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自卸举升机构的仿真和结构有限元优化 摘要 随着我国汽车行业中c a d 技术得到逐步推广与普及，虚拟样机技术由于 它综合了多种先进方法和技术，并在缩短产品开发周期、降低成本等方面的推 动作用明显，而得到快速发展。在汽车行业中导入虚拟样机技术，籍此提高汽 车产品的设计质量和效率，也是利用先进技术改造传统汽车产业的一个重要方 向。 本文通过运用虚拟样机技术，以s o l i d w o r k s c o s m o s 作为设计工具，对 自卸汽车举升机构进行仿真设计。根据整车设计要求，首先通过自上而下的设 计方法对自卸汽车举升机构进行整体方案设计，由s o l i d w o r k s 进行二维运动学 仿真初步确定机构联接参数，再进一步由s o l i d w o r k s 建立自卸车举升机构三维 模型，运用c o s m o s 对其进行运动学及动力学仿真分析。本文通过仿真技术 与有限元技术的联合运用，对举升机构重要零件进行结构分析与优化设计，实 现对举升机构零部件的结构优化和轻量化设计，对虚拟样机技术在工程实践中 的应用进行了积极的探索。 关键词：自卸汽车举升机构虚拟样机仿真有限元优化 i v s i m u l a t i o nd e s i g no fd u m pt r u c kl i f t i n gm e c h a n i s m a n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nb yf e a ab s t r a c t a l o n gw i t ht h ep o p u l a r i t yo fc a d i na u t o m o b i l ed e s i g n ，a p p l i c a t i o no f v i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g y i s b e c o m i n gm o r ei m p o r t a n tb e c a u s ei t i n t e g r a t e sm a n ya d v a n c e dt e c h n o l o g ya n dm e t h o da n db e n e f i t st os h o r t d e v e l o p m e n tc i r c l e s oi t sat r e n di na u t o m o b i l ei n d u s t r y t h r o u g hu s i n g v i t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ，a u t op r o d u c t sd e s i g nl e v e la n de f f i c i e n c y c a nb ei m p r o v e d h e r e ，b a s e do nv i t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ，t h el i f i t i n gm e c h a n i s mo f d u m pt r u c ki sd e s i g n e du s i n gs o l i d w o r k s c o s m o sa s t 0 0 1 i nt h e a r t i c l e ，f i r s t l y ，a c c o r d i n g t ot h e d u m p t r u c k d e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h e o v e r a l l d e s i g np l a no fl i f i t i n g m e c h a n i s mi sd e t e r m i n e d t h e nt h e p r e l i m i n a r yc o n n e c t i n gp a r a m e t e r i sc h o i c e d b y t w o d i m e n s i o n a l m o v e m e n ts i m u l a t i o nt h r o u g ht h et o p - d o w nd e s i g nm e t h o d f u r t h e rt h e d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lf o rt h el i f t i n gm e c h a n is mo fd u m pt r u c ki s e s t a b l i s h e da n dt h e d