（机械设计及理论专业论文）矿用防爆胶轮铲车动态设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 矿用防爆胶轮铲车动态设计 摘要 应用虚拟样机技术己成为机械行业在产品设计中的发展方向。采用虚 拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可以缩短产品开 发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需 求的能力。 本课题以矿用防爆胶轮铲车为研究对象，利用数字化产品设计软件u g ( u n i g r a p h i c sn x ) 和虚拟样机分析软件a d a m s ，对铲车进行了实体建模 和动态仿真。 论文首先采用u g 软件建立该铲车的三维实体模型，然后以p a r a s o ! i d 文件格式导入a d a m s 环境，建立虚拟样机模型，对其进行动力学仿真分 析。本课题针对4 种工况、1 0 种路况对该铲车进行了全面的动态仿真和分 析。 在进行铲车样机的动力学分析时，分别模拟各种路况进行动态仿真， 得出了铲车的各项动力参数，如起动转矩、稳定转矩、各铰接处受力情 况、转弯半径、转弯速度等。为产品的设计和制造提供理论依据。 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 在进行有限元分析时，提取动态仿真时铲车各铰接处和其它部位的受 力值，利用u g s t r u c t u r e 模块，对铲车各铰接销轴以及铲车其它结构件 进行了有限元分析，以此来评估整车的受力性能。 论文研究表明：该铲车所选电机能满足各种工况最大转矩的要要；铲 车最大、最小( 模角) 转弯半径、转弯宽度和转弯时的内外侧速度与理论 值相符。铲斗末端中部变形过大，需对铲车的材料性能和结构进行更新和 改造。 关键字：铲车，虚拟样机，动态仿真，a d a m s ，u g s t r u c t u r e 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed y n a m i cd e s i g nf o rm i n e u s e d e x p l o s i o n - p r o o fr u b b e r t y r e df o r k l i f t u s i n gt h et e c h n o l o g y o fv i r t u a l p r o t o t y p eb e c o m e st h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no fm e c h a n i c a lt r a d ei nt h ec o u r s eo fp r o d u c td e s i g n 。r e p l a c et h e p h y s i c a lp r o t o t y p ew i t hv i r t u a lp r o t o t y p eo fam a c h i n ea n di n n o v a t ed e s i g n ，t e s t a n da s s e s st h ep r o d u c t s ，i tc a ns h o r t e nd e v e l o p m e n tp e r i o do fp r o d u c t s ，r e d u c e t h ed e v e l o p m e n tc o s to ft h ep r o d u c t s ，i m p r o v et h ed e s i g n i n gq u a l i t yo ft h e p r o d u c t s ，i m p r o v e t h ea b i l i t yf a c i n gt h ec u s t o m e ra n dm a r k e td e m a n d 。 t h i ss u b j e c tr e g a r d sm i n e - u s e de x p l o s i o n p r o o fr u b b e r - t y r e df o r k l i f ta st h e r e s e a r c ho b j e c t ，u s i n gt h ed i g i t i z e dp r o d u c td e s i g ns o f t w a r eu g ( u n i g r a p h i c s n ) ( 1a n da n a l y t i c a ls o f t w a r eo fv i r t u a lp r o t o t y p ea d a m s ，c a r r i e so ne n t i t y s m o d e l i n ga n dd y n a m i ce m u l a t i o n t ot h ef o r k l i f c 。 t h et h e s i sa d o p t su gs o f t w a r et os e tu pt h et h r e e d i m e n s i o n a le n t i t y s m o d e lo ft h i sf o r k l i f tf i r s t l y ，t h e nc h a n n e l si ti n t oa d a m se n v i r o n m e n tw i t h p a r a s o l i df i l ef o r m a t ，a n ds e t su pv i r t u a lp r o t o t y p eo fam a c h i n em o d e l ，c a r r i e s o nd y n a m i c se m u l a t i o na n a l y s i sf m a l l y 。