（车辆工程专业论文）基于虚拟样机的拉臂车工作装置机械—液压优化设计研究.pdf

摘要 摘要 垃圾处理工作是环境保护与绿化事业的重点，与人民生活密切相关。本文以某 公司生产的拉臂车车载工作装置为研究对象，对其进行了机构运动分析和受力分析， 通过虚拟样机技术，建立了拉臂车工作装置的虚拟样机模型，进行了机械液压联合 仿真及优化分析。 论文介绍了拉臂车工作装置的结构及工作原理，分别建立了拉臂车工作装置的 机械子系统模型和液压子系统模型，成功地将多体动力学分析软件应用于拉臂车工 作装置的设计过程中，并且运用a d a m s h y d r a u l i c s 模块进行了机械液压联合仿真， 得到了拉臂钩头、举升油缸活塞与拉臂连接铰链、拉臂与副车架连接铰链和举升油 缸与副车架连接铰链的受力曲线及不同箱体重量情况下的拉臂钩头、举升油缸活塞 与拉臂连接铰链的最大作用力。基于a d a m s 集成的优化算法，以工作装置液压缸 作用力最小为优化目标，对机构中各铰接点位置进行了优化计算，从而使工作装置 的结构更合理。 论文研究成果不但可以为拉臂车的研制与开发提供参考依据，加快产品的开发 速度，实现用户产品的定制，还可以提高拉臂车的产品质量，对提高专用汽车企业 的技术水平与市场占有力及在国内外市场的竞争能力等方面，具有重要的现实意义 和巨大的经济效益。 关键词：拉臂车；工作装置；虚拟样机；联合仿真；优化 一a b s t r a c t t od e a l 、柝mt r a s hi sa ni m p o r t a n tt a s ki ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dr e f o r e s t a t i o n , w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e d 、析t l lp e o p l e sl i f e i nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n gd e v i c ew a ss t u d i e d i nk i n e m a t i ca n dd y n a m i cw a y s ，a n dv i r t u a lp r o t o t y p ew a se s t a b l i s h e dt oc a r r yo u tt h e m e c h a n i c a l - h y d r a u l i cc o - s i m u l a t i o n t l l i st h e s i sm a d ea l li n t r o d u c t i o no ft h ew o r k i n gd e v i c es t m c t u 陀a n di t sw o r k i n g p r i n c i p l e f i r s t l y , t h em e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cm o d e lw e r es e tu pt oc o m b i n ec a d m o d e l i n gs o f b v a r ea n dm u l t i d y n a m i c ss o f t w a r ei n t ot h ed e s i g no fh o o k l i f iw o r k i n g d e v i c e s e c o n d l y , ac o - s i m u l a t i o nw a sd o n eu s i n gt h ea d a m s h y d r a u l i c sm o d u l et o o b t a i nt h ef o r c e so fd i f f e r e n tc r i t i c a lp a r t sa n dj o i n t sw i t l lv a r i e dl o a d s t h i r d l y , t h e o p t i m i z a t i o nw a sm a d e ，b a s e do nt h ea d a m si m b e d d e da l g o r i t h m , w i t ht h ec y l i n d e r f o r c ea st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，t h u sm a k i n gt h es t r u c t u r em o r er e a s o n a b l e 1 1 1 er e s u l t so ft h i sp a p e rc a nb er e g a r d e da sar e f e r e n c ei nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fh o o k l i f