电脑凿岩台车钻臂动力学分析

论文摘要

电脑凿岩台车以其准确的定位钻孔功能,良好的操控性,较好的成洞质量等优点迅速的成为隧道施工的主要机械设备。钻臂作为台车的工作装置主要有定位,支撑二种功能。定位的速度、准确度和平稳度对隧道施工速度有较大影响。本文通过对钻臂进行运动学,动力学分析对钻臂的定位过程进行了讨论,对实现钻臂的快速、准确和平稳定位有一定意义。通过对钻臂的静力学分析和模态动力学分析,验证了钻臂具有足够的支撑能力,能够承受静载和周期性载荷的作用。本文的分析有助于钻臂的设计和优化。具体的工作如下：首先以某型号凿岩台车为模板建立钻臂的三维实体模型,为接下来的分析奠定基础。利用D-H方法和牛顿—欧拉方法建立起钻臂的运动学,动力学理论方程,通过对钻臂运动学正逆解、工作空间的分布状况、关节空间的轨迹规划、铰点力（矩）曲线等问题的讨论研究,有助于钻臂的智能控制和快速,准确定位。其次建立钻臂的虚拟样机,对钻臂进行了定位工况,凿岩工况的运动、动力学仿真。定位工况仿真得到的运动,动力学曲线与MATLAB计算运动学,动力学理论方程得到的结果一致,验证了理论方程和虚拟样机仿真的正确性。凿岩工况仿真得到钻臂在危险工况下的各铰点受力值,可以输出为各种载荷,为有限元分析提供信息。论文最后建立钻臂进行了有限元模型,对钻臂进行了静力学分析和模态分析。静力学分析验证校核了钻臂各零件在危险工况下的强度,直观的绘制出相关的应力分布云图,为钻臂进一步的结构优化提供条件。模态分析则得到大臂的固有频率和振形特点,为凿岩机频率等外部激励的选择提供必要条件；同时也可以为后续瞬态动力学,谐响应分析等结构动力学分析打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 电脑凿岩台车国内外研究发展状况
• 1.3 课题的研究目的和内容
• 第2章 凿岩台车钻臂运动学分析
• 2.1 概述
• 2.2 运动学基础
• 2.2.1 运动学概述
• 2.2.2 钻臂各零件位姿
• 2.2.3 钻臂各零件坐标间的齐次变换
• 2.3 钻臂结构和工作原理
• 2.3.1 钻臂主要结构
• 2.3.2 钻臂的工作原理
• 2.3.3 钻臂的三维模型
• 2.4 钻臂运动学方程的建立
• 2.4.1 D-H方法中相邻零件转换矩阵的建立
• 2.4.2 钻臂的运动方程
• 2.5 钻臂运动学正解
• 2.5.1 钻臂运动学正解逆解概述
• 2.5.2 钻臂工作空间的求解
• 2.6 钻臂运动学逆解
• 2.6.1 钻臂运动学逆解方法
• 2.6.2 钻臂运动学逆解的实例验证
• 2.7 钻臂关节空间轨迹规划
• 2.7.1 轨迹规划的意义
• 2.7.2 钻臂关节轨迹的插值方法
• 2.8 本章小结
• 第3章 凿岩台车钻臂动力学分析
• 3.1 钻臂动力学基础
• 3.2 钻臂动力学方程
• 3.2.1 牛顿—欧拉法
• 3.2.2 钻臂动力学计算
• 3.3 钻臂定位工况动力学实例
• 3.4 本章小节
• 第4章 基于ADAMS的钻臂运动＆动力学仿真
• 4.1 概述
• 4.2 钻臂的工况分析
• 4.3 虚拟样机模型建立和模型处理
• 4.4 钻臂定位工况仿真
• 4.4.1 定位工况运动学仿真
• 4.4.2 定位工况动力学仿真
• 4.5 凿岩危险工况动力学仿真
• 4.5.1 仿真设置
• 4.5.2 载荷信息
• 4.5.3 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 钻臂有限元分析
• 5.1 概述
• 5.2 有限元模型建立
• 5.2.1 模型的导入和材料属性
• 5.2.2 分网和载荷
• 5.3 钻臂静力分析
• 5.3.1 大臂静力分析
• 5.3.2 其余零件的静力分析
• 5.4 钻臂模态分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文