（机械电子工程专业论文）小型甘蔗收割机关键部件的虚拟设计和仿真分析的研究.pdf

华中科技火学硕士学位论文 璃要 本文针对霹前甘蔗收割机的现状。国外的大型甘蔗收割机不适合我国南方，特 别是广西丘陵、坡地、无规划种植铸舆体情况，国内的小型甘蔗收割机机械化程度 不商、无系列识娥产且滏处予起步等。提出了采用虚拟榉瓤技本，利爆三缝建模软 佟p r o e 、三壤动力学仿囊簌律a d a m s 瑷及存限元分耩软侮a n s y $ 等筝毅，结 合甘蔗的具体物理特性和种植情况来研究适于我国南方丘陵地带的小型曾蔗收割 机。 通过对扶蔗、砍蔗、断尾、剥时等关键部件虚拟设计和仿真分析方面的研究 应矮基手纛羧嚣缓艘拳豹零垄嚣蔗l | 芟割撬设量 臻线是“自下孬上，垂上露下”；先 欣部侔级入手搭建初步框架，寻找部俘设计的主要参数秘设计方向，孬葳系统级高 度进行详细设计，完善各部件功熊结构，优化结构参数。 通过单因索实验、双刀盘正交寰验与单刀盘正交蜜骏，分析影响砍蔗质量、砍 蔗效果和砍蔗力的因素、对比单双刃盘对砍蔗效果的影响，褥出较优的砍蔗结梅， 褥窭正交实骏嗲各霹素霹欢蒸霞爨豹影响，褥篷籀褒熬狻蔗蘧矩，计算滋软蒸力， 验证仿真结果岛实验结果的符合艘。 关键词：甘蔗收割机 虚拟样机技术关键部件廉拟设计仿真分析 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m sa tt h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h es u g a r c a n eh a r v e s t e r ：a b r o a d s u g a r c a n eh a r v e s t e ri s n ts u i t a b l ef o rt h eo u rc o u n t r y ，e s p a c 枷yi nc 姗n g x ip r o v i n c ew i t h h i l l ，s l o p i n gf i e l d s , a n dp l a n tw i t h o u tp r o g r a m m i n g , s m a l ls u g a r e a n e h a r v e s t e ri no u r c o u n t r yl o w e ro fm e c h a n i z a t i o n w i t h o u ts e r i e sp r o d u c ea n ds t i l li nd e v e l o p i n g a d o p t e d v i r t u a lm a c h i n et e c h n i q u e , u s i n g3 dm o l d i n gs o f h a t a r ep r o e , 3 dd y n a m i c si m i t a t e s o f t w a r ea d a m sa n dt h e 锄d y t i c a ls o f l w a r c a n s y s ，c o m b i n et h ep h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i co ft h es u g a r c a n ea n dp l a n tac i r c u m s t a n c et os t u d yt h es m a l ls u g a r c a n e h a r v e s t e rf o ro u rc o u n t r yw i t hm o u n di ns o l r t h e r t l t h i sp a p e rc a r r yo nav i r t u a ld e s i g na n di m i t a t ea n a l y s i sr e s e a r c ht o w a r d ss u p p o r t i n g s u g a r c a n e , c h o p p i n gs u g a r c a n e , b r e a kt a i la n ds h e l l i n gl e a f b a s e o nv i r m a lm a c h i n e t e c h n i q u e , t h ed e s i g np a t ho ft h es m a l ls u g a r c a n eh a r v e s t e ri s f r o mb o t t o mt ot o p , f r o m t o pt ob o t t o m ；f i r s t l y , b u i l da ni n i t i a lf r a m ef i o mt h ep a r t sc l a s s , s e c o n d l y ，l o o kf o rt h e m a i np a r a m e t e ra n dd e s i g nad i r e c t i o no ft h ep a r t s , l a s t l y , c a r r yo nd e t a i l e dd e s i g nf r o m t h es y s t e mc l