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履帶式小型甘蔗收割機底盤和鋼架設計與分析- I. c1 ?. Q, W; ~! ^3 x) o
姓名:徐錫晨 / }2 N& y* a) z
履帶式小型甘蔗收割機底盤及鋼架的設計與分析 摘要 小型甘蔗收割機對加快我國西南各省甘蔗種植的機械化，減輕農 民在收割收割環節的開支，增強我國制糖業國際競爭力具有極其重要 的意義。本文基于國家自然科學基金資助項目“基于知識的甘蔗收獲 機械智能設計系統關鍵技術研究”的建造模型及其仿真的基礎部分， 主要運用虛擬設計及虛擬仿真技術，通過對虛擬甘蔗收割機模型進行 計算和設計，搭建虛擬實驗平臺，為將來的物理樣機建造提供指導性 建議。其中具體包括以下工作: (1)分析國內外甘蔗收割機研發和使用的現狀，根據我國西南地 區的地形、地貌，借鑒成功的設計經驗，總結國外機械在我國的“水 土不服”和國內機械在技術方面的不足，設計了適合我國丘陵地帶的 小型甘蔗收割機。應用虛擬設計技術，通過虛擬仿真以驗證設計方案 的正確與否，對物理樣機起到指導性作用。 (2)應用履帶式小型機械的設計方法，根據廣西甘蔗種植的實際 情況，設計和計算了履帶式底盤的主要參數。并根據計算得出的主要 參數，選擇了適合本機的履帶行走裝置。在此基礎上，計算了小型甘 蔗收割機的兩種不同布置方案的重心位置、傾翻角，并給出指導性建 議。 (3)在ADAMS模型中，使用宏命令完成了對象履帶中數量龐大 的碰撞力、約束等的添加。并在此基礎上，設定甘蔗收割機的實際運 行參數，對平穩地面， 20度斜坡和原地轉彎四種情況進行了仿真計 算，并對驅動輪扭矩、受力，支重輪受力，導向輪受力以及張緊彈簧 受力進行了測量，并給出指導性數據。 (4)利用ANSYS模型，進行靜力學仿真，通過現實情況下的整 機鋼架的受力分析，對鋼架的變形以及受力進行計算，并在基礎上選 擇整機鋼架的材料。 總之，本文結合甘蔗物理特性對甘蔗收獲機整機的運動學、動力 學仿真進行了較為深入的研究，并實驗驗證了部分仿真結果，得出了 對今后進行物理樣機研制和產品系列化開發有價值的結構、參數和分 析方法。 關鍵詞:履帶底盤;動力仿真分析: 履帶式小蠡已甘-}收毫-豐『U董盤A鋼萊的設爿.j盼析 §1.1課題的提出 第一章緒論 §1.1.1課題的來源‘1】 本課題來源于廣西科技廳攻關項目“虛擬樣機技術的甘蔗收獲機及其動力技 術研發”和國家自然科學基金項目(編號50365001)--“基于知識的甘蔗收 獲機械智能設計系統關鍵技術的研究”，該項目研究擬對甘蔗收獲機械整機及其 部件的運動、動靜力特性進行模擬仿真和動力方面的匹配。 §1.1.2課題研究的目地及意義剛3114】 甘蔗是我國南方地區的主要經濟作物之一，隨著人們生活水平的提高，糖的 需求量越來越大，與此同時，甘蔗種植面積也不斷增加。蔗糖生產是我國主要產 業之一，在2002年，全國甘蔗種植面積128.2萬hm2，其中，廣西作為我國甘蔗 的主要產區，蔗糖生產已成為廣西的支柱產業，甘蔗種植面積45~50萬hm2，占 全國甘蔗種植面積的42.9%，為全國甘蔗種植第一大省區。在2001~2002年榨 季，我國蔗糖產量達747萬噸，廣西年產糖量450萬噸左右，占全國總產糖量的 50%以上，相當于世界產糖大國古巴的產量。但是，廣西甘蔗種植機械化程度遠 遠落后于糖業發展的需要。廣西地處祖國的南疆，山多，丘陵多，其中甘蔗種植 地很大一部分是丘陵地帶。而丘陵地帶的一個主要特點就是沙石多，地勢起伏不 平，有坡度，交通也不便利，甘蔗種植也大多是小塊種植。同時，加入WTO后， 相對于澳大利亞、美國、巴西等機械化程度高、效率高、成本低的產糖國，我國 蔗糖業面臨著嚴峻的挑戰，由于我國甘蔗生產機械化程度較低，制約了良種良法、 深耕深松等先進農業技術的應用，勞動效率低、生產成本高，己成為我國蔗糖業 與國際競爭的障礙。 §1.2甘蔗收割機研發的歷史及現狀 §1.2.1國外甘蔗收割機研發的歷史及現狀Ⅲ6】【7】【8】 (1)國外甘蔗收獲機械的初級階段 履帶式小型甘蘑收材審U董盤反鋼架的蕾時卜與分析 國外的甘蔗收割機研究始于19世紀80年代。1888年，T.A.Silverwood提出 一種“實用的收割甘蔗工具”模型。1890年，JohnRowland設計并制造了世界 上第一臺甘蔗收割機，并為之申請了專利。該機器長27m，由蒸汽機驅動，割收 系統很特殊:由一個長割刀安裝在機器前部的擺臂上，擺臂擺動，帶動割刀完成 甘蔗的收獲動作。