（机械设计及理论专业论文）基于虚拟样机技术的垃圾车压缩系统设计与仿真研究.pdf

摘要 本研究课题来源于校企合作项目横向课题“专用车辆( 上装) 研发及试制 ， 即与湖南高翔重工科技有限公司共同开发g x z 5 2 5 0 z y s 新型后装式压缩垃圾车。 它的主要组成部件有：厢体组件、推板组件、举升机构、压缩系统、控制系统总 成及液压系统，而其最核心的工作装置一一压缩系统是整个垃圾车研发的关键装 置，不但运动关系复杂，而且工况也很复杂。本研究课题的目的是通过研究压缩 系统的形式、液压系统及其相关的参数对压缩系统和整个垃圾压缩车的影响，设 计出具有智能化程度高、密封性好、压缩比高、结构简单耐用及装载性能优良的 压缩系统。论文的主要工作如下： l 、通过对现有的压缩系统五种型式进行综合分析研究和对比选择，确定了压 缩系统的最终方案为滑动刮板式压缩机构下凹型装填箱；通过对装填角的分析及 推板油缸的布局设计，确定了最佳推板油缸与车厢的角度和最小推力。 2 、根据后装压缩式垃圾车的工作特点，通过对压缩系统的工作流程的分析， 进行了压缩系统液压特性的分析研究，设计了2 种液压原理方案，经过综合分析 和比较，选定了一种能比较精确和平稳控制垃圾车压缩系统的方案。 3 、在综合考虑垃圾压缩系统工作原理的基础上，采用虚拟样机技术和 s o l i d w o r k s 三维造型技术相结合，对整个压缩系统进建立了工作平稳，机构尺 寸合理，压缩效果良好的虚拟样机模型，并且把整个压缩系统的虚拟样机模型导 入到了a d a m s 软件中进行了仿真分析，得到了压缩系统机构运动学与动力学的 仿真结果。 4 、在a n s y s 软件中建立滑板和刮板液压缸的有限元模型，分析其实际使用 状况，以尽可能使压缩机构工作平稳，垃圾压实效果更好和满足整机各部分功能 要求，从而延长工作装置的使用寿命为目标，对滑板和刮板液压缸进行了设计研 究和安全性验证。 关键词：后装式压缩垃圾车压缩系统虚拟样机有限元分析设计研究 a b s t r a c t y h i st h e s i sc o m e sf r o mp r o j e c to ft h es c h o o l e n t e r p r i s e c o o p e r a t i o n - t h er e s e a r c h a n dd e v e l o po fs p e c i a lv e h i c l e ”，a n dt h en e w s t y l eb a c k 1 0 a d i n gc o m p r e s s i o nr e f u s e c o l l e c o rw a s d e v e l o p e di nc o n j u n c t i o nw i t hh u n a ng a o x i a n gz h o n g g o n gs c i e n c e & t e c h n o l o g yc o ，l t d t h eb a c k l o a d i n gc o m p r e s s i o nr e f u s ec o l l e c t o ri s m a d eu po f c a m a g e ， p u s hb o a r qc o m p o n e n t s ，c o m p r e s s i o n s y s t e m ，c o n t r o ls y s t e m，h y d r a u l i c s y s t e ma n ds oo n a n dt h ek e yd e v i c eo ft h ew h o l ec a r i st h ec o r n p r e s s i o ns y s t e m ，n o t o n j yt h es p o r to ft h ec o m p r e s s i o ns y s t e mi s c o m p l e x ，b u ta l s ot h ew o r kc o n d i t i o ni s v e r ) ，c o m p l e x t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si s b ys t u d y i n gt h ef o mo ft h ec o m p r e s s i o n s y s t e m ，h y d r a u i i cs y s t e ma n dt h ep a r a m e t e r si n f l u e n c eo nt h ec o m p r e s s i o ns y s t e ma n d m et m c k ，i no r d e rt od e s i g nt h ec o m p r e s s i o nr e f u s ec o l l e c t o r w i t hh i g hc o m p r e s s i o n r a t i o , i n t e l l l g e n t - g o o ds e a l i n ga n dt h es t r u c t u r ei ss i