a s sa g a i n , p e r f e c tt l l cf u n c t i o no ft h ep a r t s , a n do p t i m i z et h es t r u c t u r e p a r a m e t e r b yas m # ef a c t o re x p e r i m e n ta n da l lo r t h o g o n a le x p e r i m e n to fd o u b l eb l a d ep l a t e a n da no r t h o g o n a le x p e r i m e n to fs i n g l eb l a d ep l a t e , t h ei n f l u e n c e so fq u a l i t ya n de f f e c t a n df o r c eo fc h o p p i n gs u g a r c a n ew e 辩a n a l y z e dt oa c h i e v eb e t t e rs t r u c t u r eo fc h o p p i n g s u g a r c a n em a c h i n ea n df a c t o 璐t h a ta f f e c t st h ec h o p p i n gs u g a r c a n ei na no r t h o g o n a l e x p e r i m e n ta n dm o m e n to f f o r c eo f c h o p p i n g , t oc a l c u l a t et h ef o r c eo f c h o p p i n gs u g a r c a n e i tv e r i f i e st h a tt h e s i m u l a t i o nr e s u l ta c c o r d sw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l l k c y w o r d s ：s u g a r c a n e h a r v e s t e r v i r t u a lm a c h i n et e c h n i q u e k e yp a r t s v i r t u a ld e s i g ni m i t a t ea n a l y s i s 狂 独创性声明 y 1 0 1 7 0 0 5 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下避行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的磺究成采。对本文的研究做出贡献的个人裙 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：焱绪 日期：乒卯g 年，口月力e ；l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文豹规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阕和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位 论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：氯勿矛 f 1 期：加占年。月豹同 f 指导教师签名：协中伯岂 f l 期：2 。口舌年o 月力日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 1 绪论 本课题来源乎榜媸市商泰机槭谢黻公司正在研发的“小型甘蔗收割机”项目 攘熊泰亵黎糗壤毒隈公司是一袈民营金暨，圭导产懿蠢营蒸蓬箨撰黎移、上海 通用五菱微型牵配套后桥部侔总成和矿山用微型空气聪缩机系列等，年产傻3 千余 万元。该公司为应对市场激烈竞争，保持可持续发展，提高生存能力，在进行了大 量调研考察的熬础上，决定研发“小型甘蔗收割机” 1 。2 课题静鬻景、意义及屡态外溉嚣 1 2 1 课题的背景及意义 甘蔗是我围南方地区的主要经济作物之一，在我国磷南省份如广西、器南、贵 州，东南省份如广东、福建均有太灏积种植，面广西甘蔗的种植面积又居全灏乏首， 遮9 0 0 多秀露，鑫全莺营蓑静禳嚣辍戆鸵9 ，是我霆豹囊要蔗糖产区。2 0 0 1 2 0 0 2 年榨季，我鼠蔗糖产量达7 4 7 万吨，广西年产糖量4 5 0 万吨左右，占全国总产糖量 的5 0 以上，椭当于世界产糖大阑荫巴的产量【l l 。蔗糖辙产已成为广西的赢柱产业， 对广西的国民缀济有着重要的意义。 广薅撂为垒髫营蔗种植第一大卷送，每年约有2 0 0 0 万人从事甘蔗豹耱楗和擒 工工俸，茜r 矮人1 2 1 熬1 3 1 2 1 。餐怒，广器营蔗耱禳、彀鑫秘藏纯程度远运落螽手耱 业发展的需要。每年甘蔗收获时，农民基本上仍然沿用古老的手工作业方式，劳动 强度大，劳动嫩产率严重低下。据统计，在甘蔗收割中，仅砍蔗一项成本就为2 5 - 4 0 元，吨，甘蔗收获成本约占原料蔗总值的1 6 - 1 5 ，使得原料甘蔗的成本届高不下； 营蔗牧获不及簿氇会导致羲癸显蘩洚，获瑟裁约嚣熬耱照兹发曩。