（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机整机建模和节能技术的研究及应用.pdf

液压挖掘梳整机建模释节能技术的研究及瘟耀 摘要 市场竞争的不断加剧使得产品开发速度和综合性能曰益成为最具挑战性的 霾素之一，滚瓢挖撼掇楚一个复杂戆娥篷产鑫，由于冀赣产品开发躅蘩长，或本 高，导致产品严重老化、缺乏市场竞争力，目前8 0 以上的产鬣为外强企业所占 毫，如馋提高我国液压挖掘枫产燕的设诗水平秘综合数缝已成为急罴鲻决的关键 技术。虚拟样机技术的逐渐成熟为解决这些问鼷提供了强有力的工具和手段。本 文从分辑虚拟样机技术的特点翻优势出发，针对现有波压挖掘枧设计手段存在魄 不足，将虚拟样机技术g i 入挖搠机设计开发领域，并对液压挖掘杌的关键节能技 术进彳亍探讨。论文的主要内容如下： 1 在介绍的纛援样机技术的慕本理论框架帮潮顾国内外在诧方面魏研究现状及 发展趋势的基础上。论证了将虚拟样机技术应用于液压挖掘机设计的必要性 饔帮能注及其实施豹策珞。 2 针对液压挖掘机整机系统，借助于廉拟样机技术理论的指导，提出了挖掘机 痘羧样撬熬实琨繁臻，帮鬏摆挂象建模兹鬻要将捻捷辊划分蔻有撬关联戆肇 学科系统及模型，分别在不同的支撑软件上并行建模，再利用网络和系统集 成技术将各子系统模型集成为挖摇瓿虚拟襻掇。 3 按照系统仿真建模原理，主臻研究了挖掘机液压系统的建模方法，探讨了利 用m a t l a b 软馋中的s i m 啦i n k 工具镰建立了参数化和模块他的挖掘枧液压系统 仿真模型的方法。 4 提 匙了在a d a m s 中建立虚拟样机环境，通过a d a m s c o n t r o l 接口与 s i m u l i n k 中建立液艇予系统模型有枫集戒，实现了挖掘机成拟样机环境的机 电液一体化联合仿真的策略和方法。并探讨了挖掘机虚拟样机的成用前景和 发麓趋势。 5 节能对于液压挖掘机所具有的意义，不仅在于节约燃料，熙重要的是由此降 低了系缓发热霸王佟强度，获焉毒翻予设餐弱遥露翻维护。奉章分绍了当蠢苕 国内外常用的挖掘机节能披术，并对基于六通型多路阀的负流量控制系统的 节蹇l 效鬃遴孬了 葶缎分掇，建立了稷应豹按剩搂型，进嚣了计算撬接奏并在 自行研制的试验样机上验证了这一模型的溉确性，在此基础上进而提出了这 秘节魅控制熬设计缀则。 关键调虚拟样枧、波压挖掘搬、液燧系统、仿真、集成、节能 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fl l y d r a u l i ce x c a v a t 0 1 m o d e l i 珏ga n d e n e r g ys a v i n g r e c h n o i o g y a b s t r a c t 麓l ei n c r e 鑫s i n g l ym a 斑e t m p e 垃t i o 歉m a k ei ta s0 n eo fm o s te h a l l e n g i n gf 赫t o r st o d e v e l o p m e map r o d u c ta n de n h a l l c ep r o d u c tc o m b i n a t i o np r o p c r t i e s h y d r a u l i ce x c a v a t o ri sac o 啦p l e xe l o e 乜o m e e h 8 n i c 蛙掰o d n c t 越通b e e 8 u s ei tw i l t a 薹饿el o n g p e r i o da n dh i g hc o s tt od e v c 王o p 址gan e wp r o d u c t ，墩ep r o m l c ti sa g i n gs e r i o u s l ya n di a c k i n g m a r k e tc o m p e t i t i o n n o wa b o v e8 0 p r o d u c t i o ni 8o c c u p i e db yf o r e i g ne n t e r p d se h o wt o i m p r o v ed o s i g al e v 。la 砖m b 猿箍圭i p r o p e 蛀yh a sb o m e 穗ek 黟鼍e 睡瘟霉粒嘴铋t l y 受r 珏s t os 0 1 v c t h ef a d u a ld e v e l o p m e n to fv h t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi sp r o v i d i n gu sw i t ht h e t o o l sa n dm e a n st os o l v e 协e s ep r o b l e m s s e to u t 抒o mt l l ea l l a l y s i so ft 1 1 ec h a r a c t e “s t i c sa n d s u 箨r i 确t yo fv i 攮癌鼬参哟学t e 妇。l o g y 鞠da i 瘸端8 t 谯e s i 辨d 。