（车辆工程专业论文）叉车起升系统的cadcae开发研究.pdf

摘要 本文研究c a d c a e 二次开发的关键技术和工程应用，力促现代设计方法和理 念能更好的为广大产品研发人员掌握和使用，以便提高和改善他们创新产品的手 段。对此，以叉车起升系统为对象，结合p r o e 的二次开发平台( p r o t o o l k i t ) 和a n s y s 有限元分析系统，研究开发适合我国设计习惯的具有相当理论价值和广 泛实用价值的起升系统设计软件。 文章首先分析了叉车起升系统的力学特性，针对其结构组成，应用软件工程 学基本理论，按照货叉、叉架、内夕fr - j 架等进行模块化设计计算，使各模块既独 立应用又方便集成系统。p r o e 二次开发有多种方法，本文基于p r o t o o l k i t 工具， 重点对p r o t o o l k i t 接口技术、菜单设计技术及关键函数应用技术等进行分析， 特别是对影响二次开发成败的系统装配图中零部件过滤选取及其参数化识别方 法做了探讨。在上述基础上实现了叉车起升系统的三维参数化设计功能，为检验 设计结果的可靠性，对所生成的零部件借助a n s y s 和p r o e 的接口实现模型导入完 成有限元分析。 该设计系统以p r o e 软件和叉车起升机构的设计要求及计算理论为依托，以 v c + + 6 0 编程软件为工具，以p r o e 二次开发接口应用程序p r o t o o l k i t 为手段， 采用动态链接库d l l 方式实现了p r o e ，p r o t o o l k i t 和m f c 三者之间的通信。该系 统由基本参数输入、货叉计算、叉架计算、门架计算、修改并生成三维模型五部 分组成。整个开发设计过程由对话框链接，全部实现参数化。在三维模型和尺寸 表示图的双重提示下，用户可以更直观的实现自己的设计理念，节省了大量的时 间和精力，大大提高设计效率。 关键部件的有限元分析主要包括货叉和内门架，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。 将p r o e - - 次开发技术应用于叉车零件和总成设计，自主开发出专用的叉车 起升系统c a d 设计软件，以促进我国叉车设计水平的快速提高，是本文努力探索 的主导方向。 关键词：p r o e ；二次开发；叉车；起升系统；有限元分析 a b st r a c t i nt h i sp a p e r , w es t u d yc a d c a ee x p l o i t a t i o nd e e po ft h ek e y t e c h n o l o g i e sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s s ot h a tm o d e m d e s i g n m e t h o d sa n dc o n c e p t sc a nb em a s t e r e db ym a j o r i t ya ds t a f f sa n d i m p r o v et h e i rp r o d u c ti n n o v a t i v et h i n k i n g i nt h i sr e g a r d ，t a k i n gf o r k l i f t h o i s t i n gm e c h a n i s mf o re x a m p l e ，i tc o m b i n e sp r o e e x p l o i t a t i o nd e e p p l a t f o r m ( p r o t o o l k i t ) 、斩t ha n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e mi n r e s e a r c h i n g ，d e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n gs o f t w a r e ，w h i c hi s s u i t a b l et o c h i n e s ew a y so ft h i n k i n g ，t h e o r e t i c a lv a l u ea n de x t e n s i v e ，p r a c t i c a lv a l u e o f t h ew o r k f i r s t ，t h ea r t i c l em a k e sa na n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o r f o r k l i f th o i s t i n gm e c h a n i s m a c c o r d i n gt oi t sc o m p o s i t i o n ，u s i n gs o f t w a r e e n g i n e e r i n gb a s i ct h e o r y , m o d u l a rd e s