（机械制造及其自动化专业论文）挖掘机工作装置结构分析及运动学仿真研究.pdf

摘要 摘要 在当今经济全球化、市场竞争日趋激烈的时代，在新产品的开发时间逐渐 缩短的同时，产品质量成为企业能否在激烈的市场竞争中取胜的关键因素。而 传统的产品设计过程过于依赖设计者的经验，需要查阅大量的设计手册，尤其 是对于相似产品的设计，重复计算、建模等工作量很大。另外，标准件重复造 型的问题也一直困扰着产品开发人员，这些都严重影响了产品的设计质量和效 率。挖掘机作为一种高效的施工设备，在当今中国大规模的现代化建设中发挥 着重要作用。但其在不同工况下的特殊结构要求给设计工作带来了严峻的挑战。 因此，传统的设计方法已很难满足设计、生产的需要，只有将高更好的设计思 想和设计人员的经验知识融入到整个系统设计当中，才是企业实现快速设计的 最佳方案。 正是基于此，本论文以挖掘机工作装置设计为例，在分析传统挖掘机设计 方法的基础上，引入了基于自顶向下的设计理念，旨在利用功能分析的方法支 持产品从概念设计到详细设计的整个产品设计周期，通过对产品设计周期的知 识管理和知识重用方法提高产品设计能力，从而缩短产品开发周期，节约开发 成本。同时本文利用a n s y s 软件对所选模型进行强度可行性有限元分析，在此 基础上应用a d a m s 虚拟样机技术进行仿真分析，从而进一步优化挖掘机工作 装置各部分参数。通过一系列分析，用户可以建立自己的产品知识库系统，以 后设计时将系统中的数据作为经验数据予以直接调用，从而实现产品的快速并 且稳健的开发与设计。本文所述开发及研究方法，大大提高产品的设计效率和 设计质量，具有实用价值和可扩展性；同时本文的研究有利于推动和促进c a d 技术和知识管理系统在企业的深入发展和应用。 本论文的主要研究内容有： ( 1 ) 分析和总结目前自顶向下方法设计技术的研究现状，探讨将该思想应 用到挖掘机工作装置设计中的可行性。 ( 2 ) 在分析传统材料力学方法强度校核的基础上，提出挖掘机工作装置有 限元分析方法。 摘要 ( 3 ) 通过有限元分析，对工作装置进行结构优化。 ( 4 ) 对优化好的结构进行动力学仿真分析。对有限元分析结果进行评判， 并进一步优化各性能参数。 ( 5 ) 总结两次分析，得出结论，并将有限元分析和动力学仿真分析中发现 的最初设计缺陷反馈到最初设计阶段，形成知识体系。 关键词：动臂，斗杆，铲斗，仿真，优化，知识工程 i l a b s t r a c t a b s t r a c t i nt o d a y se c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，t h ei n c r e a s i n g l yf i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o no f t h et i m e s ，t h ed e v e l o p m e n to fn e w p r o d u c t sg r a d u a l l ys h o r t e n st h et i m e a tt h es a n l e t i m e ，t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t sb e c o m e st h ek e yf a c t o rf o rt h ee n t e r p r i s e si nt h e i n t e n s em a r k e tc o m p e t i t i o n 。a n dt h et r a d i t i o n a lp r o d u c td e s i g np r o c e s sr e l i e dt o o m u c ho nt h ee x p e r i e n c eo ft h ed e s i g n e r s ，n e e da c c e s st oal a r g en u m b e ro fd e s i g n m a n u a l ，e s p e c i a l l yf o rt h ed e s i g no f s i m i l a rp r o d u c t s ，d o u b l ec o u n t i n g ，m o d e l i n g ，a n d o t h e rh e a v yw o r k l o a d i na d d i t i o n ，t h es t a n d a r df o r mo ft h ed u p l i c a t eh a sb e e n p l a g u e dw i t hp r o b l e m sp r o d u c td e v e l o p m e n t ，t h e s eh a v eas e r i o u si m p a c to nt h e d e s i g nq u a l i t ya n de f f i c i e n c y e x c a v a t o r sa sah i g h l ye f f i c i e n tc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ， i nt o d a y sl a r g e - s c a l em o d e r n i z a t i o no fc h i