拉臂系统的仿真分析与结构优化设计

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1、河北工业大学硕士学位论文 i 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 摘摘 要要 随着我国经济建设的稳步前进和计算机技术的迅速发展，先进的设计方法及制造技术的应用越来越广泛。拉臂式垃圾车产品设计与制造也需要紧随发展趋势，不断应用新技术对其进行创新设计，以提高企业的生产力，缩短产品的设计周期，减少上市时间，降低成本，提高企业产品的竞争力。 拉臂式垃圾车由汽车底盘、垃圾车厢及拉臂系统等组成。本课题采用三维建模软件Pro/Engineer 与动态仿真软件 ADAMS 相结合的方法对设计的垃圾车拉臂系统进行了三维建模、动力学仿真分析与结构优化设计。然后再采用有限元

2、分析软件对优化后的拉臂系统进行了刚度与强度校核。 为了获得拉臂系统动力学特性，为结构优化设计提供依据，首先对设计的垃圾车拉臂系统进行了动力学仿真分析，得到了液压缸推力及重要铰接点的受力曲线。然后对各个铰接点进行敏感度分析，将敏感度高的铰接点进行参数化，得到了拉臂系统优化模型。 对结构优化后的拉臂系统进行仿真分析的结果显示，液压缸推力及重要铰接点的最大受力都得到了很大程度的改善。钩臂液压缸推力的最大值从优化前的 9.8377E+005N 减小到优化后的 4.5281E+005N ，减小幅度达到 53.97%；倾卸液压缸推力从优化前的2.5834E+005N 减小到优化后的 1.2803E+005

3、N，减小幅度达到 50.44%。 依据优化模型的仿真分析结果，利用有限元分析软件对拉臂系统的 5 种实际工况进行了有限元分析，得到了各工况应力较大的危险点。结果显示优化后的拉臂系统在各个工况下的最大结构应力都在材料许可应力范围内，满足实用要求。 为进一步提高拉臂式垃圾车工作的可靠性，根据拉臂系统应力分布的特点给出了改进意见，并对改进后的拉臂系统再次进行了 5 种工况下的有限元分析，为样车的制造奠定了基础。 关键词关键词:垃圾车，拉臂系统，建模，仿真，优化设计，有限元分析 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 ii THE SIMULATION AND OPTIMIZATION OF STRU

4、CTURAL DESIGN ABOUT THE DRAGGING ARM SYSTEM OF THE DIRT- WAGON ABSTRACT With the steady progress of the modern economic construction and the rapid development of computer technology, more and more modern advanced design and manufacture technology is used in manufacturing. As a branch of engineering

5、machine, The dirt- wagon is close to the development tendency of design and manufacture industry, uses new technology for production constantly, improves the productivity of the factories, increases engineering productivity of enterprise, shortens the design periodic time of designer, decreases the

6、market time and cost, raises the competitive power for products of factories. This dirt- wagons structure is composition of the automobile chassis and garbage inside and pulls arm, and other structural components. With the excellent three- dimensional modeling software Pro/Engineer and dynamic simul

7、ation software ADAMS, this paper had a three- dimensional modeling and structural optimization design about the dirt- wagon. After the structural optimization, the maximum stresses of hydraulic cylinders and important articulated point have been greatly improved. Hook arm hydraulic cylinders to opti

8、mize the maximum value from the pre- 9.84E +005 N optimized to reduce 4.53E +005 N, to reduce the rate reached 53.97 percent. The outpouring of hydraulic cylinders to optimize the maximum value from the pre- 2.58E +005 N optimized to reduce 1.28E +005 N, to reduce the rate reached 50.44 percent. Acc

9、ording to the result of simulation analysis for optimization model, and by the finite element analysis software PATRAN, the research did finite element analysis for the five actual working condition of the lift system and got the greater risk of stress points of all conditions. The results showed th

10、at the optimized systems in the all conditions, the biggest stress in the structure of the material within the framework of stress leave (in addition to a small number of stress concentration outside the region). And According to the stress distribution characteristics of the system gives suggestion

11、s for improvement. KEY WORDS: dirt- wagon, lift system, modeling, simulation, optimization design, finite element analysis 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1- 1 引言引言 生活垃圾车按收集对象可分为生活垃圾收运车、 餐厨垃圾收运车和其他类型的垃圾车， 按运动功能可分为收集垃圾车和中转垃圾车，按车身装置可分为压缩式垃圾车、车厢可卸式垃圾车、自装卸垃圾车和自卸式垃圾车等1,2。国内大中型城市的生活垃圾收运车辆大多具有装载效率高，运输成本低等特点。 随着

12、经济的快速发展， 我国城市现代化建设和乡镇城市化建设步伐明显加快， 国家及地方的环保政策不断出台， 促进了垃圾收集处理技术与设备的快速发展， 同时国内一些大中城市逐渐淘汰了落后的自卸式垃圾车， 代之以压缩式垃圾车和车厢可卸式垃圾车， 由于这些产品在周转过程中基本克服了二次污染，且效率明显提高，因而市场前景广阔。 随着人们生活质量的提高， 人们对环境卫生的要求也越来越高， 按照现阶段城市垃圾处理 “无害化、减量化、资源化，避免二次污染”的要求，车厢可卸式垃圾车很好的满足了这一潮流，特别是“十一五”期间具有国际影响和国计民生的重大工程，如 2010 年上海市举办世博会、2010 年广州举办亚运会等

13、。与这些重要活动相关的商业、旅游基础设施建设、旧城区改造、环卫环保等延伸领域所花费的费用将是举办费用的数十倍， 必将对高技术含量和高环保标准的垃圾车产生大量需求， 更为垃圾车的发展带来了良好机遇，并将对全国城市产生示范作用。 按照 GB50337- 2003城市环境卫生设施规划规范 ，环卫车辆的配备指标为 2.5 辆/万人，据此，我国城市环卫车辆配备总量应在 10 万辆左右，而实际上远远不够。如果按照我国城市生活垃圾的年增长率 8%计算，参考近几年垃圾处理车辆的年销售增量情况，垃圾车的年需求增长率应超过 20%，其市场需求可能从 2006 年 600 辆发展到 2010 的 1250 辆左右，

14、基本上可在原有基础上翻一番。 1- 2 现代机械设计方法概述现代机械设计方法概述 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉技术。它是为了适应市场剧烈竞争的需要，提高设计质量和缩短设计周期，以及推动计算机在设计中的广泛应用， 于20世纪60年代在设计领域相继诞生与发展的一系列新型技术的集成。目前它的内容主要包括计算机辅助设计、有限元法、优化设计、虚拟设计、动态设计、并行工程等。下面简单介绍其中的部分方法3。 1- 2- 1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 计算机辅助设计（CAD）是指以计算机为基础，完成整个产品设计过程。产品

15、设计过程是指从接受产品的功能定义开始到设计完成产品的材料信息、结构形状、精度要求和技术要求等，并且最终以零件图、装配图的形式表现出来的过程。有了 CAD 技术，设计中许多简单的人工重复劳动由计算机代替垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 2 完成，计算结果的修改、复制、保存和传递等都变得很便利。计算机图形不仅能直观地反映结构设计，也能将工程中大量物理数据可视化，如质量、转动惯量等，为工程技术人员分析和应用这类数据提供了极大的方便4。 1- 2- 2 有限元法有限元法(FEM) 有限元法是一种新的现代数值方法。 它将连续的求解域离散为有限个单元的组合体。 这样的组合体能用来模拟和逼近求解域。

16、因为单元本身可以有不同的几何形状， 且单元间能够按照各种不同的联结方式组合在一起， 所以这个组合体可以模型化几何形状非常复杂的求解域。 有限元法就是利用在每一单元内假设的近似函数在各个单元节点上的函数值以及单元插值函数来表达。 因此， 在一个问题的有限元分析中， 未知场函数的节点值就成为新的未知量， 从而使一个连续的无限自由度问题化为离散的有限自由度问题。一经求出这些节点未知量，就可以利用插值函数确定单元组合体上的场函数。显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，解答的近似程度将不断改进。如果单元满足收敛条件，得到的近似解最后将收敛于精确解5。 有限元法的应用已由求解弹性力学平面问题扩展到空

17、间问题、 板壳问题； 由求解静力平衡问题扩展到求解动力问题、稳定问题；从线性分析扩展到物理、几何边界的非线性分析，分析的对象也从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他领域。当前用有限元方法解决的问题主要有6： 1. 杆、梁、板、壳、二维和三维固体、管道和弹簧等各种单元组合而成的复杂结构的静力分析； 2. 包括频率、振型、各种动力响应和撞击在内的各种复杂结构的动力分析； 3. 大型复杂结构的稳定性分析； 4. 整机的静力分析； 5. 复合材料零部件的强度分析； 6. 工程构件及其零部件的弹塑性应力分析； 7. 金属、橡胶等材料的大应变分析； 8. 梁、板、壳结构的几何分线性分析； 9. 工

18、程构件和零部件的热弹塑、蠕变、粘弹性和粘塑性分析； 10. 工程构件和零件的线性和非线性屈曲分析； 11. 各种边界条件下的线性和非线性稳态和瞬态温度场分析； 12. 零部件之间的接触应力分析； 13. 二维和三维问题的线性和非线性电磁场分析； 14. 二维和三维液压流场分析； 15. 气动力学分析； 16. 工程机械轴承润滑、油膜计算； 17. 随机激励下结构振动与强度分析； 18. 金属冲压加工成形数值模拟。 1- 2- 3 虚拟设计（虚拟设计（Virtual Design） 虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计， 主要表现在设计者可以用不同的交互手段在虚拟环境中对参数化的模型进行修改7

19、。 一个虚拟设计系统要具备三个功能： 1. 3- D 用户界面 设计者不再用 2- D 鼠标和键盘作交互手段，而用手势、声音、3- D 虚拟菜单、球标、游杆、触摸屏河北工业大学硕士学位论文 3幕等多种方式进行交互。 2. 选择参数 设计者用各种交互方式选择或激活一个在虚拟环境中的数据并修改原来的数据。 参数修改后， 在虚拟环境中的模型也随之变成一个新模型。 3. 数据传送机制 模型修改后所生成的数据要传送到和虚拟环境协同工作的 CAD/CAM 系统中，有时又要将数据从CAD/CAM 系统中返回到虚拟环境中，这种虚拟设计系统中包含一个独立的 CAD/CAM 系统，为虚拟环境提供建造模型的功能。在

20、虚拟环境中所修改的模型有时还要返回到 CAD/CAM 系统中进行精确整理和再输出图形。这种双向数据传送机制在一个虚拟设计系统中是必要的。 1- 2- 4 优化设计（优化设计（Optimum Design） 优化设计亦称最优化设计， 它是以数学规划理论为基础， 以电子计算机为辅助工具的一种设计方法。这种方法是，首先将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适的优化算法，选择或编制计算机程序，然后通过计算机自动获得最优设计方案8,9。 对机械工程领域来说， 优化使机械设计的改进和优选速度大大提高。 例如为提高机构性能的参数优化， 为减轻重量或降低成本的机械结构优化， 各种传动系统的参数优化和发动

21、机机械系统的隔振与减振优化等。 优化技术不仅用于产品成型以后的再优化设计过程中， 而且已经渗透到产品的开发设计过程中。同时，它与可靠性设计、有限元法等其它设计方法有机结合，取得了新的效果。优化设计常用算法主要有10,11： 1. 非线性规划数值算法。 2. 一维搜索计算方法。 3. 无约束极值问题的算法。 4. 约束极值问题算法。 1- 3 课题来源及主要研究内容课题来源及主要研究内容 1- 3- 1 课题来源课题来源 前已述及， 随着我国环保意识的增强以及对生活环境质量的重视， 对车厢可卸式垃圾车需求逐年增加，我国生产此种车辆的厂家也越来越多，但是这些厂家技术力量大多并不强，大多数拉臂式压缩