m p l e ，r e a s o n a b l ea n dd u r a b l e t h e m a i nr e s e a r c hw o r ka sf o l l o w s ： 1 r s t ：t h r o u g ht oa n a l y z i n ga n dc o m p a r i n go nt h ef i v et y p e s e x i s t i n gc o m p r e s s i o n s y s t e m ，a n dd e t e r m i n e dt h ec o m p r e s s i o ns y s t e ms c h e m e i st h el o a d i n gb o x e so f s l i d i n g s c r a p eb o a r dw i t hs u n k e nm o d e l ；t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ea n g l eo f l o a d i n gd e v i c e a n dt h ed e s i g no f p u s h i n g 。b o a r dc y l i n d e r sl a y o u t ，a n dd e t e r m i n e dt h eb e s ta n g l ea n d f o r c eb e t w e e np u s h i n g b o a r dc y l i n d e ra n dc a r r i a g e s e c o n d ：t h r o u g ha n a l y z i n ga b o u tt h ec o m p r e s s i o ns y s t e mo fw o r k c h a r a c t e r i s t i c s a n dw o r kf l o w ，w ch a v es t u d i e dt h e s p e c i f i ch y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c ，a n dd e s i g n e dt w o n y d r a u 】l cs c h e m a t i cd i a g r a m s a n dt h e s et w os c h e m e sw e r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e a n dc o m p a r e d ，a n dw es e l e c t e dam o r ep r e c i s e a n ds t a b l ec o n t r 0 1s c h e m eo ft h e c o m p r e s s i o ns y s t e ma tl a s t t h i r d ：o nt h eb a s i so ft h eb a s i cp r i n c i p l eo f c o m p r e s s i o ns y s t e m ，w ec o n t i n u e dt o c o m b i n e3 dm o d e l i n gm e t h o dw i t ht h e v i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g yb ym e a n so f s o l i d w o r k ss o f t w a r ea n da d a m s s o f t w a r e a n dt h es t a b l e ，r e a s o n a b l es i z ea n d g o o dv i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e lo fe n t i r ec o m p r e s s i o n s y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h e n w ep u lt h em o d e li n t ot h ea d a m s s o f t w a r e ，s ot h es i m u l a t i o na n a l y s i si sc a r r i e do u t w ec a n g e tt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nr e s u i t s f o u n h ：t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f s k a t e b o a r da n ds c r a p e rh y d r a u l i cc v l i n d e r w e r es e tu p1 nt h ea n s y s s o f t w a r e ，a n dt h e na n a l y z e st h ea c t u a lu s eo f s t a t u s 。