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机械毕业设计全套

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JXFZ01-020@挖掘机构建模与仿真研究,机械毕业设计全套

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毕业设计任务书 学生姓名 闫薇 院 系 机电工程学院 专业、班级 机械设计制造及其自 动化 08-14 指导教师姓名 刘财勇 职称 讲师 从事 专业 机械制造及自 动化 是否 外聘 是 否 题目名称 挖掘机构建模与仿真研究 （科研） 一、设计 目的、意义 挖掘机 是一种应用广泛的工程机械 ， 功能多样、结构复杂的建设施工机械 ， 在工业 与民 用建筑、道路建设、水力、 矿山 、 市政施工 等土石方施工中均占有重要地位，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设备。 随着挖掘 机市场竞争的不断加剧，其产品的开发速度及其可靠性日益成为最具挑战性的因素。由于新产品开发周期长、成本高、设计手段落后而导致我国传统工程机械行业缺乏市场竞争力。逐渐成熟的 建模与仿真 技术为实现新产品的快速开发，提高我国工程机械产品的设计水平和市场竞争力提供了强有力 的手段。 国内 外对挖掘机的研究很多， 但 对挖掘机装置的研究还需要更加 深入 ， 在设计经验和理论方面还需进一步完善 。 二、设计内容、 技术 要求 （研究方法） 设计内容： 1 挖掘机构 三维 结构设计 ； 2 挖掘机构运动 分析 ； 3 干涉分析 ； 4. 挖掘机构动力学分析 。 技术要求： 1 机构运动的动画显示 ； 2 仿真结果的参数输出 。 nts三、设计完成后应提交的 成果 1开题报告一份 ； 2设计说明书一份，字数不少于 2 万字； 3图纸总量不少于 1.5 张 A0，其中，包含 结构装配图 、 零件图 等 。 四、设计 进度安排 2012.2.27-2012.3.20 查阅文献 ， 收集资料，撰写开题报告 ； 2012.3.21-2012.4.3 确定 设计 方案； 2012.4.4-2012.4.24 三维结构设计 ； 2012.4.25-2012.5.15 运动分析与干涉分析 ； 2012.5.16-2012.6.5 动力学分析 ； 2012.6.6-2012.6.15 撰写设计说明书 ，整理资料， 准备答辩。 五、主要参考资料 1 张铁 .液压挖掘机结构原理及使用 M.山东 :石油大学 出版社， 2002 2 王国强 .虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践 M.西安 :西北 工业 大学 出版社， 2002 3 潘玉安，程洪涛，姜迪友等 .基于 ADAMS 的挖掘机工作装置的仿真与优化设计 J. 煤矿机械 ， 2009（ 3） 4 周卫东 . 轻 型挖掘机的研制与运动学分析 J.制造业自动化 ， 2010， (7) 5 张林艳，邓子龙，张红亮等 . 挖掘机工作装置虚拟样机的建立与动力学仿真 J.辽宁石油化工大学学报 ， 2008， (9) 六、备注 指导教师签字： 年 月 日 系 主任签字： 年 月 日 nts 毕业设计开题报告 设 计 题 目 : 挖掘机构建模与仿真研究 院 系 名 称 : 机电工程学院 专 业 班 级 : 机械设计 制造及其自动化 08-14 学 生 姓 名 : 闫薇 导 师 姓 名 : 刘财勇 开 题 时 间 : 2012 年 3 月 19 日 指导委员会 审 查意见： 签字： 年 月 日 nts 1 课题研究目的和意义 挖掘机广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利水电工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等机械化施工中，对提高劳动生产率，保证工程质量等都起着非常重要的作用。随着 工程机械 市场竞争日趋激烈，迫切需要缩短产品开发周期。在这种情况下，仿真分析在结构设计中就显得十分重要。而分析结果的可靠性、有效性及分析过程的高效性与对设计的正 确指导作用密切相关。由于挖掘机的传统设计方法既费时又耗材，难以满足当今企业发展的要求，因此，对 挖掘 机构 置入现代分析手段一直得到设计部门的关注。虚拟样机技术的发展，使产品设计摆脱了对物理样机的依赖，降低了产品的开发风险，大大提高了企业的生产效率，体现了一种全新的研发模式。 随着挖掘机市场竞争的不断加剧，其产品的开发速度及其可靠性日益成为最具挑战性的因素。由于新产品开发周期长、成本高、设计手段落后而导致我国传统工程机械行业缺乏市场竞争力。逐渐成熟的建模与仿真技术为实现新产品的快速开发，提高我国工程机械产品的设计 水平和市场竞争力提高了强有力的手段。国内外对挖掘机的研究很多，但对挖掘机装置的研究还需要更加深入，在设计经验和理论方面还需进一步完善 。 对挖掘机 进行仿真分析，一方面保证所设计的系统具有良好的动态性，另一方面若设计的系统有不令人满意的地方，可以对系统进行修改和完善。对挖掘机构进行仿真可以大大缩短设计和调整周期，并节约成本。在当今快节奏的社会中，谁能更快的生产出新产品，谁就具有最强的生命力。因此挖掘机构仿真分析已成为挖掘机系统设计与改进的重要组成部分，对挖掘机构的设计也具有重要意义。 与工业发达国家相比，我国重 矿机械行业还存在不小的差距，主要表现为：产品总量供大于求，生产能力过剩；供需关系失衡，低档产品积压，现代重要技术装备仍依靠进口；科技和新产品开发能力薄弱，缺乏市场竞争力；企业多而散，经济效益低；经营机制不适应国际市场要求等。为此，国家将重矿机械行业 “ 十五 ” 发展规划的目标确定为：提高产品技术水平和成套能力，提高生产技术水平和装备现代化，提高集约化生产程度和管理水平，提高经济运行质量和经济效益，使之尽快成为能满足国民经济发展要求，并具有参与国际竞争能力的行业。 在这种国内外挖掘机发展的大情形下，我们进行挖掘机工作 装置的合理性分析是有必要的，这有利于国内挖掘机行业的发nts 展，为我国发挖掘机行业在国际竞争中立于不败之地打好基础。 2 文献综述 最早在挖掘机工作装置设计时，往往通过类比法、查表法、理论初步确定性能参数后，再花大量的时间对设计的合理性进行分析，计算量大，而且在设计过程中，大多选取几个关键位置进行检讨计算，其精度较低。 当今计算机广泛应用于机械设计中，挖掘机工作装置的设计得到了快速发展。 基于虚拟样机技术的挖掘机构的建模及运动仿真，不仅可以验证挖掘机构设计方案的合理性，而且可以验证挖掘机构在运动过程中是否干涉，铲斗的 运动状态，结构参数的合理性都具有理论和实际意义。 2.1 挖掘机的国内外发展现状 从 20 世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。 (1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在 0.25m以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在 0.01m。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置 除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲 、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。 (2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。 (3）重视采用新技术、新工艺、新 结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新 C 系列 LS-5800 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了 CAPS（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能 。 (4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推nts 广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限 元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。 (5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。 (6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用 油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加；采用三回路液压系统。产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速成运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。 (7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。 