22、垃圾车生产厂家都是照抄同类产品且手工作坊生产，因此我国生产的许多拉臂式压缩垃圾车存在着可靠性低、车辆载重能力利用率低的缺点，与世界同类产品相比有一定差距。 当今社会， 市场竞争越来越激烈， 产品原材料价格不断上涨， 因此， 如何有效的缩短产品开发周期，提高产品质量，降低产品的生产成本，从而提高产品市场竞争力，是各环卫装备企业必须面对的问题。把现代设计方法融入到产品的开发过程中，是提高产品市场竞争力重要手段之一。 本课题研究内容来源于与某专用汽车制造有限公司合作的科研项目。 该科研项目研究的主要任务是完成在重庆红岩汽车有限责任公司生产的 CQ3254TPG384 型号底盘基础上设计出一种适合小城

23、镇生活垃圾处理的拉臂式车厢可卸式垃圾车。为提高产品设计质量，采用现代机械设计方法，首先对设计的拉臂系统进行了机构动力学仿真分析、 结构刚度与强度分析， 然后对其拉臂系统进行了优化设计和有限元分析，使得拉臂系统在满足强度要求的前提下达到结构合理与总重量最小化的设计目的12。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 4 1- 3- 2 主要研究内容主要研究内容 本课题的研究内容主要是在完成了对拉臂式车厢可卸式垃圾车设计的基础上对其拉臂系统进行仿真分析与结构优化设计。本课题的研究步骤如图 1.1 所示。 图 1.1 研究步骤流程图 Fig.1.1 The step of the research 在

24、完成基于 CQ3254TPG384 型号底盘对拉臂式车厢可卸式垃圾车的设计之后，本课题主要是对该车的拉臂系统进行仿真分析与结构优化设计。主要做了以下几个方面的研究。 1、 建立拉臂系统仿真分析三维模型。利用 Pro/Engineer wildfire 软件对拉臂系统进行三维建模，在Pro/Engineer wildfire 与 ADAMS 软件无缝连接模块 Mechanism/Pro 中设置各构件的质量属性和连接关系，最后生成 ADAMS 能够识别的.ADM 格式文件。 2、 利用机械动力学分析软件 ADAMS 对拉臂系统进行进一步的设置。 在 ADAMS 中需要模拟液压缸运动和受力特点，确定

25、各部件间的接触参数、摩擦系数与连接副关系。然后对拉臂系统进行多刚体动力学仿真分析， 得到了拉臂式垃圾车工作运动过程中拉臂与车厢， 底盘的相互作用力。并对这些作用力数据进行分析验算。确定了操作过程中车厢的加速度惯性力，为拉臂和车厢的结构有限元分析打下基础。 3、 进行拉臂结构的构件尺寸优化设计。 合理设定设计变量， 约束条件， 建立结构优化的数学模型。 4、 建立各种工况下拉臂结构的参数化有限元分析模型。合理确定单元类型，载荷施加方式与边界约束，对拉臂进行了 5 种典型工况下的结构有限元分析。 5、 根据拉臂机构的结构变形与应力分布特点， 对拉臂机构进行了结构布局优化与局部调整,为提高产品质量奠

26、定了基础。 在三维建模软件 Pro/E中，根据装配关系建立拉臂系统的三维装配体模型。 在 ADAMS软件中进行动力学仿真分析，得到各关键铰接点仿真曲线。 在 ADAMS中对拉臂系统进行结构优化设计，对优化前后的仿真结果进行对比分析。 在有限元分析软件中对优化后的拉臂系统进行刚度与强度分析。 河北工业大学硕士学位论文 5 第二章第二章 虚拟样机技术与有限元法简介虚拟样机技术与有限元法简介 2- 1 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 2- 1- 1 虚拟样机技术的基本概念虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中， 将分散的零部件设计和分析技术 （指在某单一系统中的CAD 和 F

27、EA 技术）柔和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在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13。 随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低生产成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁最早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机并进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。 只

28、有通过周而复始的设计试验设计过程， 产品才能达到要求的性能。 这一过程是冗长的， 尤其对于结构复杂的系统， 设计周期无法缩短， 更不用谈对市场的灵活应用了。样机的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。 在严酷的市场竞争背景下， 基于物理样机的设计验证过程严重制约了产品质量的提高、成本的降低和对市场的占有。 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发， 解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，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及其几何信息， 在计算机上定义零部件

29、间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配， 从而获得机械系统的虚拟样机， 使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动， 并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析， 观察并试验各组成部件的相互运动情况， 它可以在计算机上方便地发现并修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机14。 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况， 快速分析多种设计方案， 完成对物理样机而言难以进行或根本无法进行的实验， 直到获得系统的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程中， 它可以用在概念设计和方

30、案论证中， 设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里， 让想象力和创造力充分发挥。 当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率得到了提高15。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 6 虚拟 物理样机 （数字化物理样机） 虚拟样机与 改进设计 （功能虚拟样机） 虚拟 产品 （虚拟工厂仿真） 系统 装配 巡航 浏览 运动 包迹 冲突 碰撞 运动/ 操纵 震动/ 噪声 耐久/ 疲劳 安全/ 冲击 工效/ 舒适 公差 机器人 装配 序列 面向系统的虚拟样机技术 2- 1- 2 虚拟样机技术的虚拟样机技术的内容内容 按照美国前 MDI 公司总裁 Ro

31、bert R. Ryan 博士（MDI 公司现已被 MSC. Software 公司收购）对虚拟样机技术的界定，虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机（Digital Mock- up） 、功能虚拟样机（Functional Virtual Prototyping）和虚拟工厂仿真（Virtual Factory Simulation）三个方面内容16。数字化物理样机对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能； 功能虚拟样机对应于产品分析过程， 用于评价已装配系统整体上的功能和操作性能；虚拟工厂仿真对应于产品

32、制造过程，用于评价产品的制造性能。这三者在产品数据管理（PDM）系统或产品全生命周期管理（PLM）系统的基础上实现集成。 数字化物理样机（DMU - Digital Mock- up）解决方案不同于以 UG 和 CATIA 为代表的结构设计软件，不是强调结构上的设计，而是更重视物理样机零部件的形态特性和系统装配特性的数字化检视。DMU 充分利用镶嵌式的三维零件实体造型技术， 以增强对大型系统的快速显示和浏览能力， 实现造型、装配、浏览、运动轨迹检测等功能，并有效支持协同设计、巡航浏览、干涉/碰撞检测等。在与产品数据管理（PDM）系统集成的情况下，DMU 能提供有效的方法以保证产品的所有零部件配

33、合良好（fit特性） ，并且显示为所设计的形态（form特性） 。国外在这方面领导潮流的公司或产品主要有 Tecoplan、EDS/VisMock- up、Clarus 和 Division 等。 功能虚拟样机（FVP Functional Virtual Prototyping）解决方案充分利用三维零件的实体模型和零件有限元模型的模态表示，在虚拟实验室或虚拟试验场的试验中精确地预测产品的操作性能，如运动/操纵性、振动/噪声、耐久性/疲劳、安全性/冲击、工效学/舒适性等等。在这方面居领先地位的主要公司/产品有 MSC/ADAMS、LMS/DADS 等。 虚拟工厂仿真 （VFS Virtual

34、Factory Simulation） 解决方案对产品完整的制造和装配过程进行仿真，以解决产品制造和装配过程中的公差、机器人、装配、序列等问题。在这方面突出的公司和产品主要有Tecnomatix/eMPower、Deneb/QUEST（现为 Delmia 公司产品） 。 数字化物理样机（DMU） 、功能虚拟样机（FVP）和虚拟工厂仿真（VFS）联合起来，提供了有效的方法，实现从实体物理样机向软件虚拟样机的转化，从而有效地支持了虚拟产品开发17。虚拟样机技术的内容如图 2.1 所示。 图 2.1 虚拟样机技术内容 Fig. 2.1 The content of virtual prototype

35、 technology 河北工业大学硕士学位论文 72- 1- 3 虚拟样机技术与传统虚拟样机技术与传统 CAX（CAD/CAE/CAM）技术的比较）技术的比较 从 20 世纪 7080 年代起，传统意义上的 CAD/CAE/CAM 技术开始进入实用阶段，它们主要关注产品零部件质量和性能，通过采用结构设计、工程分析和制造过程控制的软件或工具，以达到设计和制造高质量零部件的目的。具体地说，传统的 CAD 技术基于三维实体几何造型技术，支持产品零部件的详细结构设计和形态分析。传统的 CAE 技术主要指应用有限元软件，完成产品零部件的结构分析、热分析、振动特性等功能分析问题。传统的 CAM 技术旨在

36、提高产品零部件的可制造性，提供对机床、机器人、铸造过程、冲压过程、锻造加工等方面更好的控制。 在过去的几十年里，传统的 CAD/CAE/CAM 技术在主要的工业领域（汽车、航空、通用机械、机械电子等）得到了广泛的应用，并且取得了巨大的成效。以汽车工业来说，在 19951999 的五年里，零部件故障率降低了 40%，与之相伴的，是产品开发和制造成本的相应降低。 但是，产品零部件的优化并没有带来期望的系统的优化。继续上面汽车工业的例子，在同样的周期内，虽然采用优化了的零部件，但整车制造商并没有取得与之对应的效益的提升。这是因为产品零部件的形态特性、配合性、功能、制造过程中的装配性等因素之间存在着依

37、赖关系，其间的相互作用极大地影响了产品的整体质量和性能18。 虚拟样机技术与传统 CAD/CAE/CAM 技术最大的差别正在于这一点，即前者是面向系统的设计/分析/制造、以提高产品整体质量和性能并降低开发与制造成本为目的的，而后者是面向产品零部件的设计/分析/制造、以提高零部件的质量和性能为目的的。两者的对照和比较如图 2.2 所示。 面向系统的虚拟样机技术 面向零部件的传统 CAD/CAE/CAM 技术 设计 分析 产品 产品数据管理系统（PDM）/ 产品全生命周期管理系统（PLM） 虚拟物理样机 （数字化物理样机） 虚拟样机技术 （功能虚拟样机） 虚拟产品 （虚拟工厂仿真） CAD CAE

38、 CAM 图 2.2 虚拟样机技术与传统 CAD/CAE/CAM 技术比较 Fig.2.2 virtual prototype technology compare with traditional CAD/CAE/CAM technology 2- 1- 4 虚拟样机技术的虚拟样机技术的应用应用 虚拟样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等诸多方面19,20。 例如，美国波音飞机公司生产的波音 777 飞机，是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，

39、其设计、 装配、 性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。 这不但使研发周期大大缩短、 研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。火星探测器“探路号”和 Caterpiller 公司大型设备虚拟仿真是虚拟垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 8 样机应用的另外两个典型例子。 美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。JPL 工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段（进入大气层、减速和着陆）的工作过程。在探测器发射以前，JPL 的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星表面气流的相互作用， 探

40、测器很可能在着陆时滚翻。 工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功实施。 Caterpillar 公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以，为了提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。Caterpillar 公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案， 从而使其产品成本降低， 性能却更加优越。 同样， 作为生产工程机械的著名厂商 JohnDeere公司， 为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动

41、问题， 公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。 2- 2 多体系统动力学的基础理论多体系统动力学的基础理论 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。 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。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成

42、的系统。 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。多柔体系统动力学可以看作是多刚体系统动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成特点，一般以多刚体系统动力学的研究为基础， 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21。 在应用多体系统动力学理论解决实际问题时，一般经过以下的步骤： 1. 实际系统的多体模型简化。 2. 自动生成动力学方程。 3. 准确的求解动力学方程。 2- 3 有限元法简介有限元法简介 有限元法是工程

43、领域中应用最广泛的一种数值计算方法，它不但可以解决工程中的结构分析问题，而且己成功地解决了传热学、流体力学、电磁学和声学等领域的问题。经过四十多年的发展，有限元方法的理论己经相当完善，将有限元理论、计算机图形学和优化技术相结合，开发出了一批使用有效的通用与专用有限元软件，它们以功能强、用户使用方便、技术结果可靠和效率高而逐渐形成了新的技术产品，使用这些软件己经成功地解决了机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、锻造、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程领域众多的大型科学和工程计算难题。有限元软件己经成为推动科技进步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和社会效