t h i ss u b j e c th a sc a r r i e do no v e r a l l 太原理工火学硕士研究生学位论文 d y n a m i ce m u l a t i o na n da n a l y s i st o t h i s f o r k l i f tu n d e r4k i n d so fo p e r a t i n g c o n d i t i o a s ，1 0k i n d so fr o a dc o n d i t i o n s 。 d u r i n gd y n a m i ca n a l y s i so nt h ef o r k l i f tp r o t o t y p e ，w ec a r r yo nd y n a m i c e m u l a t i o nu n d e rv a r i o u sk i n d so fr o a dc o n d i t i o n s ，a n dd r a we v e r yp o w e r p a r a m e t e ro ff o r k l i f t ，s u c ha ss t a r t i n gt o r q u e ，s t a b l et o r q u e ，f o r c eo fe v e r yj o i n t ， t u r n i n gr a d i u s ，t u r n i n gs p e e de t c 。w h i c ho f f e r st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o r d e s i g na n d m a n u f a c t u r eo ft h ep r o d u c t s 。 w h i l ec a r r y i n go nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，w eg e t st h ef o r c ev a l u ea t e v e r yj o i n tp l a c ea n do t h e rp o s i t i o n so ft h ef o r k l i f ta f t e rd y n a m i ce m u l a t i o n , a n d u t i l i z i n gu g s t r u c t u r em o d u l ec a r r i e so n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oe v e r yp i no f j o i n tp l a c e s a n do t h e rs t r u c t u r e so ft h ef o r k l i f t ，s oa st oa s s e s s s t r e n g t h p e r f o r m a n c eo fe n t i r ec a r 。 t h er e s e a r c ho ft h et h e s i ss h o w s ：t h i sf o r k l i f t e l e c t r o m o t o rc a nm e e tt h e d m a n do ft h eb i g g e s tt o r q u eo fv a r i o u sk i n d so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ；t h e m a x i m u m ，m i n i m u mt u r n i n gr a d i u s ( m o u l da n g l e ) ，t u r n i n gw i d t ha n di n t e r n a l a n de x t e r n a ls i d et u r n i n gs p e e di si nc o n f o r m i t yw i t ht h e o r yv a l u e 。b e c a u s eo f d e f o r m a t i o ni st o ob i gi nt h em i d d l ep a r to ft h eb u c k e te n d ，w en e e du p g r a d et h e m a t e r i a lp e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r eo ft h ef o r k l i f t 。 k e yw o r d s ：f b d d i f t ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，a d a m s ， u g s t i n c t u r e 【v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：趁圭违 e t i 霉i ： 伊z ，z p 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 日期：迹兰兰 导师签名：型 日期：丝芝三兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 矿用胶轮车概述 1 1 1 矿用胶轮车的发展概况 第一章绪论 矿用胶轮车是在煤矿井下搬运物料和一些重型设备的车辆，同时也是井下多用途 的辅助运输车。