（机械工程专业论文）液压支架的虚拟样机模型研究与特性分析.pdf

郑卅i 大学硕士论文y ! ；9 7 s 5 3 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：中学。德， 二o o 六年四月二十日 郑州大学硕士论文 摘要 液压支架是机械化采煤方法中最重要的设备之一。随着综采技术的发展，对 液压支架设计的要求越来越高，既要保证完善的性能和高的可靠性，又要尽可能 地减轻重量。 本课题利用s 0 l i d e d g e 软件建立了液压支架的三维数字化模型，通过 p a r a s 0 1 i d 接口文件和其它手段实现了三维数字化模型与多体系统动力学模型 问的数据传递，使多体系统动力学技术能够应用于液压支架的数字化模型研 究。同时，介绍了多体系统动力学软件a d a m s 的基础理论和方法，研究了建 立液压支架虚拟样机模型的关键技术问题。另外，进行了液压支架多种方案的 运动学分析与比较，根据运动学分析结果确定了优化后的设计方案。建立了 液压支架的四连杆机构模型，并组装成为液压支架系统虚拟样机模型，通过 修改四连杆机构模型建立了某型液压支架的动力学分析模型。从分析结果可 知，该型液压支架设计是切实可行的。 在多体系统动力学模型仿真分析的基础上，完成了液压支架四连杆机构 的优化设计，确定了该型支架的实际尺寸。利用有限元分析软件c o s m o s d 建立了液压支架关键零部件的有限元分析，并完成其静态分析和校核，保证 了液压支架结构件强度达到设计要求。 本课题研究为液压支架的设计提供了一个精确、可靠的设计方法，为液 压支架设计提供了一条新的思路，可以有效地缩短产品的开发周期，大大节 约研制经费。 关键词：液压支架，多体系统动力学，虚拟样机，有限元分析 塑型盔堂堡主堡墨 a b s t r a c t h y d r a u l i cs u p p o ni so n eo f 山em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si nt 1 1 em e c h 枷z a t i o n m e t h o do fc o a lm i n i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f 血es y n t h e s i z a l i o nt e c h n o l o g yo fc o a l m i n i n g ，m er c q u i r e m e n tf o rh y 出a u l i cs u p p o r td e s i g ni sm o r e 锄dm o r eh 追h t h ed e s i g n o fh y d r a u l i cs u p p o r t 谢l lg u 她m t e ep e r f e c tp e r f o 姗a 1 1 c e ，h i g l lr e l i a b i l i t ya l l dw i l l a i j e “a 饴w e i 曲ta s 鼬鼬j ) 0 s s i b l e 髓ep r o j e c to ft l l r e e - d i i n e n s i o n a ld i g i t l i z a t i o n l a t1 1 a s b e e ne s t 曲l i s h e d h y d r a u l i cs u p p o r tm o d e lu s 啦s o l i d e d g es o f c w a r cb yp a r a s 0 1 i d m t e r f h c ef i l e 锄d 0 1 1 1 e rm e 粕sr e a l i z e sd a 忸廿 m s m i tb e t w e e nt i l r e e d i m e n s i 伽i a ld i g i t l i z a t i o nm o d e la n d m u l t i - b o d ys y s t e md y n 啪i c sm o d e l ，甜l dm a k e si t st e c h n o l o g ya p p l yi nm e 托s e a r c ho f d i g i i z a 舡o nm o d e l a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o da n db a s i ct h e o r y o fd y n a m i c s s o f h a r ea d a m sa r ci n t r o d u c e d t h ep r o j e c ts t u d i e sm ek e yt e c l l i l i c a jp m b l e mo f e s t a b l i s h i i l gh 删i cs u p p o n 、，i m 城lp m t o t y p em o d e l a d d i t i o n a l l yt h ea 1 1 a l y s i sa n d c o m p a r i s o no ft h em o v e m e mk n o w l e d g eo fv a r i o u ss c h e m eo fh