n ai sp l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l e h o w e v e r , i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h es p e c i a ls t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t sf o rt h ed e s i g nw o r kh a s b r o u g h ts e v e r ec h a l l e n g e s t h e r e f o r e ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o dh a sb e e nd e s i g n e dt o m e e tt h ed e s i g n ，p r o d u c t i o nn e e d s ，o n l yt ot h ed e s i g no fh i g ht h i n k i n ga n db e t t e r d e s i g no ft h ee x p e r i e n c eo fk n o w l e d g ei n t ot h ed e s i g no ft h es y s t e ma saw h o l e ，i st h e b e s ts o l u t i o nf o rt h ee n t e r p r i s e st oa c h i e v er a p i dd e s i g n i ti sp r e c i s e l yb e c a u s eo ft h i s ， i nt h i sp a p e r , w ec h o o s ee x c a v a t o rd e s i g na sa ne x a m p l e o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s o ft r a d i t i o n a le x c a v a t o r s ，b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft o p d o w nd e s i g nc o n c e p t ，t h i s p a p e ra i m e da tt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ef u n c t i o n a la n a l y s i st os u p p o r tp r o d u c t sf r o m c o n c e p td e s i g nt ot h ed e t a i l e dd e s i g no ft h ep r o d u c td e s i g nc y c l e t h r o u g hp r o d u c t d e s i g nc y c l eo fk n o w l e d g em a n a g e m e n ta n dk n o w l e d g er e u s em e a n st oe n h a n c e p r o d u c td e s i g nc a p a b i l i t y , s oa st os h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，s a v i n g d e v e l o p m e n tc o s t s a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ru s e da n s y s s o f t w a r eo ns e l e c t e d m o d e l st oa n a l y z et h es t r e n g t hf e a s i b i l i t yo ff i n i t ee l e m e n t o nt h eb a s i so ft h i s ，w e a p p l yv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya d a m s t od os i m u l a t i o na n a l y s i st of u r t h e r o p t i m i z es o m ep a r a m e t e r so f t h ee x c a v a t o rd e v i c e t h r o u g has e r i e so fa n a l y s i s ，u s e r s c a nc r e a t et h e i ro w l lp r o d u c tk n o w l e d g e - b a s e ds y s t e m a f t e rt h a t ，t h ed a t ai nt h e s y s t e mc a nb eu s e da sad i r e c te x p e r i e n c eo fd a t at ob ec a l l e ds oa st oa c h i e v es o