i g nc a nb eu s e di nt h ed e s i g no ft h e f - o r k ，f o r kp l a n e ，m a s te t c ，s ot h a te a c hm o d u l ei si n d e p e n d e n ta n d c o n v e n i e n tt ot h ee n t i r e s y s t e m m a n ym e t h o d sc a nb e u s e di n t h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fp r o e ，t h ep a p e rt a k e sp r o t o o l k i ta st o o l a n dg i v e sa n a l y s i st op r o t o o l k i ti n t e r f a c et e c h n o l o g y , m e n ud e s i g n t e c h n o l o g y , k e yf u n c t i o na p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de s p e c i a l l yf o c u s e s o nt h ec h o i c eo f c o m p o n e n t s f o r t h e a s s e m b l yd i a g r a m a n d p a r a m e t e r i z a t i o ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sw h i c hh a v ei m p a c to nt h er e s u l t s o fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t h es o f t w a r eh a s3 dp a r a m e t r i cd e s i g n f u n c t i o n i ta l s oa p p l i e sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oa n s y sa n dp r o e i n t e r f a c ei no r d e rt ot e s tt h er e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g no fc o m p o n e n t s t h es y s t e mb a s e do nt h es o f t w a r eo fp r o ea n dt h et h e o r i e sa n d r e q u i r e m e n to fh o i s t i n gm e c h a n i s md e s i g n ，v c + + 6 0a n dp r o t o o l k i t ， s op r o e 、p r o t o o l k i ta n dm f cc a nb ei n t e g r a t e db yd l l t h es y s t e m w a sc o n s i s t e do ft h eb a s i cp a r a m e t e r si n p u t 、f o r kd e s i g n 、c a r r i a g ed e s i g n 、 g a n t r yd e s i g n 、m o d i f ya n d3 dm o d e l so fc o m p o n e n t s o nt h eb a s i so f t h r e ed i m e n s i o n sm o d e la n dt h es i z i n gp i c t u r e s ，t h eu s e rc a nr e a l i z eh i s d e s i g nt h o u g h td i r e c t l y , s a v em o r et i m e a n de n h a n c et h ed e s i g n e f f i c i e n c y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ek e yp a r t sc o n s i s t so ff o r ka n dm a s t i t a l s oa n a l y s e st h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fp a r t su n d e rl o a d ， w h i c ht o g e t h e rw i t ht h ed e s i g nr e s u l t sc a ni d e n t i f yw h e t h e rt h