i no r d e r t ot h ec o m p r e s s l o ns y s t e mw o r k s m o o t h l ya n dt h ee f f e c to f c o m p a c t i o ni sb e t t e r m e e t l n gt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h ec o m p r e s s i o ns y s t e ma n d p r 0 1 0 n gi t ，ss e r v i c e l i f ea st h eg o a l ，t h er e s e a r c ha n ds e c u r i t yv e r i f i c a t i o n so fs k a t e b o a r da n ds c r a p e r h y d r a u l i cc y l i n d e rw e r ed o n e k e y w o r d s ：b a c k l o a d i n gc o m p r e s s i o n r e f u s ec o l l e c t o r ；c o m p r e s s i o ns y s t e m ； v i r t u a lp r o t o t y p e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；d e s i g n & r e s e a r c h n i 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 1 1 1城市生活垃圾现状 改革开放以来，我国经济的发展一直在以火车般的速度前进，城镇化水平同 时也得到了很大的提升，在2 0 1 2 年温家宝总理做的政府工作报告中指出：我国2 0 1 1 年城镇化率已经超过了5 0 ，根据2 0 1 1 年国际经济评论第6 期预测，我国的城 镇化率至u 2 0 3 0 年将达到8 0 左右。按照这个趋势发展，城市化将会在未来的不久便 会得到普及，城镇人口也会随着发生猛烈的变化，产生的城市生活垃圾也剧烈的 增加，而垃圾处理站不可能设置在城市中心，只会离城市中心中心也越来越远f l j ， 因此如何正确合理的垃圾处理方法与日益增长的垃圾的矛盾也越来越突出，这种 矛盾对城市的正常生活危害越来越大城市的发展受到严重的阻碍，同时也制约了 社会和经济的发展，使得城市生活垃圾成为世界性的一大公害2 , 3 , 4 , 5 】，据相关数据 显示我国2 0 11 年产生了2 6 6 亿吨的城市垃圾，而且每年在以8 1 0 的速度增 长，按照这个趋势发展，2 0 3 0 年全年产生的垃圾总量将会达到1 6 2 5 亿吨。全国有 2 0 0 多座城市陷入垃圾的包围之中，大约1 4 的城市已经发展到了没有适合的场所 来堆放垃圾，以至于把解决垃圾的途径蔓延到了乡村，从而导致了城乡结合带区 域环境恶化，如何去合理地处理城市生活垃圾成了一个严重的社会问题，已引起 了全国各级政府部门的高度重视1 6 , 7 】。 1 1 2 城市生活垃圾集运模式 目前，城市生活垃圾有很多种集运模式，据统计，国内外主要应用的有以下 几种。 1 翻斗车集运 翻斗车集运是一种直接用敞开式的车厢运输，它的缺点是：装载量比较少； 容易造成二次污染；同时也增加了运输成本。因此翻斗车集运是一种相对比较落 后的集运模式，现在应用的也越来越少了。 2 非压缩式垃圾集装箱集运 非压缩式垃圾集装箱集运是通过密闭的集装箱来收集和运输垃圾，它的缺点 是：效率不高；装载和卸运垃圾时间比较长；装载量也有限，与城市垃圾突飞猛 进的发展不符。 3 压缩式垃圾集装箱集运 压缩式垃圾集装箱集运模式是一种相对比较先进的集运模式，它的优点是： 装载量比较大；效率比较高。但它目前主要的缺点是：压缩倍数不理想；技术也 还不先进，所以国内外对这种集运模式使用的不是很多。 4 动力管道系统集运 动力管道系统集运模式是通过采用螺旋或者空气输送。它的主要缺点是：适 用范围有局限性，一般适用于高密度、高层住宅区域；维护和运行费用很高；投 资也大大。 5 压缩式垃圾车集运 压缩式垃圾车是一种技术含量较高的环卫专用车辆，这种车辆不但可以节省 环卫经费，而且能提高工作效率和市容清洁度，压缩式垃圾车集运是国内外垃圾 清运模式的重要发展方向【8 l 。 1 1 3 城市生活垃圾的无害化处理 早在1 9 世纪末，一些发达国家就开始了对垃圾的无害化处理研究，英国1 8 7 4 年就已经建立了全球的第一座垃圾焚烧厂。目前，在西方发达国家对垃圾的无害 化处理主要以卫生填埋、资源可回收利用、焚烧、堆肥为主的处理方式。而在国 内，由于只注重经济的发展，而对经济的高速发展所带来的矛盾并没有有效的处 理好，城市生活垃圾的合理处置已经成了制约城市发展的重要因素，但由于我们 对城市生活垃圾无害化处理研究时间太短，并没有取得相应的一些能良好应用的 研究成果和技术。