压缩式垃圾车结构建模及仿真研究毕业设计论文.doc

河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 河 北 工 业 大 学 毕业设计说明书(论文) 作 者： 学 号： 学 院： 机械工程学院 系( 专业 )： 车辆工程 题 目： 压缩式垃圾车结构建模与仿真研究 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 压缩式垃圾车结构建模与仿真研究 摘要： 后装压缩式垃圾车作为一种城市垃圾回收的主要专用车辆在人民的日常生活 中发挥着很重要的作用。它有集自动装填与压缩、密封运输和自卸为一体等优点, 是收集、运输城市生活垃圾的理想工具。 对后装压缩式垃圾车的进行运动学和动力学分析与研究，影响到整个机构的 运行效率、使用寿命和操作性能。目前虚拟样机技术的发展使我们有了先进的分 析方法去了解其整机性能。 本次设计内容:明确垃圾车的功能用途、技术要求及其特点，对该车连动挂 桶机构所实现的功能进行初步分析，并确定各零部件组成及相互的装配关系；运 用 pro/engineer 的建模功能构建其三维模型，对其中的主要承载零件进行 nastran 有限元受力分析，并对连动挂桶机构的工作运动状态进行 adams 运动仿真，获 得相应的仿真数据及曲线；获得其工作受力曲线，明确其工作范围。 关键词：pro/engineer nastran adams 有限元 动力学分析 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 title compression type compression refuse collector structure modeling and simulation research abstract after the truck loaded compressed type as a kind of urban garbage collection of main special vehicles in peoples daily life plays a very important role it has set to be automatic loading and compression seal transportation and dump as one and other advantages, is a collection of transportation of urban living garbage ideal tool. after the truck loaded compressed to type on the kinematics and dynamics analysis and research, affect the whole organization operation efficiency, service life and operating performance. at present the development of virtual prototype technology that we have advanced methods of analysis to understand the machine performance. the purpose of the graduation design is to definitude the function use the modeling extension of pro/engineer to build a three-dimensional model. use the nx nastran to get the finite element stress analysis of the important parts .use simulation function of adams to get the working state of the pro-cyclical hang barrel institutions and get simulation data and simulaition curve. use the force curve to make sure the working range. keywords： adams pro/engineer nastran finite element dynamic analysis 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 目 次 1 引言 .1 1.1 课题研究的意义 .1 1.2 压缩式垃圾车项目的国内外发展状况 .2 1.2.1 国内发展情况 .2 1.2.2 国外垃圾车生产企业及产品情况 .3 1.2.3 垃圾车行业发展展望 .4 1.3 本次毕业设计的主要工作 .4 2 后装垃圾车填装斗及连动挂桶机构三维实体建模、装配与运动仿真 .4 2.1 压缩式垃圾车结构简介 .5 2.2 填装斗及连动挂桶机构三维模型的建立 .6 2.3 装配体的建立 10 2.4 运动仿真分析 14 2.5 遇到的问题及解决方案 16 3 动力学仿真分析 16 3.1 msc.adams 软件介绍 17 3.2 adams 的理论依据 17 3.3 adams 设计流程 18 3.4 pro/engineer 与 adams 的数据传递 .20 3.5 adams 仿真操作过程 22 3.6 仿真结果及分析 28 3.7 