y d h n d i cs u p p o na r e c a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot i l er c s u l to ft l l ea n a l y s i sa n dc o m p a r s i o n ，t h ed e s i g ns c h e m e 姐e ro p t 岫i 2 a t i o ni sd e t e i l l l i n e d 1 1 1 em o d e l so f4 一l i n k a g em e c h a n i s mo fh y d r a u l i c s u p p o r ti se s t a b l i s h e da n dh y 血斌i cs u p p o nv i n l l a lp r o t o 啪，em o d e li sa s s e m b l e d 1 1 1 e d y l l a r n i c sa i l a l ”i sm o d e lo fc e m 血啪eh y d 舢l i cs u p p o r ci sl l 训eu p 廿1 r o u g i l m o d i 母i n gt h em o d e l so f4 - l i n k a g em e c h a j l i s m i n 删y s i sr e s u h ，w ec a nf i n do u tt 1 1 a t m i sh y d e a u l i cs u p p 舐d e s i 弘i sp r t i c a la n df e 聃i b l e b a s i n go n 哪u l 觚o na i l da n a i y s i so fm t l l t i - b o d ys y s t e md y n 咖i c sm o d e l ，t h e p r o j e c tc o l l l p l e t e st l l eo p t 砌z 撕o nd e s i g no f4 一l i n k a g em e c l l a n i s m so f h y d r a u l i cs u p p o r t 锄dd e t e 彻i n e sm ea c t u a ls j z eo ft h i s 劬p es u p p o n u s 砸gd l ef i n i t ee l e m e n ta l i a l y s i s s o 脚a r ec o s m o s ，t h ef e mm o d e lo fm eh y 如“i cs u p p o nc r u c i a lc o n 巾o n e n ti s e s t a b l i s h e da n ds t a t i ca n a l y s i si sc o m p l e t c d t h ed e s i g nr e q l l i r e m e n to f 也eh y d r a u l i c 3 郑卅f 大学硕士论文 s u p p o n ss 劬j c t u r 矾m e m b e rs t r e i l 班hi sg u l r a n t e e d 1 1 1 ep r o j e c tr e s e 龇mo 船r sa i ia c c u r a t e ，r e l i a b l ed e s i 印m e t h o da n dt h en e wt m i n o ft l l o u g h tf o rm eh y d r a u i i cs u p p o nd e s i g n t h ed e v e l o p m e mc y c l eo f 廿l en e wp m d u c t c a i lb es h o n e n e de m c i e n t l ya 1 1 dt l l ed e v e l o p l e n t 矗l 埘sc a nb er e d u c e dg r e a l l y k e y w o r d ：h y d r a u l i cs u p p o r t ，m u l t i b o d ys y s t 跚d ”咖i c s ，v i r t u a lp r o t o t y p e ， f i n i t ee l e m e ma n a l y s i s 4 塑型查兰堡主笙苎 l 绪论 1 1 液压支架设计的国内外现状及发展 综合机械化采煤方法是高效、安全的采煤方法，液压支架是机械化采煤 方法最重要的设备之一1 。在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板 冒落，维持一定的作业空间，保证工人安全和各项作业的正常进行，必须对 顶板进行支护。液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属结构件 组成的支护和控制顶板的设备，它实现支撑、切顶、移架和推移输送机等 整套工序。随着综采技术的发展，对液压支架设计提出更高的要求，既要保 证完善的性能和高的可靠性，又要尽可能的减轻重量”。在传统的产品设计 与开发中，一般在完成概念设计、方案论证和产品设计后，还要样机试制及 验证式压架，进行强度和寿命试验。 