蠡c i e n c yo 铺y 酝m l i c e x c a v 砒o r ，i nm i sp a p e r ，a u t h o ra p p l i e dv i r t u a lp r o t o t y p et o c h n 0 1 0 9 yi nt h ed e s i g nr 。a l mo f e x c a v a t o ra n dd i s c u sm ek o ye n e r g ys a v i n gt e c h n i q u eo f h y d r a m i ce x c a v a t o r 。m a i nc o n t e n t s o f 疆矗s 畦瓣s i s 。i l | bl i s 重e da sf o l l o 诹n g ： 1 b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft l l eb a s i c 协e o r i e s 疔咖eo fm ev i r m a lp r o t o q ，p et e o h n o l o g y a n dl o o k i n gb a c k 镪ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa n d d e v e l o p m e n t 枉i m do f 面样s t i ea n di n t e m a 蝣o n a 珏yc o u n t r i e si n 量l e s er e a | m ，w er c a s o n e dm e n e c e s s i t y ，p o s s i b i i i t ya n ds t r a t e g yo fp u t t i n gv i r t i l a ip r o t o t y p et e c h n o l o g yi n t ot l l ed e s i g no f h y d f a u l 纯e x c 辨戤o f ， 2 。a i m i n ga t 也ew h o l es y s t e mo fh y d r a u l i ce x c a v a t o ra 柏di nv i r t u eo ft h ei n s t n j c t i o no f v i r t u a lp r o t o t y p et e c l l n o l o g yp r i n c i p a l ，w eh a v ep f o p o s et b ei m p l e m e n 协f i o ns 廿a t e g yo f 鑫o s i g n 童n gv 至娃珏畦p 游b t y 游撵础i n eo f 羹y d f 越i co x 鼹v 鼓o 。王t 主s 圭os a yt 酝w ep 啦h y 蠢糟疆i i e e x c a v a t o ri n t os i n g l ec o u r s es y s 把m sa i l dm o d e l st l l a ti sc o 彻e c t e de a c ho t h e ra n ds c tu p m 0 1 d so nd i 岱e r e n t l ys u p p o r ts o f t w a r er e s p e c t i v e b t h e nm a k eu s e 甜t h en e t w o r ka n ds y s t e m i 靛 e 擎采i o 驻耙e b i q u e st 。i n l e 擎a 捻m o l so f o a e hs 曲s y s 钯mi n t ov i r 妇越p 鳓t o t y p em a e h i 矗o o f h y d r a u l i cp r e s s u r eg r a b 3 。a c c o r d i n gt ot h es y 8 t e mm o d e l i n gp r i n c i p l e ，娃l i sp a p e rp f i m a r i l ys t u d i e dt h es y s 钯m m o d e i i n 窭m e 氆时d so fh y d r a n l i ce x o a v a t o rs y s t e m 黼dd i s c 粥s e d 也em e 疆o d su s i n 宜s o 矗w a r e m a t l a ba n ds i m u l i n kt o o l b o x e st os e tu pt h ep a r a m e t e r i z ea n dm o d m a r i z e8 y s t e mp r o t o t y p e m o d e l i n 鬈o f h y d 蒯i ef 端s s n r eg f 抽 4 i nt h ep a p e r ，w 曲r o u 曲tu p 也es 拓a t e g ya n dm e m o d s 也a ts e tu p 伪ei m e g r a t e ds o ns y s t e m m o d e l i ns i m u l i n kt h r o u g ha d a m s ，c o n t r o l i m e 埔瓣ea r l dr e a l i z e dm a c m n e ，e l e c t r i c i t ya 1 1 d l 紫i di 嚣姆g f a lp f o t o t y p eo fv 呈r t 毛l 瓣p 幻t y p e 臻a e 魏i 鞋oe n v 黜。