20 世纪 70 年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。 20 世纪 80 年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化 的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。 2.2 挖掘 机构的发展方向 当前挖掘机构的主要研制和改进主要着眼于：铲斗挖掘力大小和有效挖掘范围是衡量各种挖掘机工作能力的重要指标，目前是通过工作装置的最佳铰点位置，采用高压和超高压技术，提高整机稳定性 。 挖掘机构的形式将进一步扩大，除了常用的正铲、反铲以外，发展了起重、抓斗、平坡斗、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振倒器、推土板等几十种品种。挖掘机构的更换快速而简便，甚至司机在室内按动按钮， 几秒钟就可nts 换好，并且通过挖掘过程的研究，来控制挖掘机构的运动轨迹，目前正在研究连杆式 、仿形式、套筒伸缩式、斗杆追随式和具有运算输入装置的轨迹控制装置。 3 设计基本内容、拟解决的主要问题 3.1 基本内容 3.1.1 挖掘 机构 的建模 单斗挖掘机的总体机构包括动力装置、工作装置、回转 装置 、操纵 装置 、传动 装置 、行走 装置 和辅助 装置 等， 如图 3.1。 图 3.1 挖掘机结构图 图 中 由 部件 1 到部件 7 共同组成了 挖掘装置。 挖掘 装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、 斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用液压缸控制。在液压缸的作用下各部分绕铰接点摆动，完成挖掘、提升和卸土等动作。 在 对 挖掘机构建模 后对各部件 之间施加相应的连接方式 使各部件连接起来。完成挖掘机的装配过程 ， 如 图 3.2。 3.1.2 挖掘机构的仿真 利用多体动力学仿真软件 ADAMS 对挖掘机构系统运动轨迹及整机的工作范围进行仿真。并将输出相关的数据 。 3.2 拟解决的主要问题 1、挖掘机构的结构设计：建立合理的挖掘机构型，并将挖掘机构进行装配 2、 挖掘机构的仿真：了解并掌握 ADAMS 软件， 将挖掘机构导入到 ADAMS中，进行运动仿真及分析。 nts 图 3.2 挖掘机构装配过程图 4 技术路线或研究方法 本课题是对挖掘机构进行建模与仿真研究。 技术路线如 图 3.3。 图 3.3 技术路线图 5 设计进度安排 2012.2.27-2012.3.20 查阅文献，收集资料，撰写 开题 报告 了解挖掘机构 的组成 查阅挖掘机构的相关文献 设计方案及方案选择 完成挖掘机构的建模与装配 对挖掘机构的仿真，并进行分析研究完成挖掘机构的建模与装配 输出相关的参数及数据 编写设计论文 nts 2012.3.21-2012.4.3 确定设计方案 2012.4.4-2012.4.24 三 维 结构设计 2012.4.25-2012.5.15 运动分析与干涉分 析 2012.5.16-2012.6.5 运动学分析 2012.6.7-2012.6.15 撰写设计说明书。整理资料，准备答辩 6 主要参考文献 1吴宗泽 .机械 设计课程设计手册 S.北京 :高等教育出版社 ， 2007. 2杨可桢 .机 械设计基础（第五版） M.北京 :高等教育出版社 ， 2006. 3张铁 .液压挖掘机结构原理及应用 M.山东：石油大学出版社， 2002. 4王国强 .虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践 M.西安：西北工业大学出版社， 2002. 5潘玉安，程洪涛，姜迪友 等 .基于 ADAMS 的挖掘机工作装置的仿真与优化设计 J.煤矿机械， 2009， (03). 6周卫东 .轻型挖掘机的研制与运动学分析 J.制造业自动化。 2010，（ 7） . 7曹善华 单斗液压挖掘机 M 北京 ： 建筑工业 出版社， 2005. 8Ryken Michael J.Vance Judy M Applying virtual reality techniques to the interactive stress analysis of a tractor lift arm 外文期刊 .2000， (02). 9高佳宏 .压挖掘机工作装置的三维设计 J .煤矿机械， 2007， (12). 10张林艳，邓子龙，张洪亮等 . 挖掘机工作装置 虚拟 样机的建立与动力学仿真 J. 辽宁石油化工大学学报， 2008， (09). 11吕宁，洪雪 .UG NX7.5 入门与提高 J .清华大学出版社， 2010，（ 9） . 12Imanishi Etsujiro.Nanjo Takao.Hiroka Eiko Dynamic simulation of flexible multibody system with the hydraulic drive外文期刊 . 2003. 13孔德文等 .液压挖掘机 J.化学工业出版社， 2006， (09). 14阎书文 .挖掘机结构设计 J.化学工业出版社， 2007， (09). 15贾长治，殷军辉等 .MD ADAMS 虚拟样机技术从入门到精通 M.北京：机械工业出版社， 2010. nts本科学生毕业设计挖掘机构建模与仿真研究 院系名称： 机电工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化 08-14班学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 摘 要液压挖掘机是一种应用广泛、功能多样、结构复杂的建设施工机械。随着挖掘机市场竞争的不断加剧，其产品的开发速度及其可靠性日益成为最具挑战性的因素。由于新产品开发周期长、成本高、设计手段落后而导致我国传统工程机械行业缺乏市场竞争力。逐渐成熟的虚拟样机技术为实现新产品的快速开发，提高我国工程机械产品的设计水平和市场竞争力提供了强有力的手段。本文将虚拟样机技术引入到液压挖掘机的设计开发过程中，并主要从以下几个方面进行研究。1、首先介绍了虚拟样机技术的基本理论，回顾了虚拟样机技术和液压挖掘机在国内外的研究现状和发展趋势，论述了将虚拟样机技术应用于液压挖掘机设计的必要性。2、在分析了液压挖掘的系统组成以及挖掘机构的组成的基础上，利用UG软件对挖掘机的挖掘机构进行建模、装配。3、利用UG软件对挖掘机的挖掘机构进行运动仿真，探讨了UG软件与ADAMS软件之间的数据传输途径以及应用ADAMS软件建立了挖掘机的挖掘机构的仿真模型。通过对挖掘机在顺序动作和复合动作作业方式下的情况，利用该软件对挖掘机构进行运动学、干涉以及动力学仿真分析。关键词：挖掘机构；虚拟样机；运动仿真；分析AbstractHydraulic excavator is a widely used, versatile, complex structure of the construction machineryWith the growing competition in the market, it is increasingly becoming the most challenging factor of the product development speed and reliabilityBecause of long development cycle of new products，high cost, backwardness design methods, it is lack of market competitiveness of chinas traditional construction machinery industryGradually mature virtual prototype technology to realize the product fast development, enhanced the design level and the market competitiveness of our country construction, machinery product has provided the powerful methodThis paper will introduce virtual prototype technology into hydraulic excavator design and development area, mainly aspects are studied as follows：Firstly, introduced virtual prototype technology basic theory, recalled the virtual prototype technology and hydraulic excavators in the research situation and development trends and will be discussed that it is need of using virtual prototype technology