对后装压缩式垃圾车工作中受力的改进 29 4 对后装压缩式垃圾车中的主要承载零件进行有限元受力分析 29 4.1 有限元软件 nastran 的介绍 29 4.2 工作装置的导入与有限元分析 30 4.2.1 工作装置的导入过程 30 4.2.2 有限元分析操作过程 30 4.3 结果分析 32 4.3.1 连动杆有限元分析结果 32 4.3.2 对摆杆的有限元分析 33 结论 .37 参考文献 .38 致谢 .39 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 1 1 引言 围绕后装压缩推卸式垃圾车的设计和仿真研究展开,从垃圾车的推卸装置、 压缩装置和装载箱掀起装置着手，通过 pro/engineer 和 adams 对机构进行具 体分析，进一步探索了垃圾车的工作性能 1。滑动刮板式机构和摆动刮板式机 构的综合性能较其他机构为好，这也是国外垃圾车采用这两种机构最多的原因， 建议优先选用 2。故此本文针对刮板滑板式后装压缩垃圾车进行实体建模和仿 真研究。 11 课题研究的意义 近几十年来我国经济的快速发展是中国人有目共睹的，随之而来的是我们 的居民生活水平的提高和城市化的突飞猛进，不可否认，经济的繁荣和城市的 建设让更多中国人受益，但城市问题的急剧增加也使我们的城市不堪负荷，官 员穷于应付，深为民众诟病。 城市问题最突出的有：交通拥堵，环境恶化，地价飞涨，就业、医疗、教 育等困难等。而又以环境恶化对我们的生活影响最为深远，不仅影响我们的生 活，通过水源、空气、土壤等媒介，也会给后世子孙带来毁灭性的影响。城市 的生活垃圾，则是这些污染的一个重要的源头，因此在这里主要讨论城市的垃 圾问题。 近几年， “垃圾围城”这个词频频出现在中外媒体的头版上，听起来似乎有 些危言耸听。不过越来愈多城市生活垃圾带来的问题使我们不得不重视起来。 我国的垃圾处理有 85%以填埋方式处理，其中许多垃圾未经许可就倾倒在 了农村。这些垃圾大多只覆盖了一层薄薄的塑料纸。雨水使重金属和细菌渗到 地下水和土壤中。腐烂的垃圾释放出甲烷和二氧化碳。城市垃圾的二次污染， 导致城乡结合带区域生态环境恶化 3。垃圾车主要用于市政环卫及大型厂矿运 输各种垃圾，尤其适用于运输小区生活垃圾，并可将装入的垃圾压缩、压碎， 使其密度增大，体积缩小，大大地提高了垃圾收集和运输的效率。压缩式垃圾 车具有高效收集、转运垃圾的特点，在垃圾收集、转运过程中可避免沿途撒漏 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 2 而造成的二次污染，是城市环卫工作的理想设备 4。然而我国对于后装压缩式 垃圾车的核心部件 装填机构的研究较少，产品设计主要是采用经验取值或测绘的方法，在很大程 度上限制了产品整体设计水平的提高 5。 1.2 压缩式垃圾车项目的国内外发展状况 20 世纪 80 年代末以来，为适应市场变化，国外各大型专用汽车生产企业 纷纷开发省时、省力、能防止二次污染的、高效的垃圾车。主要车型有:敞开式 垃圾车、加盖式垃圾车、集装箱式垃圾车、侧装式垃圾车、后装式垃圾车、活 动底板式垃圾车、液压推顶式垃圾车和拉臂式垃圾车。目前我国城市生活垃圾 的收集、中转、运输均以车辆为主，只有极少部分城市采用铁路运输与水路运 输。国内现阶段主要使用的垃圾运输车，按装载垃圾的方式区分，主要有摆臂 式、侧装式、自卸式及后装压缩式垃圾车等；按载重量区分有轻型、中型和重 型垃圾车等。由于国家法规的制约，敞开式、加盖式垃圾车不能免除购置附加 费，使用成本高，密封性能差;集装箱式车装载利用率低，存在滴漏污染、垃圾 不可压缩的缺陷，已逐渐减少使用 6。 1.2.1 国内发展情况 随着我国城市现代化建设和乡镇城市化进程明显加快，城市生活垃圾日益 增多，环境保护意识的增强催生了国家和地方的环保政策不断出台，促进了垃 圾收集处理技术和垃圾车市场的快速发展。国内一些大中城市逐渐淘汰了落后 的自卸式垃圾车，更倾向于采购能够在垃圾周转过程中克服二次污染且运输效 率明显提升的压缩式垃圾车和车厢可卸式垃圾车。 从我国历年的垃圾车市场销量来看，我国垃圾车的产销量逐年增加，发展 势头较为稳定，市场规模从 2005 年的 4027 辆增长到 2007 年的 5305 辆，2008 年继续保持小幅增长，达到 5600 辆。从长远发展来看，垃圾车是城市环卫工作 的重要装备，有着广阔的发展前景。 从车型上来看，压缩式垃圾车是市场发展的主导产品，市场份额占据半壁 江山，而且有逐渐走强的趋势。车厢可卸式垃圾车也获得了快速发展，市场占 有率在两年的时间里提高一倍，由 2005 年的 8.29%上升到 2007 年的 16.97%， 发展势头强劲。其他车型的市场份额呈现出在振荡中走低的趋势。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 3 我国垃圾车生产企业众多，造成主流生产企业的年产销规模均不大，基本 长期维持在几百辆的水平上，而且差距不明显，不利于推动垃圾车技术的换代 升级。2007 年，垃圾车行业产销突破 500 辆水平的企业仅有青海新路一家，生 产占有率达到 11.52%。产销规模在 300500 辆水平的企业有航天双龙、烟台 海德和航天晨光，产量分别为 347 辆、346 辆和 314 辆。前四家企业产量所占 比例之和仅为 30.5%。08 年垃圾车生产企业新产品的拥有量从一定程度上反映 了垃圾车生产企业众多，且规模大小不一，新产品数量参差不齐。2008 年，湖 北程力、浙江宝成、航天晨光、武汉九通四家垃圾车生产企业新产品数量均超 过 10 种，拥有新产品份额在 3%5%左右。 