44、益22。 河北工业大学硕士学位论文 92- 3- 1 有限元法的基本思想有限元法的基本思想 有限元法是在连续体上直接进行近似计算的一种数值方法。 这种方法首先是将连续的求解区域离散为一组有限个单元Element)的组合体，而且认为单元之间只通过有限个点连接起来，这些连接点称为节点(Node )。单元与节点是有限元法中最基本的两个术语。有限元法利用在每一个单元内假定的近似函数分片地表示全求解域上待求的未知场函数(如位移场、应力场)。单元内的近似函数通常由未知场函数(或包括其导数)在单元内各个节点的数值通过函数插值来表示。这样，未知场函数(或包括其导数)在单元内各个节点的数值就成为新的未知量(即自

45、由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过函数插值计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上场函数的近似值。显然，随着单元数量的增加，也即单元尺寸的减小，解的近似程度将不断改进。 由于单元本身可以有不同的形状，所以对几何形状复杂的问题都可方便地离散化，因此，有限元法可以处理各种复杂因素，如复杂的几何形状、任意的边界条件、不均匀的材料特性、结构中包含不同类型构件等等，它们都能用有限元法灵活地求解。有限元法在工程中得到了广泛的应用23,24,25。 2- 3- 2 有限元法分类有限元法分类 有限元法可分为两大类， 即线弹性有限元法和非

46、线性有限元法。 其中线弹性有限元法是非线性有限元法的基础，二者不但在分析方法和研究步骤上有类似之处，而且后者常常要引用前者的某些结果26。 1. 线弹性有限元法 线弹性有限元法以理想弹性体为研究对象， 所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。 在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律；应变与位移也是线性关系。线弹性有限元问题归结为求解线性方程组问题，所以只需较少的计算时间。如果采用高效的代数方程组求解方法，也有助于降低有限元分析的时间。 线弹性有限元一般包括线弹性静力分析与线弹性动力分析两个主要内容。 2. 非线性有限元法 非线性有限元问题与线弹性有限元问题有很大不同，主要表现

47、在如下三个方面: 1) 非线性问题的方程是非线性的，因此一般需要迭代求解； 2) 非线性问题不能采用叠加原理； 3) 非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。 以上三方面的因素使非线性问题的求解过程比线弹性问题更加复杂，费用更高和更具有不可预知性。有限元法所解非线性问题可以分为如下三类： 1. 材料非线性问题 材料的应力与应变是非线性关系，但应变与位移却很微小，此时应变与位移呈线性关系，这类问题属于材料非线性间题。由于从理论上还不能提供能普遍接受的本构关系，所以，一般来说，材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据， 有时非线性材料特性可用数学模型进行模拟， 尽管这些模型总是有它们的局限性

48、。 在工程实际中较为重要的材料非线性问题有:非线性弹性（包括分段线弹性)、弹塑性、粘塑性及蠕变等。 2. 几何非线性问题 几何非线性是由于位移之间存在非线性关系引起的。 当物体的位移较大时， 应变与位移的关系是非线性关系，这意味着结构本身会产生大位移或大转动，而单元中的应变却可大可小。研究这类问题时一般都假定材料的应力与应变呈线性关系。 这类问题包括大位移大应变问题及大位移小应变问题。 如结构垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 10 的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题。 3. 非线性边界(接触问题) 在加工、密封、撞击等问题中，接触和摩擦的作用不可忽视，接触边

49、界属于高度非线性边界。平时遇到一些接触问题，如齿轮传动、冲压成型、轧制成型、橡胶减振器、紧配合装配等，当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。 实际的非线性可能同时出现上述两种或三种非线性间题。 河北工业大学硕士学位论文 11 第三章第三章 拉臂式垃圾车概述拉臂式垃圾车概述 拉臂式垃圾车是在二类汽车底盘上装有使车箱具有装载和卸载功能的拉臂架装置的专用汽车。 它同时具有垃圾自卸和箱体自动装卸的功能且可实现车箱与汽车的结合和分离, 同时对车箱的散装货物实现自卸作业。由于它具备自动装卸箱体功能，装料时一般均将箱体卸下，降低装料高度，装满料后，则将箱体自动装车并运输。 目前该

50、车型已在国外得到广泛使用, 在国内也常作为环卫行业的垃圾收集运输车。 拉臂式垃圾车是常用车型之一。这种车于 80 年代引入国内，目前使用广泛，但我国对这种车辆特别是工作装置的研究甚少，产品设计主要是采用测绘或经验取值的方法，限制了产品性能的进一步提高，本课题将对其工作装置进行优化设计，以求从根本上改善这种车辆的工作性能27。 3- 1 拉臂式垃圾车总体结构拉臂式垃圾车总体结构 拉臂式垃圾车主要由汽车二类底盘、拉臂系统、垃圾车厢三大部分组成。图 3.1 为课题组与某专用汽车制造有限公司合作研究开发的产品型号为 SLT5150ZXX 的拉臂式垃圾车总体结构简图。 图 3.1 拉臂式垃圾车结构简图

51、Fig.3.1 The structure diagram of dirt- wagon 汽车底盘 拉臂系统 垃圾车厢 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 12 3- 2 拉臂系统的结构和工作原理拉臂系统的结构和工作原理 3- 2- 1 拉臂系统结构特点拉臂系统结构特点 拉臂式垃圾车拉臂系统主要由倾卸液压缸、钩臂、钩臂液压缸、车厢保险钩、车厢定位销、联动架以及副车架组成。钩臂采用的是不可伸缩的直角折弯式结构, 其一端与钩臂液压缸的活塞杆端铰接；另一端与联动架靠近前端轴心铰接， 形成拉臂的回转轴心。钩臂液压缸的缸头端铰接在联动架前端铰接点上，形成钩臂液压缸的回转轴心；联动架后端轴心铰接在副车

52、架后部的铰支点上, 形成联动架的回转轴心；两倾卸液压缸缸头与副车架前端铰接点铰接，活塞杆与联动架铰接。拉臂系统装置结构布置如图3.2 所示。 图 3.2 拉臂系统结构简图 Fig. 3.2 The structure diagram of dragging arm system 3- 2- 2 拉臂系统工作原理拉臂系统工作原理 拉臂式垃圾车通过拉臂系统装置完成两种不同的功能动作：换箱和倾卸。 当拉臂系统装置进行换箱动作时, 首先保险钩油缸动作,开启车箱保险钩， 然后再手动打开车厢定位销，车箱就解除了保险。接着钩臂液压油缸活塞杆伸长举起钩臂, 使钩臂绕铰支点顺时针回转, 钩臂钩就往后移动，使得垃

53、圾车厢也向后运动。此时钩臂液压油缸工作到位。接着倾卸液压缸开始工作，倾卸液压缸活塞杆伸长， 使得副车架上的垃圾车厢最终被推至到地面上。 当要将地面上的垃圾车厢拉至副车架上时，钩臂液压油缸与倾卸液压油缸的工作顺序相反即可完成动作。 当拉臂系统装置进行倾卸动作时, 与换箱动作不同, 车箱保险钩与车厢定位销不动，在整个倾卸过副车架 倾卸液压缸 联动架 钩臂液压缸 钩臂 车厢保险钩 车厢定位销 河北工业大学硕士学位论文 13程中要保证拉臂与车箱始终不分离,。 即钩臂、 联动架及车箱通过车箱保险钩相互联结为一体, 以副车架后部铰接点为轴心顺时针回转,倾卸液压缸活塞杆伸长举升垃圾车箱直到卸去垃圾。 车箱复

54、位时, 只要倾卸油缸活塞杆回缩, 整个拉臂系统仍以铰支点为转轴点逆时针回转, 直至车箱复位。 3- 2- 3 拉臂式垃圾车工作流程拉臂式垃圾车工作流程 拉臂式垃圾车工作流程主要包括： 将放置在垃圾中转站已经压缩好的垃圾车厢通过拉臂系统将其拉上副车架并固定； 将垃圾车开往垃圾填埋场； 到达填埋场后， 通过倾卸液压缸将垃圾车厢顶起， 打开垃圾车厢后门， 完成垃圾倾卸。最后再回到垃圾中转站将垃圾车厢卸下。整个工作流程如图 3.3 所示。 图 3.3 拉臂式垃圾车工作流程图 Fig. 3.3 The working flow chart of dirt- wagon 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化

55、设计 14 第四章第四章 拉臂系统动力学仿真分析拉臂系统动力学仿真分析 4- 1 仿真分析的意义与目的仿真分析的意义与目的 仿真分析是一种能够在仿真分析软件中建立虚拟样机模型， 并能够模拟出物理模型的相关特性的技术。随着计算机与科学技术的迅猛发展，仿真已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段。通过运用仿真分析可以取得更高的经济效益。 垃圾车拉臂系统的动力学仿真分析， 主要是为了得到拉臂系统的各个铰接点载荷曲线、 液压缸推力曲线与运动情况等关键数据，这些数据是进行优化设计与有限元分析的原始数据。因此，这些数据是对拉臂系统进行优化设计和有限元分析的基础。 4- 2 ADAMS 软件介绍软件介

56、绍 ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System） 软件是美国 MDI （Mechanical Dynamics Inc.）公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它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朗日方程方法， 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、加速度和反作用力曲线等。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28。 4- 3 建立仿真模型

57、建立仿真模型 选择在 ADAMS 的核心模块 ADAMS/View 中建立垃圾车拉臂系统的虚拟样机模型。ADAMS/View（界面模块）是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X- Y 曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。ADAMS/View 使用 ADAMS/Solver 作为它的求解器。它是 ADAMS 软件的仿真“发动机” ，它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、动力学和运动学的计算结果。ADAMS/Solver 有各种建模和求解选项，以便精确有

58、效地解决各种工程问题。 4- 3- 1 设置工作环境设置工作环境 1、 设置坐标系：选择在 ADAMS/View 中 XY 平面作为底盘左右对称面；选择 X 轴为水平方向，正方向为指向车尾方向（即与车辆行驶方向相反） ；选择 Y 轴为垂直方向，正方向为垂直地面向上；最后根据右手螺旋定则确定 Z 轴正方向（即垂直屏幕指向外） 。 河北工业大学硕士学位论文 15 2、 设置工作网格：工作网格的设置是为了便于创建模型，在创建物体、约束、力等元素时，系统会自动捕捉这些网格点以确定元素的位置或方向。根据模型实际情况确定 Size(尺寸)为：X 方向的长度为 10000mm，Y 方向的长度为 3000mm

59、。Spacing（间距）为：X 方向与 Y 方向都设为 100mm。 3、 选择单位系统为 MMKS（即毫米、千克、秒） 。 4、 设置重力方向为- Y 方向，大小为 9806.65mm/s2。 5、 设置材料为钢材（steel） 6、 设置图标大小：设置图标大小是为了使模型显示的更加清晰。观察模型的建立情况后确定为250。 4- 3- 2 建立几何模型建立几何模型 根据垃圾车拉臂系统的装配关系分别建立倾斜液压缸、联动架、钩臂液压缸、底盘尾部的滚轮与垃圾车厢箱体的几何模型。 因为底盘外型复杂且当拉臂系统工作过程中底盘维持不动， 对整个仿真过程没有影响，故可以不必做出其几何模型。在虚拟样机模型仿

60、真过程中，ADAMS/View 对刚体外形没有要求，只对其质量，质心位置及其惯性矩作为已知量来求解多刚体动力学方程。因此在 ADAMS/View 中只需要精确的给定出各个铰接点的坐标及各个构件的质量属性即可。 以倾斜液压缸与副车架铰接点作为整个坐标系统的原点，以钩臂将要拉起垃圾车厢作为初始工况。各个铰接点代号及能够体现各工作位置的夹角如图 4.1。 图 4.1 铰接点代号示意图 Fig. 4.1 The sketch map of the pin joint points symbol 代号说明： A：倾斜液压缸与副车架铰接点； B：联动架与副车架铰接点； C：倾斜液压缸与联动架铰接点； D：