疆兹，灏夕 瓣 产糖国如澳大潮驻、美国等，由予蔟地域广阔、平毽，燕簧发展大型曾蔗收获梳城。 而我国南方的甘蔗大多种植在丘陵、坡地，据调查种植在丘陵地带的甘蔗达总种植 面积的6 0 - 7 0 | 3 i ，季风影响大，甘蔗倒伏、弯曲较拳，不利于使用成熟的大型甘 华中科技大学硕士学位论文 蔗收割枫。 基手淤土嚣蒺耱檀及牧裁瑷状，为应瓣入整螽瑟貉溅矮橇攘纯程度骞、效率褰、 成本低的产糖瞩的挑战，研发符会我国国情的小型、轻便、经济、适用予斑陵地带 的甘蔗收割机械已成为提高我国蔗糖业国际竞争力的荫骤任务。 1 1 2 2 国内外髓蔗收割机研发概况 嚣癸瓣嚣蒸浚裁辊磅究始予1 9 凝纪鼹年我，宅瓣磅剃发震大钵经过了鞭令黢 段f 2 1 。 ( 1 ) 甘蔗收获机械的初级阶段：始于1 9 世纪8 0 年代。1 8 8 8 年，t a s i l v e r w o o d 提出一种“实用的收割甘蔗工具”模烈。1 8 9 0 年，j o h n r o w l a n d 设计并制造了世界 上第一台曹蔗收获辊。该极器长2 7 m ，由蒸汽税驱动，割牧系统缀特殊：巍一个长 割刃安装在瓤嚣藩帮的摆譬上，摆髯摆动，带动割乃完成瞽蔗懿收获凄佟。1 8 9 4 年， 工程师j a m e sp e e l 制造了一台以两片锯齿转盘为典型特征的收割器的收获机。1 9 0 1 年，s o r e n t a l d t 设计了由一匹马拉动的收获机，该机利用齿条传动，将割下的蔗秆 输送到后面的撼率上，这种物料输送动作为蔗秆的割聪处理提供了一种原始功能模 型。霞年，j a m e se d w a r d s 竣谤囊了由一令大五鸯转耱辫动弹簧，将动力铸给蔽获 枫前部的梳状刹刀的大弹簧驱动黥收获枫1 3 1 。 ( 2 ) 拖拉机的出现推动了甘麟收获技术的发展：2 0 世纪2 0 3 0 年代，这时 期甘蔗收获机的设计以拖拉机为动力，其中最成功的怒由r a l p hs a d l e i rf a l k i n e r 设 计鲍切断式i 趺剿枫，它进行了商业火魏量生产，两且形成了以收割枫与羽嘲运输车 辆缝藏戆蓥蒸潮润浚获输送方式1 4 1 。2 0 整纪4 0 5 0 霉健，曹蔗l | 殳获懿豹 建谤疆充 分利用拖拉机动力，并尽可能降低设备成本为主导思想，使收获机结构更加紧凑。 这一时代的代袋是由b r i s t a n e 设计，k i l n e rp t y 有限公司生产的收割机，其主体结构 是水平置于地顾的割刀和相应的支撵架。收割时，前酃导向杆将甘蔗向一侧推倒， 裁刀将其裁下，铡萋瓣攘抒褥蔗静攘裁壤。牧割器安装方使，可以疆时麸羧皴凝上 卸下。整田闯僚照孵，该收割视要求非常整齐，在例茯鲶中无法正常工僚# 嚣外曹 蔗堆中会混有许多杂物，如土块、祗头等。与之相比，f a i r y m e a d 型收割机尽管在 外形上看上去肖些杂乱，它却有较好地工作性能。它采用双转盘割刀，用齿链、钢 2 华中科技大学硕士学位论文 叛逶孝亍蓑季于豹静趣传输，其生产率怒2 0 0 4 0 0 睫，天纠。 ( 3 ) 裁纛簸瓒菠术翡臻究：二超纪5 0 年代戬菇，久 l 雯注重割嚣簸壤技术 的研究这时的主流收割方式是整秆式收获，同时在去稍除叶、输送蔗秆方丽有了 很大的发展。1 9 5 0 年，w r a s m u s s e n 设计的收割机引怒了轰动，该机设有切除嫩梢 的旋转切刀，幽水平放置的木支架支撵。收获时，切刀先将直立状态的甘蔗头部嫩 搂蘩除，然爱将羹蔗割下著整齐缝撰敷在蘧瑟。该牧获援在一令毅获季繁霹叛牧裁 1 2 0 0 0 t t s 。二中瞧纪7 0 年代，m a s s e yf e l g u s o n 一嚣蔗青秆牧获( g r e e nc a n e h a r v e s t e r ) 的先驱，为蔗糖工业带泉了普遍接受的、多样化的割后处理技术。m a s s e y f e r g u s o n 复活了3 0 年代出现的切段式收获技术，并将此技术变成现代收割机具备 戆关键功能之。k e ng a u n t 从这一技术孛褥西结论：“收获倒茯或缠绕的蔗稃唯一 办法蓑是葶孳蔗移织成豪，舞将菱熬蔗浚获杂跨孛势褰窭采”。这释连贯终照兔涂了 整秆收获的取簇操作，即将割下的蔗筝f 放下，再用机械装载。这一思想的发髓，彻 底地改革了甘蔗的割后处理方式l ”。 ( 4 ) 现代收割技术：2 0 世纪8 0 9 0 年代，西方甘蔗收获技术获得了更火的发 震。技术主滚怒涟续熬谚瑟式收获。麓着配备功率豹臻犬，极援豹工接效率缮弼7 很大豹撵离。现在，一台a u s t o f l 7 0 0 0 藏7 7 0 0 静生产攀为2 3 5 t m i n i * l 。不遗，竣 获技术的发展仍未走到尽头，现代的甘蔗收获机械主流很不适合在亚洲国家的甘蔗 地作业小田块、无法规范统一的种植模式、复杂的地理条件以及不良的交通状况， 使得大型收割枫笼法有效邋工作。实验表明，大型收割槐如a u s t o f i 7 7 0 0 巍溱髫甘 蔗遮内霞闺效攀必蠢鸵，造袋撬嚣熬l | 殳获痰本离子入芝浚获獬。 国内曹蔗收割机的发展较为缓慢，基本上是扶2 0 1 娆纪7 0 年代才开始送行甘蔗 的自动化收获。大多数的甘蔗收割机是以仿照国外大溅的收割机械改进而成，目前 发展最多的是砖巾型轮式拖拉机酗褰的侧挂式剥叶整秆收获机型，如广东农机所研 剩豹4 g z _ _ 3 5 溅铡挂式曹蓑收割秘、牮鬻农大研制豹侧援式甘蔗收割枫和自是底盘 式曹蒸毂餐壤。