实化石 DFA 研究发展的主要表现。 3.2 虚拟装配的方案和步骤 3.2.1 液压油泵泵轴装置装配顺序 按照厂家提供的资料中工艺规程的要求，液压油泵的安装顺序为：泵轴挡圈 泵轴承半圆键内转子外转子偏心套隔离套泵隔板半圆键内转子外 转子偏心套销泵轴承油泵体左泵盖垫圈螺栓密封盖板垫圈螺栓 键液压油泵泵轴装配完成。 3.2.2 装配动画的具体步骤 1. 导入文件 由于 Pro/E 中的整体装配图不能直接导入 3ds MAX 软件中，因此需要安装 PolyTrans 软件极其插件，利用该软件把 Pro/E 文件导入 3ds MAX 软件中，然后才可以 制作动画。 2. 建立动画 模型导入后对模型的各零件建立选择集并根据实际零件数及每个零件装配所用时 间进行估算，确定 Length（动画长度） 、Frames Per（每秒帧数）参数。本次设计 Frames Per 参数为 25f/s，Length 长度为 1900 帧。但当动画长度不够时可随时通过时 间设置选项进行修改。 3. 摄像机的建立 一部影片必然要由一台甚至多台摄像机的拍摄而成，因此在动画制作过程中摄像 机也是场景中必不可少的组成部分，它完全可以模拟显示生活中的摄像机。在 3ds max 中，摄像机有目标摄像机和自由摄像机两种，本课题虚拟装配的动画制作应用的是目 标摄像机。目标摄像机由摄像机图标，目标点和观察区三部分组成，用户可以分别调 整摄影机目标和目标点的位置。 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 12 目标摄像机的建立： 首先要点击右侧工具面板中的创建面板，然后选择摄像 机图标，然后选择目标摄像机，左键单击并拖动鼠标，在适当位置后释放鼠标左键， 确定摄影机图标和目标点位置，即可创建一个目标摄影机。 通过切换视窗操作，在摄像机窗口中可以通过导航器上的一些按钮来对摄像机进 行操作以达到最佳的观察效果。还可以在其他视窗通过调整摄影机图标和目标点位置 来调整观察方向。 在摄像机视图导航器中常用按钮的操作和含义如下： “推拉摄像机”该按钮通过鼠标的上下移动来沿视线的前后移动摄像机点。 “透视”该按钮通过鼠标的上下、左右移动来沿视线的前后移动摄像机点，并 同时改变摄像机的视野。 “视野”该按钮通过鼠标的上下移动来改变摄像机的视野。 “平移摄像机”该按钮通过鼠标的上下、左右移动来沿垂直于视线的方向来移 动摄像机点。 “环游摄像机”该按钮通过鼠标的上下、左右移动来沿摄像机点转动摄像机目 标点。 以液压油泵泵轴装置的泵轴承组成为例来说明该部件的装配： 1)打开 3dsmax 文件，建立摄像机，预先调整好摄像机角度，使油泵装置能够在画面中完整显示。 先在选择集中选定泵轴，把最后装配位置的关键点挪动至 75 帧，记录该时的位置， 右键时间滑块设置关键帧。修改零件在空间中的位置，泵轴至可视范围外，挪动关 键点滑块至 0 帧，记录该关键点。 2) 在选择集中选定挡圈，把最后装配位置的关键点挪动至 125 帧，记录该时的位置。 修改零件在空间中的位置，拖动挡圈至可视范围外，挪动关键点滑块至 75 帧，记 录该关键点。 3) 在选择集中选定泵轴承，把最后装配位置的关键点挪动至 175 帧，记录该时的位置。 修改零件在空间中的位置，拖动泵轴承至可视范围外，挪动关键点滑块至 125 帧， 记录该关键点。 4) 从选择集中选定半圆键，把最后装配位置的关键点挪动至 225 帧，记录该关键点。 拖动半圆键至可视范围外，挪动关键点滑块至 175 帧，记录该关键点。 5) 从选择集中选定内转子，把最后装配位置的关键点挪动至 300 帧，记录该关键点。 拖动内转子至可视范围外，挪动关键点滑块至 225 帧，记录该关键点。 6) 从选择集中选定外转子，把最后装配位置的关键点挪动 375 帧，记录关键点。拖动 外转子至可视范围外，挪动关键点滑块至 300 帧，记录该关键点。 （如图 3-1） 7) 从选择集中选定偏心套。把最后装配位置的关键点挪动 425 帧，记录关键点，拖动 偏心套至可视范围外，挪动关键点滑块至 375 帧，记录该关键点。 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 13 8) 从选择集中选定隔离套，把最后装配位置的关键点挪动至 475 帧，记录该关键点。 拖动隔离套至可视范围外，挪动关键点滑块至 425 帧，记录该关键点。 9) 从选择集中泵盖板，把最后装配位置的关键点挪动至 550 帧，记录该关键点。拖动 泵盖板至可视范围外，挪动关键点滑块至 475 帧，记录该关键点。 10) 从选择集中选定半圆键。把最后装配位置的关键点挪动 600 帧，记录关键点。拖动 半圆键至可视范围外，挪动关键点滑块至 550 帧，记录该关键点。 11) 从选择集中选定内转子。