er e s u l t si s r e a s o n a b l eo rn o t a p p l y i n gp r o ee x p l o i t a t i o nd e e pt e c h n o l o g y t ot h ed e s i g no f h o i s t i n g m e c h a n i s ma n d d e v e l o p i n g t h ec a ds y s t e ms o f t w a r e i n d e p e n d e n t l ys p e c i a l l yf o rf i o r kl i f t i n gm e c h a n i s mi no r d e rt oi m p r o v e t h el e v e lo fd o m e s t i cf o r kd e s i g ni st h em a i np u r p o s eo ft h i st h e s i s k e yw o r d s ：p r o e ；e x p l o i t a t i o nd e e p ；h o i s t i n gm e c h a n i s m ；f i n i t e e l e m e n ta n s y s 本人声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师 指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原 科技大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期 间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中 已经注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 作者： 2 0 0 8 年5 月 绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 叉车是应用十分广泛的流动式装卸搬运机械，是物料搬运机械( 国外称为工业 车辆或装卸搬运车辆) 的一种。叉车因机体紧凑，轴距较短，转向轮转角范围大， 而且能灵活的运转，在狭窄的场地上和通道内作业，能通过较小的门洞：因采用液 压传动的工作装置，司机容易操纵，动作平稳；采用货叉直接取货而无需辅助人员； 配有可更换的属具能适应不同的货种。叉车的主要用途是进行装卸、堆垛和拆垛以 及短途搬运工作，在各类工厂、车站、港口、货场中，叉车以快速灵活的特点实现 各种原料、半成品、成品的周转与运输【l 】。叉车对现代物流业起着重要的作用。世界 制造业加快转移，“吹热”了我国物流业并为叉车( 机动工业车辆) 行业发展提供了 难得的机遇。然而国内叉车生产企业的传统研发方式由于受设计工具和方法的限制， 设计师很难快速设计出满足用户要求的个性化、多样化产品，新产品的开发周期长， 市场需求响应缓慢。国外则利用现代的c a d 技术改变传统设计方法和过程，设计师 的工程图设计的工作大部分由c a d 软件自动控制完成或者说参数化生成。所谓参数 化设计就是指零件和装配的物理形状由其特征属性值( 主要尺寸) 驱动，用户可以随时 修改特征尺寸或其它属性，这是产品自动化设计的一个广泛应用的概念。不过国内 该技术的发展并不平衡，开发的二维专用c a d 应用系统较多，三维方面的应用开发 技术正在发展，而具体到叉车行业到目前为止，还没有查询到专用的参数化快速设 计系统。因此本课题针对叉车产品变化最多的起升系统入手，研发实现叉车快速设 计系统的模块软件，以提高和改善叉车生产企业新产品的开发效率，快速响应市场 需求。 叉车是一种复杂的机械系统，其零部件繁多，设计计算和工程分析复杂，设计 周期长。传统的设计不能将设计人员从繁琐的设计计算中解放出来，而且计算的结 果也不是很精确，对于用户来讲也不能快速了解、掌握设计计算方法。因此我们应 在叉车起升系统的设计过程中所采用计算机技术实现标准化、系列化，实现高效、 多样化的设计，以适用现代化建设的各种要求，实现用高新技术改造传统的产业。 通过广泛运用i t 技术使机械等传统产业焕发新的活力。因此本文以p r o e 三维c a d 软件为平台，研究开发叉车起升系统的三维专用设计模块。 叉车起升系统的c a d c a e 开发研究 1 2p r o e 系统功能及二次开发的必要性 1 2 1p r o e 系统功能 p r o e 软件自1 9 8 8 年问世以来，经过十几年的发展已成为全世界最普及的三 维设计软件，广泛地应用于机械、汽车、航天等行业。三维c a d 技术不仅仅是直接在 计算机屏幕上建构三维实体模型，而且利用设计的三维实体模型进行模拟装配和机 构分析、动态干涉检查、动力学分析、有限元应力分析、铸造、模具及美工处理等。 所以说，应用三维软件进行设计的目的不仅在于设计出模型本身，还包括设计出模 型后的分析处理工作心1 。 