u n d i i i a b s t r a c t a n dr a p i dp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dd e s i g n t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c hm e t h o d s ，w h i c hc a l lg r e a t l yi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c td e s i g na n d d e s i g nq u a l i t y , t h e r ea r ea l s op r a c t i c a lv a l u ea n ds c a l a b i l i t yf o rt h e s em e t h o d s a tt h e s a m et i m e ，t h i sp a p e ri sc o n d u c i v et op r o m o t i n gt h es t u d ya n dp r o m o t i o no fc a d t e c h n o l o g ya n dk n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e m s i n e n t e r p r i s e sa n di n - d e p t h d e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n s t h em a i nt h e s e so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z e da n ds u m m e du pt h ec u r r e n tt o p d o w na p p r o a c hd e s i g nt e c h n o l o g y o ft h es t a t u sq u o ，t oe x p l o r et h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt h i si d e ao nt h ed e s i g n o fe x c a v a t o r sw o r k i n gd e v i c e ( 2 ) o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h es t r e n g t hc h e c k i n gu s i n gt h et r a d i t i o n a l m e c h a n i c a lm e t h o d ，w ep r o p o s em e t h o d sf o rt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f e x c a v a t o rd e v i c e ( 3 ) i nu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，w eg e ts t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f d e v i c e s ( 4 ) d od y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i so nt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e r e s e a r c ht h e r e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n df u r t h e ro p t i m i z et h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ( 5 ) s u mu pt h er e s u l to ft w or e s e a r c h ，d r a wc o n c l u s i o n so ff i n i t e e l e m e n t a n a l y s i sa n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i st of i n dt h ei n i t i a ld e s i g nf l a w s ， t h e nf e e db a c kt ot h eo r i g i n a ld e s i g ns t a g e ，t of o r mt h ek n o w l e d g es y s t e m s k e yw o r d s ：b o o m ，a r m ，b u c k e t ，s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为e l 的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：石国t 苏 1 确j 年( 只| 名e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：杏i 勺、象 7 咖d 年月日 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 自上世纪9 0 年代以来，随着以计算机技术为主的信息技术的发展，世界经 济格局发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循环加大、 加快，市场竞争日趋激烈。