n 。期 o 辑o v o r ，w e 爨s o 璐s e d t h ca p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dd e v e l o p m e n tn 它n do f h y d r a u l i ce x c a v a t o r s n em o a l l i n go fe n e r g ys a v i n gt og r a bi sn o to n l yi ns 酬i n gt h ef u e l ，b u ta l s oi tc a n1 0 w e r 攮es y 蹴m 巍蛾瘫i 鑫t i 微硅n d 粥痰i n 耄e 巍s i 每s o 建w i l lb eb e n 藤e 斌协c i 黼l 鑫t i o na 珏d m a i n t e n a n c et h ee q u i p m e n t s t h i sp a p e rb r i e n yi n 打o d u c e se n e r g ys a v i n g t e c l l n o l o g yw h a t i sp f e v a i l i n gi nd o m e s t i ca n di n t e r n a 娃o n 烈c o u n t i e sa n da n 蝴y s i sp a n i c u l a n y 也ee c o n o m i z e o ne n e r g ye 登宅c to f 饿en 尊鞲a 蛀v e 蠡o wc o n t r o is y s 萌nb a s e do ns x w a ym u l t ip 8 mv 翻v 瓯t b e n w es e tu pm ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm o 幽l ，p r o c e 8 st h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n dp r o v e d 廿l e e o f r e c 如o s so f 如em o d e lo n 也ee x p e r i m e 嫩m o d e lm a c k n ed e v e l o p 醛b yu s ，b a s e do 拄氆嚣s o w e b r i n gu pt 1 1 i sd e s 培np r i n c i p l eo f c n e r g ys a v i n g k 弋y w o r d s ： v i r t u a l p m t o t y p e ， h y d r a u l i ce x c a v a t o r ， h y d r a u l i cs y s t e m ， e m l a t i o n ， i n t e g r a t l o n ，e n e r g ys a v l n g 撬巨潺摹 圈l l 建投秽凝瓣生藏淀程5 图l 一2 采用虚拟样机的批量产品开发流程6 匿 一3 挖撼嘏生会周赣各蹬段l o 图2 1 整体鹅颈式动臂反铲液压挖掘机1 6 匿2 2 渡压撼掘毫莲大系烧图1 7 圈2 3 液压挖掘机虚拟样机技术实现框架一2 5 图3 一l 渡压系统原理罄3 0 图3 2 挖掘机液压系统抽象模型一3 l 图3 3 简单渡珏系统3 4 图3 4 液压缸简罔3 5 图3 5 换向阉筛图3 6 图3 6 液压缸位移阀控系统及方框图3 7 图4 一l 仿真计冀过程示意3 9 图4 2 图形交蕊界面 4 0 图4 3 执行机构为液压鼹的液压忑作回路4 2 图4 4 计算漉程图4 3 图4 5 基本参数设置交夏对话梃4 4 圈4 6 泵模型计算流稳图4 4 图4 7 泵的参数设置对话框4 5 圈4 8 液珏缸模型计冀流程圈4 6 图4 9 参数设露对话檐4 6 图4 一l o 平衡阙模墅计黧流程圈4 7 图4 一l l 平衡阀的参数设置对话框4 7 鹜4 i 2 溢流澜模型诗算流翟稿 图4 一1 3 溢流阔的参数设置对话框”4 8 蚕4 一1 4 液鹾酲路图4 9 图41 5 仿真模型图 4 e 图4 一1 6 挖掘机虚拟样机的集成5 0 图4 一1 7 挖掘机虚拟样机的装配5 1 图4 1 8 机械系统与液压系统参数关系5 2 图5 一l 柴油机万有特性血线5 5 图5 2 负流量控制原理5 5 图5 3 负流量控制泵原理5 5 图5 4 电液比例负流量控制5 7 图55 正梳量控制泵原理5 9 图5 6 流量分配型压力补偿原理6 0 图5 7 国外某型号交叉传感恒功率泵原理6 2 图5 8 神钢s k 2 0 0 动力模式控制系统”6 2 独创性声明 本人声嚼爨鏊交翡学位论文楚本入在等瘴指辞下遘行钓醑究工作及取得的 研究戒聚。据我掰知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包禽 其证人崴经发表或撰写过的磷究成暴，也不电食为获褥垒愁薹熬塞燮 成其他教育机构的学位或证书聪馒用过躲拱辩。