is ot h a ti tc a l ls p e e du pt h ep r o d u c td e v e l o p m e n ta n dr e a l i z et h e c u s t o m i z e dp r o d u c t i o n i tc a na l s oi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y t h u s ，i th a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt r e m e n d o u se c o n o m i cb e n e f i t si nr a i s i n gt h et e c h n i c a ll e v e lo f s p e c i a lv e h i c l ee n t e r p r i s e ，c o m p e t i t i o nc a p a b i l i t ya n dt h em a r k e ts h a r eo fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lm a r k e t k e yw o r d s ：h o o k l i f t ；w o r k i n gd e v i c e ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；c o s i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：刁兵日期：砷- - i t - d 月旧 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，岩 年解密后适用于本声明。 不保密蟛 ( 请在以上方框内打“” ) 论文作者签名) 日期：加7 年6 月t 1 日 导师签名：乒研莎日期：跏；年厂月，f 日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 第一幸【苦 1 1 课题的提出及意义 第一章引言 随着社会经济的不断发展，人民生活水平的提高，物质需求的增长，环卫部门 需要处理的垃圾数量和利- 类都日盏增多，社会的进步对环卫工作的要求也越来越高。 垃圾的处理包括垃圾的收集、运输及最终处理，其中垃圾运输足重要的一环。如果 运输工具选择不慎，会在运输过程l 卡l 产生泄漏、废气等污染，严重影响垃圾处理工 作及城市环境”。j 。 拉臂车是一种箱体可卸式的垃圾转运车辆，其车载工作装置通过连杆机构实现 箱体自动装卸和垃圾倾卸的功能。由于这种车辆工作效率比较高，因此被广泛用于 多种货物的箱体装、运、卸服务。图1l 、图1 2 所示分别为园外某公司的拉臂车产 品。其工作原理是在垃圾中转站，利用拉臂车的车载工作装置，将垃圾集装箱拉上 垃圾车，然后运往垃圾处理点进行卸料。卸料时不需要卸下垃圾集装箱，直接将集 装箱推起、倾斜，倒出其中的垃圾。清空后，垃圾车直接把空的集装箱运回垃圾中 转站。其特点是操作简便、工作效率高、机动性能好、车厢密封性好、运输垃圾量 大、不易污染环境、适用于采用垃圾集中收集方式的垃圾处理系统中p 】。 图1 1 箱体装卸图1 2 垃圾倾卸 自上个世纪末，国家逐渐蕈视环卫工作，促使坷、卫车辆的牛产企业、研发机构 变得越来越多，这蝤企业通过均买产品等途径，首先引进围外比较先进的技术，然 后加以消化、吸收，并牛产出适合国内市场的产品，极大缩短了国产环卫车辆的研 发周期，提高了环卫车辆的技术水平。仙与国外成熟的产品相比运业j 家技术力 大多并不强，产，铺设、研发能力棚对阁外略有h ；足，“品的设计也：1 ：要足摹于 旧外避l j 牟的模仿进行的，园此，我国生产的拉臂车存在可靠性低、笨重、车辆载 重能力利用率低等缺点，更缺乏具有自主知识产权和概念创新的产品h i 。 青岛大学硕士学位论文 目前，对拉臂车工作装置的分析，常常将机械、液压作为两个独立的单元进行 研究，不能体现出机械系统与液压系统的相互影响。近年来，虚拟样机技术作为一 种新兴的设计手段，被越来越多地应用于机械产品系统设计与性能研究。利用虚拟 样机技术集成化的特点，可以将机械、液压各子系统集成为一个复合系统进行联合 仿真，解决了机械系统和液压系统之间的相互影响问题。在产品设计阶段，工程师 在计算机里建立虚拟样机模型，用数字化形式代替传统的物理样机，并在实际工况 下，对模型进行动态仿真和功能分析，进而改进样机的设计方案。利用虚拟样机技 术，不仅大大地缩短了产品的开发周期，降低了工程测试和制造费用，更简化了机 械产品的设计、开发过程，明显提高了产品的质量以及系统性能，获得最优化和创 新的设计产品i 孓1 叭。 本课题拟采用虚拟样机技术建立能够客观、真实地反映拉臂车车载工作装置的 虚拟样机模型，通过建立工作装置机械模型和液压模型，并进行机械液压联合仿真， 获得其运动学、动力学性能。在此基础上对工作装置关键点的位置进行优化设计。 