从7 0 年代出现到现在，已在世界各主要产煤国得到了重视和应用。主 要分为内燃机式和蓄电池式两大类，产品有铲车、运煤车和支架搬运车等。它与传统 的辅助运输设备相比，具有适应性强、机动灵活性好、运行环节少、速度快、安全高 效等特点。 铲车在国外已有3 0 余年的使用历史，其主要生产厂家有美国的l o n g a i r d o x - - a n d e r s o n 和j o y 、英国的e i m c o 、澳大利亚的b o a r tl o n g y e a r 和 d o m i n o 及南非的m e g a 等公司。铲车分别以内燃机或蓄电池为动力，内燃机式铲 车要求隔爆低污染柴油机，且系统配置较多而元件管路复杂，故障点较多。蓄电池式 铲车承载稳定性好、过载能力高、无噪音、无有害气体排放，非常适合煤矿井下恶劣 环境使用。 近年来，我国已先后生产了几种型号的铲车。防爆铲车主要生产厂家有河北中治 防爆工具集团有限公司、煤炭科学研究总院太原分院、天津市桥防安全工具有限公司 等；而且他们都已生产出各种型号的防爆液压或防爆胶轮铲车等。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 2 矿用胶轮车设计中存在的问题 在国外，进行车辆设计时，使用先进的设计方法和软件，对其受力进行了详细 的反复模拟和计算，使得车辆机架重量轻、受力均匀，最终导致液压元件、电器元件 和机械结构件的体积缩小，车辆成本降低。 在国内，矿用车辆的开发与研制一直处于传统的设计模式下进行，一种新设备通 常要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产几个步骤。由于这种基 于样机设计开发模式的致命缺陷，往往使物理样机的反复性试验不够充分，加上设计 人员通常不愿修改局部而为整机带来不可欲知的结果，而使投放市场的产品具有先天 不足的毛病，严重制约了产品质量的提高，这就使我国自行生产的矿山机械产品造 型、结构和功能严重老化，在市场上缺乏竞争能力。矿用车辆的设计和制造具有很多 不同于其它行业的特点，矿山机械设备常常在工况恶劣、地质情况复杂的环境下工 作，加上设备的成本很高，一般很难按比例制造出样机井进行试验，而且试验的毁坏 性非常严重，又由于试验中很难在相互作用的零件中确定故障原因，往往是投入巨大 而收效甚微。 并且这些矿用车辆在运动中的受力比较复杂，对于工程设计人员来说，由于掌握 先进设计方法的局限性，不可能准确地计算出各构件的受力，尤其是动力学分析，而 这些方面对于设计来说是相当重要的。 1 2 虚拟样机国内外研究动态 2 太原理l ：人学硕+ 研究生学何论文 1 2 1 虚拟样机技术研究现状 虚拟样机技术仍处在发展阶段，各个国家都开始对这门新技术进行深入的研究， 但尚未形成系统完整的理论体系。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，其定义发展过程就是虚拟样机技术研究发展的过程。 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理样机相似的数字模 型，并对该模型进行评估和测试，从而获取候选物理模型设计方案的特性。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) 的多个模型集成起来，通过仿 真测试束得到关于该样机方案的性能描述，以此指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。“l j a s o n c h 和k r e s s 等人从并行工程角度认为虚拟样机技术是一个基于计算机、桌面 化的分布式环境，支持产品设计过程中的并行工程方法。” s t e f a nh a a s 等人则从集成开发角度认为，虚拟样机的概念与集成化产品和加工过 程开发( i n t e g r a t e dp r o d u c 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。v p 过程将产品概念开发直至生产的所有活动集成在一起，对产品开发整个过程进 行优化。i p p d 的核心是虚拟样机，而虚拟样机必须依赖i p p d 才能实现。 虚拟样机技术将多种计算机技术、计算机辅助技术结合在一起。目前研究重点是 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。主要研究方向是虚 拟环境中的集成技术、虚拟样机环境中的可视化建模技术、虚拟环境中的协同工作流 技术等。 目前国际上商品化专用虚拟样机软件逐渐在工程设计实践中得到应用。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普通工程设计人员。虚拟样机技术 在国内的研究范围还较小，一般仅集中在多体动力学系统实验室研究阶段，由于缺乏 相应软件，很少用于解决工程实践问题。 3 太原理1 人学硕十研究生学何沦文 1 2 2 虚拟样机技术的应用 低成本、高效率地丌发性能优良的汽车产品成为当今汽车设计的基本要求，充分利 用先进的计算机技术及功能强大的软件，已成为人们研究和解决复杂工程问题的重要手 段。”