尽管在我国一些发达的沿海城市通过引进发达国家的垃圾无害 化处理的先进技术，但是我国国情是一个经济发展水平相对西方发达国家是比较 落后的，人均g d p 值相差甚远，也使得我国城市生活垃圾组成成分和西方发达国家 也有很大的差异，所以盲目的引进国外先进的垃圾无害化处理技术是无法产生对 应的经济和社会效益的。综上所述，依靠卫生填埋成为了我国目前城市生活垃圾 的主要处理方式，但是因为目前我国的垃圾填埋场地大部分在城市的郊区，距离 相比较远，因此，对城市生活垃圾的运输费用往往会很高，几乎达到垃圾处理费 用的8 0 以上 9 , 1 0 , i1 , 1 2 , 1 3 。 1 1 4 压缩式垃圾车发展的意义 经过对城市生活垃圾现状、集运模式和无害化处理的分析可知，如何合理、 高效及低成本的解决生活垃圾是摆在我们面前一个刻不容缓的问题，因为它严重 的制约了我们社会、经济的发展，也严重的影响了我们的日常生活问题。因此， 针对上述分析表明，如何高效合理地运输生活垃圾是我们的解决这个问题的切入 点。因此，我们对垃圾压缩转运设备研究是我们解决这个问题的关键，并且随着 我国经济水平发生了进一步飞跃，人民的生活水平也发生了天翻地覆的变化，生 2 活垃圾的组成成分也在逐渐变化，有机成分含量进一步的提高，使得生活垃圾变 得越来越容易压缩了，根据有关资料显示i s , 9 ：松散废纸及塑料等类似物的压缩比 为5 - - - 8 ，而各种混合组成的垃圾的压缩比一般为2 - - 3 。如果我们不采用垃圾压缩 转运设备，会造成巨大的经济效益亏损，也不利于城市环保的建设，不符合我国 城市的发展方向和目标，所以高压缩比和运输效率是我们选用垃圾压缩转运设备 主要的指标。 国内外的垃圾压缩转运设备主要有以下两种f 9 1 ：压缩式垃圾车和压缩式垃圾中 转站。目前的压缩式垃圾中转站技术还不够成熟，存在的缺陷也比较多，比如压 缩比太小、占用面积很大、可靠性不高、功率消耗大并且价格很昂贵，有很多的 局限性，所以加强对压缩式垃圾车的投入，进一步提高其转运效率，有效的解决 亏载和二次污染问题，提高城市清洁度，为经济的又好又快的发展做出巨大的贡 献。 1 2 压缩式垃圾车的发展现状及趋势 1 2 1发展现状 随着城镇化率的程度越来越高，城市生活垃圾围城现象也越来越严重，严重 的制约了城市的发展，城市生活垃圾的合理处置成为了急需解决的重要问题。面 对这一市场先机，国外涌向出一大批专用车生产企业专门生产垃圾车。2 0 世纪8 0 年代开启了垃圾车生产的热潮。刚开始生产的垃圾种类繁多，形式各样，有敞开 式的、密闭式的、后装式的、侧装式的、集装箱式的等等【1 4 1 。但是由于后装压缩 式垃圾车相对于其它形式的垃圾车具有效率高、环保、节约成本等优势，越来越 得到市场和客户的喜爱，因此也加速了它的发展脚步，得到了广泛的应用。在西 方发达国家，如德、日、美、英等国都大量采用后装压缩式垃圾车来收集城市生 活垃圾。 我国在2 l 世纪八十年代末开始从国外引进压缩式垃圾车生产技术，并在引进 的基础上进一步开发出了适应我国国情的车型，据相关数据统计，截止2 0 1 2 年我 国目前有大大小j 、5 0 多家压缩式垃圾车生产厂家，主要的厂家有：长沙中联重科、 广西玉柴、上海环境工程科学研究院、南京晨光航天等 1 5 , 1 6 】。其中中联重科生产 的中联牌占据了全国5 0 以上的市场份额。由于越来越多的企业进入压缩式垃圾车 生产的这一领域，使得这一产品的市场竞争力越来越激烈，同时也促进了压缩垃 圾车市场的大繁荣，由于压缩式垃圾与其它类型的垃圾车相比有不可比拟的优势， 使得他成为了现代化城市对垃圾收运不可缺少的工具。据相关数据显示，垃圾车 注册上牌的数量正在逐年递增，其中压缩式垃圾车在各类型的垃圾车注册数量中 是遥遥领先的，根据相关预测，在未来全国的垃圾车辆市场中，压缩式垃圾车将 会占据7 5 9 0 【1 引。 1 2 2发展趋势 面对越来越激烈的市场竞争和诱人的市场前景，如何来提高自己产品的市场 竞争力，成为了各个生产企业当前的主要议题，如何获得市场和客户的认可是各 个企业需要研究的主要问题。经过相关研究主要表现在以下几个方面：( 1 ) 随着 城镇化率的不断普及，城镇的规模也会越来越庞大，人口密集程度会越来越高， 垃圾处理中心的设置也会越来越远离城市中心地带，因此大型的压缩式垃圾车的 作业效率会越来越明显，它能大大的减低运输成本；( 2 ) 随着科技的发展，智能 化控制技术得到了广泛的发展及应用，如何实现自动化控制，降低人工劳动强度 是获得市场的法宝，也体现了以人为本的理念；( 3 ) 必须提高压缩比才能提高运 输效率，降低成本，如果大吨位的车型，压缩比却比较小，同样会造成资源的浪 费；( 4 ) 要提高可靠性，要最大限度的保证垃圾车在工作中出现的故障率，不然 会同样影响转运效率，因此提高技术含量，保证可靠性是很重要的；( 5 ) 垃圾车 在转运途中要保证其密封性，不能给城市带来二次污染，近年来，环保问题越来 越成为人们的关注的焦点，所以保证其高密封性，对提高城市清洁度有着很大的 意义，也是获得市场竞争力的重要因素。 从上面的分析可知，大型化、压缩比大、智能化程度高、高可靠性、密封性 好而结构简单垃圾压缩车将成为赢得市场最大利器，同时也是压缩式垃圾车未来 的发展方向。 