1 1 1 国外发展现状 对于综采设备液压支架的研究，目前英国、澳大利亚和德国等采矿行业 发达的国家进行得较多，尤其是德国在这一领域的研究比较突出。德国d b t 公司生产的液压支架在国际市场具有竞争力，支架设计通过运动学仿真和有 限元分析，对其四连杆机构进行优化完善，推出定使用高度支架的成熟架 型。这类架型的使用高度在只适合某一范围内，有很大的局限性，而在设计 中，注重液压支架的电液控制技术和高强度板材的使用。 1 1 2 国内发展现状 由于我国采矿业起步较晚，我国煤矿地质条件的复杂性，煤层厚度变化 范围大，有急倾斜煤层、薄煤层和特厚煤层等不同类型的可采煤层，注定了 液压支架的生产具有小批量、多品种的特点。这都要求针对各个井田的特 殊情况，设计出不同高度和不同类型的架型的支架来满足用户的需要。这就 要求生产厂家应能根据用户的需求迅速做出反应，设计生产出满足用户需求 的产品。 随着计算机辅助设计( c a d ) 技术的成熟及大规模推广应用，现液压支架 郑州大学硕士论文 的设计方法主要还是集中在二维设计上，而对于三维支架，当前的研究主要 集中在支架的三维建模、静强度有限元分析阶段”。因此迫切需要针对液压 支架的特点，建立液压支架虚拟样机系统。进行仿真参数化处理，优化设计 可以大大加快产品的开发速度。随着虚拟样机技术逐渐成熟，工程技术人员 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，模拟在现实 环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果优化系统的设计，在设计早 期确定关键的设计参数、缩短开发周期，降低成本、提高产品质量。 ( 1 ) 产品设计的数字化是企业信息化的重要内容。近年来，随着产品复杂性 的不断增长，以及企业间竞争的日趋激烈，传统的产品设计方法已经很难满足企 业当前生存和发展的需要。为了能在竞争中处于有利位置，实现产品设计数字化 势在必行。 产品设计过程本质上是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程，其中 包含了两种重要的活动：设计活动和仿真活动。因此产品设计也可以看作是一个 设计活动和仿真活动彼此交织相互作用的过程。设计活动推动信息流程向前演进， 而仿真则是验证设计结果的重要手段。随着技术的发展，仿真的重要性正在不断 加强。 ( 2 ) 设计活动与仿真活动。目前为止数字化设计技术的发展历程可以大体上划 分为以下三个阶段： a c a x 工具的广泛应用。自2 0 世纪5 0 年代开始，各种c a d c a m 工具开始出现 并逐步应用到制造业中。这些工具的应用表明制造业已经开始将利用现代信息技 术来改进传统的产品设计过程，标志着数字化设计的开始。 b 并行工程思想的提出与推行。2 0 世纪8 0 年代后期提出的并行工程是一种新的 指导产品开发的哲理，是在现代信息技术的支持下对传统的产品开发方式的一种 根本性改进。p d m ( 产品数据管理) 技术及d f x ( 如d f m 、d f a 等) 技术是并行 工程思想在产品设计阶段的具体体现。 c 虚拟样机技术。随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越 来越广泛而深刻，由原先的局部应用( 单领域、单点) 逐步扩展到系统应用( 多 郑州大学硕士论文 领域、全生命周期) 。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。 虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域c a x 仍f x 技 术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合先进建模仿真技术、现代信息技术、 先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全 系统，并对它们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系 统的观点、涉及产品全生命周期、支持对产品的全方位测试、分析与评估、强调 不同领域的虚拟化的协同设计。虚拟样机技术充分体现了产品设计过程，全面突 出了仿真的重要性m 1 。 虚拟样机技术的实施是一个渐进的过程，其中涉及到许多相关技术，如总体 技术、多领域协同建模、仿真、评估技术、数据、过程管理技术和支撑框架技术 等等。 下面主要提出三个关键技术： 虚拟样机管理技术。虚拟样机开发过程中涉及到大量的人员、工具、数据模 型、项目，流程，对这些元素进行合理的组织和管理，使其构成一个高效的系统， 实现整个开发过程中的信息集成和过程集成，是优质成功的进行虚拟样机开发的 必要条件。 协同仿真技术。协同仿真技术将面向不同学科的仿真工具结合起来构成统一 的仿真系统，可以充分发挥仿真工具各自的优势，同时还可以加强不同领域开发 人员之间的协调与合作。目前h l a 规范已经成为协同仿真的重要国际标准。基于 h l a 的协同仿真技术也将会成为虚拟样机技术的研究热点之一。 多学科设计优化技术( m d o ) 。复杂产品的设计优化问题可能包括多个优化 目标和分属不同学科的约束条件。现代的m b o 技术为解决学科间的冲突，寻求系 统的全局最优解提供了可行的技术途径。