虚拟样机技术是近些年在产品丌发的c a x 如c a d 、c a e 、c a m 等技术和d f x 如 d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，面向装配的设计) 、d f m ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ，面 向制造的设计) 等技术基础上发展起来的，它进步融合了现代信息技术、先进仿真技 术和先进制造技术。将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综 合管理。从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统丌发模式，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，以缩短产品丌发周期，降低产 品丌发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。”i 在国外，虚拟样机技术已经广泛地应用在各个行业之中，如汽车制造业、工程机 械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械、人机工程学、生物 力学、医学以及工程咨询等很多方面。1 9 9 0 年l o 月2 9 同，美国波音公司正式启动波 音7 7 7 飞机研制计划，采用了虚拟样机技术，首次实现了整机数字化设计、数字化制 造和数字化协调。于1 9 9 4 年6 月1 2f 1 直接进行了第l 架波音7 7 7 的首次试飞。对比 以往的飞机研制，波音7 7 7 成本降低了2 5 ，出错返工率减少了7 5 ，制造周期缩短 了5 0 。波音7 7 7 的研制成为现代产品开发新技术应用的里程碑。c a t e r p i l l a r 公司 是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一，由于采用了虚拟样机技术， 从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速试验多种设计方案，从而使其产品成本 低、但性能却更加优越。德国宝马公司已经利用交互式碰撞仿真环境g i m v r ，为设计 人员提供在三维虚拟环境中的交互式碰撞仿真研究：改变汽车物理结构( 拓扑结构、 钢板厚度) ，然后投入仿真运行，迅速得到仿真结果，并对结果进行显示、分析。丰 田、福特等公司现在都已经采用仿真技术对新设计的汽车进行外部空气动力学和空气 声学的研究，以取代或者部分取代利用实物样车进行风洞测试的方法，达到缩短设计 时间，降低成本的目的。“” 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 在国内，虚拟样机技术主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行 业，在汽车行业的应用尤为广泛。软件的类型主要包括通用前后处理软件、通用有限 元求解软件和行业专用软件。汽车行业在国外是有限元软件的主要应用行业，其所涉 及的专业领域相当广泛，并且应用历史长、应用成熟度高。在汽车行业应用中，经常 要对整车进行机械动力学仿真，在这一领域中，国内常见的软件有m s c a d a m s 。其被广 泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。泛亚汽车技术中心有限公 司( p a t a c ) 将a d a m s 软件运用在车身设计、底盘开发、模型加工、有限元分析、车辆道 路模拟试验、整车性能试验等诸多工作中，并取得了明显的成效。美国m d i 公司北京办 事处与铁道部四方车辆研究所合作，利用虚拟样机分析软件a d 棚s r a i l 模块完成了对 几种铁路机车车辆动力学仿真。中南大学机电工程学院的龙江志、何将三、徐昱。1 应用 了s o l i d w o r k s 软件建立起某型号采矿车的三维实体模型，并导入了机械系统动力学分 析软件a d a m s 中建立虚拟样机，在深海环境下对该虚拟样机近海底着地进行了多体动力 学仿真，分析了仿真结果，对r o v 采矿车着地作出了预报，为r o v 采矿车着地时推进器的 控制提供参考方法。吉林大学杨兴龙“”应用a d a m s 软件建立了d d 6 1 1 5 h 型空气悬架大 客车八十五自由度整车动力学模型，通过对整车平顺性试验仿真，探索运用a d a m s 软 件进行空气悬架大客车平顺性试验仿真分析的方法。安徽安凯客车股份有限公司应用 a d a m s 完成t h f f 6 8 5 0 客车的操纵动力学仿真分析，并对其悬架系统进行了改进设计。 仿真分析和设计得到了试验的验证，该项工作解决了h f f 6 8 5 0 客车在操纵稳定性方面暴 露出的问题，提高了该产品的性能和市场竞争力。武汉理工大学汽车工程学院的刘红 军、明平顺、程远会、马飞利用a d a m s 软件建立了某轿车的整车多体仿真近似模型：详 细考虑了前悬架系统、转向系统和轮胎，以及各种联接件中的弹性的影响，对不同车速， 不同载荷下的操纵稳定性进行了动力学仿真。用参数化设计来指导产品设计，能缩短开 发周期。重庆交通学院机电学院的周均、徐进、李芹英“运用a d a m s v i e w 建立了整车 运动学模型及动力学模型，并以制动性分析为例，对整车进行动力学分析。国防科技 大学磁悬浮工程研究中心洪华杰、李杰、李淑娟利用a d a m s 软件建立了磁悬浮列车的 虚拟样机模型，简单地分析了轨道的参数选取，并进行系统运动学仿真，描绘了车辆 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 在过不同轨道时候主要部件的动态过程，验证列车转向架机构设计的合理性、适用 性，为系统动力学仿真打下基础。 ) 3 本课题的目的和意义、内容及研究方法 1 3 1 本课题的研究目的与意义 该型号防爆胶轮铲车主要适用于煤矿短壁开采工作面中，是连续采煤机后配套辅助 设备之一。其特点能较好地发挥连续采煤机的回采能力，较大幅度地提高生产效率，减 轻工人的劳动强度。它可同时完成装、运、卸三种作业，是目前最安全，最有效的井 下理想运输设备。它的主要用途是：( 1 ) 对炮采小型矿井，它是主要的运输设备，可 用来装运煤炭、供应物料和运送井下工作人员。( 2 ) 对大型矿井，防爆胶轮铲车只作 为一种辅助运输设备，主要用于清理浮煤、平整路面、运料和运送人员。防爆铲车是 短壁机械化开采设备中连续采煤机后配套设备中的关键设备之一。随着充电技术及蓄 电池装置性能的提高，蓄电池式防爆铲车有了较大的发展，而目前我国蓄电池防爆铲 车还是空白。防爆胶轮铲车的研制填补了这项空白，使我国短壁机械化开采进入了一 个崭新的阶段。 铲车在整个作业循环过程中，除了受本身的自重、物料的重量的影响还受到其行 走工况的影响。通常情况下，铲车零部件所受的载荷不能准确确定，这就需要虚拟实 际工况进行仿真测试，对整车的运动学特性和动力学特性进行虚拟试验研究，即进行 模拟各种路况下的整车动力学仿真分析。通过动力学仿真分析，可以方便得出铲车各 动力参数，如驱动转矩、各铰接处受力、转弯半径等。最后，根据仿真分析结果单独 对铲车各部件进行静力有限元分析。通过静力分析可以让设计人员对铲车在各种工况 所确定的载荷的作用下其零部件的强度、刚度及屈曲稳定性情况有个全面而准确的 了解。根据计算所得到的零部件上各处变形和应力的分布结果结合相应的设计标准或 规范，判断所设计的结构可靠性和经济性，在此基础上进行改进或优化设计，最终使 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 铲车的结构、受力、材料、尺寸更合理，提高设计质量，降低整车的重量和成本。进 而将此技术推广到所有矿用胶轮车上，为矿用胶轮车的动态设计提供理论依据，填补 此技术在矿用胶轮车上的国内空白。对我国矿山机械行业的进步及提高我国矿山机械 产品在国际市场的竞争力有着重要的意义。 1 3 2 本课题的来源和主要研究内容 本课题结合铲车设计存在的问题，查阅相关文献资料，确立本课题主要采用计算 机模拟、仿真、优化和现场实验相结合的研究方案，即理论研究和实验相结合的研究 方案。其主要内容如下： 1 ) 用u g 3 0 软件根据图纸对该铲车零部件进行建模，然后进行整车装配； 2 ) 简化整车模型后，将模型以p a r a s o l i d 文件格式输出，然后导入a d a m s v i e w 环境，进行整车运动学和动力学分析； 3 ) 利用动力学分析结果，在u g s t r u c t u r e 环境下对铲车各铰接处销轴和铲车四 大组成部分单独进行有限元分析； 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1u g 软件介绍 第二章软件介绍及理论基础 u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司( 简称u g s ) 是全球著名的m c a d 供应商，主要为汽车与 交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发 ( v p d ) 的理念提供多级化的，集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的m c a d 解决方案。其主要的c a d 产品是u g 。 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是集c a d c a e c a m 一体的三维参数化软件，是当今世界最 先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通 用机械和电子等工业领域。多年来，u g s 一直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最 大的虚拟产品开发项目，同时u n i g r a p h i c s 也是日本著名汽车零部件制造商d e n s o 公 司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用，如n a v i s t a r 、底特律柴 油机厂、w i n n e b a g o 和r o b e r tb o s c ha g 等。 u g 进入中国以后，其在中国的业务有了很大的发展，中国已成为其远东区业务增 长最快的国家。 2 i iu g 产品的特点“”“” u n i g r a p h i c sc a d c 删c a e 系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品丌发 从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。u g 面 向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的 全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效 地实现了并行工程。 8 太原理i 人学硕十研究生学位论文 全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效 地实现了并行工程。 