（机械工程专业论文）轮式装载机工作装置设计与设计分析系统开发.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 本文结合国家8 6 3 计划项目“机电产品与系统模块化设计平台”，对轮式装载机工作 装置的变型设计、设计分析进行了研究，并设计开发了一个支持轮武装载机工作装置变型 设计与设计分析的系统。 第一章是绪论。通过文献阅读，综述并探讨了产品设计开发、优化设计相关理论及其 研究现状，探讨了相关技术，给出了论文的研究意义和主要内容。 第二章分别对轮式装载机工作装置设计与分析系统的集成需求、设计系统需求、设计 分析需求进行了分析，对系统的体系结构、功能模型、信息模型与数据库表等进行了设计， 给出总体设计方案。 第三章研究了在产品族模型的基础上的变型设计过程，主要完成产品配置设计、变型 设计和c a d p d m 系统集成的实现。 第四章分别对轮武装载机工作装置的关键部件一一动臂和铲斗进行了力学分析和有 限元仿真研究，以力学和仿真分析的结果作为优化设计的依据。 第五章在前几章设计的基础上开发了原型系统，并重点介绍了系统任务工具、产品族 变型设计工具( 产品建模工具、产品交型工具、产品配置工具) ，仿真校核工具等的实现。 最后对全文进行了总结，指出了需要进一步研究的内容。 关键词：设计优化，变型设计，事物特性表，轮式装载机工作装置，仿真校核 h 硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h et h e s i si sp a r to f t h ep r o j e c to f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t sa n ds y s t e m sm o d u l a r d e s i g np l a t f o r m ，w h i c hi st h e8 6 3p r o j e c t s w eh a v eas t u d yo nt h er e s e a r c ho fw h e e l l o a d e r w o r k i n gd e v i c ev a r i a n td e s i g n , d e s i g no p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dd e s i g na n d d e v e l o pas u p p o r ts y s t e mo ft h ed e v i c ev a r i a n td e s i g na n d s i m u l a t i o na n a l y s i so fw h e e ll o a d e r s t h ef i r s tc h a p t e ri sa l li n t r o d u c t i o n p a p e rr e a d i n g ，r e v i e wa n de x p l o r et h ep r o d u c td e s i g n a n dd e v e l o p m e n lo p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r ya n di t sc u r r e n ts i t u a t i o n ，a n dg i v et h es i g n i f i c a n c e a n dc o n t e n to ft h ep a p e r t h es e c o n dc h a p t e ri sd e v o t e dt ot h ew h e e ll o a d e rp r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，c a r r yo u ts t r u c t u r a ls t r e n g t hc a l c u l a t i o no ft h ew o r k i n gd e v i c ea n dt h ev a r i a n td e s i g n r e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，d e s i g nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o n a lm o d e la n di n f o r m a t i o nm o d e l a n dd a t a b a s et a b l e s ，a n dd i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g i e s t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e st h el o a d e rw o r k i n gd e v i c es t a t u sa n dt oc a r r yo u tt h