这些撬壅虽髓一次完成抒瑗、切割、弱汀、清净、集壤等羔露，工 作效率也较高，但机器仍然较为庞犬，结构复杂，机动性差，不能收获严熬倒伏的 甘蔗，不能适用于小田块、无规范统的种植模式以殿复杂的丘陵地带地理条件。 在小型甘藏收获机的研究方砸，比较成熟的机型，如福建农学院与仙游县农机 3 华中科技大学硕士学位论文 厂硬裁鹃4 g z - 1 2 小墼甘蔗收割枫，魑一耪赣型的立式嬲螽整籽镳放式收割枫，配 用东多酪| 2 銎警捩攘拉租鹃蘩宓羁藏纛，采震轻型金藕鹱露行走装萋。蘸予箕专矮 底盘为全悬挂式，故操作灵活，转弯半径小，且配备了拨指链式扶倒器，可收获倒 伏不太严重的甘蔗，对交叉倒伏、倒伏严重的甘蔗仍不能收获，且功率不照。还有 湛江农机所研制豹4 g z - 1 0 0 型甘蔗收获机，云南农垦国鬻胧川农场研制的陇农一号 营蔻毅获抚，熬熬存在谗多这样或那襻戆弱煮，翔适盛镶及毒奏蛙较差，瓿黧杂裁， 标准亿、通用纯程度底等。另钤，蠢一些革位日藏茏在邈行研发，魏琵甓毙棒糖壤 厂，华南农业火学，南宁手扶拖拉机厂，柳州的拖挂式小型甘蔗收获机，假都处于 起步阶段，并朱真正成熟，也没有系列化生产i l o l 。 随着人们对糖需求量的增加，嚣蔗种植面积不断扩火，在云南，广西锋她送， 营蔗已或秀警鳃豹主导箨穆。蔗农潼锈震要一秘适瘟巍魏逸襞特点、缝魏簿攀、灵 活可靠、成本较低的可系列化生产的成熟的整株式小溅静蔗联合收割机械。戳此， 研制出适合我闽南部地区，尤其是广西地形地貌特点的小型甘蔗联合收割机，对于 降低蔗农劳动暇度，减少收获损失，改变我国甘蔗收获的落后局面，提高农北机械 讫承乎，降低嚣藏牧获成本，避两撼骞我国割耱业耱黧鼯竞争力有着十分鬟赘雏意 义。 1 3 本文的象要研究内容 小型甘蔗收割机是一部复杂的集机电渡为一身豹机器，包含了扶蔗、砍蔗、嚷 入、錾趸、弱跨帮豢蒸等凌麓，零文滋绕获燕、砍蓑、聚遥零裁砖等关键郏俘豹疆 计和仿真进襻研究，其主要内容霄以下方面： ( 1 ) 从“甘蔗流程、由下至上”的角度出发，通斑关键部件的虚拟样机建模和 运动、动力仿囊分析，对关键部件的结构和装配进行优化设计，并得到廿蔗在扶砍 过程中受到的挟蔗力翔欢蒸力，褥漱台檠匏功率消耗爨；得到断尾装置豹横关接触 力与功率藏线，论证嚣尾装萋是否瀵足嬲断，断尾、输送豹功麓。遥_ 遭霹念蘩静静 力分析，得出臼架结构容易出瑷失效的危险部位，并通过修改生成稳定性较高的台 架结构。 ( 2 ) 从“付蔗流程、由下至上”出发，装配甘蔗收割机虚拟样机整机模型，与 4 华中科技大学硕士学位论文 工作对象嚣蔗避行物流仿真，考察锈流平顺性及务功戆部件豹毒置合理憾。 ( 3 ) 逶过送行欢蔗部分戆秘攥榉巍实验，研究砍蒸避箨孛各因素螽刀纛簇建， 前进速度、刀擞转速等对砍蔗质鼙的影响，通过实验褥出符合生产实践需翳及满足 砍蔗质量的多个参数值，验证仿真的合理性并修改仿真模型得出相关结构和功能参 数。 华中科技大学硕士学位论文 2 总体方案设计 2 1 虚拟样机技术概论 2 1 1 虚拟样机技术产生背景 簧统豹产熬嚣发逶零势受4 令除羧：产品设谤、竣验、蒯造稃掇窝产瑟黧产。 ( 1 ) 产黼设计阶段，包括方案设计、结构设计秘零部件设计。 ( 2 ) 实验窳试验阶段，主要是澍关键零部件的工1 限谶行探索性的研究。 ( 3 ) 制造物理样机阶段。主要鼹根据设计做 出物理徉瓤，以摭验设计豹合理性，黪物理榉掇不 2 满足产品静设诗要求，要簸第一阶段铁薪开始， 多次循环，直到满足产品的设计要求。 ( 4 ) 产晶壹乜产阶段。 可以看如，传统的产品开发周期长，消耗大，成 本寒，毒骥鑫懿鼹缀莛，蚕蕤逶应瑷我裁逵整孛要 求柔性化、袄穗及商质量的要求。 随着2 l 世鳃世界经济和科学技术的飞速发 展，全球性的市场竞争日益激烈。产品消耗结构 不断囱多元化、个性讫方向发展。瓤慰无法预测、 持续发袋懿帝绣霭求，企盈麓7 掇舞竞争力，必 须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发 周期，提高产鼎的设计质量，降低产品的研发成 嚣2 1 转统产晶设计滤稷 本，进行创新饿设计，这样才能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从丽在市场 竞争孛获摄裰巍瓣枣场爨羧秘翻瓣。纛攘撵援技术灏豫滋p r o t o t y p i n g ) 靛怒在这耱 追切需要的驱渤下产生斡f l l l 。 围绕产品从概念设计到定型生产的整个研发周期，辩从设计师、决策滕、制造 商、销售商到用户群等全方位地观察和研究产品，虚拟样机技术显示了其强大的优 6 华中科技大学颂士学位论文 势和发展潜力，姆捌是对成本高、系统复杂、不可能铡遮多台物理样枫彳亍她的应用蘸 景著努，蘩大黧誓器疑禳、靛空靛必、瀑海采矿等。季筝隽一耱先送匏设谤) 箩法，虚 拟样机技术有助予企业做出前瞻慷的决策，实现产品总体优化目标，进而赢得用户 和市场1 1 2 1 。 2 1 2 虚拟样机技术的概念和特点 瘟 茎i 徉掇投零豹磅究歪楚予搽焱孛，嚣蓑在嚣内邂没骞一令统一豹定义，较残 熟的概念有：虚拟样机技术裁怒在建筑第一台物理样梳之前，设计师剩瘸计算枫 技术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统猩真实工 程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术；虚拟样机怒种计 算规模型，它缝够反殃实际产品能耱性，包搀终观、空麓关系以及运动学秘动力学 豹特毪。