（机械工程专业论文）轮式装载机虚拟设计平台与应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 虚拟设计技术是计算机辅助设计制造技术深化应用发展的必然结果，他以强大的 影响力深刻地改变着传统制造业的研发手段、加工技术和管理模式。本文阐述了实用 性很强的轮式装载机虚拟设计平台的构成与应用，对平台中各功能系统及应用进行了 详细的说明。轮式装载机虚拟设计平台技术是“国家8 6 3 c i m s 工程柳工应用示范项 目m s 系统的核心内容之一。利用计算机网络技术和虚拟设计软件技术并结合柳工轮 式装载机专业技术及实际开发经验，将方案设计、工业设计、工程设计融合起来，形 成规范标准、简明高效的轮式装载机开发技术，通过应用该技术解决轮式装载机开发 中的关键技术问题，提高产品的开发速度和设计质量，增强企业的核心竞争力。和“甩 图版工程”阶段相比，应用此项技术进行产品开发，开发速度加快了一倍以上，人力 资源节省了3 0 以上。两年来使公司业绩以每年几乎1 0 0 的速度在成长，2 0 0 3 年轮 式装载机销量超过2 0 0 0 0 台，产生了良好的经济社会效益。论文内容如下： 1 绪论，介绍了课题的背景与来源，对虚拟设计的现状和趋势进行了综述，介 绍了本文的工作。 2 轮式装载机虚拟设计平台的结构和功能，介绍了轮式装载机开发所必须的计 算机软硬件环境以及应用软件系统、介绍了各模块功能及用法。 3 轮式装载机虚拟设计平台若干关键技术，介绍了构成轮式装载机虚拟设计平台 的动力与液力变矩器匹配、牵引特性、工作装置计算等核心关键技术。 4 轮式装载机虚拟设计平台的应用，介绍了轮式装载机虚拟设计平台在推广应 用过程中应注意的问题、技术推广的做法和取得的效果等。还以z l 3 0 g 轮式装载机 产品开发为例说明了轮式装载机虚拟设计平台应用的流程和方法，并进行了小结。 5 总结与展望，总结了全文，指出了虚拟设计技术的发展趋势。 本文是虚拟设计技术和轮式装载机开发技术相结合的成果，对于有志于进行机械 产品的现代设计方法开发的读者有一定的帮助，在机械制造企业信息化建设方面也能 起到一定的借鉴作用。 关键词：虚拟设计计算机辅助设计轮式装载机 华中科技大学硕士学位论文 - 。4 ；= = = = ；。2 = 2 2 4 。2 2 。2 2 2 2 2 = 。2 。2 2 2 2 2 。2 2 。2 2 5 2 2 。2 2 。2 5 a b s t r a c t t h er e s l l l to ft h ed e v e l o p m e n to fc a dt e c h n o l o g yw a st h ef o r m i n go ft h et e c h n o l o g y o fv i r t u ed e s i g n i th a sd e e p l yc h a n g e da l la s p e c to ft h et r a d i t i o n a li n d u s t r y , s u c ha st h e p r o d u c t sr & d ，t h ep r o c e s st e c h n o l o g ya n d t h em a n a g e m e n ta sw e l l t h i sa r t i c l ei sa b o u t t h ew h e e ll o a d e r sv i r t u ed e s i g np l a t f o r ma n dt h ea p p l i c a t i o n ，i ta l s oe x p a t i a t eo ne a c h f u n c t i o n a lm o d u l ea n dt h ek e yt e c h n o l o g y t h ew h e e ll o a d e rv i r t u ed e s i g np l a t f o r mo f l i u - g o n gi st h ek e yt e c h n o l o g yo f 也et i ss y s t e mo ft h ec i m se n g i n e e r i n g sa p p l i c a t i o n s a m p l eo fl i u g o u go ft h en a t i o n a l8 6 3p l a n i t sa b o u th o w t om a k eas t a n d a r dm e t h o dt o d e v e l o paw h e e ll o a d e rb yu s i n gt h ew h e e ll o a d e r sv i r t u ed e s i g np l a t f o r m ，w h i c hc o m b i n e s t h en e t w o r kk n o w l e d g e ，t h ev i r t u ed e s i g nt e c h n o l