1.2.2 国外垃圾车生产企业及产品情况 美国史堪顿制造公司 美国史堪顿制造公司创建于 1972 年，经过 30 多年的发展，目前已经拥有 近十个产品三十多种型号，包括后装压缩车、侧装压缩车、前装压缩车、全自 动侧装压缩车和全自动分类收集车等等，是同行业中产品品种最全的生产企业 之一。同时，拥有 new way 垃圾车生产线的史堪顿制造公司还是世界各地的 垃圾运输和处理设备的重要供应厂家之一，是全世界垃圾运输设备的最大企业 之一。 美国史堪顿制造公司的产品现已销往世界各地，五大洲都有 new way 垃 圾车，包括美国、加拿大、墨西哥、中国、菲律宾、泰国以及中国台湾、南美 洲、拉丁美洲、欧洲等国家和地区。1999 年，美国史堪顿制造公司在中国建立 了第一家合资企业青海新路环卫设备制造有限公司。2003 年，又建立了第 二家合资企业四川新路环卫设备制造有限公司。 德国 haller 公司 德国哈勒公司始创于 1871 年，在德国柏林设有生产厂和研发中心。新的 haller 集团在英国、法国、荷兰、葡萄牙、西班牙和中国都有分装厂和代理商。 德国哈勒公司的产品因其技术含量高、功能齐全、质量可靠，在欧美发达国家 享有极高的声誉，并获得欧盟产品免检证书，是联合国环境卫生组织重点推荐 使用产品。德国哈勒公司在中国投资建立了唯一的控股子公司济南哈勒汽 车制造有限公司。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 4 德国 faun 公司 德国法恩公司始创于 1845 年，1908 年开始生产垃圾收集车和道路清扫车。 目前，已经发展成为欧洲排名第一的德国环卫车辆制造企业，其生产的各种型 号的压缩式垃圾收集运输车、道路清扫车等产品技术先进，性能可靠，在欧洲 和全世界占有相当的市场份额，被广为使用，在世界上享有很高的声誉 7。 后装压缩式垃圾车因其压缩容量大、密封性好、装料方便、自动化程度高 等优点而日益成为环卫垃圾收集运输的主要车种。通过多年研究并结合后装压 缩车设计发现:如在结构减重、载荷分布、卸料机构、压缩机构、液压控制方式 及密封等方面设计不当将直接影响车辆的装载量、密封性、稳定性、作业可靠 性及行驶安全性 8。 1.2.3 垃圾车行业发展展望 随着我国经济的快速发展，国家对环保工作越来越重视，垃圾的收集与运 输也提到日程上来。我们可以预见，我国未来强大的垃圾车市场潜力。目前， 我国的垃圾车生产企业，通过引进消化吸收日本、美国、欧洲等国外先进技术 形成了自主开发能力，已经逐步赶上国外先进水平。但我国仍处于发展中国家 阶段，农村人口占有较大比率，城乡之间的卫生差异较大，要使乡村达到现有 城市水平，仍需各方努力 7。 1.3 本次毕业设计的主要工作 本次毕设偏重于建模仿真性质，运用 pro/engineer 软件建立后装压缩式垃 圾车的零部件模型，用虚拟装配技术进行装配。然后导入 adams，利用 adams 软件建立后装压缩式垃圾车虚拟样机模型，对其工作装置工作性能进 行仿真分析，主要工作有：1 明确垃圾车的功能用途、技术要求及其特点，对 该车连动挂桶机构所实现的功能进行初步分析，并确定各零部件组成及相互的 装配关系；2 逐一进行连动挂桶机构的零部件实体建模，并进行部件及整体总 成装配；3 对其中的主要承载零件进行有限元受力分析，并对连动挂桶机构的 工作运动状态进行运动仿真，获得相应的仿真数据及曲线。 2 后装压缩式垃圾车工作部分三维实体建模、装配与运动仿真 pro/engineer 是 三维产品设计的行业标准。作为业界领先的生产效率工具， 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 5 它促进用户采用最佳设计做法，同时确保遵守业界和公司的标准。集成的参数 化 3d cad/cam/cae 解决方案可让您的设计速度比以前都要快，同时最大限 度地增强创新力度并提高质量，最终创造出不同凡响的产品。而且在学习中发 现，此软件的学习资料丰富，操作简单，功能强大。在本次毕设中，我们决定 采用 pro/engineer 进行建模和装配。 2.1 压缩式垃圾车结构简介 通过阅读文献资料，我们可以得知：后装压缩式垃圾车的设计是设计人员 按照客户的订单需求，将整车分为车厢、装填机构、压缩装置等分别进行设计， 最终实现整车装配 9。 下面就对它的主要部件设计展开说明： 车厢的结构型式大多数都采用骨架式结构。它的纵截面为直角梯形。车 厢后部斜角由垃圾的安息角和有利于垃圾压缩机构以一定的角度将垃圾送入车 厢这两方面的因素决定, 一般取 75左右。车厢的横截面有矩形和鼓形两种。 从受力角度分析, 鼓形截面不仅能承受较大的垃圾横向膨胀力, 而且由于形成顶 面及左、右侧面三个纵向柱面, 使车厢的纵向刚度和扭转刚度得到了加强, 是较 为合理的截面形状。 由于车厢内的垃圾经过装料过程的压缩, 受到很大的挤压, 垃圾的膨胀力 作用在车厢四壁, 形成阻碍垃圾移动的摩擦。因此, 其卸料方式不能采用车厢倾 斜式自行卸出, 而必须采用强制的推卸方式。推板的结构型式主要有折面型和 曲面型两种。由于本次可设主要进行装货箱及拉锁机构的仿真分析，故不在此 赘述。 压缩机构。垃圾压缩机构的结构型式有多种, 我们采用的是滑板刮板式 压缩机构。滑板刮板式压缩机构由滑板、刮板和油缸等组成。滑板可沿尾箱两 侧壁上的导轨作斜向运动, 而刮板与滑板铰接工作时, 刮板绕铰接点转动。滑板 的移动和刮板的转动分别由两组油缸来实现。在工作时, 已倒入尾箱的垃圾通 过压缩机构的扫刮、压实被压入车厢, 当压向卸料推板的垃圾负荷达到一定压 力时, 卸料推板自动向车厢前部移动, 达到将垃圾均匀压缩的目的。