e o p t i m i z a t i o no ft h ew h e e ll o a d e rw o r k i n gd e v i c ed e s i g ns y s t e m , i n c l u d i n gt h es m l - b a s e d v a r i a n td e s i g ns y s t e mf l o w , d a t af l o wd i a g r a m s ，c o n f i g u r a t i o na n dd e s i g no ft e c h n o l o g y c h a p t e rf o u rt a k e st h ek e yc o m p o n e n t so f t h ew h e e ll o a d e rw o r k i n gd e v i c e t h eb o o ma n d b u c k e tm e c h a n i c a lf o ra n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns t u d yt oa n a l y z ea n do p t i m i z et h e r e s u l t so ft h ed e s i g n c h a p t e rf i v ed e s c r i b e st h ep r o t o t y p es y s t e mw h i c hi sd e v e l o p e da f t e rt h ef u n c t i o nd e s i g ni n e a r l i e rc h a p t e r s s h o wt h eu s e ri n t e r f a c eo fm o d e l i n ga n dv a r i a n td e s i g ns y s t e mw h i c hi n c l u d e s p r o d u c tf a m i l ym o d e l i n gt o o l s ( m o d e l i n gp l a n n i n g ，m o d e l i n g ，m o d e lm a n a g e m e n t ) a n d v a r i a n tt o o l s ( p r o d u c tv a r i a n t ，p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n , m o d e ls e a r c h ) f i n a l l yas u m m a r yo ft h ef u l lt e x t , a n dp o i n t e d o u tt h en e e df o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：o p t i m i z e dv a r i a n td e s i g n , v a r i a n td e s i g n , c h a r a c t e r i s t i c s ( s m l ) ，w h e e l l o a d e rw o r k i n gd e v i c e ，s i m u l a t i o nc h e c k i n g i i i 硕士学位论文致谢 致谢 在导师潘晓弘教授、王正肖副教授的悉心指导下，我即将完成硕士论文的工作，两年 半的硕士生活即将结束。至此之际，由衷的感谢潘晓弘老师和王正肖老师在学业上合科研 上对我的精心指导，以及在生活上给予的亲切关怀。他们在工作和学 - j 过程中严谨的态度、 踏实的作风将在以后的生活中影响我的一生。我衷心的祝愿老师在以后的日子里身体健康， 工作顺利，事业更上一层楼。 在此，我还要感谢在一起愉快度过研究生生活的课题组成员，正是由于你们的帮助和 支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢张勇博士、钟 薇薇硕士、陈宾宾硕士、谭字思硕士、金浩淼硕士、郑禾硕士以及已经毕业的冯思宇硕士， 还有努力学 - j 的各位兄弟姐妹，是大家的融洽合作和互相帮助使我顺利完成了科研工作和 毕业论文。 在项目科研生活中，有很多可敬的老师、同学、朋友都给了我很多的帮助，在此对他 们表示感谢! 我还要特别感谢我的父母，是他们为了我的成长，辛苦一生，为我付出了太多太多。 正是他们所给予我的关爱，使我有无穷的力量来完成我的学业，并勇敢地面对所有困难。 感谢一切曾经关心、帮助过我、教导过我的人们! 最后，谨向百忙中抽出宝贵的时间来评审本论文的专家、教授、学者表示衷心的谢意! 硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 【本章摘要】本章介绍了论文的研究背景，对装载机设计、变型设计技术、设计 分析理论等国内外研究现状进行了综述，给出了论文的主要内容和组织结构。 