1894年，工程師JamesPeel制造了一臺收割機，其收割機構 由兩個直徑為1.Sin輪子驅動，收割器的典型特征是由兩片鋸齒轉盤構成。1901 年，SorenTaldt設計的由一匹馬拉動的收割機，利用齒條傳動，將割下的蔗稈輸 送到后面的拖車上，這種物料輸送動作為蔗稈的割后處理提供了一種原始功能模 型。同年，JamesEdwards申請的專利是一個大彈簧驅動的收割機，該機由一個 大五齒轉輪帶動彈簧，將動力傳給收割機前部的梳狀割刀。 (2)拖拉機的出現推動了甘蔗收獲技術的發展 低設備成本為主導思想，使收割機結構更加緊湊。由Bristane設計，KilnerPty 有限公司生產的收割機，其主體結構是水平置于地面的割刀和相應的支撐架。收 割時，前部導向桿將甘蔗向一側推倒，割刀將其割下，側置的推桿將蔗稈推成堆。 收割器安裝方便，可以隨時從拖拉機上卸下。但田間作業時，該收割機要求非常 整齊，在倒伏地中無法正常工作;另外甘蔗堆中會混有許多雜物，如土塊、石頭 等。與之相比，Fairymead型收割機盡管在外形上看上去有些雜亂，它卻有較好 地工作性能。它采用雙轉盤割刀，用齒鏈、鋼板進行蔗稈的導向傳輸。在1941~ 1986年間，Fairymead是較成功的整桿式收割機，其生產率是200~400噸/天。 (3)割后處理技術的研究 二十世紀50年代以后，人們更注重割后處理技術的研究。這時的主流收割 方式是整桿式收獲，同時在去稍除葉、輸送蔗稈方面有了很大的發展。1950年， W.Rasmussen設計的收割機引起了轟動。該機設有切除嫩梢的旋轉切刀，由水平 放置的木支架支撐。收獲時，切刀先將直立狀態的甘蔗頭部嫩梢切除，然后將甘 蔗割下并整齊地擺放在地面。該收獲機在一個收獲季節可以收割12000t。 二十世紀70年代，Massey Ferguson一甘蔗青稈收獲(Green Cane Harvester)的先驅，為蔗糖工業帶來了普遍接受的、多樣化的割后處理技術。 MasseyFerguson復活了30年代出現的切段式收獲技術，并將此技術變成現代收 割機具備的關鍵功能之一。KenGaunt從這一技術中得出結論:“收獲倒伏或纏繞 廣西大掣嘎●士掣啦崔.文 履帶式d嘎甘囊}坩潮胡_|l盤a鋼弈}的設科.jE鏟析 的蔗稈唯一辦法就是將蔗稈切成段，并將重的蔗段從雜葉中分離出來”。 (4)現代收割技術 二十世紀80~90年代，西方甘蔗收獲技術獲得了更大的發展。技術主流是 連續的切斷式收獲。可用于焚燒的(Burning CaneHarvester)或青稈甘蔗收獲。 隨著配備功率的增大，機械的工作效率得到了很大的提高。現在，~臺 Austofl7000或7700的生產率為2~3.5t/min，在提升機前端與末端設置兩臺風機 (功率都在25.74KW以上)，使得分離效果越來越好。 §1.2.2國內甘蔗收割機研發的歷史及現狀Ⅲo】【111 國內甘蔗收獲機的發展較為緩慢，基本上是從20世紀70年代才開始進行甘 蔗的自動化收獲。其中比較成熟的機型有以下幾種: (1)4GZ.35型側掛式甘蔗整桿收獲機 該機由廣東農機所研制，半懸掛于拖拉機的右側，外端支撐在一個側輪上。 配套動力為豐收.35或紅衛.40等中型輪式拖拉機。屬剝葉式整桿收獲機型，能 一次完成扶蔗、切割、喂送、剝葉、分離清理等工序。但該機適應性較差，只能 適應于1.2~1.4m行距、蔗莖彎曲倒伏不嚴重、田間雜草較少地旱地、面積較大 的蔗地，且機器靈活性不好。 (2)4GZ.12小型甘蔗收割機 該機由福建農學院與仙游縣農機廠研制，是一種新型的立式割臺整桿鋪放式 收割機，配用東風.12型手扶拖拉機的動力和底盤，采用輕型金屬履帶行走裝置。 由于專用底盤為全懸掛式，故操作靈活，轉彎半徑小，且配備了撥指鏈式扶倒器， 可收獲倒伏不太嚴重的甘蔗，對交叉倒伏、倒伏嚴重的甘蔗仍不能收獲，且功率 不足。 (3)隴農一號甘蔗收獲機 該機由云南農墾國營隴川農場研制，屬剝葉式整桿收獲機型，半懸掛于拖拉 機右側。可一次完成打頂、切割、剝葉、清凈、集堆等工序。但該機生產率偏低， 同時亦不能收獲嚴重倒伏的甘蔗。 (4)4GZ一100型甘蔗收獲機 該機由湛江農機所研制，亦屬于剝葉式整桿收獲機型。可與國內外多種輪式 拖拉機配套作業，完成切稍、扶倒、切割、剝葉、清凈、集堆等工序。同樣，該 廣薯r^眉¨蠹士學位論衰 疆靠・ 式小型甘囊}Ilt斟審U蕾■o反鋼架的設孛Iu稻礦析 機在蔗株縱橫交錯且倒伏較嚴重的情況下工作時存在漏扶、漏割現象嚴重。 