in the design of the hydraulic excavator.Secondly , according to the basic theory of virtual prototype, proceeded to design and simulation about hydraulic excavator based ,UG ADAMS software in the analysis of the hydraulic excavator all components and design requirements and methods of equipmentThirdly, discussed the data transmission channels between UG and ADAMS software, worked out the method to establish kinematics and dynamics simulation model using ADAMS software, established the dynamics model in symmetrical load conditions based on analysis of the excavator operations in the compound action of mechanical properties, and processed to simulation analysisKey words: Equipment of hydraulic excavator；Virtual prototype；Simulation；AnalyII目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 挖掘机构的研究状况21.2.2 国外对挖掘机构的研究21.2.2 国内对挖掘机构的研究31.3 虚拟样机技术概述41.4 课题研究的内容5第2章 挖掘机构的三维模型设计62.1 挖掘机概述62.1.1 挖掘机62.1.2 挖掘机的组成62.2 UG软件介绍72.3 挖掘机构的建模92.4 挖掘机构的装配142.5 本章小结16第3章 挖掘机构的运动学分析及干涉分析173.1 挖掘机构的运动仿真173.2 虚拟样机在ADAMS中的实现173.2.1 ADAMS软件介绍173.2.2 ADAMS模块介绍183.2.3 虚拟样机在ADAMS中的设计流程图203.2.4 数据传输问题的解决223.2.5 建立虚拟样机233.3 挖掘机构的运动学分析253.4 挖掘机构的干涉分析283.5 本章小结30第4章 挖掘机构的动力学分析314.1 添加驱动314.2 添加载荷314.3 仿真分析及结果后处理334.4 本章小结36结论37参考文献38致谢39第1章 绪 论1.1 课题研究背景与意义挖掘机作为一种重要的工程机械使用在土石方施工和矿山采掘工业中，它有别于其他的机械设备，它的工作环境恶劣，常工作在地质环境复杂、载荷情况多变的、大气条件差的情况下，因此，其可靠性备受关注，特别是它的挖掘机构部分，由于要受到巨大载荷和频繁载荷的变化，其结构安全性更要进行严格验证。近年来，随着电子计算机的快速发展，有限元分析技术和虚拟样机技术在挖掘机的设计和开发工程中得到了广泛应用，国内外的研究人员对此也做出了大量的研究工作和探究。挖掘机是一种常用的、重要的工程机械，在国民建设的许多行业被广泛的采用，如工业和民用建筑、交通运输、水利水电工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等行业二的机械化施工中，对减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度，按时完成工期，提高劳动生产率都起着非常重要的作用。据统计，一般的施工中约有65%70%的土方量、露天矿上中80%的剥离量和采掘量都是用挖掘机完成的。当前，国际上的挖掘机正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。相对而言，国内的挖掘机行业总体水平还比较落后，在设计水平和技术层次上更是与国际知名厂家的差距大10年之久。因此，对国产挖掘机行业来说，引进先进的生产技术和积极地采用先进的设计开发技术迫在眉睫。目前，我国的挖掘机行业普遍存在产品更新换代慢的问题，总体产品产量低于国外同类产品。如何尽快缩短这些差距，提高产品的设计水平已成为挖掘机制造企业的迫切要求。国内挖掘机开发存在一定的缺陷，国产挖掘机数量少，多为斗升2.5m一下的小型设备，中性设备较少，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求。从产品技术水平、可靠性、制造质量和国外挖掘机有很大差距。对大中型挖掘机尚属于经验设计阶段，实验研究工作比薄弱，短期内难以完成设计开发工作。配套件的质量和可靠性差，使用寿命短。国外独资和和合资企业产品虽然价格较贵，但因其技术含量较高，依然占据国内市场的份额。长期以来，我国挖掘机设计一直传统的设计方法，利用经验公式做出一系列可行方案，然后在在这些方案中找到一个比较好的进行投入生产，这种方法工作量大，设计周期长，设计质量低，而且的出得方案也不一定是最优方案。它已不适应挖掘机产品的设计需求。在挖掘机的设计过程中，机构参数的确定是一件非常复杂的工作，影响这些参数的因素也由很多，所有参数间相互制约，所以我们必要采用先进的设计方法来设计挖掘机的工作参数，进而提高挖掘机的设计水平、产品质量、效率和竞争能力。因此，采用虚拟样机技术对挖掘机设计成一种有效的方法。基于虚拟样机技在挖掘机构的动态仿真以及优化设计，不仅可以验证挖掘机构方案设计的合理性，而且可以验证挖掘机构的各构件在运动过程中是否干涉，机构参数设计是否最优。通过CAD、CAE软件尽心很高准确建模，动态仿真、动力学分析和运动化学分析，然后进行优化设计。这样可以在没有真样机的情况下，设计人员可以通过三维虚拟样机，一方面可以动态仿真挖掘机工构的各种作业工况及全部作业过程。另一方面可以通过专业的软件自动绘制出各种作业工况下铲齿的运动轨迹，分析最大挖掘深度、最大卸载高度、最大挖掘半径的位置。另外，对分析挖掘机构的作业过程、铲斗的运动状况、检验挖掘机构结构参数是否合理等，都具有重要的理论和实际意义。本论文对挖掘机构进行建模、装配、并对其进行参数化分析。然后将整机模型导入到多体动力学软件ADAMS中，建立虚拟样机模型，对挖掘机进挖掘过程的运动学、干涉和动力学仿真分析。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，从而缩短设计周期，节约开发成本。对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。同时又利于推动和促进CAD技术在企业的深入发展和应用。1.2 挖掘机构的研究状况挖掘机构是完成挖掘机整体工作的主要执行者，它由动臂、斗杆和铲斗连杆机构组成，它具有多个自由度,在实际工作中，需要根据工作条件经常变换运动状态如对它进行启动、制动、转向等操作，挖掘过程中它的外负载变化很大，容易承受较多的冲击和振动，而且某些恶劣的实际工作环境条件也会制约某些功能的正常发挥，这些都是设计挖掘机构时需要考虑的问题。国内外的很多学者也对此做了大量的研究。最早的设计一般是通过类比法、查阅表格法、进行相关理论计算等，首先初步确定挖掘机构的重要参数，然后在此基础上分析所定参数是否合理，这种方法不可能对整机的的参数都进行选择，大多是选取几个关键位置进行分析设计计算，计算工作量很大，并且精度较低。随着计算机在工程中的应用，国内外对挖掘机构的研究也随之步入到了一种新的研究阶段，下面主要介绍国内外对之的主要研究情况。1.2.2 国外对挖掘机构的研究从20世纪50年代生产第一台挖掘机至今，挖掘机的挖掘机构已经发展到了相当成熟的阶段。随着挖掘机市场的增大、产量的提高和使用范围的扩大，世界著名的挖掘机生产商纷纷采用新技术、新手段来提高产品质量，提高产品的市场竞争力。随着建筑施工和资源开发规模的扩大，各种作业环境的不同，使得国际上液压挖掘机的挖掘机构的生产向多功能化和专业化方向发展。从20世纪60年代开始，发展了正铲、反铲、起重、钻机等，70年代液压破碎锤开始应用于液压挖掘机。70年代中期，根据需要，利用挖掘机底盘开发了钻机、FP螺旋钻井机、履带起重机等设备。到70年代后期，又开发出全回转叉式液压机、碎石机、道路破碎机、汽车拆除机及伸缩式斗杆等。进入90年代，各种特殊的附加设备相继被开发，如泥土工作机、拆除专用机、可伸缩式履带起重机的系列化及隧道专用机、钢材搬运机。挖掘机构在实现多种功能的同时，大多数采用快换装置，仅用2min的时间久可以完成作业装置的更换。随着计算机辅助设计技术的日益推广，机械设计及制造技术发生了革命性的变化，而作为一个重要分支的挖掘机行业，应用现代计算机辅助设计技术势在必行。在国外很多科研机构和一些专业软件，并将疲劳损伤累计理论、断裂力学、有限元法、结构优化设计、电子计算机控制的伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于挖掘机的强度研究方面，提高了产品质量，增强了竞争力。