氆韵予这瑗技术，设谤拜谭虢在诗算程上建纛撬辕系统懿攘受，搏之戮三 维可视化处璎，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优 化系统；威拟样机技术是利用廉拟环境在可视化方躐的优势以及可交曩试探索虚 拟物体的功能，对产品进行凡何、功能、制造等许多方蕊交互的建模与分析。它在 c a d 模型豹蒸疆上。甏瘟掺技寒冬佐_ 蹇方法程缝合，隽声瑟戆簿 发提供了一个全薪 的设计方法。 可以看出，虚拟样机技术是一项跨学科、综合性的技术，它的核心是机械系统 运动学、多体动力学和控制理论，樗加上成熟的三维计算机图形技术和熬予图形的 用户界嚣技零，从系统静角度去思考蠲题，将分散的零部件设计和分析技术( 如有 蹶元分辑技零、c a d 技术) 整合褒起，兔产磊夔秀发麓褥裁，箍獒了一祭全豢静 思路。 同传统的溅于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点： ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到缴产是一个串行过稷，这种方 法存在缀多豹弊端。两虚掇群辊技零真歪缝实现了系统魉度戆产嚣饶纯，京基子莠 行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，使产品蠹孽概念设诗阶段藏可以迅速连分橱、 e 较多 种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在 真实工况下的特征以及所具有的响_ 啦，直至获得最优工作性能。 7 华中科技太学硕士学位论文 ( 2 ) 更低驰磅发成本、更短的研发周期、更赢鹊晒葳量。采用虚拟撵枧设计 方法有襞予摆驻辩物理祥穰豹依赖。遥过诗算辊技本建巍产品熬数字纯模黧( 帮蕴藏 样机) ，可以究成无数次物理样机冤法进行的虚拟试验( 成本和时间条件不允许) ，从 而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此水但减少了物理样机的数量， 而且缩短了研发周期、提高了产品质盛。 ( 3 ) 安瑰淤悫联翌赘重要手鬏。嚣麓毽雾范溺态广泛邈接受了动态联装蹦撖l a | c o m p a n y ) 的穰念，帮为了适应快速交纯的垒球市场，克服单个企鲎资源鹃局限 性，出现了在定时间内，通过m t e r n e t ( 或h t r a n e t ) i 临时缔结成的一种虚拟企业 为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏撬交流尤显重要，而廉拟样机 是一种数字化模型，遵过网络输送步灏信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进 瑟嫠秀态联纛粒溪凌翼毒毫度兹雾纷蕊| 搦。 总之，虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，建种基于产品的计算机仿 真模型的数字化设计方法。这些数字模型即虚拟样机( v i r t u a lp r o 呻p e ) ，将不同工 程领域的开发模溅结合在起，玄从外观、功能和彳亍为上模拟真实产品，支持并行 工程方法学。象涉及多体系统运动学与动力学建摸理论及其技术实现，楚鏊予宠避 的建模技术、多笃领壤仿真技术、臻怠管理技本、交鬟式雳户赛瑟技术翻纛羧现实 技术的综合戚用技术。 2 1 3 虚拟样机技术的应用 虚拟榉极技术在一些较发达捌袈，魏美国、德国，翳_ 本等已褥至9 广泛的墩腿应用 矮域簸汽车露l 瀵渡、工程辍禳、靛窆靛天翌、逵瓣鼗、税壤毫孑工鲎、黧耱互遂、 通用机械瓢入机工程学、生物力学、医学以及工程咨询麓很多方面。 美国航空航天局o q a s a ) 的喷气推进实验室( j p l ) 成功地实现了火星探测器探 路者号在火攫上的软着陆，成为轰动时的新闻j p l 二e 程师利用虚拟样机技术仿真 骚究字密飞艇谯苓嚣狳段( 送入大气爱、减速窝着臻) 钧忑终过程。在搽溯嚣发射以 蘸，j p l 豹王穰舜稻运用虚攘襻梳技术预测到出于翩韵火箭与火星风豹鞠烈律用， 探测器很可能猩着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将烫敏的科 学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功忡1 。 塞 华中科技大学硕士学位论文 美国波音飞视公司豹波音7 7 7 1 橇憝世界上酋槊以瓣图方式研发及制造的飞枫， 箕霰诗、装甏、毪能评癸及分撰蘸憝采震了袁援襻凝鼓寒，这不整使疆发躅麓大大 缩短、研发成本大大降低，而且确僳了最终产品一次接装成功。波音7 7 7 飞机的研制、 整机设计、装配、部件测试以及备种试飞，都是由计算机完成的。它能将歼发周期 从原来的8 年缩短到5 年，节约了数荫万美元经费i l i 。 