工作装置结构分析及运动学仿真研究.docx
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工作装置结构分析及运动学仿真研究
同济大学中德学院
硕士学位论文
挖掘机工作装置结构分析及运动学仿真研究
姓名:
李向宝
申请学位级别:
硕士
专业:
机械制造及其自动化
指导教师:
王家海
20080501
学位论文版权使用授权书
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学位论文作者签名:
石国t苏1确j年(只|名El
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90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(SSA&D或SADT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。
CAD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CAD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。
CAD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“863"计划专门投资,支持三维CAD软件的开发和产业化,以此为背景,国内CAD技术的研究和应用进入了新的发展阶段。
随着我国CAD应
第1章绪论
用工程的普及和推广,CAD技术己在许多企业转化为现实生产力。
传统的二维CAD软件正逐渐被三维CAD软件所替代。
目前,流行的CAD/CAM软件众多,软件功能上也各有千秋,如Pro/ENGINEER、UG、CATIA等,都是比较通用的大型软件系统。
这些三维CAD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CATIA为例,它同时具有逆向工程模块(CGO、空间分析(SPA、ANSYS接口(ANSYSInterface、有限元模型生成器(FEM、创成式零件分析及优化(GPO、创成式零件应力分析(GPS、制造基础框架(ManufacturingInfrastructure、IGES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CAE(CompmerAidedEngineering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CAE技术中,虚拟样机技术(VirtualPrototype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(Top.Down设计。
自顶向下设计过程具有如下优点:
①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。
②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。
⑦为DFx(DFA,DFM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(DFA和面向制造的设计(DFM。
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【lJ,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1WAYT关系模型手工交互式最早的原型系统M.Mantyla2Delta层次模型专家系统侧重功能理解Jin—KangGui3GNOSIS层次模型专家系统实现了抽象结构表~lerbiRanta达
4GONGEN面向对象模专家系统侧重产品建模SreenivasaR型Gorti
5Pro/Top—Down层次模型手工交互式侧重基准约束传递PTC
①交互式设计系统WAYT,是由Top.Down的早期研究人员、芬兰赫尔辛基大学3
第2章基于自顶向下的挖掘机工作装置设计与建模
产品的形状和它要完成的功能任务。
伴随着设计的深入,整体的形状空间逐级划分,同时功能也逐级分解,直到最后不必再分解之时,再进行零件的造型设计,即是一自顶向下的设计过程:
用这种面向装配的设计(DFA方法设计出的产品在逻辑结构上就会呈现出多层次性,因此装配模型也必须提供一种层次结构的记录机制来与之相适应。
一个机械产品可以看成是相互间具有确定装配关系的若干零部件组成的一个装配体(Assembly,装配体可分解为不同层次的子装配体(SubAssemblyB6】。
而子装配体又可分解为各组件,如此分解下去,最终分解的结果是如图2.15所示的一种树状结构模型。
第0层:
装配体
第l层:
子装配体
第2层:
组件
第3层:
特征