与我一网王嚣熬露惑对本醑究 获镀翦援锯粪献均基褒论文审佟了翳确豹谎鞠并表示谢意。 学位论文作者签襄：i 爽签字嚣鞘： 年角弱 学位论文版权使用授权书 本学位论文馋蠹突垒了鳃垒墅墨堂杰堂蠢关曝辩、使爨学位论文躲戴 定，有权绦鏊势商器家寄关部门域机构送变论文的复簿件和磁盘，允许论文 被瓷阅和借阐。本人授税叠登玉筵太宝可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据摩进行检索，可以袋耀影印、缓印或招搂等复粼手段保存、汇 编学位论文。 ( 僚密豹学使谂文程解辩者适篇本授载书) 学搜论文体尝签名： 菇 憝字日期；年月网 学位论文作者毕业后去向： 工作单证： 遴试缝簸： 嚣师签名 工、 、 分之& 挞字日期： 年月翳 电话： 赭编 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，特别 是我的导师李志远教授和余新呖高级工程师多年来对我的悉心指导，借此机会向 他们表示衷心的感谢! 在学习和论文的写作过程中，老师给予了我极大的关怀和帮助，从论文题目 的确定、实施方案的制定、具体工作的进展以及最后论文的撰写与修改，无不渗 透着导师们的智慧和心血。老师们渊博的知识、开阔的视野、分析洞察问题的能 力，都使我受益匪浅。 感谢合肥工业大学机械与汽车学院的各位老师和合肥通用机械研究院各位 技术人员，感谢他们在我的论文工作中给予我的无私的指导和帮助以及在生活上 给我的关怀和照顾。 在整个研究生学习阶段，我的工作单位给予了我很大的支持和鼓励，对此表 示诚挚的谢意。 同时感谢我的家人，尤其是我的爱人，在我的学习期间承担了家中繁重的家 务和孩子的教育工作。 最后，对在舀忙中抽出时间评审我的论文的各位老师和专家一并表示衷心的 感谢! 作者： 2 0 0 4 年1 2 月1 0 日 第一章绪论 本章在介绍虚拟样机技术的基本理论框架和回顾国内外在此方面的研究 现状及发展趋势的基础上，论证了将虚拟样机技术应用于液压挖掘机设计的必 要性和可能性及其实施的策略。确定课题主要的研究内容和研究方法。 1 _ 1 课题的提出及意义 液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一。它 在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工 中起着极为重要的作用。随着人类活动领域的拓展，对作业质量要求的提高和 对人的工作环境的挑剔，对挖掘机的综合性能要求和节能特性提出了愈来愈高 的要求。采用传统的设计技术已不能满足现代挖掘机的优化设计要求。企业为 了提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发，提高产品的设计质量，降低产品 的研发成本，进行创新性设计，这样才能满足市场不断变化的需求。挖掘机的 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 就是在这种迫切需要的驱动下产生的。 1 1 1 虚拟样机技术产生背景 机械设计的历史，可以追溯到石器时代。当时的人类就可根据实践经验制 造出许多结构简单、操作方便的工具。但是直到工业革命前，人们对于机械系 统的设计始终停留在依据经验和灵感的阶段上。1 7 世纪中叶以来，随着近代科 学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了很大变化。特别是本世 纪4 0 年代以来，随着现代数字电子计算机的出现和在工程中的成功应用( 以 计算机辅助设计c a d 和有限元f e a 技术为杰出代表) ，使工程设计产生了根 本性的变化。在机械产品的设计中，c a d 技术实际上解决了产品的造型方面 的问题，f e a 技术则可以说是解决了产品中单个零部件的优化问题，但都不能 很好地解决产品整体性能的优化问题。 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试验，有时这些试 验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，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、试验、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，很难选用真正的优化方案，并 且设计周期无法缩短，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，在市场竞争的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约 了产品质量提高、成本降低和对市场的占有。 虚拟样机技术则怒从分干斤解决机械系统熬体性能及其相关问题的角度出 发，研究解决袋用传统的机械产品设计方法学所带来的弊端的一项赢掰技术手 段。利用该技术，工程设计人员可以崴接利用c a d 系统所提供的各零部件的 物理信息( 如质量、质心位置、对于任懑参考坐标系的惯量等) 及其几何信息， 在计算枧上对钒藏系统进行盘 彗i 装配( 定义零都俘闰的联接关系及其 乍t 鬲力、 运动激励等) ，从而获得产品的虚拟样机，并对其在各种工况下的运行和受力 请嚣遴行仿冀分孝厅，：遂嚣在产赫兹瑾褥辊试嗣壅来之裁藏对箕健麓有一个太髂 了解，并将所得各零部件的载荷作为对系统关键零部件f e a 分析的依据。 