目前m d o 技术在国外已经有了许多成功 的案例，并出现了相关的商用软件，典型的如e n g i n e o u s 公司的i s i g h t 。国内关于 m d o 技术的研究和应用也已经展开“1 。 纵观数字化设计技术的发展历程可以看出，虽然几十年来各种技术思想层出 不穷，但时空两个方向上的协同始终是发展的主流。宏观上看，数字化设计的发 郑卅i 大学硕士论文 展历程正相当于现代信息技术在产品设计领域中的应用由点发展为线，再由线发 展为面的过程。仿真的广泛应用正在成为当前数字化设计技术发展的主要趋势。 随着虚拟样机概念的提出，使得仿真技术的应用更加趋于协同化和系统化。开展 关于虚拟样机及其关键技术的研究，必将提高企业的自主设计开发能力，推动企 业的信息化进程。 1 2 液压支架设计的主要关键技术 液压支架是综采设备的主要设备之一，近1 0 年来主要发展趋势是向两柱掩护 式和四柱支撑掩护式架型发展，合理的四连杆机构的设计，设计参数向高工作阻 力、大中心距( 1 7 5 m 、2 鳓发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材；液压支 架另一关键技术是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁( 或微电机) 控制的先导 阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由的微处理技术，红外遥感技术等现 代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，支架循环时 间达到8 s 以内n 1 。还可以配合采煤机的煤岩识别系统等先进技术，可实现工作面 自动控制。 1 3 虚拟样机技术在液压支架设计中的应用 在研究液压支架运动性能时，支架动力学研究对象的建模分析与求解，是一 个关键问题。液压支架使用条件是一个复杂环境的相互作用，给液压支架系统力 学研究带来了很大困难，由于理论方法和计算手段的限制，该领域发展缓慢。许 多情况下把模型进行大量简化，以便使问题能够用古典力学的方法人工求解，这 导致了液压支架许多重要特性无法得到精确的定量分析”。计算机技术的迅速发 展使在处理上述问题方面产生了质的飞跃。 8 0 年代初，不仅有许多通用多体软件可以对液压支架系统进行分析和计算， 而且还有各种针对某一类问题的专用多体软件，研究的范围从局部结构到整架系 统，涉及系统动力学方方面面。国外各主要生产厂家和研究机构在其c a d 系统中 均安装了多体系统动力学分析软件，并与有限元模态分析优化等软件一起构成一 塑型盔鲎堡主堡塞 个完整的设计系统。国内从1 9 8 7 年开始自行开发了液压支架整体性能分析，这标 志液压支架研究水平有了新的层次发展，人们采用各种有效的方法将柔性体的力 学效应并入多体动力学方程中进行分析和求解，这些方法中既有探索直接建立和 求解刚柔混合的多体系统动力学方程的方法，也有采用现有的多刚体系统动力学 软件来近似对多柔体系统进行分析的方法。 从整个液压支架c a e 的角度来说，液压支架多体系统分析可完成三项任务： ( 1 ) 对直接设计的系统进行性能预测 f 2 ) 对已有的系统进行性能测试评估 ( 3 ) 对原有的设计进行改进分析的范围包括运动分析、静态分析、准静态分析、动 态分析。 1 4 课题研究的目的和意义 本课题主要是围绕液压支架四连杆机构优化设计展开的，主要研究内容可以 归纳为以下几个方面： ( 1 ) 分析和介绍了液压支架建立数字化模型，并探讨了c a d c a e c a m 模型间 的数据交换。 ( 2 ) 利用所建立的多体系统动力学模型进行该型液压支架四连杆机构的多方案 运动学分析，确定了四连杆机构运动轨迹的具体改进设计方案，并对连杆受力状 态进行了优化设计。 ( 3 ) 在优化设计的基础上建立了液压支架的三维模型，通过修改数字化模型得 到了新液压支架的动力学分析模型。利用多体系统动力学模型的分析结果，指导 进一步的改进设计。对该改进设计关系比较密切的有关零部件通过修改数字化模 型的相应特征，直接得到了用于指导生产的数模并利用有限元分析软件进行了改 进后的四连杆机构的模态分析和四连秆机构强度校核。 ( 4 ) 完成对原液压支架关键零部件数字化模型修改与改进，并进行改进后四连 杆机构的模态分析，以及关键零部件的有限元强度分析，为实际该液压支架的生 产提供可靠保证。 郑州大学硕士论文 本课题的研究意义在于： ( 1 ) 消化吸收了多体系统动力学分析软件a d a m s 掌握了多体系统动力 学建模的思想和一般过程，为以后的软件使用人员总结了经验，也为日后的 研究工作奠定了基础： ( 2 ) 利用多体系统动力学技术应用于所建立的液压支架数字化模型，对整 台支架进行了详尽的仿真分析。提出了针对该型液压支架的适用设计并进行 了零部件的强度分析。 1 5 课题研究的主要内容及关键技术 本课题以某种类型液压支架为例，在三维软件中建立起液压支架的三维 实体模型，使用虚拟样机技术( 采用多体系统动力学分析软件a d a m s ) 建 立液压支架的虚拟样机系统，完成该虚拟样机系统的性能仿真，并进行优化 设计，提出一套合理的液压支架系统参数。课题研究为液压支架系统的设计 提供了一套较为完整的现代设计方法。 主要研究内容包括： ( 1 ) 在三维软件中建立起液压支架零部件的三维实体模型； ( 2 ) 在a d a m s 系统中建立液压支架的多体系统动力学模型； ( 3 ) 完成液压支架机构的特性分析； ( 4 ) 完成关键零部件的有限元分析与校核。 