联合伐木机工作装置的虚拟设计与运动仿真研究

论文摘要

联合伐木机又名采伐联合机,是一种多功能、高自动化、高效率的林木采伐机械,在山地采伐作业,联合伐木机显示出无法比拟的先进性。由此,开发多功能的,通过性和适用性好,工作效率显著的联合伐木机必是今后国内林业机械行业重点研究与开发的方向,同时有着巨大的应用市场。针对目前我国人工林区的发展现状和前景,加快研制适合我国国情、林情的多功能自动化伐木机械,特别是联合伐木机有着无可厚非的必要性。工作装置是整个联合伐木机的技术核心,其设计合理与否,直接影响到整机性能和作业效率。本文通过对大量的国内外参考文献的分析整理,结合实机实地考察,运用机械理论和机械设计方法对联合伐木机工作装置(主要是机械臂部分)进行了理论分析,利用SolidWorks软件对联合伐木机进行虚拟设计,对工作装置部分作了运动仿真和有限元分析。不仅可以减少物理样机的试制、试验,而且使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动相对位置和干涉变得非常直观和易于修改,并且能够大大简化机构的设计开发过程,缩短开发周期,减少开发费用,提高产品设计质量。本篇论文依托“十一五”国家科技支撑计划资助项目(项目编号2006BAD11A15)“多功能林木采育作业关键技术装备研究与开发”课题,作为其中的一部分,主要研究内容为:在参考国外成熟的技术和实体样机的基础上,分析和研究联合伐木机工作装置(主要是机械臂部分)的工作方式和原理;利用计算机虚拟设计与仿真技术,实现联合伐木机在计算机平台下的虚拟设计、运动仿真分析;利用有限元理论结合有限元分析软件对工作装置(主要是机械臂部分)结构分析,并依据分析结果做出结构设计优化;综合如上研究内容,充分发挥CAE技术的优势,获得相应的实验参数,为以后全面详细的研究与开发及相近林业机械装备的研制提供设计技术参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和研究依据
• 1.1.1 工业用材人工林的发展现状
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2.1 国内外相关技术与设备的研究与推广现状
• 1.2.2 联合伐木机研制技术的发展趋势及必要性
• 1.3 研究内容方法及创新点
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 研究的预期成果
• 1.3.4 创新点
• 2 联合伐木机工作装置的机构研究
• 2.1 前言
• 2.2 机构学的发展现状
• 2.2.1 机构的基本概念
• 2.2.2 平面连杆机构
• 2.3 联合伐木机机械臂机构运动学分析
• 2.3.1 机械臂连杆的位姿描述
• 2.3.2 物体的变换与逆变换
• 2.4 机械臂运动学方程的建立
• 2.4.1 机械臂连杆的坐标系
• 2.4.2 广义变换矩阵
• 2.4.3 运动学方程的求解
• 2.4.4 机械臂动力学分析
• 2.4.5 ADAMS中机械臂动力学方程的求解
• 2.5 本章小结
• 3 联合伐木机工作装置的虚拟设计
• 3.1 计算机虚拟辅助工程技术（CAE）
• 3.1.1 使用三维建模设计软件的优点和必要性
• 3.1.2 常用的三维机械设计软件
• 3.1.3 SolidWorks软件简介
• 3.2 联合伐木机的三维虚拟建模方案
• 3.2.1 底盘总成建模
• 3.2.2 控制总成建模
• 3.2.3 工作装置总成建模
• 3.3 本章小结
• 4 联合伐木机机械臂运动仿真分析与研究
• 4.1 虚拟样机技术简介
• 4.1.1 虚拟运动仿真技术
• 4.1.2 COSMOS/Motion介绍
• 4.1.3 SolidWorks软件环境下使用COSMOS/Motion仿真分析步骤
• 4.2 联合伐木机机械臂运动仿真分析
• 4.2.1 机械臂各运动副的约束设置
• 4.2.2 机械臂各运动副基本参数的设置
• 4.2.3 运行仿真观察结果
• 4.2.4 录制动画
• 4.3 本章小结
• 5 联合伐木机机械臂结构有限元分析与研究
• 5.1 有限元方法简介
• 5.1.1 有限元分析方法简介
• 5.1.2 有限元求解问题的基本步骤
• 5.2 COSMOS/Works介绍
• 5.2.1 使用COSMOS/Works的优势
• 5.2.2 COSMOS/Works的主要分析功能
• 5.2.3 设计专题概念
• 5.3 联合伐木机机械臂机构的结构静力学分析
• 5.3.1 材料设定
• 5.3.2 负荷和约束设定
• 5.3.3 网格设定
• 5.3.4 运行分析
• 5.3.5 观察结果
• 5.3.6 大臂优化后分析结果
• 5.3.7 小臂的有限元分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