由此可見，我國目前白行研制的甘蔗聯合收割機在蔗株大小均勻，倒伏不嚴 重的情況下，基本上能正常的工作。但在倒伏嚴重、雜草從生的惡劣條件下，則 不能正常工作。在我國南方以及東南亞大部份國家等甘蔗種植主要地區受臺風、 季風影響，甘蔗倒伏現象較為嚴重，甘蔗生長較為雜亂，以上機型的應用和推廣 有一定的限制性。 §1.3計算機仿真在制造業的應用與發展 §13.1系統仿真類型介紹 “仿真”一詞來自英語單詞“simulation＇’，有時候也譯作“模擬”，是模仿 真實世界的意思。 在工程技術領域，系統仿真是通過對系統模擬實驗，去研究一個存在或者設 計中的系統，表1.1所列是系統仿真的仿真類型、模型類型、計算類型和經濟性。 表1-1系統仿真分類表 仿真類型 模型類型 計算機類型 經濟性 物理仿真 物理模型 模擬計算機 費用很高 (模擬仿真) 半物理仿真 物理一數 混合計算機 費用中等 (混合仿真) 學模型 計算機仿真 數學模型 數字計算機 費用不高 (數字仿真) 由表1-1可見，計算機仿真已成為系統仿真的一個重要分支，系統仿真很大 程度上指的就是計算機仿真。計算機仿真技術的發展與控制工程、系統工程及計 算機工程的發展有著密切的聯系。一方面，控制工程、系統工程的發展，促進了 仿真技術的廣泛應用;另一方面，計算機的出現以及計算機技術的發展，又為仿 真技術的發展提供了強大的支撐。計算機仿真一直作為一種必不可少的工具，在 減少損失、節約經費開支、縮短開發周期、提高產品質量等方面發揮著重要的作 用。 f-冒r，叫煳士掣啦論文 履帶式小型咱.蘑收科事u蕾盤a鋼榮的設爿-J可分析 §13.2計算機仿真在制造業的應用和發展現狀【12】 制造業在國民經濟中一般都占有最大的比重，自70年代以來，全球性的市 場競爭日益激烈，產品消費結構不斷向多元化、個性化方向發展，產品的更新期 和交貨期都在縮短，一些自動化技術如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRPII 及CIMS都得到快速發展。系統仿真作為一種重要手段，通常可以滲透到它們當 中去，并幫助它們實現集成，從而促進了一些先進制造技術的發展。在50年代， 最引入注目的仿真領域是火炮控制和飛行控制系統;60年代，是火箭和導彈控 制系統;70年代是航天、核能和經濟管理系統;到80年代，最引人注目的仿真 領域就逐步轉向了制造系統，并且呈現出一種生機勃勃的局面。 從本質上講，仿真技術就是建立仿真模型和對模型實驗的一種技術。計算機 仿真過程的實現一般都可由計算機高級語言、仿真語言和仿真軟件來完成(如圖1 所示)。典型的仿真軟件有仿真環境、仿真語言和程序包3種形式，其功能覆蓋 是不完全相同的。從下到上，大體反映了仿真軟件的發展過程。到80年代中后 期，開始出現了一體化仿真環境。現在，面向制造系統的仿真出現了一體化支撐 軟件，實現了仿真建模、仿真運行、輸出分析的集成環境，仿真監控運用了并發 執行機制，在數據庫管理的基礎上實現了模型數據、實驗數據、仿真結果的統一 管理，人工智能技術也應用在仿真建模、仿真運行和仿真結果的分析中。此外， 廣義制造系統仿真器的出現，實現了對某類制造系統的非語言建模、模型數據驅 動等功能。這類典型的一體化仿真軟件有TESS，IBIS;廣義仿真器有 AUTOMODII，FATOR，GEMS，WITNESS等。 圖1-1典型仿真軟件的功能覆蓋 Figl-1.adaitinal simulationsoftware’sfuction 屬朔-式小型甘，}收制審U蕾j‘覆鋼架的尉∽h與分析 §133計算機仿真的研究熱點及對制造業的影響113】l“l 80年代以來，系統仿真不斷地朝著縱、橫方向發展，在制造業方面，一個 比較明顯的進展就是“虛擬制造”。根據虛擬制造的概念，整個產品的設計和制 造首先在計算機上進行，這樣可以發現并解決該產品在制造之前可能出現的各種 問題。 虛擬現實技術(vR--_VjmlalReal塒)亦稱虛擬環境技術、靈境技術，是一 種最有效地模仿人在自然環境中的視、聽、動等行為的高級人機交互技術。它是 在綜合計算機圖形學、計算機仿真技術、傳感技術等多門科學技術的基礎上發展 起來的。它有兩個基本特征，即“靈境感(Immersive)”和“交互感 (Interactive)”。通過這兩個基本特征，虛擬現實技術能描述事物內部及其相互 間真實的作用和交互，使用戶仿佛置身于一個虛擬的世界中，從而拉近了用戶與 環境之間的距離，改變了人機交流方式。