该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功 能；而且，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模 拟，提高设计的可靠性；同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于产品的 加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。另外它所提供的二次开发语言u g o p e n g r i p ，u g o p e na p i 简单易学，实现功能多，便于用户开发专用c a d 系统。具体来说， 该软件具有以下特点： 1 ) 具有统一的数据库，真j 下实现了c a d c a e c a m 等各模块之间的无数据交换的自 由切换，可实施并行工程。 2 ) 采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参 数化建模融为一体。 3 ) 用基于特征( 如孔、凸台、型胶、槽沟、倒角等) 的建模和编辑方法作为实体 造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。 4 ) 曲面设计采用非均匀有理b 样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲面，特别 适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 5 ) 出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。能按i s o 标 准和国标标注尺寸、形位公差和汉字说明等。并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴 测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。 6 ) 以p a r a s o l i d 为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。目前著名 c a d c a e c a m 软件均以此作为实体造型基础。 7 ) 提供了界面良好的二次开发工具g r i p ( g r a p h i c a li n t e r a c t i v ep r o g r a m i n g ) 和u f u n c ( u s e rf u n c t i o n ) ，并能通过高级语言接口，使u g 的图形功能与高级语言的 计算功能紧密结合起来。 8 ) 具有良好的用户介面，绝大多数功能都可通过图标实现；进行对象操作时，具 有自动推理功能；同时，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正 9 太原理i ：人学硕| i 究生学f 论文 确的选择。 2 1 2c a e 模块“ u n i g r a p h i c s 的分析( c a e ) 产品文件爽包给工程师、设计师、分析师提供了一组 强大的预言工程工具，以在设计过程早期，用户可对各种不同的设计方案进行快速的 工程模拟。在产品设计过程中的这一点上，任何修改都可以进行的更快、更早、更经 济。 u g s c e n a r i of o rs t r u c t u r e 提供了用户熟悉的界面、友好的图标和基于过程的 对话框结构，可以指导用户完成结构模拟、热传递模拟和振动仿真的过程。 这些优化工具提供了对于其它能够装入u g s c e n a r i of o rs t r u c t u r e 的各种算法 的强化。直接将u g s t r u c t u r e sp e 、u g f e a 、m s c n a s t r a n 和a n s y s 封装进来，无需 花费太多的时间和精力进行昂贵的数据转换，客户现有的投资可以发挥最佳效用。解 算完成后，仿真结果将以直观的、彩色的、图形化的方式提供给用户，然后在 u n i g r a p h i c s 中进行精确说明或再现分析结果。对于结构仿真和模态仿真，分析结果可 以做成动画，直接在相同的结果窗口中进行比较，还可以容易地输出各种形式的硬拷 贝和预先准备好的w e b 格式文件 u g s c e n a r i of o rs t r u c t u r e 支持线性静态结构分析，包括惯性阻尼、振动的正则 模态分析、稳态热传递、线性屈曲分析、间隙和触接分析、“h ”型自适应分析、灵敏 度研究、尺寸和形状优化等。在所有仿真环境中的所有的解算器均支持所有这些解算 类型。 2 2a d a m s 软件介绍 2 2 1a d a m s 软件的特点“”“ 机械系统动力学自动分析软件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 s o f 1 0 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，是美国m s c 公司开发的集建模、求解、可视化技术于一体的虚 拟样机分析软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。 陔软件9 0 年代开始在我国的机械制造、汽车交通、航空航天、铁道、兵器、石油化工 等领域得到应用，为各领域中的产品设计、科学研究做出了贡献。 工程中利用a d a m s 交互式图形环境和零件约束、力库等，进行仿真分析和比较， 研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。