液压挖掘机工作装置虚拟样机设计及其有限元分析

论文摘要

市场竞争的不断加剧使得产品开发速度日益成为最具挑战性的因素,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,导致产品严重老化、缺乏市场竞争力。虚拟样机技术的逐渐成熟为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。针对现有液压挖掘机设计评价手段存在的不足,将虚拟样机技术引入挖掘机设计开发领域。全文主要从以下几个方面进行研究:首先介绍了虚拟样机技术的基本理论框架,回顾了国内外在此方面的研究现状和发展趋势,论证了将虚拟样机技术应用于液压挖掘机设计的必要性。在研究液压挖掘机整机系统的基础上,借助于虚拟样机技术理论的指导,提出了挖掘机虚拟样机的实现策略,即根据抽象建模的需要将挖掘机划分为有机关联的单学科系统及模型,分别在不同的支撑软件上建模,再将各子系统模型集成为挖掘机虚拟样机。对系统仿真原理进行了研究,主要研究了机械的建模方法,分别利用相关学科理论和软件建立了挖掘机工作装置仿真模型。上述子系统模型分别在商品化动力学仿真软件ADAMS和三维造型软件Solidworks中实现。通过在ADAMS/View中对挖掘机虚拟样机工作装置工作范围的仿真分析,确定了挖掘机的整机工作范围,得到了液压挖掘机的一些特殊工作尺寸。根据对挖掘阻力的分析,对挖掘机铲斗挖掘时的受力状况进行仿真,得到了各铰接点处的受力情况,为零件的强度分析提供了基础。针对多年来人们在设计机械时把静强度作为主要准则,出现保守设计的情况,应用ANSYS软件建立了挖掘机工作装置在不同工况下的三维有限元模型,对工作装置进行了模态分析。最后在上述状态下得出了加筋板与不加筋板时工作装置的模态参数,并讨论了两种情况对工作装置振型与频率的影响,提高了工作装置的刚度,大大改善了工作装置的受力情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 本课题的研究目的和意义
• 1.3 虚拟样机技术及其研究及应用现状
• 1.3.1 虚拟样机技术的提出及相关概念
• 1.3.2 虚拟样机技术的特点
• 1.3.3 虚拟样机技术的研究现状及应用
• 1.4 虚拟样机技术与液压挖掘机开发
• 1.4.1 液压挖掘机发展现状
• 1.4.2 虚拟样机在液压挖掘机领域的应用
• 1.5 有限元概述
• 1.5.1 有限元常用术语
• 1.5.2 有限元分析具体过程
• 1.6 课题研究的主要内容
• 1.7 本章小节
• 第二章 液压挖掘机虚拟样机技术的实现策略
• 2.1 液压挖掘机概述
• 2.1.1 液压挖掘机
• 2.1.2 单斗反铲液压挖掘机
• 2.2 液压挖掘机系统组成
• 2.3 液压挖掘机虚拟样机的实现
• 2.3.1 CAD三维技术及软件介绍
• 2.3.2 仿真技术及相关支撑软件
• 2.4 多体动力学简介
• 2.5 ADAMS多刚体动力学理论
• 2.5.1 广义坐标的选择
• 2.5.2 动力学方程的建立
• 2.5.3 动力学分析
• 2.5.4 静力学分析
• 2.5.5 运动学分析
• 2.6 本章小节
• 第三章 液压挖掘机工作装置实体建模
• 3.1 SOLIDWORKS软件简介
• 3.2 工作装置实体建模过程
• 3.2.1 实体建模的基本操作
• 3.2.2 基于特征的实体建模
• 3.2.3 液压挖掘机零、部件的实体造型
• 3.2.4 液压挖掘机的装配
• 3.3 本章小结
• 第四章 挖掘机机械系统虚拟样机的建立
• 4.1 ADAMS软件简介
• 4.1.1 模块介绍
• 4.1.2 ADAMS建模、仿真的步骤
• 4.2 液压挖掘机仿真三维几何模型在ADAMS中导入
• 4.3 建立虚拟样机
• 4.3.1 建立虚拟样机的步骤
• 4.3.2 模型检验
• 4.4 样机工作装置运动学仿真分析
• 4.4.1 仿真分析概述
• 4.4.2 运动学仿真分析
• 4.4.3 动臂液压缸工作仿真
• 4.4.4 斗杆液压缸工作仿真
• 4.4.5 铲斗液压缸工作仿真
• 4.4.6 挖掘机整机作业范围仿真
• 4.5 挖掘过程中力的分析
• 4.5.1 挖掘阻力分析
• 4.5.2 施加单作用力和力矩
• 4.5.3 按剧本进行仿真分析和试验
• 4.5.4 仿真分析过程与结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 工作装置有限元分析
• 5.1 ANSYS简介
• 5.2 ANSYS中相关原理介绍
• 5.2.1 单元的有限元原理
• 5.2.2 求解器的选择
• 5.3 不同工况下姿态的选取与有限元模型建立的原则
• 5.3.1 不同工况下姿态的选取原则
• 5.3.2 有限元建模的原则
• 5.3.3 建模时的材料特性
• 5.4 典型工况时工作装置的模态分析
• 5.4.1 ANSYS模态分析的有关原理及实现过程
• 5.4.2 不同工况下有限元模态的分析及对工作装置的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 作者简介