1.2.2 国内对挖掘机构的研究我国从1958年开始研制挖掘机，逐步开发了12.5m系类产品；80年代初德国LIEBHERR公司与O&K公司引进技术生产斗容量11.5m中型规格产品，但质量和数量与国外相比均存在较大差距，在故障时间、经济性、燃油消耗率、施工成本等方面差距明显。到了80年代末、90年代初，世界各工业发达国家挖掘机技术水平得到迅速的提高，在追求高效率、高可靠性、司机操作的舒适性方面表现尤为突出。当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化、专用化和智能化的方向发展，应用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐，相对而言，虽然国内挖掘机行业近年来有很大发展，但总体水平与发达国家相比还有一定差距，可喜的是国内众多的研究人员和单位对挖掘机的挖掘机构设计进行了不少研究，开发了设计软件，为挖掘机构设计参数分析和在CAD上自动设计提供了基础和参考。为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，将计算机辅助计算和优化设计应用于挖掘机构的设计中是目前研究的重点。随着我国加入WTO，在与国际化合作变得日益密切之际，对国内挖掘机行业来说，充分利用与国际化配套、积极引进先进的生产技术和积极采用先进的设计开发技术迫在眉睫。1.3 虚拟样机技术概述虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)，又称为机械系统动态仿真技术(Mechanical System Simulation)，它是将某一系统分散的零部件(CAD)设计技术和分析(FEA)技术揉合在产品设计开发过程中，以设计出的虚拟产品为基础进行某些参数的测试和仿真分析，并且这些测试和仿真的结果会以图形和曲线的方式显示，利用该技术设计的样机可以全面的模拟在真实工况下的运动特性和参数变化，从而对产品设计更改以及整体性能的预测提高和获得最优设计方案提供参考。它是设计领域的一项新的CAE(计算机辅助设计)技术，是随着国际计算机技术自80年代的发展而发展起来的，它是世界经济和科学技术飞速发展的产物，是企业在国际化竞争中进行创新性设计、取得行业竞争优势所必需的一种技术。虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，这是复杂的机械系统所共同具有的三类问题，这也决定了它在机械行业的广泛应用前景。采用这种技术的主要优点如下：1、全新的研发模式。它脱离了传统的从设计到生产的串行研发方法，可以将产品的概念设计和模型的仿真并行进行，边设计边仿真优化，且无需建立物理模型。2、研发周期短、研发成本低、产品质量高。应用此技术只需建立产品的数字化模型(虚拟样机)即可实施各种工况的虚拟试验，从而减少了物理样机的试制和实验的次数，从而缩短了研发周期、节约了成本并提高了产品质量。3、可以实现不同地域的资源共享。虚拟样机模型的建立有利于克服单个企业资源的局限性，利于不同的企业和单位之间实现并行设计和制造，从而为产品信息和资源共享提供了一定的便利。这种概念提出以来，就广泛的应用于汽车制造、航空航天、工程机械以及国防工业各方面。20世纪80年代起，美国己经在虚拟制造环境、虚拟现实技术以及虚拟企业等方面展开了研究与开发，并使相关单元技术进入了实验和完善的阶段；这期间欧洲也以大学为中心展开了对虚拟车间、建模与仿真工程等相关的虚拟样机技术的研究；1997年，美国通用动力公司建成了第一个可以将产品的设计、分析和制造以及工装和更改设计并行进行的全数字化的机车样机虚拟模型；Caterpillar公司采用虚拟样机技术进行多种设计方案的快速虚拟试验，使得产品成本降低了，产品的性能却提高了；John Deere公司对工程机械的改进采用了虚拟样机技术，使它在高速行驶时出现的蛇行现象和承受重载时的自激振动问题都得到了改善；波音公司对波音777飞机的设计也采用了虚拟样机技术，它成功实现了无图纸方式研发及制造，是世界上首架这样的飞机，采用虚拟样机技术使其制造周期缩短了50%，对设计实物进行更改的费用也降低了94%。我国虚拟样机技术进入21世纪后才受重视，最早应用于航空和军事领域，如飞行器动力学设计、武器制造、导弹动力学分析等。现在较多的应用在机械产品的设计制造中，如高精度数控机床的优化设计、碰撞检测、运动特性及耐用性分析、液压系统设计等。国内大学中清华大学、浙江大学、天津大学都分别进行了虚拟样机技术方面的研究；中航第一飞机研究院成功设计了国内首架飞机电子样机；863项目“月球表面探测机器人方案研究”运用虚拟样机技术对构造的虚拟月球表面进行仿真计算，取得了有价值的科研成果。但是，总体来看，国内对虚拟样机技术的研究与国际尚存在一定的差距。虚拟样机技术借助于虚拟样机软件实现了它在工程上的广泛应用，虚拟样机软件大部分都具有非常便捷的人机交互界面，并且它们的虚拟仿真能力都相当强大，在这其中影响力比较大的是美国机械动力学公司(Mechanical Dynamics Inc)的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)。它具有建模模块(ADAMS/View)，后处理仿真分析模块(ADAMS/PostProcessor)，优化分析模块(ADAMS/Insight)，液压仿真模块(ADAMS/Hydraulics)，控制系统模块(ADAMS/Control)以及轨道模块(ADAMS/Rail)、飞机模块(ADAMS/Aircraft)、汽车模块(ADAMS/Car)等一些专用模块。本论文分析的研究是基于此软件进行的。1.4 课题研究的内容本课题运用UG和ADAMS软件建立起了挖掘机构的虚拟样机，并针对此进行了运动学、干涉、动力学仿真分析。主要研究内容如下：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UG软件绘制挖掘机三维实体模型，然后对挖掘机的挖掘机构进行装配。将模型导入ADAMS中，建立虚样机模型。3、利用多体动力学软件ADAMS对挖掘机虚拟样机进行运动学分析、干涉及动力学分析。第2章 挖掘机构的三维模型设计本章主要研究内容是挖掘机的挖掘机构的建模。这要求设计者不仅要充实掌握产品设计的基础理论知识，而且还能熟练的运用CAD软件进行建模。因此本章首先对涉及到的理论知识，如挖掘机概述、特征建模技术方面进行阐述，最后对所用的设计软件UG进行简要介绍。2.1 挖掘机概述 2.1.1 挖掘机挖掘机，又称挖掘机械(excavating machinery)，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械机型之一，其正确的选型也就显得更为重要。挖掘机是在机械系统传统挖掘机的基础上发展起来的一种周期作业的土方机械，挖掘机在动力装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作。如图2.1为正在工作的挖掘机。 图2.1 工作中的挖掘机2.1.2挖掘机的组成挖掘机是以铲斗进行挖掘工作的工程机械，它由工作装置、回转装置和行走装置三大部分组成。挖掘机的挖掘机构采用连杆机构原理，而各部分的运动则通过液压缸的伸缩来实现；它主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、连杆等组成，如图2.2所示。 图2.2 挖掘机的结构组成图2.2中所示，挖掘机的挖掘机构是通过铰接在转台上的动臂油缸的伸缩，带动动臂及整个挖掘机构做升降运动；而斗杆和铲斗分别铰接在动臂上的铰点和斗杆上的铰点，通过斗杆液压缸和铲斗液压缸的伸缩来实施挖掘动作。挖掘机构进行挖掘作业时，理想的挖掘顺序为：首先回转马达带动转台转动到挖掘位置，并且操纵动臂液压缸使动臂下降至铲斗触地，其次操纵斗杆和铲斗液压缸挖掘，然后操纵动臂使满载的铲斗升离挖掘面，随即转台转动至卸载位置，操纵斗杆和铲斗液压缸使铲斗反转，进行卸载，最后再次回转至挖掘位置，如此进行循环挖掘。在实际操作时，可以根据挖掘面、土质情况等挖掘条件，将挖掘循环中挖掘机构的液压缸进行随机配合，可以单独采用铲斗液压缸挖掘或者与让它斗杆液压缸、动臂液压缸联合挖掘。总之，挖掘机的挖掘机构采用连杆机构原理，挖掘过程的各项动作都可以通过液压缸的伸缩来实现，通过液压缸的不同组合和液压马达的回转，实现了挖掘机构在有限工作空间的动作，从而满足了不同挖掘作业的要求。2.2 UG软件介绍UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。 UG的开发始于1990年7月，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。 一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域(自然科学或工程)、数学(分析和数值数学)及计算机科学的知识。然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件的实现变得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究，同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能。 UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。