1 2 郑州大学硕士论文 2 多体系统动力学与有限元分析 2 1 多体系统动力学简介 多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔系统动力学，是研究多体系统 ( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体系统动 力学是在经典力学基础上发展起来的，与车辆设计、航天器控制、机器人学、机 械动力学等领域密切相关，是起着重要作用的新的力学分支“”。 随着近几十年来对机械系统的高性能高精确度的设计，要求不断的提升，加 之高速度高性能计算机的发展和计算方法的成熟，多体系统动力学已由早期的多 刚体系统动力学发展为多柔体系统动力学。 多柔体系统动力学是分析力学、连续介质力学、多刚体系统动力学、结构动 力学等多学科交叉发展的必然结果。这门边缘学科以当代航天事业的发展为标志， 所要研究的问题囊括了宏观世界机械运动的主要问题。多柔体系统不同于多刚体 系统，它包含了柔性部件，变形不可忽略，其逆运动学，具有不确定性。它与结 构力学不同，部件在自身变形运动的同时，在空间中经历着大的刚性移动和转动， 刚性运动和变形运动相互影响、强烈耦合，与一般系统不同，它是个时变高度、 耦合高度非线性的复杂系统5 ”。这就决定了其理论和方法有着自己的独特性。 2 1 1 多刚体系统动力学研究方法 以欧拉l e u l e r ( 1 7 0 7 1 7 8 3 ) 为代表的经典刚体动力学已有二百多年的历史， 两个世纪以来，经典刚体动力学在天体运动研究陀螺理论及简单机构的定点运动 研究等方面，取得了众多的成果。但由于现代工程技术中大多数实际问题的对象 是由多个物体组成的复杂系统，要对它们进行运动学和动力学分析仅靠古典的理 论和方法已很难解决，迫切地需要发展新的理论来完成这个任务。六十年代未至 七十年代初，美国的r e 罗伯森、t r 凯恩、联邦德国的j 维登伯格、苏联的e n 波波夫等人先后提出了各自的方法，来解决这些复杂系统的动力学问题。他们的 方法虽各不相同，但有一个共同的特点，所推导出的数学模型都适用于计算机进 行建模和计算。于是，将古典的刚体力学、分析力学与现代计算机技术相结合的 郑州大学硕士论文 力学新分支多刚体系统动力学诞生了。多刚体系统动力学中有下述几种研究 方法：图论方法、凯恩方法、旋量方法、最大数量坐标法和变分方法。 多刚体系统动力学虽发展成许多方法体系，但它们的共同点是采用程式化的 方法，利用计算机解决复杂力学系统的分析与综合问题。由于建模、分析、综合 都是由计算机完成的这给多刚体系统动力学理论带来了很多优点： ( 1 ) 适用对象广泛。由于多刚体系统动力学是由计算机按程式化方法自动建模 和分析，并且只要输入少量信息就可以对多种结构及多种联接方式的系统进行计 算。因此其通用性强。同一程序可对各类复杂系统进行分析； ( 2 ) 可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础 上的，因此即可做力学系统的微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这 更符合系统的实际运动状况，并且给研究非线性问题带来很大方便，能够使计算 结果更精确。 ( 3 ) 模型精度高。多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考 虑推导公式的难易程度。所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂 的三维空间模型“”。 2 1 2 柔性多体系统动力学研究方法 随着工程技术的发展，许多机械系统的机械部件采用了更轻更柔的材料，而 且有些部件的运转速度很高；另一方面为了缓和冲击和振动在各构件之间的连接 部位，也采用了大量的柔性材料。在研究多体系统的动态特性时这些柔性材料的 影响越来越引起人们的关注，多柔体系统动力学已成为近十几年来在应用力学方 面最活跃的领域之一。多柔体动力学是多刚体动力学的自然延伸，多柔体系统动 力学在多刚体分析基础上进一步考虑运动构件的变形影响，这使得系统的运动自 由度大大增加，运动学和动力学关系更加复杂，同时柔体变形也使得多刚体分析 中的一些常量如惯量发生了变化。 对于柔性多体系统自2 0 世纪8 0 年代后在建模方法上渐趋成熟，从计算多体 系统动力学角度看，柔性多体系统动力学的数学模型首先应该和多刚体系统与结 构动力学有一定的兼容性。当系统中的柔性体变形可以不计时，即退化为多刚体 郑州大学硕士论文 系统；当部件间的大范围运动不存在时，即退化为结构动力学问题。其次，由于 结构动力学已发展得相当完善，导出的柔性多体系统动力学方程中应该充分利用 该领域的成果与软件的输出信息。 柔性多体系统不存在连体基，通常选定一浮动坐标系，描述物体的大范围运 动，物体的弹性变形将相对该坐标系定义。根据上述建模观点，弹性体相对于浮 动坐标系的离散，将采用有限单元法与现代模态综合分析方法。在用集中质量有 限单元法或一致质量有限单元法处理弹性体时，采用结点坐标来描述弹性变形； 在用正则模态或动态子结构等模态分析方法处理弹性体时，采用模态坐标描述弹 性变形。这就是莱肯斯首先提出的描述柔性多体系统的混合坐标方法。