y n a m i cs i m u l a t i o n i s p e r f o r m e db a s e do n t h e d y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r e l a s t ，b yu n i t e d f e at e c h n o l o g y ，t h ep a r t s t r u c t u r eo ft h el i f t i n gm e c h a n i s mh a sa n a l y z e d ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n a n dl i g h t w e i g h td e s i g ni sr e a l i z e d i nt h i s p a p e r ，i tm a k e sp o s i t i v e e x p l o r a t i o nt on e wd e s i g nm e t h o do fl i f t i n gm e c h a n i s md u m pt r u c ki nt h e e n g i n e e r i n gp r a t i c e k e yw o r d s ： d u m pt r u c k ；l i f t i n gm e c h a n i s m ；v i r t u a lp r o t o t y p e ； s i m u l a t i o n ；f e a ； o p t i m i z a t i o n v 插图清单 图3 1 整车总布置图7 图3 2 直推式举升机构布置形式8 图3 3 连杆组合式举升机构布置形式8 图3 - 4 理想的油压特性曲线示意图1 1 图3 5 举升机构样机等效模型简图12 图3 - 6 自卸机构在整车中的二维布置图1 3 图4 1 三角板的草图尺寸1 5 图4 2 三角板的三维模型1 6 图4 3 拉杆的草图尺寸1 6 图4 4 拉杆的三维模型1 6 图4 5 车厢的三维模型1 7 图4 6 副车架的三维模型1 7 图4 7 货物的三维模型17 图4 8 自卸机构的虚拟样机模型1 8 图4 9 拉杆与三角板干涉检查图1 8 图4 1 0 调整后的拉杆三维模型1 8 图4 1 1 仿真结束时刻的自卸机构模型图2 0 图4 1 2 举升角度随举升时间变化曲线图2 0 图4 1 3 车厢角速度随举升时间变化曲线图2 0 图4 1 4 车厢角加速度随举升时间变化曲线图2 l 图4 1 5 车厢( 含货物) 质心速度随举升时间变化曲线图2 l 图4 1 6 车厢( 含货物) 质心加速度随举升时间变化曲线图2 1 图4 1 7 油缸摆角( 与车架平面夹角) 随举升时间变化曲线图2 2 图4 1 8 油缸角速度举升时间变化的曲线图2 2 图4 1 9 油缸角加速度举升时间变化的曲线图2 2 图4 2 0 拉杆质心加速度随举升时间变化曲线图2 3 图4 2 1 三角板质心加速度随举升时间变化曲线图2 3 图4 2 2 油缸推力随举升时间变化曲线图2 4 图5 1 举升过程三角板对拉杆的拉力2 7 图5 2 回落过程三角板对拉杆的压力2 7 图5 3 拉杆所受约束与受拉最大载荷2 8 图5 4 拉杆所受约束与受压最大载荷2 8 图5 5 拉杆网格模型图2 9 图5 6 拉杆受最大拉力下的应力图解2 9 图5 7 拉杆受最大拉力下的位移图解3 0 图5 8 拉杆受最大压力下的应力图解3 0 图5 9 拉杆受最大压力下的位移图解3 1 图5 1 0 某一时刻三角板受力图3 2 图5 11 油缸对三角板作用力曲线图3 2 图5 1 2 拉杆对三角板作用力曲线图3 2 图5 1 3 车厢对三角板作用力曲线图3 3 v i i i 图5 1 4 三角板网格模型图3 4 图5 15 举升过程三角板最大应力变化图3 5 图5 1 6 三角板应力图解3 5 图5 17 三角板静态位移图解3 6 图5 1 8 结构改进后的三角板模型3 7 图5 1 9 结构改进后的三角板基本尺寸3 7 图5 2 0 改进后的三角板应力图解3 7 图5 2 1 改进后的三角板静态位移图3 8 图5 2 2 三角板局部静态位移图一3 8 图6 1 三角板尺寸优化设计变量4 3 图6 2 油缸自激振动及对油缸推力的影响4 4 图6 3 改进前三角板第一阶振型图4 4 图6 4 改进前三角板第二阶振型图4 4 图6 5 改进前三角板第三阶振型图4 5 图6 。