滑板刮板式 的工作原理是: 垃圾倒入尾箱后, 刮板首先反转, 接着滑板下移 , 刮板初步压碎、 压扁垃圾。刮板接着正转扫,刮垃圾, 将垃圾扫入车厢口。滑板随即上移, 刮板 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 6 将垃圾压入车厢, 完成垃圾压缩过程。 图 2-1 滑板刮板式压缩机构工作示意图 连动挂桶机构。负责配合滑板运动将垃圾箱吊起，使其导入填装斗中。 具体工作原理:连杆组件绕连杆支座作圆周运动，摆杆总成绕其支点作圆周运动， 挂件焊装在重力作用下，绕固定点运动，实现倾倒垃圾，完成体安装的功能 10。 后装压缩式垃圾车挂桶举升装车装置由于能自动提升垃圾桶，并将垃圾倾倒入 垃圾车填装器内，大大减轻了环卫工人的劳动强度，加快了装载速度，因此在 越来越多的后装压缩式垃圾车上得到了使用 11。 2.2 填装斗及连动挂桶机构三维模型的建立 本次毕设使用 pro/engineer 进行三维图绘制，pro/engineer 操作软件是美国 参数技术公司（ptc)旗下的 cad/cam/cae 一体化的三维软件。 pro/engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域 中占有着重要地位，pro/engineer 作为当今世界机械 cad/cae/cam 领域的新 标准而得到业界的认可和推广 12。 本课题研究后装压缩式垃圾车实体建模主要分为四个部分：填装斗总成、 滑板、刮板、连动挂桶机构（摆杆总成、横轴焊装、挂架焊装、连杆组件、连 杆支座、连动杆） 。本课题把填装斗总成与连杆支座等附属设备简化为填装斗总 成。本次毕设课题零件图较多，但是每个零件的几何外形均比较简单，故此以 锁轴的画法为例进行简介。 具体步骤如下: 首先打开 pro/engineer 4.0 软件，进入下图所示界面，切记不要选择缺省 模板，因为 pro/engineer 默认的尺寸是英寸，这里采用毫米。编辑好文件名， 单击确认按钮。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 7 图 2-2 文件新建对话框 图 2-3 选取模板界面 单击确认，下面是三维软件界面 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 8 图 2-4 pro/engineer 4.0 界面 单击草绘按钮 ，选择基准面，进入草绘界面，利用右侧的工具完成 草图的绘制，仔细检查，没有问题后按对勾退出草绘界面。 图 2-5 草绘界面及草图绘制 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 9 单击旋转操作按钮 ，将绘制的二维图旋转成三维图，左下角是设置 界面，可以设置旋转的角度及方向，设置完后可按右下角对勾完成本次操作。 图 2-6 旋转操作环节 其他用的比较多的操作还有拉伸、切除等，限于篇幅，不一一叙述。 注意：pro/engineer 每次单击保存都会出现一个新版本，若最后只想要一个 文件则要进行清除进程操作，高版本不能直接保存成低版本，必须保存成通用 格式如 iges、x_t 等。 下面是部分零件的零件图 图 2-7 侧板 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 10 图 2-8 连动板 2.3 装配体的建立 绘制完零件图开始进行装配，以连杆支座的装配为例，进行简略介绍。装 配过程如下： 打开 pro/engineer 4.0，进入如下界面，选择组件，编辑装配体文件名， 单击确认进入装配界面，单击常用工具按钮选择需要进行装配的零件。 图 2-9 新建装配对话框 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 11 单击增添零件按钮 ，添加新零件。选择完第一个零件后，要选择缺省 位置，使其默认坐标原点与界面中坐标重合。完成后单击对勾完成操作，然后 继续选择添加零件。 添加完零件后，按照二维装配图添加约束，经使用 pro/engineer 的智能 装配操作能很好满足装配要求，操作简单，效率快捷。操作完后单击对勾确认， 并进行下一零件的装配。 图 2-10 添加零件及约束界面 装配好后的组装图见下 图 2-11 连杆支座装配体 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 12 注意：零件之间的装配，不只有实体装配还有运动装配，本次毕设涉及到 运动分析故此添加销钉等运动方式。零件的装配过程，实际上就是一个约束限 位的过程，根据不同的零件模型及设计需要，选择合适的装配约束类型，从而 完成零件模型的定位。一般要完成一个零件的完全定位，可能需要同时满足几 种约束条件。pro/engineer wildfire 提供了十几种约束类型，供用户选用。要选 择装配约束类型，只需在元件放置操控板的约束类型栏中，单击按钮 ，在弹出 的下拉列表中选择相应的约束选项即可。 下面是一些装配组件 图 2-12 挂架焊装装配体 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 13 图 2-13 滑板装配体 图 2-14 摆杆装配体 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 14 图 2-15 总装配体 2.4 运动仿真分析 如果单纯的研究机构的运动，而不涉及质量，重力等参数，只需要使用“机 械设计”分析功能即可，即进行运动分析，如果还需要更进一步分析机构受重力， 外界输入的力和力矩，阻尼等等的影响，则必须使用“机械设计” 来进行静态分 析，动态分析等等。