o g ya n dt h ep r o f e s s i o n a lk n o w l e d g ea s w e l l t h ea p p l i c a t i o n so fv i r t u ed e s i g np l a t f o r mi m p r o v em u c ht h ee f f i c i e n c yo ft h er & d o f w h e e ll o a d e ra n de n h a n c e dt h ek e ya b i l i t yo f t h ec o m p e t i t i o mc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r t e c h n o l o g y , i ts a v e d a b o u th a l f t i m ea n d3 0p e r c e n to f t h eh u m a nr e s o r r c et od e v e l o pan e w w h e e ll o a d e r l i u g o n gm a d ed o u b l eo u t p u te a c hy e a rt h el a s tt w oy e a r s t h ev i r t u ed e s i g n p l a t f o r mt e c h n o l o g yp l a y e dag r e a tr o l eo ni t t h ef i r s tc h a p t e rc o n s p e c t u si sa b o u t 也es o u r c ea n dt h eb a c k g r o u n do ft a s ki n t r o d u c e s t h eb a c k g r o u n da n dt h es o u r c eo f t h et a s k t h es e c o n dc h a p t e rt h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o no f t h ew h e e ll o a d e r sv i r t u ed e s i g n p l a t f o r mt h a ti n t r o d u c et h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r es y s t e mf o rr & da n di n t r o d u c et h e f u n c t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no f e a c hm o d u l eo f t h ep l a t f o r m t h et h i r dc h a p t e ri sa b o u tt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ew h e e ll o a d e r sv i r t u ed e s i g n p l a t f o r mt h a ti n t r o d u c e st h ee n g i n e - t o r q u ec o n v e r t e rm a t c h i n gt h e o r y , t h et r a c t i o n c h a r a c t e r i s t i cc a l c l l l a t i o na n dt h ec a l c u l a t i o no f 也ew o r k i n gi m p l e m e n to ft h ew h e e l l o a d e r a s w e l l t h ef o u r t hf i f t hc h a p t e ri sa b o u tt h ep o p u l a r i z a t i o no f t h ew h e e ll o a d e r sv i r t u ed e s i g n p l a t f o r mi nt h er & d c e n t e ro fl i u - g o n ga n di sa b o u tt h ei n t r o d u c t i o no ft h ew o r k i n gf l o w a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ew h e e ll o a d e r sv i r t u ed e s i g np l a t f o r mb yt h es a m p l eo ft h er & d o f t h ez l 3 0 gw h e e ll o a d e rp r o d u c t t h ef i f t