6 改进前三角板第四阶振型图4 5 图6 7 设计目标随迭代次数的变化4 6 图6 8 设计约束( 应力) 随迭代次数的变化4 6 图6 9 设计约束( 合位移) 随迭代次数的变化4 7 图6 1 0 设计变量( r d lr d 2r d 3 ) 随迭代次数的变化4 7 图6 1 1 设计变量( r d 3r d 4i m 5 ) 随迭代次数的变化4 7 图6 1 2 有限元优化后的三角板三维模型4 8 图6 1 3 优化设计后的三角板静态位移图4 8 图6 1 4 优化设计后的三角板应力图解4 8 图6 1 5 优化设计后的三角板的第一阶振型图4 9 图6 1 6 优化设计后的三角板的第二阶振型图4 9 图6 1 7 优化设计后的三角板的第三阶振型图4 9 图6 1 8 优化设计后的三角板的第四阶振型图5 0 插表清单 表3 1 自卸汽车举升机构特性比较9 表3 2 常见货物的安息角1 0 表3 3 初选举升机构各连接点参数坐标1 3 表3 4 调整后的举升机构各连接点坐标1 3 表5 1 三角板材料属性2 8 表5 2 拉杆实体网格模型属性2 9 表5 3 三角板材料属性3 4 表5 4 三角板实体网格模型属性3 4 表6 1 优化结果与初始值比较4 7 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金目曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：。歹砣乡 签字日期：纱，罗年，阴r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 旦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： a 伽 v 签字日期：章否年乙月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：7 孳乏畏 签字b 期：g 年，i 月，口日 电话： 邮编： 致谢 本文的研究工作是在我尊敬的导师陈无畏教授的精心指导和悉心关怀下完 成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导 师严谨的治学态度、渊博的知识、高尚的品质、诲人不倦的学者风度和无私的 奉献精神使我深受启迪。我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人 的道理。在今后的学习、生活和工作中我将切实铭记导师的教诲。 我要感谢我的家人，他们不仅给与我物质上的支持，而且给予我精神上鼓 励，他们的关心和支持一直是我求学路上的动力，时刻鼓励和鞭策着我一直向 1 厶 丹no 感谢所有关心、爱护我的人! v i 作者：孙旭 2 0 0 8 年1 1 月18 日 1 1 国内外自卸汽车研究现状 第一章绪论 汽车已是推动现代文明的工具，随着物质文明的不断提高，在社会商品和信息交 流中，汽车的作用日趋重要和必不可少。汽车工业发展的经济效益不只是汽车本身， 而集中表现在汽车使用和流通的全过程中。由于社会主义市场经济在不断发展和完善 中，社会对汽车运输的效益以及各种功能和性能的要求越来越高，从而使汽车运输向 专用化方向发展成为必然趋势。专用车辆是汽车运输发展的产物，作为专用车辆品种 之一的自卸汽车，几十年来在国内外获得迅速发展与普及，至今其保有量大约占专用 汽车的2 5 ，并且日趋完善，成为系列化多品种的产品。 自卸汽车是一种由举升机构操作能自动倾卸物料的运输车辆，在多种领域中广泛 应用。自2 0 世纪出现以来，不断发展，日趋完善，己成为当今货物运输的主要车辆 之一。自卸汽车具有高度机动性和卸货机械化等优点，可以实现全部装卸机械化，从 而可以大大缩短装卸时间，提高运输效率，并可节省劳动力，减轻劳动强度。随着汽 车制造业的发展，自卸汽车不断采用新材料、新工艺，提高其质量利用系数，具有较 大的速度范围和较高的传动效率，控制和操纵更完善，更方便。 各国十分重视在自卸汽车上采用先进技术，全面提高自卸汽车的内在质量和使用 性能。随着使用范围的不断扩大，用户要求的不断提高，自卸汽车正朝着多品种、系 列化、小批量的方向发展，并广泛采用计算机辅助设计，以提高设计质量和缩短研制 周期。 1 2 举升机构的研究现状和选题缘由 自卸汽车一般是在同吨位级的载货汽车上进行改装，也就是利用载货汽车除车厢 以外的各总成，附以专门设计的车厢、副车架、液压倾卸机构及动力传动装置，车厢 的倾翻动作是由举升机构完成。举升机构作为自卸汽车上的一个特征机构，其设计质 量就成为影响自卸汽车整车性能的关键因素。 举升机构是自卸汽车的关键部件，据调查，目前很多厂家，特别是一些低速载货 汽车生产厂家，受设计人员的技术水平等多方面的限制，在进行举升机构的设计时所 采用的方法还比较落后，其主要方法是对于不同装载质量的自卸汽车举升机构，根据 现有自卸汽车举升机构的大小，凭经验按照一定的比例加大或缩小相应构件的尺寸设 计而成，这就是传统的经验类比法。但由于举升机构结构的复杂性以及机构铰点位置 布置困难，所以在决定实际结构时往往取较大的安全系数，结果使得产品“傻大粗”， 材料的潜力不能充分发挥，产品性能也难以保证，只能靠一次次地设计试验来改进， 这样设计出的举升机构存在许多不合理的因素，影响白卸汽车举升性能的提高，也导 致设计制造周期长、成本高，严重阻碍着自卸汽车产品的发展。 