把最后装配位置的关键点挪动 675 帧，记录关键点。拖动 内转子至可视范围外，并逆时针旋转内转子为 720 度，挪动关键点滑块至 600 帧， 记录该关键点。 12) 从选择集中选定外转子。把最后装配位置的关键点挪动 750 帧，记录关键点。拖动 外转子至可视范围外，挪动关键点滑块至 675 帧，记录该关键点。按照上述方法， 以先设置最后装配位置然后设置初始位置的关键帧为原则。将剩余的零件设置关键 帧。 13) 摄像机角度旋转的设置，将关键点拖动到 1525 帧，选择摄像机，右键时间滑块设 置关键帧。旋转摄像机到适当角度，挪动关键点滑块至 1875 帧，右键设置关键帧。 泵轴装配完成。 （如图 3-2） 本次设计使用 3ds MAX 软件做虚拟装配是需要注意：一是装配之前需建立选择集。 确定物件名称。由于 Pro/E 中的零件是以 BOM 表中的物料号和图纸号来记录，所以建 立选择集会使动画制作更加简单。选择集的建立必须取消设置关键点，因此要求操作 者在分析部件之后首先创建选择集，否则在对选择集做动画时不能移动选择集。 图 3-1 油泵泵轴的部件装配图 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 14 图3-2液压油泵泵轴整体装配图 当装配动画完成后还需要对零件进行附加材质，才能使整个装配演示看起来更加 逼真。点击右侧上方窗口中材质库，选择认为合适的材质对应的图标就可以将相应的 材质贴到零件的表面。通过调整材质库中材质的性能参数来调节零件的光泽度，透明 度等各个参数。 3.2.3 动画生成 1.渲染图片 渲染是在 3ds max 中制作效果图的最后一步工作，但也是很重要的一步，一幅效 果图如果渲染的不好，将会影响到动画的质量。 该按钮主要是用于渲染单帧图片，以便检查该图片是否符合动画制作的标准。 该按钮主要用于对渲染条件进行重新设置，是标准的渲染工具，单击该按钮可 打开渲染场景对话框。渲染场景对话框打开后要对参数进行设置，在时间输出设置中， 通过不同需要对单选按钮进行选择。输出大小的设置中，需要把宽度改为 1024，高度 改为 768，将强制双面和两盏灯按钮打开，设置图片保存的路径。完成以上工作后，点 击渲染，开始工作。 2.文字标注 文字标注是在软件中，首先载入需要进行标注的图片（步骤 1 中渲染后图片） ，双 击最大后新建图层，将前景颜色选择为黄色，在新图层中选择合适的线型和文字进行 标注，隐藏背景保存为 psd 文件。 3.合成动画 首先运行 After effect 软件，将渲染出的 jpg 格式动画图片和 psd 格式图片全部 导入到 After effect 中，然后将图片拖入时间段模块的视频栏，将标注图片拖入其上 方的视频栏，找到与部件装配相匹配的时间点，最后对动画进行预览，确认无误后输 出即可。 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 15 3.3 液压油泵虚拟装配总结 本章虚拟装配利用导入的液压油泵实体模型，结合 3ds max 制作拟实动画，把装 配的过程进行了三维动态处理。实现了液压油泵三维虚拟动态装配，利用这一方法可 以对液压油泵装配进行虚拟仿真，同时可指导装配者轻松地完成液压油泵装置。 本次设计使用 3ds max 软件做虚拟装配时作出如下总结： 1首先在导入装配图后，将装配动画所需要的部件建立集合并命名，这样在后来装配 时便于寻找和选择相关部件。将暂时用不到的零件先予以隐藏，节省电脑资源，防止 画面运作不流畅。 2尽量使零件的装配动作和装配位置更加明显，清晰。这就需要当零件装配时的镜头 尽量显示在屏幕的中央，而且镜头越近越好。零件在视窗外的位置要越远越好，避免 在旋转镜头的时候出现无关零件。 3.为了达到更好的观察效果，在装配过程中要经常调整摄像机位置，在摄像机移动的 前后都要记录其关键点，要把摄像机也要当做一个零件一样进行操作。 4零件装配速度不宜太急，也不宜太缓，应把握好节奏，尽量使其保持一致。 5为对各部件进行更好的区分，需要对部件进行附材质操作。点击右侧上方窗口中材 质库，选择认为合适的材质对应的图标就可以将相应的材质贴到零件的表面。通过调 整材质库中材质的性能参数来调节零件的光泽度，透明度等各个参数。 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 16 第四章 液压油泵的轴有限元分析 本次设计采用 HyperMesh 软件进行液压油泵的轴的有限元网格划分，以及工况卡 片的建立，然后通过 Ansys 软件对由 HyperMesh 处理过的模型进行分析计算得出结论。 