第4层:
实体
图2.15产品装配模型结构层次模型图
\
装配体模型最基本的组成单元是零件、子装配体。
如图2.15所示,图中树的根结点是成品装配休,其他所有结点均为部件;所有的部件结点又可分为叶结点和中间结点,其中叶结点是不可拆分的零件,而其他的中间结点则是由概念设计所确定的子装配体。
多叉树的分支(branch代表从属关系,分支只联接相邻的上下两层结点,表示下层结点是上层结点的组成部件。
由此看来,零件结点只有父结点,装配体只有组成部件结点,而子装配体结点既有父结点又有组成部件结点。
子装配体的层次结构与最后产品装配体是一样的,这样递归下去就形成了多层次的产品装配结构树(AssemblyStructureTree.AST,也称为装配模型树,可用如下形式表达:
AssemblyStructureTree(AST={{Root},{Component},{Branch;
其中{Root}为当前层的直接父节点,为成品装配体结点或子装配体结点;29
第2章基于自顶向下的挖掘机工作装置设计与建模
{Component为部件(零件和子装配体的有限非空集合,可表示为{{…,Sub-assembly_Subassembly.,{…,Parti;…,Panm.;
{Branch}为有向边集,表示{Component}对{Root}的从属关系,可表示为{…,Bi...,Bp;
以上Bi为第i个从属关系,P为m和n之和。
一个产品可以表达成多个AST的组合。
本文所述的挖掘机工作装置装配模型树如图2.16117J。
图2.16挖掘机工作装置装配模型树(层次结构图
从上述分析可看出,装配体的层次结构可形成多层次的产品装配结构树,其中装配模型、装配特征、装配关系等可用前面所讨论的方法来表示,由于特征信息可以在不同抽象层次上表达,即都可以用基准点(datumpoint、基准轴(datumaxis.基准面(dataplane、基准坐标系(datacoordinates、基准线(datumcurve等基本特征来表示,因此,在设计初期,将装配体中的各零件,仅用零件的基准特征来表示,这些基准特征用来确定零件在空间的位置,例如只用回转中心来表示轴类零件,齿轮啮合用其轴线及一对分度圆表示等。
每个特征都能实现一定功能以满足整体设计要求。
“功能一约束—特征"对应关系能帮助设计人员寻找到多种设计方案,以便从中挑选出较优的设计。
“功能一约束—特征”关系在某种意义上是一种模糊的、不确定关系,这种关系的建立以及如何把这些特征组合到一起正是首要解决的问题所在。
据此,可设想将装配结构树中的“主干”用这些特征表示,并附加一定的约束关系,以此来控制产品整体装配结构及功能。
各设计组在这个整体装配结构的统一控制下,并行地将装配结构
30
第2章基丁自顶向下的挖掘机I作装置设训与建模
树中的各根结点、枝结点逐步细化,直至完成各零件的详细设计,使装配建模的方法很好地支持并行工程㈣。
为了解决上述问题,设想在产品设计之初(概念设计,建立反映装配结构树的“主干”结构的目架模型(SkeletonModel.SM,SM用来确定子装配体、零件在空问的静止位置或运动时的相对位置、它们之间的装配约束关系及一些重耍的设计参数,而不滞硬鼻零件具体的螭枸形壮.加固217.
r
剐217挖掘机主框架
sM相当于位于装配体项层的控制产品整体结构及功能的概念上的“空零件”,也是装配体的--N没有肌肉的丰骨架,它由~系列基准特征组成,并包台有若干设计参数关系式。
其中基准有与产品整体结构及装配有关的基准点(轴、面基准特征,这些基准特征是以系统的默认坐标系统为参照,通过添加参数关系式等约束条件而得到的,以便利用这些基准特征米将子装配体、零件进行空问定位,或利用基“E特征来控制产品的几何结构形状。
复杂产品的设计中,各子装配体中同样用与构建主SM相同的方法构建各自的SM,形成子SM.即个装配体中可包含多个子SM,通过子SM来确定子装配体中各零件静止或运动时的空间位筒及装配约束关系。
设计完成后,通过改变产品的士SM,即整体设计方案的改变,来实现装配体整体结构的改变,或通过子SM的改变,实现各予装配体局部结构的改变,从而实现对产品自顶向下的设计及分层组织和管理.如图216。
在自顶向下设计过程中可以首先声明各个子装配或者零件的空间位置和体积,设定全局性的关键参数,这些参数将被装配中的子装配和零件所使用。
当这些总体参数在随后的设计中逐步确定并发生改变时,各个零件和子装配将随31
第2章基于自顶向下的挖掘机工作装置设计与建模
之改变¨J。
这种自顶向下的设计方法有利于不同的设计人员共同设计。
在设计总体方案确定后,所有承担设计任务的小组和个人就可以依据总装设计迅速开展丁作,可以大大加快设计过程,做到高效、快捷和方便的设计。
装配体概念模型相当于是装配体的一副没有肌肉的“骨架”,通过这一“骨架”反映出整个产品的功能要求和设计者的设计意图。
其中的各零件则是一些只包台了主要基准特征的“空零件”,此时的装配概念模型是一全局化的模型,即是整体设计的结果,同时又是零件设计的起点。