针对传统设计的不足，已有不少院校和研究所对自卸机构进行探讨研究，其中典 型代表是武汉理工大学、青岛建筑工程学院、北京科技大学、木卫自卸车技术公司的 研究，主要方向一是编制计算机程序，开发c a d 系统，如文献 1 的武汉理工大学开 发的自卸车快速c a d 系统、木卫自卸车技术公司开发的举升机构计算分析系统软件， 这一研究体现在9 0 年代后期。另一方向是伴随着计算机技术飞速发展，自卸举升机 构的研究相对集中在基于商业软件上的虚拟仿真优化分析，如文献 2 、 3 、 4 等对自卸汽车及自卸机构的分析。对以上两种方向，在企业实际的开发运用中，编 制计算机程序的方法，对开发人员的计算机知识要求很高，在研究机构和高等院校中 有所采用，但对于企业来说，应用很少，需要研究机构结合企业的实际需要，建立紧 密联系，方能得到推广使用。对于采用商业软件进行虚拟仿真设计的方法，大多采用 p r o e 、u g 等来建立模型，再通过a n s y s 进行有限元分析，这需要将零件模型与分 析模型进行转化。在实际运用中，需要开发人员能熟练操作三维设计软件、理解掌握 有限元建模的方法及对运行结果正确分析判断的能力，否则这种虚拟设计有可能与真 实情况会存在很大偏差。 因此，寻求一种适合于企业一线产品开发工程师的先进设计手段和方法，以提高 汽车举升机构的设计质量，获得具有良好工作性能的举升机构，有着很好的研究意义 和实际应用价值。 1 3 课题研究意义 我国自卸汽车的设计水平和国外相比还有一定的差距，有些企业甚至还停留在手 工设计的水平上，而手工设计显然还存在着很多缺陷，所以必须加快技术创新的步伐 以适应社会的进步和时代的发展。电子计算机的发展为此提供了有利的条件，以计算 机为辅助手段的计算机辅助设计( c a d ) ，优化设计软件及计算机图形学与设计人员丰 富的实践经验的完美结合，使得自卸汽车举升机构的虚拟设计成为现实，这一设计上 的巨大进步带来的经济效益也将是巨大的。 汽车工业c a d 技术的应用水平是衡量一个国家汽车工业水平的重要指标之一， 汽车工业作为国家支柱产业，一直是c a d 技术应用的先锋和大户。c a d 技术的不断 发展和广泛应用，不仅仅在于它能提高产品的质量和缩短产品的周期，更主要的是： c a d 技术是当代最杰出的工程技术成就之一，它从根本上改变了过去用手工绘图、 依靠图纸组织整个生产过程的技术管理模式。因此，它对传统产业的改造、新兴技术 和产业的兴起和发展、我国汽车工业国际竞争力的增强等方面，均能产生巨大的推动 作用。进入9 0 年代后，国际市场的竞争更加激烈，汽车公司对c a d 技术的需要更加 迫切。为此，世界上很多国家和汽车公司都把发展c a d 技术集成化作为它们的战略 目标。以计算机为辅助手段的计算机辅助设计( c a d ) 与传统设计的作图试凑法相比， 其特点是： ( 1 ) 设计过程中必要的反馈，可以对较多的影响因素进行调整( 多参数调整) ； 2 ( 2 ) 运用电子计算机运算速度快，逻辑判断能力强的优点，可以实现多种方案的 设计计算与比较，从而能够产生较优的设计结果。 本课题针对企业的需要，在实际生产之前，首先在计算机中建立举升机构的虚拟 样机，以进行机构的形状显示、运动模拟、干涉检验等，并通过运动学和动力学仿真 分析对机构进行性能评价和分析。虚拟设计不仅可以加速开发过程，避免或减少代价 极高的设计差错，而且易于实现产品的系列化设计。本文通过具体的设计案例，总结 了一套适合于工程实践且行之有效的设计方法和流程，对同类产品的开发将有一定的 参考意义。 1 4 课题主要研究内容 本课题主要的工作是针对某厂开发的一款载货自卸汽车，采用虚拟仿真技术进行 设计研究。具体的工作如下： ( 1 ) 基于整车参数的自卸机构方案的研究和确定； ( 2 ) 通过仿真软件对机构进行二维建模仿真，获取机构布置的必要的位置参数； ( 3 ) 通过自上而下的设计方法由仿真软件对机构三维建模，建立虚拟样机； ( 4 ) 对举升机构进行运动学分析和动力学仿真分析，获取机构在装载自卸运动过程的 参数和受力情况，并对此进行分析； ( 5 ) 通过运动仿真，获取机构零部件的最大载荷，并输入有限元分析软件，对其进行 有限元分析，根据分析结果对结构改进； ( 6 ) 对零件进行优化设计，保证零件在具备足够的强度和刚度条件下，实现进一步轻 量化的目标： ( 7 ) 产品设计流程的总结。 第二章虚拟样机技术及s 0 1 i d w o r k s c o s m o s 简介 2 1 虚拟样机技术简介 2 1 1 虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t ，r p i n gt e c h n o l o g y ) 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( 指在某一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 综合在一起， 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。 