（机械设计及理论专业论文）装载机工作装置参数化3d建模及有限元分析.pdf

中文摘要 装载机是工程机械的重要机种之一，在工程建设和土木建设中有着广泛应用， 其工作装置设计为装载机设计中的重中之重，在装载机的整机性能中起决定性的作 用。传统的分析方法和设计方法已经无法适应现今装载机的快速发展和行业间的激 烈竞争，装载机及设备已是集机、电、液一体化；信息、激光等高新技术以及审美 艺术于一身的现代机电产品，并且正在向着远距离控制、自动化和智能化等方向发 展。正是基于此，本论文进行了“装载机工作装置参数化建模和有限元分析”的研 究与开发，主要工作如下： l 、特征建模和参数化设计技术与实现方法的研究 论述特征建模的概念、特点及过程；参数设计的特点、参数化模型；详细介绍 基于p r o e _ n g i n e e r 二次开发技术的参数化设计。 2 、建立装载机工作装置三维模型库 以z l 5 0 g 装载机为参照对象，通过p r o e 软件进行工作装置零件的建模，并进行 约束设计和参数设计，在p r o e 环境下进行虚拟装配，为二次开发生成了三维模型样 板。 3 、装载机工作装置的参数化建模 采用p r o e 自带的p r o t o o l k i t 模块，以v c + + 6 0 为平台进行二次开发，设计 出装载机工作装置三维参数化控制出图系统。将已经优化设计的参数输入该系统， 就能自动生成工作装置三维图，实现参数化控制出图。 4 、对装载机工作装置进行动态分析和a n s y s 有限元分析 对设计好的工作装置进行动态分析检查有无干涉，针对正载和偏载两个工况进 行a n s y s 有限元结构分析，分析零件在计算载荷作用下的变形及应力分布，结合设 计结果以判断零件设计是否合理。 析 关键词：装载机；工作装置；参数化建模；p r o e 二次开发；a n s y s 有限元分 a b s t r a c t l o a d e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt y p e so ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y a n di sa l s ob e e nw i d e l ya p p l i e di ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dc i v i l c o n s t r u c t i o n t h ed e s i g no fl o a d e r sw o r k i n gd e v i c ei st h em o s ti m p o r t a n t p a r ti nt h ed e s i g no fal o a d e ra n dp l a y sac r i t i c a lr o l ei nt h ef u n c t i o no ft h e s h o v e ll o a d e r h o w e v e r , t r a d i t i o n a la n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o df a i lt ok e e pi n p a c ew i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc u r r e n tl o a d e r a sw e l la st h ef i e r c e c o m p e t i t i o no ft h ef i e l d l o a d e ra n di t se q u i p m e n ta r em o d e mm a c h i n e r y w h i c hc o m b i n e sm a c h i n e r y , e l e c t r o n i c sa n dh y d r a u l i cp r e s s u r et o g e t h e ra n d m a n i f e s t sh i g ht e c h n o l o g ys u c ha si n f o r m a t i o na n dl a s e ra sw e l la sa e s t h e t i c a r t t h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do ft h ee n g i n e e r i n gm a c h i n ei so ni t sw a yt o r e m o t ec o n t r o l ，a u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n t i z a t i o n b a s i n g o nt h i s ，t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e so u tt h et h r e e - d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n