毕业设计：基于ADAMS的液压挖掘机工作装置的模拟仿真分析 全套

1、学士毕业论文1 绪论1.1液压挖掘机发展现状1.1.1挖掘机的发展概况挖掘机械的最早雏形，远在十六世纪于意大利威尼斯用于运河的疏浚工作。随着工业发展，科学技术的进步，单斗挖掘机也由于新技术、新工艺的采用而不断地发展改进,但它的基本工作原理至今未变。动力装置以及控制方式的不断革新，基本上反映了挖掘机发展的以下几个阶段：1.蒸汽机驱动的挖掘机，从发明到广泛应用，大约经历了100年。当时主要用于开挖运河和修建铁路。结构型式由轨道行走的半回转式，发展到履带行走的全回转式。2.挖掘机传动型式的液压化，是挖掘机由机械传动型式的传统结构发展到现代结构的一次跃进。随着液压传动技术的迅速发展，四十年代至五十年代

2、初挖掘机开始应用于液压传动，并且由半液压发展到全液压传动。产量日益增长，六十年代初期液压挖掘机产量占挖掘机总产量的15%，发展到七十年代初期占总产量90%左右，近年来，西欧市场出售的挖掘机几乎己全部采用液压传动。与此同时，斗轮挖掘机、轮斗挖沟机等工作装置和臂架升降等部分也采用了液压传动。大型矿用挖掘机在基本传动型式不变的情况下，其工作装置也改为液压驱动。3.控制方式的不断革新，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操作和电气控制，无线电遥控。最近又出现了电子计算机综合程序控制，控制人员可在远离施工现场的集中控制室内通过工业电视监视数台挖掘机工作。1.1.2液压挖掘机的发展趋

3、势液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石施工中均占有重要位置。并反映了这些部门的施工机械化水平。是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备，是国民经济建设迫切需要的装备。重视和加速挖掘机改进创新，稳定提高产品质量，满足用户需求，对加速现代化工程建设有着重大的意义。一.液压挖掘机国外发展现状液压挖掘机的生产水平反映机械化施工的水平和能力。国外，特别是西欧几个国家从50年代开始研制液压挖掘机，到60年代中小型液压挖掘机已成批生产;70年代初液压挖掘机斗容己发展到8m3，开始进入矿山开采;80年代大型液压挖掘机技术已成熟，生产斗容16-35 m3

4、，机重达650t。目前国外已停止斗容在8m3以下机械挖掘机的生产，斗容大于16m3的液压挖掘机是机械挖掘机的强大竞争对手。国外各制造公司正在研制微机控制的智能化液压挖掘机，并有所突破。建筑和矿用液压挖掘机的销售量在机械设备市场上占有显著的地位。据不完全统计，1990年建筑和矿用设备在全球销售额约为450亿美元，而液压挖掘机的销售额以100亿美元高居榜首。据推测，大型和微型液压挖掘机年增长率分别为24%和35%。1990年全世界建筑和矿用液压挖掘机(履带式)的产量已达9.23万台，其中76%是日本生产的，欧洲产量占有17%。近年来，大型液压挖掘机越来越多地占领了机械挖掘机的市场。液压挖掘机逐步取

5、代机械式挖掘机是必然的趋势。二.液压挖掘机国内发展概况我国从1958年开始研制液压挖掘机，逐步形成了1-2.5m3小型液压挖掘机系列，具有一定生产规模，斗容1-7.5m3，的液压挖掘机年产量超过1000台。1983年以后采用引进技术方式进行生产，加快了液压挖掘机的发展，上海建筑机械厂按德国利伯赫尔公司许可证生产了R942，相继又生产了R962、R972、R982等液压挖掘机。杭州重机厂与德国德马克公司合作生产H55和H85等液压挖掘机。太原重型机器厂与德马克公司合作生产H121型液压挖掘机。北京建筑机械厂引进德国0&K公司制造技术生产HR6型液压挖掘机。所有这些与国外合作生产德液压挖掘