这样不但可以为拉臂车的研制与开发提供参考依据，加快产品的开发速度，实现用 户产品的定制，还可以提高拉臂车的产品质量，对提高专用汽车企业的技术水平与 市场占有率及在国内外市场的竞争能力等方面，具有重要的社会意义和巨大的经济 效益 1 2 拉臂车的国内外研究现状 国外对拉臂车的研究较早，如芬兰百特科集团已经有1 0 4 年的历史，一些大的 垃圾车制造公司已经能生产出技术成熟的拉臂车产品，如芬兰的百特科货运装卸技 术公司、美国的s t e l u 撮公司、荷兰的海沃( h “) 及德国的0 1 o 等公司生 产的液压拉臂车系列涵盖了装载能力从2 吨至4 0 吨的数十种型号，被广泛应用在市 政、建筑公司和废弃物处理回收等行业。 我国拉臂车在装卸能力、安全系统、材料及快速作业等方面都不如国外同类产 品。其原因除加工工艺落后外，主要是我国在这方面的研究还是最近十几年的事情， 因此引进国外产品进行消化吸收不仪可以节约大量的资金和时间，而且在技术上能 够实现迅速赶超。目前我国对拉臂车的研究主要集中在高校及科研单位。 同济大学机械工程学院的盛金良、李刚为改善拉臂式垃圾车的性能，以拉臂车 工作平稳性和降低液压系统压力波动为目标，建立了数学模型，并采用计算机编程 的手段对其进行优化设计，改善了工作装置的结构i l 】。 同济大学的王晓和黄宗益与上海环境科技装备有限公司合作，首次对旋转式拉 臂车进行运动学、动力学数学建模和优化设计，并与普通拉臂车的动力学特性进行 对比，有效地降低了液压缸所受的作用力，减少了卸料作业过程中箱体的倾斜角度， 2 第一章引言 使其综合性能得到显著提耐1 1 - - 列。 河北工程大学的王桂梅、李江波等采用多体动力学软件a d a m s 建立了垃圾运送 车拉臂系统的仿真模型，将拉臂车的性能分析和参数优选集成起来，实现了产品的 虚拟设计；针对产品生产的小批量、多品种的特点，通过参数化手段，方便地进行 模型间的切换，体现了并行设计的优势i i 3 1 。 青岛大学的刘大维、陈焕明等针对拉臂车工作装置变负载、多工况的工作特点， 利用系统动力学仿真分析软件a d a m s 建立了机械一液压模型进行联合仿真；为得到 较为真实的动力学响应，将箱体滚轮与地面、箱体与副车架导向轮定义为非线性弹 簧一阻尼碰撞接触力约束关系，分析结果表明：机械一液压联合仿真能够有效地模 拟工作装置在装箱和举升卸料过程中油缸力和拉臂作用力的动态变化规律，为拉臂 车工作装置动态分析提供了一种有效方法【l4 1 。 广西大学的陈树勋、王海波等以拉臂式压缩垃圾车的车厢为研究对象，首先建 立垃圾厢内压缩垃圾的变密度函数，利用a d a m s 进行动力学仿真分析，求得各种实 际工况下拉臂与汽车底盘作用在车厢上的包括瞬时加速度、惯性力等在内的实际载 荷；在对拉臂式压缩垃圾车车厢进行结构有限元分析的基础上，采用以a n s y s 为分 析器的导重法对车厢结构成功地进行了优化设计，在满足结构强度要求的前提下， 使结构质量减少3l 蝌”j 。 广西大学的梁光明利用a d a m s 软件建立了拉臂机构的运动学和动力学模型进 行仿真分析，得到了拉臂机构在不同工况下的受力情况，为拉臂机构的有限元分析 提供载荷边界条件，并利用a n s y s 高效的优化计算方法，对拉臂结构进行优化迭代 计算，得出满足刚度与强度要求的结构总重量最小化的设计方案f 4 】。 长沙环卫机械研究中心的周敏介绍了5 f 拉臂车工作装置的结构和工作原理，并 对换箱工况的拉臂装置受力分析进行讨论，得到了拉臂完成换箱、倾卸动作的回转 铰支点的位置参数、拉臂换箱回转半径、拉臂油缸活塞杆端回转半径的设计原则， 及油缸安装角的取值范围1 1 6 j 。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要针对某公司研制开发的拉臂车车载工作装置的虚拟样机建模及仿真分 析开展研究工作，其主要研究内容如下： ( 1 ) 拉臂车工作装置机构运动及受力分析； ( 2 ) 基于虚拟样机软件建立拉臂车工作装置的机械子系统虚拟样机模型； ( 3 ) 基于a d a m s h y d r a u l i c s 模块建立拉臂车工作装置的液压子系统虚拟样机 模型； ( 4 ) 根据拉臂车作业情况，针对垃圾箱体重量不同，分别对拉臂车吊箱和卸料 3 青岛大学硕士学位论文 两个工况进行拉臂车工作装置机械液压联合仿真及动力学分析； ( 5 ) 采用a d a m s 集成的优化设计程序，对拉臂车工作装置各铰链点的位置参 数进行优化设计研究，为拉臂车工作装置的研制与开发提供参考依据。 4 第二章拉臂车工作装置运动学及动力学分析 第二章拉臂车工作装置运动学及动力学分析 2 1 拉臂车工作装置结构及工作原理 图2 1 为拉臂车作业工况图，其作业过程分可分为箱体装卸作业和垃圾倾卸作 业。 (a)箱体装卸(b)垃圾倾卸 图2 1拉臂车作业工况 拉臂车工作装置( 见图2 2 ) ，主要由举升油缸l 、拉臂2 、伸缩油缸3 、翻转架 4 、锁紧架5 和副车架6 等部件组成。 1 举升油缸2 拉臂3 伸缩油缸4 翻转架5 锁紧架6 副车架 图2 2 工作装置简图 整箱装卸工况中，举升油缸l 与伸缩油缸3 相互配合完成作业。