4.1 有限元基本理论简介 有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看 成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的） 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件） ，从而得到问题的解。 这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数 实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因 而成为行之有效的工程分析手段。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是 具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区 域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的 有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细） 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解 域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问 题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等 价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其 中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的 离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵） 。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要 的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不 仅精度低，而且将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组） ，反映对 近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在 相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 17 组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。 对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重 复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有 限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信 息，了解计算结果。 4.2 有限元分析基本步骤 从使用有限元程序的角度看，对转臂的有限元分析可分为三个步骤，即有限元分 析的前处理、有限元分析的计算和有限元分析的后处理。 1.前处理 1）建立分析结构的几何模型。本次分析的转臂模型是以 IGES 文件格式为中介， 从 Pro/E 系统中获取几何模型。 2）根据分析对象和目的，确定有限元网格划分方案，建立有限元分析的计算模型。 3）确定并施加边界条件（结构所受的载荷和约束） 。 2.计算 是在形成总刚度方程并经约束处理后求解大型联立线性方程组，最终得到节点唯 一的过程。 3.后处理 对计算输出的结果（包括各种应力、位移）进行必要的处理并按一定的方式（如 等应力线、变形图）显示或打印出来，以便对分析对象的性能或设计的合理性进行分 析、评估，从而作出相应的改进或优化。 接下来对液压油泵的轴有限元分析的部分步骤进行阐述。 4.3 液压油泵的轴有限元分析主要步骤 4.3.1 有限元网格的创建 在转换成 IGS 导入模型之后，首先要进行几何模型的修复，可以通过自动修复按 键进行自动修复。之后就可以进行有限元网格的划分，具体步骤如下： 首先在 3D 页面上选择 Tetramesh 面板再选择 Volume Tetra 子面板，点击 Surf 处 于激活状态，选择模型的一个表面，模型的所有相邻表面都会被自动选中显示为白色。 将 2D 选项设置为 Trias，3D 选项设置为 Tetra，这些设置用于控制零件的表面网 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 18 格和实体网格的单元类型。