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1、硕士学位论文虚拟样机技术及其在液压挖掘机工作装置的研究与应用Application and study on virtual prototyping technology and working equipment of hydraulic excavator学位申请人程 洪 涛导师姓名及职称聂陶荪教授专业名称机械设计及理论研究方向机电一体化所在学院机械电子工程学院论文提交日期2008-4-18 景德镇陶瓷学院硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品
2、。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日硕士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，同意学校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。本人授权景德镇陶瓷学院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，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要当今激烈的市场
3、竞争迫使制造企业为求得生存和发展必须对多变的市场需求做出敏捷响应，不断地调整产品的设计和研发模式，并能快速的开发出新产品。而我国传统工程机械行业却由于新产品开发周期长、成本高，缺乏市场竞争力。虚拟样机技术的逐渐成熟为实现产品的快速开发，提高我国工程机械产品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挖掘机设计开发领域，主要从以下几个方面进行了研究：1本文结合当前液压挖掘机反铲工作装置的现状，应用软件Pro/E在计算机里建立该类工作装置机构的模型，通过Mech/Pro2005导入到ADAMS进行动力学分析；同时计算出了挖掘机理论挖掘作业阻力。对工作装置的受力状况进行仿真，确定工
4、作装置的铰点的受力状况和相应曲线，得出的结果与实际的工作情况是相符的。 2以复合挖掘工况为对象，以减少油缸作用力为目标，对铲斗机构、斗杆机构和动臂机构进行了动力学分析并进行了仿真优化。仿真结果表明：有效地减少了油缸作用力。3在ADAMS/Hydraulics模块中建立了液压挖掘机工作装置的液压回路，对液压回路进行了仿真分析。仿真结果表明：工作装置在液压驱动下，可以完成复合工况过程中的动作，各油缸运动速度符合实际。4以ADAMS仿真分析结果为依据，应用有限元软件ANSYS对动臂、斗杆进行强度分析，准确地计算出其应力和变形情况，保证了液压挖掘机结构的合理性和工作性能的可靠性。关键词：液压挖掘机 虚
5、拟样机技术 工作装置 ADAMS 仿真 IIIAbstractFacing more intense global market competition ,manufacturing enterprises have to adjust their product design and fabrication mode frequently to meet the rapidly changing market requirement, In order to improve the traditional construction machinery design process , thi
6、s dissertation presents and studies Virtual Prototyping technology ,which has been approved to be a powerful CAD method. And then introduces the new technology into the field of Engineering Machinery design to satisfy the urgent requirement of domestic machinery domain. There were four parts present
7、ed and studied as following:1. This paper combine the current hydraulic excavator backhoe working equipment, application Pro/E built the kind of working equipment model.The model are import into ADAMS by Mech/Pro2005 that carry out dynamic simulation. Meanwhile calculate the theoretical excavation r
8、esistance of excavator.This paper gave the analysis to dynamics of the working equipment and obtained force of joint and the result is accord with reality.2. Optimized the bucket mechanism, arm mechanism and boom mechanism of the backhoe based in compound working condition and reduced acting force o
9、f oil cylinder. The simulation results show that it successfully reduced acting force of oil cylinder.3. Used ADAMS/Hydraulics module established excavator working equipment of hydraulic circuit, and the hydraulic circuit was conducted simulation analysis. The obtained simulation results show workin
10、g equipment that based hydraulic pressure driven that could accomplish compound working condition process action and each oil cylinder movement velocity coincidence practical.4. Based on the results of ADAMS simulation analysis, ANSYS is applied to give anlysis of arm and boom strength,and cakulate
11、the stress and deformation .thus, it is guartanteed that the structure of the hydraulic excavator reasonable performance and reliability.Keywords: Hydraulic excavator Virtual Prototyping Technology Working equipment ADAMS SimulationHongtao Cheng (Mechanical Design & Theory)Directed By Professor:Taos
12、un Nie 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 课题的背景和意义11.2 虚拟产品开发和虚拟样机技术21.2.1 虚拟产品开发技术及产生背景21.2.2 虚拟样机技术的提出及相关概念41.2.3 虚拟样机技术特点51.3 国内外液压挖掘机工作装置的发展动态及研究现状61.3.1 国外发展动态及研究现状61.3.2 国内发展动态及研究现状71.4 论文的主要研究内容91.5 本文的组织安排92 虚拟样机软件ADAMS及其多刚体系统动力学基础理论102.1 引言102.2 ADAMS简介102.2.1 ADAMS软件主要模块112.2.2 ADAMS建模、仿真与步骤122.2.
13、3 ADAMS软件基本算法132.3 多刚体系统动力学建模142.3.1 广义坐标的选择142.3.2 多刚体系统动力学方程的建立142.3.3 静力学分析、运动学分析和初始条件分析152.3.4 动力学分析182.3.5 计算分析过程综述212.4 本章小结213 挖掘机工作装置的虚拟样机模型的建立及优化223.1 引言223.2 液压挖掘机反铲工作装置的原理223.3 挖掘机工作装置在Pro/E环境下的建模装配及导入ADAMS中的过程233.3.1液压挖掘机主要零件的实体造型建模233.3.2 工作装置的虚拟样机的装配过程253.3.3 工作装置的拓扑结构分析263.3.4 工作装置虚拟样
14、机导入ADAMS中的过程及注意点273.4 基于ADAMS虚拟样机技术的工作装置动力学仿真研究293.4.1 对工作装置施加驱动293.4.2 复合动作工作方式的动力学仿真303.5 工作装置的优化仿真363.5.1 优化算法和变量设置363.5.2 铲斗机构优化383.5.3 斗杆机构优化393.5.4 动臂机构优化413.6 本章小结434 工作装置的液压回路仿真444.1 引言444.2 液压系统虚拟样机模块ADAMS/Hydraulics444.3 工作装置液压系统的创建454.3.1 建立工作装置的液压回路464.3.2 仿真计算484.4 机液耦合仿真实现策略494.5 本章小结505 液压挖掘机工作装置的有限元分析525.1 引言525.2 有限元法基本原理525.2.1 有限元法计算的程序思路40525.2.2 有限单元法的解题步骤545.3 工作装置有限元分析555.3.1 所选材料特性555.3.2 Pro/E导入ANSYS中的过程555.3.3 单元体划分565.3.4 载荷及边界定义575.3.5 结果分析595.4 本章小结606 结和展望616.1 论文工作总结616.2 展望62致 谢63参考文献64附录：研究生期间公开发表的论文68景德镇陶瓷学院硕士学位论文
