（车辆工程专业论文）自装卸式垃圾运输车举升机构的仿真与优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在现代汽车工业中，c a d c a e 技术已经得到普遍的应用，我国的汽车企 业现在也已经广泛使用如c a t i a u g 等集c a d c a e c a m 于一体的软件进行产 品的设计，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，在 缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能 力等方面其作用越来越明显。 本文以自卸式垃圾运输车为对象，利用虚拟样机技术，以c a t i a a d a m s 软 件为工具，在自装卸式垃圾运输车的设计与仿真分析方面，做了以下工作： 1 基于自卸车的设计过程，进行了自装卸式垃圾运输车自卸机构的总体设 计计算和零部件的设计，包括底盘的选用，副车架的布置与形式，举升机构的 形式与设计，以及车厢的形式与设计。 2 基于三维设计软件c a t i a ，构建了自卸机构的三维实体模型，并且通过虚 拟装配，实现了自卸机构的干涉分析。 3 基于仿真分析软件a d a m s ，通过a d a m s 与c a t i a 的接口，将c a t i a 建立的 自卸机构三维实体模型导入到a d a m s 中，在a d a m s 中添加系统约束、载荷、驱 动等，建立了虚拟样机模型并进行动力学仿真分析，得出自卸机构的动力学仿 真结果。 4 基于有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 对关键零部件进行有限元分 析，先将c a t i a 中建立的举升支座实体模型导入其中，对其进行划分网格， 定义受力条件，进行有限元分析，得出其应力应变与位移图解，根据分析 情况再进行有关的优化设计工作。 关键词：自卸汽车，举升机构，虚拟样机技术，有限元法 a b s t r a c t i nt h em o d e r na u t o m o b i l ei n d u s t r y ，c a d c a et e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l y u s e d t h ea u t oc o m p a n i e si nc h i n an o wh a v ew i d e l yu s e da sc a t i a u g e t cs e t c a d c a e c a mi n t e g r a t i o ni nt h es o f t w a r ed e s i g no fp r o d u c t s ，u s i n gt h e v i r t u a lp r o t o t y p ei n s t e a do fp r o d u c ti n n o v a t i o np h y s i c a lp r o t o t y p ed e s i g n ， t e s t i n ga n de v a l u a t i o n ，i no r d e rt oc u td o w n t h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c et h e c o s t ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y ，i m p r o v ec u s t o m e rd e s i g nw i t hm a r k e td e m a n d f o rt h ea b i l i t yo fi t sf u n c t i o n sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r e o b v i o u s b a s e do nd u m pg a r b a g et r u c k ，it o o ka d v a n t a g eo ft h ev i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g y ，u s e dc a t i a a d a m ss o f t w a r ei nt h eg a r b a g et r u c kd e s i g na n d s i m u l a t i o na n a l y s i s 1 b a s e do nt h ed e s i g np r o c e s so ft h ed u m pg a r b a g et r u c k ，im a d et h e o v e r a l ld e s i g nc a l c u l a t i o na n dc o m p o n e n t sd e s i g n ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo ft h e c h a s s i s ，t h ea r r a n g e m e n ta n dd e s i g no ft h es e c o n dc h a s s i s ，t h ea r r a n g e m e n t a n d t h ed e s i g no fl i f t i n gm e c h a n i s m 2 b a s e do n3 dd e s i g ns o f t w a r ec a t i a ，c o n s t r u c t s t h et i p p i n gt