ga n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ew o r k i n gd e v i c eo fs h o v e ll o a d e r m a i nt a s k sa r e a sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c m o d e l i n g ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n t e c h n o l o g ya n di t si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d i td i s c u s s e st h ec o n c e p t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n dp r o c e d u r eo fc h a r a c t e r i s t i c m o d e l i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，p a r a m e t e r i z e dm o d e l ， a n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g no fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yb a s e do n p r o e n g i n e e r 2 e s t a b l i s ht h r e e - d i m e n s i o nm o d e lb a n ko fs h o v e ll o a d e r sw o r k i n g d e v i c e t a k i n gz l 5 0 gs h o v e ll o a d e ra st h er e f e r e n c e ，m a k em o d e l so fw o r k i n g c o m p o n e n t st h r o u g ht h ep r o es o f t w a r ea n dp r o c e s sd e s i g n i n go fc o n s t r a i n t s a n dp a r a m e t e r s a n dt h e nu n d e rt h ep r o ec o n d i t i o n s ，v i r t u a li n s t a l l a t i o ni s c a r r i e do u tt ob u i l dt h et h r e e d i m e n s i o nm o d e ls a m p l ef o rt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n t 3 p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n go fs h o v e ll o a d e r sw o r k i n gd e v i c e a d o p t i n gt h ep r o t o o l k i t m o d u l ei n t h ep r o ea n d t a k i n gt h e v c + + 6 0a sp l a t f o r m p r o c e s st h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n dd e s i g nt h e t h r e e d i m e n s i o np a r a m e t e r i z e do u t d r a w i n gs y s t e mo ft h ew o r k i n gd e v i c e w h e nt h e o p t i m i z e dp a r a m e t e r sa r ep u t i nt h i s s y s t e m ，t h ew o r k i n g t h r e e d i m e n s i o nd r a w i n gw i l lb ee s t a b l i s h e da u t o m a t i c a l l ys oa st or e a l i z et h e f u n c t i o no fo u t p u t t i n gt h ed r a w i n g sw i t hr e q u i r e dp a r a m e t e r s 4 m a k ead y n a m i ca n a l y s i so f w o r k i n gd e v i c ea n da na n a l y s i so ff i n i t e e l e m e n t a n a l y z ed y n a m