叉车是指对成件托盘货物进行装卸

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1、叉车是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆。叉车国 际标准化组织 ISO/TC110 称为工业车辆。属于物料搬运机械。广泛应用于车站、港口、 机场、工厂、仓库等国民经济各部门，是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备。 叉 车在企业的物流系统中扮演着非常重要的角色，是物料搬运设备中的主力军。广泛应用于 车站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门，是机械化装卸、堆垛和短距离运输的 高效设备。自行式叉车出现于 1917 年。第二次世界大战期间，叉车得到发展。中国从 20 世纪 50 年代初开始制造叉车。特别是随着中国经济的快速发展，大部分企业的物料搬运 已经脱离了原始

2、的人工搬运，取而代之的是以叉车为主的机械化搬运。因此，在过去的几 年中，中国叉车市场的需求量每年都以两位数的速度增长。 叉车作为机动工业车辆的典型 机种结构紧凑机动性好广泛用于港口仓库、货场、货舱内堆码、拆垛作业。良好的机动性 能反映了叉车在狭窄通道和场地灵活转弯和作业能力体现了叉车对作业场所的适应性及对 仓库、货场面积的利用率。与汽车不同叉车的作业特点是直线行驶较少而转向频率较高。 频繁的转向造成轮胎的寿命大大缩短因此叉车整体设计注重转向系统和轮胎的寿命对降低 叉车的使用成本提高叉车的利用率有着深远的意义。一般来说，高质量的叉车其优越的性 能往往体现在高效率、低成本、高可靠性、人机工效设计好

3、以及服务便利等诸多方面。 42 吨集装箱叉车，用于大型集装箱的短途和堆码作业。该叉车的转向机构采用横置液压缸式 转向桥取代传统的拉杆式转向桥。具有转角大、左右转向一致性好、结构简单安装维护方 便等特点。虚拟样机技术是在计算机上建造产品的整体模型，对产品投入使用后的各种工 况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计，提高产品性能的一种新技术。本文基于 ADAMS 虚拟样机技术软件，对 42 吨集装箱叉车的转向机构进行了建模和运 动仿真，测量了叉车转向机构的转角误差。并进行了参数化建模，利用 ADAMS 提供的 算法进行了优化设计。并且建立了该叉车的整车模型，对叉车的转向性能进行了分析。

4、 希 望本篇论文能够成为日后广大读者工作中的一份资料，能让广大读者在叉车的设计优化时 多一份参考，使您在经济活动中获得一定的效益。 由于本人学识、专业水平的局限，本论 文中疏漏、错误在所难免，敬请指导老师和各位评委老师批评指正并提出宝贵意见，以便 使本论文不断完善。 11 绪 论 1.1 本文研究的背景 近年来，国外叉车尤其是大吨位叉车 大多采用横置液压缸式转向桥取代拉杆式转向桥。与拉杆式转向桥相比横置液压缸式转向 桥具有下述特点： 1 转角误差小，从而可降低转向阻力，减少转向车轮磨损。 2 最小传动 角较大，有利于改善机构的力学特性，减小转向液压系统的最大与最小压力差。 3 左右转 向一致，

5、行程和灵敏度完全相同，且转向操纵力小。 4 制造简单，零件少，维护保养方便， 使用寿命长。 鉴于上述特点，为适应市场需求，在 20t 位以上级叉车，尤其是大吨位集 装箱叉车上采用了这种结构。为使结构更加合理，转向平稳、可靠，在设计过程中应用计 算机模拟仿真转向机构运动过程对机构进行了优化设计。 叉车作为机动工业车辆的典型机 种结构紧凑机动性好广泛用于港口仓库、货场、货舱内堆码、拆垛作业。良好的机动性能 反映了叉车在狭窄通道和场地灵活转弯和作业能力体现了叉车对作业场所的适应性及对仓 库、货场面积的利用率。与汽车不同叉车的作业特点是直线行驶较少而转向频率较高。频 繁的转向造成轮胎的寿命大大缩短因此

6、叉车整体设计注重转向系统和轮胎的寿命对降低叉 车的使用成本提高叉车的利用率有着深远的意义。一般来说，高质量的叉车其优越的性能 往往体现在高效率、低成本、高可靠性、人机工效设计好以及服务便利等诸多方面。本文 基于 ADAMS 虚拟样机技术软件，对 42 吨集装箱叉车的转向机构进行了建模和运动仿 真，测量了叉车转向机构的转角误差。并建立了该叉车的整车模型，对叉车的转向性能进 行了分析。 运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品 开发周期和降低开发费用，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。 ADAMS 是目前著名的虚拟样机分析软件。运用 ADAMS 软件，用

7、户可以很方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。这里阐述了虚拟样机技术的概念、体系结构和关 键技术，对 ADAMS 软件及应用步骤进行了介绍。并介绍了 42 吨集装箱叉车转向机构 的六连杆机构。1.2 虚拟样机技术 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技 术，是国际上 20 世纪 80 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来一项计算机辅助工 程（CAE） 技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后 改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的物理样机。运用虚拟样机技术，可以大大简 化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成

8、本， 明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技 术一出现，立即受 2 到了工业发达国家、有关机构和大学、公司的极大重视，许多著名制 造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益。1.2.1 虚拟样 机技术 目前对于虚拟样机的概念还没有一种通用精确的定义，针对不同的研究领域，有不 同的定义方法。从计算机图形学的角度出发，Fan Dai 等人将虚拟样机定义为一种快速评 价不同的物理产品设计的方法。通过将虚拟现实技术 、 （VR） 计算机仿真技术和 CAD 技术相结合，建立起一个物理造型的数字原型。产品设计人员可以通过具有高度沉浸感的 虚拟

