基于ProE挖掘机工作装置的建模及运动仿真
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基于ProE挖掘机工作装置的建模及运动仿真说明书.doc
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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。
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用，液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，受到了广大施工作业单位的青睐。国外著名厂家的液压挖掘机在设计方法上重视试验研究工作，重视电子计算机技术的应用，而国内的厂家则更多的停留在测绘仿制阶段，系统的计算机辅助设计应用还不够广泛，不够成熟,因此传统的设计方法已很难满足设计、生产的需要，只有将计算机辅助技术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。
本论文对挖掘机工作装置进行建模、装配，并对动臂进行参数化分析。然后将整个模型导入到多体动力学仿真分析软件ADAMS中，建立虚拟样机模型，对挖掘机进行顺序动作和复合动作的运动学与动力学仿真分析。将虚拟样机技术引入到挖掘机设计分析领域，提高产品的设计效率和设计质量，从而缩短产品开发周期，节约开发成本。于改进原有产品的设计，或进行新产品的开发研制，对提高此类产品的设计质量很有实用意义。
目录
第一章 绪论1
1.1 课题的研究背景1
1.2液压挖掘机国内外研究现状2
1.3本课题的研究内容及意义3
第二章 虚拟样机技术5
2.1 虚拟样机技术概述5
2.2 ADAMS概述及其仿真技术8
2.3 ADAMS建模、仿真的步骤10
第三章 基于PRO/E的液压挖掘机参数化建模12
3.1 液压挖掘机概况12
3.2 参数化建模与特征建模14
3.3 参数化软件PRO/ENGIEER介绍15
3.4工作装置的参数化建模16
3.5 参数化的具体实现20
3.6 工作装置的装配24
第四章 基于ADAMS的液压挖掘机仿真25
4.1 挖掘机工作装置的仿真25
4.2 仿真分析概述29
4.3 工作装置的运动学仿真分析30
4.4 工作装置的动力学仿真37
4.5 仿真分析及结果后处理41
第五章 总结47
参考文献48
致谢49
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。
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用，液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，受到了广大施工作业单位的青睐。国外著名厂家的液压挖掘机在设计方法上重视试验研究工作，重视电子计算机技术的应用，而国内的厂家则更多的停留在测绘仿制阶段，系统的计算机辅助设计应用还不够广泛，不够成熟,因此传统的设计方法已很难满足设计、生产的需要，只有将计算机辅助技术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。
本论文对挖掘机工作装置进行建模、装配，并对动臂进行参数化分析。然后将整个模型导入到多体动力学仿真分析软件ADAMS中，建立虚拟样机模型，对挖掘机进行顺序动作和复合动作的运动学与动力学仿真分析。将虚拟样机技术引入到挖掘机设计分析领域，提高产品的设计效率和设计质量，从而缩短产品开发周期，节约开发成本。于改进原有产品的设计，或进行新产品的开发研制，对提高此类产品的设计质量很有实用意义。
关键词：液压挖掘机 参数化 仿真 ADAMS 分析
1.3本课题的研究内容及意义
1.3.1 课题研究内容
1．概述虚拟样机技术的概念、特点及其应用现状，阐述多体动力学仿真软件ADAMS建模仿真的基本流程，分析它与常用三维CAD软件之间的数据交换问题。
2．利用PRO/ENGINEER软件绘制液压挖掘机三维实体模型，然后对动臂进行参数化分析。将模型导入ADAMS中，建立虚拟样机模型。
3．利用多体动力学仿真软件ADAMS对挖掘机虚拟样机机械系统运动轨迹及整机的工作范围进行仿真。并进行顺序动作、复合动作的运动学和动力学仿真分析。
1.3.2 课题研究意义
本论文对挖掘机工作装置进行建模、装配，并对动臂进行参数化分析。然后将整个模型导入到多体动力学仿真分析软件ADAMS中，建立虚拟样机模型，对挖掘机进行挖掘过程的运动学与动力学仿真分析。将虚拟样机技术引入到挖掘机设计分析领域，提高产品的设计效率和设计质量，从而缩短产品开发周期，节约开发成本。于改进原有产品的设计，或进行新产品的开发研制，对提高此类产品的设计质量很有实用意义。同时有利于推动和促进CAD技术在企业的深入发展和应用。 2.1 虚拟样机技术概述
随着21世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈，产品的消费结构日趋向多元化、个性化方向发展。面对持续发展、风云变幻的市场需求，企业为了提高自身竞争力，必须尽快推出新产品，更新设计，缩短产品的研发周期，提高产品质量，降低研发成本，进行创新性设计，这样才能对瞬息万变的市场需求做出敏捷反应，从而在竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技术就是在这种迫切市场需求的驱动下产生的。
2.1.1 虚拟样机的基本概念
虚拟样机(Virtual prototype，简称VP)技术是当前设计制造领域的一项新技术，又称为机械系统动态仿真(Mechanical System Simulation)技术，是国际上80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程新技术。
一种新产品的开发和研制需要考虑诸多因素，因此对传统设计方法提出了挑战，虚拟样机技术从分析解决机械系统整体性能及其相关问题的角度出发，研究解决采用传统的机械产品设计方法学所带来的弊端的一项高新技术手段。利用该技术，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各零部件的物理信息(如质量、质心位置、转动惯量等)及几何信息，在计算机上进行虚拟装配(定义零部件间的连接关系及其作用力、运动激励)，从而获得产品的虚拟样机模型，并对其进行仿真分析，进而在产品物理样机试制出来之前就对其性能有一个大体了解，并可把仿真结果作为对系统关键零部件有限元分析的依据。
目前虚拟样机的概念从机械工程研究领域的角度出发，虚拟样机是一种针对测试对象和物理原形进行的一个虚拟制造和仿真过程，基于虚拟样机技术建立的工程化制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械、物理、外观和功能特性的有关信息。
2.1.2 虚拟样机技术的核心理论
工程中的研究对象大多是由大量零部件构成的系统，根据设计优化与性能分析的要求可以将其分为两大类：一类称为结构，它们的特征是在正常的工况下构件间没有相对运动，研究中只关心这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性。另一类是系统在运行过程中部件间存在相对运动的机构。如航空航天器、操作机械臂、机器人等复杂机械系统。力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统。
对于复杂的机械系统，研究其在载荷作用下各部件的动力学响应是产品设计中的重要问题。已知外力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的积分，称为动力学正问题。已知系统的运动确定运动副动反力的问题称为动力学的逆问题，它是系统各部件强度分析的基础。
虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学。多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。
1．多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。
2．多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。多柔体系统动力学可以看作是多刚体动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成的特点，一般以多刚体系统动力学的以研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等。将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程。
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