i c a l l yt h ec o m p l e t e dw o r k i n gd e v i c et oc h e c kf o rt h e i n t e r f e r e n c e a n d a n a l y z ea n s y sf i n i t e e l e m e n ts t r u c t u r er e s p e c t i v e l y a c c o r d i n g t od i f f e r e n ts i t u a t i o n s f i n do u tt h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s d i s t r i b u t i o no ft h e c o m p o n e n t sw i t h l o a da n dt h e nj u d g ew h e t h e rt h e c o m p o n e n t sa r es u i t a b l eo nt h eb a s i so f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：s h o v e ll o a d e r ；w o r k i n gd e v i c e ；p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g ； r e d e v e l o pt e c h n o l o g i e so fp r o e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f a n s y s 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：聋壁 日期：塑丝上 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：一一聋壁日期：垄婴叁 导师签名：耋逸猃丝日期：塞：翌：曼：三 第一章绪论 第一章绪论 装载机是一种常用于公路、铁路、矿山、建筑、水电、港口等工程的土石方工 程施工机械。它的作业对象主要是各种土壤、砂石料、灰料以及其它筑路用散状物 料等，主要完成铲、装、卸、运等作业，也可对岩石、硬土进行轻度铲掘作业，如 果换装不同工作装置，还可以扩大其使用范围，完成推土、起重、装卸其它物料的 工作。在道路、特别是高等级公路施工中，它主要用于路基工程的填挖、沥青和水 泥混凝土料场的集料、装料等作业。由于它具有作业速度快、效率高、操作轻便等 优点，因而装载机在国内外得到迅速发展，成为土、石方工程施工的主要机种之一， 成为工程机械的主导产品之一。 1 1 研究的目的及意义 随着社会的不断发展，作为现代化基础建设的主要工具和手段的装载机已为人 们所熟知。装载机及设备已是集机、电、液一体化；信息、激光等高新技术以及审 美艺术于一身的现代机电产品，并且正在向着远距离控制、自动化和智能化等方向 发展。我国装载机的发展历史已有5 0 多年，现代工程机械产品也已发展到较高的技 术水平，其中凝结着现代设计技术、方法和理论的创新【i l 。目前中国虽然已经成为装 载机需求量和生产量的大国，但绝对称不上是强国。设计水平是竞争能力与产品质 量的决定因素之一，没有先进的设计理论、方法、手段，就难以设计和生产出具有 较高技术水平的、功能完善的创新产品。因此，开展装载机现代设计方法学的研究， 对推广现代设计理论与方法，提高我国装载机的设计水平与产品质量，都具有十分 重要的理论与现实意义。 装载机的主要工作装置为通用铲斗作业装置，它是装载机的重要组成部分，是 用来实现铲掘、装载物料并带液压缸的一个较为复杂的平面连杆机构，它的性能的 好坏直接影响着装载机的工作效率和经济性【2 1 。 随着c a d 的普及和应用，人们逐渐发现，计算机绘图系统虽然好用，但最初的 开发者都是按把某款软件做成通用型的理念来设计，从专业角度来看，仍有很多不 足之处，在机械专业方面更是如此。对制造业而言，企业要提高设计生产的效率， 就必然要针对自己的环境、特殊需求来对c a d 系统进行二次开发，将其集成为一个 专业性非常强的针对某一方面的机械辅助设计软件。基于特征的参数化设计方法己 被公认为是解决产品开发与过程设计及集成问题的有效手段。 论文的立题依据传统的装载机工作装置设计往往是手工设计，由于装载机尤其 装载机工作装置参数化3 d 建模及有限元分析 是工作装置设计过程需要进行大量的和反复的计算、查询许多数表和线图，整个设 计过程复杂、繁琐、效率低、准确性得不到保证。将设计过程编入计算机，开发针 对某一机械产品的c a d 应用软件，将这些繁杂的设计和查询等任务交给计算机去完 成，将设计人员从中解放出来，将会大大提高产品的设计效率和准确性。另外，在 进行相似产品设计时，设计人员为提高设计效率往往采用类比的设计方法，；即在已 有相似产品的结构尺寸基础上根据经验将某些尺寸做适当更改。