美国参数技术公司( p t c ) 出品的p r o e 软件深刻精辟地阐释了机械设计制造分析 自动化( m e c h a n i c a ld e s i g n & m a n u f a c t u r e & e n g i n e e r i n ga u t o m a t i o n ) 的最新理 念一一柔性工程( f l e x i b l ee n g i n e e r i n g ) ，它突破传统观念，提出参数化设计 ( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 、基于特征( f e a t u r e b a s e d ) 、全相关单一数据库 ( f u l l c o n s t r a i n t ) 的思想d 1 。其功能包括： ( 1 ) 实体与曲面( s o li ds u r f a c e ) 建模； ( 2 ) 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ) ； ( 3 ) 工程图( d r a w i n g ) 制作； ( 4 ) 有限元分析； ( 5 ) 动画仿真。 该软件以使用方便、参数化造型和系统的全相关性而著称，p r o e 系统具有以下 特点： 1 功能强大，模块众多的三维实体造型软件包。可用来做零件设计，产品装配， 模具制造，钣金设计，造型设计，逆向工程，仿真动画等等。 2 以特征造型为基础。一个模型由若干特征生成，并反映到模型树中。 3 参数化。优点是各个特征尺寸有准确的尺寸，特征间存在父子关系，能够用关 系式控制特征位置。 4 相关性。例如，对模型进行修改更新后，与之关联的工程图、装配、模具等等 会随之修改。 1 2 2 二次开发的必要性 企业及各研究部门在普及三维c a d 软件的同时，可以通过二次开发的方法量身 定做出最有效的产品设计流程h 3 。作为通用的c a d 软件平台，p r o e 软件在通用性上 非常出色，覆盖了众多的产品设计领域，也考虑了一般性的设计规范。但是，p r o e 2 绪论 软件也存在如下不足： ( 1 ) 在设计标准和规范以及标准件库上和我国都存在着差异，无法满足国内的 具体要求。 ( 2 ) 造型技术以几何形体构造为着眼点与产品设计中零部件设计为重点有出 入，影响产品的设计效率。 ( 3 ) 系统的设计计算能力差，用户难以借助于这类通用的c a d 系统完整自如地表 达自己的设计思路，实现专业化的设计流程。 ( 4 ) 产品的模型信息集中在几何信息和拓扑信息，对工艺信息、加工信息和物 料信息等缺乏全面考虑，不利于在更高层次上进行c a d 技术的应用与推广。 上述缺陷与企业对p r o e 系统的用户化需求形成矛盾，应运而生的p r o e 二次 开发成为解决这一矛盾的主流技术喵3 。 1 3 基于p r o e 二次开发的发展现状 目前，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。 新加坡国立大学的w y n n eh s u 等人，以p r o e 软件为平台，通过c 语言编程开 发出一种将装配设计分析与产品的概念设计相结合的系统。系统通过五大模块：设 计特征库、分析模块、交互模块、搜索模块和装配模块，实现了产品的自动装配阳3 。 国外由于研究开发三维设计软件的时间较长，而且早已应用于相关行业，故在其应 用领域里的自主开发技术已经十分成熟和完善口1 。国内的许多企业也正在进行自主开 发工程或进一步改造设计手段，许多高校和研究所也正在对p r o e 的二次开发进行 大量的研究工作，并都取得了一定的成绩，在汽车行业主要研究的是：二维工程图 的自动输出、基本的标准件库的创建、零部件的通用装配仿真以及简单零部件的设 计系统开发。有的公司在推广p r o e 的应用过程中，按照定义p r o e 建模的模板， 定义工程图图框，创建标准的符号库和工程图的打印四个步骤，分阶段开发定制并 取得了一定的效果，达到了预期的目的。能基本满足工程设计人员在工程信息的标 准上的需求，形成了标注的规范化和标准化，提高了工作效率，并能打印出符合企 业标准的工程图纸，为企业推广三维c a d 的应用奠定了良好基础聃3 。南京航空航天大 3 叉车起升系统的c a d c a e 开发研究 学的研究者们详细讨论了基于p r o e 平台的工程图纸生成软件中零件视图、尺寸、 注释等的自动生成方法，并通过编写c 语言程序调用二次开发工具p r o t o o l k i t 提 供的相关函数，具体实现了p r o e 平台上轴类零件工程图纸的自动生成，从而改变 了传统的人工出图方式，极大提高了设计人员的工作效率旧1 。 北方交通大学机械与电子控制工程学院的研究者们采用p r o e 参数化尺寸驱动 设计技术和二次开发模块p r o t o o l k i t ，以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具开发出标准件 库，用户界面友好，在机车产品设计中使用方便，具有开放式的库结构，用户可以 任意修改库内的标准件，而对系统产生影响，如果用户需要对标准件库进行扩充， 只需建立新的零件族模板文件，并在相应的数据文件上增加一条记录，加入相应的 预览图即可。