61、钩臂与联动架铰接点； E：钩臂液压缸与联动架铰接点； F：钩臂液压缸与钩臂铰接点； ：联动架下表面与水平面夹角； ：钩臂与联动架夹角。 各铰接点初始坐标值如表 4.1 所示。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 16 表 4.1 铰接点初始坐标值 Table 4.1 The initial value of pin joint point A B C D E F 初始坐标值 0,0 2529,20 2602,940.2 2558.3,1378.4 2413,1751.4 3747,1891.3 注：Z 坐标都为 0。 与初始大小如表 4.2 所示。 表 4.2与初始大小 Table 4.2

62、 The initial value of and 初始大小 98.0o 80.0o 根据表 4.1 中给定的各铰接点坐标值在 ADAMS/View 中分别建立出倾卸液压缸、联动架、钩臂液压缸、钩臂与垃圾车车厢等构件。因为垃圾车厢底下的四个滚轮与地面之间的摩擦为滚动摩擦，相对于钩臂对其的作用力可忽略不计，故可不做出其模型。另外通过在 Pro/ENGINEER 中建立的三维模型中查看各个构件的质量属性（质量、质心位置、转动惯量等） ，然后将其赋予相应的构件。由此得出的虚拟样机几何模型就能够准确并真实地模拟出物理样机的特性。 在 ADAMS/View 中建立的垃圾车拉臂系统几何模型如图 4.2 所

63、示。 图 4.2 垃圾车拉臂系统虚拟样机模型 Fig.4.2 The virtual prototype model of dirt- wagon 4- 3- 3 建立运动约束建立运动约束 约束是用来连接两个部件使他们之间具有一定相对运动关系。 通过约束， 使模型中各个独立的部件联系起来形成有机的整体。 在 ADAMS/View 中，有各种各样的运动约束，大体上将其分为三类： 基本约束：基本约束： 点重合约束（ATPOINT） 、共线约束（INLINE） 、共面约束（INPLANE） 、方向定位约束（ORIENTATION） 、轴平行约束（PARALLEL_AXES） 、轴垂直约束（PERPE

64、NDICULAR）等。 常用约束：常用约束： 球铰（SPHERICAL） 、虎克铰（HOOKE） 、广义铰（UNIVERSIAL） 、常速度铰（CONVEL） 、固定铰（FIXED） 、平移副（TRANSLATIONAL） 、圆柱副（CYLINDER） 、旋转副（REVOLUTE） 、螺旋副（SCREW） 、齿轮副等。 河北工业大学硕士学位论文 17高副约束：高副约束： 曲线曲线约束（CVCV） 、点曲线约束（PTCV） 。 ADAMS/View 提供了多种运动约束，但本课题中的拉臂系统只用到以下几种。通过这些运动副，可以将两个部件连接起来。被连接的构件可以是刚体构件、柔性构件或者是点质量。表

65、 4.3 列出了垃圾车拉臂系统所用到的 2 种运动约束。 表 4.3 运动副约束 Table.4.3 The constraint of pair 图标 名称 功能 旋转副 构件 1 相对于构件 2 旋转 约束 2 个旋转和 3 个平移自由度 圆柱副 构件 1 相对于构件 2 即可平移又可旋转 约束 2 个旋转和 2 个平移自由度 4- 3- 4 建立接触力建立接触力 接触力是一种作用在构件上的特殊力，当两个构件相互接触发生变形时，就产生接触力。接触力的大小与变形的大小和变形的速度有关。如果两个构件相互分开不接触。则接触力为零。 在本课题研究的垃圾车拉臂系统中，垃圾车厢与地面、垃圾车厢与副车架

66、尾轮分别产生接触力Contact_1 与 Contact_2。在接触力设置中，按照实际情况分别设定 Stiffness（刚度） 、Static Friction Coefficient（静摩擦系数） 、Dynamic Friction Coefficient（动摩擦系数） 。 4- 3- 5 添加运动驱动添加运动驱动 在对垃圾车拉臂系统的仿真分析过程中， 通过对倾卸液压缸与钩臂液压缸添加运动驱动来仿真拉臂系统的工作过程。 经过在 AutoCAD 软件环境中，对钩臂在初始位置到最终位置（即钩臂与联动架垂直时）的工作过程中钩臂液压缸行程的测量发现，钩臂液压缸的行程为 430mm。同理可得出倾卸液压

67、缸收回后（即联动架在水平位置时） ，倾卸液压缸的行程为 1125mm。 液压缸的驱动函数选择阶跃函数：STEP 函数。阶跃函数是一般数学计算中常用的函数，也是振动分析中的一类典型输入， 因为具有特定的频率响应特性而广为采用。 阶跃函数的形式为： STEP (x, Begin At, Initial Function Value, End At, Final Function Value)。 其中 x 为自变量，当 x 小于 Begin At 值时，因变量的值为初始值 Initial Function Value；当 x 大于End At 值时，因变量的值为最终值 Final Function

68、Value；当 x 在初始值和最终值之间时，因变量依据一定规律光滑过渡，避免出现数值过渡突变、微分值不连续。 垃圾车拉臂系统的工作顺序是钩臂液压缸先完成收缩， 钩臂液压缸完成收缩后， 倾卸液压缸再开始收缩。根据两个液压缸的行程不同，分别设定钩臂液压缸的工作时间为 15.0s，倾卸液压缸的工作时间为 35.0s。因此有： 1. 倾卸液压缸的驱动函数为：STEP( time , 0 , 0 , 35 , 1125)。该函数的意义表示倾卸液压缸从 0s到 35.0s 内，液压缸往回收缩 1125mm.。函数曲线如图 4.3 所示。 2. 钩臂液压缸的驱动函数为： STEP( time , 35 ,

69、0 , 50 , 430)。 该函数的意义表示钩臂液压缸从 35.0s到 50.0s 内，液压缸往回收缩 430mm.。函数曲线如图 4.4 所示。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 18 图 4.3 倾卸液压缸驱动函数曲线 Fig.4.3 The drive function curve of hydraulic cylinder 图 4.4 钩臂液压缸驱动函数曲线 Fig.4.3 The drive function curve of hydraulic cylinder 3. 当垃圾车将垃圾车厢运往垃圾填埋场之后， 倾卸液压缸将垃圾车厢举起， 使得垃圾车厢与水平面成 45 度夹角。

70、此时的倾卸液压缸的行程为 1260mm。因此可以另外建立一个阶跃驱动函数：STEP( time , 0 , 0 , 30 , 1260)。该函数曲线如图 4.4 所示。 河北工业大学硕士学位论文 19=kxjjmiiRqpnF116图 4.4 倾卸液压缸驱动函数曲线 Fig.4.3 The drive function curve of hydraulic cylinder 4- 3- 6 模型检验模型检验 通过 ADAMS/View 提供的模型检验工具可以得到模型的重要信息，包括移动的零件和运动副的数量，同时也列出模型的自由度数，并说明模型是否合理。通过 ADAMS/View 软件中的 Mo

71、del Verify 工具得到如表 4.4 所示的模型信息。 表 4.4 模型信息 Table.4.4 The information of the model VERIFY MODEL: .dirt- wagon 9 Moving Parts (not including ground) 3 Cylindrical Joints 9 Revolute Joints 2 Motions 1 Degrees of Freedom for .dirt- wagon There are 6 redundant constraint equations. This constraint: unnece

72、ssarily removes this DOF: .dirtwagon.JOINT_1 (Revolute Joint) Rotation Between Zi & Xj .dirtwagon.JOINT_2 (Revolute Joint) Rotation Between Zi & Xj .dirtwagon.JOINT_6 (Revolute Joint) Rotation Between Zi & Xj .dirtwagon.JOINT_7 (Revolute Joint) Rotation Between Zi & Xj .dirtwagon.JOINT_9 (Revolute J

73、oint) Rotation Between Zi & Xj .dirtwagon.JOINT_11 (Cylindrical Joint) Rotation Between Zi & Yj Model verified successfully 通过表 4.4 所提供的信息， 我们可以看到垃圾车拉臂系统的三维几何模型共包括有： 9 个活动构件、三个圆柱副、9 个旋转副和两个驱动副，且具有 1 个自由度。该模型还包含有 6 个虚约束，最后得出结果模型检验成功。 根据模型自由度 F 计算公式： （4- 1） 式中： n：活动构件总数； p：第运动副的约束条件数； q：第原动机的驱动约束条件数，原

74、动机总数； R：其他的约束条件数（如虚约束等） 。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 20 将模型显示信息代入公式得： F=69- 34- 95- 2+6=1 （4- 2） 计算结果等于 1， 与软件计算结果吻合。 模型检验成功后就可以对该虚拟样机模型进行仿真运算了。 4- 4 样机模型仿真样机模型仿真 在模型建立完成之后，可以对模型进行仿真分析操作，用来观察模型在多种操作下的运行情况。ADAMS/View 对模型进行仿真分析，并计算相应方程，将仿真结果以动画的形式显示出来。并且在仿真结束之后可以回放动画。还可以在 ADAMS/Postprocessor 环境下进行深入研究。 4- 4-

75、 1 车厢上车仿真车厢上车仿真 仿真分析类型选择动力学分析，在垃圾车厢上车过程中，包含有倾卸液压缸运行 35 秒和钩臂液压缸运行 15 秒。 在交互式仿真分析过程中，选择 End Time=50.0；Step Size=0.01。运行仿真结果动画截图如图 4.5，图 4.6 所示。 图 4.5 仿真动画截图 1 Fig.4.5 The picture of animation 图 4.6 仿真动画截图 2 Fig.4.6 The picture of animation 河北工业大学硕士学位论文 214- 4- 2 垃圾倾卸仿真垃圾倾卸仿真 在垃圾倾卸过程中，为了使得垃圾车厢不往下滑，且绕车尾

76、转动轴作顺时针旋转，钩臂液压缸、车厢定位销与车厢保险锁保持不动。 在交互式仿真分析过程中，选择 End Time=30.0；Step Size=0.01。运行仿真结果动画截图如图 4.7，图 4.8 所示。 图 4.7 仿真动画截图 3 Fig.4.7 The picture of animation 图 4.8 仿真动画截图 4 Fig.4.8 The picture of animation 4- 5 仿真结果分析仿真结果分析 在运行仿真计算后，就可以计算处理运动副上的位移、速度、加速度、作用力和作用力矩等数据，以及与构件固连的 Maker 点的位移速度和加速度等数据。如果需要观察这些数据

77、，可以在ADAMS/Postprocessor 模块中用曲线的形式将这些数据表现出来。 为了分析垃圾车拉臂系统的特性以及为后面的结构有限元分析提供关键数据。 可以设置以下测量数据。测量示意图如图 4.9 所示。 1. 拉钩端部与垃圾车厢把手铰接点 O 的受力。 2. 钩臂液压缸两铰点受力（Q1=Q2=Q） 。 3. 钩臂液压缸推力 F2= Q。 4. 钩臂与联动架铰接点受力 T。 5. 钩臂与联动架夹角、联动架与水平面夹角、副车架与水平面夹角。 6. 倾卸液压缸两铰点受力（P1=P2=P） 。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 22 M 7. 倾卸液压缸推力 F1= P。 8. 联动架与

78、副车架铰接点 M 的受力。 9. 副车架尾轮与垃圾车厢底下滑梁接触力 Contact。 图 4.9 测量示意图 Fig.4.9 The sketch map of measure 4- 5- 1 车厢上车仿真结果与分析车厢上车仿真结果与分析 1. 拉钩端部与垃圾车厢把手铰接点 O 受力随时间变化曲线。如图 4.10 所示。 图 4.10 O 点力测量曲线 Fig.4.10 The measure curve of O points force 结果分析：结果分析：最上面的曲线O_Force.Mag 为铰接力 O 的合力，中间曲线O_Force.X 为水平方向分力，最下面的曲线O_Force.Y

79、 为垂直方向分力。曲线中出现毛刺的原因是在 ADAMS/View 中对接触力的计算是对接触点的接触力进行计算， 而面上的点是不断变化的， 因此产生了类似振动的情形。以下曲线如出现这种情况，原因与之相同。 主要分析 O_Force.Mag 合力，从 0 秒开始合力快速增大到 3.6345E+004N，保持到 32.8 秒（即垃圾 河北工业大学硕士学位论文 23车厢与副车架尾部滑轮接触时刻）不变，然后由于垃圾车厢底部滑梁与副车架尾轮产生碰撞，合力突变到 4.5537E+004N，之后一直下降到 35.0 秒（倾卸液压缸停止运动，钩臂液压缸开始运动的时刻）处的3.2678E+004N。然后合力增大，