1 3研究思路和主要内容 1 3 1研究思路 1 、对压缩系统的形式进行优化选择一一分析确定推挤卸料机构的方式一一对 装填角度计算分析一一分析压缩系统的工作流程确定压缩系统的液压原理方案一 一用s o l i d w o r k s 对整个压缩系统进行了三维建模一一将三维模型导入至) j a d a m s 中 对压缩系统模型进行动力学分析。 2 、用a n s y s 软件对滑板和刮板液压缸进行有限元分析。 1 3 2 主要内容 l 、通过对现有的压缩系统五种型式进行综合分析研究和对比选择，确定了压 缩系统的最终方案为滑动刮板式压缩机构下凹型装填箱；通过对装填角的分析及 推板油缸的布局设计，确定了最佳推板油缸与车厢的角度和最小推力，并最终确 定了装填角度的大小。 2 、根据后装压缩式垃圾车的工作特点，通过对压缩系统的工作流程的分析， 4 进行了压缩系统液压特性的分析研究，设计了2 种液压原理方案，经过综合分析 和比较，选定了一种能比较精确和平稳控制垃圾车压缩系统的方案。 3 、在综合考虑垃圾压缩系统工作原理的基础上，采用虚拟样机技术和 s o l i d w o r k s 三维造型技术相结合，对垃圾压缩系统机构运动学和动力学进行分 析，对整个压缩系统进建立了工作平稳，机构尺寸合理，压缩效果良好的虚拟样 机模型，并且把整个压缩系统的虚拟样机模型导入到了a d a m s 软件中进行了仿 真分析，得到了压缩系统机构运动学与动力学的仿真结果。 4 、在a n s y s 软件中建立滑板和刮板液压缸的有限元模型，分析其实际使用 状况，以尽可能使压缩机构工作平稳，垃圾压实效果更好和满足整机各部分功能 要求，从而延长工作装置的使用寿命为目标，对滑板和刮板液压缸进行了设计研 究和安全性验证。 第二章虚拟样机技术理论基础 2 1 虚拟样机技术概述 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 是一门近年来兴起的技 术，首先机械系统的三维实体模型通过三维建模软件建立起来，然后导入动力学 仿真软件，建立起运动学和动力学模型，这样机械系统的性能能够通过仿真结果 来分析和评估，所以给产品的设计制造提供了参考数据，从而为产品研发提供了 很重要的依据。虚拟样机技术是一种基于数字化的设计方法，是通过计算机来建 立虚拟样机模型仿真的设计方法，它是支持并行工程方法学的，因为它是一种数 字模型。虚拟样机技术涉及的方面有很多，主要是多体系统运动学及动力学建模 理论，是一门比较综合的应用技术，因为它结合了信息管理技术、多领域仿真技 术、交互式用户界面技术、先进的建模技术及虚拟现实技术。 2 1 1虚拟样机的应用 虚拟样机技术起步于2 0 世纪7 0 年代，随着计算机辅助技术的发展，目前， 虚拟样机技术被广泛应用于汽车制造、工程机械、机械电子、航空航天、造船、 航海、和通用机械等众多领域。 1 9 9 7 年通用动力公司建成全球第一个数字化机车虚拟样机，并行地进行产品 设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等；c a t e r p i l l a r 公司采用虚拟样机技 术，从根本上改进设计和实验步骤，降低了数百万美金的费用，并且还提高了产 品的性能；j o h nd c c r c 公司利用虚拟样机技术解决了工程机械在高速行驶的蛇形现 象及在重载下的自激振动问题，并且还在虚拟样机上得到了验证，大大的提高了 产品高速行驶性能和重载作业能力；在我国农业机械领域，有人通过采用虚拟样 机技术设计甘蔗收割机，创新地的完成了产品的设计，并取得了很好的效果。在 目前激烈的市场竞争环境下，基于传统的物理样机的设计已经完全不符合时代发 展的潮流的，这样的企业在市场中是站不稳脚跟的。通过运用虚拟样机技术，不仅 大大的减少了产品研发成本，而且还能明显得提高产品质量，提升产品的系统性 能，获得更优化和创新的产品，同时，也有助于企业做出前瞻性的决策，实现产品 总体优化，进而在激烈市场竞争中站稳脚跟【2 0 ，2 ，2 2 1 。 2 1 2虚拟样机的技术特点 虚拟样机技术与物理样机相比有如下特点： ( 1 ) 可以在相同的时间内“实验 更多的设计方案，从而能花费更少的时间 获得最优的设计方案。 6 ( 2 ) 能应用于产品开发的整个生命周期，从而不断完善产品的性能。 ( 3 ) 涉及的设计领域非常的广泛，考虑也比较的周全，因此可以大大的提高 产品质量。 ( 4 ) 产品全方位的测试、分析和评估都可以支持。同时也支持各个不相同领 域人员可以并行地测试、评估和分析同一个虚拟样机产品。 ( 5 ) 更改产品开发后期的设计能大大减少，整个产品的开发周期也相应的减 少了。 ( 6 ) 降低了产品开发时间和设计费用，节约了成本和资源【4 5 , 4 6 】。 2 2虚拟样机技术使用软件简介 2 2 1a d a m s 软件简介 1 a d a m s 软件的功能 a d a m s 是由美国m s c 公司开发的集建模、求解、可视化技术于一体的一款虚 拟样机分析软件【2 3 1 ，a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 即机械系统自动动力学分析。它是目前世界上最为广泛使用的虚拟样机分析软件， 早在1 9 9 9 年，国际市场的机械系统动态仿真软件中的销售额就达到了惊人的8 0 0 0 万美金，几乎占据了整个市场份额的5 0 以上。 