利用VR技術的這些特性，可以對產品 的各個階段提供支持，例如在虛擬環境下設計產品及其生產流水線，測試和裝配 產品的零部件，客戶可以驗證產品是否符合要求等。【81 近年來，計算機仿真技術在制造業應用的另一個研究熱點--虛擬產品開發 也是引人注目的。虛擬產品開發(VP口-_ⅥrtualProductDevelopment)首先源于 并行工程(CE---Concu仃emEngineer)思想。這種思想將現代先進的組織形式跟 現代的哲學、文化混合為一體，是對產品設計及其相關過程(制造過程、使用過 程和支持過程)進行并行的、一體化設計的一種系統化工作模式。CE能在產品開 發一開始就考慮到投資、生產制造、裝配、銷售和維護以及報廢等產品的整個生 命周期的所有因素，這對解決產品設計與開發的矛盾是非常有益的。VPD就是 在CE方法論的指導下，把CAD、CS和大規模產品數據管理系統綜合起來，形 成一個虛擬產品開發環境，使產品開發人員能夠在這種環境下策劃產品、設計產 品、預測產品在真實環境下的性能、特征以及真實工況下所具有的響應，從而減 少反復和變更的次數，減少甚至取消制作物理原型樣機，如此就能很好地檢驗設 計、指導和優化設計，有效地縮短產品的開發周期和大量地節省開發費用。VPD 仿真技術是仿真技術發展的又~重要領域，它能深入到各種復雜產品的制造中， 能夠產生巨大的經濟效益。 現在，仿真技術的應用已經從單一的系統走向開放復雜的大系統。當仿真對 6 廣西大掣啊曩士孽啦鼬曙乞 J11.帶式4、懟憎.蔗收-垮書UE盤及鋼架的設糾■可分析 象分布于廣闊的時空領域，仿真任務要求將不同地理位置、不同類型(包括人在 內)的仿真對象構成一個統一整體進行仿真時，產生了分布交互化仿真 (DlS--Di嘶ctedInteractiveSimulation)。這種仿真系統里包含有不同類型的實 體一虛體、真實實體和構造實體，這些實體可以基于不同目的系統、不同年代的 技術、不同廠商的產品和不同產品組成，并允許它們交互操作。DIS實現用計算 機網絡將不同地點的仿真設備連接起來，通過實體間的數據交換構成時空到合成 仿真環境的一種先進仿真技術。在這種復雜的分布綜合的系統進行實時仿真時， 必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應的處理。美國是最早研究這種技術 并投入使用的國家，已經完成了多項基于虛擬仿真的DIS工程項目，相關的協 議與標準已經完成或正在完成。 在制造行業，已經產生了類似于DIS的虛擬研究開發中心或虛擬企業。香 港生產力促進局和香港城市大學共建的快速科技中心就是~個虛擬研究開發中 心。此外，為了適應快速變化的世界市場，克服單個企業難以在短期內具備所需 資源的局限性，出現了在一定時限內，為了某一市場機遇，通過網絡臨時聯結的 一種動態聯盟--虛擬企業。 §1.4本文主要研究內容 本文利用虛擬樣機技術實現的成功的軟件，例如三維建模軟件Pro/E，虛擬 仿真軟件ADAMS，并利用其接口Pro/Mechanical，實現了對適應廣西地形、地 貌的小型甘蔗收割機的虛擬設計和仿真，并對虛擬樣機技術，虛擬技術的實現手 段，虛擬樣機技術的發展前景，以及虛擬樣機技術的應用中遇到的一些問題，做 了詳細的介紹。通過該論文，對小型甘蔗收割機的底盤的虛擬設計，靜力學、動 力學方面的仿真，提出了一些設計理念，設計思想，并通過仿真發現了一些常規 設計無法預料到的問題。 7 廣西大掣u囑士尊啦論文 履帶式小型甘囊}收剖和Ut|la鋼架的設計與分析 第二章虛擬樣機技術的概念和實現手段 §2.1虛擬樣機技術概論 §2.1.1虛擬樣機技術產生背景【15l 隨著21世紀世界經濟和科學技術的飛速發展，全球性的市場競爭日益激烈。 產品消耗結構不斷向多元化、個性化方向發展。面對無法預測、持續發展的市場 需求，企業為了提高競爭力，必須盡快改變品種，更新設計，縮短新產品的研發 周期，提高產品的設計質量，降低產品的研發成本，進行創新性設計，這樣才能 對快速多變的市場需求做出敏捷響應，從而在市場競爭中獲得相當的市場份額和 利潤。虛擬樣機技術(VirtualPrototyping)就是在這種迫切需要的驅動下產生的。 