随着现代社会的快速发展，各种产品日新月异，产 品的寿命缩短，产品更新换代的速度逐渐加快，对产品设计与制造的要求也越 来越高，日益激烈的市场竞争要求现代化企业必须低成本高效率的开发新产品。 但是产品从设计到投产是一个复杂的过程，它包括产品总体方案设计、概念设 计、制造加工与装配等多个环节。其间还要进行必要的强度分析与校核。传统 的设计与制造方法难以全面考虑这些环节。企业必须具备新产品的开发、研制 及创新能力，有自己的便于更新的产品设计平台，才能不断快速地推出适应市 场需求、满足顾客需要的新产品，才能在激烈的市场竞争中生存下来。 结构化的开发方法( s s a d 或s a d t ) 在计算机软件开发领域应用已经非 常普遍，它是迄今为止开法方法中应用最普遍、最成熟的一种。近些年来该方 法现在也被越来越多的用到机械产品的开发中，自顶向下设计是一种高效率的 设计方法，这种设计方法一经引用，它的优点立即体现出来，该设计方法是从 产品功能概念设计开始的，它主要用来处理装配件的设计工作，利用它能够有 效地把握设计意图，使组织结构清晰，便于在各个子装配体之间迅速可靠地传 递设计信息，达到信息共享的目的。同时简化了零件之间装配关系的描述，成 功地协调了各装配件之间的设计冲突，并运用参数化模型驱动和层次化装配建 模技术，实现产品的装配设计过程与零件详细设计过程的信息集成。 c a d 技术作为加速产品创新设计的有效途径，越来越得到设计人员的重视。 众多行业的实践经验表明，采用c a d 技术可以显著地缩短设计周期，提高设计 质量和生产效率，是加速产品更新换代的有效手段，也是改造传统生产过程的 必由之路。c a d 技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工业水平的重要标 志。因此，国家“8 6 3 计划专门投资，支持三维c a d 软件的开发和产业化，以 此为背景，国内c a d 技术的研究和应用进入了新的发展阶段。随着我国c a d 应 第1 章绪论 用工程的普及和推广，c a d 技术己在许多企业转化为现实生产力。传统的二维 c a d 软件正逐渐被三维c a d 软件所替代。目前，流行的c a d c a m 软件众多，软 件功能上也各有千秋，如p r o e n g i n e e r 、u g 、c a t i a 等，都是比较通用的大 型软件系统。这些三维c a d 软件除了基本的建模功能外，基本都还集成了结构 分析、动态方针或其他更高级功能。以c a t i a 为例，它同时具有逆向工程模块 ( c g o ) 、空间分析( s p a ) 、a n s y s 接口( a n s y si n t e r f a c e ) 、有限元模型生成器 ( f e m ) 、创成式零件分析及优化( g p o ) 、创成式零件应力分析( g p s ) 、制造基础框 架( m a n u f a c t u r i n gi n f r a s t r u c t u r e ) 、i g e s 集成接口等等诸多模块，但是作为建模 软件，它的上述辅助功能比起专业的分析软件在某些功能上显然逊色很多，但 是它提供的完善的接口程序，使得建好的模型可以直接倒入到相关软件中，通 过简单的工作就可以在新软件中直接运用。 计算机辅助工程，也就是通常所说的c a e ( c o m p m e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技 术是在自然科学技术和计算机技术不断发展的基础上建立起来的，它是将具体 的自然科学与计算机技术相结合，将自然的理论知识和经验通过计算机语言描 述出来，来帮助人们去认识客观世界的物质世界。在各种c a e 技术中，虚拟样 机技术( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 技术使计算机辅助工程的一个重要分支，它是人们开 发新产品时，在概念设计阶段，通过学科理论和计算机语言，对设计阶段的产 品进行虚拟性能测试，达到提高设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间 的目的。 此外随着计算机科学技术的发展，以计算机为工具的信息处理技术经历了 数值计算阶段、数据( 包括文字) 处理阶段以后，已经进入了知识处理的新阶 段。在这个阶段，计算机能像人类一样具有进行创造性脑力劳动的能力，所以 计算机具有智能。计算机具有智能是计算机发展史上的一个划时代的标志，意 味着信息社会进入一个知识信息处理的新时代。为此世界上发达国家将研制智 能计算机列为科研项目的重点，扩大智能是新世纪计算机科学发展的新趋势。 知识工程是一门专门研究开发知识系统的理论、方法和技术的工程学科，知识 系统是基于知识对实际问题进行求解的系统它的核心部件是知识库。新一代计 算机系统将围绕知识库，或者以知识为核心来组织。因此当今时代是知识的时 代，谁掌握了知识，谁就掌握了主动权。 