80、再减小平滑过渡到最终位置的 3.6454E+004N。 2. 钩臂液压缸推力 F2 随时间变化曲线。如图 4.11 所示。 图 4.11 推力 F2 测量曲线 Fig.4.11 The measure curve of pushing force 结果分析：结果分析：主要分析 MOTION_GouBi_Element_Force_Mag 合力，该力从 0N 快速增大到 2.3525E+005N， 在 32.8 秒处由于垃圾车厢与滑轮碰撞突变到 2.4643E+005N， 在 35.0 秒处由于钩臂液压缸活塞杆开始收缩，合力产生相应的变化。由于在垃圾车厢重力的辅助作用下，钩臂液压缸只需保持垃圾车

81、厢平稳下降，故合力一直处于下降趋势。在 45.0 秒处合力接近于 0N。然后在钩臂液压缸举起垃圾车厢的力臂急剧减小的情况下，合力快速上升到 9.8377E+005N。 钩臂液压缸的推力在 45.0 秒后急剧上升的原因是各铰接点分布不合理，使得液压缸推力对钩臂与联动架铰点的有效力臂较小所造成的。也是后面的优化设计所要重要考虑的地方。 3. 钩臂与联动架铰接力 T 随时间变化曲线。如图 4.12 所示。 图 4.12 T 点力测量曲线 Fig.4.12 The measure curve of T points force 结果分析：结果分析：钩臂与联动架铰接力 T 变化曲线与钩臂液压缸推力 F2

82、 变化曲线非常相似。T- Force.Mag垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 24 合力从 0N 快速增大到 2.3652E+005N， 在 32.8 秒处由于垃圾车厢与滑轮碰撞突变到 2.4324E+005N。 同样由于在垃圾车厢重力的辅助作用下， 钩臂液压缸只需保持垃圾车厢平稳下降， 合力一直处于下降趋势。在 45.0 秒处合力接近于 0N。然后在钩臂液压缸举起垃圾车厢的力臂急剧减小的情况下，合力快速上升到 9.8226E+005N。 4. 钩臂与联动架夹角、联动架与水平面夹角随时间变化曲线。如图 4.13 所示。 图 4.13 、角度测量曲线 Fig.4.13 The angle

83、measure curve of and 结果分析：结果分析：MEA_ANGLE_1 是钩臂与联动架夹角随时间变化曲线，从 0 秒到 35.0 秒保持 80度不变，35.0 秒之后从 80 度变化到 0 度；MEA_ANGLE_2 是联动架与水平面夹角随时间变化曲线，在 0 秒到 35 秒内从 98 度变化到 180 度，在 35.0 秒后保持 180 度不变。 5. 倾卸液压缸推力（F1=P1=P2=P）随时间变化曲线。如图 4.14 所示。 图 4.14 推力 F1 测量曲线 Fig.4.14 The measure curve of pushing force 结果分析：结果分析： 倾卸

84、液压缸推力在0秒到32.8秒从0N迅速增大到1.0636E+005N然后减小到接近于0N。由于垃圾车厢底部滑梁与副车架尾轮碰撞，推力突变到 2.7461E+005N，然后小幅度增大到 35.0 秒处的2.5834E+005N。此时联动架正好处于水平位置，联动架压在副车架横梁上，所以此后液压缸不受力。故在 35.0 秒后的曲线视作无效。 河北工业大学硕士学位论文 256. 联动架与副车架铰接点 M 的受力随时间变化曲线。如图 4.15 所示。 图 4.15 M 点力测量曲线 Fig.4.15 The measure curve of M points force 结果分析：结果分析：从 M- F

85、orce.Mag 合力曲线可以看出铰接点 M 的受力，在 0 秒到 32.8 秒之间，从 0N 迅速增大到 1.1325E+005N 然后减小到接近于 0N。然后由于垃圾车厢底部滑梁与副车架尾轮碰撞，推力突变到 2.7609E+005N，然后小幅度增大到 35.0 秒处的 2.5836E+005N。此时联动架正好处于水平位置，联动架压在副车架横梁上，所以此后铰接点 M 也不受力。同样将 35.0 秒后的曲线视作无效。 7. 副车架尾轮与垃圾车厢底下滑梁接触力 Contact 随时间变化曲线。如图 4.16 所示。 图 4.16 接触力 contact 测量曲线 Fig.4.16 The mea

86、sure curve of the contact force 结果分析：结果分析：副车架尾轮与垃圾车厢底下滑梁在 32.8 秒之前没有接触，接触力为 0N。接触瞬间由于有一定的冲击力，CONTACT_Element_Force_Mag 大小为 1.0465E+005N。冲击力消失之后接触力回到8.1356E+004N。然后缓慢减小到 35.0 秒处的 8.0852E+004N。最后一直减小到 4.3023E+004N。 4- 5- 2 垃圾倾卸结果分析垃圾倾卸结果分析 在垃圾倾卸结果分析中：钩臂液压缸不动使得钩臂水平部分始终与副车架平行，所以角度保垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 26

87、 持 0 度不变。联动架与副车架固定在一起，始终保持 180 度不变。 1. 倾卸液压缸推力 F1 随时间变化曲线。如图 4.17 所示。 图 4.17 推力 F1 测量曲线 Fig.4.17 The measure curve of pushing force 结果分析：结果分析： 倾卸液压缸推力合力 MOTION_QingXie_Element_force_Mag 从 0 秒的 3.5767E+005N 平滑减小到 30.0 秒处的 2.4234E+004N。实际操作中，当垃圾车厢被倾斜液压缸推起时，垃圾车厢内的垃圾就开始倾卸。因此开始几秒的合力才具实际意义。本课题取 05.0 秒内有效。

88、 2. 副车架与水平面夹角随时间变化曲线。如图 4.18 所示。 图 4.18角度测量曲线 Fig.4.18 The angle measure curve of 结果分析：结果分析：副车架与水平面夹角从 0 秒处的 0 度平滑过渡到 30.0 秒处的 45 度。 河北工业大学硕士学位论文 27 第五章第五章 拉臂系统参数化分析拉臂系统参数化分析 5- 1 ADAMS 参数化分析简介参数化分析简介 ADAMS 提供了强大的参数化建模功能。在建立模型时，根据分析需要，确定相关的关键变量，并将这些关键变量设置为可以改变的设计变量。在分析时，只需要改变这些设计变量值的大小，虚拟样机模型自动得到更新。

89、 如果需要对事先确定好的参数进行仿真分析， 可以由程序预先设置好一系列可变的参数，ADAMS 自动进行系列仿真，以便于观察不同参数值下样机性能的变化。 参数化的模型可以使用户方便的修改模型而不用考虑模型内部之间的关联变动， 而且可以达到对模型优化的目的。参数化机制是 ADAMS 中重要的机制。 参数化分析有利于了解各设计变量对样机性能的影响。 在参数化分析过程中， 根据参数建模时建立的设计变量，采用不同的参数值，进行一系列的仿真。然后根据返回的结果再进行参数化分析，得出一个或多个参数变化对样机性能的影响。然后再进一步对各种参数进行优化分析，得出最优化的样机。ADAMS/View 提供的 3 种

90、类型的参数化分析方法：设计研究(Design study)、试验设计(Design of Experiments, DOE)和优化分析(Optimization)29,30。 5- 2 拉臂系统样机模型参数化建模拉臂系统样机模型参数化建模 本课题在建立垃圾车拉臂系统的参数化模型时，采用参数化点的方式来建模。采用该方式建模，参数化点主要提供多体系统模型中各个对象（构件、约束、驱动、力、力元等）的位置坐标，修改对象通过修改这些参数化点来完成。因此，采用参数化点方式进行参数化建模时，参数化点是最基本的要素。参数化点方式建模的步骤大致为：确立参数化点- 创建参数化点- 创建模型部件- 创建联接关系-

91、创建驱动、力或者力元。 1. 确定参数化点 对于本课题所研究的车厢可卸式垃圾车拉臂系统，参数化点的确立主要考虑两个方面： 钩臂与联动架的关键铰接点； 钩臂液压缸与倾卸液压缸的缸头和活塞杆铰接点。 根据以上两原则，由模型的拓扑结构可得到参数化点列表。如表 5.1 所示。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 28 表 5.1 参数化点列表 Table 5.1 The list table of parameterizations point 序号 名称 坐标值（X, Y, Z） 说 明 1 POINT_1 0.0 ,0.0, 0.0 倾卸液压缸缸头与副车架铰链联接点 2 POINT_2 252

92、9.0, 20.0, 0.0 联动架与副车架铰链联接点 3 POINT_3 2602.0, 940.2, 0.0 倾卸液压缸活塞杆与联动架铰链联接点 4 POINT_4 2558.3, 1378.4, 0.0 钩臂与联动架铰链联接点 5 POINT_5 2413.0, 1751.4, 0.0 钩臂液压缸缸头与联动架铰链联接点 6 POINT_6 3746.9, 1931.7, 0.0 钩臂液压缸活塞杆与钩臂铰链联接点 7 POINT_7 3579.0,155.5,0.0 副车架尾轮轴心坐标 2. 创建设计变量 将表 5.1 中参数化点的横、纵坐标创建设计变量，并根据拉臂系统结构中各构件的外形特

93、点取定合适的尺寸变化范围。如表 5.2 所示。 表 5.2 设计变量 Table.5.2 The list table of design variable 设计变量 设计点 设计点坐标 变量初始值 变量取值范围 DV_1 POINT_1 X 0.0 - 300.0,250.0 DV_2 POINT_1 Y 0.0 - 80.0,125.0 DV_3 POINT_2 X 2529.0 2200.0,3000.0 DV_4 POINT_2 Y 20.0 - 60.0,60.0 DV_5 POINT_3 X 2602.0 2550.0,2670.0 DV_6 POINT_3 Y 940.2 840

94、.0,1140.0 DV_7 POINT_4 X 2558.3 2500.0,2630.0 DV_8 POINT_4 Y 1378.4 1180.0,1495.0 DV_9 POINT_5 X 2413.0 2350.0,2480.0 DV_10 POINT_5 Y 1751.4 1700.0,1950.0 DV_11 POINT_6 X 3746.9 3700.0,3900.0 DV_12 POINT_6 Y 1931.7 1900.0,2010.0 DV_13 POINT_7 X 3579.0 3380.0,3580.0 DV_14 POINT_7 Y 155.5 120.0,160.0

95、3. 创建传感器（Sensor） 在拉臂系统优化分析中，需要建立两个角度传感器，用于检测角度的变化情况。建立传感器Angle_Sensor_1 用于检测钩臂与联动架夹角（即角）的变化。当角度达到 0 度时，传感器会通知ADAMS/View 自动停止仿真过程。 同样建立传感器 Angle_Sensor_2 用于检测联动架与副车架夹角 （即角）的变化。同样当角到达 180 度时，该传感器会通知 ADAMS/View 自动停止仿真过程。 4. 定义目标函数 该车厢可卸式垃圾车载重量是一个定值， 如果能够减小钩臂液压缸与倾卸液压缸的最大推力， 就能够使拉臂系统各构件受力状况较好。 有利于减小拉臂系统的

96、总质量， 从而使得本课题所研究的垃圾车的质量系数0m更大。 因此本课题分别选择倾卸液压缸推力 F1 和钩臂液压缸推力 F2 作为拉臂系统研究的目标函数。 河北工业大学硕士学位论文 29 5- 3 拉臂系统设计研究（拉臂系统设计研究（Design Study） 设计研究是当设计变量中只有一个变量在其变化范围内取不同的值时， 目标函数的变化情况， 此时目标函数只是一个设计变量的函数，其他设计变量不发生变化。 由于倾卸液压缸与钩臂液压缸的运动不是同时进行的， 因此本课题将对倾卸液压缸推力与钩臂液压缸推力的优化设计分解成两个相对独立的优化过程。这将会使优化过程更加简便，优化结果完全可靠。 5- 3-