hc h a p t e rt h el a s ti st h es u m m a r i z a t i o no ft h ea r t i c l e ，i ta l s op o i n to u tt h e t e n d e n c yo f t h ev i r t u ed e s i g nt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ec o m b i n e dt h et e c h n o l o g yo ft h ev i r t u ed e s i g nt e c h n o l o g ya n dt h ew h e e l l o a d e r sr & dt e c h n o l o g y i t su s e f u lf o rw h ow i l ld e v e l o pe n g i n e e r i n gm a c h i n e r yb yt h e m o d e md e s i g nm e t h o d i tm a yb eh e l p f u lf o rw h ow i l le n g a g ei nt h ew o r ko ft h ed i g i t i z e d c o n s t r u c t i o no f t h ee n t e r p r i s e k e y w o r d s ：v i r t u ed e s i g nc a d w h e e ll o a d e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 锄 、 日期：a 叨仁年口肜弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：翩 f l 一 日期：刎年仁髟日 指导教师签名：气哆步 夕 日期：da 争年，d 月- 簟日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 虚拟设计技术是计算机辅助设计制造技术深化应用发展的必然结果，他以强大的 生命力和冲击力，深刻地影响和改变着传统产业的各个层面，使传统的产品开发技术、 加工技术和管理模式发生深刻变革。许多国际著名机器制造商出色地对本产业进行了 数字化改造，使企业传统的设计制造手段和管理方法都产生了革命性的改变，从而使 企业管理更加有效率，设计制造方法更先进，生产周期更短，库存更少。波音公司在 新一代喷气式客机波音7 7 7 完全采用计算机虚拟制造技术，产品设计制造周期缩短了 一半并实现了无纸化生产；世界最大的工程机械制造商美国c a t e r p i l l a r 公司 也全面进行企业信息化革新，开发了自己的编码系统，采用3 d 设计技术，构建庞大 的c a d 图库，极大地提高了生产效率，实现了全球生产、采购、销售的有效管理； 美国f o r d 汽车公司采用c a d c a m c a e p d m 集成技术形成本公司和全球协作厂商 的信息技术系统，将新车型的开发周期缩短三分之一，减少9 0 的实物模型，减少设 计更改5 0 。减少试制成本5 0 提高投资收益3 0 。我国机械制造业信息化建设也 已经蓬勃兴起，机械行业c a d 应用普及率逐年提高，c a d 技术应用已经从简单的电 子图版发展到三维设计，三维有限元分析、并开发出用于解决专门课题的专用c a d 系统，如工程机械开发需要的专用的装载机、挖掘机设计软件、齿轮分析制造软件、 排料优化软件、铸造过程分析软件等。有统计资料表明：在的1 3 8 家企业应迸行数字 化技术改造以后，设计周期缩短i 2 以上的企业占7 6 ；产品质量有明显提高的占 9 6 ，降低成本效果明显的占7 2 ，人力投入减少1 2 以上的占8 8 。数字化技术 的应用在增加企业新产品开发能力等方面在广大的企业内部产生明显效益。目前国内 应用数字化技术的各类制造企业，9 0 以上是中小企业，人才资金基础较差，开展 c a d 的应用局限于小型的局域网，采用中低挡的低成本适用于本企业的 c a d c a p p c a m 系统。而大型汽车行业企业集团如一汽、二汽集团，上汽集团，摩 华中科技大学硕士学位论文 托车行业企业如嘉陵集团，新大洲集团，济南轻骑集团，装载机行业如徐工集团、厦 工集团等企业的信息化建设都达到了相当的水平，这些企业都建立了企业级的计算机 网络，基本实现c a d c a e c a p p c a m p d m 系统的集成应用，实现并行工程，开展 产品的虚拟设计以及快速原型制造等。柳工也在企业信息化建设中作了大量有效的工 作，目前处于c a d 技术应用深化的阶段，如何打造好轮式装载机虚拟设计平台，规 范好设计流程，使产品研发能力变得更高更强，在全球南0 造业企业信息化革命的浪潮 中顺应潮流完成变革，是摆在我们面前的紧迫课题。【l 】巾】 本文课题来自于“柳工轮式装载机虚拟设计平台”的开发与应用。柳工轮式装载机 虚拟设计平台是国家“8 6 3 c i m s 工程柳工应用示范工程q t s 系统的核心技术。