虛擬樣機技術是一項跨學科、綜合性的技術，它的核心是機械系統運動學、 多體動力學和控制理論，再加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界 面技術，從系統的角度去思考問題，將分散的零部件設計和分析技術(如有限元 分析技術、CAD技術)整和在一起，為產品的開發與研制，提供了一條全新的 思路。 圍繞產品從概念設計到定型生產的整個研發周期，再從設計師、決策層、制 造商、銷售商到用戶群等全方位地觀察和研究產品，虛擬樣機技術顯示了其強大 的優勢和發展潛力。面向二十一世紀，虛擬樣機技術勢必成為將來產品研發的主 流，特別是對成本高、系統復雜、不可能制造多臺物理樣機行業的應用前景看好， 如大型工程機械、航空航天、深海采礦等。作為一種先進的設計方法，虛擬樣機 技術有助于企業作出前瞻性的決策，實現產品總體優化目標，進而贏得用戶和市 場。 新產品的研發涉及諸如機械運動學與動力學、人機工程學、美學等多個相關 的學科，而傳統的設計方法又無法使各學科理論的實現達到最優。一種新設備的 研發，按照傳統的設計模式通常要經過設計、樣機試制、工業性試驗、改進定型 和批量生產幾個步驟。由于這種基于物理樣機的設計研發模式的致命缺陷(成本 高、周期長)，往往使物理樣機的反復性試驗不夠充分，加上設計人員通常不愿 為修改局部而給整機帶來不可欲知的結果，這就使我國的機械產品造型、結構和 .It帶式d嚕0甘-鼻峭叫甘審U董|■瑚架的設計毒r分析 功能嚴重老化，從而在市場上缺乏競爭能力。這種基于樣機制造、試驗的設計方 法增加了新產品的研發周期和成本，產品結構越復雜，這種人力、物力、財務的 浪費越嚴重，從而嚴重地制約了產品質量的提高。虛擬樣機技術的出現和逐漸成 熟為解決這些問題提供了強有力的工具和手段。 §2.1.2虛擬樣機技術的定義 虛擬樣機技術的研究正處于探索中，目前在國內尚沒有一個統一的定義，現 將幾種比較有代表性的論述歸納如下:①虛擬樣機技術就是在建筑第一臺物理樣 機之前，設計師利用計算機技術建立機械系統的數字化模型，進行仿真分析并以 圖形方式顯示該系統在真實工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優設計方 案的技術;②虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際產品的特性，包括外 觀、空間關系以及運動學和動力學的特性。借助于這項技術，設計師可以在計算 機上建立機械系統的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實環境下系統的運 動和動力特性并根據仿真結構精簡和優化系統;③虛擬樣機技術利用虛擬環境在 可視化方面的優勢以及可交互式探索虛擬物體的功能，對產品進行幾何、功能、 制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎上，把虛擬技術與仿 真方法相結合，為產品的研發提供了一個全新的設計方法【14】。 虛擬樣機技術是一門綜合多學科的技術。該技術以機械系統運動學、動力學 和控制理論為核心，加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技 術，將分散的零部件設計和分析技術(如零部件的CAD和FEA有限元分析)集成 在一起，提供一個全新研發機械產品的設計方法。它通過設計中的反饋信息不斷 地指導設計，保證產品尋優開發過程順利進行。 同傳統的基于物理樣機的設計研發方法相比，虛擬樣機設計方法具有以下特 點: (1)全新的研發模式。傳統的研發方法從設計到生產是一個串行過程，這種 方法存在很多的弊端。而虛擬樣機技術真正地實現了系統角度的產品優化，它基 于并行工程(ConcurrentEngineering)，使產品的概念設計階段就可以迅速地分 析、比較多種設計方案，確定影響性能的敏感參數，并通過可視化技術設計產品、 預測產品在真實工況下的特征以及所具有的響應，直至獲得最優工作性能。 (2)更低的研發成本、更短的研發周期、更高的產品質量。采用虛擬樣機設 9 廣曩r大掣嘎■士孽啦裁演 履帶j0秈謄t甘-}收割書U董盤a鋼架的設{I.J峁尹析 計方法有助于擺脫對物理樣機的依賴。通過計算機技術建立產品的數字化模型 (即虛擬樣機)，可以完成無數次物理樣機無法進行的虛擬試驗(成本和時間條件 不允許)，從而無需制造及試驗物理樣機就可獲得最優方案，因此不但減少了物 理樣機的數量，而且縮短了研發周期、提高了產品質量。 (3)實現動態聯盟的重要手段。