97、1 倾卸液压缸拉力设计研究倾卸液压缸拉力设计研究 在其余变量保持恒定的基础上，分别对每一个变量进行设计研究。设计研究结果如表 5.3 所示。表中的敏感度定义为液压缸拉力相对变量的斜率。在最优化设计时，敏感度对设计变量的选择很有帮助。 表 5.3 设计研究结果数据 1 Table 5.3 The result data of design study 设计变量 设计点 设计点坐标 变量初始值 初始值敏感度 优化显著值 DV_1 POINT_1 X 0.0 - 100.54 150.0 DV_2 POINT_1 Y 0.0 527.77 - 100 DV_3 POINT_2 X 2529.0 22

98、738.0 2400.0 DV_4 POINT_2 Y 20.0 1961.4 0.0 DV_5 POINT_3 X 2602.0 240.2 2730.0 DV_6 POINT_3 Y 940.2 460.78 845.0 DV_7 POINT_4 X 2558.3 0.002 2558.3 DV_8 POINT_4 Y 1378.4 0.002 1378.4 DV_9 POINT_5 X 2413.0 0.0008 2413.0 DV_10 POINT_5 Y 1751.4 - 0.001 1751.4 DV_11 POINT_6 X 3746.9 0.0006 3746.9 DV_12

99、POINT_6 Y 1931.7 - 0.002 1931.7 DV_13 POINT_7 X 3579.0 274.77 3937.0 DV_14 POINT_7 Y 155.5 - 9403.7 163.0 通过对表 5.3 中的数据分析可得：在拉臂系统中 POINT4_、 POINT_5 与 POINT_6 的初始值敏感度几乎为 0，即对倾卸液压缸拉力几乎没有影响。这为将倾卸液压缸与钩臂液压缸分开进行独立优化提供了依据。而变量 DV_3、 DV_4 与 DV_14 对该倾卸液压缸拉力的影响最大，在后面的优化中将选择这 4 个设计变量进行优化。 5- 3- 2 钩臂液压缸拉力设计研究钩臂液

100、压缸拉力设计研究 在 5.3.1 节中，拉臂系统中 POINT4_、 POINT_5 与 POINT_6 的初始值敏感度几乎为 0，即对倾卸液压缸拉力几乎没有影响， 因此我们可以得出倾卸液压缸与钩臂液压缸的优化互不影响， 可以独立进行优化的结论。因此在钩臂液压缸的设计研究中，只需选择 POINT4_、 POINT_5 与 POINT_6 进行设计研究即可。设计研究结果如表 5.4 所示。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 30 表 5.4 设计研究结果数据 2 Table 5.4 The result data of design study 设计变量 设计点 设计点坐标 变量初始值 初

101、始值敏感度 优化显著值 DV_7 POINT_4 X 2558.3 - 338.64 2610.0 DV_8 POINT_4 Y 1378.4 1026.2 1309.5 DV_9 POINT_5 X 2413.0 14126.0 2316.5 DV_10 POINT_5 Y 1751.4 1687.9 1926.5 DV_11 POINT_6 X 3746.9 9.845 3560.0 DV_12 POINT_6 Y 1931.7 - 72.1 2028.0 DV_13 POINT_7 X 3579.0 0.0 3579.0 DV_14 POINT_7 Y 155.5 0.0 155.5 通

102、过对表 5.4 中的数据分析可得：副车架尾轮的轴心位置（DV_13、DV_13 变量的位置）对钩臂液压缸的拉力的敏感度为 0，即对钩臂液压缸拉力没有影响。另外可以看出 DV_8、 DV_9 与 DV_10 对钩臂液压缸的敏感度较大。在后面的优化设计中选择这 3 个变量作为优化对象。 5- 4 拉臂系统优化分析（拉臂系统优化分析（Optimization） 优化是指在系统变量满足约束条件下使目标函数取最大值或者最小值。 目标函数是用数学方程来表示模型的质量、效率、成本、稳定性等。使用精确数学模型的时候，最优的函数值对应着最佳的设计。目标函数中的设计变量对需要解决的问题来说应该是未知量， 并且设计

103、变量的改变将会引起目标函数的变化。在优化分析过程中，可以设定设计变量的变化范围，施加一定的限制以保证最优化设计处于合理的取值范围。 另外对于优化来说，还有一个重要的概念是约束。有了约束才使目标函数的解为有限个，有了约束才能排除不满足条件的设计方案。 通常，优化分析问题可以归结为：在满足各种设计条件和在指定的变量变化范围内，通过自动地选择设计变量，由分析程序求取目标函数的最大值或最小值。 设计研究与试验设计主要研究哪些因素的影响比较大， 并且还调查这些因素之间的关系； 而优化分析着重于获得最佳目标值。 试验设计可以对多个因素进行试验分析， 确定哪个因素或者哪些因素的影响较大，然后，可以利用优化分

104、析的功能对这些影响较大的因素进行优化，这样可以达到有效提搞高优化分析算法的运算速度和可靠性。 在本课题所研究的拉臂系统的优化分析中，根据 5.3 节中对拉臂系统的设计研究，我们发现可以对倾卸液压缸和钩臂液压缸进行单独参数化分析。 因此我们在优化分析中也分别对每个液压缸进行优化分析。 5- 4- 1 倾卸液压缸拉力优化分析倾卸液压缸拉力优化分析 在对倾卸液压缸拉力的优化分析中，将倾卸液压缸拉力的最大值作为设计对象（Design Objective）将设计对象的最小值作为设计目标函数（goal function） 。优化分析结果如表 5.5 所示。 河北工业大学硕士学位论文 31表 5.5 优化分

105、析结果 1 Table 5.5 The result of Optimization Optimization Summary Model Name : dirt- wagon Date Run : 2008- 05- 09 15:58:08 Objectives O1) OBJECTIVE_1 Units : Newton Initial Value: 258340 Final Value : 128032 (- 50.44%) Design Variables V1) DV_3 Units : NO UNITS Initial Value: 2529 Final Value : 2300

106、(- 9.05%) V2) DV_4 Units : NO UNITS Initial Value: 20 Final Value : 9.12315 (- 54.4%) V3) DV_14 Units : NO UNITS Initial Value: 155.5 Final Value : 154.575 (- 0.595%) Iter. OBJECTIVE_1 DV_3 DV_4 DV_14 0 2.5834e+005 2529.0 20.000 155.50 1 2.3427e+005. 2336.6 10.926 154.64 2 1.7619e+005. 2300.0 9.6689

107、 154.58 3 1.4611e+005. 2300.0 9.5232 154.57 4 1.2803e+005. 2300.0 9.1232 154.57 在本次优化分析中，对每个设计变量取 5 个水平，三个变量共有 125 组模拟变量的组合。因此，可以认为优化结果趋于最优。结果显示倾卸液压缸拉力的最大值有初始值（Initial Value）258340N 减小到最终值（Final Value）128032N，减幅达到- 50.44%。 5- 4- 2 钩臂液压缸拉力优化分析钩臂液压缸拉力优化分析 在对钩臂液压缸拉力优化分析中，将钩臂液压缸拉力的最大值作为设计对象（Design Objec

108、tive）将设计对象的最小值作为设计目标函数（goal function） 。优化分析结果如表 5.6 所示。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 32 表 5.6 优化分析结果 2 Table 5.6 The result of Optimization Optimization Summary Model Name : dirt- wagon Date Run : 2008- 05- 09 14:47:38 Objectives O1) OBJECTIVE_2 Units : Newton Initial Value: 983772 Final Value : 452813 (- 53

109、.97%) Design Variables V1) DV_8 Units : NO UNITS Initial Value: 1378.4 Final Value : 1309.48 (- 5%) V2) DV_9 Units : NO UNITS Initial Value: 2413 Final Value : 2316.48 (- 4%) V3) DV_10 Units : NO UNITS Initial Value: 1751.4 Final Value : 1926.72 (+10%) Iter. OBJECTIVE_2 DV_8 DV_9 DV_10 0 9.8377e+005

110、 1378.4 2413.0 1751.4 1 7.6821e+005 1318.3 2392.0 1899.9 2 5.5422e+005 1309.5 2388.7 1926.5 3 4.5419e+005 1309.5 2316.5 1926.5 4 4.5281e+005 1309.5 2316.5 1926.7 在本次优化分析中，同样，对每个设计变量取 5 个水平，对三个变量来说共有 125 组模拟变量的组合。因此也可以认为优化结果趋于最优。结果显示钩臂液压缸拉力的最大值有初始值（Initial Value）983772N 减小到最终值（Final Value）452813N，减幅达

111、到- 53.97%。 河北工业大学硕士学位论文 335- 4- 3 优化模型结果分析优化模型结果分析 经过优化设计后，拉臂系统铰点坐标前后对比如表 5.7 所示。 表 5.7 优化结果坐标对比 Table.5.7 The coordinates of optimization 设计变量 设计点 设计点坐标 坐标初始值 坐标优化值 DV_3 POINT_2 X 2529.0 2300.0 DV_4 POINT_2 Y 20.0 9.1 DV_8 POINT_4 Y 1378.4 1309.5 DV_9 POINT_5 X 2413.0 2316.5 DV_10 POINT_5 Y 1751.4

112、1926.7 DV_14 POINT_7 Y 155.5 154.6 5- 5 优化模型的仿真结果及分析优化模型的仿真结果及分析 1. 拉钩端部与垃圾车厢把手铰接点 O 的受力随时间变化曲线。如图 5.1 所示。 图 5.1 优化后 O 点力测量曲线 Fig.5.1 The measure curve of O points force 结果对比分析：结果对比分析： 从图 4.10 与图 5.2 可以看到拉钩端部与垃圾车厢把手铰接点 O 的受力优化后与优化前几乎没有变化。这主要是因为该铰接力相对独立于其他铰点。 2. 钩臂液压缸推力 F2 随时间变化曲线。如图 5.2 所示。 垃圾车拉臂系统的

113、仿真分析与结构优化设计 34 图 5.2 优化后推力 F2 测量曲线 Fig.5.2 The measure curve of pushing force 结果对比分析：结果对比分析：由图 4.11 与图 5.2 可以看出，MOTION_GouBi_Element_Force_Mag 合力的最大值（仿真时间 50 秒时）从优化前 9.8377E+005N 减小到优化后的 4.5281E+005N 。减小幅度达到 53.97%。优化前的不足已得到有效解决。 3. 钩臂与联动架铰接点 T 的受力随时间变化曲线。如图 5.3 所示。 图 5.3 优化后 T 点力测量曲线 Fig.5.3 The me

114、asure curve of T points force 结果对比分析：结果对比分析：由图 4.12 与图 5.3 可以看出，尽管钩臂与联动架铰接点 T 的受力变化曲线与钩臂液压缸推力 F2 变化曲线形状非常相似。但钩臂与联动架铰接点 T 的受力最大值由优化前的过大也得到了有效改进。 河北工业大学硕士学位论文 354. 倾卸液压缸推力（F1=P1=P2=P）随时间变化曲线。如图 5.4 所示。 图 5.4 优化后推力 F1 测量曲线 Fig.5.4 The measure curve of pushing force 结果对比分析：结果对比分析：由图 4.14 与图 5.4 可以看出，35

115、秒时联动架正好处于水平位置，联动架压在副车架横梁上，所以此后液压缸不受力。故在 35.0 秒后的曲线视作无效。由图 5.7 与图 5.8 可以看出，MOTION_QingXie_Element_Force_Mag 合力的最大值从优化前 2.5834E+005N 减小到优化后的1.2803E+005N。减小幅度达到 50.44%。优化前的不足以得到有效解决。 5. 联动架与副车架铰接点 M 的受力随时间变化曲线。如图 5.5 所示。 图 5.5 优化后 M 点力测量曲线 Fig.5.5 The measure curve of M points force 结果对比分析：结果对比分析：由图 4.