根据柳 工轮式装载机开发的实际需求，应用计算机和网络技术、虚拟设计技术，结合长期的 开发经验和技术积累，构建功能完备的虚拟设计平台，为柳工的轮式装载机开发能力 插上腾飞的翅膀。柳工轮式装载机完成了研制能力从测绘到自主开发；工程设计手段 从手工绘图g g _ - 维计算机绘图再到三维设计；方案设计手段从单一工作装置校核计算 软件的应用到装载机整机c a d 软件应用；c a e 分析手段从简单根据材料力学公式进 行校核到三维有限元分析的转交。目前虽然柳工轮式装载机虚拟设计还未形成功能齐 备的平台和规范的开发流程，但是虚拟设计应用已经有了良好的基础。在此基础上， 遴选并增加相关软硬件系统，规范产品开发流程，更有效地将c a d c a m c a e 技术、 计算机及网络技术、专业技术、工业设计融合在一起，构建轮式装载机虚拟设计平台， 形成标准的开发模式，大大提高研发队伍的产品开发能力，缩短产品交付时间并增强 企业的核心竞争力。和“甩图版工程”阶段相比，应用虚拟设计技术进行产品研发，项 目进度加快了一倍以上，人力资源节省了3 0 以上。使公司近两年来业绩以每年几乎 1 0 0 的速度在成长，2 0 0 3 年轮式装载机销量超过2 0 0 0 0 台，起到了良好的经济和社 会效益。 1 2 轮式装载机虚拟设计系统课题需求分析 1 柳工简介 2 华中科技大学硕士学位论文 广西柳工机械股份有限公司( 以下简称柳工) 创建于1 9 5 8 年，并于1 9 9 3 年1 1 月在深交所上市，股票简称桂柳工( 股票代码0 5 2 8 ) 。柳工人经过四十余年坚持不懈 地艰苦努力，已使企业成为中国机械工业的大型骨干企业之一。公司以制造“柳工”牌 轮式装载机、液压挖掘机、压路机等工程机械产品而享誉中外，特别在轮式装载机方 面，研究开发能力、制造技术水平、生产能力、产品质量、市场占有率多年来均名列 行业前茅，被誉为“中国工程机械行业排头兵”。先进的开发手段使“柳工”牌系列轮式 装载机( 斗容量从0 7 5 5 4 立方米) 产销量和质量均处于国内领先水平，近1 0 种产品 获国家及机械部多项荣誉称号，其中z l 4 0 b 、z l 5 0 c 装载机为国家名牌产品，近两 年开发的g 系列轮式装载机使柳工装载机产品品质迈上一个新台阶。精良充足的设备 保障了年产各类轮式装裁机( z l l 5 - - z l l 0 0 系列) 万台以上的生产能力；完善的质量保 证体系使柳工于1 9 9 7 年通过华信公司i s 0 9 0 0 1 质量体系认证，1 9 9 8 年通过美国f m c a 公司i s 0 9 0 0 1 质星体系认证；全球化经营理念、3 5 个国内分公司和办事处以及澳洲、马 来西亚分支机构使柳工产品长期保持行业市场占有率第一的地位，并远销到美国、意 大利、澳大利亚、埃及、菲律宾、南非等国家和地区。近年来柳工快速持续成长，现 已形成销量1 万多台、销售额4 0 亿以上的行业龙头企业。 2 轮式装载机简介 轮式装载机是一种广泛用于水利、道路、矿山、建筑基础等工程的铲土运输机械， 能够单独进行土方的平整、铲削、装载、运输、牵引等作业，也可以和卡车一起配合 进行土方铲装、运输作业，还可以配备抱叉、破碎器、吊钩进行作业，产品绝大多数 以柴油机为动力系统并备配液力变矩器、变速箱、驱动桥作为传动系统，工作装置和 转向装置靠液压驱动。目前我国已经发展了从z l l 5 ( o 8 立方斗容) - z l l 0 0 ( 6 立方 斗容) 的轮式装载机，轮式装载机以后轮驱动为主，以车轮驱动进行铲装作业，一般 一个动作循环为平地插入铲斗掘起动臂掘起动臂举升铲斗卸料动臂下降一进入下 一动作循环。主要的技术参数有：卸载高度、卸载距离、运输位置收斗角、卸载角、 铲斗掘起力、动臂掘起力，爬坡能力、行走速度、最小回转半径等指标。工作装置特 性和动力变矩器匹配是轮式装载机设计的关键。 3 轮式装载机虚拟设计系统的提出 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 柳工原有设计方法存在的不足 1 9 9 5 年之前，装载机设计基本靠图版和铅笔，即使是9 5 年后通过甩图版工程引 进了二维c a d 系统，也仅仅改善了作图的效率，依然存在着效率低下、流程漫长， 不能进行复杂的零件设计，设计出的液压管路设计经常干涉、紧凑设计无法实现、开 发失败率高等问题，三维协同设计、优化计算、和有限元分析更无从谈起，开发能力 远远不能满足产品开发的需求。 ( 2 ) 国内外装载机械设计技术现状分析 2 0 世纪9 0 年代中期以来，伴随着计算机硬件技术的发展，涌现出一大批优秀的 软件系统，工程c a d 系统也逐渐成熟起来，首先在汽车领域采用了三维设计技术和 数控加工技术，三维有限元分析系统，随后发展起产品数据管理系统，产品生命周期 管理系统等，在轮式装载机的开发中，美国卡特彼勒和日本小松公司都紧跟企业信息 化浪潮，采用计算机技术改造产品研发手段，建立了以三维设计分析为主要开发手段 的研发平台，构建了产品数据库系统，大大提高了产品开发速度和开发质量。