采用此种方法虽然 能缩短设计周期，但产品的可靠性得不到保证，而且为安全起见若将尺寸加的过大， 势必会造成产品成本的增加和原材料的浪费；虽然现在几乎所有的企业都在运用 c a d 软件进行产品设计，但对大多数使用人员来说他们只是在手工设计出的产品结 构尺寸的基础上，进行二维图形的绘制或三维模型的构建，c a d 软件只用作绘图工 具，其实质还是手工设计，不能解决产品设计的问题，设计效率低，同时软件本身 对使用者的要求也较高。为了能够更快速准确地构建零件和组件模型，可借助参数 化设计软件p r o e n g i n e e r 建立相应的零件和组件模型的三维模型样板，用 p r o e n g i n e e r 自带的二次开发工具包p r o t o o l k i t 编写程序并读取c a d 系统应 用软件的设计结果，实现零件和装配组件的自动生成等高级的计算机辅助设计工作。 装载机工作装置是由许多零部件构成的，其中存在大量的相似件，同一系列的 装载机之间也有大量的相似件。在设计过程中，尺寸的改变往往带来大量的绘图工 作，但装载机零件的外形并没有改变。如果对相似的零部件每一个都分别建模，无 疑会占用很多时间；而且在对零部件进行修改时，需要改动的参数很多，也会花费 大量的时间和精力。在这种情况下，为了节约设计时间、提高设计效率，本课题对 装载机工作装置进行了参数化设计，实现工作装置的三维参数化驱动出图，然后对 工作装置进行机构运动仿真和有限元结构分析。 1 2 基于h 的倔二次开发的发展现状 目前，应用计算机辅助设计( c a d ) 技术在一些先进的工业国家中已经得到了广泛 的应用，在日本有8 0 以上的公司已不同程度地应用了c a d 技术。在美国，c a d c a m 公司已超过3 0 0 多家，c a d 的应用领域己从早期的电子电路计算机辅助设计、印制电 路板设计，逐步扩展到超大规模集成电路设计、机械设计、服装与花样设计、管道 布局设计等方面，从大规模生产企业，发展到广泛应用于中、小型企业。应用c a d 进行产品设计的一般流程如下，现进行一一说明： 1 、c a d 产品设计的过程一般从概念设计、零部件三维模型到二维工程图。有的 2 第一章绪论 产品特别是民用产品，对外观要求比较高( 汽车和家用电器) ，在概念设计以后， 往往还需进行工业外观造型设计。 2 、在进行零部件三维建模时或三维建模完成以后，根据产品的特点和要求，要 进行大量的分析和其他工作，以满足产品结构强度、运动、生产制造与装配等方面 的需求。这些分析和工作包括运动仿真、结构强度分析、疲劳分析、塑料流动、热 分析、公差分析与优化、n c 仿真与优化、动态仿真等。本论文就是以这样的一个主 线进行的装载机工作装置c a d c a e 研究，最后得出可靠的分析结果。 3 、产品的设计方法一般可以分为2 种：自底向上( d o w n - t o p ) 和自顶向下 ( t o p d o w n ) ，这两种方法也可以同时进行。自底向上：这是一种从零件开始，然 后到子装配、总装配、整体的外观设计过程。自顶向下：与自底向上相反，它是从 整体外观( 或是总装配) 开始，然后到子装配、零件的设计方式。本论文采用的是 自底向上的产品设计方法。 4 、随着信息技术的发展，同时面对日益激烈的竞争，企业采用并行、协同设计 势在必行。只有这样，企业才能适应迅速变化的市场需求，提高产品竞争力，解决 所谓的t q c s 难题。即以最快的上市速度( t - t i m et om a r k e t ) 、最好的质量 ( q q u a l i t y ) 、最低的成本( c - c o s t ) 、最优的服务( s - s e r v i c e ) 来满足市场的需求。 但c a d 软件的通用性也使其难以很好地应对不同用户在技术标准方面的差异， 在使用这些软件进行标准化设计时并不方便，而二次开发能很好的解决这些问题。 因此，近年来国内外都有学者或研究员对p r o e 二次开发做了相应的研究。 在先进的国家中，c a d 软件的二次开发一向是企业用来加强设计竞争力的必要工 具之一。所以，美国人雇佣了很多优秀的其他国家的低价软件人才，为他们开发软 件。那为什么高阶软件一直是美国的领先科技项目呢? 是因为它利润高，且不论是 军事还是自由的经济市场，都非常需要它来提升竞争力。 因此，只要经济市场维持自由竞争，那么很多企业为了让工业产品保持竞争的 优势，就必须走应用c a d 二次开发软件这条路。而从国内的现况来说，私企的数量 将越来越多，彼此间的竞争也将白热化。未来人事资薪将是企业的最大成本，而人 才的资薪是不可能一直维持现状的。即使是设计单位，也不可能用人海战术来维持 效率。所以，为了降低成本，高质量的精兵人才、高效率软件的使用势必成为企业 生存不得不用的法宝之一，p r o e 二次开发产业在国内的未来是不可限量的。 装载机工作装置参数化3 d 建模及有限元分析 1 3 系列化产品设计 系列化产品是通过产品系列化而产生的产品族，即按照产品功能的共性，把产 品划分为各种类型。目前国内许多生产装载机的厂家都已形成了产品的系列化，有 2 0 系列、3 0 系列、4 0 系列、5 0 系列以及其他系列的装载机，以满足市场的不同需 求。面对这样的形势，需要研究生产系列化产品的方式、方法，以提高设计效率， 有效的应对市场竞争。1 1 4 , 1 5 1 图1 1 系列化严品的开发过程 f i g u r el 1t h ee m p o l d e rp r o c e s so fs e r i e sm a n u f a c t u r e 系列化的产品设计特点为实现参数化设计提供了必要条件，利用参数化设计可 以方便的设计出系列化产品。