震羧样枧技术可傻产品设诗人曼在各静惑整骂壤中奏实圭| 羹模季婪系统整髂 的运动和受力情况，快速分析多种设计方案：利用软件系统提供的“w h a t i f ” 功能，滚诗人焚可以毙较容易遣送行多次对物疆样执憨营是难以进行或根本无 法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方案。此外，利用虚拟样机技术还 可以分析对于物理样机来说是极其危除的工况，如越野车辆的抗翻倾试验，飞 机乘员的安全性试验等，在不牺牲产品安全性的前提下大幅度降低成本、缩短 设计开发时间。虚拟样机技术不但可用于对系统方案的论证及评估，而且还可 用于产品的概念设计阶段、设计细纯阶段、试验规翊阶段以及工作状态再现等 全过稷中。 2 0 年前，复杂瓿城系统运动学帮韵力学滟淫论框絮就已搭起，鞠应豹数学 方法业已提出。研究人员走出了象牙塔，努力把研究成果转化为商品，使其被 工受器接受并变残一磺秘对独立夔产、监技术，改交了传统匏设计悉惑，对裁逡 业产生了深远的影响。 赡善经济鬟易戆全球化，要想在髭争鑫趋激烈豹市场上取j l 生，缝矮开发溺 期，提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争精们所追求的目 标。谁早推出产晶，谯藏占有市场。然瑟，传绞的设计与制造方式无法满足这 些要求。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，在设计完成质，为了验证设计，通嚣要制逸样机进行试验，有时这 些试验甚至是破坏往的，当通过试验发现缺陷时，又黉回头修改设计并再用样 机验证，只有通过周而复始的设计、试验、设计过程，产品才能达到要求的性 麓。这一过程怒冗长的，尤其对于结鞫复杂的系统，设计溺期无法缩斑，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，在市场竞争的背 景下，基于实黼撵裰上静设诗验证过稷严重螽亟潮终了产品震羹疆离、成本降低 和对市场的占商。 蠹臻诺掇技术款应震羹穿在整个设计过稷当中，它霹戳嗣在概念设诗程方 案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计辫机里的虚拟模型里，让 想象力幂鞋剑造力充分发挥。当虚拟模型用来代黪实际模型验证设计踺，开发周 期缩短，设计质量和效率得到了提高。 虚拟样机技术的发展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。例如火星探测器的 动力学及控制系统模拟是在惠普7 0 0 工作站上进行的，c p u 时间用了7 5 0 h 。 另一个例子是在数值方法上的进步发展都会对基于虚拟模型的仿真的速度及 精度有积极的影响。 虚拟样机技术也与计算机辅助设计( 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，把绘图等烦琐的工作交给计算机去做，这样设计师就有更多的精 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，在这基础上，在计算机上的设计实验、设 计的反复过程才有时间上的意义，如s 0 1 i d w o r k s 、p r o e 、m d t 等软件。 1 1 2 虚拟样机的提出及相关概念 虚拟样机技术的提出 企业要提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发周期，同时提高产品的设 计质量和降低开发成本，这样才能满足市场不断变化的需求。 新产品的开发与研制往往涉及许多相关学科，例如液压挖掘机的设计涉及 机械、液压传动、电液控制、人机工程和外观造型等，而一个综合最优解必须 兼顾各个学科。因此开发过程中制造的，用来获取产品综合性能评价和直观感 受的产品样机是产品创新中的重要支撑因素。而传统物理样机开发模式在人力 物力上的巨大浪费往往与产品的复杂程度成正比，虚拟样机技术就是在这种迫 切需求的驱动下产生的。 虚拟样机中的所谓“虚拟”，是相对于实际的物理样机丽言的，体现了样 机的数字化。虚拟样机技术就是不必建造物理样机，设计师直接利用计算机技 术建立产品整机的数字模型，通过仿真分析并以图形显示该模型在真实工程条 件下的运动特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。虚拟样机技术是一门 综合学科的技术，该技术以c a d 和仿真技术为核心，加以三维计算机图形技术 和用户界面技术，将传统松散关系的零部件设计和分析( 例如零件c a d 和有限 元分析) 集成在一起，提供一个全系统研究产品性能的方法。在整个设计过程 中都可反馈信息，指导设计，迅速获取产品最优解。 虚拟样机概念 虚拟样机在国外有两种提法：v i r t u a lp r o t o t y p e 和v i r t u a lp r o t o t y p i n g 。 前者是相对物理样机而言，可以定义为利用计算机仿真技术建立的，取代物理 样机进行评估和测试获取候选设计方案特性的等效数字模型，是存在于计算机 中的参数化“软模型”，它能象物理样机一样，反映最终产品的外观、结构、 动力学和运动学等综合特性。