2 第1 章绪论 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 自顶向下技术研究现状 产品的设计是一个渐进的过程，一般经过概念设计、参数化设计和详细设 计三个阶段。这种渐进的设计过程，称为自顶向下( t o p d o w n ) 设计。 自顶向下设计过程具有如下优点：符合产品设计过程和设计人员的思维 过程。设计产品时，最初考虑的是产品应实现的功能，最后才考虑实现这些功 能的几何结构，所以产品的设计过程是一个从抽象到具体的渐进过程。便于 实现多个子系统的协同，实现并行设计。在产品设计的最初阶段，即概念设计 阶段，就将产品的主要功能、关键约束、配合关系等重要信息确定下来，在进 行任务分配时，这些关键约束也同时分配给各子系统，这样，各子系统才能很 好地配合，避免发生冲突。为d f x ( d f a ，d f m ) 等提供了条件。能将前期阶 段的关键约束传递到后续设计阶段，这样，在后续设计中就可根据前期设计的 约束要求进行可行性评价。从而实现面向装配的设计( d f a ) 和面向制造的设计 ( d f m ) 。 自顶向下设计方法所涉及技术的研究，包括自顶向下设计系统、装配模型 的表达、模型建立、模型分析，以及装配顺序规划等方面。 ( 1 )自顶向下设计系统研究现状 设计系统设计的主要研究者及现状见表1 1 【l j ，简要说明如下： 表1 1 自顶向下系统研究 序号系统名称装配模型推理方法系统特点研究人员 1 w a y t 关系模型手工交互式最早的原型系统m m a n t y l a 2d e l t a 层次模型专家系统侧重功能理解j i n k a n gg u i 3g n o s i s 层次模型专家系统实现了抽象结构表 l e r b ir a n t a 达 4g o n g e n 面向对象模专家系统侧重产品建模 s r e e n i v a s ar 型g o r t i 5 p r o t o p d o w n层次模型手工交互式侧重基准约束传递 p t c 交互式设计系统w a y t ，是由t o p d o w n 的早期研究人员、芬兰赫尔辛基大学 3 第1 章绪论 的m m a n t y l a 提出，并于1 9 9 0 年在i b m 研发中心研制一套原型系统。主要由功能 设计、几何结构选择和约束求解三部分组成1 2 j 。 基于功能理解的设计系统d e l t a ，是j i n k a n gg u i 等在w a y t 基础上，于1 9 9 3 年 开发的一套原型系统。该系统改进了产品模型的表达方法，增强了产品功能模 型的建模方法，将装配模型分为功能视图和结构视图两部分。同时增加了专家 系统推理功能i 3 】。 功能与特征集成的产品建模系统g o n s i s ，由英国、芬兰、日本、美国等多所 大学合作，于1 9 9 6 年研制的智能制造系统( i m s ) 的一部分，由功能设计系统 s y s f u n d 和子结构设计系统m c o e s 两部分构成【4 】【5 】【6 】。 基于面向对象表达的t o p d o w n 设计系统c o n g e n ，是由美国国家标准与技术 委员会( n i s t ) 组织，s rg o r t i 等人提出的，1 9 9 8 年实现了一个原型系统，主 要实现产品的概念设计，并对产品的功能、结构、行为进行统一建模【7 】。 p t c 公司的p r o t o p d o w n 设计系统，先通过p r o l a y o u t 模块在二维环境下定 义产品的装配约束，并将这些约束传递到产品三维装配设计及分析中，是一个 实用的产品【8 1 。 ( 2 ) 装配模型表达的研究现状 装配模型是表达组成装配体的零件及零件间关系的数据结构。主要有关系 模型、层次模型和面向对象模型三种。 最早的装配模型为关系模型，零件和零件间的匹配关系构成一个关系图， 这种装配模型能很好地表达装配体中零件间的关系，且有图论作理论基础，对 图的摸索、节点的增删，能较方便地处理。缺点是不易表达装配体中零件、子 装配的体系结构。层次结构模型解决了关系模型不能表达零件子装配包含关系 的问题。层次模型由于有子装配概念，能更好地表达产品的实际结构，降低了 产品装配顺序求解的难度。同时，子装配可以将完成同一功能的零件组织在一 起，不仅能表达产品的几何结构，还能表达产品的功能结构。面向对象( o o ) 装配模型是目前研究的热点。关系模型和层次模型能很好地表达产品的最终结 构模型，但在产品概念设计阶段，只有产品的功能需求和技术要求，这时用这 两种模型来表达就很困难，于是产生了面向对象装配模型。对象的特点是抽象、 封装、多态和继承。面向对象模型不仅能表达构成装配体零件的结构参数等具 体属性，还能表达功能、行为等抽象属性，多个对象结合可以构成一个装配产 品，所以面向对象模型既能表达详细模型，也能表达产品的概念模型，目前已 4 第1 章绪论 得到广泛重视。 ( 3 ) 装配顺序规划的研究现状 装配顺序规划( a s p ) 确定产品中各零部件的装配顺序。是面向装配设计或 并行工程设计中的重要环节，目前装配顺序的研究主要集中在生成方法和结果 评价两方面。结果评价是评价多种可行装配顺序的优劣，从中选择较好的一个， 评估指标主要包括操作次数、成本等，已经取得一定的成果。装配顺序的生成 还存在许多困难，生成方法主要分三类：拆分法。即变装为拆的方法( a s s e m b l y b yd i s a s s e m b l y ) ，将装配过程看作拆分的逆过程。