因此可以得出系列化产品开发过程如图1 1 所示为：基 型设计一确定相似类型一确定参数与尺寸级别一计算导出产品的参数和尺寸一调整 校核计算结果一确定尺寸机构和参数一完善技术文档一输出生产所需图纸。因此， 基型设计和参数化图库的建立是实现系列化设计的关键【1 6 t 1 7 1 。 本课题的参数化设计，是建立在z l 5 0 g 装载机工作装置模型的基础上。该系统 的设计运行，简化了工作模型装置设计方法，提高了设计效率，为z l 5 0 g 装载机 工作装置的系列化提供了重要的手段。 1 4 软件平台选择 本文采用的软件平台是p r o e 软件。p r o e 软件系统是美国参数化技术公司p t c 4 第一章绪论 ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 的优秀产品，提供了集成产品的三维模型设计、 加工、分析及绘图等功能的完整的c a d c a e c a m 解决方案。该软件以使用方便、 参数化造型和系统的全相关性而著称。目前p r o e 软件在我国的机械、电子、家电、 塑料模具等行业取得了广泛的应用，该软件在国内的应用数量大大超过了同类型的 其他国外产品。p r o e 是基于w i n d o w s 操作系统的三维绘图软件，它使用参数化造 型理论，它的建模技术就是基于特征的参数化实体建模，它具有强大的实体建模功 能和直观的用户界面。 p t c 提出的但以数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据再利用等概念 改变了m d a 的传统观念，这种全新的概念己成为当今世界m d a 领域的新标准。利 用此概念写成的第三代m d a 产品p r o e n g i n e e r ( 本文简称p r o e ) 软件能将产品 从设计至生产的过程重合在一起，让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作， 即所谓的并行工程。p r o e n g i n e e r 目前共有8 0 多个专用模块，涉及工业设计、机 械设计、功能仿真、加工制造等方面，为用户提供全套解决方案。 产品设计由二维工程图向三维实体造型方法转变，p t c 被称为此过程的先驱。 p t c 公司开发的p r o e n g i n e e r 采用基于参数化、特征设计的三维实体造型系统， 已经为很多企业所应用。该系统极大地改善了设计人员的设计环境，提高了设计速 度和设计可视化程度。但是要使该系统能够满足企业的特殊需求，则需在系统原有 的功能基础上借助p r o e n g i n e e r 二次开发工具进行客户化插件开发。 1 5 本课题的意义和主要研究内容 具体来说，本课题的研究工作主要有以下三个方面： ，装载机工作装置的参数化建模，建立模板库。本论文的研究对象为z l 5 0 g 装载机工作装置，将其主要零件分类，分别为摇臂板、动臂板、横梁、连杆、铲斗、 销轴等。分别找出建立这些部分的实体模型的基本特征，将这些零件进行三维参数 化建模。 二，装载机工作装置的参数化设计软件研发。该软件能够通过输入参数来生成 装载机工作装置的主要零部件，可以选择最恰当的参数以达到最佳设计效果，还可 以形成装载机工作装置的系列化产品。 三，装载机工作装置的运动仿真和有限元结构分析。使用p r o e 对设计模型进行 运动仿真，模拟真实环境中的工作状况并对其进行分析和判断，检查最后的模型有 无干涉。然后根据传统的装载机设计计算方法，以装载机工作装置在静力条件下的 装载机工作装置参数化3 d 建模及有限元分析 正载和偏载工况为例，应用a n s y s 软件导入装载机动臂有限元模型，并对动臂在这 两种工况下进行有限元分析，由此得出动臂的应力集中区域和应力分布云图，反过 来指导装载机工作装置的参数设计。通过运动分析和有限元分析，可以尽早的发现 设计缺陷和潜在的失败可能，提前进行改善和修正，从而减少后期修改而付出的昂 贵代价，减少设计周期。 6 第二章参数化二维模型样板的建立 第二章参数化三维模型样板的建立 本课题的三维模型样板即为z l 5 0 g 装载机工作装置。装载机工作装置是完成装 卸作业并带液压缸的空间多杆机构。工作装置是组成装载机的关键部件之一，其设 计水平的高低直接影响装载机性能的好坏，进而影响整机的工作效率和经济性指标。 2 1 装载机工作装置简介 装载机工作装置是组成装载机的关键部件之一。它按有无铲斗托架可分为有铲 斗托架和无铲斗托架两种类。有铲斗托架的工作装置其铲斗装在托架上，并由托架 上的铲斗液压油缸控制铲斗转动。由于铲斗托架重量大，使得铲斗的装载重量相应 减少，因此，国内外装载机广泛采用无铲斗托架式工作装置。按组成连杆机构的构 件数不同可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆；按输入和输出杆的转向不同，又 可分为正转机构( 输入杆件与输出杆件转向相同) 和反转机构( 输入杆件与输出杆 件转向相反) 。