UG的主要功能和特点如下：1、轮廓的参数化设计参数化的轮廓及路径的设计方法被称为草绘。所生成的轮廓和路径一般用于零件的实体造型。零件的大部分尺寸是在草绘过程中产生的。这些尺寸在产品设计的各个阶段都能修改。尺寸修改后，零件的形状将随之改变。设计人员可以在草绘模块中体现自己的设计思想。草绘是先进CAD系统的基本功能，草绘与零件造型往往是密不可分的。2、零件造型零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。设计人员可以根据自己的设想将零件从计算机中逐步“制作”出来。在制作过程中，设计人员可以从各个角度观察具有真实感的零件造型。如果对模型不满意，可以立即修改零件造型。常用的零件可以存储在零件库中，供需要时调用。零件造型能够准确表达零件的形状、尺寸、色泽、体积、重心、表面信息、材料信息等。对已有的零件造型提供方便的管理，以便存储、归档或与其他系统交换数据。先进的CAD系统都提供参数化的基于特征的实体造型方法。3、曲面造型现在，日常生活用品越来越注重人性化的外观设计。在飞机、汽车、轮船的外观设计中则必须提供具有良好流体动力学特性的曲面，以改善其运动性能。曲面造型提供了在计算机中生成。编辑自由曲线和曲面的方法比采用石膏造型更快速、更精确、效果更好。曲面造型完成以后可以直接送到零件造型模块中进行零件设计，也可以送到分析系统中分析其流体动力学特性。曲面造型有时也可以在设计完成后和在产品出厂前产生供产品宣传使用的仿真图片(效果图)。4、装配造型装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配。通过装配造型可以发现由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的干涉等。装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的零件散开分布的爆炸图。对于复杂的产品，装配造型可提供多样的方法提高造型的效率。装配造型还提供了完善的系列化产品的设计方法，如通过更换部分零件来改变一种产品的类型。5、工程图生成大型CAD系统均提供了很强的生成工程图的能力，其目的是生成符合标准的工程图纸，同样是生成工程图纸，计算机辅助设计的工程图生成方法与计算机辅助绘图有很大的差异。先进的CAD系统根据零件和装配造型自动生成投影图、辅助图、剖面图和局部视图，自动标注尺寸，其工程图样与零件造型密切相关。如果改变了图纸中的尺寸，相关零件的造型尺寸也将随之改变，图纸中的线条长度和位置也将反映这些变化。既而保证能够对设计进行快速、一致的修改。6、数据交换功能数据交换功能提供与其他设计自动化系统之间的各种标准数据交换。其主要交换标准有Parasolid、IGES、SET、STEP等。交换内容包括二维图纸、三维造型、三维线框模型。三维曲面模型、任意形状曲线、光栅图像、特征、表面和公差信息等。数据交换使得利用不同CAD系统的优势共同协作完成同一产品的开发成为可能。7、二次开发二次开发是CAD系统向用户提供的开发工具。由于机械系统的用途多种多样，任何强大的CAD系统都不可能向用户提供各种具体产品的完善的解决方案。提供二次开发的目的是让用户将自己或者第三方编写的程序集成到CAD系统中。大部分CAD系统都提供C语言的子程序库。利用这些子程序提供的函数和方法可以调用CAD系统内部命令，直接存取CAD内部数据库。8、标准件库大多数CAD系统均提供通用标准零件和特征的扩展库，用户可以很方便的选取标准特征或零件，并将它们组台进零件或部件的设计中。常用的标准零件有方形和六角形螺母、螺栓、普通垫圈、弹簧垫圈、半月销、内六角螺钉、铆钉、开口销等等。标准特征包括孔、槽、轴、颈、法兰、加强筋、壳、耳、螺纹、通风格栅、管状特征等等。2.3 挖掘机构的建模对挖掘机的挖掘机构的零件进行三维实体造型几乎要用到UG中常用的操作方法，如拉伸、旋转、切割、倒角以及圆角等常用命令。例如绘制动臂先绘制草图，用到直线、圆角、相切和剪切等操作，最后用圆角工具完成整个动臂的绘制。其他主要零部件还包括动臂、斗杆、铲斗等。1、动臂建模动臂是挖掘机挖掘机构中决定着总体构造形式和其他构件特征的主要部分，通常采用体弯动臂结构，为了减轻重量都采用一种上下左右盖板焊接而成的变截面封闭箱型结构，其上有动臂液压缸的安装结构和与斗杆铰接的结构，并且焊有与斗杆液压缸的连接座如图2.3所示。图2.3 挖掘机动臂2、液压缸体、活塞杆建模挖掘机有动臂、斗杆、铲斗液压缸三部分，动臂由两个液压缸来控制动臂的升降，斗杆、铲斗各由一个液压缸分别控制斗杆的伸缩和铲斗的挖掘与卸载，它们的造型都属于圆柱回转体结构，三者只存在工作长度、直径的不同，根据三个液压缸工作运动参数建立的液压缸缸体和活塞杆模型如图2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9所示。 图2.4 挖掘机动臂液压缸缸体 图2.5 挖掘机动臂液压缸活塞杆 图2.6 挖掘机斗杆液压缸缸体 图2.7 挖掘机斗杆液压缸活塞杆 图2.8 挖掘机铲斗液压缸缸体 图2.9 挖掘机铲斗液压缸活塞杆3、斗杆建模斗杆与动臂采用的结构相似，也是一种由上下左右盖板焊接而成的变截面封闭箱型结构，它的一端与动臂铰接，一端与铲斗铰接，其上焊有与铲斗液压缸的连接座，如图2.10所示。图2.10 挖掘机斗杆4、铲斗建模铲斗是一个自由曲面造型，相对比较复杂，可以分解为斗的截面部分造型、铲斗尖造型、焊接座造型，斗的截面造型可以参考某些资料分解为直线段，抛物线段，等腰三角形等的封闭曲线，通过截面曲线拉伸生成，然后将铲斗与铲斗尖和焊接座两部分进行装配从而构成铲斗造型，参考相关挖掘机实例，铲斗主参数斗容量取为0.32m，其造型如图2.11所示。图2.11 挖掘机铲斗5、铲斗连杆建模连杆机构一般位于铲斗和铲斗液压缸之间，它是为了保证铲斗在一定的液压缸行程下得到较大的转角，并使铲齿获得所需的挖掘力，在挖掘机构中，连杆机构起着保证铲斗平推铲土的作用。如图2.12、2.13所示。 图2.12 铲斗连杆1 图2.13 铲斗连杆26、工作台建模挖掘机的工作台一般都采用方形的结构，其主要原因是在加工中比较容易，在外形上也比较美观大方。如图2.14所示。图2.14 挖掘机工作台7、行走装置建模液压挖掘机的行走装置是整机的支撑部分，其作用是用来承受机械自重及挖掘机构挖掘时的反力，使挖掘机稳定的支撑在地面上工作。同时又使挖掘机在工作时移动与回转。如图2.15所示。图2.15 挖掘机行走装置2.4 挖掘机构的装配UG装配是指通过关联条件在部件间建立约束关系以确定部件在产品中的位置。在装配中，部件的几何体是被装配引用，而不是被复制到装配中。不管如何编辑部件或在何处编辑部件，整个装配部件保持关联性，如果某部件修改，则引用它的装配部件自动更新。UG里装配是指虚拟装配(VirtualAssembly)，所谓的虚拟装配是指通过零件之间的应用和连接关系，形成装配模型。装配模型在结构上表现了一种层次关系，最顶层是装配体，其余的有子装配和部件组成，如图2.16所示。装配部件二部件一子装配日部件四部件三图2.16 装配结构装配(Assembly)：包含有部件对象的一个文件，它有指向各子装配和零件的指针。子装配(Sub-Assembly)：包含有自己的部件对象，有指向各子装配的指针，但必须有父指针指向自己。部件零件(Component Part)：零件以一定的位置和方法接入到装配体中就成了部件，在装配体中的每一个部件文件的指针。当几何部分修改后，装配体相应的部件自动更新。部件文件包含有几何信息(即用户设计的曲线、曲面、实体等)。在UG里，未被装入到装配中的一个零件，称为单一零件(apiece part)，若该零件被装入到装配体中，就称为部件(Component)，部件是一定包含了被引用的关系，它是装配体中不可分割的一部分。UG中装配建模的方法有自顶向下的方法、自底向上的方法、上下文设计的方法三种，在产品设计中，根据零件的复杂情况经常要对以上三种方法混合使用。在挖掘机的装配中，分别建立动臂缸、斗杆缸、铲斗缸的子装配，然后进行动臂总成、斗杆总成、铲斗总成的装配，接着再进行整个工作部件的总装配。图2.17为挖掘机模型的装配层次。 图2.17 装配模型树本文最后装配好的挖掘机的挖掘机构模型与整机模型分别如图2.18、图2.19所示。图2.18 工作装置模型图图2.19 整机装配模型2.5 本章小结本章介绍了液压挖掘机的基本组成包括工作装置、回转装置、行走装置等部分，而挖掘机的挖掘机构主要由动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、连杆等组成。分析了各部分之间是如何相互配合最终实现整个挖掘过程。并对三维软件UG进行了简介，建立了挖掘机整机及挖掘机构的虚拟样机模型。第3章 挖掘机构的运动学分析及干涉分析3.1 挖掘机构的运动仿真 在UG/CAE模块中，运动仿真功能作为模块的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力学分析和设计仿真。通过UG的功能建立一个三维实体模型，利用UG的功能给三维实体模型的各部件赋予一定的运动学特征，再在各个部件之间设立一定的连接关系即可建立一个运动仿真模型。UG的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。