采用这种方法研究的人最多。 合并法。即合并局部装配顺序( m e r g i n gl o c a ls e q u e n c e ) 。先定义基本组件库， 库中存储基本组件的结构及相应的装配顺序。将一个装配体按照基本组件库中 的基本组件结构进行分解，形成分级结构，并找到各子结构的装配顺序，并将 它们合并，从而形成整个装配体的装配顺序。这种方法现在还不成熟。推理 法。主要是基于实例的推理( c a s e sb a s e dr e a s o n i n g ) ，即由专家给出一些典型 的装配顺序，并连同装配结构存储到实例库中。将待规划的装配结构与实例库 中的实例进行比较，找出相似实例并修改，然后得到可行的装配顺序。 产品自顶向下设计已经取得了一定的成果，但还需要在如下方面作进一步 研究：研究产品装配模型的表达方法，建立具有从概念模型到参数化模型再 到详细模型演化能力，支持产品自顶向下设计，能在并行设计中使c a d 、c a p p 、 c a m 进行信息交换的装配模型。分析产品概念模型中的语义信息与参数化模 型中的结构信息间的对应关系，找出一种实现概念模型到参数化模型演化的有 效推理方法，实现功能到结构的转换。o 分析零件的结构与装配特点，建立产 品零件装配特征分类编码表，并找出多个特征同时参与匹配时，求解产品零件 装配位置的解析方法。 分析工程约束、尺寸约束在参数化结构模型转化到详 细模型过程中的作用，建立工程约束转化成尺寸约束的方法，以及在模型修改、 优化时保持参数化装配模型尺寸一致性的方法，为参数化装配模型到详细模型 的演化提供约束保证。研究模型中零件的力传递和位置，限定功能在装配顺 序规划中的作用，建立一个基于零件功能的装配顺序规划方法，并与已有的装 配规划方法相结合，以达到较好的效果。 1 2 2 液压挖掘机特点及研究发展概况 5 第1 章绪论 挖掘机是工程机械的一种主要类型，是土石方开挖的主要机械设备，包括 有各种类型与功能的挖掘机，液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、 矿山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置。是交通运输、能源开发、城 镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工装备，是国民经济建设迫切需 要的装备。据统计，工程机械施工中约有6 0 以上的土石方由挖掘机来完成。 单斗液压挖掘机是一种重要的工程机械，广泛的应用在房屋建筑，道路工程， 水利建设，农田开发，港口建设，国防工业等的土石方和矿山采掘工业中，对 减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。加快建设速度，提高劳动生产率起了巨 大作用9 1 。 单斗挖掘机分机械传动和液压传动两种，单斗液压挖掘机是在最近一、二 十年来，随着液压技术在工程上的广泛应用迅速发展起来的，在中小型单斗挖 掘机中，液压挖掘机几乎取代了机械传动的挖掘机，大型单斗液压挖掘机也日 益广泛，这是由于液压挖掘机具有重量轻，体积小，结构紧凑，挖掘力大，传 动平稳，操作方便，以及容易实现无级变速和自动控制等一系列优点。 在挖掘机品种中以反铲挖掘机产量最大，应用最广泛。工作装置是挖掘机 的基本组成部分之一，它由动臂，斗杆，铲斗，以及动臂缸，斗杆缸，铲斗缸 和连杆机构等部分组成。其构造特点是各部分之间的连接方式全部采用铰接， 通过液压缸的伸缩来实现挖掘过程的各种动作。反铲液压挖掘机的主要用于挖 掘停机面以下土壤，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动以及相互的配合情况， 要求挖掘机在停机面以下挖掘力较大，挖掘深度较大。 液压挖掘机的使用反映了这些部门的施工机械化水平。重视和加速挖掘机 改进创新，稳定提高产品质量，满足用户需求，对加速现代化工程建设有着重 大的意义。 ( 1 ) 国外发展概况 5 0 年代国外开始研究生产中小型液压挖掘机，主要用于建筑土石方施工。 上世纪7 0 年代液压挖掘机开始进入矿山开采，斗容量已发展到8 m 3 。8 0 年代大 型液压挖掘机技术己成熟，斗容量达1 6 3 5 m 3 、机重达4 0 0 - - 6 5 0 t 。斗容量大于 1 6 m 3 ，的液压挖掘机是机械挖掘机的强大竞争对手。到1 9 9 0 年，全世界建筑和 矿用液压挖掘机在设备市场上占有显著的地位。据不完全统计推测大型和微型 液压挖掘机年增长率分别为2 4 和3 5 ，1 9 9 0 年全世界建筑与矿用液压挖掘机 ( 履带式) 的产量己达9 1 2 3 万台，其中7 6 是日本生产的，欧洲产量占有1 7 。 6 第l 章绪论 ( 2 ) 国内发展概况 我国的挖掘机生产是从1 9 5 4 年才开始的，起步晚，但是我国的挖掘机生产 发展迅速，特别是改革开放以后，我国以引进，合资的方式广泛的吸收和消化 先进的技术，挖掘机的生产得到了长足的进步，以基本上能生产各种型号的挖 掘机，逐步形成了1 2 5 m 3 小型液压挖掘机系列，具有一定生产规模，斗容1 7 5 m 3 的液压挖掘机年产量超过l o o o 台。1 9 8 3 年以后采用引进技术方式进行生产， 加快了液压挖掘机的发展。基本上满足了社会主义建设的需要，但是与国外相 比，差距还是非常的大的。