详细设计阶段的工作是顺着这些“空零件”的基准特征完成各零件的实体建模,即为装配体添加上每块“肌肉”,完成由装配体概念模型到产品实体结构模型的映射。
在详细设计阶段,通过对各零件细部结构的修改,实现装配体局部结构形状的改变。
蛀后对装配体进行有关的有限元分析,并根据分析结粜对装配体进行白顶向下的整体或局部修改,重新生成模型井输山。
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焉墨署一
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图218三维建模软竹中的树状模型
在洋细设计阶段,可以通过对各子装配体的概念模型(子SM的修改,实现局部设计方案的修改,从而使得与骨架中有关设计的部件、零件的位置、甚至形状随之发生改变。
现在市面上多数三位建模软件均支持自顶向下设计,建立好装配体后软件左端均以树装模型形式显示各部件和零件问相互关系。
如图218。
第2章基于自项向F的挖掘机工作装置设计与建模
2.3基于soIidworks的液压挖掘机工作装置建模
口6口快速发展的CAD技术已可提供完整的电子样机功能,能够完成完整的电予样机的分析、模拟功能,从而减少制造物理样机的费用,并能进行更多方案的验证。
Solidworks作为一个优秀的CAD/CAE/CAM--体化软件,其解决方案覆盖了产品开发的整个过程,成功地用数字模型无纸加工完成产品开发全过程。
设计者设计的目的是为了得到最终的产品装配体,并实现产品的功能。
经过以上设计得到的装配体概念模型只是装配体的。
副没有肌肉的“骨架”,通过这一“旨架”反映出整个产品功能要求和设计者的设计意图。
其巾的各个零件是一些只包含主要基准特征的“空零件”,此时的装配体概念模型是一个全局化的模型,即整体的设计结果。
详细设训阶段的任务就是顺着主SM及于SM只含有“空零件”的装配体添加“肌肉”,完成由装配体概念模型到产品模型的映射『l…。
下面足利用Solidworks建模模型。
斟219动臂斗杆和铲斗的三维模型
各部分子装配体模型建立之后就可以依照各部件装配关系进行装配,晶终形成挖掘机T作装置的总装配模型,如图220。
第2章基于自顶向下的挖掘机工作装置设计与建模
一倒220挖掬|机总装月E模型
挖掘机工作装置以外的并装置,如基座、转盘和行走装置等,其参数参考同机型日本神钢(KOBELCO挖掘机的参数。
配重为初值,该值需在下步仿真中根耕挖掘机稳定性进行调整。
2.4本章小结
本章首先介绍了挖掘机工作原理及组成,然后详细介绍了A顶向下设计方法的过程并分步加以说明。
接着基于自顶向下设计方法设计出挖掘机一1.作装置模型井最终应用Soliworks软件画出整个工作装置模型。
第3章挖掘机工作装置有限元分析优化
第3章挖掘机工作装置有限元分析优化
本章将在前一章已建立模型的基础上对该挖掘机工作装置进行受静载荷和受冲击时的有限元分析,进而判断设计结果的可靠性。
接着将对所设计工作装置进行结构参数的优化。
3.1有限元技术原理及ANSYS软件介绍
3.1.1有限元法及其基本思想
有限元法(FiniteElementMethod是最近三四十年随着计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析的数值计算方法。
其基本思想是离散化的思想。
在工程技术领域研究弹性连续体在载荷和其它因素作用下产生的应力、应变和位移时,由于应力应变和位移都是位置的函数,也就是说物体各个点的应力、应变和位移一般是不同的。
因此,可以把弹性连续体看作由无限多个微元体所组成。
这是一个具有无限多自由度的问题。
为了能够进行数值分析,有限单元法在处理这类问题时,首先应用离散的思想,把问题简化为有限个自由度的问题,然后借助结构矩阵分析的方法处理。
在介绍基本方法之前先要了解有限元基本术语【20】:
(1单元
结构单元的网格划分中的每一个小的块体称为一个单元。
常见的单元类型有线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单元几种(见表3.1。
由于单元是组成有限元模型的基础,因此单元的类型对于有限元分析是至关重要的。
一个有限元程序所提供的单元种类越多,这个程序的功能则越强大。
(2节点
确定单元形状的点就叫节点。
例如线段单元只有两个节点,三角形单元有三个或者六个节点,四边形单元至少有四个节点等。
(3载荷
工程结构所受到的外在施加的力称为载荷。
包括集中力和分布力等。
在不35
第3章挖掘机工作装置有限元分析优化
同的学科中,载荷的含义也不尽相同。
(4边界条件
边界条件就是指结构边界上所受到的外加约束。
在有限元分析中,边界条件的确定是非常重要的因素。
错误的边界条件的选择往往使有限元中的刚度矩阵发生奇异,使程序无法正常运行。
施加正确的边界条件是获得正确的分析结果和较高的分析精度的重要条件。