1 1 研究背景 1 1 1 项目背景 本论文是对作者在国家8 6 3 计划项目“机电产品与系统模块化设计平台”( 编号： 2 0 0 9 a a 0 4 2 1 4 6 ) 中所承担的研究开发工作的总结该项目的主要内容包括五个方面： ( 1 ) 研究通用的模块化产品与系统设计方法； ( 2 ) 建立面向轮式装载机的基于i s 0 1 3 5 8 4 的模块库； ( 3 ) 建立面向轮式装载机的模块化设计知识库； ( 4 ) 建立面向轮式装载机产品的模块化设计支持系统； ( 5 ) 面向轮式装载机进行模块化实际应用。 本人在该项目中参与了轮式装载机产品的模块化设计支持系统开发，以及在广西柳工 机械股份有限公司( 以下简称柳工) 的应用工作，具体包括： ( 1 ) 研究开发一个变型设计系统，以支持轮式装载机工作装置的模块化设计。 ( 2 ) 建立工作装置重要零部件的设计分析系统，对变型设计的结果开展分析。 ( 3 ) 变型设计系统与柳工p d m 系统的集成，并开展应用。 1 1 2 轮武装载机简介 装载机是工程机械的一类，是国民经济建设和国防建设的重要装备。装载机是一种通 过安装在前端的一个完整的铲斗支撑机构和连杆，随机器向前运动进行装载或挖掘，以及 提升、运输和卸载的履带式或轮胎式机械。目前常见的是轮式装载机，广泛应用于建筑、 矿山、水电、铁路、公路等的施工现场和料场，可用于装卸散装物料、清理场地和物料搬 运，也可以进行轻度的土方挖掘，通过更换工作装置用于吊装、叉装、夹装物体和装卸原 木、草料等，具有灵活性强、用途多等特点。 轮式装载机主要由动力系统、驾驶室、车架、液压系统、工作装置、传动系统、制动 1 硕士学位论文第l 章绪论 系统、空调系统、电器系统、覆盖件等1 0 个系统或部件组成，图1 1 所示。 碍妒渺 图1 1 轮武装载机结构示意图 相对于轮式装载机的其它系统或部件而言，工作装置是变型最多部件之一，也是最容 易失效的部件。轮式装载机工作装置主要由铲斗、拉杆、动臂等组成，如图1 2 所示。 图1 2 轮式装载机工作装置主要结构 1 1 3 装载机的设计与生产现状 ( 1 ) 装载机工作装置的设计现状 上世纪8 0 年代之后迅速发展起来的集优化设计、可靠性设计、有限元分析、动态设 计及c a d 于一体的现代设计方法学，已经广泛地应用于工程机械的设计中。在国外，装 2 盈一。醚薯盘。鼍t 硕士学位论文 第1 章绪论 载机工作装置的设计已经不再是独立进行的一个部分，它更多的时候是和有限元分析相结 合使用。如美国人d l b a r t e l 和d c s w a r m 的前端式装载机动臂总成总体优化f 1 】便是典型 的成功范例之一。另外，卡特彼勒、日本小松( k o m a t s u ) ，以及意大利菲亚特阿里斯 ( f i a t a l l i s ) 等大型装载机的制造公司也都早在上世纪末成功地将优化设计、有限元分析 及c a d 现代设计理论与方法应用到了装载机工作装置设计中。 我国生产轮式装载机的历史已经有5 0 多年。期间主要经历了1 9 4 9 年以前的萌芽时期、 1 9 4 9 1 9 6 0 年的创业时期、1 9 6 1 年1 9 7 8 年的行业形成时期、1 9 7 9 - 1 9 9 1 年的引进消化吸 收时期、1 9 9 2 年至今的发展成熟时期【2 1 。目前，我国装载机的设计进入了独立研制和开 发各种机型的阶段，已形成了国产装载机行业开发、研制、设计、制造、维修的完整体系。 但是，我国的装载机行业的设计与制造还只是停留在国外9 0 年代的水平，与国外相比存 在一定的差距。 为了缩小和国外装载机设计制造水平之间的差距，自上世纪8 0 年代开始，国内一些 高等院校及研究单位广泛地开展了装载机工作装置的研究，包括“装载机工作机构的分段 优化综合法”、“装载机工作装置计算机运动模拟”、“装载机工作装置计算机辅助设计”、 “装载机工作装置设计专家系统”、“装载机工作装置c a d 系统的研制与平面连杆机构可 动性及分支问题的研究”、“轮式装载机工作装置优化设计与c a d 初探”、“轮式装载机c a d ” 笙笙f 2 】 寸1 r o ( 2 ) 装载机的生产模式 在生产组织上，我国大多数轮式装载机企业主要采用面向库存生产( m t s ) 的生产方 式，一些订单产品采用面向订单装配( a t o ) 生产，少量采用面向订单制造生产( m t o ) ， 很少面向订单设计( e t o ) 的生产 3 1 1 4 1 5 】1 6 】【7 1 柳工集团目前主要采用面向库存生产和面向订单装配相结合的生产模式，同时根据订 单对轮式装载机特别是变化较为频繁的工作装置进行设计。由于客户对轮式装载机需求变 化较多，往往需要根据订单要求设计新的工作装置和其它零部件，表1 1 给出了柳工集团 目前轮式装置机的设计周期。 表1 - 1 柳工集团目前的设计周期 编号订单类型设计重点设计周期备注 换不同铲斗5 7 天新设计要求的 a现有配置组合 增加功能( 集中润 1 0 1 5 天零部件 硕士学位论文第1 章绪论 滑、抱叉等) 已有物料号 数据组、财务 b 已有机型 3 5 天 需检查现有数 没有物料号 据是否完整 需合同评审的订按合同评审结 c全新设计1 2 月 单果执行 随着市场竞争的加剧和海外事业的发展，柳工集团已经意识到现有生产模式的不足， 需要引入模块化和变型设计技术以缩短产品的设计周期，并降低产品的生产成本，从而提 高对客户需求的响应能力【8 】【9 1 【1 们 1 2 国内外研究现状 结合项目的工作，下面主要对轮式装载机工作装置的变型设计、仿真分析以及 c a d p d m 集成技术等国内外相关研究现状进行综述。 