a d a m s 自动输出位移、速度，加速度和作 用力，其仿真结果可显示为逼真的动画或x - y 曲线图形，a d a m s 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，支持a d a m s 同大多数c a d 、f e a 及控制设计软件包之间的双向通讯。 a d a m s 的核一t l , 软件包括交互式图形环境a d a m s v i e w 和仿真求解器 a d a m s s o l v e r ，二者之间形成了无缝连接。用户可以利用a d a m s 的工作站或p c 机上建 造、试验“虚拟样机”，在此基础上与其它模块集成就可以满足多方面的仿真要求。 具体地说a d a m s 软件具有如下特点： 1 ) 分析类型包括运动学、静力学、准静力学分析，以及线性和完全非线性动力 学分析。 2 ) 具有二维和三维建模能力 3 ) 包含刚体和柔体分析。 4 ) 具有五十多种联结副、力和运动发生器组成的库。 5 ) 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型的某一变化过程。 6 ) 具有一个强大的函数库，供用户自定义力和运动发生器。 7 ) 具有开发式结构，允许用户集成自己的子程序。 8 ) 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确，具有与 c a d 、 f e a 、r e n d e r i n g ( 广告动画) 和控制系统建模软件之间的专用接 口。 9 ) 具有易于使用的图形界面- - a d a m s v i e w 。 】o ) 使用a d a m s 软件，能通过简单的图标菜单拾取和按键操作。加上复杂的高 太原理1 人学硕十研究生学何论文 级特点和可选项的利用解决很复杂的问题。 2 2 2 模块介绍”“”“ a d a m s v i e w a d a m s v i e w ( 用户界面模块) 是以用户为中心的交互式图形环境，它将简单的图 标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示等功能完美地集成 在一起其实体建模的内核采用p a r a s o l i d 格式，除提供了丰富的零件几何图形库外， 还提供了完整的约束丌和力力矩库，支持布尔运算，建模工作快速。 a d m s s 0 1 v e r a d a m s s o l v e r ( 求解器) 是a d a m s 系列产品的核心模块之一，是求解机械系统运动 学和动力学问题的程序。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、 运动学和动力学的解算结果。a d a m s s o l v e r 有各种建模和求解选项，以便精确有效地 解决各种问题。 a d a m s p o s t p r o c e s s o r a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 专用后处理模块) 具有相当强的后处理功能，它可以回放仿 真结果，也可以绘制各种分析曲线。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 还可以对仿真分析曲线进行 一些数学和统计计算：可以输入试验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较：对分 析结果曲线图进行各种编辑。 a d a m s a n i m a t i o n a d a m s a n i m a t i o n ( 高速动画模块) 是a d a m s 的一个集成的可选模块，该模块使用户 能借助于增强透视、半透明、彩色编辑及背景透视等方法对已经生成的动画精细加 工，增强动力学仿真分析结果动画显示的真实感。 2 3 多体系统动力学基本理论 1 2 太原理l + 人学硕+ 研究生学位论文 2 3 1 多体系统动力学简介 多体系统动力学包括多刚体动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统( 一般由 若干柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体动力学是在经典力学基础 上发展起来的与运动和生物力学、航天器控制、机器人动力学、车辆设计、机械动力 学等领域密切相关且起着重要作用的新的分支。 六十年代至七十年代初，美国的r e 罗伯森、t r 凯思，联邦德国j 维滕堡， 苏联的e h 波波夫等人先后提出了各自的方法来解决复杂系统的动力学问题，于是， 将古典的刚体力学、分析力学和现代的电子计算机技术相结合的力学新分支一多刚体 系统动力学便诞生了。 近二十年来，由于各种复杂机械系统的高性能、高精度的设计要求，加之高速 度、大容量、多功能现代计算机的发展及计算方法的成熟，多体力学由早期的多刚体 系统动力学发展为多柔体系统动力学。这门边缘学科以当代航天事业的发展为标志， 研究的领域包括了宏观世界机械运动的主要问题。 2 3 2 多体系统动力学的研究方法及优点“5 多刚体系统动力学的研究对象一般是比较复杂的多体系统，其结构和连接方式也 是多种多样，这给建立动力学方程带来了很大困难，并且，系统的动力学方程多为高 阶非线性方程，因此，动力学方程的建立和求解都必须由计算机去完成。多刚体系统 动力学的研究方法与研究人员的思想有关。目前，多刚体系统动力学的研究方法主要 有工程中常用的以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法、以拉格朗f i 方程为代表的 分析力学方法、图论p j w 方法、凯恩方法、变分方法等。 