本次毕设机械动态部分用 adams 进行分析，pro/engineer 只涉及运动仿真部分。设计者可以模拟机构运动仿真，观察设计是否可行。仿 真分析是生产制造前的重要操作环节。 下面是运动仿真的操作步骤： 进入运动仿真环境，打开装配好的组件，然后在菜单中选择“应用程序” “机构”选项，即可进入该模块环境设计。相应地要退出运动仿真环境，选 择“标准”选项即可。 运动机构仿真绘制的流程： 第一步：创建连接方式，在装配环境中，选择连接类型创建机构连接，是 运动仿真设置的重要环节，该操作直接影响运动仿真的设置效果。连接类型在 装配时已经定义完全，在此不赘述。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 15 第二步：建立伺服电动机，单击运动仿真界面中“定义伺服电动机”按钮 或者选择菜单栏中的“插入”“伺服电动机”选项，系统弹出“伺服电动 机定义”对话框，可以编辑电动机名称及运行速度等参数。伺服电动机引起在 两个主题之间、单个自由度内的特定类型的运动，速度或加速度制定为时间的 函数，并可控制平移或者旋转运动，通过制定伺服电动机函数，可以定义运动 的轮廓。 第三步：进行运动分析，完成运动模型和运动环境设置后，可以对结构进 行各种分析，包括设置起始时间和终止时间等，以满足不同的设计需求，并且 会放分析结果。要进行运动分析，或直接单击“运动仿真界面”中的“定义分 析”按钮 或者选择菜单 “分析”“结构分析 ”选项。设置完后的界面如 下图所示。 图 2-16 运动仿真设置界面 结论：通过机构运动分析可以得知： 理想的液压缸运行速度，方便我们对其进行设计修改，以便提高工作部 分工作的稳定性。使两组液压缸运行速度协调一致。 机构在运行过程中是否会发生运动干涉，我们也可以得知运动的轨迹。 pro/engineer 也能进行动力学的分析，但是由于可供学习的资料比较少， 而且不如 adams 等软件专业，故此我们利用 pro/engineer 只对其进行动力学 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 16 分析。 2.5 遇到的问题及解决方案 在毕设的过程中难免会遇到很多问题，在此感谢老师门的热心帮助，现将 主要问题及其解决方案描述如下： 对后装压缩式垃圾车的整体工作原理认识不深，经过咨询老师、与同学 讨论和查阅资料，对各部分的具体连接方式和工作方式有了更深的了解。同时 也加深了对课题的认识（结构在上面已有描述，在此不赘述） 。 对 pro/engineer 软件的使用不熟悉。例如：在绘制焊装零件时有两个思 路一是先画零件图再装配起来，但是 pro/engineer 里没有布尔运算，但可以画 焊接操作，使其连为一体。第二是将他们画在一个零件图里，即直接化为一体。 由于焊装零件教复杂，争取老师意见后，选定第一中进行尝试。另外装配文件 的路径设置很麻烦，若分文件夹放置文件，则下一次打开装配文件时文件丢失， 最后选定将其放置在一个文件夹下，缺点是文件太多，查看比较困难。 进行装配时，忽略了以后连杆之间的相互运动关系，导致部件由于轴线 无法重合，导致无法装配。解决方案，在装配时就将连接方式设置成机构连接， 如销钉连接、滑动连接等。这样可以使部件由于位置不匹配而不能装配的情况 得到解决。 机构仿真过程中，总是出现干涉情况而导致仿真无法进行。解决方案： 仔细检查部件连接方式，查看是否有干涉，若是左右对称连接副，则要注意其 运动轴线是否重合。 3 动力学仿真分析 虚拟样机技术是一项新生的工程技术。借助于这项技术，工程师们可以在 计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系 统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的设计与过程。虚拟样 机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样 机软件实现的。比较有影响的有美国 msc 公司的 adams，比利时 lms 供词 的 dans 一级德国航天局的 simpack。其中美国 msc 公司的 adams 占据 了一半以上的市场份额。由于机械系统仿真提供的分析技术能够满足真实系统 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 17 的丙型设计要求，通过建立机械的模型样机，使得在物理样机建造前便可分析 出他们的工作性能，因而日益受到机械领域的重视。 3.1 mcs.adams软件简介 adams 是英文 automatic dynamic analysis of mechanical systems 的缩写， 是由美国 mdi 公司（mechanical dynamics inc.）开发的机械系统动力学自动分 析软件。 adams 软件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郎日 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 13。 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。 3.2 adams的理论基础 adams 采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法， 建立系统的动力学方程。