h e t h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e la g e n c y ，a n dt h r o u g ht h ev i r t u a la s s e m b l y ， t i p p i n gi n s t i t u t i o n si n t e r f e r e n c ea n a l y s i s 3 b a s e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ea d a m s ，t h r o u g ht h ei n t e r f a c e w i t hc a t i aa d a m s w i l le s t a b l i s ht h ec a t i as e l f d i s c h a r g i n gi n s t i t u t i o n st o t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li na d a m s ，a d a m s ，a d d i n gl o a d s ，d r i v es y s t e m ， e s t a b l i s h e dt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e la n ds i m u l a t i o na n a l y s i s 4 b a s e do i lt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sw o r k b e n c hk e y p a r t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ef i r s te s t a b l i s h e di nc a t i al i f t i n gb e a r i n g s i m p o r t e do n ee n t i t ym o d e l ，t h es t r e s sc o n d i t i o n ，t h ed e f i n i t i o no fm e s h ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，t h es t r e s s ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n t ，a c c o r d i n gt oa n a l y s i so f s i t u a t i o n sg r a p h i cd e s i g nw o r ko nt h eo p t i m i z a t i o n k e y w o r d ：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 et e c h n o l o g y ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学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 明并表示了谢意。 签名：垒盔丛日期：2 丝：兰：兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 蹴引雠) 搠”师湓釉伊伸飙如，o 姗 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 自装卸式垃圾运输车的概念与特点 自装卸式垃圾运输车是一种与垃圾压缩中转站配套使用的环卫专用车辆， 主要用于各环卫市政及大型厂矿部门运载各种垃圾，亦可运输灰、砂、石、 土等散装建筑材料，也可以在矿山或煤矿中运送矿石或煤。由密封式垃圾 厢、液压系统、操作系统组成【l 】。 自装卸式垃圾运输车具有整体结构设计合理紧凑，装卸垃圾自动化，使用 效率高，厢体采用轻量化设计、运载量大、封闭性能好；安全、节能、环保等 优点明显。自装卸式垃圾运输车可以机械化自动装卸垃圾，实现垃圾密封化运 输，有效地防止垃圾对人和环境的污染，提高汽车的运载效率，是一种环保、 高效的新型环卫专用车辆【2 】。 1 2 国内垃圾运输车发展概况与趋势 1 2 1 国内垃圾运输车的发展概况 我国国内与国外在垃圾专用车方面的差距无论是技术方面还是上装方面都 己经很小了。十几年前我国可能还从国外进口垃圾车，但目前国内垃圾车生产 己经基本符合用户的需求。现在国内一些专业生产垃圾车的厂家通过消化吸收 国外技术的方式，己在某些方面逐步接近国外先进水平。 国产品牌己在国内压缩垃圾车市场稳占上风，对进口车的替代也卓有成效。 未来随着城市压缩垃圾车市场的不断扩容，国内卡车底盘厂家的市场空间将越 来越大，专用车在卡车行业中的比重也会进一步提高。 与国外先进产品相比，我国垃圾车的性能和功能还存在一定差距，低端产 品特征明显，整车性能较差，大部分国产垃圾车是以模仿进口车功能为基础来 研制生产的，缺乏具有自主知识产权和概念创新的产品。在液压装置机械作业 装置、测量计一量装置、自动控制装置、安全防护装置的技术水平上与外先进 产品还存在着一定的差距【3 1 。 1 2 2 国内垃圾运输车的发展趋势 ( 1 ) 垃圾监测系统 武汉理工大学硕七学位论文 在垃圾车工作过程中，垃圾车的垃圾装载情况是管理者所关心的。圾车负 载变化及垃圾厢内垃圾是否填满，在一般情况下都是很难监测的。通过载垃圾 监测系统能随时随地检测车辆负载的变化情况及垃圾是否填满，为垃圾司机和 管理者提供参考。提高垃圾车作业的科学性和行车的安全性，同时也可减少工 作人员工作量，提高工作效率。 ( 2 ) 翻桶机构 垃圾车配备具有全自动控制功能的翻桶机构将是产品发展的新方向发达国 家尤其是西欧及美国的垃圾车都配备先进的翻桶机构，可方便地现对不同大小 垃圾桶在不同位置的自动抓取、举升和卸料。我国许多城市已开对桶装垃圾的 收集，但垃圾车配备的翻桶技术水平不高。 ( 3 ) 绿色视觉效果 车辆的外观造型及彩化已越来越受到环卫部门的重视，一些适合不同城市 品味的彩化压缩式垃圾车辆已成为城市的一道亮丽的风景。通过对车辆外形和 性能的改进，消除或减轻视觉污染，避免或减少作业时对周围环境和人员的影 响，使压缩式垃圾车辆与作业环境相协调。 ( 4 ) 除臭灭菌 除臭灭菌技术在垃圾车上的运用也是发展方向，杜绝细菌传播，减少臭气 污染已成为当务之急。目前一些臭氧除臭除菌技术己在该类产品上成功运用。 ( 5 ) 分隔车厢 垃圾车车身内部结构可按一定比例划分为几部分，这种划分结构使得垃圾 运输车可在同一次作业时同时收集并且分隔几种不同类型的垃圾，可以最优化 垃圾收集路线，这也为垃圾回收物流提供更多的可能性。 1 3 本论文研究的目的和意义 本论文的研究对象是密封自装卸式垃圾运输车，它是与垃圾压缩中转站配 套使用的一种具有高效收集、转运垃圾的城市环卫专用车辆，具有整体结构设 计合理紧凑；装卸垃圾自动化；使用效率高，厢体轻量化设计、运载量大、封 闭性能好；安全、节能、环保等优点明显。自装卸式垃圾运输车可以机械化自 动装卸垃圾，实现垃圾密封化运输，在垃圾收集、转运过程中可避免沿途撒漏 而造成的二次污染，是城市环卫工作的理想设备，是国家专用汽车规划重点发 展方向之一。 随着我国城镇一体化建设速度的加快，城市规模的扩大，人口数量的增多， 2 武汉理工大学硕士学位论文 城市生活垃圾也随之日益增多，城市对垃圾运输车的需求将越来越大。据我国 环卫信息网统计计算，目前我国城市垃圾年产量已达到亿吨，并以每年8 的速 度增长。而与此同时，我国城市垃圾的搜集和运输能力明显不足，环卫车辆的 保有量远远未达到建设部城镇环境卫生设施标准规定的2 5 辆万人配置标 准要求。目前城镇居民人口约3 8 亿，若按配置标准要求，保有量缺口达4 0 。 由此，垃圾车的城市需求每年都在1 3 0 0 0 辆以上。而随着人们环境保护意识的增 强，城市品位的提升，必然对垃圾运输车产品自身的环保度、档次的要求越来 越高。因此，高档次、密封环保的垃圾运输车将得到人们的青睐。 提升技术是发展专用自卸车的根本所在。其中举升机构是自装卸式垃圾运输 车的关键装置，它直接关系到自装卸式垃圾运输车的性能及整车布置。本课题 的目的，就是依据当前先进的设计理论，利用计算机技术和c a d 技术的发展成果， 通过对自装卸式垃圾运输车举升机构进行建模、仿真、参数化处理，并进行优 化设计，以提高自装卸式垃圾运输车产品的设计质量和效率，缩短产品开发周 期，进而增强企业市场竞争力。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文主要是针对某家企业生产的自装卸式垃圾运输车，采用虚拟仿真技 术进行设计研究，主要内容如下： ( 1 )由整车参数确定举升机构的方案类型， ( 2 ) 用c a t i a 建立举升机构的三维模型，测试模型，校验模型，模型细化。 ( 3 ) 研究c a t i a 软件与仿真软件a d a m s 的无缝传递数据。 ( 4 ) 建立虚拟样机，对举升机构进行运动学与动力学仿真分析。 ( 5 ) 结合有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h ，对举升机构进行有限元分析，并 进行优化。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章计算机辅助设计技术概述 2 1 计算机辅助设计技术概论 2 1 1 计算机辅助技术简介 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术是指工程技术人 员在人和计算机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成产品的设计、分析、 绘图等工作，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的 目的，它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学 科【4 】o 从方法学角度看，c a d 采用计算机工具完成设计的全过程，包括概念设计、 初步设计( 或称总体设计) 和详细设计。在设计过程中，c a d 将计算机海量数据 存储和高速数据处理功能与人的创造性思维和综合分析能力有机结合起来，充 分发挥了各自的特长。 从技术角度看，c a d 技术把产品的物理模型转化为存储在计算机中的数字化 模型，从而为后续的工艺、制造、管理等环节提供了共享的信息源。 现在的c a d 技术已不仅仅用于自动绘图或三维建模，而已成为一种广义的、 综合性的关于设计的新技术；它涉及以下基础技术【5 】： ( 1 ) 图形处理技术。如二维交互图技术、三维几何造型技术及其他的图形 输入输出技术。 ( 2 ) 工程分析技术。如有限元技术、优化设计方法、物理特性计算( 如面 积、体积、惯性矩等计算) 、模拟仿真以及各行业中的工程分析等。 ( 3 ) 数据管理与数据交换技术。如产品数据管理( p d m ) 、数据库、异构系 统间的数据交换和接口等。 ( 4 ) 文档处理技术。如文档制作、编辑及文字处理等。 ( 5 ) 界面开发技术。如图形用户界面、网络用户界面、多通道多媒体智能 用户界面等。 ( 6 ) 基于w e b 的网络应用和开发技术。 