1 2 1 变型设计技术 ( 1 ) 变型设计概念 变型设计是指，在原有零部件模型的基础之上，通过改变模型的特定参数来设计出外 形相似的零部件，而其本身零部件的基本功能和主要结构不会发生变化。此类设计的特点 是以客户的设计要求为依据，以已有的零部件模型或者已有的变型零部件实例为基础，以 改变零部件的特征参数为主要手段，快速有效地设计出满足客户需要的产品。变型设计实 现了企业现有资源的最大化利用，实现了工作人员工作量的最小化，大大缩短了产品设计 周期，提高了制造企业的市场竞争力。 长期以来，学术界都存在着关于变型设计可以应用以及实际应用的程度和范围的争论 s t u t zj 等指出，在机械产品设计中大约有3 0 的设计可以归类为变型设计的范畴，p r e b i l i 【1 1 】1 1 2 】等则指出，大约有7 0 左右的产品设计是属于变型设计范畴。可以看到，学术界对 于变型设计程度和范围的争议，其实局限于变型设计范围的量化上，而有一点普遍的认识 是可以从争议里被提炼出来的，这就是，机械产品设计完全能够通过变型设计来实现。 ( 2 ) 变型设计理论方法 4 硕士学位论文 第1 章绪论 学术界早已就产品设计这一过程进行分类。对于产品设计的划分，最早可以追溯到 p a h l 和b e i t z 时期。他们把产品设计大致分为了三类：适应性设计( a d a p t i v ed e s i g n ) 、创 造型设计( o r i 酉n a ld e s i g n ) 、变型设计( v a r i a n td e s i g n ) 0 3 1 。一般情况下，变型设计指的 是在不改变原有产品的基本原理和基本结构特征的情况下，提取已存在的设计规划，通过 特定的修改来生成一个和原设计相类似的新产品【1 4 】【1 5 1 。经过长期的理论与实践相结合，变 型设计的整体理论已经相对成熟，只是在如何实践，即实现变型设计的方法上，存在很多 不同。通过整理研究，目前变型设计主要有以下几种理论方法： 1 ) 基于特征的变型设计理论【1 4 1 基于特征的变型设计是指通过实例化和自动维护一系列的特征，从而达到所需要产品 的变型设计的目标。这一过程通常会和参数化设计相结合。特征设计是一种以设计和制造 的全过程为面向对象的产品模型方案，它以几何模型为基础，包括了零件和部件设计以及 生产过程所需要的各种信息。 由这一理论，设计者抛开了传统的抽象的以几何点、线、面f 1 4 】的方式来设计产品，而 是通过对常见的形体的组合，如：槽、筋、键槽、凸台等来进行产品设计的完成。 2 ) 基于参数化设计以及变量设计方法的变型设计理论 参数化设计以及变量化设计主要有两个实现过程，一是以参数为约束，约定所需设计 对象的主要尺寸关系，二是借助参数的作用驱动对象变型。两种设计方法略有不同：参数 化设计需要在一定顺序下进行相应约束求解，而变量化设计的求解自由度大，没有顺序制 约。生产中常用的系列化、标准化设计就是属于参数化和变量化这一类型【1 6 】【17 1 。 3 1 基于实例推理技术( c b r ) 的变型设计理论 基于实例推理技术是由英国剑桥大学s c h a n k 教授【1 8 】首次提出的一种人工智能方法， 这一方法以类比推理为过程，适用于机械类产品的再设计其核心是利用一些成功的经验 进行设计问题的求解。根据机械设计产品的产品特征以及特殊的设计要求，按照一定的相 似度，在预先存入了大量已有成功事例的实例库里检索相关实例，再进行修改、组合和后 续处理，最后形成了新的机械产品设计方案。同时这一新生设计方案又作为新的实例加入 到实例库中 基于c b r 的设计过程有四个具体步骤【1 9 i 2 0 1 ： 提出问题：根据要解决的设计问题，设定初始条件及其它相关信息； 提取实例：根据已经提出的设计问题要求及设定的初始条件，对当前实例库 硕士学位论文第1 章绪论 进行检索，得到一组和当前设计问题相似的实例集； 修改实例：对从实例集中找出的最相似实例进行修改，或者通过对多个相似 实例进行修改，组合，以形成目标设计问题的解决方案，满足设计问题的要 求； 存储实例：在生成新设计方案并初步验证之后，将这一方案作为新的设计实 例存到实例库里。 从c b r 的推理过程可以看出，基于实例的推理过程借鉴了人类在解决问题时的基本思 路【1 9 1 【2 0 1 。每当人类面对一个全新的问题时候，最初想到的是以前有否碰到过相类似的问题， 并且用以前处理这一类问题的经验来认识和解决。同样的道理，在设计的过程当中，人类 主要利用了特定的设计经验去确定相应的设计方案，避免采用计算机编程设计来生成设计 方案的模式。基于c b r 的优化变型设计最为基本的流程和人类对全新问题的认识过程是相 一致的。c b r 的推理技术和规则推理、模型推理的推理机制不同，它最终克服了传统推理 系统的低学习能力以及难以维护的缺陷【2 1 1 1 2 2 】【2 3 1 。 