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，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏 性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复 始的设计一实验一设计过程，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反应了。样机的单机 手工制造增加了成本，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。在竞争的市场背景下，基于实际样机 上的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高，成本的降低和对市场的占有率。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c a d 系统所提供 的各零部件的物理信息及其几何信息，在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。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，进行对物理样机而言难以进行或根本 无法进行的试验，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 计过程当中，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提高。 2 1 2 虚拟样机技术的形成和发展 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量零部件构成 的系统，对它们进行设计优化与性态分析时可以分为两大类。一类称为结构，它们的 特征是在正常的工况下构件间没有相对运动，如房屋建筑、桥梁、各种车辆的壳体以 及各种零部件的本身。人们关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性。 另一类称为机构，其特征是系统在运行过程中这些部件间存在相对运动。如航空航天 器、机车与汽车、操作机械臂、机器人等复杂机械系统，这些复杂系统的力学模型为 多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统。对于复杂机械系统人们关心的问题 大致有三类，一是在不考虑系统运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态及其他们 变化速度与加速度的关系，称为系统的运动学分析；二是当系统受到静载荷时，确定 在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副静反力，这类问题称为系统的静力学分 析；三是讨论载荷与系统运动的关系，即动力学问题。 随着机械系统的构型越来越复杂，表现为这些系统在构型上向多回路与带控制系 统方向发展。高速车辆对操纵系统与悬架系统的构型提出更高的要求，有的已采用自 动控制环节。机器人与操作机械臂在工业与生活中将普遍采用，要求高速与准确的操 作以及能在恶劣的环境下工作，这些对系统的构型也提出新的要求。不仅如此，机械 系统的大型化与高速运行的工况使机械系统的动力学性态变得越来越复杂。如大型的 高速机械系统各部件的大范围运动与构件本身振动的耦合，振动非线性性态的表现 等，复杂机械系统的运动学、静力学与动力学的性态分析、设计与优化向科技工作者 提出了新的挑战。 虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，但没有成熟的三维 计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟样机技术也不会成熟。虚拟样机技 术在技术与市场两个方面的成熟与计算机辅助设计( c a d ) 技术的成熟及大规模推广 应用分不开。首先，c a d 中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造 性设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去做，这样，设计师就有额外的精力关注 设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题 变得简单。第三，由于c a d 强大的三维几何编辑修改技术，使机械系统设计的快速 修改变为可能。虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的制约，一个明显的例子是 它对于计算机硬件的依赖，这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。