系统的建库采用的是零件组的方式，建立零件组模板零件和对应的参 数表，既减少了建库的工作量，又方便用户扩充和修改库内的零件。采用参数化尺 寸驱动技术，根据用户选择的基本设计参数，零件调用直观方便。系统与p r o e 一 体化，标准件库安装完成后，自动在系统装配菜单中增加“s t a n d a r dl i b r a r y ”选 项，不需要任何的附加程序或操作。本系统还实现了与p r o e 装配环境的集成，用 户选择零件或装配体之后，即可直接与p r o e 装配环境相连，使得装配操作更加方 便快捷。同时还与标准数据库相连接，实现标准数据自动选择n 引。 江南大学设计学院的蒋晓通过应用实例，简要介绍了在p r o e 环境下，利用其 二次开发工具族表( f a m il yt a b l e ) 和程序( p r o g r a m ) 建立标准件库的方法和技巧。采 用以上的方法只要简单的步骤就非常方便地生成标准件库，仅用一个零件就可以代 表多个零件，经过实际应用检验，可操作性强。但缺点是界面仍不够友好，交互性 有一定缺陷。如果能利用p r o e 提供的二次开发工具p r o t o o l k i t ，调用其自身所带 函数，扩充其功能并实现与v c + + 的基础类库m f c 的动态链接，则可以方便地利用v c + + 中的工具箱来定制用户所需的具有w i n d o w s 风格的界面，以更好地满足设计需要n 。 哈尔滨工业大学汽车工程学院的刘海芳，介绍了p r o e 平台下建立机械设计标准 件库的方法和步骤。提出了利用三维零件样板、设计参数、模型参数化和族表技术 实现标准件的尺寸系列化以及三维标准件库的建立，并通过实例说明具体建库的方 法及调用方式。该方法无需编程、工作量小、效果良好。通过标准件库的建立可以 大大提高设计效率，减少设计工作量，进而缩短产品的开发周期n 副。哈尔滨工业大 学的一些学者开发出了发动机连杆c a d 系统。该系统实施变结构变参数设计方法，实 现了设计、绘图等不同功能模块的有机结合，而且在设计时采用同一数据库，避免 了数据交换中可能发生的丢失和错误n 6 。 4 绪论 武汉理工大学物流工程系的高霄汉和张予川i ，他们的研究基于p r o e 二次开发技 术的通用装配仿真软件的开发。对于一个产品来说，每个零件的加工工艺较容易制 作，因为它是针对自身而论，但是对于一个很复杂的产品来说，由于零件数目较多， 每个零件的装配序列就比较难确定。按照传统的试凑装配方法，不但费时费力，有 时甚至无法完成装配。针对上述问题，考虑企业的实际情况，不对产品工艺规划的 整个过程实现自动规划，而是从装配角度入手，重点解决零部件的装配序列问题。 通过装配仿真系统模拟虚拟零部件产品的装配过程，实现装配工艺路线规划。同时， 这也符合目前制造业中流行的自顶向下的设计模式，即在设计过程中，首先考虑产 品的功能及装配方面的事项，然后才对组成装配体的零部件进行详细设计，并允许 零部件设计向前期的功能设计和装配设计进行反馈。最后对其装配过程进行三维仿 真，使设计人员直观的看到自己的设计结果，并且在此基础上进行各部件间的干涉 检验和布局调整，从而使设计人员方便的实现这种面向功能和面向装配的设计，并 实时进行信息反馈n 引。 华南理工大学的研究者们利用p r o e 提供的二次开发工具p r o t o o l k i t ，在p r o e 的基础上进行二次开发，比较方便地实现了面向特定产品的程序自动建模功能，并 且把较为丰富的非几何特征如材料特征、精度特征等加入所产生的模型中，所有信 息存入统一的数据库，是实现c a d c a e c a m 集成的关键技术之一。另外，他们又提出 了用动态链接库方式( d l l ) 实现用微软基本类库( m f c ) 开发p r o e 弹出式对话框界面 的通讯机制n 引。 湖南大学的刘坚博士等人开发了一个基于特征技术的轴类零件c a d 系统。此系统 实现基于特征技术的产品设计的基本过程如下：通过系统的菜单界面及文字提示交 互地选择特征类型并输入所需参数，由此产生产品的形状特征。然后根据设计后续 过程的需要补充设定产品的相关信息，如粗糙度、材料、公差等，完善产品信息模 型。随后根据产品的性能要求、功能特点对产品( 特征) 进行修改、完善，最后按照 后续设计要求，选定所有相关信息并按一定格式输出产品模型，完成产品建模的全 部工作嘲。 长沙航空职业技术学院的研究者提出用p r o e 建立注塑模标准件数据库及注塑 模模架库，生成三维参数化实体模型，并用p r o e 本身提供的二次开发语言实现其 数据及信息的统一管理n 引。 合肥工业大学机械与汽车工业学院的学者们提出在w i n d o w s 开发环境下进行模 具设计的早期工作，在p r o e 环境下进行产品详细结构设计n 利。而在这些研究系统 气 叉车起升系统的c a d c a e 开发研究 中，最引起关注的就是上海交通大学材料科学与工程学院铸造研究所开发的基于 p r o e 的活塞模具系列建模系统，由于对同一系列的活塞模具在结构上除一些主要参 数不同外，其余的辅助参数大都相同，因此该系统利用p r o e 做二次开发来支持活 塞模具系列建模，系列模具智能出图和管理等功能n 8 l 。 