装箱时，举升 油缸l 回缩将箱体提升至副车架6 水平位置，然后伸缩油缸3 伸出，箱体平移后完 全落在副车架上；箱体卸下时，伸缩油缸3 缩回，使箱体后移，然后举升油缸l 伸 青岛大学硕士学位论文 出，将箱体卸下。 垃圾倾卸时，拉臂2 与翻转架4 耦合为一体，举升油缸1 伸出倾卸箱内垃圾。 举升油缸通过铰链固定在拉臂车副车架上，活塞杆顶端与拉臂滑道铰接，操作 人员通过控制油缸收缩以达到实现垃圾集装箱装卸，举升卸料等动作的目的。 吊装垃圾集装箱操作时，垃圾集装箱放在地面上，箱体的把手距离拉臂车远而 且位置低，伸缩油缸与拉臂、拉臂滑道成刚性联接，只有举升油缸动作。举升油缸 推动拉臂，绕拉臂与车架的铰链轴转动，直至拉臂上的拉臂钩钩住垃圾集装箱的把 手，然后举升油缸收缩，垃圾集装箱被缓慢提起并被拉上垃圾车；待箱体放稳后， 举升油缸停止动作，伸缩油缸开始动作，将箱体拉向驾驶室方向，拉到规定的位置， 此时伸缩油缸停止动作。 垃圾倾卸作业时，伸缩油缸、拉臂与拉臂滑道通过液压阀锁紧固定，举升油缸 直接推动翻转架、伸缩油缸和拉臂绕拉臂滑道与车架的铰链轴定轴转动，随着箱体 被举升，卸料倾角逐渐增大，从而完成倾倒垃圾的功能。 箱体卸下的过程和装箱的过程相反，伸缩油缸先动作，将箱体推向车的尾部， 在伸缩油缸最大工作行程处停止；然后举升油缸开始动作，箱体在举升力的作用下 沿导向轮向车的尾部运动，落在地面上规定的位置放好。 2 2 拉臂车工作装置机构运动学分析 图2 3 所示为拉臂车工作装置机构运动简图。图中，坐标原点d 为拉臂滑道在工 作装置底架的铰链点，么为举升油缸在工作装置底架的铰链点：曰为举升油缸活塞杆 在拉臂滑道的铰链点；c 为拉臂上的拉臂钩。 图2 3 拉臂车工作装置机构运动简图 6 第二章拉臂车工作装置运动学及动力学分析 由图2 3 所示的几何关系可得： = 以+ g 一2 地c 。s ( 万一口一q 一 2 ( 1 ) 式中：，l 举升油缸的计算长度； ，2 撵升油缸在工作装置底架的铰链翩至坐标原点d 的距离； 厶举升油缸活塞杆在拉臂滑道的铰链点b 至坐标原点d 的距离： a 啦臂钩c 至坐标原点d 的连线与水平面的夹角； a i 举升油缸在工作装置底架的铰链点彳与坐标原点d 连线与水平面的夹 角； a 广_ 啦臂滑道与拉臂钩c 至坐标原点d 的连线的夹角。 对上式求导得： ：一1 2 1 3 s i n ( o r 了+ a i 一+ a ：) 在 2 - ( 2 ) 1 1 式中：举升油缸活塞杆伸缩速度； 在越臂绕原点d 旋转的角速度。 工作装置角速度与油缸活塞杆伸缩的速比为： ，：堡：一 ! 1 1 1 2 1 3 s i n ( a + + ) 2 ( 3 ) 2 3 拉臂车工作装置动力学分析 根据垃圾箱体被拉臂拉动时是否接触到图2 1 所示导向轮支点，可以将工作装 置分为两个工作状态。 图2 4 所示为在装箱状态一时机构受力简图，即箱体前轮被提离地面，后轮仍 图2 4 状态一时机构受力简图 7 青岛大学硕士学位论文 与地面接触。在该状态下各构件所受力为： ( 1 ) 箱体受力 = z 易 式中：易广_ 一垃圾箱体后轮与地面之间的摩擦力； 易广- 地面对垃圾箱体的法向力； _ 垃圾箱体与地面的摩擦系数。 地面对垃圾箱体的法向力砀为： 2 丽画s m 丽t z 5 g 式中：g _ _ 妨圾箱体的重力； a r 垃圾箱体对角线与铅垂线的夹角。 = a r c c o s ( 1 二一n ) ，+ ，s lc r 式中：b 卅标原点o 离地的高度； a 拉臂钩c 至坐标原点d 的连线与水平面的夹角； 4 拉臂钩c 至坐标原点d 的距离： ，6 垃圾箱体对角线长度。 1 6 = 0 e + h 2 式中：垃圾箱体高度； 卜垃圾箱体长度。 ( 2 ) 拉臂钩c 点受力 r 尼= 如 1 名= 易一g 式中：瓦广一拉臂钩对垃圾箱体作用力在水平方向上的分量； 最，广一拉臂钩对垃圾箱体作用力在垂直方向上的分量。 对d 点取矩，举升油缸对b 点的作用力为朋，有： as i n z o b a 厶= 乞s i n a ：- 瓦，4 c o s 6 r 在a o b a d ez a o b = 1 8 0 - a - a 1 一吃，同时： 1 2 ： ! ； s i nz o b as i n 么彳o b 2 一( 4 ) 2 - ( 5 ) 2 一( 6 ) 2 ( 7 ) 2 - ( 8 ) 2 - ( 9 ) 2 - ( 1 0 ) 第二章拉臂车工作装置运动学及动力学分析 带入式2 一( 9 ) 可得： 岛2 1 蕊s i 而n g 磊箭c o s 。l ，二，4 一，厶， 图2 5 所示为在装箱状态二时机构受力简图，即垃圾箱体完全离开地面， 部与导向轮接触。在该状态下各构件所受力为： 2 - ( 1 1 ) 箱体底 ， j 一 图2 5 状态二时机构受力简图 ( 1 ) 箱体受力 局：= 石乃。 式中：巳r 导向轮与垃圾箱体之间的摩擦力； 乃l 导向轮对垃圾箱体的法向力； 五箱体与导向轮的摩擦系数。 导向轮对垃圾箱体的法向力乃l 为： = 丽g 1 6 s i n a 5 式中：g - 一垃圾箱体的重力； a r 垃圾箱体对角线与铅垂线的夹角； 如垃圾箱体对角线长度； 乃垃圾箱靠上导向轮支点时底面前端到导向轮支点d 的距离： 限一垃圾箱体高度。 