另外数值方法上的 进步发展也会对基于虚拟样机的仿真的速度及精度有积极的影响。 综上所述，虚拟样机技术是许多技术的综合，它的核心部分是多体系统运动学与 动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学一个分支的数值算法及时地提供了求解 这种问题的有效的快速算法。计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了 友好的用户界面。c a d f e a 等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。 目前，虚拟样机技术己成为一项相对独立的产业技术，它改变了传统的设计思想，对 制造业产生了深远的影响。 2 1 3 虚拟样机技术的工程应用 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚 拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成，目前有二十多家 公司在这个日益增长的市场上竞争，比较有影响的产品有a d a m s 、c o s m o s 等。 虚拟样机技术已经广泛地应用到汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业 及通用机械制造业等领域。如利用虚拟样机软件a d a m s c a r 模块，工程师可以快速 地建造高精度的整车虚拟样机( 包括车身、悬架系统、传动系统、发动机、转向机构 和制动系统等) 并进行仿真，通过高速动画直观地显示在各种试验工况下( 例如不同 的天气、道路状况和驾驶员) 的整车动力学响应，并输出表示操纵稳定性、制动性、 乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖。 现在世界上主要汽车制造商都在利用虚拟样机技术，借此可以对汽车零部件进行 静态、动态性能分析，可装配性分析，以及从整体的角度对汽车的各种性能进行分析 与预测，包括汽车的空气动力学特性、声学特性、振动特性、操纵稳定性、乘坐舒适 性、碰撞安全性等。通过计算机仿真，可以大大减少对物理样机试验的要求，而且具 有费用低、便于修改、试验结果可存储可回放等优点。在各个领域里，针对各种产品， 使用虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间，并提供了满意的设计方案。 2 2s o l i d w o r k s c o s m o s 简介 本文通过s o l i d w o r k s 建立虚拟样机模型，运用c o s m o s m o t i o n c o s m o s w o r k s 进行运动和动力学仿真分析、有限元结构分析和优化设计，以下对其主要特点和功能 进行介绍。 ( 1 ) s o l i d w o r k s 介绍 s o l i d w o r k s 是在目前市场上主流三维设计软件之一。在三维c a d 解决方案中， 使用s o l i d w o r k s ，整个产品设计是可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间是全 相关的，设计过程简洁、方便。 ( 2 ) c o s m o s m o t i o n c o s m o s w o r k s 简介 c o s m o s m o t i o n 可以模拟装配体的机械动作以及它们产生的作用力。 c o s m o s w o r k s 是与s o l i d w o r k s 完全集成的结构分析软件，提供了单一屏幕多学科 解决方案来进行结构强度分析、运动学和动力学性能分析。由于同s o l i d w o r k s 的高集 成性，使得c o s m o s w o r k s 可以直接运用s o l i d w o r k s 模型进行分析，不存在格式转 换的问题，使得产品设计者在产品设计阶段就能进行产品验证和优化。 c o s m o s m o t i o n 与c o s m o s w o r k s 共同配合使用，通过确定各种相关因素( 如能量 消耗、运动零件之间的干涉等) ，有助于确定设计方案是否会失效、零件将在何时断 裂以及它们是否存在安全隐患等，能快速高效地协助工程师在产品的设计过程中的验 证，缩短产品开发周期。 第三章某自卸汽车整车参数和自卸机构方案确定 3 1 整车主要尺寸和质量参数的确定 某车辆厂开发一款自卸汽车，前期，根据车辆的使用环境、用户使用状况、同类 车型的现状以及有关标准，依据市场调查报告和设计任务书的要求进行了总体布置。 