浙江大学的江力、孙守迁等【2 4 】针对变型设计的基本特点，提出了以基于实例的推理为 基础，综合运用规则推理和约束满足方法来完成产品的变型设计活动。 4 ) 基于事物特性表技术( s m l ) 的变型设计理论1 2 5 】 基于事物特性表技术的变型设计，是指在已有产品库的基础上，根据优化设计目标， 改变产品事物特性表中的相应特性值而得到所需相似产品的设计方法； 零部件事物特性表参数的选择遵循以下原则 2 s 1 ： 表中的特性参数应能全面而清楚地描述零部件的特性，i 特性参数的数量应尽可能少，但能区分出两个不同的零部件； 只须将变型设计所需的可变参数列入表中； 零件事物特性表的选择侧重于几何尺寸、精度及材料等信息；部件事物特性 的选择侧重于装配尺寸、配合精度等信息 浙江大学的杨志雄【2 6 】采用事物特性表对零件进行描述，研究了面向大规模定制的w e b 零件库的构建方法；吴扬东【2 7 】对基于事物特性表的主结构参数设计原理进行了研究；顾巧 祥【2 8 1 对如何在参数化c a d 中创建产品主模型、如何建立产品的事物特性表进行的探讨， 对产品事物特性表类对象的层次结构进行了分析，增加了事物特性表的表头集合类 ( s m l p r o s s e t ) 和表行集合类( s m l i n s s e t ) ；张燕提出了基于事物特性表的标准件库的建 6 硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 变型设计的支撑工具 变型设计，作为产品设计的优化过程中最重要的实现手段，支撑它的工具主要分为两 块，分别是变型设计的信息工具和建模工具。 1 ) 变型设计的信息工具一一c a d 系统 产品信息可分显式和隐式【2 9 】两类：显式信息用图纸、文档等描述产品设计最终结果的 物化形式，如形状、尺寸、材料和加工方法等；另一种是在产品开发过程中，即从抽象的 概念到具体结构的实现过程中，需要应用大量的知识和规范，需要进行许多计算和选择， 需要对各种信息进行提取和加工，这些大量蕴含在物化过程中的信息称为隐式信息。对隐 式信息进行抽象和归纳，可得到多种关系。恰恰是这些关系的存在和发现，才能保证变型 设计的正确、快速和合理。关系型产品模型以变型产品开发过程中的种种关系为核心，能 最大限度地利用企业已有的产品资源而成为能支持富有竞争力的快速响应设计策略的最 有力工具p o 】。要建立可重用的关系型产品模型，必须要选择一个合适的、支持参数化、变 量化设计的c a d 系统。 传统c a d 系统的数据结构中仅保存图素的几何信息，而对图素间的各种约束关系没 有记录。如一条线段的创建方式有多种，无论何种方式，在系统的数据结构中保存的仅仅 是线段的两个端点的坐标值【3 。而在面向对象的关系数据模型中，系统数据结构记录的是 图素的创建方式和创建依据，这样，图素类型、创建方法及构建参数都得以保存。系统按 面向对象的方式组织相关的动态算法，当改变一个因素时，动态算法按数据结构中保存的 关系，自动修改相关的其它因素，使其符合设计者的意图。关系可以在任何复杂的图素之 间建立，分为过程关系和数值关系两种，过程关系记录了图素的创建类型，数值关系记录 了对象间的取值关系，还可建立因素与事物特性表之间的关系。关系是保证产品快速、准 确变型的基础。 面向对象的关系型c a d 系统，采用变量化设计技术，具有表示和维持各种设计关系 的能力，支持从概念设计到详细设计的新设计过程，也支持自底向上的变型设计过程，可 以利用其强大的关系表达能力，配合事物特性技术来完成对企业已有产品资源的信息化重 组，这些产品资源是企业最为宝贵的智力财富。关系表示和事物特性技术不仅是产品资源 合理化重组的重要手段，也是保证产品资源能被充分利用的重要手段。 2 ) 变型设计的建模工具一一事物特性表技术【3 2 1 3 3 1 【3 4 1 1 3 5 1 3 6 硕士学位论文 第1 章绪论 事物特性表【3 7 1 【3 8 ( m b u l a r l a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ) 是指表征产品( 包括部件、零件) 的功能、几何、制造等事物特性，并以固定格式表的形式反映出来的信息集合【3 9 】【4 0 】 4 2 1 。 事物特性表定义了从对象组中表征和区分某个对象的决定性特性，规定了特性数据的表示 格式，使产品的特性数据能够方便地在不同的系统之间交换。在g b t 1 0 0 9 1 1 事物特性 表定义和原理中明确规定了事物特性表的格式，如表1 2 所示。 表1 2g b t 1 0 0 9 1 规定的事物特性表的结构示范 事物特性表由表行和表列构成。表1 中第三行a - j 分别代表事物的9 个特性( 不用字 母i ) ，第四行给出了事物特性的名称。表中的每一个表行代表一个具体的形状特征或零部 件；表列是构建事物特性表( 表头) 的对象，存放着单位和表列的取值范围等，表列宽度也 在此被确定。 在产品的不同层次上，事物特性表描述不同的内容。如在零件层次上，它描述零件的 几何特性；在装配层次上，它描述哪些对象参与装配以及各对象的基准定位点。事物特性 表还可以表达各种对象之间的关系。由于事物特性表存储着产品主模型的各个实例化对象 和它们之间的关系，所以，可以通过事物特性表来实现产品的交型设计。