1 4 课题的提出 分析国内开发的基于p r o e 的c a d 系统，无论是在汽车还是模具行业，都只是 针对某一部分或是某一特定功能所做的研究和开发，仍然不能满足我国大多数企业 的设计要求。因此，在国内叉车行业飞速发展的情况下，开发一些适用范围广，功 能强，真正满足设计生产要求的c a d 系统是目前需要解决的关键问题。正是由于目 前国内利用p r o e 进行二次开发的c a d 系统比较少，功能还不够强大，所以这方面 的研究工作有待提高。 叉车是一种广泛使用的装卸设备，其最具特点的起升工作装置门架系统是 变化设计非常频繁的结构承载部件。它的构成主要有内门架总成、外门架总成、货 叉架总成、液压系统等。叉车起升高度各异，门架种类繁多，形式多样。在叉车门 架系统设计中，因门架结构复杂，设计、制造难度高，周期相对较长。为了使设计 合理，设计人员必须花费大量时间来绘制外门架、中门架、内门架、货又及各种管 路接头等结构相对稳定的零部件。据统计，每副门架中有7 0 左右的零部件为标准件 或具有一定的固定结构。因此，抽取零部件的标准件结构，确定尺寸系列优选值， 建立标准框架和标准件库，对于快速设计和绘制门架装配图及拆分零件图，缩短设 计周期具有重要意义。而采用尺寸驱动技术实现参数化绘图方法，对于提高设计效 率可起到积极作用。根据生产实际情况及叉车产品特征，确定开发门架的c a d 系统 必须解决以下几个方面的问题。 ( 1 ) 门架标准化、系列化及结构典型化。按不同吨位、不同起升高度，采用标准 化、模块化设计方法，对有关的数据进行归纳、分析、整理，使其标准化、系列化， 同时优选和确定各类门架的典型结构。 ( 2 ) 实现智能化设计功能，将工程师的丰富经验融合到系统中，使研制的系统 能满足工程需要。 ( 3 ) 友好的界面。使门架设计人员方便地实现系统所提供的各种功能。 ( 4 ) 系统的扩展和更新。为使系统不断适应产品的变化和更新，必须拥有二次 开发的能力。 6 绪论 ( 5 ) 高效的图样生成能力。系统的重要目标之一是尽可能提高绘图效率，减少 设计人员的参与，使设计人员从繁重的绘图工作中解脱出来，从事创造性的设计。 为了使叉车门架的设计实现标准化、系列化和结构典型化，使设计人员在友好 的界面上对门架进行智能化设计，本文提出了基于装配模板的设计方法，并开发叉 车门架的c a d 系统。对于设计过程中约束和位置相对固定的零部件之间的配合可以 保存为装配模板，各类门架的设计只需要对门架模板进行编辑。 1 5 课题研究的内容及技术路线 1 5 1 起升系统三维建模 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。首先对三维模型进行简化，根据设计要求，确定主要的驱动尺寸，建立 起直观简便的起升系统三维模型样板。 1 5 2 起升系统的参数化设计 以v c + + 6 0 为技术平台，运用p r o e 本身提供的强大的二次开发接口 ( p r o t o o l t ) ，对其进行二次开发。采用动态链接库d l l 方式，实现p r o e 、 p r o t o o l k i t 和m f c 三者的通信。应用v c + + 面向对象的思想，编写叉车起升系 统的参数化设计程序。借助二次开发接口，访问p r o e 中的三维模型，读取零件的尺 寸信息并修改尺寸，通过p r o e 再生功能，更新零件数据库信息，建立起新的叉车起 升系统模型，实现参数化设计。 1 5 3 对三维模型进行有限元分析 为了验证设计模型的正确性，需要对起升系统一些关键部件进行静力学分析。 a n s y s 是专业的有限元分析软件，它功能强大，应用领域非常广泛，现在已经广泛应 用于航空、航天、电子、汽车、土木工程等各种领域n9 。同时它也为许多三维软件 提供了接口，a n s y s 9 0 以上版本都提供了和p r o e 的接口，把三维模型通过接口导 入a n s y s ，进行静力学分析，判断设计是否合理。 7 叉车起升系统的数学建模 第二章又车起升系统的数学建模 门架系统的设计先从确定门架结构的理论尺寸开始，理论尺寸可理解为结构的 外形轮廓尺寸。然后参考现有的类型相同、规格相近的产品和根据经验选定立柱槽 钢及其它构件，并绘出内门架及外门架等的具体构造后，再校验它们的强度和刚度。 不合格时应加以修改，并重新校验，直至合格为止。下面就以门架为二级门架，货 叉为钩槽式的门架系统进行设计计算瞳引。 2 1 门架的理论尺寸 2 1 1 门架长度计算 考虑门架理论尺寸时，在高度方面主要依据是最大起升高度爿一。而在宽度方 面虽无须满足的参数，但受总体布置得限制较大，其最大值应小于前轮最内侧间的 距离，并要保证它在满载下能自由运动，宽度大些对门架结构的侧 向刚度有利。 图2 1 是确定门架的理论高度尺寸用的原理，表示了货叉在最 大起升高度时的情况。a 为门架最低点离地面的距离，应满足最小 离地间隙的要求。厶、厶分别表示叉架与内架和内架与外架相互重叠 部分的长度，即导行滚轮组所占的安装长度加上保证不使导行滚轮 外露所需的安全距离。6 为货叉水平段处的厚度。有图2 1 可知，外 架下端点a 与内架上端点b 之间的长度乙为： l a b = | j l 。