有限元离散化是假想把弹性连续体分割成数目有限的单元,并认为相邻单元之间仅在节点处相连,根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等,单元有各种类型。
节点一般都在单元边界上,节点的位移量是作为结构的基本未知量。
这样组成的自由度的有限单元集合体,并引进等效节点力及节点约束条件,由于节点数目有限,就成为具有有限自由度的有限元计算模型,它替代了无限多自由度的连续体。
如图3.1。
图3.1有限元的离散法
在此基础上,对每一单元根据分块近似的思想,假设一个简单的函数来近似模拟其位移分量的分布规律,即选择位移模式,在通过虚功原理(或变分原理或其他方法求得每个单元的平衡方程,就是建立单元节点力与位移之间的关系。
最后,把所有单元的这种特性关系,按照保持节点位移连续和节点力平衡的方式集合起来,就可以得到整个物体的平衡方程组。
引入便捷约束条件后解此方程就求得节点位移并计算出各单元应力。
从以上论述可以看到,有限单元法的实质是把具有有限多个自由度的弹性连续体,理想化为只有有限个自由度的单元集合体,使问题简化为适合于数值揭发的结构型问题。
因此只要研究并确定优先大小的单元力学特性就可以根据结构分析的方法求解,使问题得到简化。
36
第3章挖掘机工作装置有限元分析优化
3.1.2有限元法分析的基本步骤
有限元法求解各种问题的一般步骤如下:
(1弹性连续体离散化
将弹性体离散化是有限单元法的基础,所谓离散化就是假想把被分析的弹性体分割成由有限个单元组成的集合体。
这些单元仅仅在节点处连接,单元之间的载荷也仅由节点传递。
连续体的离散化又称为网格划分,离散而成的有限单元集合体将替代原来的弹性连续体,所有的计算分析都将在这个计算模型上进行。
因此网格划分将关系到有限元分析的速度和精度,以至计算的成败。
有限元离散过程中有一个重要环节是单元类型的选择,选择单元类型应根据被分析结构的集合形状特点,综合载荷、约束等全面考虑。
表3.1:
歹lJ出了常用单元名称及它们适用的情况。
表3.1几种常见单元及其适用情况
单元名称适用情况节点数每个节点自由度数桁架单元桁架31
平面梁单元平面刚架23
空问梁单元空间刚架26
平面三角形单元平面应力或平面应变问题32
平面四边形单元平面应力或平面应变问题42
三角形截面环单元轴对阵实体或厚壳32~3
六面体等参单元三维应力83’
矩形板单元薄板弯曲问题43
三角形板单元薄板弯曲问题33
三角形壳单元薄壳问题35~6
矩形壳单元圆柱薄壳45“
在同一个被分析的结构中,具有不同类型的部件(如板与梁时,必须应用不同类型的单元。
(2选择单元位移模式
37
第3章挖掘机工作装置有限元分析优化
选择单元位移模式是单元特性分析的第一步。
假设一个单元的函数来模拟单元内位移的分布规律,这个简单的函数,通常是选择多项式,成为位移模式或位移函数。
多项式的项数及阶数取决于单元的自由度数和有关解的收敛性要求。
单元位移模式又要转换成用节点位移来表示,所以它也决定了相应的位移差值函数。
由此可知选择合适的位移函数是有限元分析的关键。
它将决定有限元解答的性质与近似程度,所以它的选择遵循一定的准则。
(3单元力学特性分析
在选择了单元类型和相应的位移模式后,即可按稽核方程、物理方程导出单元应力应变的表达式。
然后应用虚功原理或变分法以及其它方法建立各个单元的刚度矩阵,即单元节点力与节点位移之间的关系。
由于有限元法假设载荷是作用在节点上的,并由节点传递的。
因此,单元分析的另一内容是将作用在单元上的非节点载荷移植到节点上,形成等效节点载荷矩阵。
(4整体分析,构成总刚度方程
整体分析的基础是依据所有相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节点上的节点力与节点载荷保持平衡这两个原则。
它包括两方面内容:
一是由各单元的刚度矩阵集合成整体结构的总刚度矩阵【K】;二是将作用于各单元的等效节点力集合成结构总的载荷矩阵{R。
这两项就组成了整体结构的总刚度方程:
[K】{△={R
(5约束处理并求解总刚度方程
引进边界约束条件,修正总刚度方程后,就可求得节点位移。
求解大型联立代数方程组的方法很多,求解占用的时间占据整个有限元计算时间的大部分。
(6计算单元应力并整理计算结果
根绝求得的位移可以求出结构上所有感兴趣部件上的应力。
并能够绘制出结构变形图及各种应力分量、应力组合的等值云图。
3.1.3空间问题的有限单元法
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——.第3章挖掘机工作装置有限元分析优化——————————————————————————————————————————二———=_’∑二二二|_
工程实际中,大量的问题很难假定为平面问题来处理,因此必
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