确认 Use Curvature 和 Use Proximity 选项是关闭的，在 Element Size= 输入框中输入 2，点击 Tetmesh，自动创建四面体网格。模型如图 4-1 图 4-1 划分网格的有限元模型 通过以上步骤，完成网格划分，共建立 13866 个节点，59096 个有限元网格。 4.3.2 刚性单元的创建 刚性单元的建立需要首先创建刚性节点然后通过节点进行刚性连接成为刚性单元。 1.创建刚性节点 在 Geom 菜单中选择 Distance，选择 Two Nodes 子面板，在孔的内壁上选择距离最 远的两个节点，作为两个节点 N1 和 N2，点击 Nodes Between=，输入数值 1。点击 Nodes Between 创建中间节点，此点位中心点，点击 Return。 2创建刚性连接 在 1D 面板中选择 Rigids 面板，选择 Create 子面板，点击与 Dependent 旁按键， 切换为 Multiple Nodes。选择以创建的中心节点作为 Dependent Nodes，点击 Dependent 后的 Nodes，选择 By Geoms 后选择 Surf,进入选项卡后选择 By Face。在内 壁上选取整个面，点击 Add To Selection，最后点击 Create 创建完成.重复以上步骤， 完成其余 2 个孔的刚性单元建立。模型如图 4-2 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 19 图 4-2 刚性单元建立 4.3.3 相关属性的创建 该有限元模型主要需创建单元类型和材料属性。 1.创建单元类型 在 Ansys 模板中，选择 ETtype 起名为 solid，在 card image 中选择 solid45，单 击 creat，单元创建完成。同样方法创建 mass 单元，在 card image 中选择 mass21， 单击 creat，单元创建完成。 2.创建材料属性 本模型选用 Q345 钢作为材料。在菜单中选择“Materials” ，在弹出菜单中输入名 称“steels” ， “card image”中选择“MATERIAL” ，单击“Creat/Edit”,输入材料的 弹性模量为 206000000，密度为 7.8e-6，泊松比为 0.2，单击“return” ，至此材料属 性创建完毕。本次设计默认计算单位的量纲为 mN，mm，kg，kPa，使用其他单位时会进 行换算说明。 4.3.4 约束和载荷的创建 对有限元模型施加边界条件的原则就是：在反映真实情况的前提下，对力和载荷 进行合理的简化。在施加边界条件的过程中还要具体情况具体对待，综合考虑模型结 构、分析目的、试验数据等因素。液压油泵的轴的受力形式为在连接构架处受到约束， 另一端连接轴箱处受到横向载荷和垂向载荷，因此在分析时需要在有两个孔一端的刚 性节点处分别添加约束，另一端的刚性节点施加载荷，具体操作如下： 1.准备工作 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 20 在工具栏中点击 Collector，进入 Create 子面板后设置创建的集合类型为 Load Collectors，设置 Name 分别为 Forces1，Forces2 和 Spc，切换创建方法至 No Card Image 点击 Return 返回主菜单。 2.在 A.B 两个刚性节点上施加约束（Spc） 在 Analysis 页面中，选择 Constraints 面板，点击 Create 子面板，类型选择为 Nodes。激活自由度(Dof)1 到 6，点击 Create,在点上创建约束。设置 Size=为 50，激活 选项 Label Constraints 点击 Return 返回主菜单。 图 4-3 添加约束面板 3.在 C 刚性节点上施加载荷 考虑液压油泵的轴垂向会一直受到一个沿 Z 轴负方向的压力。通过以上分析建立 两种载荷情况，如表 表 载荷表 载荷名称载荷大小（方向） Forces119600N(Y 轴正方向) 具体方法为选择已创建的 Forces1 右击选择 MakeCurrent 设置为当前，然后在 Analysis 页面中选择 Forces 面板中选择 Create 子面板，激活 Nodes 后，点击刚性节点 C，再设置“Magnitude=”的值为 19600000,将方向选项由 N1,N2,N3 切换至 X-Axis，点 击 Create 创建力，即可创建一个大小为 19600000mN，方向为 Y 轴正方向的力，点击 Create 创建力。点击 Return 返回主菜单，载荷 Forces1 施加完成。载荷添加面板如图 4-4 图 4-4 添加载荷面板 全部边界条件创建后的效果图如图 4-5 大连交通大学 2010 届本科生毕业设计 (论文) 21 图 4-5 边界条件