1 7 = c d 2 一h 2 式中：c 胁一箱体上拉臂钩c 到导向轮与箱底接触点的距离。 9 2 - ( 1 2 ) 2 - ( 1 3 ) 2 - ( 1 4 ) 青岛大学硕士学位论文 c d = ( 厶c o s 一，4c 。s 口) 2 + ( s i i l 口一，5s i n 吩) 2 。 2 ( 1 5 ) 式中：仍一导向轮d 点至坐标原点0 的连线与水平面的夹角； a 拉臂钩c 至坐标原点0 的连线与水平面的夹角； ，4 拉臂钩c 至坐标原点0 的距离； 卜导向轮支点d 至坐标原点0 的距离。 呜= 0 s ( 堕舞) 2 - ( 1 6 ) 式中：a 6 _ 箱体上拉臂钩c 至导向轮与箱底接触点连线与垂直方向的夹角。 t 。一毛c o s 口3 一厶c o s f g 2 亍_ f s u l “一岛s u l 3 2 - ( z 7 ) ( 2 ) 拉臂钩c 点受力 ，毛= 乃l c o s ( 吼+ ) + z 乃ls 衄q + ) 【名= f d ls i n ( a 4 + ) g 正乃ic o s ( + ) 2 - ( 1 8 ) 对o a 取矩，举升油缸对b 点的作用力为a ，有： p ls i n 么例，2 = 疋，4s i i l 口一蹦c 嗽 2 ( 1 9 ) 在z a o s a 9 刎= 1 8 0 一口一喁一，同时： 垒 ： 墨 s i nz o b a s i n 纠 2 - ( 2 0 ) 带入式2 - 05 ) 可得： 疋厶s i n g 一c o s q ， 胪可面赢。1 2 锄) ：眦协燮塑丛生兰堕 12c o s a l + 3c o s ( a + a 2 ) 2 ( 2 2 ) 式中：举升油缸对b 点作用力与水平面的夹角。 2 4 本章小结 本章介绍了拉臂车工作装置的结构及工作原理，并对其车载工作装置进行了机 构运动分析和受力分析，为拉臂车工作装置虚拟样机模型的建立奠定了基础。 1 0 第三章虚拟样机技术及a d a m s 简介 第三章虚拟样机技术及a d a m s 简介 3 1 虚拟样机技术 3 1 1 虚拟产品开发 1 9 9 0 年1 0 月，美国著名飞机制造商波音公司启动了一项新的飞机研制计划，之 所以是新的研制计划，是因为在整个过程中，采用了无纸化的设计理念，从飞机外 观到结构的设计，乃至整个系统的设计都是在计算机里，采用了三维数字化定义的 方式进行的，并于1 9 9 4 年6 月成功地进行了首次试飞。这款飞机就是大家熟悉的波音 7 7 7 ，它的研制开启了现代产品开发的新篇章，其采用的开发过程现在称之为虚拟产 品开发。 在激烈的市场竞争中，产品的生产逐渐呈现多品种、小批量的趋势，在这种情 况下，经过十多年的发展，虚拟产品开发已经成为企业发展极其重要的手段，著名 c a d 制造商u g 的总裁做过如下描述：虚拟产品开发以网络的方式使人们协同工作， 以完成对产品的设计、分析和制造，他们将在任何地点、任何时间独立工作。虚拟 产品开发具有以下特点： ( 1 ) 数字化方式。虚拟产品开发是真实产品在虚拟环境下的模拟，在产品开发 过程中的不同阶段，产品的都是以数字化方式存在；产品的管理也是数字化，各部 门的工作任务是以数字化方式确定和分配的；信息的交流也是数字化的，在产品的 生命周期中，设计部门内部及设计部门与制造部门的交流都是基于数字化模型的设 计，十分方便、快捷。 ( 2 ) 产品全生命周期。传统产品开发只能解决眼前的问题，对真实产品产生之 前和之后的阶段无能为力，当产品投放市场出现问题时，更是不具备预测能力，而 虚拟产品开发过程克服了这一弱点，能够将产品从研究到最终报废全部环节在计算 机上模拟出来，并且还能对性能、功能进行可视化预测、评估和优化。 ( 3 ) 网络协同。产品开发过程的复杂性，使得单一部门或公司难以胜任全部工 作，往往需要由相关单位组成一个开发网络协同工作，如波音飞机的开发，三菱、 川崎等日本几家著名大公司也承担了一部分结构设计工作，虚拟产品开发的数字化 特点是实现网络协同的前提条件。 从开发过程来看，传统的产品开发，在概念设计之后，接着是产品设计一物理 样机制造一产品测试一修改设计的循环过程，每一次修改都需要花费很多时间和经 费，而虚拟产品开发将上述过程放到计算机里进行，如图3 1 所示，不需要制造真实 样机，也不用花费很长时间来等待实物的制造，所以能够以最短的时间、最好的质 量、最低的成本实现新产品的上市i l 7 。 1 l 青岛夫学硕1 学位论文 概念 ( b ) 虚拟样机( c ) 产品 图3 1 虚拟产品开发过程 3 1 2 虚拟样机技术的基本概念 为了实现虚拟产品开发，需要有相关技术的支持，其中起核心作用的就是虚拟 样机技术。 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t t p i n gt e c h n o l o g y ) 指的是在新产品的研发和设计 进程中将整个系统细分为零散的部件，根据协同工作的原则分别在计算机r i | 建 立产品的数字化模型，然后采用先进的分析技术，对该产品在实际使用中的各种使 用条件，进行模拟仿真和性能分析，评估产品的整体性能，进而提高新产品的设计 质量、生产质量，缩短开发时间的一种新技术i l ”。 