后者是指为了测试和评价一个系统方案的设计， 使用上述虚拟样机技术的过程。目前所泛指的虚拟样机包含以上两部分内容， 简称v p 。 虚拟样机环境 虚拟样机环境指包含虚拟样机，将c a d 实体造型技术、系统仿真、人机交 互技术等集成，形成的一令支持虚拟产品设计的集成仿真环境。国外u j a s n o c h 和h k r e s s 等人从并行工程方法角度理解，认为虚拟样机环境是将多个c a d 过 程、知识推理过程等，通过c s c w 技术、用户界面技术、设计过程管理和文档 化技术集成起来，形成一个分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方 法。 虚拟样机技术正是以虚拟样机和虚拟样机环境为基础，将系统工程方法、 反求工程方法、优化方法、计算机建模仿真技术、计算机辅助设计技术和计算 机支持协同工作( c s c w ) 、产品数据管理( p d m ) 等有机地结合在一起，为产品 的全寿命周期设计和评估提供分布式的集成环境，以达到优化整个设计周期， 节约开发成本的目的。 1 1 3 虚拟样机技术的特点 虚拟样机技术的特点 ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程， 这种方法存在很多的弊端。而虚拟样机技术真正实现了系统角度的产品优化， 它基于并行工程( c o n c u r r e me n g i n e e r i n g ) ，使产品的概念设计阶段就可以迅速 地分析、比较多种设计方案，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应，直至获得最优工作 性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样 机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化 模型( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟实验( 成本和 时间条件不允许) ，从而无须制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不 但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期，提高了产品质量。 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 ( v i 咖a lc o m p a n y ) 的概念。即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业 资源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e m e t ( 或i n t r a n e t ) 临时缔结的成 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捷交流 尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递 快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 虚拟样机的生成流程 生成虚拟样机的具体流程参见图卜1 c 加数据生成和预处理 反求c a d 数据或直接设计( d x f s r l ) 简化数据量减少多边形数目 c d 模型后处理 数据结构分层管理 舔加颤色、材质等属性 模型导出处理，生成参照坐标系 连结c d 模型至叫u 内核 定义机构系统运动j o l 小s c o n s 昀1 b c a d 模型定位 备子系统有机关联 虚拟仿真环境 模型参数控制修改、设计 仿真控制 动画、性能曲线图表显示控制 效能评估 图l l 虚拟样机的生成流程 在第一阶段，描述虚拟部件的c a d 数据必须产生，并且作针对实时应用的 预处理。c a d 数据的产生可以采用反求工程方法从现有产品上获取或直接在c a d 三维造型软件中设计产生。通常的网眼格式( m e s h m o d e l s ) 必须转换为实体 格式( v 0 1 u m em o d e l s ) 以获取外观表面特征并包含质量、重心等内在特征。虚 拟样机设计的目的是将包含c a d 造型的数学模型在计算机上进行仿真试验，得 到可用于效能评估的该样机仿真运行数据，一般需要实时或半实时特性，但由 于c a d 数据非常复杂，包含许多零件细节，这与实时仿真时图形的快速处理是 矛盾的，因此最后输出的c a d 数据应适当简化。常用方法是在不影响视觉效果 和仿真计算精度的条件下减少构成实体造型的多边形数目。 第二阶段是针对d m u 仿真的需要对c a d 几何造型进行后处理。首先是对模 型的几何部件进行分层管理，以支持对每个零部件的交互访问，实现参数修改。 这点在常用的三维造型软件中都能做到；其次是给零部件添加颜色、材质等属 性，赋予虚拟部件的真实外观；最后为c a d 几何造型能准确导入到虚拟仿真环 境中进行处理，建立参照坐标系。 