联+ 一艿 再计入重叠长度五和厶，同时考虑补偿因满载时前轮变形而引 起的高度下降量幽，即可求得内门架及外门架高度之和吃为： = 红。+ + 乞+ 幽一6 图2 1 门架及立 柱的高度确定 为了得到最低的结构高度，就必须使内门架和外门架的高度相同，即使它们的 立柱长度吃相等。 吃= 三= ( k + + 乞+ 幽一6 ) 起升油缸的行程钆取决于最大起升高度k 和满载时前轮的变形量幽，因滑轮 组为省时滑轮组，其倍率为，所以有： 9 叉车起升系统的c a d c a e 开发研究 s r a = 去( k + 劬) z 根据所得的高度及宽度理论尺寸和油缸行程、构造，在绘出内门架及外门架的 框架构造图和油缸下之座、上横档及链滑轮的具体安装图后，就能够确定出可能获 得的自由行程量。 2 1 2 货叉的构造 货又是叉车最基本最通用的取物装置。一般叉车都装有两个同样的货叉。货叉 的外形呈l 形，分为水平段和垂直段两部分。一般叉车的水平段和垂直段做成整体 的，称为整体式货叉( 图2 2 ) ，个别小吨位的叉本的水平段和垂直区分别制成，用销 铀连接起来，水平段既可平置，又可以向上折叠起来，与垂直段靠拢，称为折叠式 货叉( 图2 3 ) lj a b ) 图2 2 整体式货叉a ) 挂钩型b ) 铰接型 图2 3 折叠式货叉 2 1 3 滑架的构造 滑架用来安装货叉或其它可更换的属具。货物的重量通过它传给起重链条，货 物重量产生的力矩通过它传给门架，当链条带动它升降时，它要可靠地沿着门架的 导轨运动。根据它的作用，它在构造上是一个垂直运动的承载小车，由两部分构成。 它的前部是一个焊接框架结构，后部是两列装在滚轮架上的导向滚轮。货叉或其它 属具安装在的前框架上链条也与框架相联。根据货叉的型式和它在框架上的安装 方式，滑架有两种型式，即板式和滑杆式( 图2 4 ) 1 0 叉车起升系统的数学建模 l 一一i l l 45 b ) i - - t 日 图2 4 滑架型式 a ) 板式滑架；b ) 滑杆式滑架 2 1 4 门架的构造 门架是叉车起升机构的骨架。它一方面支承起升油缸，从而承受货物重力等垂 直力；另一方面，货物给货叉的力矩，通过滑架传给门架，便门架承受纵向弯曲。 门架又通过下部铰轴及倾斜油缸将力传给车架，并保证门架的平衡。 内外门架立柱截面形状及排列形式主要是并列式，如下图( 图2 5 ) ： 图2 5 内外门架立柱截面形式 a ) 重叠式门架；b ) 并列式门架 1 c c 型：2 c i 型：3 c j 型；4 c l 型；5 i i 型 内门架升降时，在外门架内部滑动，滑架的滚轮还是在内门架内滚动。重叠式 门架的优点是结构紧凑，驾驶员视野较好。缺点是内门架升降运动阻力大，需要有 色金属片作为导轨的摩擦面，并需要经常润滑，同时内门架立柱截面尺寸较小，强 叉车起升系统的c a d c a e 开发研究 度及刚度都较低。故重叠式门架除了个别小吨位叉车上还应用外，已很少应用。 并列式门架的特点是内门架立柱列于外门架立体的内侧，相对运动时，以滚轮 沿门架立柱翼缘滚动，内门架立柱截面高度不受外门架的限制，故这种内门架运动 阻力小，强度和刚度可得到保证。并列式门架立柱截面的组合形式有c c 型、c i 型、 c j 型、c l 型和i i 型等多种( 见图2 5 ) 。 2 2 起升系统的强度 2 2 1 滑架的受力 叉车起升机构中，货物、货叉和滑架的重量由链条支持。但货物重量的作用点 在载荷中心处，货叉和沿架的重力和链条的拉力也不在一条作用线上。总的重力和 链条拉力形成力偶矩，作用在滑架上，使滑架和货叉有向前翻转的趋势。因此，滑 架必须要有门架来支承，滑架通过左右两对滚轮将力偶矩传给门架；而门架给滚轮 以反力，形成反力偶矩，使滑架保持平衡。在滑架升降过程中，滚轮始终沿着内门 架滚动，因此，门架是滑架运动的导轨，并始终承受着沿架传来的力偶矩。当门架 垂直时，带货叉的滑架受力情况如图2 6 所 示。 由图2 2 可知，滑架传递给门架的力矩 为： m = q ( c + 口) + g 一s r ， = 9 ( c + 口一f ，) + g ( 6 一f ，) n m m 图2 6 带货叉的滑架受力 式中：c 一载荷中心距，即载荷中心至货叉垂直段前壁的距离，m m ； 口从货叉垂直段前臂至门架中心线的距离，m m ； b 一滑架和货叉重力作用线至门架中心线的距离，m m ； r ，一链条拉力作用线至门架中心线的距离，约为滑轮半径，m m ； j 链条拉力，在忽略滑架运动阻力的条件下，s = q + g 。，n g h - - - 滑架和货叉重力，n ； 假设载荷作用在纵向中心线上，滑架上定左右滑轮上的受力对称，由此可以求得滑 轮的压力为： 1 2 叉车起升系统的数学建模 尸1 = 尸2 - 酱 式中：p 每个上滚轮的压力，n ； p ：每个下滚轮的压力，n ； a 譬上下滚轮中心距， m i l l 。 同时，可以求出滑架沿门架滚动时的运动阻力为： 缈，2 4 p 。，n 式中： 厂= o 0 0 8 u0 0 l 2 2 2 货叉的设计和计算 货叉的主要尺寸有货叉水平段长度( 简称货叉长度，) ，货叉垂直段高度，货叉断 面尺寸( 厚dx 宽b ) ，挂钩尺寸或轴孔尺寸等。 货叉长度主要决定于载荷中心距c ，并考虑配合使用的托盘尺寸。