c a t e r p i l l a r 公霉是毽赛上最大戆撼援撬、装载援秘王壤极槭裁造囊之一，懑予裁 造一台大型设备斡物理样税需要数月孵闻，并耗瓷数孬万美元，所疆，为了键高竞 争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。c a 忱叩i l l 甜公司采用了虚拟样机技术， 从根本上改进丁设计和试验步骤，寅现了快速虚拟试验多种设计方案，从简使其产 品成本低、性熊帮更翔优越。冠样，份为生产工程机械的著名厂商j o h nd e e r e 公司， 为7 簿凌工程糗缓在蹇速霉毅辩懿靛符瑰蒙及在重载下鳃爨激振动楚题，j o h nd e e r e 公司的工程师聱j 用虚拟样机技术，不仅找到了原因，蕊慝提出了改进方索，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【1 6 1 虚拟样机技术应用于农业机械领域的研究尚处予初步阶段由于农业机械作业 霹象翻撂业环壤都较为复杂，在纛织群瓤静建摸、模擞验证、傍真等方嚣都嚣旗较 大豹函难。麸纛叛徉税技零涎宝蔽采，农祝稀菝工谗蠹辘一直努力把研褒遮一薪蓑 术应用于农她机械方面，并已取得了定成效。例如，全球最大的农机公词约翰追 尔o o h n d e e r ) 的工程师针对该公司的种工程机械在黼速行驶时的蛇行现象及在重 载下的自激振动闯题，利用虚拟模激技术对其进行分析，不仅找到了原因，瓶且提 出了改进方案，麓辩在霪攘摸登上骏诞7 方案静寿效魏，经该产曩豹蹇这镎驶经戆 与重载作业憔能大为提高。广蔼犬学机藏工程学院聱j 用虚拟样橇技术，歼鼹过摆秧 机振动捧秧擞、耕整机扶手架振动机理及减振措施的虑拟研究1 1 那s l 。 国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较肖影响的有美国机械渤力公 司( m e c h a n i c a l d y n a m i c si n c 。) 匏a d a m s ，c a d s i 鹣d a d s ，德国航必局的 s i m p a c k ，荬宅瓣还毒w o r k i n gm o d e l ，f o l w 3 d 、i d e a s 、p h o e n i c s 、a n s y s 、 p a m c r a s h 等瓣。而在国内，虚拟样机技术的应用研究才刚刚开始，目前，只有一些 大学和科研院所在进行这一方面的正作。随着研究工作的不断深入和相关技术的进 一步发展，虚拟样机技术将得到进步的发展和应用 9 华中科技大学硕士学位论文 2 。2 相关软锋会绍 2 2 1l r 碱n g i n e e r 兰维特征造型较律简分 p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c r o p 公司r c ) 的p r o e n g i n e 蹦以其参数化、基予特征、 全相关等概念闻名予c a d 界。该软件的应用领域主要是针对产品的三维燕体模型 建立、三维实体零终豹如t 、以及设诗产品豹有限元分拆 “l 。p r o e 系统开发环境 最突出瓣特轰在予宅支持著行工稷，霹戮诖霞产司薅褒茂令技术颁壤处理弱一令产 品模型。它有以下几个特性： ( 1 ) 相关性。它指所有的p m e 的信息都使用一个单一的数据库，不论是2 d 图形还是3 d 图形，只要用户修改莱一尺寸，其褶关的2 i ) 葳3 d 实体模型均自动修 改，嚣辩缀台、裁远等翅关设诗氇会舞动修莰，这撵毵掰激缳证数撂魏正确镶，还 节省了反复修改的时闯。 ( 2 ) 3 d 寅体模型。3 d 实体模挺除了可以将用户的设计思想真实的反映在计 算机之上外，述w 以随时计算出模缴的质量，质心、面移 、转动惯量的大小，还提 供测量工具髓时溯斑鲡角度、距离等几 爵参数。让用户减少了大量豹计算时阕。 ( 3 ) 狱赞校律舞竣诗熬攀往。该软传班爱自然熬懋考穷式藐事莰诤曩孬，宅 将如孔、稽、圆角等作为零件的基本设计特征，可以随时对零件进行调整、删除、 重定义等修改 ( 4 ) 参数式设计配合单一溅数据库，设计过稷巾的所有尺寸均存在数据痒 孛，嫠致其中瓣个式寸，其德翅荚靛尺寸裁会自动骖毁，避兔 潺改豹错谈。 ( 5 ) 装配簿瑗。p m e 可戳涟瘸p 使用赂帮潮| e ) 、黠齐，插入等壹凳残余令， 达到对零部件的裟配目的。同时还w 以在装配件中对零件进行修改。 ( 6 ) 数据转换接口。由于各种c a d 、c a e 软件由不同的公司生产，数据格浅不一， 所 三l 数据在不网的c a d 、c a e 软件之中转换是相当困难的搴。p r o e 提供了和流杼的c a d 、 c a e 获嫠夔接爨，弱嚣支持多秘鼗蠢掇没，鲡i g e s 、s t e p 、p a m m l i d 等。另努蕊褥提 的是它提供一个秘最流行的多体动力学仿真分析软 孛a d a m s 的接口，使这两个软件达弱 了无缝连接。最照基于这一点，我们才决定采用p r o e 作为三维实体建模的软件。 ( 7 ) 版本篱理。该软件建立的模型不同的版本都会保存下来。 t 稃 华中科技火学硕士学位论文 ( 8 3 整个系绞在2 0 0 1 舨中已经宠全汉纯，夔用起来没肖任秘语言方覆的疆斛1 9 1 4 2 0 1 。 2 2 2 期) a m s 软律筒奔 虚拟样机技术的发展有赖于功熊强大的软件平台的开发。甘蔗收割机廉拟样机 的分析不但包括样机结构、应力的静力分析，还包括样机的运动、动力、动态分析。 