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直 角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为广义坐标，即 ， ,用带乘子,ti iqxyz12,ttnqq., 的拉格朗日方程处理具有多余坐标的完整约束系统和非完整约束系统，导出以 笛卡儿广义坐标为变量的运动学方程。adams 的计算程序采用吉尔(gear)刚性 积分算法以及稀疏矩阵技术，大大提高了计算效率 16,17,18 。 系统运动方程如下: tttqqtd qq 完整约束方程 （3-1）,0 非完整约束方程 ,qt 其中，t 为系统的动能;q 为系统广义坐标列阵;q 为广义力列阵;p 为对应 于完整约束的拉氏乘子列阵; 为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 18 动力学方程求解如下: 把（3-1）式写成一般的形式: ,0fqut （3-,gq 2） ,0qt 其中，q 为广义坐标列阵; ，u 为广义速度列阵; 为约束反力及作用力 列阵;f 为系统动力学微分方程及用户定义的微分方程(如用于控制的微分方程、 非完整约束方程); 为描述约束的代数方程列阵。如定义系统的状态矢量 ，式（ 3-2）可写成单一矩阵方程:,ttyqu （3-(,)0gyt 3） 在进行动力学分析时，adams 采用两种算法: （1）提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序:gstfif 积分器、 dstfif 积分器和 bdf 积分器来求解稀疏藕合的非线性微分代数方程，这种方法 适于模拟刚性系统; （2）提供 abam 积分求解程序，采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分 方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。 3.3 adams的设计流程 adams 包含以下几个设计流程： （1）创建（build）模型 在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的物体（part） ，他们是具有 质量、转动惯量等物理特性。创建物体（part）的方法有两种：一种是使用 adams/view 中的零件库创建简单的物体（part） ，另一种是使用 adams/exchange 模块从其他设计软件（如： ug、pro/engineer 等）输入形状 复杂的物体（part） 。本课题中仿真用的自卸汽车三维模型便是用 ug 软件绘制。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 19 创建完物体（part）后，需要使用 adams/view 中的约束库创建两个物体 之间的约束副（constraint）,这些约束副（constraint）确定物体之间的连接情况 以及物体之间是如何相对运动的。 最后，通过施加力（force）和力矩（torque）,以使模型按照设计要求进行 运动仿真。 （2）测试（test）和验证(validate) 模型 创建完模型后，或者在创建模型的过程中，都可以对模型进行运动仿真， 通过测试整个模型或模型的一部分，以验证模型的正确性。 （3）细化（refine）模型和迭代（iterate） 通过初步地仿真分析，确定了模型的基本运动后，就可以在模型中增加更 复杂的因素，以细化模型。 （4）优化（optimize）设计 adams/view 可以自动进行多次仿真，每次仿真改变模型的一个或多个设 计变量（design variable）帮助找到机械系统设计的最优方案。 （5）定制界面（automate） 为了使 adams/view 符合设计环境，可以定制 adams/view 的界面，将 经常需要改动的设计参数定制成菜单和便捷的对话窗，还可以使用宏命令执行 复杂和重复的工作，提高工作速度 14。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 20 图 3-1 adams 建模仿真的流程图 图中即是采用 view 仿真后的设计优化流程图，限于所学知识有限，不进行 结构上的优化，只验证其可行性问题。 3.4 pro/engineer与 adams的数据传递 由于 adams 自身的建模功能不强大，对于复杂的模型一般要借助与其他 cad 软件建模然后导入到 adams 中进行分析。 pro/engineer 是一种应用较为 广泛的 cad 软件。pro/engineer 与 adams 的连接需要应用专门的接口程序 mech/pro。但是他针对高版本的软件不兼容。经试验装换成 x_t 格式也能完整的 把模型导入到 adams 中。最后采用第二种方法，操作过程见下： 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 21 在 pro/engineer 里将装配体保存副本，保存格式为“.x_t ”。如图注意保存 的路径不能有中文名称。打开 adams /view，设置文件名称，单位等参数， 新建一个新的模型，单击确认。 图 3-2 adams 新建文件对话框 单击 file 下面的 import 选项，添加在第一步中保存的副本文件。 图 3-3 导入文件操作流程 在文件类型选项中选择.x_t 格式，路径加载保存文件的路径，同时编辑一 个新文件名。