国内液压挖掘机开发存在缺陷是：目前国产液压挖 掘机数量少，多为斗容量2 5 m 3 以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我 国尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需要。从产品技术水平、 可靠性、制造质量与国外液压挖掘机有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处 于经验设计阶段，试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。配套件 的质量和可靠性差，整机性能参数的测试技术缺乏，满足不了国民经济重点工 程发展的需要。 ( 3 ) 今后液压挖掘机的开发重点围绕： 加快产品开发速度，满足快速多变的市场需求； 提供产品可靠性和效率、降低生产成本，向微型化发展的同时向大型化发展： o 着眼于动力、传动系统的改进以达到高效、节能； 精心设计，精心制造以提高产品零部件的可靠性，从而保证整机的可靠性， 延长维修周期，加快维修进程，降低维修费用，降低成本； 采用微电子技术使液压挖掘机自动化、机电一体化和智能化进程加快； 考虑人机工程，改善司机劳动条件。 1 2 3 有限元技术及a n s y s 的应用与发展 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方 法。它是5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的 一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体 力学等连续性问题。1 9 6 5 年“有限元 这个名词第一次出现，到今天有限元在 工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完 善。 7 第1 章绪论 有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统( 几何和载荷工况) 进 行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量 去逼近无限未知量的真实系统。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实 际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通 过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析， 这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限 元分析的流程如图1 1 所示。 图1 1 有限元分析流程图 进入新世纪后，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元 分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器， 国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设 计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加产品和工程的可靠性 在产品的设计阶段发现潜在的问题 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本 8 第1 章绪论 缩短产品投向市场的时问 0 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费 大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效 率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。当前，在我 困t 程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、 l s d y n a 、a b a q u s 、m a r c 、c o s m o s 、a d i n a 和a l g o r 等。总之，目前的商用有 限元程序不但分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，其程序使用也非常方便 只要有一定基础的- t = 程师都可以在不长的时间内分析实际工程项目，这也是它 能被迅速推广的主要原因之一。图12 列出了各有限元软件的应用情况。 削l2 有限元软件排名( 2 0 0 6 年1 2 月3 0 日的总数统计) a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于体的大型通用有| ；5 l 元分析软件。由世界上最大的有限元分析软什公司之一的美i 羽a n s y s 开发，具有 独一无_ = 的多场耦合分析功能，对自然界凹大场一力场、流场、热场、磁场实 现全面分析。最突出的一个例子是他们的多物理场分析技术，所谓多物理场指 有热场、流场、结构应力场等多场耦合。在前处理方面，a n s y s 的实体建模功能 比较完善，提供了完整的布尔运算，还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸 和拷贝实体模型图元的功能。