l 、确定的整车主要尺寸参数如下： 整车外形尺寸( 长宽高) ： 6 0 0 0r r l l t l 2 0 0 0m n l 2 2 0 0m m 轴距：3 4 0 0t u r n轮距( 前后) ：1 6 5 0n u n 1 6 3 0n l r n 煎悬惦悬：1 2 0 0m m 1 4 0 0m m 接近角离去角：3 0 0 3 1 0 车厢内部尺寸( 长宽高) ：4 0 0 01 t i i i i x2 0 0 0r n l n 8 0 0i t l n l 最小离地间隙：2 2 0m m 2 、质量参数如下： 整各质量：4 0 0 0k g 空载前轴荷：1 8 0 0k g ，占4 5 7 空载后轴荷：2 2 0 0k g ，占5 5 3 实际装载质量：5 5 0 0 k g 满载前轴荷：3 7 0 0k g ，占3 5 3 满载后轴荷：5 8 0 0k g ，占6 5 。7 3 、车型的主要零部件、总成的布置情况为： ( 1 ) 、整车采用主、副车架的形式，自卸机构部分安装在副车架上； ( 2 ) 、整车的车架总成，外宽：8 0 0m m ；内宽：6 8 0a i m | ( 3 ) 、主车架纵梁为槽钢，其宽度：6 0i t i i l l 、高度：2 2 0m m 、厚度：5 0m m ，材料：1 6 m n l 副车架纵梁采用1 4 a 型槽钢。 总体布置图如下： 图3 1 整车总布置图 7 3 2 举升机构方案的选择 3 2 1 液压举升机构简述 目前在自卸车上广泛采用液压举升机构，根据油缸与车厢底板的连接方式，常用 的举升机构有两种形式：油缸直接推动式和连杆组合式两大类。直推式举升机构利用 液压油缸直接举升货厢倾卸货物。此结构布局简单、结构紧凑、举升效率高。但由于 液压油缸工作行程长，故一般要求采用单作用的2 级或3 级伸缩式套筒油缸。按油缸 布置位置不同，直推式举升机构可分为前置式和后置式( 亦称为中置式) 两种，如图3 2 所示。前置式一般采用单缸，后置式既可采用单缸，也可采用并列双缸。 在相同举升载荷条件下，前置式需要的举升力较小，举升时货箱横向刚度大，但 油缸活塞的工作行程长：后置式的情况则与前置式的相反。 ( a ) 前置直推式举升机构 ( b )后置直推式举升机构 图3 2 直推式举升机构布置形式 油缸与车厢底板之间通过连杆机构相连接，这种举升机构称为连杆组合式举升机 构。在生产实践中连杆组合式举升机构因其具有举升平顺、油缸活塞工作行程短，举 升机构布置灵活等优点，得到了广泛的采用，发展出了多种连杆组合式举升机构形式， 如油缸前推( 后推) 连杆放大式、油缸前推( 后推) 杠杆平衡式、油缸浮动式等。常用的 连杆组合式举升机构布置形式有两种：油缸前推式( 又称t 式) 和油缸后推式( 又称d 式) ，如图3 - 3 所示。 ( a ) 油缸前推式举升机构 ( b ) 油缸后推式举升机构 图3 3 连杆组合式举升机构布置形式 各种举升机构的特性如表3 1 所示。 表3 1 自卸汽车举升机构特性比较 结，l 每形式性能特征结构示图 直 单 前置 结构紧凑，举升效率高工艺筒单， 一 推 缸 后置 成本较低采用单缸时横向_ 刚度不 n i 、 足，采用多节时伸缩缸时密封性稍差 氏 双缸 马勒里举升臂式( 油举升力系数小，省力，油压特性好 p 缸前推连杆组合式) 油缸摆角大。活塞行程稍大 连 加伍德举升臂武( 油 转轴反力小，举升力系数大，举升臂 ；r 叫 缸后推连杆组合式较大活塞行程短 杆 举升力小构件受力改善，油缸摆 p 油缸前推杠杆组合式 角大 组 汆 油缸后推杠杆组合式举升力适中，结构紧凑。但布置集中 合 后部货箱地板受力大 、 油缸液动连杆组合式 油缸进出油管活动范围大。油管长 粥孓 扩 式 俯冲式 杆系结构极简，造饼医，但泊缸必须 蠢、 增大容量 3 2 2 液压举升机构的性能评价参数 自卸车的举升机构由液压缸驱动。其性能的好坏，表现为举升货物的最大举升力 和最大举升倾角，以及对液压系统的要求两方面。液压举升机构的性能评价参数有如 下几方面： 1 、举升力系数k 举升力系数是评价液压举升机构举升性能的参数，指单位举升重力所需的油缸推 力，即： k = f r n g ( 3 1 ) 式中f 一油缸的有效推力( n ) ；m 举升质量( k g ) 。 对于具体型式的举升机构，举升力系数k 与汽车总布置参数和机构的性能特征有 关，k 值只能比较同类型举升机t 圳j q - 作效率。对于相同的举升质量，举升力系数越 小，则液压举升力越小，油缸的油压也越小，这样举升机构耗能也较少。因此举升力 系数k 值越小越好。 2 、建造纵深 从货箱底板下表面至汽车车架上平面的距离称为建造纵深。在货箱外形尺寸确定 的情况下，货箱与其所装载质量( 按装载砂子达到额定装载质量计算) 的复合质心相 对于货箱的位置就确定了，货箱高度的改变将影响建造纵深的值。为了装载货物方便， 9 以及相关标准对整车方面的限制，希望尽量降低货箱的布置高度，即建造纵深越小越 好。 3 、最大举升角o m a x 最大举升角是指液压举升机构能使货箱倾翻的最大角度。一般的松散物在水平面 上堆积成圆锥体，锥体角称为松散物的安息角。