完成后单击 ok,不要先选择 apply，再选择 ok，那样就加载了两 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 22 次，软件会报错。 图 3-4 设置加载文件路径 图 3-5 导入 adams 后的模型 3.5 adams仿真操作过程 adams 提供的工具很丰富，从实体建模到仿真都很全面。对于主工具箱 中不包含的命令，可以在命令菜单中选择输入。有以下几种输入菜单命令的方 法： 用鼠标选择菜单中的有关命令。 在按下 alt 键的同时，键入菜单标题中下划线的字母 , 选择有关菜单，再 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 23 用同样的方法选择命令。 使用命令快捷键。 常用工具见下图 图 3-6 adams 常用工具一览表 adamsview 提供了丰富的基本形体建模工具库，调用几何建模工具通 常有两种方法：在主工具箱上的建模工具集选择工具图标，或通过菜单选择几 何建模工具命令 15。我们将三维图直接导入，故没有了建模过程，故此我们不 介绍实体建模工具。在 adams 中建立仿真模型步骤如下： （1）首先要设置工作环境 第一步：设置模型物理量单位 在 adams/view 的菜单栏中，选择设置（settings）菜单中的单位 （units ）命令。系统弹出设置单位对话窗，将模型的长度（length）单位设置 为毫米（millimeter） ，将模型的质量（ mass）单位设置为千克（ kilogram）,将 模型的力（force）单位设置为牛顿（ newton）,将模型的时间（time）单位设 置为秒（second ）,将模型的角（ angle）单位设置为度（ degree）,将模型的频 率（frequency ）单位设置为赫兹（ hertz） ，按“ok”完成模型单位的设置。 第二步：设置工作网格 在 adams/view 的菜单栏中，选择设置（settings）菜单中的工作网格 （working grid）命令。系统弹出设置工作网格对话窗，将网格的大小（size ） 和网格的间距（spacing）按具体需要设置,set orientation 栏选择 globalxz。按 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 24 “ok”，设置好工作网额。 第三步：设置重力及其方向 在 adams/view 的菜单栏中，选择设置（settings）菜单中的重力 （gravity）命令，系统弹出设置重力对话窗，点击对话窗顶部“gravity”前的 小窗口，再选择 即完成了重力及其方向的设置。 。 （2）按照上面设置完环境后，我们具体开始仿真操作。 第一步：利用主工具栏中的求和工具 ，将所有部件分类求和。为了实 际仿真方便，在这里我们将模型分为：填装斗、摆杆、挂架焊装和横轴焊接总 成、连动杆、连杆等组件。然后为了区分方便，我们将每一个部件加上不同的 颜色。第二步：在添加运动副工具栏中选择合适的运动副添加到两个具有相对 运动关系的部件之间。在此次毕设中，主要采用转动副 和滑动副 。 第三步：给填装斗、摆杆、挂架焊装和横轴焊接总成、连动杆、连杆等零 部件加上材料属性，在这里我们加载上 steel。 第四步：在运动副上添加驱动，三维模型主要由两组液压缸驱动。我们在 相应的液压缸滑动副上加上直线驱动 。 添加完之后的效果： 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 25 图 3-7 后装压缩式垃圾车工作部分虚拟样机模型 第五步：在仿真之前，可以对系统的构成、系统的自由度、委定于质量的 构件和过约束等情况进行查询，即便是在建立模型的过程中，也可以进行查询， 以保证模型的准确性，单击菜单【tool】【model verify】后弹出系统信息窗 口，如下图所示。 图 3-8 验证模型信息 整个模型里所包含的运动副如下表所示 约束副类型 数量/个 旋转副 revolute 24 圆柱副 cylindrical 4 表 4-1 后装压缩式垃圾车工作部分虚拟样机模型运动副类型及数目 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 26 第六步：检查模型后单击仿真按钮 ，进入仿真界面正确设置 end time、 steps，单击 按钮，仿真开始。 图 3-9 交互式仿真控制对话框 现将仿真过程中机构运动情况列在下面 图 3-10 机构仿真运动图 1 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 27 图 3-11 机构仿真运动图 2 图 3-12 机构仿真运动图 3 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 28 图 3-13 机构仿真运动图 4 图 3-14 机构仿真运动图 5 第七步：结果后处理。单击 ，即可得到相关的仿真曲线， adamssolver 默认的仿真输出根据样机中的对象不同可分为三大类：构件 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 29 （part） 、力(force)、约束(constraint)等。对于不同的对象，可选择对应的输出 内容。 图 3-15 绘图对话框 3.6 仿真结果及分析 本次毕设只针对后装压缩式垃圾车的连动挂桶机构进行分析，以做到有的 放矢。我们将从它的运行过程中液压缸出力变化过程，以及摆杆随时间轴夹角 变化作为依托，判断其运行平稳性。 