目前世界范圍內廣泛地接受了動態聯盟 (Virtual Company)的概念，即為了適應快速變化的全球市場，克服單個企業資 源的局限性，出現了在一定時間內，通過Interact(或Intranct)臨時締結成的一種 虛擬企業。為實現并行設計和制造，參盟企業之間產品信息的敏捷交流尤顯重要， 而虛擬樣機是一種數字化模型，通過網絡輸送產品信息，具有傳遞快速、反饋及 時的特點，進而使動態聯盟的活動具有高度的并行性。 §2.1.3虛擬樣機技術的應用情況嗍Ⅷ”1 虛擬樣機技術在一些較發達國家，如美國、德國、日本等己得到廣泛的應用， 應用領域從汽車制造業、工程機械、航空航天業、造船業、機械電子工業、國防 工業、通用機械到人機工程學、生物力學、醫學以及工程咨詢等很多方面。 美國航空航天局(NASA)的噴氣推進實驗室(JPL)成功地實現了火星探測 器探路者號在火星上的軟著陸，成為轟動一時的新聞。JPLI程師利用虛擬樣機 技術仿真研究宇宙飛船在不同階段(進入大氣層、減速和著陸)的工作過程。在探 測器發射以前，JPL的工程師們運用虛擬樣機技術預測到由于制動火箭與火星風 的相互作用，探測器很可能在著陸時滾翻。工程師們針對這個問題修改了技術方 案，將靈敏的科學儀器安全送抵火星表面，保證了火星登陸計劃的成功。 美國波音飛機公司的波音777飛機是世界上首架以無圖方式研發及制造的飛 機，其設計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術，這不但使研發周 期大大縮短、研發成本大大降低，而且確保了最終產品一次接裝成功。波音777 飛機的研制、整機設計、裝配、部件測試以及各種試飛，都是由計算機完成的。 它能將開發周期從原來的8年縮短到5年，節約了數百萬美元經費。 Caterpillar公司是世界上最大的拖拉機、裝載機和工程機械制造商之一，由 于制造一臺大型設備的物理樣機需要數月時間，并耗資數百萬美元，所以，為了 提高競爭力，必須大幅度削減產品的設計、制造成本。Caterpillar公司采用了虛 擬樣機技術，從根本上改進了設計和試驗步驟，實現了快速虛擬試驗多種設計方 10 廣冒，叫煳士尊呻t論文.曩帶式寸喀2甘蔗收毫葛和U苣童■氣鋼集的由竹巾與分析 案，從而使其產品成本低、性能卻更加優越。同樣，作為生產工程機械的著名廠 商JohnDeere公司，為了解決工程機械在高速行駛時的蛇行現象及在重載下的自 激振動問題，JohnDeere公司的工程師利用虛擬樣機技術，不僅找到了原因，而 且提出了改進方案，并且在虛擬樣機上得到了驗證。從而大大提高了產品的高速 行駛性能與重載作業性能。 在工程咨詢方面，可以利用虛擬樣機技術再現事故過程，以提供訴訟證據， 或幫助制造商分析售后賠償問題，或為用戶的產品設計預試驗。例如，一家公司 利用虛擬樣機技術進行車輛事故仿真，在法庭上用其仿真結果進行辯護。法庭根 據虛擬樣機技術所提供的證據，作出了客觀的判決。 國外虛擬樣機相關技術的軟件化過程已經完成，較有影響的有美國機械動力 公司(MechanicaIDynamiesInc.)的ADAMS，CADSI的DADS，德國航天局的 SIMPACK，其它的還有Working Model、Folw3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、 Pamcrash等等。而在國內，虛擬樣機技術的應用研究才剛剛開始，目前，只有一 些大學和科研院所在進行這一方面的工作。實旌這項技術的關鍵就是如何開發出 可信度高的數字化模型(即虛擬樣機)，如何等效簡化實際工況進行虛擬試驗并在 設計階段就能完全預測評價產品的各項性能。隨著研究工作的不斷深入和相關技 術的進一步發展，虛擬樣機技術將得到進一步的發展和應用。 §2.2虛擬樣機技術的實現 §2.2.1 Pro/E的應用及其特點 §2…211實體模型技術 2D繪圖軟件與3D繪圖軟件不同的地方在于，2D繪圖軟件無法建造逼真的 模型，因此使用2D繪圖軟件來繪制立體的模型就好比用手工的方法來塑造模型， 無法將模型以精確的參數化以符合產品的規格。在眾多3D軟件中，Pro/Engineer 產品開發環境之所以受到眾多廠商的喜愛，就在于它能夠支持同步工程。通過 Pro/Engineer及其相關軟件Pro/Designer、Pro/Mechanica，用戶可以同時綜合工業 設計、機械設計、功能仿真和加工制造等功能，縮短產品的開發的時間和流程。 