2 1 2c a d 技术的发展趋势 作为一门新的综合计算机应用技术，c a d 与制造技术的集成( c a d c a m ) 的 发展几乎推动了一切领域的设计革命，引起了产品设计和制造方式的根本性变 4 武汉理工大学硕士学位论文 革，取得了显著的经济效益。1 9 8 9 年美国工程研究院把它列为当代最杰出的十 大工程技术成就之一。目前，它的发展和应用水平已经成为衡量一个国家科技 现代化和工业水平现代化的重要标志之一【6 j 。 在发达国家，c a d c a m 技术已经进入了普及阶段，商品化软件已趋于成熟， 应用极为普遍，它的应用使产品传统模式的设计制造和组织生产产生了极为深 刻的变革。在这些国家中，c a d c a m 技术已形成了一个推动各行各业技术进步、 能够创造大量财富、具有相当规模的产业部门软件产业。 c a d 技术基础理论的每一次重大进展，无一不带动了c a d c a m c a e 整体技术 的提高以及制造手段的更新。技术发展永无止境，没有一种技术是常青树，c a d 技术一直处于不断的发展与探索之中。c a d 技术的发展趋势主要围绕在标准化、 开放式、集成化、智能化4 个方面【7 】： ( 1 ) 标准化除了c a d 支撑软件逐步实现i s o 标准和工业标准外，面向应 用的标准构件( 零部件库) 、标准化方法也已成为c a d 系统中的必备内容，且朝 着合理化工程设计的应用方向发展。 c a d 软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的环 境，就要求它应是一个开放的系统，这罩主要是考标准化技术来解决这个问题。 目自订标准有两大类：一是公用标准，主要是来自国家或国际标准制定单位；另 一是市场标准，或行业标准。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性； 而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益 ( 2 ) 开放性c a d 系统目前广泛建立在开放式操作系统如大家所熟知的 w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 x p n t v i s t a 和u n i x 平台上，在j a v al i n u x 平台上也有c a d 产品，此外c a d 系统都为用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核 源码，使用户可定制自己的c a d 系统。 ( 3 ) 集成化c a d 技术的集成化体现在三个层次上：广义的c a d 功能， c a d c a e c a p p c a m c a q p d m e r p 经过多种集成形式成为企业一体化解决方案， 推动企业信息化进程。目前创新设计能力( c a d ) 与现代企业管理能力( e r p 、p d m ) 的集成，已成为企业信息化的重点。将c a d 技术能采用的算法，甚至功能模 块或系统，做成专用芯片，以提高c a d 系统的效率。c a d 基于网络计算环境实 现异地、异构系统在企业问的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企 业就是在该集成层次上的应用。 ( 4 ) 智能化设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能c a d 武汉理工大学硕士学位论文 是c a d 发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术 对模拟人类的思维活动( 包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式) 往往是束手无策的。因此，智能c a d 不仅仅是简单地将现有的智能技术与c a d 技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟 它，这样不仅会产生高效的c a d 系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论 和方法，c a d 的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深远的影响。 2 1 3c a d 在汽车工业中的应用 汽车工业作为最大的民用产业，具有技术密集性高、设计要求高等特点， 尤其适合c a d 系统优势的发挥，所以c a d 一开始就在汽车工业中得到了应用。 2 0 世纪7 0 年代，正值飞机与汽车工业蓬勃发展时期，此间汽车及飞机制造 中遇到了大量的自由曲面问题，要求更新设计手段的呼声越汽来越高。法国的 达索飞机制造公司率先推出了三维曲面造型系统c a t i a 。它的出现，标志着计算 机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计 算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a i v l 技术的开发有了现实的基 础。曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第一次c a d 技术革命，改变了以往只能 借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。曲面造型系统的技术革 新，使车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型丌发速度也大幅度提高， 许多车型的开发周期由原来的六年缩短到只需约三年。c a d 技术给使用者带来了 巨大的好处及颇丰的收益，汽车工业开始大量采用c a d 技术【8 】。 