6、机比国内现用的液压挖掘机生产效率高25%、机重轻10%。国产化率逐年提高，设备利用率为90%。长江挖掘机厂在引进国外技术的基础上生产斗容1.62.5m3的WY160型液压挖掘机，采用Deutz公司柴油机、Mannemsnan公司减速机和液压元件。装有正铲、反铲、梅花抓斗等多种工作装置。天津工程机械研究所与泰安工程机械厂生产的脚32型液压挖掘机，机重32t于1993年8月通过鉴定。该机结构紧凑、机动灵活、生产效率高。能充分利用发动机功率、节能效果好。但目前国产液压挖掘机数量少，多为斗容2.5m3以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我国尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需要。从产品

7、技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段。试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。柴油机、液压和密封元件等配套件的质量和可靠性差，使用寿命短。高强度的原材料缺乏，制造技术落后，装备水平低。计算机技术在液压挖掘机上应用正在研制过程中。需要解决的关键技术较多:如履带行走装置中履带板和链轨节的轧制和模锻技术;支重轮、托轮均采用浮动密封，其制造技术、耐磨技术和密封技术;铲斗设计合理性、耐磨性以及高强度钢板焊接技术;液压系统和元件的设计技术、大尺寸高压油缸的制造技术;电子监控与检测技术;整机性能参数的测试技术，大型结构件加工质量控制与制造技术等基础

8、技术和关键技术靠自行研制和测绘仿制势必旷日持久，满足不了国民经济重点工程发展的需要。纵观我国液压挖掘机30余年的发展历史，大致可以分成以下几个阶段:1开发阶段(1967年1977年)。以测绘仿制为主的开发，通过多年坚持不懈的努力，克服一个一个的困难，有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功，为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。2.液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(19781986年)。这个阶段通过各主机生产厂引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植，使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初期的水平。全国液压挖掘机平均年产量达到123

9、0台。3.液压挖掘机生产企业数量增加，新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合，合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987年1993年)。由于国内对挖掘机需求量的不断提高，新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术，其产品批量或小批量的投放国内市场或出口，打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面，引进了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。4.国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大，广大用户为了提高施工质量和按期完成施工任务，对使用高质量、高水平、高效率挖掘机的兴趣日趋浓厚。国外各著名挖掘机制造厂商纷纷前来

10、中国创办合资、独资挖掘机生产企业(1994至今)。从1994年开始，特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司率先在徐州金山桥开发区建立了生产液压挖掘机的合资企业，随后日本小松制作所、日立建机株式会社、神户制钢所、韩国大宇重工业、现代重工业以及德国利勃海尔公司等都相继在中国建立了合资、独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机。三.挖掘机开发重点方向当前液压挖掘机的研制和改进，主要着眼于：1发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效的功，其中包括动力装置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统

11、(如恒压恒功率调节等)的研究等。2铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标，大型矿用反铲挖掘机更为重要，目前是通过工作装置铰点最佳位置，采用高压与超高压技术，提高整机稳定性和采用随动机构使铲斗随动做恒角切削等方面进行研究。根据上述发展要求，新研制的液压挖掘机在整机、工作装置、液压系统与元件、行走装置、操纵系统和材料作用等方面有很多发展动向，下面主要谈一下前两个方面的内容:(1)整机液压挖掘机的整机发展，趋向于大型化、微型化、多能化和专用化。大型矿用全液压挖掘机在短短几年内已由100吨发展到420吨级，功率提高到2352马力，斗容达30米，目前发展仍是

12、方兴未艾。大型机的特征是动力源采用两台或多台柴油机联合驱动，采用了节省能源、回收功率和积蓄能等功率有效利用的措施。结合城市建设和农村建筑的需要，国外发展了微型挖掘机，斗容量一般在0.25米以下，最小的达0.01米。微型机的特点是结构简单，轻便灵活，零部件尽量提高标准化程度。数量最庞大的中型机和小型机趋于一机多能的途径，有的国家统计，非建筑用的中、小型机已占30%左右，主要是在冶金工业和林业中作物料装卸和其他用途。中型机和小型机的特点是发展多种专业装置进行不同的作业(也有通过液压接头，带动装在工作装置旁的油马达，驱动另一输送设备)，不断提高性能，贯彻三化和提高单位机重的功率等。发展专门用途的特种