国内轮 式装载机制造厂商也纷纷加入到这场数字革命中来，徐工、厦工等轮式装载机生产厂 家也都构建了自己的产品数字化开发平台，并取得了良好的经济效益。 ( 3 ) 轮式装载机虚拟设计平台的开发与应用是柳工提高产品质量、迅速贴近市场 需求的必然选择 柳工前3 0 年的发展，主要以z l 4 0 、z l 5 0 轮式装载机为主导产品，产品品种单 一，没有更新换代的压力，1 9 8 5 年成功开发z l 4 0 b 、z l 5 0 c 轮式装载机，直到2 0 0 1 年才着手规划开发下代替代产品g 系列装载机。进入新世纪以来，随着工程机械市场 竞争的日趋激烈，市场对产品种类及其变型产品的需求不断增加，对产品设计质量、 产品可靠性、产品交货速度的要求也越来越高，同时产品的价格在激烈的价格战中却 不断地下滑，采用计算机技术革新装载机开发手段已经成为企业的迫切需求。多年以 来柳工一直在探索如何利用信息技术推动企业技术进步，引进了相关的软件系统，如 a u t o c a d 系统、装载机反转六连杆机构运动学动力学计算软件，e u c l i d 三维设计 软件等，在企业信息化方向上做了一些有益的尝试，但收效不大，直到1 9 9 8 年以后 随着计算机硬件的进步，在引进了p r o e 系统并在技术中心进行大面积推广应用以 4 华中科技大学硕士学位论文 后，装载机设计技术才取得了实质性的进展，在零部件三维设计、复杂模具设计制造、 大型虚拟装配、管路设计制造，曲面设计、关键零部件有限元分析计算等方面都取得 了一定的经验，经过这几年的实践摸索，单元技术应用已经有了一定的基础，随着技 术的进步和经验的积累，如何系统地应用各类c a d 软件建立虚拟设计平台，形成系 统而规范高效的设计流程，全方位推广应用于柳工轮式装载机开发，己成为企业切实 的需求。在此背景下，完成轮式装载机虚拟设计课题将使柳工轮式装载机的研发和制 造水平登上新的台阶，使新产品更好、更快、更有效地开发完成。 1 3 本文的主要工作 机械虚拟设计是一个广阔的领域，企业不恰当的投入将引起人力财力巨大的浪费 而却不到的切实的利益，柳工先前在三维设计软件e u c l i d 的引进和p d m 系统m a n 系统的引进项目都遭受了失败，变成了极其宝贵的经验教训，在经验教训的基础上经 过艰苦努力和长期工作，基本建成了轮式装载机虚拟设计平台。在理论研究方面我们 主要研究了轮式装载机开发需要的关键技术，如装载机工作装置反转六连杆机构平移 性，力学模型，各关键点机构要求等，并根据柳工轮式装载机的相关技术要求和太原 重机学院共爵完成并完善了轮式装载祝z l c a d 软件系统积工程机械牵引性能分析软 件系统。在系统开发与应用方面，主要是规范了设计工作流程，形成了标准的产品虚 拟设计方法。本文阐述了在轮式装载机虚拟设计平台建设过程中如何有经济而有效地 利用现有的软硬件系统，开发必需的软件工具，搭建起合理的平台结构。论文还对轮 式装载机虚拟设计平台功熊及应用方法进行了论述，并以z l 3 0 g 轮式装载机虚拟设 计开发为例对平台的应用进行了说明，论文还总结了推广应用轮式装载机虚拟设计平 台的经验。 1 4 论文的构成 论文主要由以下几个部分构成： l 。绪论，介绍了课题的背景与来源，对虚拟设计的现状和趋势进行了综述，介 华中科技大学硕士学位论文 绍了本文的工作。 2 轮式装载机虚拟设计平台的结构和功能，介绍了轮式装载机开发所必须的计 算机软硬件环境以及应用软件系统、介绍了各模块功能及用法。 3 轮式装载机虚拟设计平台若干关键技术，介绍了构成轮式装载机虚拟设计平台 的动力与液力变矩器匹配、牵引特性、工作装置计算等核心关键技术。 4 轮式装载机虚拟设计平台的应用，介绍了轮式装载机虚拟设计平台在推广应 用过程中应注意的问题、技术推广的做法和取碍的效果等。还以z l 3 0 g 轮式装载机 产品开发为例说明了轮式装载机虚拟设计平台应用的流程和方法，并进行了小结。 5 总结与展望，总结了全文，指出了虚拟设计技术的发展趋势。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 轮式装载机虚拟设计平台的结构和功能 轮式装载机设计是一个复杂的系统工程，其中包括总体设计、动力液力匹配设 计、传动系统设计、液压系统设计、制动系统设计、结构设计、电路系统设计等。以 往装载机总体设计靠测绘在进行总体和工作装置性能验算，需要耗费大量的资源，效 率低，准确度不高。采用虚拟设计技术建立研发平台，解决了轮式装载机设计中的最 烦琐、难度最大、重复劳动最多、手工计算难以解决的设计计算问题，总体设计和工 作装置参数优化设计、三维虚拟装配、三维结构有限元分析等问题可以在短时间内完 成，其他设计如液压系统设计计算、转向和制动系统设计计算等采用原方法设计。轮 式装载机虚拟设计平台由以下系统构成。 2 1 虚拟设计平台计算机硬件和操作系统 虚拟设计平台硬件配置要求满足二维工程图设计需要，部分计算机能满足三维设 计要求，结构分析采用u n 工作站，可以保证系统长期稳定运行。