在传统的产品开发和制造水平下，新产品的问世，首先要经过产品概念设计和 方案讨论。然后进入产品的设计阶段。在完成了产品的初期设计之后，为了检验设 计的合理性和可制造性，人们需要按照尺寸造出几件真实的产品，在真实的环境中 对机器进行连续作业以实验其稳定性，有时试验结果的取得是需要对机器进行破坏 的。试验之后，设计人员得到了相关的数据，同时也发现了机器的某些不满意的地 方，这时就需要重新修改部分设计内容并再一次制造新的实物产品来检验设计思 路。在经过多次、反复的设计一制造一试验过程之后，产品才能逐渐达到结构、性 能等要求。返个过程是非常耗时、耗力的，尤其是那些具有复杂设计信息的系统， 如果不能缩短研发周期，就无法实现对市场的快速反血。在竞争激烈的市场环境下， 产品的质量和市场占有率的提高，以及产品成本的降低，很大程度上受到了真实产 品制造和实验过程的制约。 虚拟样机技术是阻解决产品系统工作性能和结构等丰f | 关问题为基本出发点，解 决传统的产品开发与样机试制过程缺陷的先进技术。在技术应用过程巾，设计人员 能够在计算机卜，调用c a d 建模软件提供的再种零部件的几何及物理信息，井对它 们之间的连接关系进行定义后，实现整个产品系统的虚拟装配，最终获得数字化的 虚拟样机。 虚拟样机构建之后，可以利用专业仿真软件在不同的虚拟环境下模拟系统的运 算 警晕爷 第三章虚拟样机技术及a d a m s 简介 动，并在多种工况下对其受力特点和运动情况进行分析，以模拟的结果作为分析基 础，结合实际情况对设计缺陷进行修改，从而比较不同的设计方案，对整个系统进 行优化，直到获得满意结果并据此做出物理样机。 虚拟样机技术应贯串于产品设计的所有环节并进行设计流程的重组，设计师能 够将实际的工程经验和独特的想象力融合在计算机内的虚拟样机中，充分发挥想象 力和创造力。 3 1 3 虚拟样机技术的形成和发展 虚拟样机技术是以多体系统动力学研究作为理论基础的。现实中的产品往往是 由多个零部件构成的复杂系统。这类系统产品的设计、制造与性能分析一般分为结 构系统和机构系统。 结构系统的特点是，在正常的情况下，零部件之间不产生相对位移和相对速度， 例如飞机、汽车和各种机器的框架以及各种复杂零部件本身。设计者关注的只是这 些产品在承受工作载荷时的强度特性、刚度特性与可靠性。而机构系统的特点是， 在产品的实际运作及使用中，构成系统的某些部件之间要发生相对运动，典型的如 机器人、挖掘机、起重机等各种工程机械，和一些专用机械系统，这些复杂系统虚 拟样机的构建需要借助于运动关节的作用，这一类系统人们称之为多体系统。 对于比较复杂的系统，设计者的研究重点通常包括三类。第一类是系统的静力 学分析，该问题中需要确定在系统承受静载时，其平衡位置和运动关节的接触静反 力：第二类是系统的运动学分析，在该问题中，通常不需要考虑系统是如何运动起 来的，而只关心系统中主要部件的工作位置和姿态的变化，及它们的速度、加速度 变化情况；第三类是动力学问题，即研究系统的运动与系统所受总的作用力之间的 关系。在外力确定的情况下，求解系统的运动可以转化为特定情况下对非线性微分 方程的积分过程，这被称为正向动力学问题。在系统运动确定的情况下，求解运动 副的动反力，这类问题我们称之为逆向动力学问题。现代机械产品和系统很难离开 控制环节，所以还有一种最常见、也是最重要的问题就是混合的动力学问题，即系 统的某一部分或某几部分的构件是受控的，并且按照己知和确定的路径进行运动， 求解系统其他构件的运动方程1 2 。 成熟的系统运动学、动力学研究和先进的控制理论构成了虚拟样机技术的核心 内容，然而如果没有强大的计算机图像技术和g u i 一图形用户界面技术，虚拟样机 技术的发展也会受到限制。因此虚拟样机技术及其在市场化方面的发展与计算机辅 助设计( c a d ) 技术的成熟及普及、应用是分不开的。首先，三维建模技术使得虚拟 样机系统的数字化描述更加方便和简单。其次，强大的c a d 几何编辑、修改技术， 使系统的机械设计与快速修改成为一种现实，并使进一步的试验一设计的反复过程 青岛大学硕士学位论文 具有更现实的意义。最后，计算机能够借助于c a d 中的三维几何体建模技术，处理 绘图等繁琐的工作，从而使设计者能够有精力更多地关注需要创造性的工作。及系 统级的设计和优化问题。 虚拟样机技术的发展对于计算机硬件的依赖程度也非常高，这种依赖在处理复 杂系统时显得尤为突出。某些大型控制系统的动力学仿真分析需要在先进的高配置 工作站上持续进行上百，甚至上千小时。因此，计算机硬件及数值求解的发展会对 虚拟样机技术带来积极的影响，并对仿真速度和精度起到积极的推动作用。因此， 虚拟样机技术的发展过程集成了多种先进的技术和理论。其关键的部分就是多体系 统运动学和动力学的建模理论及求解能力。图形化的计算机技术及动态仿真技术的 发展为其提供了理想的界面环境。数值算法求解，作为应用数学的一个分支在提供 快速、高效的算法方面，也极大地支持了多体问题的求解。