进入2 1 世纪，c a d 技术已成为汽车设计的主要方法和手段，c a d 技术在汽 车工业中的应用已经几本普及，但我国汽车设计飞c a d 应用水平还很不平衡， 与汽车工业发达国家相比还有一定差距。分析当前我国c a d 技术的应用情况， 大致可以分为以下4 个层次：基于计算机绘图、产品三维几何设计的应用层次； 基于计算机辅助工程分析进行产品性能设计的应用层次；基于产品数据管理的 应用层次；基于企业信息化平台的应用层次。c a d 技术应用水平的提高对汽车工 业的发展具有极其重大的意义。 当前汽车工业主要运用的c a d 软件的主要功能及其对比如表2 一l 所示： 6 武汉理工大学硕士学位论文 表2 一l 主要c a d 软件的主要功能及其对比 功能 u gc a t i a p r o e 具备各种建模具备各种建模具备各种建模功 建模功能 功能，功能强大功能，功能强大能，功能强大 含有有限元分 可生产有限元 析模块，支持弹 动力学分析模型，可做动力功能较少 性动力学和热 学分析 力学分析 可模拟真实运 运动分析模块 运动过程仿动进行动态干 ( k i n ) 可通过可做干涉检查， 真涉检验，仿真中 真实化仿真设仿真中不能施加 计并验证机构 力 不能施加力 的运动状况 与其他软件提供与其他软提供与其他软 的接口件的标准接口件的标准接口 有a d a m s 模块 能提供多层次 能提供多层次 的二次丌发环能提供二次开发 二次开发的二次开发环 境，支持c ，c + +环境 开发 境 2 2o a tia 软件概述 c a t i a 是由法国达索公司开发的高端工程软件，是一套集成的应用软件包， 内容覆盖了产品设计的各个方面：计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工程分 析( c a e ) 和计算机辅助制造( c a m ) 。从1 9 8 2 年到1 9 8 8 年，c a t i a 相继发布了 1 版本、2 版本、3 版本，并于1 9 9 3 年发布了功能强大的4 版本，现在的c a t i a 软件分为v 4 版本和v 5 版本两个系列。v 4 版本应用于u n i x 平台，v 5 版本应用 于u n i x 和w i n d o w s 两种平台。v 5 版本的开发开始于1 9 9 4 年。为了使软件能够 易学易用，达索公司于1 9 9 4 年开始重新开发全新的c a t i av 5 版本，新的v 5 版 本界面更加友好，功能也r 趋强大，并且开创了c a d c a e c a m 软件的一种全新 风格。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1c a tiav 5 的组成 c a t i av 5 具有1 1 个模组上百个模块具体包括有 9 1 ： i n f r a s t r u c t u r e ( 基础模组) ：主要包括材料库( m a t e r i a ll i b r a r y ) 、c a t i a 不同版本之间的转换、图片制作( p h o t os t u d i o ) 、实时渲染( r e a lt i m e r e n d e r i n g ) 等基础模块。 m e c h a n i c a ld e s i g n ( 机械设计模组) ：提供了机械设计中所需要的几乎所 有模块，包括零件设计( p a r td e s i g n ) 、装配设计( a s s e m b l yd e s i g n ) 、工程 绘图( d r a f t i n g ) 、钣金设计( s h e e tm e t a ld e s i g n ) 、模具设计( c o r e c a v i t y d e s i g n ) 等众多模块。 s h a p e ( 曲面造型模组) ：c a t i a 外形设计和风格造型提供给用户有创意、易 用自由曲面造型( f r e es t y l es h a p e ) 、创成式曲面设计( g e n e r a t i v es h a p e d e s i g n ) 、数字化外形编辑器( d i g i t i z e ds h a p ee d i t o r ) 、快速曲面重建( q u i c k s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ) 、汽车a 级血面造型( a u t o m o t i v ec l a s sa ) 、汽车 白车身结合设计( a u t o m o t i v eb o d y i n w h i t ef a s t e n i n g ) 等模块。 a n a l y s i ss i m u l a t i o n ( 工程分析模组) ：c a t i a 创成式和基于知识工程分析 解决方案可快速对任何类型的零件或装配件进行工程分析，基于知识工程的体 系结构，可方便地利用分析规则和分析结果优化产品，包含了变形装配公差分 析( t o l e r a n c ea n a l y s i so fd e f o r m a b l ea s s e m b l y ) 、高级网格工具( a d v a n c e d m e s h i n gt o o l s ) 和创成式结构分析( g e n e r a ti v es t r u c t u r a la n a l y s is ) 3 个模 块。 a e cp l a n t ( 厂房设计模块) ：提供了方便的厂房布局设计能力。 