考虑到多 刚体系统的两种流派，在柔性多体系统动力学中也相应提出两种混合坐标，即浮 动坐标系的拉格朗日坐标加弹性坐标与浮动坐标系的笛卡尔坐标加弹性坐标。 与多刚体系统动力学理论一样，多柔体系统动力学的研究也方法众多。主要 有柔性体离散化方法与集成柔性体模态、分析结果的模态集成法，以及美国学者 a a s h a b a i l a 提出的形函数法。 ( 1 1 离散化方法 从本质上来说，采用离散化方法建立柔体模型其理论方法与刚体建模是一致 的。即在刚体动力学的基础上将一个刚体分为若干段，每段之间采用力元约束即 得到离散化柔体模型。 ( 2 ) 模态集成法 模态集成法建立柔性体是将柔性体看作是有限元模型的节点集合，相对于局 部坐标系有小的线性变形，而此，局部坐标系做大的非线性整体平动和转动每个 节点的线性，局部运动近似为模态振型或模态振型向量的线性叠加。 ( 3 ) 形函数法 该方法是美国学者a a s 1 a b a i l a 在d y l l 缸n i c so f m u l t i b o d ys y s t e m 一书中 提出的，虽然该书没有明确表述“形函数法”的概念，但根据该书创造性地引入 形函数，描述多体系统中的变形体的思想，可以将该研究方法称为“形函数法”。 多柔体系统运动的描述方式按选取参考系的不同，可分为绝对描述和相对描 郑州大学硕士论文 述两种类型。绝对描述是在指定某一个惯性参考系后，系统中每一个物体在每一 时刻的位形都在此惯性参考系中确定，而相对描述是对每一个物体都按某种方式 选定个，动参考系物体的位形是相对于自己的动参考系确定的2 9 1 3 ”。a d a m s 软件采用了这种方法。通常，这些动参考系是非惯性的。 2 2 多体系统动力学分析软件a d 舢s 机械系统分析软件a d a m s ( a u t 眦撕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 ) 是世界上应用最为权威的机械系统动力学仿真分析软件。用户利用a d a m s 软件 可以建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动性能。 目前，a d a m s 软件在汽车航天等领域得到广泛的应用。利用a d a m s 软件用户， 可以快速方便地创建完全参数化的机械系统几何模型，该模型可以是在a d a m s 软件中直接建造的简化几何模型，也可以是从其它c a d 软件中传递过来的造型逼 真的几何模型。然后在几何模型上施加力力矩和运动激励，最后执行一组与实际 状况十分接近的运动仿真测试得到实际机械系统工作过程的运动仿真。a d a m s 软件是美国学者c h a c e 等人利用多刚体动力学理论，选取系统内每个刚体的质心 在惯性参考系中的三个直角坐标和反映刚体方位的欧拉角为广义坐标编制的计算 程序。a d a m s 软件中应用了g e a r 等解决刚性积分问题的算法，并采用稀疏矩阵 技术提高了计算效率。 a d a m s 软件采用虚拟样机技术将多体动力学的建模方法与大位移非线性分 析求解功能相结合，并提供与其它c a e 软件如控制分析软件m a t r i x x 、有限元分 析软件c o s m o s 等的集成模块扩展设计手段“”。 2 3 有限元分析软件c o s m o s 美国s t n l c 劬髓lr e s e a r c h 蚰d a n a l y s i sc o r p o r a 廿o n ( 简称s r a c ) 在1 9 9 3 年推出 适用于主流计算机系统上的有限元分析软件c o s m o s 摩f e 。该分析软件可以减少 建构实体模型的次数，在制造高质量产品的过程中，良好地运用分析软件必定可 以缩短产品的开发时间和减少人员成本。时至今日，计算机辅助工程( c a e ) 在 郑州大学硕士论文 产业中肩负着五大使命： ( 1 ) 缩短设计所需的时间和降低设计成本： ( 2 ) 在精确的分析结果下制造出高质量的产品； ( 3 ) 能够快速的对设计变更做出反应； ( 4 ) 能充分的和c a d 结合并对不同类型的问题进行分析； ( 5 ) 能够精确的预测出产品的性能。 有限元分析软件c o s m o s f f e 以p a r a s o l i d 为几何核心，以w i n d o w s 视窗界面为平 台，提供了操作简便的友好界面。包含实体建构能力的前、后处理器等。在传统 有限元分析的数值计算方法之中，有直接计算法( d i r e c t s o l v e r ) 与迭代法( i t e r a t i v e ) 两种。由于在过去的经验中，迭代法一直无法直接而有效的保证数值计算的收敛 性，因此，直接计算法在多数有限元素分析软件中，仍然是一种主流的计算方法。 c o s m 0 s 采用了快速有限元算法( f f e ) ，最近测试表明，快速有限元算法( f f e ) 提升了传统算法5 0 1 0 0 倍的解题速度，并降低磁盘储存空间，只需原来的5 就够 了；更重要的是，它在微机上就可以解决复杂的分析问题，节省使用者在硬件上 的投资m 1 。 c o s m o s 产品的功能相当齐全，现在已经成为有限元分析市场上最成熟的分 析产品之一，其完整的分析能力可解决绝大部分工程界的问题。 2 4 数字化模型的概念 近年来并行工程的概念在工程应用中受到广泛重视，按照并行工程概念组织 产品的设计到生产可以实现优化的系统设计，而不是优化的零部件设计。