116、15 与图 5.5 可以看出，联动架与副车架铰接点 M 的受力随时间变化曲线与倾卸液压缸推力 F1 变化曲线形状非常相似， 但联动架与联动架铰接力点 M 的受力的最大值由优化前的过大也得到了有效改进。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 36 6. 副车架尾轮与垃圾车厢底下滑梁接触力 Contact 随时间变化曲线。如图 5.6 所示。 图 5.6 优化后接触力 contact 测量曲线 Fig.5.6 The measure curve of the contact force 结果对比分析：结果对比分析：从图 4.16 与 5.6 可以看出，优化后比优化前的接触力略有下降，接触时间由优

117、化前的 32.8 秒提前到了 29.1 秒。 7. 倾卸液压缸推力 F1 随时间变化曲线。如图 5.7 所示。 图 5.7 优化后推力 F1 测量曲线 Fig.5.7 The measure curve of pushing force 结果对比分析：结果对比分析： 由图 4.17 与图 5.7 可以看出， 在对拉臂系统进行优化设计的过程中， 对变量 DV_3、DV_4、DV_8、DV_9、DV_10 与 DV_14 进行了优化，而这些变量对在垃圾倾卸的工作过程没有影响。因此我们可以看到图 5.13 与图 5.14 没有任何变化。 同样的，在实际操作中，当垃圾车厢被倾卸液压缸推起时，垃圾车厢内

118、的垃圾就开始倾卸。因此开始几秒的 MOTION_QingXie_Element_force_Mag 合力才具实际意义。本课题取 05.0 秒内有效。 河北工业大学硕士学位论文 37 第六章第六章 拉臂系统结构有限元分析拉臂系统结构有限元分析 6- 1 MSC.Patran 及及 MSC.Nastran 软件介绍软件介绍 6- 1- 1MSC.Patran 介绍介绍 MSC.Patran 是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。MSC.Patran 最早由美国宇航局（NASA）倡导开发。是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统。其开放式、多功能的体系结构可集工程设计、工程

119、分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面于一身，构成一个完整的 CAE 集成环境31。 使用 MSC.Patran，可以帮助用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。MSC.Patran 拥有良好的用户界面，即容易使用又方便记忆。即使你以前没有使用过 MSC.Patran，只要拥有一定的软件使用经验， 那么很快可以成为该软件的熟悉使用者， 这可以使你将更多的精力用于工作本身而不是软件。 MSC.Patran 作为一个优秀的前后处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性。 模型智能化：MSC.Patran 使用直接几何访问技术，能够使用户直接从其他的系统中获取几何模型。甚至参数和特征。而减少重复建

120、模，为用户节约宝贵时间。此外，MSC.Patran 还提供了完善的独立几何建模和编辑工具，以使用户更灵活地完成模型准备。MSC.Patran 允许用户直接在几何模型上设计载荷、边界条件、材料和单元特性，并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息。以最大限度地减少设计过程的时间消耗。所有的分析结果均可以可视化。 自动有限元建模：MSC.Patran 的新产品中增加了很多更灵活更方便的智能化工具，同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能， 使用户快速完成他们想做的工作。 同时也提供手动和其他有限元建模方法，以满足不同的需求。 分析的集成：MSC.Patran 提供了众多的软件接口，将世界上

121、大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体。 为用户提供了一个公共的环境。 这样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题在其他软件中建立的模型。在 MSC.Patran 中仍然可以正常使用，非常灵活。用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断，进行相应的改进。这就大大地提高了工作效率。 用户可自主开发新的功能：用户可将 MSC.Patran 作为自己的前后置处理器，并利用其强大的PCL(Patran command langue)语言和编程函数库把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入 MSC.Patran 的框架系统，或单独使用，或与其他系统联合使用。这

122、样，MSC.Patran 又成为用户二次开发的一个良好平台，可以为用户提供更强大和更专业的功能。 分析结果的可视化处理：MSC.Patran 丰富的结果后处理功能可使用户直观地显示说分析结果，从而找出问题所在，快速修改，为产品的开发赢得时间，提高市场的竞争力。MSC.Patran 能够提供图、表、文本、动态模拟等多种结果形式，形象逼真、准确可靠32。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 38 6- 1- 2 MSC.Patran 的一般使用流程的一般使用流程 MSC.Patran 具有非常好的使用界面，该界面上占显著位置的行是工具栏，工具栏是 MSC.Patran 软件中使用中应用最多的工

123、具，其每一项都对应一个操作面板，用于实现相应的操作，完成一定的功能。 MSC.Patran 的一般使用流程，归结起来如图 6.1 所示。 图 6.1 MSC.Patran 的一般使用流程图 Fig.6.1 The process of apply MSC.Patran 6- 1- 3 MSC.Nastran 介绍介绍 MSC.Nastran 是由 MSC.Software 公司推出的一个大型结构有限元分析软件。 MSC 公司自 1963 年开始从事计算机辅助工程领域 CAE 产品的开发和研究，1966 年美国国家航空航天局（NASA）为了满足但是航空航天工业对结构分析的迫切需求，支持开发大型应

124、用有限元程序的招标，MSC 中标并参与了整个 Nastran 的开发过程。 1971 年，MSC 公司对原始的 Nastran 做了大量改进，采用了新的单元库、增强了程序的功能、改进了用户界面、提高了运算精度和效率。特别对矩阵运算方法作了重大改进，继而推出了自己的专利版本：MSC.Nastran。1989 年 MSC 公司发布了经革命性改良的 MSC.Nastran 66 版本。该版本包含了新的实行系统、高效的数据管理、自动重启动及更容易理解的 DMAP 开发手段等新特点，同时溶入了许多当今世界上 FEM 领域最杰出的研究成果，是 MSC.Nastran 变得更加通用、更加易于使用。 MSC.

125、Nastran 具有很高的软件可靠性、品质优秀，得到了有限元届的肯定，众多大公司和工业行业都用 MSC.Nastran 计算结果作为标准代替其他质量规范。MSC.Nastran 具有开放式的结构，全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证了很好的灵活性， 使用者可针对自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。此外，MSC.Nastran 还为用户提供了强大的开发工具DMAP 语言。 针对实际工程应用，MSC.Nastran 中有近 70 余种单元独特的单元库。所有这些单元可满足MSC.Nastran 各种分析功能的需要，且保证求解的高精度和高可靠性。模型建好后，M

126、SC.Nastran 即可建立几何模型 选择分析结算器 建立有限元分析模型 提交分析 显示分析结果 河北工业大学硕士学位论文 39以进行分析，如动力学、非线性分析、灵敏度分析、热分析等。此外，MSC.Nastran 的新版本中还增加了更为完善的梁单元库，同时新的基于 P 单元技术的界面单元的引入可有效地处理网格划分的不连续性（如实体单元与板壳单元的连接） ，并自动地进行 MPC 约束。MSC.Nastran 的 RSSCON 连接单元可将壳- 实体自动连接，使组合结构的建模更加方便。 MSC.Nastran 的主要功能包括静力分析、屈曲分析、动力学分析、非线性分析、热传导分析、空气动力弹性及颤

127、振分析、 流- 固耦合分析、 多级超单元分析、 高级对称分析、 设计灵敏度及优化分析33,34,35。 在对拉臂系统的有限元分析过程中， 主要是用到 MSC.Nastran 众多功能中的静力分析。 因此有必要对 MSC.Nastran 的静力分析进行较详细介绍。 6- 1- 4 静力分析静力分析 静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段， 主要用来求解结构在静力载荷作用下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束（反）力、单元内力、单元应力和应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数据。MSC.Nastran 支持全范围的材料模式，包括：均质各项同性材料，正交各项异性材料，各项异性材

128、料，随温度变化的材料。方便的载荷与工况组合单元上的点、线和面载荷、热载荷、强迫位移，各种载荷的加权组合，在前后处理程序 MSC.Patran 中定义时可把载荷直接施加于几何体上。 6- 2 拉臂系统有限元分析模型的建立拉臂系统有限元分析模型的建立 因本课题主要针对拉臂系统进行研究， 所以在对拉臂系统进行结构有限元分析的过程中， 只对联动架与钩臂这两个拉臂系统的关键构件进行结构有限元分析。而车架及垃圾车辆不予考虑。 6- 2- 1 导入几何模型导入几何模型 Patran 作为世界一流的有限元软件分析前后处理器， 其本身不但可以作为一个完整的应用系统独立运行，进行各种复杂模型的实体建模，还可以配合

129、满足不同需求的可选应用模块完成各种工程分析。并运行 CAE 工程使 Patran 从另一个角度上打破了传统有限元分析的前后处理模式，其独有的几何模型直接访问技术为基础的 CAD/CAM 软件系统间的几何模型沟通，及各类分析模型无缝连接提供了完美的集成环境。 应用工程师可直接在 Patran 框架内访问现有 CAD，读取、转换、修改和操作正在设计的几何模型。有限元分析模型可从 CAD 几何模型上快速地直接生成， 用精确表现真实产品设计取代以往的近似描述，进而省去了在分析软件系统中重新构造几何模型的传统过程36。 本课题所研究的拉臂系统的三维模型是在目前国内应用最广的三维设计软件 Pro/Engi

130、neer 中建立的。Pro/Engineer 的用户遍及各个领域，如在航空、航天、汽车、电子、家用电器、化工等领域。Patran可以直接读取 Pro/Engineer 的零部件文件*.prt、装配体文件*.asm和几何文件*.geo。 在 Patran 软件中建立一个文件：Dirt- Wagon.db。利用 Patran 输入输出接口中的 Pro/e 接口将包含有联动架、钩臂、倾卸液压缸及钩臂液压缸的拉臂系统导入到 Dirt- Wagon.db 中。如图 6.2 所示。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 40 图 6.2 拉臂系统有限元分析几何模型 Fig.6.2 The geometr

131、ic model of dragging arm system 6- 2- 2 划分有限元网格划分有限元网格 划分网格是建立有限元模型时非常重要的一个步骤， 分析软件划分网格的能力和质量直接关系到分析结果的正确性和准确性，Patran 具有良好的网格划分能力，能够完成各种复杂几何的网格划分，并且通过控制功能，可以对划分过程和划分参数进行控制，以满足不同的需要。 为了使网格划分工具具有更好的通用性，不依赖于有限元解算器，在 Patran 中将单元的拓扑关系与物理特性分开，即在划分有限元网格时，只涉及其拓扑，而不涉及单元的物理特性。 Patran 具有非常丰富的单元库，可适应不同几何的需要，单元拓

132、扑包括点、线、三边形、四边形、四面体、五面体、六面体等，同时，一种单元形状又具有多种拓扑形式。 结合 Patran 中的网格划分工具与单元库将钩臂与联动架进行网格划分。如图 6.3 所示。 图 6.3 拉臂系统网格划分 Fig.6.3 Mesh the dragging arm system 河北工业大学硕士学位论文 416- 2- 3 施加边界条件施加边界条件 边界条件是有限元分析中不可缺少的一部分，网格划分完成之后，就可以施加边界条件了。在对钩臂与联动架进行结构有限元分析过程中，本课题选择如表 6.1 所示的 5 个工况进行分析，这 5 种工况分别为钩臂液压缸与倾卸液压缸的启动位置、中间位

133、置与终止位置，具有一定的代表性。这 5 种工况每个工况对应一组边界条件。表中符号意义参照图 4.9。 表 6.1 拉臂系统计算工况 Table 6.1 The load cases of dragging arm system 工况位置参数与载荷数值工况位置参数与载荷数值 工况描述工况描述 位置参数（度）位置参数（度） 载荷数值（载荷数值（N） 工况 1： 垃圾车厢前轮离地起始位置。 (t=0s) =80 =98 =0 =xO3182.5 =yO36423.6 工况 2： 垃圾车厢前轮离地中间位置。 (t=10s) =80 =63.0 =0 =xO3182.5 =yO36423.6 工况 3：