第三阶段是将处理好的c a d 三维模型连接到虚拟样机内核d m u 上，使之与定 义好运动联结( j o i n t s ) 、运动约束( c o n s t r a i n t s ) 的机构系统以及其他子系 统有机联系在一起，最后在虚拟仿真环境中生成虚拟样机。 虚拟样机首次生成，意味着参数化的d m u 仿真模型建模完成，即该产品的 虚拟样机设计从此具备了原型多样化的能力。虚拟样机具有重用性，新的样机 可以共享前面生成样机过程中产生的c a d 数据和模型，不必从第一阶段至第三 阶段按部就班地进行，使新样机的生成或修改速度大为提高。 应鲻寝叛榉钒懿援爨产品开发流稷 采用虚拟样机代替物理样机的开发流程如图卜2 示。由于节省了相当多的 物壤搀撬露l 造器装嚣浆重复过程，骥要缩斑了设计溺麓。溺对圜减免了磊爨靛 物理样机，开发成本大大降低。有些产品的虚拟样机可以完全取代物理样机， 彻底省去物理样机的毒i 造粒试验遗攘。缝合虚援利遗援末遴雩亍霹测造蛙评侩， 也可以省略最终的物理样机制造过程。国外应用情况表明，虚拟样机技术可以 大蜗缩短产品研制周期，鄹时降低至少2 5 的产品研制费髑。 瘟 拟 裁 造 图1 2 采用虚拟样机的批薰产品开发流程 虚拟榉枧按术的优点 虚拟样机技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参 数就是物理搀枫的设计参数，仿真模型能替代物理榉机进行设计参数的测试评 估。虚攒样机因为参数修改方便，相比物瑷样机丽言是“软模型”，能轻易地 实现原型的多样化，柔性好。 纛撅群祝技术无需毫l 造实物释橇就可鞭趸l 帮颈溺产品的往麓，节省了物理 样机制造城配时间，减免了高昂成本的物理样机制造过程，降低了开发成本， 圈巽孪减少了不台囊方案言鏊上马豹风验。 传统的设计思想是个串行的过程，从设计到产品的批量生产按照从前至后 夔蹶序送行。这转方法基巍在设计野发魏激嚣验段蔫无法褥裂整令群瓿，绣鞋 在开发过程中各个小组往往把注意力集中在各自的细节上而忽略了整机性能， 最终产品嶷成层存在冲突缺陷。现在荠行王程懿搬念( e 潍c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 在设计领域得到了广泛应用，但大多仅对单个零部件采用并行 设计方法，同样导致整机系绞效果不够理想。两虚拟样机技术的核心是包含各 个学科子系统的数字大模型d m u ，使虚拟样机技术疑备整机性能评估的条件， 强调从系统层面上的优化，霾视整机性能。因此在产品开发设计阶段就可快速 跣较不同设计方案。这样在开发翠麓及整个设计j 童程中栽及时发现问题并反 5 馈，整个设计过程得到优化。 基于虚拟样机技术的产晶开发数握管理怒建立强i n t e r n e t 王n t r a n e t 之上 的，具有高度的并行性，使设计中各阶段速度和整个产品设计阶段的总速度提 高。 虚拟样机技术邋道虚拟样机为媒介，实现在产晶开发的全过程与用户的紧 密结合，产生比传统c a d 技术更深层、更实质性的交流。虚拟样机技术直接将 入类麓宅l 遥能力、设计籁丰鬻静设计经验与计算杌强大静数据运算和数据存储 功能完美结合，把计算机辅助设计活动提升为积极参与的主动活动，形成优势 互 、天瓿澈合豹产晶设计开发环境。 虚拟样机技术结合虚拟制造进行可制造性评价厨，能具备高度的生产菜性 纯秘快速的零场反敷疑力，大大增强企鳖熬竞争力。 l 。2 艘羧撵极技术的爨究及墩曩瑰状 虚拟样机技术研究现状 虚拟样机技术仍处在发展盼段，各个国家都开始辩这门新披术进行深 入酌研究，但系统完整的瑾论体系还没形成，目前曩国处于研究的前沿。虚拟 样机和虚拟样机环境在不同应用领域中存在不同的定义，其定义发照过程就是 虚搬样机技零研究发展的过程。 美国国防部将v p 定义为：采用计算机仿真建模技术建立与物璁样机相似 静数字模登，著对该模鍪逡雩亍评售帮溅试，苁焉获赣谈选携疆模型浚计方案豹 特性。虚拟样机环境是将具有不同运行规律( 如刚体动力学和流体传动) 的多 令模型集裁起来，遴过谤冀测试来簿弱关予该撵撬方案戆馥缱搂述，鞋魏掺导 系统和参数的优化设计，提高样机模型开发的效费比，缩短产品研制周期。 u j a s n o c b 秘 ，骚e s s 等久放势霉工程爱度认淹鑫数襻枫按本楚一令基予 计算机、桌硒化的分布式环境，支特产品设计过程中的并行工程方法o “。 s t e f a nh a a s 等人则从集成开发受度认梵，虚拟撰极的概念与集成诧产品 和加工过程开发( i n t e g r a t o dp r o d u e ta n dp r o c e s sd e v e l o p m e n t ，简称i p p d ) 的概念不可分割【1 2 】【25 1 。v p 过程将产品概念开发直到生产的所有活动集成在一 起，对产品评发整个过程邈行优化，满足彳q c s 舀标。i p p d 的核心冕虚拟样机， 而虚拟样机必须依赖i p p d 才能实现。 寝叛群辊技术褥多耱计箨梳技术、计算税辅韵技术结合在一趋。露前磷究 重点是如何利用这些技术，产生物理样机替代可信度高的产品虚拟样机。主要 磅究方自是纛羧繇凌中懿集成技术、寝羧梯机琢凌中的可撬亿建搂技术、纛攘 环境中的协间工作流技术等。 嚣蔫霪骣上亵菇化专爰寝羧撵橇较 孛逡渗在工程设诗实黢孛褥到应弱，功 能强大的商业软件正由少数专家使用的研究工具逐渐面向凿通工程设计人员。 7 寝掇群援技拳在强蠹豹 爨究蓝圈还较小，一羧搜集中在多传动力学系绞实验室 研究阶段，由于缺乏相应软件，很少用于解决工程实践问题。 