机械系 统仿真分析( m s s ) 技术将分散的零部件设计和分析技术( 如c a d 和f e a 技术) 揉 合在一起，提供了一个更全面的了解产品工作性能的方法，从而真正实现并行了 工程设计要求。数字化模型的应用体现这重要思路。1 9 9 4 年4 月美国波音飞机 公司向世界展示了2 0 世纪最大的双发运输机7 7 7 ，他们充分利用了高效的数字化设 计和先进制造技术使波音运输机成为最强的竞争者。在汽车制造业领域，数字化 设计与制造的应用也日益广泛，通用汽车公司是第一家利用数字化模型指导新产 1 7 郑卅大学硕十论文 品开发的公司。数字化模型就是利用c a d c a e c a m 集成技术对产品进行百分 之百的数字化定义。 数字化模型所体现出来的优点是可以建立系统各零部件的三维实体模型，并 可方便地在计算机上进行装配来检查零部件间的干涉和配合不协调情况，可准确 地进行质量受力和应力的分析。零件几何的可视化，便于设计和制造人员从美学 角度理解零件的构造，方便地从实体模型中提取它的截面图，便于数据加工的程 序设计，可以很方便地对各子系统或整个系统的使用性能进行预测分析并可以根 据分析结果直接对零部件或系统进行改进设计“”。 数字化模型的概念与虚拟制造v i 咖a lm a n u 加t 血n g ( v m ) 是密不可分的，虚 拟制造按其所研究侧重点的不同，可将其分为以设计为中心的v m 、以生产为中 心的v m 、以控制为中心的v m 等三大类。本文所论及的主要体现在以设计为中 心的v m 方面主要研究数字化模型，在系统性能分析方面的应用情况。 郑卅大学硕士论文 3 液压支架数字化模型分析 实现c a d ，c a m ，c a e 技术的集成，关键在于建立统一的产品模型或者开发基 于产品模型的c a d 系统。在数字化分析模型的准备阶段，首先应考虑的是基于某 一种或某几种c a d c a m ，c a e 建模系统，建立整个系统的三维数字化模型，然后 利用多体系统动力学和有限元技术对该系统进行性能分析，研究最后分析结果。 在原有三维数字化模型的基础上，通过修改特定的特征来完成产品的改型和重新 设计。数字化分析模型的优势体现在产品的整个生命周期，尤其是在初始设计开 发阶段采用虚拟样机技术，可以很方便地完成样机的设计性能预测分析以及改进 设计。本课题就是研究某型液压支架四连杆机构的优化设计，探讨对数字化分析 模型的建立，分析建立数字化分析模型的准备工作，主要包括模型参数的获取和 各类型数字模型间的参数传递。 3 1 数字化分析模型的参数类型及确定 建立多体系统动力学分析模型参数量大、精度要求高，准备工作量大，所需 的参数主要可划分为四类尺寸：几何定位参数、质量特性参数、质量质心与转动 惯量等力学特性参数、刚度阻尼等特性与外界参数道路谱等，其中的尺寸参数和 大部分的质量特性参数可以通过建立三维数字模型得到，其它参数还需要其他手 段获取。参数的获得方法主要有查阅法试验法、计算法、c a d 建模法等。根据实 际情况，本课题对某型液压支架四连杆机构数字化分析模型的参数获取分析如下。 3 1 1 尺寸参数 尺寸参数主要指四连杆机构的几何定位参数，是应用多体系统动力学理论建 立四连杆机构运动学模型和动力学模型的依据。对于四连杆机构结构型式，在模 型中输入了四连杆机构各运动部件之间的安装连接位置等参数，这些参数决定了 四连杆机构各运动部件的空间运动关系、参数的变化规律等“1 。液压支架四连杆 机构尺寸参数是指四连秆机构各定位点的三维坐标尺寸参数，可以通过四连杆机 构作图法获取，如四连杆机构就包括了分析四连杆机构运动特性的几乎所有参数。 1 9 郑州大学硕士论文 应该注意的是各运动部件的相对连接位置应在统一的液压支架参考坐标系中测 量。本课题数字化模型的尺寸参数主要是从利用c a d c a m c a e 软件所建立的三 维实体模型中获取的。如图2 1 ，有了尺寸参数就可以建立四连杆机构的运动学模 型，并分析其运动特性。 卜一前连杆2 一后连杆；3 底座；4 掩护梁；5 一项梁；6 一立柱；7 一平衡千斤顶 图3 1 液压支架虚拟样机模型 3 1 2 质量特性参数 在机械振动系统中，系统本身的质量、质心、转动惯量等决定了系统的特性。 同样，在分析液压支架四连杆机构动力学时，液压支架及各零部件的质量质心转 动惯量等参数，共同决定了支架的性能。通常情况下，质量特性参数由各个运动 部件的质量、质心、转动惯量等参数组成，其中质心转动惯量等与测量时选取的 参考坐标有关，而利用c a d ，c a e 一体化技术就避免了坐标的选择可能带来的问题。 通过c a d 与c a e 之问的参数传递，用于c a e 分析的各参数，真实她反映了实际 情况。需要注意实际零部件与多体系统动力学意义上运动部件的差别，在多体系 统动力学中只要在运动过程中时刻具有相同的运动轨迹并具有特定的联系，如通 过各种方法固定在一起的零部件，就作为一个运动部件。 运动部件的质心与转动惯量的参数查取可以通过称重计算实验等方法获得， c a d 技术的发展提供了测量运动部件质心与转动惯量的新方法。在目前市场领先 郑州大学硕士论文 的三维实体建模c a d 软件中，c a n a 、i d l ! a s 、u g 、p r o ，e n g i n e e r 等软件都具 有在指定参考坐标系中分析零部件及零部件总成的质心与转动惯量的功能。