其中转斗缸后置式反转六连杆机构由于机构简单紧凑、容易布置， 同时又能满足主要设计要求，如能获得大的传动比和掘起力，良好的铲斗平移性能， 实现铲斗的自动放平等，所以近年来得到了广泛的应用。 z l 5 0 g 装载机工作装置为无铲斗托架转斗油缸后置式反转六连杆机构，反转六 连杆机构由摇臂、动臂、铲斗和连杆组成的四连杆机构，铲斗液压缸与动臂液压缸 等组成，装载机的铲掘和装卸作业是通过工作装置的运动来实现的，如图2 1 为装载 机的工作装置简图【l 引。当动臂处于某种作业位置不动时，在铲斗液压缸作用下，连 杆机构可使铲斗绕其铰点转动；当铲斗液压缸闭锁时，动臂在动臂液压缸作用下提 升或下降铲斗过程中，连杆机构能使铲斗保持平移或斗底平面与地面的夹角控制在 很小的范围内，以免装满物料的铲斗由于倾斜而撒落；当动臂下降时，能使铲斗放 平在地面上。 7 装载机工作装置参数化3 d 建模及有限元分析 图2 1 装载机工作装置机构 f i g u r e2 - 1t h em e c h a n i s mo i ll o d e ro ft h ew o r k i n gd e v i c e 1 一铲斗2 一连杆3 一摇臂4 一转斗油缸 5 一动臂6 一举升油缸7 一前车架 在此装置中，铲斗用以铲装物料；动臂和举升油缸用来提升铲斗；转斗油缸通 过摇臂、连杆使铲斗转动。工作装置的作业过程大致是这样的：动臂油缸回缩，将 动臂下放至下限位置( 即动臂油缸全缩) 后，铲斗插入地面，斗尖触地，开动装载 机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆；然后转斗油缸伸出，转动铲斗，铲取物料： 待铲斗收斗后，转斗缸闭锁，动臂油缸伸出，举升动臂，将铲斗升到适当的运输位 置，然后驱动装载机，载重驶向卸料点；到达卸料点后，保持转斗缸长度不变，动 臂油缸继续伸长，将铲斗举升到任意卸料高度；然后将动臂油缸闭锁，转斗油缸收 缩翻转铲斗，装载机卸载；卸料结束后，动臂油缸回缩，下放动臂，实现铲斗自动 放平，再次进入地面插入工况，进入下一次的循环作业过程。 对装载机工作装置的主要设计要求【l8 1 ，在装载机工作时要保证：当动臂处于某 种作业位置不动时( 此时动臂油缸封闭) ，在转斗油缸作用下，通过连杆机构使铲 斗绕其铰接点转动卸料，通常要求卸料角不小于4 5 度，以保证卸料干净。当动臂在 动臂油缸作用下，提升或降低铲斗过程中( 此时转斗油缸闭锁) ，连杆机构应能使 铲斗在提升时保持平移或控制斗底平面与地面的夹角在很小的范围内变化，以免由 于铲斗产生倾斜而使装满的物料散落而造成安全事故。通常，要求铲斗在上升。下 降过程中最大转角差不大于1 5 度；而在动臂下降时，又自动将铲斗放平，以减轻驾 驶员的劳动强度，提高生产率。此外，连杆机构还应具有良好的动力传递性能，运 动中不与其他构件发生干扰，而且具有足够的强度和刚度等。这些就是后面的运动 仿真分析和有限元结构分析所考虑的问题了。 8 第二章参数化三维模型样板的建立 2 2 参数化对象的产生 参数化模型是表达产品结构设计的一种有效手段，是产品设计过程中的重要步 骤。采用基于特征的建模方法是参数化建模的最优秀的方法之一。 选择机架作为装载机连杆机构工作装置的运动参考系，建立如图2 2 所示的平面 直角坐标系x o y 。 图2 - 2 装载机工作装置机构简图 f i g u r e2 - 2t h es k e t c ho fm e c h a n i s mo ni o d e ro f t h ew o r k i n gd e v i c e 本论文的研究对象是z l 5 0 g 装载机工作装置，建立装载机工作装置的参数化模 型是参数化设计与机构运动和载荷分析的基础。在所有的零件设计完毕之后，就完 成了工作装置的设计过程，建模过程从得到的初始参数开始。 2 3 特征建模2 2 2 3 副 2 5 l 2 3 1 特征的概念与分类 ( 一) 特征的概念【1 9 1 特征是指产品描述的信息的集合。零件的特征描述是其设计和制造等方面的信 息。用特征描述的产品信息模型具有形态、材料、功能、规则和约束等内容的描述。 1 特征的分类2 0 】 通过分析机械产品大量的零件图样信息和加工工艺信息，可将构成零件的特征 分为五大类：管理特征、技术特征、材料特征、精度特征、形状特征、装配特征。 在以上特征中，形状特征是描述零件或产品的最主要特征。 2 形状特征的分类【2 l 】 根据形状特征在构造零件中所起作用不同，分为基本特征和附加特征两类。基 9 装载机t 作装置参数化3 d 建模及有限元分析 本特征：它用来构造零件的基本几何形体，是最先构造的特征，也是后续特征的基 础。它反映了零件的主要形状，体积( 或质量) 。附加特征：附加特征是依附于基本特 征之上的几何形状特征，是对基本特征的局部修饰，反映了零件几何形状的细微结 构。 2 3 2 基于特征的参数化设计技术 特征是具有工程含义的几何实体，它表达的产品模型兼含语义和形状两方面的 信息，而特征语义包含设计和加工信息，它为设计者提供了符合人们思维的设计环 境，设计人员不必关注组成特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图 的方式来进行设计。因此基于特征的设计越来越广泛地应用于参数化设计中。 