所谓产品主模型 是指在c a d 系统中，将产品的几何图形表示成参数化的变型模型。通过给参数赋不同数 值，可以从主模型中派生出所希望的产品实例。 基于s m l 的变型设计是在原有产品基础上，通过改变事物特性表中的特性值而得到 相似产品的设计方法。根据用户或设计人员的需要由用户或设计人员输入零件的主要参数， 借助于事物特性表驱动参数化c a d 系统中产品零部件主模型的参数表，从而快速地、及 时地生成满足用户要求的个性化产品零部件图纸，以实现零件的快速变型设计。零件的交 型设计过程如图1 3 所示： 8 硕士学位论文 零件变型设计 主几何模 型库 主工程图 库 图1 3 零件变型设计过程图 建立事物特性表的主要目的是构建能够进行参数和尺寸关系变型的积木块产品系统， 支持有效地检索和变型设计。一个合理的事物特性表，不仅可以方便地进行产品的变型设 计，而且能够有效地实现下游过程的变型响应。 1 2 2 装载机工作装置设计分析技术 关于装载机工作装置载荷及强度计算的方法，已有很多的研究和论述，如求解无约束 优化问题的一维搜索法、坐标轮换法、p o w e l l 法，牛顿法和变尺度法等；求解有约束问题 的随机方向搜索法、复合形法、优选法、可行方向法以及约束变尺度法等直接解法和惩罚 函数法等间接解法，但基本上都是基于典型工况方法1 2 1 1 4 3 1 1 4 4 1 1 4 5 1 。由于装载机工作装置作业 速度比较低，试验结果表明静应力测试值与动态测试的高峰值很接近，所以钢结构的强度 分析主要采用静强度法，因此确定结构的最大应力或最危险载荷成为结构设计的关键。一 般当装载机铲斗平置地面，铲斗油缸铲起时，在切削刃部的铲起力最大，所以普遍认为在 这一位置时工作装置钢结构的应力可能也最大。另外按照作业方式的不同以及铲土阻力的 作用位置不同( 对称载荷和偏载) ，又分为若干种载荷型式，多数认为铲斗偏载情况下插 入与转斗复合作业时工作装置钢结构的应力最大，因此将这一作业位置和载荷工况作为工 作装置钢结构强度计算的典型工况，但在具体选取哪一种载荷工况更符合实际的问题上存 在着不同看法。 复合形法作为工程优化设计问题中最为常用的优化算法，一直被机械工程工作者沿用 9 硕士学位论文 第1 章绪论 至今。复合形法的基本思路是：在可行域内建立一个复合形的多面体，它由，z + l k 2 刀 个顶点构成，通过对各个顶点的目标函数值进行比较，从而找出目标函数值最大的那个最 劣点，然后通过沿着最劣点和复合形顶点的几何中心点连线方向进行一维的搜索，找出约 束条件内的能够使得目标函数值下降的点作为新的最劣点，并形成新的复合形，以此反复 进行，直到复合形收缩到足够小，此时可以将复合型顶点中的最优点或者最后一轮迭代形 成的复合形几何中心点作为近似最优点输出。 复合形法算法过程可以分为三个部分：构造初始复合形；调优过程；判断收敛。 ( 1 ) 构造初始复合形。初始复合形结构的构造决定了调优计算的成败根据优化目 标的维度不同，构造初始复合形的方法主要分为三种，即 在维数较低的时候，k 个可行点全部由设计者提供。这种方式的优点是收敛 很快； 给定一个初始点之后，其余k 1 个点随机产生。这一方式用于具有可参考方案 的开发设计或者某一个可行方案已知的改进设计中； 复合形的k 个顶点全部由随机产生。这一方法适用于维数较高、约束函数复杂 的优化计算中，和第一种方法相对应的，这一方法的收敛速度相对较慢。 ( 2 ) 调优过程。调优过程也称迭代格式，步骤如下f 4 6 】： 计算复合形k 个顶点各自的目标函数值，找出相应的最坏点x h 、次坏点x g 以及最优点x l ； 求出了最坏点x h 之外的其余各顶点的几何中心点x s ： 2 ( 击) 争“ ，胡 检验x 幅是否在可行域之内。若在则直接进行第三个步骤。若不在则以x l 为第一 个顶点重新构造复合形。得到新的区间边界： i = 1 ，2 ，刀) 重构复合形后转1 ) ，直至x s 可行。 沿x h 和x s 连线方向求映射点x r ： x ( 足) = x s ) + 口伍( 翻x ( ) ) 其中，口为映射系数，可以取口= 1 3 。 l o x x 汉k 虿 一 = = 历阢 硕士学位论文第l 章绪论 如果x 限此点不可行，则转入第四个步骤；否则，计算并且比较f ( x 限) 和f ( x h ) ，如果f ( x r ) 羽( x ( ) 则转入第四个步骤，否则就用x r 代替x m ，完成一次迭 代。 缩短步长或者改变搜索的维度方向。如若映射系数口大于事先预定的很小的正 数，则另口= 口2 ，返回第三个步骤。若口，则说明此搜索方向没有比较好的点，改变 搜索方向进行搜索。 ( 3 ) 判断收敛。反复进行上述迭代，并在每一轮调优迭代结束的时候进行判断收敛， 如果使得复合形收缩到满足： r 【专( f ( x ) f ( x ) ) 2 】l 2 & lj = 1 则终止迭代，x l 为最优点。 1 2 3c a d p d m 系统集成技术 ( 1 ) p d m 、c a d 系统功能 产品信息管理( p d m ) 【4 7 1 1 4 8 1 1 4 9 1 5 0 】【5 1 1 作为企业的产品信息管家一一对产品本身信息( 零 件信息、文档、c a d 文件、配置结构等) 以及产品制造过程的管理一一需要满足企业生 产过程的各方面需求，包括了文档管理、物料管理、工艺管理、变更管理、权限管理、工 作管理、项目管理、即时通讯管理等功能。