1 ) 牛顿欧拉方法：牛顿一欧拉方法( 简称为n e 方法) ，是一种特殊的矢量 力学方法，其特点是将矢量与矢量矩合为一体，采用旋量的概念，利用对偶数作为数 学工具，使n e 方程具有极其简明的表达形式，在开链和闭链空间机构的运动学和动 力学分析得到广泛运用。 2 ) 拉格朗日方程法：由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时， 1 3 太原理l 。人￥：硕十研究生学悔论文 采用系统的独立的拉格朗同坐标将十分困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标比较方 便，对于具有多余坐标的完整或非完整约束相同，用带乘子的拉氏方程处理是十分规 范化的方法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的 带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。c h a n c e 等人应用 吉尔( g e a r ) 的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计算效率，编制了a d a m s 程序： a u g 等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了d a d s 程序。 3 ) 图论r w 方法：罗伯森与维滕堡于1 9 6 6 年提出一种分析多刚体系统的普遍 性方法，简称为r w 方法，这种方法的主要特点是利用图论的概念及数学工具描述多 刚体系统的结构，以邻接刚体之l 日j 的相对位移作为广义坐标，导出适合于任意多刚体 系统的普遍形式动力学方程，并利用增广体概念对方程的系数矩阵作出物理解释。 r w 方法以十分优美的风格处理了树结构多刚体系统，对于非树系统，通过铰切割或 刚体分割方法将非树系统转变成树系统进行处理。 4 ) 凯恩方法：凯恩方法是在1 9 6 5 年左右形成的分析复杂系统的一种方法，其 利用广义速率代替广义坐标描述系统的运动，直接利用达朗伯原理建立动力学方程， 并将矢量形式的力与达朗伯惯性力直接向特定的基矢量方向投影以消除理想约束力， 兼有矢量力学和分析力学的特点，既适用完整系统，也适用于非完整系统。 5 ) 变分方法：交分方法是不同于矢量力学或分析力学的另一类分析方法，高斯 最小拘束原理是变分方法的基本原理，保保夫和里洛夫从这一原理出发发展了两种不 同风格的计算方法。该方法有利于结合控制系统的优化进行综合分析，而且由于其不 受铰的约束数目的影响，适用于带多个闭环的复杂系统。 多刚体系统动力学理论有很多优点： 1 ) 适用对象广泛。由于多刚体系统动力学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对多种结构及多种连接方式的系统进行计算，因此其 通用性非常强，同一程式可对各种复杂系统进行分析。 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，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符合系 1 4 太原理l ：人学硕十研究生学侮论文 统实际运动状况，并且给研究非线性问题带来了很大方便，能够使计算结果更符合实 际。 3 ) 模型精度高。研究机械系统动力学的困难之一就是建立准确的动力学方程， 模型越复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而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 4a d a m s 动力学分析”“”1 2 4 1 广义坐标的选取 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。研究刚体在惯性空间 中的一般运动时，可以用它的质心标架坐标系确定位置，用质心标架坐标相对地面坐 标系的方向余弦矩阵确定方位。为了解析地描述方位，必须舰定一组转动广义坐标表 示方向余弦矩阵。第一种方法是用方向余弦矩阵本身的元素作为转动广义坐标，但是 变量太多，同时还要附加六个约束方程；第二种方法是用欧拉角或卡尔登角作为转动 坐标，它的算法规范，缺点是在逆问题中存在奇点，在奇点位置附近数值计算容易出 现困难；第三种方法是用欧拉参数作为转动广义坐标，它的变量不太多，由方向余弦 计算欧拉角时不存在奇点。a d a m s 软件用刚体e 的质一t l , 笛卡尔坐标和反映刚体方位 的欧拉角作为广义坐标，即q j = k ，毛，口，纠7 ，q = 【g ? ，可；，g ：】。由于采用了不 独立的广义坐标，系统动力学方程虽然是最大数量，但却是高度稀疏耦合的微分代数 方程，适用于稀疏矩阵的方法高效求解。 2 4 2a d a m s 动力学方程建立 a d a j l | i s 中用刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即 1 5 太原理j 人学硕十研究生学位论文 q = x ，y ，z ，0 ，妒r ，令j r = 【工，y ，z 7 ，= 眇，0 ，州7 ，g 一 r 7 ，7 】7 。构件质心参考坐标 系与地面坐标系自j 的坐标变换矩阵为： 肚f 避孑! ：； - c o s u s i n 一s i n l z c o s o c o s # 一s i n 抄s i n e + c o sc o s o c o s 矿 s i n t ，c o s s i n f k s i n