基于特征的参数化方法意在将基于特征设计方法与参数化技术有机地结合起 来，实现对多种设计方式( 自顶向下或自底而上等) 和设计形式( 初始设计、相似设计 和变异设计等) 的支持。它改变了传统c a d 系统完全靠设计者指出零件几何图素的 位置这一限制，将零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操作单位 的新语义实体，这将包含比几何图素多得多的零件描述。对于一个特征来说，其构 成的几何图素之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过给特征指定不同 的参数值来实现。对零件的修改就可以转化为对构成零件的特征参数值的修改，不 用直接修改几何图素的位置，大大方便了零件的设计与修改。 2 4 参数化建模的实现 2 4 1 基于p r o e 的参数化建模 p r o e 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特 征的功能去生成模型，可以随意勾画草图，轻易改变模型。本论文在建立装载机工 作装置实体模型时生成了具有以下特征的零件库：壳、复杂拱形面、三维扫描、复 杂混合、组合零件、混合扫描、开槽特征、偏置面等。 三维模型中包括了装载机工作装置的有关点、线、面、体的各种信息。计算机 中三维模型的表示经历了从线框模型、表面模型到实体模型的发展，所表达的几何 信息也越加完整和准确。三种形式的三维造型各有利弊，本论文所用模型显示方式 为实体模型。 实体模型是几何体发展到实体模型阶段，封闭的几何表面构成了一定体积德实 体，形成了几何形状的体的概念，如同在几何体的中间填充了一定的物质，使之具 有了如重量、密度等特性，可以检查两个几何体的碰撞和干涉等。 1 0 第二章参数化三维挺型样板的建立 当实体模型建好后，用p r o e 的p r o g r a m 工具进行参数设计。p r o g r a m 会将p r o , e e 的模型树种的每个特征的详细信息记录下来，使用者不必也不需要重新撰写其设计 步骤，只需要在p r o e 菜单【工具 【关系】 局部参数 中加入需要参数间的相关关 联式就可以让整个零件设计变得灵插。 2 5z l s o g 工作装置零部件的三维参数化模型 1 二维草图绘制 在建立三维模型时，要先用p r o e 的基本曲面构造命令进行二维草图的绘制。基 本曲面构造命令包含有直线、圆弧、曲线、圆、椭圆等基本图形绘制工具，还包含 基准点、基准线绘制工具，尺寸定义工具。三维实体均是由二维草图拉伸、旋转、 扫描等生成。本文在p r o e n g i n e e rw i l d f i r e2 0 下构建装载机零部件模型及组件装 配模型。 2 三维实体模型建立 三维实体模型能够逼真的反映所设计的零件。当二维图绘制好后，生成三维实 体模型然后通过实体修改工具对模型进行修改，最终生成零件的三维实体模型。 下面对装载机工作装置各零部件进行参数化建模，得到三维参数化模型。由于 产品零件较多，图2 3 只显示装配好后的部件。图23 a 、b 、c 、d 、e 、f 、o 分别 为z l s o g 装载机工作装置的铲斗、摇臂、动臂、起升油缸、转斗油缸、斗杆和销轴。 ab 装载机工作装置参数化3 d 建模及有限元分析 t - d c 少 e l 。鬣 fg 图2 - 3 蓑栽机工作装置各部件宴体模型零件 f i g u r e2 - 3 t h ep a r t o f m e c h a t h s m o n i o d e ro f t h e w o r k i n g d e v i c e 2 6 小结 首先对本文参数化设计的对象z l 5 0 g 装载机结构进行了分析，得到了参数化对 象。然后对特征进行定义及分类，总结了特征建模方法的特点。接下来介绍了用p r o e 软件进行工作装置三维建模时用到的理论及技术。对装载机工作装置的主要零部件 进行建模，得到了三维模型。 第三章参数化设计 第三章参数化设计 参数化设计是近几年才发展起来的先进造型技术，可以大大提高设计效率，并 有助于减轻设计人员年的工作强度。 国内外对参数化设计的研究已较为成熟，参数化设计方法也很多，比如基于绘 图过程的参数化设计、基于装配的参数化设计、基于图形分解思想的参数化设计、 基于变形设计的参数化等【2 6 1 。这些方法各有优缺点，在长期实践过程中，基于特征 的设计方法已被公认为是解决产品开发与过程设计及集成问题的有效手段【2 7 】。 3 1 参数化设计的定义 从产品设计到制造的整个过程中，尤其在产品设计的初步阶段，产品的几何形 状和尺寸不可避免地要反复修改、协调和优化。如果利用c a d 软件进行非参数化建 模，那么哪怕要改变图形的一个尺寸和结构，也需要修改原模型，甚至重新建模。 那么能否利用数值驱动零件和部件的特征尺寸，在进行产品系列设计时，只需要添 加多组数据即可；若要进行重新设计，只需要修改部分数据即可。这就是参数化设 计的思想，现今流行的三维c a d 造型系统大多提供了参数化设计的功能。 p r o e 中的参数有系统建模时自动添加的尺寸参数和用户根据需要自己建立的 参数，用户建立的参数需要直接或添加相应的关系式与模型的某一尺寸相关联。更 改某一参数的值时，系统就会做出相应的改变，从而产生新的模型。 