且前，虚拟样机技术己 经发展成为相对独立的学科技术，它不仅在设计思想上有了更新的突破，对当代制 造业的发展也产生了巨大影响。 3 1 4 虚拟样机技术的优势 虚拟样机技术，作为一种全新的产品研发和设计技术，具有传统设计手段无法 比拟的优势： ( 1 ) 速度快，成本低。设计工作者，以协同工作的方式，在计算机里完成虚拟 样机的建模，所需要的时间比制造一台真实物理样机的时间要大为缩短，有利于产 品的快速上市；此外，在真实产品制造之前，设计者可以通过虚拟样机，比较方便 地修改设计，进而减少物理样机的制作费用，降低研发成本：而且并行设计也能使 不同地方的设计师们同时对出现的问题交换意见，节省了差旅费用。 ( 2 ) 提高产品的设计质量。传统的设计过程是，产品三维模型设计者与产品结 构设计者各自独立工作，一旦出现设计问题，修改起来比较麻烦，但借助于虚拟样 机，两个设计部门可以通过网络环境进行实时交流，从而避免了三维模型设计与结 构设计分析过程相互脱节的缺陷，将可能的设计错误在设计初期加以排除，大大提 高产品设计质量。 ( 3 ) 实现产品的系列化。通过采用虚拟样机技术，可以快捷而方便地对已有产 品实现改型设计和换代，例如在实现产品外形设计、色彩设计、材质选择、装饰修 改以及局部结构设计的系列化方面很有价值，这对于适应快速变化的市场竞争十分 有利。 ( 4 ) 实现设计方案多样化。由于虚拟样机具备易修改、易复制的特点，所以可 以在几乎不增加成本的前提下构思多个近似的方案，以进行多个方案的对比评价， 最后择优选择，大大降低了不合理方案所带来的风险。 1 4 第三章虚拟样机技术及a d a m s 简介 ( 5 ) 增强企业与用户的交流。传统的产品开发过程中，往往在最后的物理样机 下线之前，用户是无法看到产品的，容易出现产品与用户期望差别太大的现象，甚 至可能导致经济纠纷。而凭借虚拟样机技术，能够实现在产品开发的全过程中与用 户的紧密联系，进而保证更加深入和清楚的交流。用户可以在虚拟环境下看到自己 的产品，对设计过程实时了解，并在出现问题时为企业提供修改意见，保证产品最 后的圆满交付【z 卜捌。 3 2a d a m s 软件概述 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 ls y s t e m s ) 软件是机械系统动 力学仿真分析的商用软件，最初是由美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开 发的，在经历了1 2 个版本之后，被美国m s c s o f t w a r e 公司收购。 a d a m s 软件在建模时，采用的是参数化的建模方法，并且由于其丰富的几何零 件库、运动副库、力单元库以及图形化的用户界面，使得a d a m s v i e w 环境下的虚 拟样机建模非常直观；其次，a d a m s 的解算器采用的是拉格朗日方程的方法，其求 解技术相对比较成熟，因此可以得到较为理想的运动学和动力学分析结果，并借助 于强大的后处理程序将仿真结果以曲线的形式输出给用户，以供参考分析。 3 2 1a d a m s 的理论基础 任何模型的建立首先要有一个参考坐标系，a d a m s 采用的是笛卡尔广义坐标， 其坐标值由对刚体方位进行描述的欧拉角和刚体在惯性坐标系下的直角坐标值构 成，即q ，= 【x ，y ，z ，y ，9 ，伊】j ，q = 【g f ，g ；，q r t 。并且利用带拉格朗日乘子的第一类 拉格朗日方程导出最大数量坐标的代数一微分方程，以笛卡儿广义坐标为变量，导 出了具有多余坐标的非完整约束及完整约束系统的运动学方程【2 3 l 。 系统运动方程为： 完整约束方程为： 旦d , t 倒a qj 一时咖助= q 伊( g ，f ) = 0 非完整约束方程为： o ( q ，雪，) = 03 一( 1 ) 式中：k 系统的动能； 卜完整约束下的拉格朗日乘子矩阵； 9 一系统广义坐标矩阵； 卜非完整约束下的拉格朗日乘子矩阵。 l s 青岛大学硕士学位论文 动力学方程求解如下： 将3 ( 1 ) 式转化为一般形式： f ( q ，甜，厅，名，r ) = 0 g ( u ，口) = 甜- 4 = 03 - ( 2 ) ( g ，f ) = 0 式中：g _ 广义的坐标矩阵； 口，卜广义的速度矩阵； j r 作用力及约束反力矩阵； 卜系统动力学微分方程及用户自定义的微分方程( 如用于非完整约束的方 程及控制的方程) ； 仁以代数方程描述的矩阵。 如果定义了系统的状态矢量y = 【g r ，”r ，】t ，则可将式3 ( 2 ) 写成单一矩阵方程： g ( y ，夕，r ) = 0 3 - ( 3 ) 3 2 2a d 蝴s 模块简介 a d a m s 软件模块有很多，但最主要的包括核心模块a d a m s v i e w 、 a d a m s s o l v e l q 拳：i a d a m s p o s t p r o c e s s o r ，以及其他扩展模块。 