柳工技术中心配 备以下计算机系统： 1 计算机硬件 计算机网络系统采用树状星型结构，f t p 、t c p s p 数据传输协议，百兆级主干网 工作站 s g f o c t a n el 台三维c a d c a e c a m h p 7 15 1 1 0 01 台三维c a d c a e c a m ，p d m 微机p e n t , a m1 4 g 6 0 台二维c a d 绘图及管理 p e n t r u l 2 0 g3 5 台三维c a d 其他机型7 台二维c a d 绘图及管理 专用服务器h pn e t s e r v e rl c2 台用作网络服务器 p e n t i u m2 0 g2 台三维c a d 软件服务器 华中科技大学硕士学位论文 - ；= = 2 2 2 2 。2 2 ；2 = = = = 。2 2 。2 2 2 2 2 2 ；2 2 3 2 2 2 。2 2 2 2 2 。2 ；。一 2 计算机操作系统 w 、i d o w sn t s e r v e r w d j d o w sn tw o r k s l a t i o n i 帐 网络服务器操作系统 网络工作站操作系统 c a e 工作站操作系统 由于计算机及网络技术的不断发展，p c 机的能力已经超过了工作站的计算能力， 在计算稳定性方面也有了长足的进步，因此如果p c 版分析软件开发已经成熟，不必 采用工作站作为硬件平台，省却了在不同系统之间数据交换的不便。此外网络技术已 经升级到千兆级，数据交换速度已经不是瓶颈问题。【4 】 3 虚拟设计平台应用软件系统 柳工轮式装载机虚拟设计平台根据轮式装载机的开发需要，最大限度应用了现有 软件并开开发了必要的专门功能软件系统，通过规范的程序进行集成应用，进行产品 研发。轮式装载机虚拟设计平台软件系统由以下几个层面的软件系统构成： ( 1 ) 方案设计软件系统 包括轮式装载机c a d 系统z l c a d ：轮式装载机牵引性能分析系统。 ( 2 ) 工业设计软件系统 包括p h o t o s h o pa u t o c a dp r o e ( 2 7 套) ( 3 ) 工程设计c a d c a e c 触v i 软件系统 包括二维、三维c a d 软件p r 0 甩、a u t o c a d 、i n t e c a d 、p r o t e l ：p r o m e c h a n i c a ( 结构分析软件) 、s o l s t a r ( 铸造分析软件) ；c a m 系统n c p o s t 、c n c 、 a u t o c u t ( 板材优化排料软件) 以上软件系统除工程机械牵引性能分析系统和轮式装载机c a d 系统z l c a d 为 柳工和太原重机学院作为合作开发外，其余软件系统采用现有成熟商品软件。p r o 厄 为网络版软件，共有2 7 的浮动软件包，采用c l i e n t s e r v e r 模式进行管理，其他应用 软件为单机版软件系统。 华中科技大学硕士学位论文 - ；= = = ；= = = = = ；= ；= = = ；= = = = # = = 虚拟设计平台软硬件结构层次如图2 - i 。 垫蔓篓爨婴璧囊! 鏊k 曼翌，。 方案设计系统软件层 靶砖装载魄鹚l 性能分析软件 一一一 p h o 世“o p “t 。c dh t c d工业设计系统软件层 p r o e p e 抽走口c 柚m t - c d d p q 缔造c 肛系筑舯l s t 撮 工程c 直d ，c a e c 蜘系统软件层 u t d 口，t ip r o ，l u 啊强勰d 融l l l 弹o s t p 一- , t 。盯“。“” 操作泵獭陴层 y 1 n d 口- 3 珂rs e r v e f 齄 博悯绷彻 p 一_ i ! 生瞳z 一 上：。 。e 霎喜。i k ：一 i 广当4 伫= 毫画画 囱蠢蓝j 叠茸f 已0e 一”j l 口卜一。 画，囱支骊 圈2 l 虚拟设计平台软硬件结构层次 4 轮式装载机虚拟设计流程 轮式装载机是一种具有复杂结构的工程机械产品，因此轮式装载机设计是一个复 杂的系统工程，其设计按功能分类包括：动力系统设计、传动系统设计、结构件设计、 司机室及钣金覆盖件设计、液压系统设计、制动系统设计、电控系统设计等。产品功 能设计质量的好坏取决于整机可靠性、配套件质量及性价比等依靠长期经验积累的因 素。轮式装载机虚拟设计平台解决的是产品开发手段的问题，它提供了比以往更先进 的设计手段，来完成以往需要花费大量入力物力还不可能完成的任务，设计流程的第 一步为方案设计；第二步为工业设计：第三步进行工程设计，工程设计包括结构件、 铸件、管线路和钣金件设计。在轮式装载机虚拟设计中，动力系统设计安装、传动系 统安装件、工作装置及前后车架等需要进行结构设计和进行结构分析的部件归结到结 构设计中，桥箱体等铸件须做铸造分析以及需进行铸造模具加工的归入铸件设计模 一 q 华中科技大学硕士学位论文 目= = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = 块，需要进行高级曲面设计和钣金设计的司机室及覆盖件归入钣金件设计模块，液压 电器管路线路布管布线归入管路线路设计模块，所有设计都在高级装配中进行。 