13、挖掘机，可以提高工作效率，解决特殊施工困难，例如，目前发展有步履式、履带低压式、低噪音、水下专用、水陆两用等品种。配合水下资源的开发，对水下专用挖掘机更较重视，开展了无线电遥控、电液遥控和同步显示控制技术在水下挖掘机中应用的研究。(2)工作装置液压工作装置的型式进一步扩大，除了常用的正铲、反铲以外，发展了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击工具、集装叉、高空作业架、绞盘与拉铲等几十种品种。工作装置的更换快速而简便，甚至在司机室内按动电钮，几秒钟即可换好，并且通过挖掘过程的研究，来控制工作装置的挖掘轨迹。目前正在研究连杆式、仿形式、套筒伸缩式、斗杆追随

14、式和具有运算输入装置的轨迹控制装置。展望未来，液压挖掘机的进一步发展，可以设想为:1.提高功率与机重的比率，这是最关键的内容。采用特种高强度钢材，设计重量轻、强度高的挖掘机，并用优化设计方法达到机械各项指标的均衡。2.铲斗和斗齿引用振动技术，不用强力而增大贯入性，加大斗容量。矿用挖掘机具有特种装置，可以直接开挖一般矿石，而毋需爆破。采用功率可调的激光装置进行挖掘。3.用燃气轮机取代活塞式柴油机，燃气轮机直接与高压油泵相连。然而，由于环境保护的原因，燃气轮机最后将被燃料电池所取代，由燃料电池发电驱动液压挖掘机。4.液压系统将会简化，执行元件的运动直接由油泵控制，而不用换向操纵阀。工作装置各铰点装

15、以密封式摆动油马达，取代工作油缸。5.带行走装置增加行驶速度，重新设计行走传动，不用常规的刚性车架。采用气垫行走支承装置代替履带，减少接地比压，便于定位。图1-1反铲装置结构简图1.2液压挖掘机反铲装置的结构及工作特点液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃(通常装有斗齿)切削土壤并将土装入斗内。斗装满后提升，回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。当挖完一段土后，机械移位，以便继续工作。1.2.1液压挖掘机反铲装置的结构组成液压挖掘机为了实现上述周期性作业动作的完成，装备有下列基本组成部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动操作机构，行走装置和辅助设备。本文主要对工作

16、装置的反铲装置进行分析。反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置。目前广泛应用的斗容量在1.6m以下。它由斗杆油缸1、斗杆2、动臂3、铲斗油缸4、动臂油缸5、摇杆6、连杆7和铲斗8组成,如图1-1，其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，动臂下铰点铰接在转台上，利用动臂油缸的伸缩，使动臂绕动臂下铰点转动，依靠斗杆油缸使斗杆绕动臂的上铰点摆动。而铲斗铰接于斗杆前端，并通过铲斗油缸和连杆使铲斗绕斗杆前铰点转动。为增大铲斗转角，通常以连杆机构与铲斗连接。从而通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。1.2.2液压挖掘机反铲装置的工作特点液压挖掘机的反铲装置主要用于挖掘停机面以下土壤(基坑、沟壕等)

17、。其挖掘轨迹决定于各油缸的运动及其相互配合情况。通常情况下，分为动臂挖掘、斗杆挖掘、转斗挖掘等几种情况：1.动臂挖掘:当采用动臂油缸工作来进行挖掘时(斗杆和铲斗油缸不工作)可以得到最大的挖掘半径和最长的挖掘行程。此时铲斗的挖掘轨迹系以动臂下铰点为中心，斗齿至该铰点的距离为半径所作的圆弧线。其极限挖掘高度和挖掘深度(不是最大挖掘深度)即圆弧线之起终点，分别决定于动臂的最大上倾角和下倾角(动臂与水平线之夹角)，也即决定于动臂油缸的行程。由于这种挖掘方式时间长而且由于稳定条件限制挖掘力的发挥，实际工作中基本上不采用。2.斗杆挖掘:当仅以斗杆油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹为圆弧线，弧线的长度与包角