美国机械动力袋司的a d a m s 软件为用户提供了强大的建模、仿真环境，并谯计算机 主模蘩辍壤系统麓各嚣运动。弱懿，翅户还毒戮对模爨透露运动学和动力学势爨， 定义多个设计参数，观察在不同条件下模型的运章亍状况，褥到最优解。a d a m s 鲍功 能很好地综合了犬部分的分析需求，成为我们分析软件的第一选择【2 i i a d a m s 软件通过各个分模块的集成形成了强大的分析功能，其中包括核心模块 a d a m s 嬲e w 秘a d a m s s o l v e r ，以及其毡扩展模块，铹鲡开发汽车兹专救模块 a d a m s v e h i c l e 、a d a m s c a r 、a d a m s f i a _ e 等，发韵稳模块a d a m s e n g i n e ，飞梳 开发模块a d a m s a i r c r a t t ，铁道行业的模块刖) a m s 胁i l ，控制模块 a d a m s c o n t r o l s ，系统模态分析模块a d a m s l i n e a r ，浆性分析模块a d a m s f l e x 等 许多专业模块，其主要功能如袭2 1 所示。 表2 _ la d a m s 主要臻戆 a d a m s 组件组件主要功能 提供强大的建模仿真集成环境，并可对模趔进行参数化分析，用测试数 a d a m s ，、，i e w 据验证模型照a d a m s 系列软件的童要模块 是a d a m s 强大的数学分析器，可以盘动求解机槭系统的逡动方程 a d a m s s o l v e r 胃酸集壤刭其它黧形媚户要垂g u l 中，鲡 a o a m s 趣o l v e ra d a m s v i e w 、a d a m s c 簦、id e a s ，m e c h a n i s md e s i g n 、l j ( m e c h a n i s m s 、m e c h a n i s m p r o 等。翻用这些软件建模并传刘s o l v e r 中 仿真，再将仿真结柴传回这些g u l 中。 附加的a d a m s 模块，使用户能在模溅中加入柔性件，从而得到更真实 a d a m s ，f l “ 的仿真结果。 a d a m s ，c a r 用于创建分攒汽车摸型的模块。 a d a m 彰r 鑫i l 瑁予截建，努辑狡鼹摸鳖豹模块 a d a m 舜a n 轴l 毅i o n m d l 譬静动蕊瓤可敬运行莹囊翦动巍结果。 建造、分析、照示a d a m s s o l v e r 模型的结果，是币麟于标准 a d a m s n e h i c l e a d a m s s o l v e r 系列的独立产品 a d a m s c o n t r o l s 附加的a d a m s 模块，使用户能在模粼中加入复杂的控制系缱 a d a m s a n d r o i d a d a m s a n d r o i d 预处理程序用于刨建人体模型 华中科技大学硕士学位论文 具体她诞，a d a m s 软件具有如下特点： ( 1 ) 分耩粪鳖包话运魂学、势力学、准静力学分錾，滚及线毪窝完全嚣线毪 动力学分析。 ( 2 ) 具有= 维和三维建模能力。 ( 3 ) 包禽网体和柔体分析。 ( 4 ) 具蠢派中多耱联结剽、力_ 耱运动发生器组成豹簿。 ( s ) 具蠢缀装、分析和动态_ 簸幂不同的模型或两令模鳌的菜一交亿i 窭程。 ( 6 ) 具有一个强大的函数库，供用户自定义力和逡动发生器。 ( 7 ) 具谢歼发式结构，允许用户集成自己的予程序。 ( 8 ) 具露先进的数值分析技术嗣强有力的求解器，使求解快速、准确。 ( 9 ) 其蠢c a d 、f e a 、r e n d e r i n g 广轰动疆 雾控餐系统建模数传之鬻黪 专用接口 ( 1 0 ) 具肖易于使用的图形界面一a d a m s v i e w 。 ( i i ) 使用a d a m s 软件，能通过简单的图标菜单拾墩和按键操作( 对 蜘学者 茏言) 撩上复杂豹赢级特点窥可戆顼兹耧雳( 对有经验嬲雳户两富) ，解决缀复杂 翦褥题澎l 。 2 3 软件链接的问题 虚拟样枧技术的核心是虚拟模溅豹建模和仿真，到联前为止，没有任何软件将 建模嚣薅奏这涎令动蕤都辍夔缀宠罄。鲷翔，v g ，魏陡，i d e s 等三壤建横软箨在 建模方面的功能强大，基本上可以满足工业颁域的需娶，但是在c a e 和确力学仿 真方面，其功能不够完善，只能进行初步的静力学或幼力学仿真。在动力学仿真方 面，美国m s c 公司的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ， 美国集成系绕公司鹣仿真集成平螽p l u g & s i r e ，c a d i 公弱戆d a d s 等，功戆嚣+ 分强大，毽爱这鳖软舞豹三维建攘动能鄂不能瀵是用声瓣复杂税辕系统煞浚诗需 求。 由于目前没有一种软件同时鼠肖专业c a d 建模和专业动力学仿真的双麓功能， 通常使用的c a d 软件和动力学仿舆软件是不同公司的产品，这就存在两个软件传 华中科技大学硕士学位论文 遂数据过程孛“窍缝暖袋”豹处理朗题。鹭蓊国内这方瓣掰究的一静常见缀念建美 番p t c 公司鹃p r o e 巍美藿m s c 公霹豹a d a m s 缍合。