m a c h i n i n g ( 数控加工模组) ：c a t i a 数控加工模组提供了高效的编程能力及 变更管理能力，包含了车削加工( 1 a t h em a c h i n i n g ) 、2 5 轴铣削加工( p r i s m a t i c m a c h i n i n g ) 、曲面加工( s u r f a c em a c h i n i n g ) 、高级加工( a d v a n c e dm a c h i n i n g ) 、 n c 加工检查( n cm a n u f a c t u r i n gr e v i e w ) 和s t l 快速成型( s t lr a p i d p r o t o t y p i n g ) 等模块。 d i g i t a lm o c k u p ( 数字样机模组) ：提供了机构的空间模拟、机构运动、结 构优化的功能。 e q u i p m e n ts y s t e m s ( 设备与系统工程模组) ：c a t i a 设备与系统工程解决方 案可用于在3 d 电子样机配置中模拟复杂电气、液压传动和机械系统的协同设计 和集成、优化空间布局。c a t i a 的工厂产品模块可以优化生产设备布置，从而达 到优化生产过程和产出的目的，它包括了电气系统设计、管路设计等模块。 武汉理工大学硕士学位论文 e r g o n o m i c sd e s i g n a n a l y s i s ( 人机工程学模组) ：提供了人体模型构造、 人体姿态分析、人体行为分析等功能。 k n o w l e d g ew a r e ( 知识工程模组) ：提供了产品功能定义、产品工程优化、 产品知识模板等功能。 2 2 2c a tiav 5 版本功能 ( 1 ) 重新构造的新一代体系结构 为确保c a t i a 产品系列的发展，c a t i av 5 新的体系结构突破传统的设计技 术，采用了新一代的技术和标准，可快速地适应企业的业务发展需求，使客户 具有更大的竞争优势。 ( 2 ) 支持不同应用层次的可扩充性 c a t i av 5 对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合，可为 产品开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。允许任意配置的解决方 案可满足从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。 ( 3 ) 与n t 和u n i x 硬件平台的独立性c a t i av 5 是在w i n d o w sn t 平台和u n i x 平台上开发完成的，并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版 本发放日期、操作环境和应用支持。c a t i av 5 在w i n d o w s 平台的应用可使设计 师更加简便地同办公应用系统共享数据；而u n i x 平台上n t 风格的用户界面， 可使用户在u n i x 平台上高效地处理复杂的工作。 ( 4 ) 专用知识的捕捉和重复使用 c a t i av 5 结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意 图，定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高了 设计的自动化程度，降低了设计错误的风险。 ( 5 ) 给现存客户平稳升级 c a t i av 4 和v 5 具有兼容性，两个系统可并行使用。对于现有的c a t i av 4 用户，v 5 年引领他们迈向n t 世界。对于新的c a t i av 5 客户，可充分利用c a t i a v 4 成熟的后续应用产品，组成一个完整的产品开发环境【l o 】。 2 3 虚拟样机技术概述 2 3 1 虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机一词译自英文“v i r t u a lp r o t o t y p i n g 或“v i r t u a l p r o t o t y p e ，也称作虚拟原型或虚拟模型。“v i r t u a lp r o t o t y p e 是指一个基 9 武汉理r t 大学硕士学位论文 于计算机仿真的原型系统或原型予系统，与物理原型机相比，在一定程度上达 到功能的真实。而“v i r t u a lp r o t o t y p i n g 则是指为了测试和评价一个系统设 计的特定性质，使用虚拟样机来代替物理样机的过程 1 1 】。 虚拟样机技术是一种基于产品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 p ) 支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多刚体系统 运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真 技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。 虚拟样机技术是在c a x ( 如c a d ，c a m ，c a e 等) d f x ( 如d f a ，d f m 等) 技术基础上的 发展，它进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，并将这些技术 应用于复杂系统的全生命周期和全系统，以便对系统进行综合管理。从系统层 面来分析复杂系统，虚拟样机支持“从上至下 的复杂系统开发模式。利用虚 拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可缩短开发周期，降 低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力l l 列。 