3 2 参数化设计原理 1 参数化设计概述 应用c a d 技术，可以通过人机交互方式完成图形绘制和尺寸标注，但是传统的 方法是先绘制图形，再从中抽象出几何关系，因此设计后只存储最后的结果，而将 设计过程丢失，这样就存在如下的显著问题： ( 1 ) 无法支持初步设计过程，在实际设计初期，设计人员关心的往往是零部件的 大小、形状以及标注要求，对精度和尺寸不十分关心，而传统的设计绘图系统始终 是以精确形状和尺寸为基础的。 ( 2 ) 在实际设计过程中，大量的设计是通过修改已有的图形而产生的，由于传统 的设计绘图系统缺乏变参数设计功能，因而不能有效地处理因土形尺寸变化而引起 图形相关变化的自动处理。 ( 3 ) 对各种不同的产品模型，只要稍有变化都必须重新设计和造型，从而无法较 好地支持系列部件的设计工作，使产品的设计费用高、设计周期长，无法满足快速 1 3 装载机工作装置参数化3 d 建模及有限元分析 更新的现代化大生产市场的需求。 为解决上述问题，加快新产品开发周期，提高设计效率，减少重复劳动，于2 0 世纪8 0 年代初诞生了参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 方法。 参数化设计系统的功能主要有以下几点： ( 1 ) 从参数化模型自动导出精确的几何模型：它不要求输入精确图形，只要输入 一个草图，标注一些几何元素的约束，然后通过改变约束条件自动地导出精确的集 合模型。 ( 2 ) 通过修改局部参数来达到自动修改集集合模型的目的：这对于大致形状相似 的一系列零件，只需修改一下参数，即可生成新的零件。这在成组技术中将是非常 有益的手段。 2 参数化模型 在参数化设计系统中，首先必须建立参数化模型，参数化模型有多种，如几何 参数模型、力学参数模型等，这里主要介绍几何参数模型。几何参数模型包括两个 主要概念：几何关系和拓扑关系。几何关系是指具有几何意义的点、线、面，具有 确定的位置( 如坐标值) 和质量值( 如长度、面积) ，所有的几何关系构成了几何 信息，拓扑关系反映了形体的特征和相互关系，所有的拓扑关系构成拓扑信息，它 反映了形体几何元素之间的邻接关系。 根据几何关系和拓扑关系信息的模型构造先后顺序，亦即它们之间的依存关 系，几何参数模型可分为两类。 ( 1 ) 具有固定拓扑结构的几何参数模型：这种模型是几何约束值的变化不会改变 几何模型的拓扑结构，而只是改变几何模型的公称尺寸大小，这类参数化造型系统 以b - r e p 为其内部表达的主模型，必须首先确定清楚几何形体的拓扑结构，才能说 明几何关系的约束模式。 ( 2 ) 具有变化拓扑结构的几何参数模型：这种模型是先说明其几何构成要素与他 们之间的约束关系以及拓扑关系，而模型的拓扑结构是由约束关系决定的，这类系 统以c g s 表达形式为其内部的主模型，可以方便地改变实体模型的拓扑结构，并且 便于以过程化的形式记录构造的整个过程。 图3 - 1 ( a ) 为以图形的参数化模型，他所定义的各个部分尺寸为参数变量名，对 于拓扑关系的产品零部件，也可以用他的尺寸参数变量来建立起参数化模型。如图 3 - 1 ( b ) 所示，建设n 为小矩形单元数，t 为边厚，a ，b 为单元尺寸，l ，h 为总的长 和宽。单元数的变化，会引起尺寸的变化，但他们之间必须满足如下条件： 1 4 第三章参数化设计 l = n a + ( | 7 、7 + 1 ) ? 。 h = b + 2 r 这个条件关系称为约束。 约束可以解释为若干个对象之间所希望的关系，也即是限制一个或多个对象满 足一定得关系。对约束的求解就是找出约束为真的对象的值。由于所有的几何元素 都能根据几何特征和参数化定义相联系，从而所有的集合约束都能看成为代数约束。 图3 1 参数化模型 f i g u r e3 - 1p a r a m e t e r i z e dm o d e l 因此，在通常情况下，所有的约束问题都可以从几何元素( 公理性) 级归纳到 代数约束级( 分析性) 。实际上，参数化设计的过程可以认为是改变参数值后，对 约束求解的过程。 参数化的本质是加约束和约束满足。在几何参数化模型中，除了有尺寸约束 参数外，还应有几何约束参数。在参数变化过程中，约束的满足必须是尺寸和集合 约束都同时满足，才能获得准确的几何形状。 4 数据联动技术 ( 1 ) 三维实体的二维工程图现代c a d 、c a m 软件都具备由三维模型自动 生成二维工程图的能力，即当创建完零件或部件的三维实体模型后，就可以切换到 绘图模式下生成该零件或部件的二维工程图。这时在绘图模式下首先创建基本视图， 接着由这个基本视图派生出各个相关视图，接着可以进行图形调整和编辑，根据需 要还可以通过添加标题栏，尺寸标注和注释说明等来进一步完善视图。 ( 2 ) 数据关联 数据关联主要表现以下三个方面： a 零件的2 d 数据与3 d 数据之间的关联。它指由系统自动生成的零件2 d 模型与 零件3 d 模型是只能双向关联( 或称尺寸联动) 的，即当修改3 d 模型时，对应的2 d 模型会自动更新，反之亦然。这无疑为设计带来了巨大的方便，同时为模型的管理 提供了先进基础。 装载机t 作装置参数化3 d 建模及有限元分析 b 零件模型与装配模型的自动调整，可以直接在装配模型中调整零件模型，这样 修改零件时就不必担心是否要重新设计