相對于面模型或線框模型而言，實體模型不僅可以提供幾何拓撲信息，而且 可以包含模型的材料、質量、質心位置和轉動慣量等物理信息。實體模型的優勢 在于: 廣西夫尊嘎士掣啦詩丈 履帶式小型巾.蘑收割審ut盤A鋼架的設計與仿析 (1)實體模型可以通過投影變換轉換為二維圖形，稍做修改即可輸出為工程 圖紙。 (2)實體模型可以直接輸出到數控機床或快速成型系統。 (3)實體模型包含大量的物理信息，可以作為有限元分析和動力學分析的起 點。 (4)采用實體模型可直觀地模擬系統的運動，便于發現構件間的干涉。現在 的大型工程軟件如I-DEAS、Solidworks、Pro/E、UG等都帶有功能相當完備的 實體建模模塊，可以快速準確的完成復雜系統的實體建模。 在本課題的研究中，我們運用美國PTC公司的三維造型軟件進行收割機系 統零部件的建模和裝配，其理由在下一節進行闡述”91。 §2…2 12Pro/Engineer三維特征造型軟件簡介 ParametricTechnologyCrop公司(PTC)的Pro/Engineer以其參數化、基于特征、 全相關等概念聞名于CAD界a該軟件的應用領域主要是針對產品的三維實體模 型建立、三維實體零件的加工、以及設計產品的有限元分析m】。Pro/E系統開發 環境最突出的特點在于它支持并行工程，可以讓用戶同時在幾個技術領域處理同 一個產品模型。它有以下幾個特性: (1)相關性。它指所有的Pro/E的信息都使用一個單一的數據庫，不論是 2D圖形還是3D圖形，只要用戶修改某一尺寸，其相關的2D或3D實體模型均 自動修改，同時組合、制造等相關設計也會自動修改，這樣既可以保證數據的正 確性，還節省了反復修改的時間。 (2)3D實體模型。3D實體模型除了可以將用戶的設計思想真實的反映在計 算機之上外，還可以隨時計算出模型的質量、質心、面積、轉動慣量的大小，還 提供測量工具隨時測出如角度、距離等幾何參數。讓用戶減少了大量的計算時間。 (3)以特征作為設計的單位。該軟件以最自然的思考方式從事設計工作，它 將如孔、槽、圓角等作為零件的基本設計特征，可以隨時對零件進行調整、刪除、 重定義等修改。 (4)參數式設計。配合單一式數據庫，設計過程中的所有尺寸均存在數據庫 中，修改其中的一個尺寸，其他相關的尺寸就會自動修改，避免了漏改的錯誤 (5)裝配管理。Pro/E可以讓用戶使用貼和(Mate)、對齊、插入等直覺式命 履帶式廿埋甘蔗坩洲和UtjEa稍豢的蕾巴計皇r=擴析 令，達到對零部件的裝配目的。同時還可以在裝配件中對零件進行修改。 (6)數據轉換接口。由于各種CAD、CAE軟件由不同的公司生產，數據格 式不一，所以數據在不同的CAD、CAE軟件之中轉換是相當困難的事。Pro/E 提供了和流行的CAD、CAE軟件的接口，同時支持多種數據格式，如IGES、 STEP、Parosolid等。另外值得一提的是它提供一個和最流行的多體動力學仿真 分析軟件ADAMS的接口，使這兩個軟件達到了無縫連接。正是基于這一點， 我們才決定采用Pro/E作為三維實體建模的軟件。 (7)版本管理。該軟件建立的模型不同的版本都會保存下來。 (8)整個系統在2001版中已經完全漢化，使用起來沒有任何語言方面的困 難I”12”。 §2.2.2 ADAMS的應用及其特點【22】123】 虛擬樣機構建需要性能優越的軟件平臺的支持，小型甘蔗收獲機的設計涉及 到靜態結構設計和動態運動、動力設計，非常著名的虛擬樣機分析軟件--機械 系統動力學自動分析軟件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysis ofMechanical System)成了我們的首選。這就要求對小型甘蔗收獲機地形地貌的虛擬研究必須 是基于在ADAMS軟件平臺的。 ADAMS是美國Mechanical Dynamics，Inc.’S(MDI’S)公司生產的軟件，它為用 戶提供了強大的建模、仿真環境，使用戶能夠對各種機械系統進行建模、仿真和 分析。和其它CAD、CAE軟件相比，ADAMS 具有十分強大的運動學和動力學分析功能。 §23軟件鏈接的問題 虛擬樣機技術的核心是虛擬模型的建 模和仿真，到目前為止，沒有任何軟件將建 模和仿真這兩個功能都做的很完善。例如， UG，Pro/E，IDEs等三維建模軟件在建模方 面的功能強大，基本上可以滿足工業領域的 需要，但是在CAE和動力學仿真方面，其 功能不夠完善，只能進行初步的靜力學或動 善 二￡.) 【--。