运动仿真功能的实现步骤为：1、建立一个运动分析场景；2、进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆间的运动副和添加机构载荷；3、进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制；4、运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析。在UG/Modeling下打开装配好的挖掘机模型，进入UG/Motion模块下，建立运动仿真模型，其中，各个构件的约束关系如表3.1所示。3.2 虚拟样机在ADAMS中的实现3.2.1 ADAMS软件介绍机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)，是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc，现属于MSC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该软件90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。表3.1 仿真模型的约束分配部件1部件2约束类型动臂回转台旋转副动臂动臂液压缸推杆圆柱副动臂斗杆液压缸推杆球面副动臂斗杆圆柱副动臂液压缸回转台球面副动臂液压缸动臂液压缸推杆滑动副、平动驱动斗杆斗杆液压缸推杆旋转副斗杆铲斗液压缸球面副斗杆连杆1圆柱副斗杆铲斗圆柱副斗杆液压缸斗杆液压缸推杆滑动副、平动驱动铲斗连杆1旋转副连杆1铲斗液压缸推杆球面副连杆2铲斗液压缸推杆旋转副铲斗液压缸铲斗液压缸推杆滑动副、平动驱动回转台行走装置转动副、转动驱动行走装置大地滑动副、平动驱动工程中利用ADAMS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。ADAMS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，ADAMS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ADAMS同大多数CAD、FEA及控制设计软件包之间的双向通讯。ADAMS的核心软件包括交互式图形环境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver，二者之间形成了无缝连接。用户可以利用ADAMS的工作站或PC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。3.2.2 ADAMS模块介绍以下主要对ADAMS常用的模块进行介绍。1、ADAMS/ViewADAMS/View(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Parasolid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开和力/力矩库，支持布尔运算，建模工作快速。2、ADAMS/SolverADAMS/Solver(求解器)是ADAMS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。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题。3、ADAMS/PostprocessorADAMS/Postproccssor(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，也可绘制各种分析曲线。ADAMS/Postprocessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算；可以输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。4、ADAMS/AnimationADAMS/Animation(高速动画模块)是ADAMS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。5、ADAMS/HydraulicsADAMS/Hydraulics(液压系统模块)，为了模拟包括液压回路在内的复杂机械系统的动力学性能，MDI公司开发了ADAMS/Hydraulics模块。用户使用该模块，能够精确地对由液压系统驱动的复杂机械系统(如工程机械、汽车制动转向系统、飞机起落架等)进行动力学仿真分析。用户可以在ADAMS/View中建立液压系统回路的框架，然后通过液压驱动元件如液压缸等将其连接到机械系统模型中，最后选取适当的、功能最强的求解器分析整个系统的性能。利用ADAMS/Hydraulics模块，可以建立机械系统与液压系统之间相互作用的模型，设置系统的运动特性，进行各种静态、模态、瞬态和动态分析；结合ADAMS/Control模块，可以在同一仿真环境中建立、试验和观察包括机电液控制一体化的虚拟样机模型。ADAMS软件新版本主要是把ADAMS/Hydraulics作为ADAMS/View的一个即插即用模块重新打包，方便用户随时调用。同时用户还可以把自己定义的液压元件扩充到该模块内部元件库中去。6、ADAMS/FlexADAMS/Flex(柔性模块)是ADAMS与Flex软件之间进行双向数据通讯的接口。可研究柔性体对机械系统性能的影响，明显提高仿真精度。Flex是合成柔性体的有效途径。ADAMS/Flex支持ANSYS、MSC/NASTRAN和I-DEAS的中性文件(Neutral file)格式。通过柔性体节点增加适当的约束和力，就可以使柔性体与其它刚体共同形成一个有机的ADAMS模型。7、ADAMS/LinearADAMS/Linear(系统模态分析模块)可将ADAMS形成的机械系统非线性运动方程线性化，计算特征值、特征向量和状态空间矩阵。8、ADAMS/CarADAMS/Car(车辆模块)赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包括悬架、传动系、发动机、转向机构、ABS系统以及其它复杂总成。用户可以在各种不同的道路条件下运行ADAMS/Car模型，执行驾驶操作，使车辆在试验道路上正常行驶，用户可以准确模拟汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性及其它各项性能参数。此外ADAMS还包括Exchange(图形接口模块)、Controls(控制模块)、Light(试验设计与分析模块)、Vibration(振动分析模块)、Durability(耐用性分析模块)、Driver(驾驶员模块)、Tire(轮胎模块)等。3.2.3 虚拟样机在ADAMS中的设计流程图ADAMS/View的设计流程如图3.1所示，它主要解决机械复合系统的设计问题，并能减少研制时间和降低研制费用，从而提高质量、增加效益和改善产品。1、创建(Build)模型在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的物体(Part)，它们具有质量、转动惯量等物理特性。创建物体的方法有两种：一种是使用ADAMS/View中的零件库创建形状简单的物体(Part)；另一种是使用ADAMS/Exchange模块从其他CAD软件(如UG、Pro/E等)输入形状复杂的物体。创建完物体(Part)后，需要使用ADAMS/View中的约束库创建两个物体之间的约束副(Constraint)，这些约束副(Constraint)确定物体之间的连接情况以及物体之间是如何相对运动的。最后，通过施加力(Force)和力矩(Torque)，使模型按照设计要求进行仿真。2、测试(Test)和验证(Validate)模型创建完模型后，或者在创建模型的过程中，都可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或模型的一部分，以验证模型的正确性。在对模型进行仿真过程中，ADAMS/View会自动计算模型的运动特性，如：距离、速度信息等。使用ADAMS/View可以测量这些信息以及模型中物体的其他信息，例如：施加弹簧上的力、两个物体之间的角度等。在进行仿真时，ADAMS/View可以通创建零件添加约束施加载荷样机建模模型检验测量特性仿真分析动画播放绘制曲线图样机验证输入测试数据数据曲线比较与测试数据相符？ 是否完善模型添加摩擦定义柔性体使用载荷函数定义控制多次仿真添加模型参数定义设计变量优化设计设计敏感度研究试验设计分析优化设计分析设计自动化创建自定义菜单创建自定义对话框创建建模操作宏图3.1 ADAMS/View 设计流程图过测量曲线直观地显示仿真的结果。将机械系统的物理试验数据输入到ADAMS/View中，并且以曲线的形式叠加在ADAMS/View的仿真曲线中，通过比较这些曲线，就可以验证创建的模型的精确程度。3、完善(Refine)模型和迭代(iterate)仿真通过初步的仿真分析，确定了模型的基本运动后，就可以在模型中增加复杂因素，以细化、完善模型。例如：增加两个物体之间的摩擦力、将刚体改变为弹性体、将刚体约束副替换为弹性连接等。为了便于比较不同的设计方案，可以定义设计点(Design Point)和设计变量(Design Variable)，将模型进行参数化，这样就可以通过修改参数自动地修改整个模型。