轮式装载机虚拟设计流程如图2 2 。 图2 之轮式装载机虚拟设计流程 l o 华中科技大学硕士学位论文 _ ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = 一 2 2 轮式装载机虚拟设计应用软件系统 2 2 1 方案设计系统【8 1 1 9 1 1 发动机及液力变矩器选择 方案设计中发动机和液力变矩器的选择是 首要问题，其匹配工作流程如图2 3 。 ( 1 ) 发动机- 液力变矩器匹配计算分析i b l 液力机械传动在现代工程机械中应用广 泛，发动机与液力变矩器的匹配计算比较烦琐， 花费设计人员大量宝贵的时间与精力，另外， 二者共同工作性能的好坏不仅与发动机、变矩 器自身的性能有关，而且还取决于二者特性的 配合，若匹配不合理，则机械的牵引性、动力 性、经济性和作业效率都会变坏，甚至机械不 能正常工作，根据虚拟设计平台功能设计需求， 为解决发动机变矩器的匹配、整机牵引性能、 动力性能以及燃料经济性评估电算问题，柳工 和太原重机学院联合开发了工程机械发动机变 图2 - 3 匹配工作流程图 矩器匹配计算软件。通过动力与变矩器匹配分析软件的开发，帮助设计人员进行快速 且比较准确的匹配计算，使设计师可以集中主要精力进行不同设计方案的分析比较， 从中选择较为理想的匹配方案。经过实践检验效果良好，满足轮式装载机产品开发需 求。工程机械牵引性能分析软件是柳工轮式装载机虚拟设计平台的重要组成部分。本 软件可以根据不同工况下发动机附件和各种油泵消耗的功率，以及发动机与传动系之 间的传动比和传动效率，计算出发动机在不同工况时的净输出特性，然后计算发动机 变矩器共同工作的输入、输出特性和各种评价指标。最后将计算结果经显示模块在 屏幕输出共同工作特性曲线和各特征工况下的计算指标。使原本大量而烦琐的手工绘 制作业在参数输入后马上可以显示结果，快速完成匹配分析。动力与变矩器匹配分析 华中科技大学硕士学位论文 ； = = = = = = = = = = = = = = ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = 系统界面包括参数输入与编辑、参数读入、参数显示、匹配计算分析、牵引动力计算 分析、计算结果显示、计算结果打印输出和文件输出功能。 ( 2 ) 牵引性能分析计算【s j 此模块分为牵引计算和动力计算两个部分。其中牵引计算子模块主要是针对以牵 引性能为主的机械，在计算中主要考虑了机械在工作过程中的滑转损失，不考虑机械 的空气阻力，一般用牵引特性曲线表示。牵引特性曲线表示了机械在一定的地面条件 下，在水平地段以全油门作等速运行时，机械各档的牵引功率、实际速度( 考虑行走 机构的滑转得到的速度) 、牵引效率、小时燃油耗、比油耗、滑转率、等随牵引力变 化的函数关系，牵引特性曲线是车辆的基本技术指标，无论在机械的设计还是使用中， 它都是十分有用的。在机械的设计过程中，牵引特性被广泛地用来研究和检查发动机、 传动系、行走机构和工作装置之间匹配的合理性。在比较各种设计方案以及与现有机 型作对比时，牵引特性则成为一种重要手段。在机械的使用过程中，了解机械的牵引 特性有助于合理的使用机械，有效地发挥它们的生产率。在组织机械化施工时，牵引 特性也常常是解决各种机种进行合理配合的基本依据。另一个子模块则是动力特性计 算分析模块。当机械在运输工况下工作时，机械的动力性反映在车辆的速度性能、加 速性能和爬坡能力上。此时一般不考虑行走机构的滑转损失，而要考虑空气阻力。一 般用驱动力行驶阻力平衡图来表示车辆的动力特性，利用此图可方便地求出车辆的 最高车速、加速能力和最大爬坡度等动力性能评价指标。本模块不仅画出了驱动力一 行驶阻力平衡和加速时间一加速距离曲线，还给出了各档的最高速度和最大爬坡度。 本模块不仅可以计算机械传动系的牵引特性和动力特性，还可计算液力机械传动系。 2 轮式装载机c a d 系统z l c a d 发动机和变矩器选择完成后需要对工作机构和总体布置进行设计，柳工和太原重 机学院联合开发了轮式装载机c a d 系统z l c a d ，解决轮式装载机总体设计和工作 装置优化设计计算阀题，作为柳工轮式装载机虚拟设计平台的重要部分，能有效地应 用于新产品开发，老产品改造及引进技术的消化等工作。此系统程主要由1 1 个应用 主程序，约1 0 0 余个子程序组成。 ( 1 ) 主要的应用程序有： ，_ _ ，一 华中科技大学硕士学位论文 a z s u b ，初始方案自动生成程序，根据用户输入的机器主参数，或输入的特殊要 求的作业尺寸，采用专家系统方法自动产生整个工作装置的方案。 b z l ，综合性能分析程序，包括作业几何参数、液压缸参数、作业运动学和动力 学参数、各种特殊作业过程和特殊工况的参数及其分析、各机构的相互匹配等。分析 计算工作装置的各种性能参数及作业过程参数。输出装载机整机结构参数及稳定性计 算结果，崛起力计算，举升能力计算结果。 c z o p t 优化设计程序，用于工作装置的整体优化。 d z f , 工作装置零件结构图生成程序，直接在屏幕上参数化自动生成各构件图， 并可直接在屏幕上交互式修改图形和设计构件。 