通过a d a m s 对机械系统仿真，我们可以用来预测这个机械系统的性能、峰 值载荷、碰撞检测、运动范围以及为有限元分析提供载荷依据。它是通过采用交 互式的图形环境和零件库、力库、约束库来创建完全参数化的机械系统模型，求 解器则是采用拉格朗日方程，拉格朗日方程是多刚体系统动力学理论的重要方法， 通过建立机械系统的动力学方程后，来求解虚拟样机模型，输出位移、速度、加 速度和作用力曲线来对虚拟样机进行运动学、动力学和静力学分析。 2 a d a m s 软件模块 a d a m s 软件由核心模块( 用户界面模块和求解器模块) 、后处理模块、扩展 模块、接口模块、专业模块及工具箱6 类模块组成。对一般的机械系统仿真我们 只需要采用通用模块就可以了，而对于某些特定工业应用领域的问题，则需要采 用专用模来进行仿真分析。用户界面模块( a d a m s v i e w ) 是采用交互式图形环 境将图形操作、鼠标点击操作和交互式图形建模、仿真计算、优化设计、动画显 示及结果处理等集中在一块。求解器模块它能形成机械系统模型的动力学方程， 完成动力学、运动学和静力学的求解。后处理模块( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) 是用 来处理仿真结果数据、显示仿真动画等。一般的机械动力学问题在核心模块和后 处理模块下都能够得到比较完美的解决【2 。 2 2 2s o lid w o r k s 简介 s o l i d w o r k s 公司于1 9 9 3 年成立，从1 9 9 5 年推出的第一套三维设计软件到 现在为止，在全球都拥有办事处，在全球1 4 0 个国家有3 0 0 多家代理商。它是全 球第一个基于w i n d o w s 开发的三维c a d 系统软件，它是将c a d c a e c a m 集合于一 体的三维设计平台，相比于其它的三维设计软件如p r o e 、u g 、c a t i a 等，其优越 性能在三维c a d 软件中处于领先位置。在国际中获得了很多奖项，如在全球微机 平台评比中，1 9 9 5 至1 9 9 9 年连续获得第一名，到现在为止该软件已经累计获得了 国际大奖1 7 项，其中就包括美国的权威杂志c a d e n c e 从1 9 9 9 年起连续四年授 予s o l i d w o r k s 最佳编辑奖，创新、活力和简明是它获得这些殊荣的特点。 s o l i d w o i s 从诞生到现今，一直遵循易用、稳定和创新三大原则，因此发展迅 速，占领了比较大的市场份额。正是由于它不断追求这三大原则，使我们在运用 s o l i d w o r k s 软件进行设计时节约了很多的时间，因此为我们的更加高速和高效 的把产品推向市场提供了非常有力的支持，同时为我们日益激烈的市场竞争中获 得有利的机会【2 6 】【2 7 1 。 正是由于使用了w i n d o w s 的0 l e 技术、直观式设计技术、先进的p a r as o l i d 内核以良好的与第三方软件的集成技术，并且它的实体造型是基于特征和参数化 的基础上的，正是这些特点使得s o l i d w o r k s 成为了全球应用最为广泛的三维 造型软件之一。s o l i d w o r k s 的草图是可以用几何关系、驱动尺寸及装配关系来 进行约束的一些类型简单的线条，它整个的设计基础是基于特征的装配关系，这 些二维或三维草图通过若干的参数化可以得到相关的零件，而这些零件是部件装 配的要素。正是基于s o l i d w o r k s 三维造型的这些特点，因此本课题选择了 s o l i d w o r k s 做为我们三维设计的软件。 2 2 3a n s y s 简介 a n s y s 是一款融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析 软件，它广泛应用于机械、航天、石油化工、能源、水利、生物医学、交通土建 等领域。由于它具有很多种物理场耦合功能，使得各式各样的耦合计算能够在同 一个模型上完成，比如热一结构耦合、磁一结构耦合等，所以它足以应对工程上的 多领域多变问题的求解。它能与各种c a d 软件接口实现数据交换和共享，如p r o e 、 s o l i d w o r k s 、u g 、c a t i a 、i - d e a s 、a u o t c a d 等软件，正是由于它的这些 特点，a n s y s 成了一款主流通用的有限元分析软件，市场份额占有率一直高居同 类其它软件。a n s y s 软件主要分析机械系统所受到的外力所出现的应力、位移、 温度等，然后根据应力、位移、温度这些受到外力负载后的状态来进行判断我们 的设计是否符合要求。但往往在实际工况中，机械系统的几何结构是比较复杂的， 负载也是比较多的，这些都会造成我们的理论分析无法进行。因此在进行理论分 8 析时我们要简化机械系统的机构，使用a n s y s 软件进行理论分析能够很好的降低 设计成本，节省开发时间，为争取市场获得非常有利的条件。从1 9 7 1 年面市的 a n s y s 2 0 版，到如今的1 2 0 版已经有了很大的变化，开始的低版本它仅仅提供 结构线性分析和热分析，现在可以用来求解结构、流体、电磁场和碰撞等许多工 程上的问题【2 5 , 2 8 , 2 9 , 3 0 】。 