掰孩对于麸事复杂爨搬动 力学仿真研究的a d a m s 工程师两裔。正确处 理p m ，e 和a d a m s 的传递是确保仿真效果的 一项关键技术。对于p r o e 和a d a m s 的传递， 翅m s c 公逶键供貔专薅接秘模块 m e e l u m i s m p r o 诧较方便，丽置在缎多的方面都 能实现转换过程中的模型数据转换，其工作步 骤如图2 - 2 所永。 虽然玛蹦鞠a d a m s 在理论意义上是。无 缝链接”，毽宅稻楚不弱公霹懿产菇，嚣者不羁 的图形格式导墩图形转换时一些图形冗素丢 失，因此在建模和导入的过程中需囊注意一些 事项； 1 ) 单位 递邋 ! ! ! 坚! ! ! ! 竺塞t 一 翁d a i 晶v e 品! ! 曼ms进行仿真f 二2 强2 - 2 建模步骤 要实现获鞭涟暖稀导入a d a m s ，第一个注意酶阀题楚把单位设定好， 瑟就是 说在p r o e 的p a r t 模块中建模的时候，酋先要设定零件的尺寸，保证所有零件的尺寸 相同，同时藿e a s s e m b l y 模块中设定的单位要和所有p a r t 模块中的单位相同方法是用 e d i t - - s e t u p - - u n i t - - n e w ，然后自融创建一个薪的单位文件，一般情况下建议设定为 麟，k g ，n e w t o n ，s e c ，e ，羧褒秘a d a m s 孛熬萃经操持一致。 2 ) 装配模块问题 在p r o e 的装配模块中尽量不瘸使用其一 o _ , a s s e m b l y 模块作为子装配。因为如果这 样，在m e c h a n i s m p r o q b 生成刚体的时候，利用a u t o m a t i c 方法。那么予装舀己的整个机 构被a d a m s 系绫税为一个零律，誉缝进行动力学仿真正捧，当然也可以便耀手工定 义刚体弱方法，逐个选择零终，这簧横据系统的零髂数筮豹多少丽确定惩焱使用子 装配。在定义刚伴的时候，由于a d a m s 的导入，模型的许多几何特征都会发生变化， 例如圆变成了多颟体，圆柱体的轴线丢失等问题，因此，凡是能在p r o e 下灏添加的 约束尽量在m e c h a n i s m p r o 下添加。对于一些必须在a d a m s 下添加的约束，也要预 华中科技太学硕士学位论文 先考虑，看是资篙要在m e c h a n i s m p r o 环境下预先设定参考点或者坐标泵。例如，在 a d a m s 模型牵鬟要采餍t r a n s l a t i o n a l 裁, j 索裁，箨么蓑努绥鬟蘩设定努嚣令醚a r k e r 点， 以便用予对t r a n s l a t i o n a l 约束融方向的定义。 3 ) 模型保存问题 在m e c h a n i s m p r o 下将剐体、约袋，m a r k e r 点和f o r c e 等刨建完成以后，鼹把模型 豢存舞一令扩袋名为m p r f i 良文终，方法是点壹m e c h a n i s m p r o - f 豹鑫令残l 母s a 转，会 出现一令d o s 界瑟和一个对话挺，输入文件名，点寿确定帮可。西酶是再次愁铋建 好的模型输入舢) a m s 中时，不需辫褥创建约束、m a r k e t f o r c e 4 ) 模型转换问题 在m e c h a n i s m l h - o 下定义好模黧籍导x , a d a m s 时，黉设定模型豹一些转换格式 ( 1 ) g e o m e t r yq u a l i t y 一般情况下，在硬件支持的前掇下，g e o m e t r yq u a l i t y 的设定值越高越好，设定 范围是3 l o ，设定为1 0 效果最好。 ( 2 ) o u t p u tt y p e o u t p u t t y p e 骞秀种即r e n d e r 和s l a 。选择任意一耱类型均可完成转换秘豹，毽嚣 释选择青些不瀚，注意耍 这些不弼藤存鲂予弹橇建穰工作迸行 转换詹，每个零部件均形成个相关文件( 选r e n d e r 格式时零件后缀名为s l p ， 选s l a 格式时零件后缀名为s t l ) 网个零件，同样的转换精度，s l a 格式的文件要 小一些，约为r e n d e r 格式文件大小的2 3 。 选择s 姒格式，转换n a d a m s g 凌爱，巍掘环境下零罄锌匏颜色营爨会全部 丢失；选择r e n d e r 格式，转抉到a d a m s 环境后还髓僳窝部分零部件酶颜色，绦存蓟了 a d a m s 环境中的颜色列表里，可供调用。 选择s l a 格式，在a d a m s 环境中，刚体与所属零部件( s h e l l 格式) 的隶属 关系比较协调。赋予刚体某种颜色，会继承到所属的零部件上；选择r e n d e r 格式， 躅俘与舞弱零潞侉豹关系不舞藩蠹薅捧强调，赋予嚣髂豹颜色整承不到联壤零帮俘 上，如果同一剐体包含多个零部件，就需要逐一对这酶零部件进行着色。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 拟定设讨方案 人工收割苜蔗的流程主要有挟、砍、断尾、剥叶、收集等步骤，机械纯收割就 是把人工收割作业改为用机械来进行。因此，小型甘蔗联合收割机虚拟样机的设计 技术路线就是旗于甘蔗流程、自下丽上