嶷拟样楗技本的软俘纯 国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经基本实现，目前有许多家公司在 这个领域上竞争。比较寿影响豹产品织括美国机械动力学公镧棚e c h a n i c a l d y n a m i c si n c ) 的a d a m s ，美豳c a d s i ( c o m p u t e ra i d e dd e 8 i g ns o r t w a r e i n c 1 9 9 8 年后，c a d s i 公司与比利时l m si n t e r n a t i o n a l 公司会并，c a d s i 易 名为l m s c a d s i ) 公司的d a d s ，以及德国航天局的s i m p a c k 。其中美国梳械动 力学公嗣的a d a m s 占据了市场的7 0 。 纛箍样梳技术的应甭实雠 虚拟样机按术可以广泛地应用在各个行业之中，如汽车、工程机械、航空 靛天监、造麓鼗、辊械电子工鼗、国防工、监、入撬工程举、生耱力学、装学、 以及工程咨询等很多方丽。应用摄多的楚包含虚拟样机技术的虚拟制造，尤其 l 羞设计为中心豹攫叛专l 造是虚掇榉极按零霞弼聚广泛之处。鑫设计为中心懿虚 拟制造技术以统一的信息数据库为基础，对数字化虚拟样机进行仿真分析、优 纯，弱瓣送 亍产凝结魏瞧髓、动力学、遮动学、热力学簿多方甏豹分援秘可装 配性分析，以获取对未来产品的性能预测结果和可制造性分析。 波蠢公司设计的? 7 7 型大型窖枫越世雾上尊架以无纸化方式设计出的飞 机，它的设计成功标志港虚拟制造从理论转向实用。 美涸舷空舷天局( n a s a ) 的喷气掺避实验赛( j p l ) 成功地实现了火星掇 测器“探路者号”在火耀上的较着陆。”l 工程师利用虚拟样机技术侪真研究 飞船火熙登陆的不同阶段。在实际探测器发射前，预测别由于制动火箭和火星 风的相互作用，探测器可能在赭陆中翻滚。工程师针对途个阔蹶修改了技术方 案，保诚了火星登陆的成功。此外j p l 述运用虚拟样机技术实现了科学的协同 工程。 美豳福特汽车公司、克莱斯勒汽车公司和我国的一汽均在新型汽车的开发 中应笄l 涮虚援群辘技术。 3 纛掇祥橇按术与滚蘧挖撬毒嚣并发 1 3 1 液压挖掘机发展现状 滚压携握瓿在工业与瑟曩建绫、道路建设、拳力、矿出、枣竣工程等主石 方施工中均占谢重要位道。是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等 各项工程建设的重要麓工装备，是国民经济建设遣切纛疆豹装繁。渡基挖握枫 的使用反映了这些部门的施工机械化水平。重视和加速挖掘机改进创新，稳定 提高产龋质量，满足用户焉求，对加速现代化工程建设有着重大的意义。 8 国外发展现状 5 0 年代开始生产中小型液压挖掘机，主要用于建筑土石方施工。7 0 年代液 压挖掘机开始进入矿山开采，斗容已发展到8 m3 。8 0 年代大型液压挖掘机技 术已成熟，斗容达1 6 3 5 m3 、机重达4 0 0 6 5 0t 。斗容大于1 6 m3 的液压挖 掘机是机械挖掘机的强大竞争对手。到1 9 9 0 年，全世界建筑和矿用液压挖掘 机在机械设备市场上占有显著的地位。据不完全统计推测大型和微型液压挖掘 机年增长率分别为2 4 和3 5 。1 9 9 0 年全世界建筑与矿用液压挖掘机( 履带 式) 的产量己达9 1 2 3 万台，其中7 6 是日本生产的，欧州产量占有1 7 。 国内发展概况 我国从1 9 5 8 年开始生产液压挖掘机，逐步形成了1 2 5 m3 小型液压挖掘 机系列，具有一定生产规模，斗容1 7 5 m3 的液压挖掘机年产量超过1 0 0 0 台。1 9 8 3 年以后采用引进技术方式进行生产，加快了液压挖掘机的发展。 国内液压挖掘机开发存在缺陷 目前国产液压挖掘机数量少，多为斗容2 5 m3 以下的小型设备，中型设各 较少，大型设备在我国尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需 要。从产品技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘机有较大差距。对于 大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段，试验研究工作薄弱，短期内难以完成 设计开发工作。配套件的质量和可靠性差，使用寿命短。液压系统和元件的设 计技术、大尺寸高压油缸的制造技术，整机性能参数的测试技术缺乏，满足不 了国民经济重点工程发展的需要。 挖掘机开发重点方向 液压挖掘机的开发着重围绕： 加快产品开发速度，满足快速多变的市场需求； 提高产品可靠性和效率、降低生产成本，向微型化发展的同时向大型化发 展； 着眼于动力、传动系统的改进以达到高效、节能； 精心设计，精心制造以提高产品零部件的可靠性，从而保证整机的可靠性， 延长维修周期，加快维修进程，降低维修费用，降低成本； 采用微电子技术使液压挖掘机自动化、机电一体化和智能化进程加快； 考虑人机工程，改善司机劳动条件。 1 3 2 虚拟样机技术在液压挖掘机领域的应用 挖掘机生命周期过程中应用虚拟样机技术 液压挖掘机产品质量的高低是产品设计、制造、企业管理水平的综合反应。 挖掘机在产品生命周期内各个阶段的销售量、成本、价格、利润的一般