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。_一 【曼畫盎亟叵卜_| -A-DA-MS矗i麗-__ 中參數設定■卜__ A。D-A-M矗S i-而訂!!! 中進行仿真-二!-二_ 臺理● [二j壹互] 圖2-1建模步驟 Fi醇-1 the stepofcreming model 廣西，“蜘日I.e嘗位截”趕 屬帶式4、墨t甘-}坩d瞄審ut盤a期架的設剖.J可分析 力學仿真。在動力學仿真方面，美國MSC公司的ADAMS(automaticdynamic analysis ofmechanical systcrns)，美國集成系統公司的仿真集成平臺Plug&Sim， CADI公司的DADS等，功能都十分強大，但是這些軟件的三維建模功能都不能 滿足用戶對復雜機械系統的設計需求。 由于目前沒有一種軟件同時具有專業CAD建模和專業動力學仿真的雙重功 能，通常使用的CAD軟件和動力學仿真軟件是不同公司的產品，這就存在兩個 軟件傳遞數據過程中“有縫聯接”的處理問題。目前國內這方面研究的一種常見 組合是美國PTC公司的Pro/E和美國MSC公司的ADAMS組合。所以對于從事復雜 機械動力學仿真研究的ADAMS工程師而言，正確處理Pro/E和ADAMS的傳遞是 確保仿真效果的~項關鍵技術。對于Pro/E和ADAMS的傳遞，用MSC公司提供的 專用接口模塊Mechanism/Pro比較方便，而且在很多的方面都能實現轉換過程中 的模型數據轉換，其工作步驟如圖2-1所示。 雖然Pro/E和ADAMS在理論意義上是“無縫鏈接”，但它們是不同公司的產 品，兩者不同的圖形格式導致圖形轉換時一些圖形元素丟失，因此在建模和導入 的過程中需要注意一些事項: (1)單位問題 要實現從Pm倒頤利導入ADAMS，第一個注意的問題是把單位設定好，也就 是說在Pro/E的Part模塊中建模的時候，首先要設定零件的尺寸，保證所有零件的 尺寸相同，同時在Assembly模塊中設定的單位要和所有Part模塊中的單位相同。 方法是用Edit一一setIlp一--Unit----New，然后自己創建一個新的單位文件，一 般情況下建議設定為nlln，kg，Newton，sec，c，以便和ADAMS中的單位保持一 致。 (2)裝配模塊問題 在Pro/E的裝配模塊中盡量不要使用其他Assembly模塊作為子裝配。因為如 果這樣，在Mechanism/pro中生成剛體的時候，利用Automatic方法，那么子裝配 的整個機構被ADAMS系統視為一個零件，不能進行動力學仿真工作，當然也可 以使用手工定義剛體的方法，逐個選擇零件，這要根據系統的零件數量的多少而 確定是否使用子裝配。在定義剛體的時候，由于ADAMS的導入，模型的許多幾 何特征都會發生變化，例如圓變成了多面體，圓柱體的軸線丟失等問題，因此， J4 履帶式小越甘-}收翻事UE盤曩鋼集的設計與臂析 凡是能在Pro/E下面添加的約束盡量在Mechanism/Pro下添加。對于一些必須在 ADAMS下添加的約束，也要預先考慮，看是否需要在Mechanism/Pro環境下預先 設定參考點或者坐標系。例如，在ADAMS模型中需要采用Translational約束副， 那么就必須提前設定好兩個Marker點，以便用于對Translational約束副方向的定 義。 (3)模型保存問題 在Mechanism/Pro下將剛體、約束、Marker點和Force等創建完成以后，要把 模型保存為一個擴展名為.mpr的文件，方法是點擊Mechanism/Pro下的命令 File--Save，會出現一個DOS界面和一個對話框，輸入文件名，點擊確定即可。 目的是再次把創建好的模型輸入ADAMS中時，不需要再創建約束、Marker并ll Force。 (4)模型轉換問題{241 在Mechanism/Pro下定義好模型后導入ADAMS時，要設定模型的一些轉換格 式。 1)GeometryQuality 一般情況下，在硬件支持的前提下，GeometryQuality的設定值越高越好 設定范圍是3~10，設定為10效果最好。 |
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發表于 2009-5-3 09:24:46
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發表于 2009-5-24 23:09:00