关于虚拟样机有下面几种形式的论述 1 3 】： ( 1 ) 虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前，设计师利用计算机技 术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析，以图形方式显示该系统在真实 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。 ( 2 ) 虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、 空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机 上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运 动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统。 ( 3 ) 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索 虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模和分析。 它在c a d 模型的基础上，把虚拟技术与仿真技术结合起来，为产品的研发提供 了一个全新的设计方法。 2 3 2 虚拟样机的应用 目前，虚拟样机技术得到广泛的应用，设计汽车制造、工程机械、航空航 天、造船、航海、机械电子和通用机械等众多领域。 通用动力公司1 9 9 7 年建成第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行产品 的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。日产汽车公司利 用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。以前卡 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 特彼勒公司制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元。 为提高竞争力，大幅度削减产品的设计和制造成本，卡特彼勒公司采用虚拟样 机技术，从根本上改进设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验等多种设计方案， 从而使其产品成本降低，性能却更加优越。同样，迪尔公司为了解决工程机械 在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激震动问题，利用虚拟样机技术，不 仅找到原因，而且还提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到验证，从而大大 提高了产品的高速行驶性能和重载作业性能。美国海军的n a v a i r a p l 项目，利 用虚拟样机技术，实现多领域多学科的设计并行和协同，形成协同虚拟样机技 术。他们研究发现，协同虚拟样机技术不仅使产品的上市时间缩短，还使产品 的成本减少了至少2 0 【1 4 】。 具体到汽车工业，现在世界上主要汽车制造商、零部件供应商、轮胎制造 商都在应用数字化虚拟样机技术，他们利用虚拟样机技术可模拟任何运动零部 件，例如修改验证悬架、轮胎、转向系、车窗机构、门锁机构、刮雨器等方案 设计。用户在计算机上还可进行整车测试，并进行不同工况的操纵稳定性试验， 他们甚至利用计算机模拟驾驶员在各种工况下的响应。 2 3 3 虚拟样机技术的特点 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机技术具有以下的特 占【1 5 】 ， ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产时一个串行过程，而 虚拟样机技术则真正地实现了系统角度的产品优化。它基于并行工程，使产品 在概念设计阶段就可以迅速地分析、比对多种设计方案，确定影响产品性能的 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，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试验物理 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。目前世界上广泛接受了动态联盟的的概念， 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，通过网络临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，加盟 武汉理t 大学硕士学位论文 企业之间产品信息的快捷交流尤显重要。而虚拟样机是一种数字化模型，通过 网络输送产品信息，具有快速传递、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。 2 4 a d a m s 软件及其功能概述 2 4 1a d a m s 软件概述 虚拟样机仿真软件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 fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) 是对机械系统的运动学与动力学进行仿真计算的商用软件，由美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发，在经历了1 2 个版本后，被美国m s c 公司 收购。