也可以读入p r o e 、u g 的c a d 模型。从软件的功 能卜来说，与 s c i 上爿。= ，il 4 ) d t 、a 4i 。a q | 智8 q i i j y ，= 0( f = 1 , 2 ，聊) 式中k 动能； 哂描述系统的广义坐标； 系统约束方程； f j 在广义坐标方向的广义力； 聊1 的拉格朗日乘子列阵。 方程( 4 1 ) 和方程( 4 2 ) 可写成如下形式： 阱。 其中( o 为零矩阵) f = ( 百，口，q ，允，r ) 缈= f ( q ，口，) 将动能定义为 k ：l i r m i + 三2 r ，去 代入上式，合并简化成的矩阵形式如下： 心+ 虬7 旯= q 幸 式中 戈= 戈l ，戈2 j 。) ry ，= y 。l ，少，2 ，。】 m ，q 牛分别为系统的6 x 6 广义质量对焦矩阵和6 x 1 广义列阵。 m = d i a g m l m 2 m 。】 q 木= 【q 串l rq 2 r q 木 7 】r ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 第4 章挖掘机工作装置动态仿真分析与优化 对上述一阶微分方程引入“= o q 乱，得 阶 ( 4 。6 ) 综上，对多刚体系统列出刚体运动方程。 首先将力与加速度联立，得到6 个一阶动力学方程： j d ，( 一o k 。 _ 百o k + 窆一c ：o ( ：1 ，2 6 ) ( 4 7 ) 饿8 qi 。8 qi 鲁8 q i l j 、 q = ( 占，y ，z ，0 ，矽) r 再将位置与速度联立，得到6 个一阶运动学方程： 文一圪= 0 夕一圪= 0 三一屹= 0 一。= 0 0 - c o 占= 0 痧一国口= 0 ( 4 8 ) f缈(口u：q兰if，：?i0 d i f f ( f t qf ，：0 c4 9 ， ，“，r ) = ( 4 9 ) ，铭， ，f ) =j 时间。令y = k ，纠】r 为状态向量，于是系统方程可写为 第4 章挖掘机工作装置动态仿真分析与优化 设计人员可以利用该软件快速、方便的创建完全参数化的机械系统几何模型( 对 于复杂模型，也可以从其他c a d 软件中导入) 。之后，通过在计和模型上施加 与实际情况相符合的约束( 力和载荷) ，然后执行与实际情况接近的运动仿真测 试，得到工作系统实际的运动情况。同时用户需要的各个参数都可以在该过程 中通过数据或图表的形式表现出来。 同其他许多软件一样，a d a m s 运算程序是封装在各个模块里的，使用 a d a m s 并不一定要将里面所有算法弄得很清楚。a d a m s 内部封装了多刚体算 法，用户建模并设定好约束后，软件会自动依据算法来算出用户想要的结果。 图4 1 列出了a d a m s 数据流程图1 2 引。 代数方程组 分方程组 1 积分器 ( o s li f f & w s t i f f ) 、r 餐i 三l i 输出文件i 转化为代数方程组厂 转化为线性方程组广一 、丙鬲磊西吾磊石2 n e w t o n - 弋r 綦磊磊矧3 高斯消元 求解代数方程组 弋 求解线性方程组i 3 葡劢消兀 图4 1a d a m s 数据流程图 运动学、静力学分析需要求解一系列非线性代数方程，a d a m s 采用了修正 的n e w t o n r a p h s o n 迭代算法迅速准确求解。对于动力学微分方程，根据机械系 统特性，可以选择不同的积分算法：对于刚性系统，采用变系数的b d f ( b a c k w a r d s d i f f c r e n t a t i o nf o r m u l a t i o n ) 冈l j 性积分程序。 a d a m s 软件由若干模块组成，分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、 工具箱模块和接口模块5 类，其中最主要的模块为a d a m s v i e w ( 用户界面模 块) 和a d a m s s o l v e r ( 求解器) ，通过这两个模块，可以对大部分的机械系统 进行仿真。 4 1 4 虚拟样机仿真分析基本过程 6 l 第4 章挖掘机工作装置动态仿真分析与优化 在a d a m s v i e w 环境中创建虚拟样机的步骤与建立物理样机的步骤相似， 整个过程如图4 2 所示。使用a d a m s v i e w 进行样机仿真应该遵循渐进的设计 原则，即先创建好较小的机构或者子系统进行分析，再创建整个虚拟样机。例 如先创建部分零件并按照要求连接起来，然后进行简单仿真分析，正确后再进 行整个样机建模并进一步作整机分析。 在样机建模之前首先要有总体方案，即利用已知条件，进行机械系统全局 设计，在头脑中构思觉有完善结构并能实现预定功能的机构。 样机建模是指进行机械系统各部分功能的具体设计，该部分工作可以在专 门的三维建模软件中完成，但是由三维软件中绘制的模型导入a d a m s 仿真软 件中无法进行构件的参数化，进而不能实现参数化优化设计。首先确定各零件 形状、结构、尺寸合公差等级，并在计算机上绘制二维图和三维实体模型，然 后通过装配模块完成各零件的组装，形成整机。装配是运动仿真的前提保障， 装配关系的正确与否将直接影响到运动仿真的结果，装配前首先要确定运动的 各个构件以及各构件之间的运动副，然后即可通过选择构件和运动副组成机构， 最后由各机构组成整机。