a n s y s 之所以能成为一款解决现代工程学问题必备的软件，是因为它把优化 设计、计算机图形学及有限元分析通过前处理、求解、后处理这些程序紧密的结 合在一起。它的结构由起始层( b e g i nl e v e l ) 和处理器层( p r o c e s s o rl e v e l ) 组成，各层 的功能分述如下。 1 起始层( b e g inl e v ei ) 它是指用户进a n s y s 所在的位置。起始层作为一个中转站的作用，从这一层 推出a n s y s ，它能清除当前工作的所有资料，作为中转，可以进入不同的处理器 目 力譬o 2 处理器层( p r o c e s s o rl e v ei ) 它包含有几个不同的处理器，这些处理器在接受不同的工作命令后完成不同 目的的工作。处理器层主要由三个部分组成：前处理( p r e p r o c e s s i n g ) ，求解( s o l u t i o n ) 和后处理( p o s tp r o c e s s i n g ) 。这三个模块的内容如下： ( 1 ) 前处理模块p r e p 7 。用户通过前处理模块能够很方便的构造出有限元分 析模型，因为它不仅提供了非常强大的实体建模工具，还有非常强大的网格划分 工具。( a ) 实体建模：a n s y s 软件本身有比较强大的实体建模能力，一些简单的 模型都可以通过软件本身来建模求解，它通过自上而下和自底向上来进行实体建 模。所谓自上而下建模是指通过定义高级图元，比如棱柱、球体等来直接的构成 出我们需要的几何模型。自底向上建模是指先定义低级图元，如关键点，再由关 键点生产线、面、体。无论采用那种方法建模，都能够使用布尔运算( 比如像分 割、相互减加、重叠和粘结等) 来组合数据集，从而“雕塑出来”一个实际物体 模型。( b ) 网格划分：映像网格、自由网格、延伸网格是a n s y s 软件提供的主要 的三种不同网格划分方法。最为常用的映射和自由网格的划分，自由网格的划分 一般来说是比较简单些的，对某些复杂的模型能够很简单划分网格，但是有些模 型通过自由划分是不能满足求解要求的，或者得到不想要的结果，因此采用哪种 网格划分，需要我们对模型仔细的分析和比较。 ( 2 ) 求解模块s o l u t l 0 n 。划分完网格后，需要对有限元模型添加载荷和边界 条件，然后再求解。我们根据实际条件选取载荷的种类，它包括有节点约束、集 中荷载、表面荷载、体积荷载、惯性力和偶合场荷载。a n s y s 求解有多种解法， 包括有条件共轭梯度法、不完全乔列斯基共轭梯度法、雅克比共轭梯度法、直接 解法及稀疏矩阵直接解法等等，a n s y s 软件会针对模型的具体情况选择其求解方 9 法。 ( 3 ) 后处理模块p o s t l 和p o s t 2 6 。a n s y s 由后处理由p o s t l 通用后处理 ( g e n e r a lp o s t p r o e e s s o r ) 模块和p o s t 2 6 时间历程后处理( t i m ed o m a i np r o c e s s o r ) 模 块这两个模块构成。通过这两个模块可以获得位移、应力、应变、温度等计算结 果并显示。通过图形和数据列表这两种形式来作为输出。模态分析、结构静态分 析及屈曲分析可以通过p o s t i 来检查整个模型在某载荷步或载荷子步的分析结 果；结构动态分析后，通过p o s t 2 6 用来检查整个模型在指定点的待定结果相对 于时间、频率或者其它结果的变化情况1 3 0 。 2 3 虚拟样机技术使用软件的数据交换 2 3 1s o l id w o r k s 与a d a m s 的数据交换 s o l i d w o r k s 与a d a m s 之间主要有以下几种数据交换格式【2 6 j 。 1 s t e p 格式 s t e p 是t s o 在1 9 8 3 年提出的一个新的产品数据交换标准，由于数据交换技 术越来越成熟和当前的交换标准得到了改进导致了s t e p 格式的出现。由于s t e p 具有资源信息模型、描述方法、应用协议、实现形式和一致性检验这个基本功能， 它能够解决在当前现有的交换标准和数据交换中存在的这些问题。用于描述计算 机可处理的信息表达形式是唯一的，并且被s t e p 规定在产品的生命内周期内。这 种信息形式被可能要处理这种数据的应用软件独立，系统中的一致性能够得到可 靠的保证。目前而言，s t e p 技术还不够成熟，需要日益完善。 2 i g e s 格式 i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 是19 81 年由a n s i 公布为美国标 准的，如今被大量的运用了，它是以a s c i i 或二进制的形式存储图形信息，并且 能在不同的c a d 系统间进行信息交换。它只适合于在计算机集成生产中的简单的 几何模型或技术绘图，简单的几何模型和技术绘图由各个子系统领域通过信息传 送形成的。