p d m 系统以硬件服务器与网络设备为平台， 包括了操作系统及数据库。其主要功能模块如图l _ 4 所示。 图1 - 4p d m 主要功能模块 l l 硕士学位论文第1 章绪论 p d m 的诸多功能中，以“甩图板工程”为最显著象征的和技术部门的交互功能即是 p d m 系统和c a d 系统交互实现快速有效设计过程的功能。c a d 系统在p d m 系统关于车 间、仓库、客户等多方面的需求的约束下，通过技术人员的技术考量最终在计算机上以 c a d 图的方式得以实现。c a d 系统的这一产品设计实现过程尤其以变型设计最为典型和 高效。如图1 5 所示为p d m 支持下的变型设计设计过程。 图1 5p d m 支持下产品设计过程 ( 2 ) p d m c a d 系统集成接口 严晓光【5 2 】等曾对p d m 和c a d 的集成进行了研究，将事物特性表( s m l ) 技术与参 数化c a x 技术相结合，实现了产品造型的变型和工艺的变型【5 3 】【5 4 1 。 如前- j j , 节所述，c a d 系统是用来辅助产品设计的工具，p d m 系统是用来管理所有 与产品相关信息和所有与产品相关过程的工具。目前企业在产品设计中已广泛使用c a d 系统进行辅助设计，使用p d m 系统进行辅助管理，但是大部分企业的c a d 系统和p d m 系 统是独立运行的，系统之问的数据传递依靠人工，这样大大降低了产品设计效率，使得企 业难以适应快速变化的市场需求5 5 1 。 系统集成框架模型产品设计时在c a d 系统和p d m 系统之间传递的数据主要包括表 示产品结构的产品结构信息以及与产品结构信息相关的图文档数据【5 6 1 。其中相对于二维 c a d 系统和三位c a d 系统来说，与p d m 系统的集成有着一定的区别。但是总体来说， c a d 系统和p d m 系统之间的信息流是双向的，而且不论是二维的c a d 系统还是三维 c a d 系统，和p d m 系统交互的过程中都包含了产品结构信息或者说产品设计b o m 的内 硕士学位论文第1 章绪论 容。c a d 系统与p d m 系统的集成结构如图1 - 6 所示【5 7 1 5 8 1 。 图1 - 6p d m 与c a d 集成总体结构 1 3 论文研究内容与组织结构 1 3 1 主要研究内容 勺 口 至 系 统l 当前的制造类企业为了节约设计成本，快速响应客户的需求，必然要求推进规范化、 标准化的工作，以实现对企业已有的设计资源进行最大化的利用，这就对设计研发部门在 企业信息化进程方面提出了新的要求。基于此，本文结合了国家8 6 3 项目( 编号： 2 0 0 9 a a 0 4 2 1 4 6 ) “机电产品与系统模块化设计平台”开展了产品平台下变型设计及仿真工 作的研究，主要研究内容有： 1 ) 针对企业的主导产品一一轮式装载机，利用三维c a d 支撑软件( 本文主要使用 p r o e 5 0 ) 所提供的开发工具，开发支持标准化、系列化和模块化设计的轮式装载 机工作装置变型设计系统。 2 ) 选择的机械产品优化设计方法，对轮式装载机工作装置进行设计分析，并在变型 设计完成以后对所得到的实例进行仿真分析，从而实现对轮式装载机工作装置的 优化设计 3 ) 研究并实现模块化设计平台下p d m 系统和c a d 系统的集成，设计模块和设计分 析模块的集成，最终形成完整的轮式装载机设计与分析系统。 硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 2 论文的组织结构 论文结合项目工作，主要研究开发了轮式装载机工作装置的变型设计与仿真分析系统， 论文结构及各章节内容如图1 7 所示。 绪论 轮式装载机工作装置设计与分析系统总体设计 轮式装载机工作装置。 轮式装载机工作装置 设计模块的开发 ：设计分析模块的开发 一 i 二_ 轮式装载机工作装置设计与分析系统实例： 图1 7 论文的主要内容结构图 第一章明确了论文的研究背景和内容，介绍轮式装载机设计以及变型设计理论的国内 外研究现状，介绍并探讨工作装置的设计分析技术，最后介绍了p d m 、c a d 系统接口实 现的研究。 第二章研究了工作装置设计与分析系统集成、设计系统以及设计分析的需求，得到了 轮式装载机设计分析系统的总体需求分析，并对系统进行主要功能分析，建立交型设计系 统的总体功能模型，同时建立设计与分析系统的支撑数据库。 第三章对基于s m l 的轮式装载机工作装置设计模块的开发与实现进行了研究。分析基 于轮式装载机产品族模型的配置设计过程以及变型设计过程，分别画出各自的数据流图以 及功能结构图。对产品平台下变型设计系统和p d m 系统交互的开发与实现进行了研究。分 析说明产品平台下变型设计系统和p d m 系统的职能，对变型设计过程中的交互进行相关研 究，并最终实现c 仙p d m 集成。 第四章对轮式装载机工作装置设计分析模块的开发与实现进行了研究。