9、现实用户接口灵活的操纵、控制和修改该原型，并支持设计数据的重用和仿真分析 1。 从机械工程研究领域的角度出发，Ed P.Ander 等人认为虚拟样机是一种针对测试的对 象和物理原型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。 Mitchel M.Tseng 等人将虚拟样机定义为取代实际产品模型的一种数学模型，通 过它可以对实际的物理产品进行几何、功能等方面的建模和分析。Bloor 等人则认为虚拟 样机是将目前 CAD、CAE 等 CAx 技术结合在一起的一种集成技术，虚拟样机技术贯穿

10、 于产品生命周期的全过程。他认为虚拟样机模型包含了分布式的产品数据信息，由于虚拟 样机模型强调集成性，因此必须提供一个标准的信息建模和数据交换方法。 建模和仿真领 域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）的定义。 DMSO 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的 基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某 一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。美国国防部采办委员会将虚拟样机定义为一个 系统，该系统在仿真进行过程中可以和其它虚拟环境间进行交互 2。1.2.2 虚拟产品的开发 流程 虚拟产品开发最主

11、要的特征是产品开发过程的数字化，它彻底地改变了传统的产品开 发流程；不仅如此，数字化设计还贯穿于产品全生命周期。产品全生命周期包括一系列不 同的阶段，如图 1.1 所示。数字化设计主要用于产品开发，包括产品规划、产品设计（包 括初步设计和详细设计）和产品试验这三个阶段，并且是一个循环反复的过程。同时，数 字化模型不只是限于存在于产品开发阶段，还根据不同的需要存在于后续的产品制造、产 品销售、产品使用等过程。 3 产品研究 产品规划 产品设计 产品试验 产品制造 产品销 售 产品使用 产品报废 产品开发 产品形成 产品市场 产品处理 图 1.1 产品全生命周期 Fig1.1 Product Li

12、fe Cycle 比照产品全生命周期阶段图，可以对虚拟产品开发和传统产品开 发的流程进行比较，如图 1.2 所示。 图 1.2 虚拟产品开发与传统产品开发流程比较 Fig1.2 Virtual product development compared with the traditional product development process 传统产品开发，在概念设计（产品规划）之后，是一个产品设计样机建造测试评估 反馈设计的循环反复过程，这其中的每一次循环，都伴随有物理样机的建造或修改，随之 而来的产品开发周期的延长和开发成本的增长。 虚拟产品开发，将传统的产品设计样机 建造测试评估反馈

13、设计的循环过程采 4 用虚拟样机技术，以数字化方式进行，避免了 物理样机的建造，不仅利于缩短产品开发周期和降低产品开发成本，而且数字化方式采用 利于协同工作的进行，数字化模型的应用使得产品全生命周期的统一成为可能。 由如图 1.2所示的虚拟产品开发流程可以看到，在虚拟产品开发过程中，起到核心作用的是虚拟样机 （Virtual Prototype） ，它统一了产品开发过程中的产品设计样机建造测试评估过程。在 这里要指出的是，虚拟样机（Virtual Prototype）和虚拟样机技术（Virtual Prototyping）是 相近的两个概念，但有所区别，虚拟样机侧重于产品的数字化模型，指对一个

14、与物理样机 具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机技术则侧重 于虚拟样机的应用，指使用虚拟样机来代替物理样机对候选设计方案的某方面或综合的特 性进行仿真测试和评估的过程。 虚拟样机的开发和实施涉及许多关键技术和相关的领域， 主要包括：系统总体技术、建模/仿真技术、虚拟现实（VR） 技术、产品建模技术、模型 VVampA 校验、验证和确认 技术和支撑平台/ 框架技术。 虚拟样机技术的核心是工程设 计技术、建模/ 仿真技术和虚拟现实/VR 技术。虚拟样机的技术基础，主要包括五个方面： 即几何建模、多物理场仿真、系统动力学仿真、控制系统仿真和样机测试。 在几何建模中，模

15、型主要是二维图形、三维线框和三维实体造型。几何建模技术还包括虚拟样机的体系结 构转换技术，是指不同格式的几何模型间的无损变换；几何模型的渲染技术，主要有表面 纹理修饰和光照技术；几何模型的操纵技术，涉及模型的立体显示、消隐、透明等。多物 理场仿真主要是对虚拟样机进行多种物理场的有限元分析，包括温度场、流场、电磁场、 多场耦合、结构应力分析等。系统动力学仿真主要是对多学科（诸如机械、热能）动力学 仿真。控制系统仿真主要是对复杂物理系统进行数学建模和仿真模拟。至于高质量的产品 开发仍然不能完全离开物理样机的实验，虚拟样机减少了实验的成本和次数，但仍需要物 理实验的验证。1.3 ADAMS 软件的介

16、绍 1.3.1 ADAMS 软件的概述 ADAMS 软件，即机 械系统动力学自动分析软件 ADAMSAutomatic DynamicAnalysis of Mechanical Systems，是 美国 MDI 公司 Mechanical Dynamics Inc.开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS 己经 被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国 际市场份额的统计资料，ADAMS 软件销售总额近 8 千万美元、占据了 51 的份额。 ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统 几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学 方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、 5 加速度和 反作用力曲线。ADAMS 软件的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等。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件， 用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动