e z m o v , 运动仿真分析，直接在屏幕上操纵机器运动，实现动态运动仿真，并 可随机显示工况参数。设计师可在键盘上操纵各液压缸的运动，也可实现整体图形的 移动、放大缩小、局部显示、以及各种运动速率的改变等，同时可附加标尺、图形重 叠显示、计算和显示当前状态下的各种参数，记录计算结果和即时打印当前图形。可 模拟装载机工作机构运动和显示机构运动轨迹并进行干涉检查。 f z f l产生用于a u t o c a d 下显示和编辑的工作装置零件图，为设计零件图和 整机造型提供基础图形。 g z w 强度普查分析程序，模拟各种不同的作业工况及作业方式，在作业范围内 进行结构强度分析。 h z m o d ，工况分析程序，按照给定的作业状态，计算该工况下的各种参数、作 业载荷( 铰点力) 及结构截面应力。可作为三维有限元分析前处理力学计算部分 i z s f , 生成工作装置动臂和摇臂的应力图，将工况分析或强度普查的应力结果用 图形显示。 i z s c r 整机造型程序，将绘制的各构件图按要求进行组装，在a u t o c a d 环 境下，显示工作装置总图。 k z b o m 动臂油缸机构设计程序，按照卸载高度和铲挖深度的要求以及结构尺 寸，通过改变油缸铰点位置，自动迭代计算出动臂油缸的全伸长和全缩长以及油缸在 动臂上的铰点尺寸。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 轮式装载机c a d 系统z l c a d 设 计流程图见图2 - 4 。【9 j 乱根据设计要求提供一个初步方案， 有对是可行方案。 b 得到初始方案后，对方案进行全面 分析与评价和修改，由以下程序模块完成： 性能综合分析。 ( b ) 根据初始方案的设计参数，自动生 成或在屏幕上人机交互式参数化生成各构 件图形，用于运动仿真时的图形拼装。 ( c ) 运动仿真，考察机构和结构的运 动、干涉等情况，如果图形不满足要求， 如结构干涉等，则需要返回( b ) 重新修改 图形。也可利用它对一些工况进行状态参 数分析。 ( d ) 优化设计，在对初始方案进行了全 面分析后，可以设置合理的约束值和目标 加权值进行优化。 图2 - 4 装载机总绺计算机辅助设计流程图 ( e ) 载荷与强度普查分析，虚拟设计平台只需要本系统对特定的作业方式和工况， 计算出每个构件在自身坐标系下的铰点力，用于有限元模型加载。 ( f ) 典型工况状态分析，按照设计师给出的工况参数值计算输出所有的状态几何 参数、运动和动力学参数、各构件的载荷、构件给定截面的应力等。它还可与结构载 荷和强度普查程序相配合，对作业仿真结果中各不同截面的较大应力工况作单独分 析，按各构件自身坐标系输出铰点力，为构件单独进行有限元计算提供加载值。简化 有限元计算模型。结构分析软件使用p t c 公司三维结构分析系统p r o m a c h a n i c a 。 当设计结果满足强度要求后转入工业设计系统进行设计。以上是总体方案设计系 统。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 - _ ；= 2 2 2 2 ；2 = = = = = = = = = = = 2 2 2 # 2 2 ；2 = = = = = = ；。2 2 2 2 = 2 = 2 2 2 工业设计系统【1 0 1 。【1 3 1 工业设计解决的是产品的外型、内饰、涂 装设计以及安全性及操作舒适性问题，是现代 产品设计的重要组成部分，是实现产品价值的 重要手段，是产品的核心竞争力关键要素。目 前在市场上有许多可以完成工业设计的软件， 三维设计软件中常见的有3 d m a x 、犀牛、 c d r s 及适用于机械设计的3 d 设计软件 p r o 甩、u g 、c a t i a ，平面设计部分则采用 p h o t o s h o p ，c o r c d r a w 等，柳工轮式装载机虚拟 设计平台根据实际需要采用p h o t o s h o p 、 a u t o c a d 、p r 0 厄作为工业设计软件系统。 在柳工轮式装载机虚拟设计平台中，完成方案 设计后进行产品工业设计，工业设计工程师根 据产品总体设计相关参数，通过对收集到的全 世界优秀公司轮式装载机资料进行处理，结合 柳工产品特征，v i 、c i 特征创作出有柳工风格 的造型设计，虚拟完成色彩涂装设计、外型覆 盖件设计、司机室外型、内饰及功能件设计， 图2 - 5 工业设计流程图 并利用a u t o c a d 绘出机器的轮廓后转入p h o t o s h o p 草绘出机器外型效果图、经评审 通过后利用p r o e 进行三维设计，利用三维系统输出不同角度产品的g i f 或b m p 格 式图片再输入p h o t o s h o p 中进行效果处理，再进行评审，如通过则执行具体工程设计， 避免了昂贵的实物模型，首次设计成功率大大提高。工作流程如图2 5 。 柳工虚拟设计平台采用的工业设计软件简介如下： 1 p h o t o s h o p 平面设计软件，是由a d