a d a m s v i e w 是a d a m s 的核心模块之一，最新版本的模块能够在同一窗口中 同时显示模拟动画及输出曲线图，便于进行仿真分析；具有高效的p a r a s o l i d 转换格 式，既能接受由c a d 软件生成的p a r a s o l i d 文件，又能把单个构件甚至整个模型转换 并输出至u p a r a s o l i d 文件中去：包含丰富的碰撞接触，用户可以对具有点一线、线一 线、线一面、实体一实体等碰撞特征的接触自定义接触力；支持多平台上采用统一 用户界面，提供合理的软件文档。 a d a m s s o l v e r 是a d a m s 的核心模块之一，也是a d a m s 软件的仿真心脏，可 以对刚体和柔体进行仿真研究，对于虚拟样机模型的动力学方程有自动生成的功能， 从而进行运动学、静力学和动力学的解算。新版的a d a m s s o l v e r 积分器能够以模型 的复杂程度为基础，自行调整运算参数。 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 用来处理仿真结果数据，显示仿真曲线及动画等。该模块 既能够在a d a m s v i e w 环境下运行，也能单独使用。其主要功能有采用高质量动画 显示结果，并能向前、向后播放功能，便于多角度、深入分析设计方案的可行性； 具有丰富的数据统计功能，如求均值、极值、均方根等：能够进行曲线的反向、偏 1 6 第三章虚拟样机技术及a d a m s 简介 置、代数运算、产生波特图等。 a d a m s i n s i g h t 是基于网页技术的模块，借此工程师可以将仿真分析的结果放 到i n t r a n e t 上，使企业不同部门的相关工作人员共享分析结果，加深对产品技术要求 的理解，强化部门之间的合作；另外工程师可以更有效地区分关键参数和非关键参 数，以及在制造前综合考虑各种因素的影响。 a d a m s h y d r a u l i c s 。为了模拟包括液压回路在内的复杂机械系统的动力学性 能，m d i - f 公司开发t a d a m s h y d r a u l i c s 模块。用户使用该模块，能够精确地对由 液压驱动的复杂机械系统( 如工程机械、汽车悬架系统等) 进行动力学仿真分析。 a d a m s h y d r a u l i c s 是a d a m s 的插件模块，不仅集a d a m s v i e w 、p o s t p r o c e s s o r 、 s o l v e r 的优势于一体，而且为工程师建立包括液压回路的机械多体模型提供了良好的 建模、仿真环境。a d a m s h y d r a u l i c s 可以帮助设计人员将系统的性能分析与液压系 统设计综合起来，将在a d a m s n i e w 中建立的液压系统模型，通过液压驱动件如液 压缸等，与在a d a m s v i e w 下建立的机械模型进行有效地连接。由于h y d r a u l i c s 与 a d a m s n i e w 使用了相同的数据库和参数化功能，因此在进行液压元件的设计时同 样也能够利用各种设计研究和优化设计等技术。 此外a d a m s 还包括其它模块：a d a m s v i b r a t i o n ( 振动分析模块) 、 a d a m s c o n t r o l ( 控制模块) 等，这些模块独立使用或相互结合使用，广泛应用于 各种工程实践和科学研究中i 丌 3 3 本章小结 本章详细地介绍了虚拟样机技术的基本概念及其形成和发展，以及虚拟样机软 件a d a m s 的理论基础、基本概念和其中主要模块，为下一步的工作打下了基础。 1 7 青岛大学硕士学位论文 第四章拉臂车工作装置虚拟样机建模 4 1 拉臂车的主要参数 图4 1 所示为某公司生产的拉臂车，表4 1 为拉臂车质量参数和尺寸参数，表4 2 为拉臂车主要性能参数。 图4 1 某公司生产的拉臂车 表4 1 拉臂车质量参数和尺寸参数 最大总质量2 5 0 0 0i g 前轴 5 5 8 5 k g 空载 中后轴7 0 1 5l ( g 轴载质量 前轴 6 5 0 0 k g 满载 中后轴2 x 9 0 0 0k g 外形尺寸：长宽高 7 4 0 0 2 4 8 0 3 2 0 0m m 车厢容积 1 3m 3 前轮 1 9 4 0 m m 轮距 后轮1 8 3 0 m m 轴距3 8 0 0 + 1 3 5 0m m 接近角 3 4 0 离去角3 2 0 1 8 第四章拉臂车i 忭装 虚拟样机建楗 表4 2 拉臂车主要性能参数 塌高车速( k m m ) ： 最大爬坡度( ) ： 2 8 撮小转弯直径( 柚： 液压系统工作压力( m p a ) 液压系统流量( l r a i n ) 卸料工作时阿( s ) 吊箱时间( s ) ： 卸箱时而j ( s 1 4 2 拉臂车工作装置虚拟样机机械模型的建立 在建立拉臂车工作装置虚拟样机机械模型时，本文做了如下假设： ( 1 ) 在拉臂车工作装置装卸过程中，只考虑运动构件和垃圾箱内物料对其性能 的影响，不考虑风力的影响； ( 2 ) 将工作装置副车架认为是刚性固定在拉臂车底盘车架上，不考虑车架、悬 架、轮胎和地面变形等对工作装置性能的影响。 4 2 l 设置工作环境 42