用户如果仅仅依靠i g e s 来作为我们的数据交换接口，我们是几乎是没 有办法在系统模型中得到很完整的解决方案，因此高投资的维护和大量的重复工 作是无法避免的。 3 p a r s o ii d 格式 p a r a s o l i d 格式是一款非常有名的几何造型核心系统g m s ( g e o m e t r i cm o d e l i n g k e r n e ls y s t e m s ) ，它是有e d s 公司开发出来的。如今有很多的商业软件都是用它 来作为几何核心的，比如s o l i d w o r k s 、t o p 、p a t r a n 等软件。数据交换原理 如图2 1 所示。 l o 图2 1p a r a s o l i d 数据交换原理图 p a r a s o l i d 几何核心系统能够提供相当精确的几何边界表达b r e p ，还可以在 以它为几何核心的c a d c a e 系统之间传递可靠的几何信息和拓扑信息。p a r a s o l i d 数据的拓扑实体有点、面、球、区域、体等。一般情况下，软件后置的处理器处 理传过来的这些数据的时候，边界之间和表面之间的这些公差往往都会发生公差 不配合的情况，这样使得错误的数据传送就会比较容易的发生，最严重的还会导 致数据难以读入，p a r a s o l i d 格式通过采用了容错形的造型技术手段，它能根据不 同的状况对不能够配合的这些公差来优化，而且优化之后还能保持处理连续性和 一致性，因此通过自身携带的后缀文件x m tt x t ，采用p a r a s o l i d 管道即可实现无缝 传送数据，因而避免了用i g e s 在传送数据文件时造成的一些数据会丢失及传送数 据的可靠性比较差的这些问题，与其它的一些几何核心系统比较，会有很强的优 势。因此，本研究课题中我们采用了这种标准来实现s o l i d w o r k s 与a d a m s 之间的数据传递。 2 3 2s o lid w o r k s 与a n s y s 的数据交换 在s o l i d w o r k s 中建好模型之后，将模型保存为a n s y s 支持的p a r a s o l i d 格式：x - t ，选定尺寸单位，一般为国际单位。然后打开a n s y s ，从打开目录里 将幸x j 文件打开，即可得到我们需要的有限元模型。 2 4 本章小结 本章通过对虚拟样机的概念、技术特点等进行了简单介绍，阐明了基于虚拟 样机技术的优越性。并对本课题实现虚拟样机技术的多体动力学分析软件 a d a m s 、三维建模软件s o l i d w o r k s 、有限元分析软件a n s y s 做了简单的介 绍。最后对s o l i d w o r k s 、a d a m s 、a n s y s 三款软件之间的数据交换进行了分 析说明，说明了它们之间的数据交换是可行的。 第三章垃圾车压缩系统的设计 压缩式垃圾车是一种目前国内外垃圾车中复杂的车型，该种车是机电液一体 化结合的产品，融合了现在的高新技术，运动关系比较复杂，因此这种垃圾车的 设计难度非常大。压缩式垃圾车主要由车厢，推板机构，压缩系统以及液压系统 和控制系统组成，而其最核心的工作装置一压缩系统是整个垃圾车研发的关键装 置，运动关系复杂，工况也很复杂，通过控制系统的自动控制从而实现对液压系 统的油路控制，使得滑板和刮板按照设计要求循环动作，逐步把垃圾压入到箱体 里面去，直到装满整个车厢。通过这种自动化控制，有效的解决了工人劳动强度 过大和二次污染严重的问题，工作效率也得到了大大的提升。近几十年来，在市 中出现了各式各样的一些压缩系统，但是有很多种形式在市场中的反应不是很理 想，因此设计出具有智能化程度高、密封性好、压缩比高、结构简单耐用及装载 性能优良压缩系统是赢得市场的保障。 3 1压缩系统的形式优选 压缩系统主要由压缩机构和装填厢组成，下面分别对压缩机构与装填厢进行 了方案的优选。 3 1 1压缩机构的优选 截止到目前为止，垃圾压缩机构主要有滑动刮板式压缩机构、摆动一滑动刮板 式压缩机构、摆动刮板式机构、连杆刮板式压缩机构、定轴转动刮板式压缩机构【3 。 1 滑动刮板式压缩机构 滑动刮板式压缩机构是由沿斜槽滑动的可旋转的刮板组成，刮板首先逆时针 外摆张开，然后沿着斜槽滑至最低点后，刮板顺时针内摆将垃圾刮起，再沿着斜 槽向上滑动，把垃圾压入车厢。如图3 1 所示。 玲玲玲玲 ) t b ) t c ) ( a ) 刮板外摆，垃圾倒入尾箱( b ) 滑板下降 ( c ) 刮板内摆，刮起垃圾( d ) 滑板沿滑槽上升， 图3 1 滑动刮板式压缩机构 1 2 d ) 垃圾被压入车厢 2 摆动一滑动刮板式压缩机构 相比滑动刮板式压缩机构，摆动一滑动刮板式压缩机构的滑动是不固定的，而 是可绕上绞点摆动。刮板刮起垃圾沿滑槽上升后再摆动，这样能更好的将垃圾压 入车厢。如图3 2 所示。 ( d ) j ( a ) 倒入垃圾( b ) 刮板反转( c ) 滑槽反转 ( d ) 刮板滑下( e ) 刮板转动，提升垃圾( f ) 滑槽摆动将垃圾装入车厢 图3 2 摆动一滑动刮板式压缩机构 3 摆动刮板式压缩机构 摆动刮板式压缩机构是由刮板和摇臂构成的，在摇臂的一头铰接刮板，刮板 可绕摇臂的上下绞点运动，刮板的实质运动就是绕两个不同的轴心进行转动。如 图3 3 所示