4、优化(Optimize)设计ADAMS/View可以自动进行多次仿真，每次仿真改变模型的一个或多个设计变量，帮助找到机械系统设计的最优方案。5、用户化设计(Automate)为了使ADAMS/View符合设计环境，可以定制ADAMS/View界面，将经常需要改动的设计参数定制成菜单和便捷的对话窗，还可以使用宏命令执行复杂和重复的工作，提高工作效率。3.2.4 数据传输问题的解决尽管UG软件中提供了仿真分析的工具，但其功能较弱，不能够仔细而完整的对三维实体模型进行运动学分析、干涉分析及动力学分析。鉴于此，本文利用UG 三维软件建立液压挖掘机虚拟样机实体模型，把建好的样机几何模型转换和导入到ADAMS/View环境中，并在ADAMS/View环境下对样机进行仿真分析。要将UG中创建的三维实体模型导入到ADAMS环境中。两种软件必须具备相同的几何数据转换模块，先将UG的数据转换成中性(不依赖于UG系统)，然后将中性数据通过几何数据模块转换成ADAMS数据。对于UG软件，优先推荐Parasolid格式。因为，对于以Parasolid格式为内核的UG软件来说，以Parasolid格式转换图形文件有许多优点：(1)Parasolid能够输入整个模型，而其它格式的文件只能一次输入一个零件；(2)Parasolid格式的图形文件包括了所有的几何形体，而且ADAMS/Exchange会为每一个实体创建单独的零件；(3)将Parasolid格式的图形文件输入到ADAMS中，不会丢失构件的质量和转动惯量信息，而且自动标示出质心的MARKER点；(4)输入到ADAMS中的Parasolid格式的图形文件允许做进一步的布尔运算操作。UG与Parasolid格式的转换：(1)在UG/Motion模块下，在建立好的运动场景motion 1下，右键单击，选择“导出到“Adams”，选择Parasolid格式，选择“OK”；(2)共有三个文件导出，其中两个分别为*.anl和*.xmt_txt文件，现在将后缀anl改为后缀为adm文件，本文需要的文件为*.adm和*.xmt _txt。Parasolid格式输入到ADAMS中的步骤：1)在进入ADAMS/View时选择ImportaFile命令，也可以在ADAMS/File菜单中，选择Import命令；2)在File Type栏中，选择ADAMS/Solver Dataset(*.adm)，File To Read栏中，选择UG导出并改过的文件。输入模型名，并“Apply”；3)接着再File Type栏中，选择Parasolid(*.xmt_txt，*.x_t，*.xmt_bin)格式，再File To Read栏中选择后缀为*xmt_txt的文件，输入相同的模型名，点击“OK。此时在UG中所建立的挖掘机虚拟样机模型，完全导入到ADAMS中，并等待进行仿真分析。3.2.5 建立虚拟样机将UG模型导入ADAMS后，模型中原有的装配关系都已经无效，只是提供了各构件的初始位置，其实各构件之间只是毫无关系地独立存在于ADAMS中，并不是具有现实意义的虚拟样机。这时所要傲的工作是将零部件“装配”成整体。建立虚拟样机的步骤：1、布尔运算为减少仿真的运算工作量(即减少固定副的数目)，可以对输入的模型进行布尔运算，将固连在一起的零件合并为一个构件。2、修改颜色如果用ADAMS软件建模，每个零件的颜色都不尽相同，这是软件默认的。为了更明显地区分不同零件，我们可以修改零件的颜色。方法很多，可以在下拉式菜单中选择Edit、Appearance命令，也可以启动数据库测览器，在下拉式工具条中选择Display Attribute命令，甚至还可以右击图形区域选择Appearance命令。3、更改颜色在ADAMS中，输入模型的各个构件都是以Part Number(Number_1)来命名的，不易辨别，最好重新命名。其中，Partl是软件自动创建的“ground”零件，它没有质量及初始速度，不会增加系统的自由度，全局坐标系就建立在“ground”上面。命名方法基本同修改颜色，就是将Appearance/Display Attribute改为Rename命令。4、添加约束ADAMS/View提供了3中类型的约束；运动副约束、基本约束和运动约束。(1)运动副约束运动副约束分为简单运动副和复杂运动副，复杂运动副只是简单运动副的组合，如齿轮副和关联副。简单运动副用来表示具有相互作用的物理运动副，它所联接的两个零件可以是刚体、柔性体或质点。ADAMS/View提供的简单运动副有十几种，本文研究的液压挖掘机模型中动臂下铰点和回转台间是旋转运动副，动臂只能绕这个铰点运动。斗杆底部与动臂末端铰接，是旋转运动约束，斗杆只能绕动臂末梢在挖掘机构对称剖面内旋转运动。铲斗与斗杆前端铰接，可绕斗杆末梢旋转运动。铲斗与铲斗液压活塞杆并不是直接连接，而是通过摇臂连杆机构铰接，可以增大铲斗旋转运动范围。驱使挖掘机构完成工作的是三个液压缸的相对运动。液压缸的运动约束是沿液压缸轴线方向的直线运动。(2)基本约束ADAMS/View提供的基本约束：平行约束、垂直约束、方向约束、点面约束、点线约束。(3)运动约束运动约束定义零件运动随时间变化的函数。ADAMS/View提供了两种类型的运动：1)运动副运动：定义运动副的移动或转动，每一个运动副运动限制一个自由度。添加运动副运动很容易。但只能对移动副、转动副或圆柱副添加运动副运动。运动副运动有两种：运动副移动和运动副转动。运动副移动定义第一个零件沿着运动副的Z方向相对于第二个零件移动。运动副转动定义第一个零件治着运动副的Z方向相对于第二个零件转动，应用右手定则确定转动的正负。2)点运动：定义两个零件的相对运动。创建点运动时，需指定运动的方向。点运动也可以添加到运动副上。此外，可以应用点运动在模型中创建复杂的运动，例如沿圆弧的运动、船舶在海洋中的漂浮运动以及机器人的手臂运动等。运动副运动和点运动定义的运动可以是恒速运动，也可以通过函数生成器定义关于时间的函数，从而定义复杂运动。5、施加载荷ADAMS/View提供了四种类型的力：作用力、柔性连接力、特殊力和接触力。在施加力时，需要指明力作用的零件和作用点，以及力的大小和方向。描述力的大小可以用一个特定不变的常数值，也可以用ADAMS/View的函数表达式，或者用ADAMS/View子程序传递参数。这样，挖掘机构的虚拟样机模型就基本建立。3.3 挖掘机构的运动学分析运动学研究的是物体的位移、速度和加速度的关系，因此对挖掘机的挖掘机机构运动学的仿真分析是对已建立的挖掘机虚拟样机模型按主动件的位置、速度和加速度来确定从动件或从动件上指定点的位置、速度和加速度。对于液压挖掘机来说，一般有两种挖掘工作方式：顺序动作方式和复合动作方式。顺序动作方式是指在挖掘机工作的时候各个液压缸是一次按顺序动作收缩或伸出。而复合动作方式是指在挖掘机工作的时候，各个液压缸是同时运动的，同时运动的有两个或两个以上的液压缸。对于顺序动作方式，一般用来检验挖掘机的挖掘范围，测定挖掘机的主要作业尺寸：最大挖掘半径、最大挖掘深度以及最大挖掘高度。最大挖掘半径是指挖掘机的回转中心到铲斗齿尖所能伸出的最远点件的距离；最大挖掘深度是指铲斗在停机面一下所能达到的最低点到停机面的距离；最大挖掘高度是指挖掘机构出于最大举升高度时，铲斗齿尖至停机面的距离。对于液压挖掘机来说，主要用于挖掘停机面以下的土壤，因此最大挖掘深度和最大挖掘半径是其主要的作业尺寸，也是工程设计中要优先考虑的设计参数。以下主要针对挖掘机的虚拟样机，采用顺序动作方式分析挖掘机的工作范围，测定挖掘机的主要作业尺寸：最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度。各个液压缸的驱动方程，以ADAMS提供的阶跃函数STEP函数来表示，其中函数的格式如下：STEP(A，X0，X1，H0，H1)参数说明：A 自变量，可以使时间或时间的任意函数X0自变量的STEP函数开始值，可以是常数或函数表达式或设计变量X1自变量的STEP函数结束值，可以是常数或函数表达式或设计变量H0STEP函数开始值，可以是常数或设计变量或其他函数表达式H1STEP函数开始值，可以是常数或设计变量或其他函数表达式在ADAMS/View中，在铲斗齿尖部位创建一个MARKER_1005标记点，并在此标记点上建立一个测量(measure)，定义测量特征为移动位移(Translational displacement)，在测量分量中分别选取Y和Z，对系统进行一次仿真就可获得挖掘机的作业范围和主要作业尺寸。对于顺序测量，在ADAMS中的仿真思路是：对于动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸驱动建立不同的STEP函数表示，来调节液压缸的伸缩行程，以获得挖掘机的工作范围。在液压缸移动副约束处添加驱动(Translational joint motion)，运动方式为位移(displacement)，运动函数输入为相应的STEP函数。对三个液压缸的移动副添加的STEP函数如下表3.2。