134、 倾卸液压缸停止工作， 钩臂液压缸开始工作位置。 (t=35.0 s) =80 =0 =0 =xO27309.3 =yO18558.1 工况 4： 钩臂液压缸工作中间位置。 (t=44.5 s) =30 =0 =0 =xO4250 =yO33765 工况 5： 钩臂液压缸停止工作 （车厢放置到位） 。 (t=50.0 s) =0 =0 =0 =xO- 85.0 =yO- 37450 6- 2- 4 定义材料与单元物理特性定义材料与单元物理特性 材料是实际结构的承载体，任何实体都有各种材料构成。在分析中，通过弹性模量、强度、本构关系等参数来描述一种材料。对于本课题所研究的钩臂与联动架，因其都由钢

135、材构成，且都由各向同性材料构成的几何体。所以我们可以用: 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 42 Elastic Modulus=2.06E+011 Poisson Ratio=0.3 来定义材料与单元物理特性。 6- 2- 5 进行分析进行分析 当创建了几何模型、划分了有限元网格、定义了材料、赋予了单元物理属性之后，就建立了完整的有限元模型，可以提交进行分析了。 分析类型选择线性静态。分析结束后，Nastran 会将分析结果以文件形式输出，可以是*.op2 文件，也可以是*.xdb 文件。 6- 3 拉臂系统有限元分析结果拉臂系统有限元分析结果 6- 3- 1 拉臂系统有限元分析拉臂系

136、统有限元分析 Patran 中的后置处理器- Rusults 是一个强有力的、可控的、可以多种方式显示的分析结果处理工具。其可以以结构变形图、彩色的云纹图、图形符号（显示矢量、张量） 、自由体图、XY 平面线图，以及以上大多数图形的动画方式、文本输出等多种方式处理有限元分析结果。 由于我们主要查看各种工况下拉臂系统中的钩臂与联动架的位移云图与应力云图， 以判断能否满足工作要求。因此在有限元分析结果中将倾卸液压缸与钩臂液压缸的分析结果去掉。如图 6.4 至图 6.13所示。 图 6.4 工况 1 拉臂系统应力云图 Fig 6.4 The stress fringe in the case one

137、 河北工业大学硕士学位论文 43 图 6.5 工况 1 拉臂系统位移云图 Fig 6.5 The displacement fringe in the case one 图 6.6 工况 2 拉臂系统应力云图 Fig 6.6 The stress fringe in the case two 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 44 图 6.7 工况 2 拉臂系统位移云图 Fig 6.7 The displacement fringe in the case two 图 6.8 工况 3 拉臂系统应力云图 Fig 6.8 The tress fringe in the case three

138、 河北工业大学硕士学位论文 45 图 6.9 工况 3 拉臂系统位移云图 Fig 6.9 The displacement fringe in the case three 图 6.10 工况 4 拉臂系统应力云图 Fig 6.10 The stress fringe in the case four 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 46 图 6.11 工况 4 拉臂系统位移云图 Fig 6.11 The displacement fringe in the case four 图 6.11 工况 5 拉臂系统应力云图 Fig 6.11 The stress fringe in the

139、 case five 河北工业大学硕士学位论文 47 图 6.12 工况 5 拉臂系统位移云图 Fig 6.12 The displacement fringe in the case five 6- 3- 2 有限元分析结果总结及改进意见有限元分析结果总结及改进意见 在 5 种工况下对拉臂系统分别进行了刚度与强度分析。 从得到的位移云图与应力云图中， 我们可以得出如下结论： 1. 从整个拉臂系统来看，钩臂与联动架绝大部分的结构应力都在材料许可应力范围内(除少数应力集中区域外)，初步判断可以满足工作需要。 2. 从整个拉臂系统来看，在联动架和钩臂这两个部件中，钩臂的应力相对联动架来说比较大，但

140、主要是体现在局部应力集中。 而联动架在各种工况下应力分布均匀， 没有出现明显的应力集中。 3. 仅从钩臂的应力来看， 前三种工况钩臂所受应力相对较大。 应力较大的部位主要是在钩臂液压杆与钩臂铰接处、 钩臂的直角拐角处及臂钩。 在零部件的生产加工中可以根据应力云图对相应部位进行局部加厚或加大圆角等方法以消除应力较大的现象，提高安全系数。 4. 从联动架来看，位于联动架中间的前横梁和中横梁在各工况下受力都较小。所以，为了减轻总体质量，可以适当减小它们的厚度。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 48 6- 4 拉臂系统改进后结构的有限元分析拉臂系统改进后结构的有限元分析 6- 4- 1 结构修

141、改后拉臂系统的有限元分析结构修改后拉臂系统的有限元分析 图 6.13 工况 1 应力云图 Fig6.13 The stress fringe in the case one 图 6.14 工况 1 位移云图 Fig6.14 The displacement fringe in the case one 河北工业大学硕士学位论文 49 图 6.15 工况 2 应力云图 Fig 6.15 The stress fringe in the case two 图 6.16 工况 2 位移云图 Fig 6.16 The displacement fringe in the case two 垃圾车拉臂系

142、统的仿真分析与结构优化设计 50 图 6.17 工况 3 应力云图 Fig 6.17 The tress fringe in the case three 图 6.18 工况 3 位移云图 Fig 6.18 The displacement fringe in the case three 1 .503 e+008 河北工业大学硕士学位论文 51 图 6.19 工况 4 应力云图 Fig 6.19 The stress fringe in the case four 图 6.20 工况 4 应力云图 Fig 6.20 The displacement fringe in the case fo

143、ur 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 52 图 6.21 工况 5 应力云图 Fig 6.21 The stress fringe in the case five 图 6.22 工况 5 位移云图 Fig 6.22 The displacement fringe in the case five 河北工业大学硕士学位论文 536- 4- 2 拉臂系统改进后结构有限元分析结果总结拉臂系统改进后结构有限元分析结果总结 改进后拉臂系统的有限元分析结果如表 6.2 所示。 表 6.2 最大应力的比较 Table 6.1 Compare with the max stress 改进前最大应力(

144、MPa) 改进后最大应力(MPa) 工况 1 193.3 160.9 工况 2 244.4 190.9 工况 3 197.5 150.3 工况 4 174.1 152.2 工况 5 104.2 111.6 从表 6.2 我们可以看出各个工况下的最大应力都得到了有效的改善。经计算，拉臂系统的总质量也由改进前的 750.1kg 减小到改进后的 670.3kg，减幅达到 10.64%。此次改进不仅降低了最大应力，而且总质量也得到了一定程度的减小。因此可以认为此次结构改进取得了很好的效果。垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 54 第七章第七章 结论及展望结论及展望 7- 1 主要结论主要结论 首先

145、利用三维建模软件 Pro/Engineer wildfire 对拉臂式垃圾车的主要工作装置拉臂系统建立了三维模型；然后在 Pro/Engineer wildfire 与 ADAMS 软件无缝连接模块 Mechanism/Pro 中设置各构件的质量属性和连接关系，生成了 ADAMS 能够识别的.ADM 格式文件；最后在 ADAMS 软件环境中对拉臂系统进行了运动学与动力学仿真。 通过仿真分析，得到了钩臂液压缸、倾卸液压缸及各个重要铰接点的受力曲线。从仿真结果中可以看出， 在所设计的拉臂系统中存在钩臂与液压缸推力过大的缺陷， 这是由于拉臂系统结构设计不合理造成的。因此，对拉臂系统进行了优化设计，优

146、化了某些敏感度高的铰接点的横坐标或纵坐标。然后对优化后的仿真模型再次进行了仿真分析， 从分析结果可以看出钩臂液压缸推力的最大值与倾卸液压缸推力的最大值分别下降了 53.97%和 50.44%。得到了较优的结构模型及仿真结果。 在对优化后的拉臂系统进行仿真分析时， 本课题选择了具有代表性的 5 种工况， 获得了这 5 种工况的载荷数值与边界条件，并对优化后的拉臂系统进行了结构有限元分析。分析结果表明，拉臂系统的局部设计存在一些不足。因此，对这些不足进一步进行了修正，并对改进后的结构再次进行了结构有限元分析。从分析结果看，不但各个工况下的最大应力都得到了有效改善，而且拉臂系统的总质量也显著降低。

147、本课题主要的研究成果是： 1. 建立了拉臂系统的三维立体模型及 ADAMS 虚拟仿真模型，并进行了仿真运算。得出了拉臂系统在整个工作过程中的各个铰接点处的受力变化曲线。 2. 在 ADAMS 中，对拉臂系统进行了结构优化，得出了较优结构模型。并对优化后与优化前的仿真结果进行了比较。 3. 从优化后结构模型的仿真结果中提取出了为有限元结构分析所需要的载荷数值及边界条件。 4. 建立了拉臂的结构有限元分析模型。 在有限元分析软件中， 分别在 5 种各工况下对拉臂系统进行了刚度与强度分析。 5. 改进了拉臂系统的部分零部件， 从而有效的改善了拉臂机构的承载状况， 也减轻了拉臂系统的总质量。 6. 本

148、课题的研究为现代设计理论和方法在新产品开发中的应用提供了方法及使用经验， 为缩短新产品的开发周期、减少开发费用和提高研发质量提供了有效的方法和经验借鉴。 河北工业大学硕士学位论文 557- 2 展望展望 拉臂系统是整个车厢可卸式垃圾车中最重要的工作装置， 拉臂系统的工作质量直接决定了整个垃圾车的工作效率与工作可靠性。 为了使拉臂系统更有效更可靠的工作， 可以从以下几个方面进一步开展工作:： 1. 结合各种编程软件如：C+,VB 等，建立拉臂系统的三维参数化模型。 2. 建立整个拉臂式垃圾车的虚拟样机模型，把各种工作情况都考虑进去，例如：车厢上下车、后门开启，关闭与锁死、卸料时倾泻液压缸的推起与

149、收回等等。 上述两个方面的工作都是可为车厢可卸式垃圾车产品的系列化打下基础， 可以大大缩短后续同类新产品的开发周期和开发费用，提高产品开发效率。 3. 对拉臂机构工作的运动轨迹进行机构运动学优化， 设计出工作时间更短、 结构受力更合理的运动轨迹。 4. 拉臂系统关键部件的结构疲劳、 可靠性分析。 拉臂系统的长时间工作必然会引起疲劳损伤及各种失效等，因此有必要对其进行疲劳、可靠性分析。 5. 拉臂机构的动作是通过液压系统的控制实现的， 良好的液压控制系统有助于提高拉臂机构的工作效率和工作质量。因此，也可以结合各种液压仿真软件对垃圾车各个工作步骤进行仿真，以检查该液压控制系统的正确性与合理性，并为

150、选择合适的阀门、液压泵、软管等液压元件提供可靠的数据。 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 56 参考文献参考文献 1 唐毅林,何建勇,谢开泉.车厢可卸式垃圾车的市场现状及技术特点.装备制造技术.2007.3:12-13 2 谢为贤.环卫车辆装备技术现状分析与发展方向初探.专用汽车.2006.2:24-25 3 余俊.现代设计方法及应用.北京:中国标准出版社，2002.2:17-18 4 张铁山.车架设计中 CAD/CAE 技术及应用.机械设计与制造，2002.2:33-37 5 饶寿期.有限元法和边界元法基础.北京：北航出版社，1990:9-57 6 傅永华，有限元分析基础.武汉:武汉大

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159、l methods，AIAAJ.，Vol.18，oet.1980，1252-1260 垃圾车拉臂系统的仿真分析与结构优化设计 58 致谢致谢 首先感谢我的导师王金刚教授的悉心指导。从选题到结稿，王老师为我付出了许多心血。他的学识和品格将永远是我学习的楷模。 感谢周志革教授与刘茜副教授在过去的很长一段时间内所给予我的帮助。在两位教授悉心的指导下，帮助我与其他几位同学共同完成了几个校企合作项目。在那段时间内，我不仅学到了很多专业的知识，也积攒了一定的研发经验。同时也在他们身上学到了严谨治学，注重效率等优秀品质。再次衷心地感谢他们。 感谢在河北大学任教的李浩东师兄和同在河北大学任教的常云霞师姐， 感谢他们在结构优化设计与ADAMS 软件操作上对我的教导。 还要感谢我的同学好友们，尤其是刘越、李旭伟和陈志伟。在开发项目期间，感谢他们对我学业上与生活上的帮助。 最后还要感谢我的家人，感谢他们一直默默地在背后对我的支持与鼓励。