目前，a d a m s 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据有关 机构对机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的调查统计资料，a d a m s 占据了 市场5 5 的份额【16 1 。 a d a m s 软件使用交互式图形环境及零件库、约束库和力库，创建完全参数化 的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程 方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分 析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机 械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 a d a m s 方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地 对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析；另一方面，它又是虚拟样 机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口。可以成为特殊行业用户进 行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 a d a m s 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5 类 模块组成，如表2 1 所列。用户不仅可以采用通用模块对一般机械系统进行仿 真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模 与仿真分析【1 7 1 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - ia d a m s 软件模块 用户界面模块a d a m s v ie w 基本模块求解器模块 a d a m s s o l v e r 后处理模块 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 液压系统模块a d a m s h y d r a u li c s 振动分析模块a d a m s v i b r a t i o n 线性化分析模块 a d a m s l in e a r 通 扩展模块高速动画模块 a d a m s a n i m a t i o n 用 模 试验设计与分析模块a d a m s i n s i g h t 块 耐久性分析模块 a d a m s d u r a b i l i t y 数字化装配回放模块a d a m s d m ur e p l a y 柔性分析模块a d a m s f le x 控制模块a d a m s c o n t r o ls 接口模块 图形接口模块a d a m s e x c h a n g e c a t i a 专业接口模块 a d a m s c a t p r o e 接口模块a d a m s p r o 轿车模块a d a m s c a r 悬架设计软件包 s u s p e n s i o nd e s i g n 概念化悬架模块 c s m 驾驶员模块a d a m s d riv e r 专 动力传动系统模块a d a m s d r i v e li n e 专业 轮胎模块a d a m s t i r e 用领 柔性环轮胎模块 t i r em o d u l e 模域 块模 柔性体生成器模块a d a m s f b g 块 经验动力学模块 e d m 发动机设计模块 a d a m s e n gin e a d a m s e n g i n ev a l v e 配气机构模块 r a i n 铁路车辆模块a d a m s r a il 软件开发工具包 a d m s s d k 虚拟试验工具箱 v i r t u a lt e s tl a b v i r t u a le x p e r i m e n t 虚拟实验模态分析工具箱 m o d a la n a l y s i s 专用模 工具箱钢板弹簧工具箱 l e a fs p r in gt o o l k i t 块 飞机起落架工具箱a d a m s l a n d i n gg e a r t r a c k e d w h e e1e d 履带轮胎式车辆工具箱 v e h i c l e 齿轮传动工具箱a d a m s g e a rt o o l 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2a d a m s 的数学理论基础 软件的求解方法是软件的核心。只有了解a d a m s 软件的理论基础和求解方 法，才能心中有数，真正发挥其求解功能。 a d a m s 采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统的动力学 方程。a d a m s 用刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角( 或广义欧拉角) 作为广义坐标，即q i = i x ，y ，z ，0 ，驴f ，q = 目。，g ：，9 ：】r ，用带乘子的拉格朗日方 程处理具有多余坐标的完整约束系统和非完整约束系统，导出以笛卡儿广义坐 标为变量的运动学方程。a d a m s 的计算程序采用吉尔( g e a