一般取j 2 c ， 也可稍小于2 c 。，按标准选取。铰接型货叉可以简化为支撑在两个铰接支座上的静定 刚架( 如图2 7 ) ，对于挂钩型货叉，可简化为一次超静定的刚架如图2 8 。 货又垂直段高度，主要与门架的离地间隙及滑架的尺寸有关。 货叉的截面尺寸及挂钩尺寸决定于起重量及载荷中心距，即决定于载荷力矩。 b 图2 7 静定刚架图2 8 超静定刚架 2 2 3 货叉的强度计算 货叉受集中载荷后的内力图( 如图2 9 ) 所示。水平段受弯矩和剪力，垂直段受弯 矩和拉力。危险截面在支座a 以下的垂直段。危险截面上的最大正应力为： 叉车起升系统的c a d c a e 开发研究 ；u 一 一一i 墩 a l 图2 9 货叉的强度计算 水平方向的应力为：坠w 垂直方向的应力为：二- 弧慨= 争+ j p = p 唔+ 扣去( 哪m 式中：p 一货叉的计算载荷，n ； c 载荷中心距，m i l l ； 矿一抗弯截面模量( 形：_ a z b ) ，m m 3 ； o f - 截面面积( f = a b ) ，m m 3 ； 陋1 一许用应力； c r 】- 生，n 为安全系数。 n 关于许用应力和安全系数的选取，与计算载荷的选取密切有关。如果计算载荷 比较精确，安全系数可较小。计算载荷中除考虑额定载荷外，应考虑载荷偏置造成 的偏载系数，还应考虑起升和运行过程中惯性和冲击造成的动载荷。目前这方面的 试验和统计工作做得不多，还没有确切可靠的偏载系数和动载系数。暂且用加大安 全系数的办法来计算，即取p = q 2 ，安全系数取n 1 5 。 板式滑架的框架结构是多次超静定结构，计算起来都很复杂，因此尽可能进行 简化计算。在垂直平面内即框架平面内( 图2 1 0 ) ，它是三次超静定框架，外载荷对 称，其弯矩图如图2 1 0 b 所示。最大弯矩为于上横悬臂根部。在水平平面内，可以 将框架上下横梁看成支承在滚轮架上的双悬臂简支梁，上横梁的水平载荷f 作用在 1 4 叉车起升系统的数学建模 上横梁的上边，因此，上横梁在受横向弯曲的同时，还受到扭矩。 b 么 兮 兰 ， 、 一 7 名11l l il l litil 图2 1 0 板式滑架计算图 由此可见，开门框架上横梁悬臂根部是危险截面。该截面作用在垂直面内的弯 矩为： m ，= p i 作用在水平面内的弯矩为： m ，= f 1 = 出七q 七弩y f 1 该截面的扭矩为： m r = ，唉 上式中，f - - q 2 ，为悬臂长度，c 为载荷中心距，a 为货叉厚度，b 为横梁截面厚 度，h 为横梁截面计算高度，f 为框架上下横梁上水平力作用点距离。 上横梁截面由于被定位槽所削弱，为安全和计算方便起见，将截面( 图2 1 1 ) 作为 矩形截面进行计算，主要验算a 、b 两点的应力。 a 点受到沿x 方向和y 方向的扭矩，产生相同的性质的应力，可以直接叠 加，大小为： ”甏+ 等2 袭+ 彘印， 截面中b 点扭转剪应力最大，其值为： f 一= 甏驯 气_ 卜、厶 淤r 工 蕊 | 募、 y 式中：口与矩形截面高宽比拿有关的系数，见图2 1 1 滑架上横梁截面图 9 1 5 叉车起升系统的c a d c a e 开发研究 材料力学。 b 点为双向应力状态，按第四强度理论： 仃b 2 【仃 2 2 4 门架受力分析及强度计算 门架的受力情况比较复杂，强度计算的方法也不统一，有的方法比较繁琐。我 们主张就其重要受力工况及主要应力做简单计算，在选取应力时考虑足够的安全系 数。 1 门架的计算工况： 如果将门架系统( 包括门架、滑架、货叉、起升油缸、链条等) ，当成一个脱离 体，那么从图2 1 2 中可以看出，当货物起升到最大 起升高度、门架前倾最大角度时，其受力情况最为 严重，外l - j 架和倾斜油缸铰接的j 卜_ a 截面具有最大 外力矩。内外门架各截面的弯矩是变化的，也是外 门架a _ - a 截面的弯矩为最大。但考虑到这种最危险 的情况在实际工作中基本不会出现。经常出现的是： 当货物起升到最大起升高度进行堆垛时，门架是直 立的。这时门架各截面的弯矩基本相等。为了切合 实际情况，并为了计算方便起见，我们假设门架垂 直、额定起重量的重心位于载荷中心、起升到最大 起升高度的这种工况，作为门架的计算工况( 图 2 1 2 ) ，以这种工况来计算内外门架的强度。 图2 1 2 门架计算工况 内门架是一个空间框架，按两个互相垂直的平面来分析它的受力。 内门架在纵向平面内，即垂直于门架的平面内的受力有：滑架滚轮给内门架左 右两根立柱各作用一对压力力偶p 1 、p 2 ，同时外门架通过滚轮给内门架左右立柱各 作用一对支承反力p 3 、p 4 。在这种情况下，产生三方面的应力和应变： ( 1 ) 内门架纵向弯曲，实际是两根立柱分别受纵向弯曲。计算时可以将立柱作为 简支悬臂梁，其受力简图及各截面弯矩图( 如图2 1 3b ) 、c ) ) 所示。 一 ( 2 ) 由于滚轮压力不是作用在立柱的弯心平面内( 图2 1 3a ) ) ，故立柱除了受弯 曲以外，两端还受扭矩。上端由滑架滚轮引起的扭矩较大，下端门架滚轮引起的扭 1 6 叉车起升系统的数学建模 矩很小，若将立柱看成独立的杆件，则其扭矩如图2 1 3 d ) 所示。在这种受力情况下， 立柱是受