本课 题是利用s o l i d e d g e 软件建立三维实体模型，针对所关心的运动部件对其输入相 应的材料特性，通过计算即可得到它们的相关质量特性参数。 3 1 3 力学特性参数 力学特性参数指零部件或系统的刚度阻尼等特性。由于四连杆机构在液压支 架大量使用，具有规范运动轨迹特性，零部件如钢板弹簧元件等这些部件具有复 杂的力学特性，而这些零部件的特性对液压支架的各项性能，特别是受力等具有 决定性影响。所以，有必要在模型中对其进行较详尽的考虑四连杆机构有关零部 件的刚度阻尼等特性。为了使模型较好地反映系统的实际情况，需要对液压支架 尤其是四连杆机构静刚度动刚度和损耗因子进行有效的测量和计算，静刚度、动 刚度和损耗因子的测量可在高频电液伺服激振系统上进行d 2 3 ”。 3 1 4 外界参数 液压支架的使用环境是进行液压支架动力学仿真的外界条件，这些外界条件 众多，如液压支架在实际使用中受力不均等力学性能的外界因素。 综上所述相关参数的获取是一项很繁重的工作，但由于模型参数的完备准确 与否直接关系到仿真分析结果的精度和可信度，所以模型参数的获得显得尤为重 要。本课题在参数的准备方面做了大量的工作为下面的仿真分析奠定了良好的基 础。 从架型的结构特点来看，由于架型不同，它的支撑力分布和作用也不同：从 项板条件来看，由于直接顶类别和老顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同。 所以合理选择架型，要对支架的支撑力与承载的关系进行分析，使支架的支撑 力能适应顶板的载荷的要求“”。 ( 1 ) 支架的高度 支架的高度确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化 等因素来确定，其最大与最小高度为： h m h m 十s i 郑州大学硕士论文 h n h n s 2 - a - 6a 式中h 。一支架最大高度； h 。支架最小高度； h 。煤层最大厚度； h n 一煤层最小厚度； s ，考虑伪顶、煤层冒落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度，一般取2 0 0 3 0 0 m m ： s 2 顶板最大下沉量，一般取1 0 0 2 0 0 m m ； a 移架时支架的最小可缩量，一般取5 0 唧； 6 。浮矸石、浮煤厚度，一般取5 0 m m ； ( 2 ) 底座长度 底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时， 应考虑如下几个方面：支架对底板的接触比压要小：支架内部应有足够的空间用于 安装立柱、推移装置和其他辅助装置：便于人员操作和行走；保证支架的稳定性。 通常，掩护梁支架的底座取3 5 倍的移架步距。 ( 3 ) 支架间距 支架间距就是相邻架的中心距离，因支架的推移千斤顶与工作面输送机的一节 溜槽相连，目前主要根据输送机溜槽的每节长度来确定，我国输送机溜槽的每节长 度一般有1 2 5 m 、1 5 m 、1 7 5 m 、2 m 四种形式。 3 2 数字模型间的数据传递 基于c a d c 6 心倒c a e 软件建立三维数字模型是建立数字化分析模型的基础， 它的重要性主要体现在利用多体系统动力学对系统进行分析研究中，系统各部件 的质量等特性对仿真结果影响很大。以前的仿真主要是通过测试或计算的方法得 到各运动部件的质量参数，然后输入到多体系统动力学模型中来，过程繁琐，得 到的质量参数也不太理想。采用c a d c a m c a e 软件建立系统的三维实体数字模 型，首先以各个运动部件的形式先将零部件合并装配，然后将模型转换为a d a m s 郑州大学硕士论文 软件可调用的特定格式数据文件。然后利用c a d c a m c a e 软件与a d a m s 软件 之间的数据接口文件将三维模型传递到a d a m s 软件中去之后，输入各运动部件 的密度等必要参数，就可以直接得到各运动部件的质量质心与转动惯量等质量参 数。 a d a m s 软件提供了比较完备的接口功能。目前可以和二维绘图软件( 如a u t o c a d ) 、有限元分析软件( 如a n s y s 和c o s m o s w o r k s ) 、机构运动学分析软件( 如 m o t i o n w j r k s ，s u a l n a s 打a nd e s k t op c o g m o s m o t i o n 等) 、三维建模软件( 如p r o e ， s o l i d e d g ) 、产品寿命评估软件( 如d e s i g ns p a c e ) 以及产品数据管理( p r o d u c td a t a m a n a g e r - p d m ) 等软件实现无缝兼容。 利用a d a m s ，e x c h a l l g e 模块，可以通过的数据接口文件将c a d 模型传递到 a d a m s 中可以采用的数据格式有基本图形转换规范i g e s 和产品数据转换规范 s t e p ，以及p m s o l i d 和r e n d e r 等，其中导入i g e s 格式的文件时可将其指定给特 定的p a r t 并有精度等属性，可以修改缺点，它是以三角形和矩形来对物体进行 描述的不支持体积信息r c n d e r 格式，有质量信息但没有特征，较i g e s 和s t e p 格 式更为可靠。a d a m s 对p a r a s o l i