分析轮式装载 机工作装置产品主要失效模式。在分析数据的基础上，对轮式装载机工作装置进行仿真分 析，并基于仿真结果进行相应的优化设计 1 4 硕士学位论文 第1 章绪论 第五章在之前研究设计的基础上开发了原型系统。系统介绍了建模及变型设计任务管 理工具、产品建模工具、产品变型工具、产品配置工具等功能的实现。同时介绍了设计结 果仿真校核和优化设计过程的实现。 最后对全文进行了总结和展望。 硕士学位论文第2 章轮式装载机工作装置设计与分析系统总体设计 第2 章轮式装载机工作装置设计与分析系统总体设计 【本章摘要】简要介绍了轮式装载机工作装置及设计特点，进行了系统集成、设计系 统、设计分析系统的需求分析，开展了轮式装载机工作装置设计与分析系统的总体设计。 2 1 工作装置设计与分析系统的需求分析 2 1 1 系统集成的需求 工作装置设计与分析系统是轮式装载机模块化设计系统的组成部分，需要与模块化设 计系统、p d m 系统进行集成。 轮式装载机模块化设计系统主要由模块化产品族管理、零部件库管理、模块化产品配 置设计、产品变型设计等子系统构成。根据轮式装载机产品的特点，产品变型设计系统重 点需要支持轮式装载机工作装置的变型设计。一台轮式装载机典型地由工作装置、空调系 统、驾驶室、传动系统、柴油机、车架、制动系统等组成，基于模块化技术的轮式装载机 产品主结构如图2 1 所示。 图2 - 1 轮式装载机模块化配置结构图 1 6 硕士学位论文第2 章轮式装载机工作装置设计与分析系统总体设计 轮式装载机的整体产品设计是通过各种选择规则，进行模块化的选择，最终得到需要 的轮式装载机成品。而这种选择规则的制定，可以是技术要求的规范化限定，也可以是客 户要求的灵活限定。其中选择规则r 1 表示根据客户的需求对于装载机的内置空调系统可 以考虑取消或者添加均可。而选择规则r 2 则根据具体的装载机的技术参数要求，以及生 产成本等诸多因素的综合考虑，来进行“其一”的选择，柴油机是必备的配件，而具体采 购什么型号或者哪家公司生产的柴油机就按规则来选择。选择规则i u 则是考虑生产以及 使用时技术参数要求来进行选择。 模块化配置能够满足装载机的总体设计，但仍尚有部分零部件需要进行更改，特别是 工作装置( 包括铲斗) ，需要根据客户需求进行进一步设计。 2 1 2 工作装置设计系统的需求 为了支持装载机工作装置新的设计过程，实现快速设计，工作装置设计系统的主要需 求为产品的配置设计和变型设计。为了支持这两项内容，需要对这两项内容的支持要素进 行相应的分析。 配置设计，在轮式装载机工作装置进行模块化设计的基础上，通过模块建模和产品族 建模，构建内置规则的产品主结构。在模块库和产品主结构完成的基础上，通过配置工具 来完成配置，同时，能够对生成的模块、产品主结构以及配置完成后的定制b o m 进行管 理。 变型设计，需要在与已有的p d m 系统和c a x 系统集成的基础上，建立相应的模块 模型，同时能够对模型库进行管理。 因此，构建轮式装载机工作装置设计系统所需要的功能： ( 1 ) 建立相应的模块库，模型库，在和c a x 、p d m 集成的基础上建立模块建模工 具和变型设计工具； ( 2 ) 建立并管理产品主结构； ( 3 ) 建立配置工具，通过和p d m 系统的集成实现产品的配置设计过程。 2 1 3 工作装置设计分析的需求 轮式装载机的工作装置主要包括铲斗、拉杆以及动臂，因为其在装载过程中的工作效 用不同，所受的应力以及形变位移等情况会有所不同。但是这三个部件各自的使用状况， 寿命情况都会直接影响到整个工作装置的使用和寿命。因此在对轮式装载机工作装置其结 1 7 硕士学位论文 第2 章轮式装载机工作装置设计与分析系统总体设计 构进行变型设计后，需要对变型设计的结果进行仿真模拟分析。 铲斗是装载机的三大工作装置部件之一，是工作过程的主要承载件。在装载的过程中， 铲斗的主要承受外力既直接又巨大。根据装载的对象不同，尤其当装载对象是岩矿类砂石 时，铲斗的直接磨损是非常激烈的。除此之外，铲斗的强度和变型状况也会有相应的要求。 当然，铲斗的强度和变型状况受到不同环境影响较大。总之，铲斗的结构性能，即铲斗的 设计对装载机的工作有着非常重大的影响。 拉杆，作为轮式装载机主要承载部件之一，在应用到工程施工中时，由于结构在工作 中一直处于比较高频率的振动状态，并且它所承受的动应力振动幅度也比较大，因此很容 易出现疲劳甚至破损的现象。装载机工作装置最早的设计方法，是在结构自身特定固有频 率、阻尼系统以及模态振型不知道的情形下，依据材料力学与结构力学能静态力学知识进 行相应设计。很显然，这种传统方法无法计算动载荷的作用情况。拉杆子最初的设计也是 如此，只是以装载的工作为主要因素。在冲击器的加入之后，拉杆的受力情况，因为工作 环境由静态变成高频振动而发生改变。为找出拉杆的应力峰值部位，寻求应力、位移等特 性，避免各部件间的共振损坏工作装置，对拉杆真实工作过程的力学分析就显得非常必要。 动臂同样也是装载机工作装置的重要部分，它的刚度与强度以及动态特性都直接影响 着装载机工作装置的性能和寿命。对动臂进行有限元模态分析，并以此为基础，对装载机 工作装置进行振动特性分析、振动故障诊断以及结构动态特性的优化设计过程，在改善改 进装载机工作装置的性能，延长其使用寿命方