表3.2 三个液压缸的驱动函数液压缸类型驱动函数STEP动臂液压缸STEP(time,0,0,5,-500)+STEP(time,5,0,6,690)+STEP(time,6,0,10,0)+STEP(time,10,0,13,0)+STEP(time,13,0,16,-690) STEP(time,16,0,19,0) +STEP(time,19,0,22,0) + STEP(time,22,0,25, 0)斗杆液压缸STEP(time,0,1300,5,1300)+STEP(time,5,0,6,0)+STEP(time,6,0,10,-1000)+STEP(time,10,0,13,0) +STEP(time,13,0,16,0) + STEP(time,16,0,19,0) +STEP(time,19,0,22,1000) +STEP(time,22,0,25,0)铲斗液压缸STEP(time,0,614,5,614)+STEP(time,5,0,6,0)+STEP(time,6,0,10,0)+STEP(time,10,0,13,-414)+STEP(time,13,0,16,3) STEP(time,16,0,19,0) +STEP(time,19,0,22,0) + STEP(time,22,0,25,690)对以上所建立的各液压缸驱动函数在ADAMS中曲线表示如图3.2所示。这些函数的给出是以挖掘机构实际运动驱动和挖掘机液压缸的理论行程为主要依据的。 (a) 动臂液压缸驱动函数曲线 (b) 斗杆液压缸驱动函数曲线 (c) 铲斗液压缸驱动函数曲线图3.2 各液压缸的驱动函数曲线在设置好驱动后，运行ADAMS软件的仿真模块ADAMS/Solver，进行仿真运算。仿真结束后，在动画回放Animation中观看仿真结果，并跟踪铲斗齿尖标记点MARKER_1005，即可在Y-Z平面内绘制挖掘机工作范围，在利用标记点得到挖掘机工作范围后，利用ADAMS的添加曲线功能获得挖掘机的主要作业尺寸。根据挖掘机在Y-Z平面内工作范围，分解出齿尖上标记点在Y、Z方向上的位移，图3.3所示为铲斗齿尖标记点在Y方向、Z方向上位移变化曲线。从图上可以得出最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度等挖掘机特殊作业尺寸值。分析得出的挖掘机主要作业尺寸见表3.3。 图3.3 铲斗齿尖点位移曲线图表3.3 挖掘机主要作业参数工作尺寸最大挖掘高度最大挖掘深度最大挖掘半径仿真值/mm47595479.987248.263.4挖掘机构的干涉分析干涉分析主要是看在液压缸伸长和收缩达到极限位置时挖掘机各部件之间是否达发生接触，例如当斗杆油缸缩至最短时，观察动臂和斗杆是否发生干涉。挖掘机的工作范围极艰可用包络曲线来表示，此曲线反应了油缸伸至最长和缩至最短位置时铲斗齿尖所能达到的极限位置。挖掘机包络曲线由9段圆弧组成，如图3.4所示。将挖掘机动臂油缸伸至最长，斗杆和铲斗油缸缩至最短时，齿尖所在位置作为包络曲线起点。包络线具体形成过程如下：(所用铰点字母参照图3.5)(1)圆弧V0V1：动臂油缸最长，斗杆油缸最短，以Q为圆心，QV为半径，铲斗由极限仰角转至VQC共线；(2)圆弧V1V2：斗杆油缸最短，铲斗油缸保持不变，以C为圆心，动臂油缸缩至最短；(3)圆弧V2V3：斗杆油缸最短，动臂油缸最短，以Q为圆心，铲斗转至VQF共线；(4)圆弧V3V4：铲斗油缸长度不变，动臂油缸最短，以F为圆心，斗杆油缸伸至最长；(5)圆弧V4V5：斗杆油缸最长，动臂油缸最短，以Q为圆心，铲斗转至VQC共线；(6)圆弧V5V6：斗杆油缸最长，铲斗油缸长度不变，以C为圆心，动臂油缸伸至最短； 图3.4 挖掘机包络曲线图 (7)圆弧V6V7：斗杆油缸最长，动臂油缸最长，以Q为圆心，铲斗油缸甚至最长；(8)圆弧V7V8：铲斗油缸最长，动臂油缸最长，以F为圆心，斗杆油缸缩至最短；(9)圆弧V8V0：斗杆油缸最短，动臂油缸最长，以Q为圆心，铲斗油缸甚至最长； 图3.5 挖掘机坐标图通过观察测试整个包络曲线的动作过程，未发现各部件有干涉情况，说明仿真的挖掘机构满足挖掘过程要求，不会发生干涉现象。3.5 本章小结本章介绍了三维软件UG运动仿真的基本步骤，并在UG的运动仿真模块中建立了挖掘机构各连接点之间的约束关系；介绍了多体动力学仿真软件ADAMS的设计流程。分析了经处理后的模型与ADAMS软件数据传输的方法；并利用ADAMS软件对导入到ADAMS的虚拟样机模型进行了动力学分析及干涉分析。第4章 挖掘机构的动力学分析在对挖掘机构的虚拟样机进行动力学分析时，需要加载挖掘过程中挖掘机所受的各种载荷。由于挖掘机在实际工况中载荷分布情况是十分复杂的，受时间和篇幅限制，故而本章根据挖掘机实际工作情况的不同载荷分布特点，仅对其中影响挖掘机可靠性和挖掘能力比较显著的载荷，比如挖掘阻力、物料重力、各构件的重力等，在动力学仿真时进行加载，而其他载荷并未考虑。通过动力学分析，本章拟得到挖掘机动臂、斗杆、铲斗等的铰接点的力学特性曲线，以便揭示各构件在挖掘机挖掘作业过程中的动力学特性规律。并为进一步分析挖掘机的结构特性和受力分析提供了结构件的载荷分布情况。由于复合动作方式在实际挖掘过程中应用最为广泛，因此在一个完整的工作周期内，以复合动作挖掘方式对挖掘机进行动力学分析是合理可靠的。在实际工作中，作用在铲斗齿尖的挖掘阻力可分为两种情况。1、对称载荷：载荷沿齿尖均匀分布，分析时可以用铲斗齿尖中部的集中力来代替；2、偏心载荷：铲斗在作业过程中挖偏或物料装载的不均匀而使载荷步均匀分布。在复合工作方式下，对称载荷是最常见的作业情况，也是最理想的作业状态，同时对于液压挖掘机的铲斗宽度相对于整机宽度相对较小，在铲斗刚度和强度保证下，偏心载荷对整机的影响相对于对称载荷偏差不大，因此本文只对对称载荷进行分析。4.1 添加驱动挖掘机在复合工况作业下，作业动作分为挖掘、抬臂回转、卸料和回转降臂四个环节，而在挖掘环节，挖掘阻力对于铲斗来说情况复杂，完全真实的描述比较困难，因此在进行动力学分析时，要进行简化处理。对于对称载荷来说，假设外载荷沿铲齿均匀分布，此时用在铲斗铲齿中央的集中力代替。液压缸的液压力是挖掘机挖掘机构动作的原动力，故在液压缸上添加驱动，各个液压缸和旋转驱动的驱动函数设置如下表4.1所示。4.2 添加载荷挖掘机的挖掘力是指液压缸力通过相应构件传递给斗齿，用来切削土壤的作用力。挖掘力是挖掘机的主要性能参数，它与液压缸的推力、各铰接点的位置有关。根据挖掘机挖掘方式的不同，挖掘过程可以分为：铲斗液压缸挖掘、斗杆液压缸挖掘及复合动作挖掘。一般认为在土质松软时以铲斗挖掘为主，而斗杆挖掘主要适用于正铲大功率装置和一些坚硬的土壤或破碎岩石。表4.1 挖掘机格液压缸及回转副驱动函数名称驱动函数STEP动臂STEP(time,0,0,1,-500)+ STEP (time,1.0,2,450) + STEP (time,3.2,0,5,0) + STEP (time,3.2,0,5,-200)+ STEP (time,5,0,10,-250) + STEP (time,10,0,12,0)+STEP (time,12,0,14, 0) + STEP (time,14,0,16,600)斗杆STEP (time,0,1300,1.0,1300)+ STEP (time,1.8,0,2,-400)+ ST(time,2,0,3.2,-200)+STEP (time,3.2,0,5,0)+ STEP (time,5,0,10,0)+ STEP (time,10,0,12,0)+STEP (time,12,0,14,400)+ STEP (time,14,0,16,200)铲斗STEP (time,0,614,1.0,614)+ STEP (time,1,0,2,-200)+ STEP (time,2,0,3.2,-264)+STEP (time,3.2,0,5,-50)+ STEP (time,5,0,10,-100)+ STEP (time,10,0,12,0)+STEP (time,12,0,14,690)+ STEP (time,14,0,16,0)回转副STEP (time,0,0,1, 0)+ STEP (time,1.0,2, 0) + STEP (time, 2,0,3.2,0) + STEP (time,3.2,0,5, 0)+ STEP (time,5,0,10,90d) + STEP (time,10,0,12,0)+ STEP (time,12,0,14, 0) + STEP (time,14,0,16,-90d)(1)斗杆挖掘时挖掘阻力 (4.1)式中：为挖掘比阻力； 为斗杆挖掘时的切削厚度；B为切削刃宽度影响系数，B=1+2.6b ，b为铲斗的平均宽度；为斗杆挖掘时的切削半径； 为土壤的松散系数； 为斗杆挖掘过程中的总转角；q为斗容量。(2)铲斗挖掘时挖掘阻力 (4.2)式中： C为土壤硬度系数； R为铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半径； 为挖掘过程中铲斗总转角的一半；为铲斗的瞬时转角， 为铲斗相对斗杆转角；为挖掘起始位置的铲斗相对斗杆的转角；A为切削角变换影响系数；Z为斗齿系数；D为切削刃挤压土壤的力；X为斗侧壁厚度影响系数。(3)复合动作挖掘时挖掘阻力切向挖掘阻力为。法向挖掘阻力。其中： 为挖掘比阻力；b为斗宽；h为挖掘深度；为挖掘阻力系数。由参考文献13，设挖掘的土壤类型为III级，则选取挖掘比阻力=0.195N/cm，斗宽b(挖掘宽度)=650cm，挖掘深度h取斗宽b的0.4倍，即h=260cm，挖掘阻力系数=0.84，则挖掘机复合动作挖掘时的挖掘阻力计算如下：切向阻力=0.195650260=32955N33kN法向阻力=0.8432955=27682N28kN根据计算得到的切向挖掘阻力和法相挖掘阻力，在仿真过程中