安息角也称休止角、堆积角，一般为 3 5 0 - 5 5 0 。将松散物置于光滑的平板上，使此平板倾卸到松散物开始滑动时的角度， 为松散物滑动角，一般为3 0 0 - 4 0 0 。松散物安息角和滑动角是评价松散物流动特性的 一个重要指标。它们与松散物的粒径、含水率、尘粒形状、尘粒表面光滑程度、松散 物粘附性等因素有关。因此设计的货箱最大举升角必须大于货物的安息角，这样才可 保证将货箱内的货物倾卸干净。表3 2 列出了常见货物的安息角。 表3 - 2 常见货物的安息角 j - i 物料煤焦炭铁矿石铜矿细砂粗砂石灰石粘土水泥 l 安息角( 。) 2 7 4 55 0 4 0 4 5 3 5 4 53 0 3 55 04 0 4 55 04 0 5 0 4 、油缸最大行程 油缸最大行程是指货箱达到最大举升角时，液压油缸的最大伸长量。它既是油缸 的结构参数，又是举升机构的性能参数。液压油缸的最大行程小，则举升机构的结构 较紧凑、机构的布置较方便。 5 、起始油压 起始油压是指机构在开始举升时机构所要求的油缸工作压力。在货箱举升过程 中，货箱举升质量的力矩不断减小；而且在货箱举升初始时，液压举升机构各铰支点 的静摩擦阻力矩和惯性阻力矩最大。因此应使举升机构举升初始时的油缸工作压力低 于油缸最大工作压力，一般取： p o ! ( ，一j 、i 一 图3 5 举升机构样机等效模型简图 3 3 1 、预选自卸系统的性能和基本尺寸参数 1 、车厢的最大举升角 在整车设计要求时，举升角须大于装载货物的安息角。最大举升角越大，卸货越 可靠，但连杆式举升机构的行程放大系数也就越大。在液压油缸伸长量不变情况下， 势必将增大举升三角臂尺寸，使举升机构布置空间更加紧张，这将无益于建造纵深的 降低。通过对市场和用户进行普遍调查研究，该种车型主要以装卸水泥、砂石、粘土 为主，为此选取车厢的最大举升角为5 6 。，以便能将货物倾倒彻底。 2 、确定车厢与车架铰接点o 的位置 在保证车厢举升至最大举升角时不与纵梁干涉，同时保证车厢后栏板距地面高度 符合要求前提下，可初步确定出车厢与车架铰接点o 的位置。 3 、初选油缸安装尺寸范围 根据配套厂家提供的油缸系列及同类车型资料，初选安装尺寸范围为 1 10 0 13 0 0 m m ； 3 3 2 、举升机构各铰接点位置的选择 在产品设计初期，设计依据是任务书中的一些相关参数。由于产品的相关参数变 动较大，无法完全继承传统的产品结构，需要重新设计产品结构。对于这样变动较大 的结构设计，如采用传统的“自下向上的设计方法，即先设计零件再组装成整体的 话，将花费大量的时间。在本文中采用“自上向下 的设计方法，首先确定任务书给 定的相关参数为产品的主要参数化尺寸，利用s o l i d w o r k s 2 0 0 7 的带机构运动学模拟的 二维草图概念设计功能进行整体草图布局，并进行二维运动学模拟，采用特征建模方 式，直接建立起产品的整体结构，以达到宏观控制设计的目的。 根据车型整体布置及以往设计经验，并参考同类车型，初选参数得到以下各点坐 标，如表3 3 所示。坐标系参考图3 5 。 表3 3 初选举升机构各连接点参数坐标 a bcde x 坐标 2 3 1 5 5 3 2 1 0 43 1 2 51 7 3 02 0 0 0 y 坐标 1 6 4 2 - 8 01 2 0 58 9 6 一1 3 5 8 通过s o l i d w o r k s 功能块进行布置( 图中将车厢局部简化为连杆) ，如图3 6 所示： 图3 6 自卸机构在整车中的二维布置图 对该平面连杆机构进行二维运动模拟，可适时观察到车厢转角、油缸摆角、油缸 伸缩量的变化，可视化效果好。结果显示，要达到5 6 。的举升角，所需油缸行程为 8 5 0 m m ，且油缸摆角达到近1 0 0 。，且三角板与车架横梁出现干涉，位置不太合理。 为此，利用s o l i ( 1 w b r k s 2 0 0 7 的带机构运动模拟的二维草图设计功能，对连接点坐 标作为设计变量，取值控制在一定范围。在该范围内对连接点坐标进行修正，相关机 构特征也会随之调整。根据车厢转角、油缸摆角、油缸伸缩量的大小随坐标参数的动 态变化结果，和有无干涉情况的检查，选择符合设计要求的相对最佳的机构连接点参 数，本文设计中调整后的各点坐标如表3 4 所示。 表3 4 调整后的举升机构各连接点坐标 abcde x 坐标 2 4 1 0 23 2 9 93 1 9 5 9 418 3 02 0 4 9 1 4 y 坐标1 7 5 6 49 0 1 31 2 7 9 8 2 31 4 0 8 8 调整后的货厢最大举升角为5 7 0 ，达到设计要求的5 6 。，所需油缸行程为7 9 0 m m ， 整个举升过程中，油缸的摆角为8 7 0 。 3 4 本章小结 通过以上二维仿真运动模拟，可适时获知机构运动参数，及时发现方案设计中存 在的某些不足。在整体方案初步完成后，可初步确定自卸举升机构中各连接点的位置、 油缸初始位置和行程、油缸摆角。由此可知，二维运动模拟功能，可以在不建立零件 三维模型的前提下，直接对机