图 3-16 液压缸位置与其处理关系曲线 上图是液压缸出力随时间变化的曲线图，由于是两个液压缸左右对称出力， 即实际值为上值的一半。可发现在此结构下处理变化比较平缓，未出现很大的 波动。在整个装货过程中伸缩液压缸所受到的最大压力为 5125n，最小压力为 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 30 3625n。 图 3-17 摆杆角度变化与液压缸位置关系曲线 此图是液压缸伸长量与摆杆角度变化的曲线，可看出角度变化较平缓，未 出现大的波动，摆杆角度变化范围为 0 至 52.4 度，整体结构运行很稳定。 图 3-18 摆杆角度变化与液压缸处理关系曲线 上图是在液压缸匀速运动时，摆杆角度变化与液压缸出力的关系曲线。整 个过程中，曲线较平稳，整体结构很稳定。 3.7 对其工作结构的改进 在二维图分析中可得，若在极限情况下。可能会出现运动情况不可控性， 虽然由于结构本身的限位作用避免了这一情况。但是仍会对其他部件做成一定 冲击，成为安全隐患。若将连杆组件的初始位置改进则可避免这一情况。由于 液压缸出力与其运行速度有很大关系，所以也可考虑调节液压缸的运行速度， 使其变速运动，将使整个结构更加轻便可靠。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 31 4 对其中的主要承载零件进行有限元受力分析 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是 由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的） 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件） ，从而得到问 题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代 替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能 适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。我们通过有限元分析， 掌握后装压缩式垃圾车重要零部件的力学性能，提高产品的设计水平 16。 4.1 有限元软件 nastran的介绍 nx.nastran 软件目前只在 windows 平台使用，可以处理简单的几何模型， 随着版本的改进，目前已支持自动编写求解输入文件。由于本次毕设需要求解 的零部件结构简单，此软件已可以满足，nx.nastran 与 nx 7.0 配套使用，方便 快捷，可以缩短学习的周期，加快毕设完成的进度。 4.2 工作装置的导入与有限元分析 4.2.1 工作装置的导入过程 第一步：将画好的 pro/engineer 三维图保存副本，将其转换成 iges 格式 导出，注意文件路径不可出现中文，导出时要选择导出实体。 第二步：双击桌面图标 ，单击开始，将 iges 文件导入新建的 ug 建模 文件中，并对导入的零部件进行布尔加运算 ，单击开始，另存为 part 格式。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 32 图 4-1 导入后的连动杆模型 4.2.2 有限元分析操作过程 第一步：单击开始菜单 的高级仿真按钮，进入到高级仿真界面。 在仿真导航器中右键单击模型文件名，选择新建 fem 和仿真文件。不需要 进行过多设置，直接单击确认即可。在菜单栏的窗口命令下可以切换 sim 和 fem。 图 4-2 创建仿真文件 第二步：模型的网格划分。单击 进行划分网格操作，可以自行确定网 格大小也可以采用推荐值。 第三步：添加材料属性。在菜单栏的窗口命令下切换至 fem，在此界面下 单击 添加材料属性，我们给模型添加 steel。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 33 图 4-3 添加材料划分网格之后的连动杆模型 第四步：添加约束和载荷。在菜单栏的窗口命令下切换至 sim 窗口，由于 零件的两端均是销钉连接，对应相应约束我们选择销钉约束。在 adams 中， 我们已经求的连动杆最大拉力在轴线方向上加载上，在本次仿真中，我们参照 adams 中的连动杆受力曲线，取 y 方向 8000n 的载荷。 图 4-4 添加载荷和约束后的模型 第五步：单击求解按钮，我们可以得到仿真的结果。选择“仿真导航器” 中的 solution 1 项，单击右键，选择“模型设置检查 ”，在弹出检查对话框中确 认后，再选择“求解”项进行求解。此时，nx 7.0 在模型检查载荷汇总完自动 调用 nastran 软件进行运算，时间较长，最终生成结果。 4.3 结果分析 双击 imported results，选择目标文件路径，加载有限元分析结果。 河北工业大学 2012 届本科毕业设计论文 34 图 4-5 后处理导航器对话框 4.3.1 连动杆有限元分析结果 1.连动杆节点位移云图 图 4-6 位移应变图 由图中可看出，最大节点位移放生在上部连杆头和调节头上，最大值位移 值为 2.91710-4mm，最小位移发生在连动杆中部，其值为 5.6610-8mm。 2.连动杆的应力云图 图 4-7 拉伸情况下连动杆应力图 由图可知，其最大应力发生在调节头上，其值为 3.74mpa，最小应力发生 在连动杆上，其值为 1.05410-3mpa。 经验证，连动杆的实际应力小于其许可应力值，满足最大受力要求，零部 件安全可靠。 4.3.2 对摆杆的有限元分析 过程与对连动杆的分析过程类似，不在此赘