18、决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大下倾角，并以斗杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度尺寸，并且也有较大的挖掘行程。在较坚硬的土质条件下工作时，能够保证装满铲斗，故挖掘机实际工作中常以斗杆油缸工作进行挖掘。3.转斗挖掘:当仅以铲斗油缸工作进行挖掘时，铲斗的挖掘轨迹也为圆弧线，弧线的包角及弧长决定于铲斗油缸的行程。显然，以铲斗油缸工作进行挖掘时的挖掘行程较短，如使铲斗在挖掘行程结束时装满土壤，需要有较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤。所以一般挖掘机的斗齿最大挖掘力都在采用铲斗油缸工作时实现。采用铲斗油缸挖掘常用于清除障碍，挖掘较松软的土壤以提高生产率。因此，在一般土方工程挖掘中，转斗

19、挖掘较常采用。在实际挖掘工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。如当挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁时，则需采用动臂与斗杆两种油缸的同时工作，当挖掘坑底，挖掘行程将结束为加速将铲斗装满土，以及挖掘过程需要改变铲斗切削角等情况下，则要求采用斗杆与铲斗油缸同时工作。虽然此时挖掘机的挖掘轨迹是由相应油缸分别工作时的轨迹组合而成。显然，这种动作能够实现还决定于液压系统的设计。当反铲装置的结构形式及结构尺寸己定时(包括动臂、斗杆、铲斗尺寸、铰点置，相对的允许转角或各油缸的行程等)，即可用作图法求得挖掘机挖掘轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位置时所控制到的工作范围（如图1-2），

20、图上各控制尺寸即液压挖掘机的工作尺寸。对于反铲装置主要的工作尺寸为最大挖掘深度和最大挖掘半径。包络图中可能有部分区间靠近甚至深入到挖掘机停机点底下，这一范围的土壤虽可挖及，但可能引起土壤的崩塌而影响机械的稳定和安全工作，除有条件的挖沟作业外一般不使用。挖掘机反铲装置的最大的挖掘力决定于液压系统的工作压力、油缸尺寸，以及各油缸间作用力之影响(斗杆、动臂油缸的闭锁压力及力臂)外，还决定于整机的稳定和地面附着情况。因此反铲装置不可能在任何位置都能发挥最大挖掘力。图1-2反铲装置工作示意图1.3反铲装置的设计原则1.主要工作尺寸及作业范围的要求，在设计时应考虑与同类型相比时的先进性，性能与主参数应符合

21、国家标准之规定。2.满足整机挖掘力大小及分布情况的要求3.功率利用情况好，理论工作循环时间短。4.确定各个铰点布置，结构形状应尽可能使受力状态有利，在保证刚度和强度的前提下，重量越轻越好。5.应考虑到通用性和稳定性。6.运输或停放时应有合理的姿态。7.液压缸设计应考虑三化，采用系列参数。8.工作装置应安全可靠，拆装方便。9.满足特殊使用要求。1.4课题的主要内容及研究意义自20世纪80年代以来，随着国外一些先进软件进入我国，挖掘机的软件化分析逐渐发展起来，并已初具规模。在众多的软件中，运用比较多的有ANSYS、ADAMS、DADS、MEDYNA等。目前对挖掘机进行分析，其所做的工作涉及很多方面

22、，这里主要归纳一下关于挖掘机工作装置的分析：对工作装置的运动分析，是其他分析与设计（如控制）的基础。历来这方面的研究都在不断进行，研究的成果很多，理论基础也比较成熟。本论文主要利用ADAMS软件对液压挖掘机反铲装置进行运动学分析，在研究过程中，主要完成以下内容：1.对挖掘机反铲装置各参数进行分析，并推导出反铲装置的各个构件铰点的位置坐标，这是进行反铲装置分析的基础；并且进行了运动学分析。2.运用ADAMS的View模块，建立简化的反铲装置模型并对其参数化，在此基础上对铲斗连杆机构进行运动仿真，获得了挖掘机铲斗齿尖的运动轨迹图，从而得到最大卸载高度、最大挖掘半径、最大挖掘高度等基本工作性能参数。

23、2 液压挖掘机反铲装置的分析某液压挖掘机反铲装置的结构简图如下：图2-1挖掘机反铲装置结构简图表2-1挖掘机构杆长符号CFFQQVACCDCBDFEFGFl1l2l3l5l6l7l8l8l10尺寸（mm）25601745907453107016161608420349符号EGMNGNFNNQBFKQKVMKl11l14l15l16l21l22l24l25l29尺寸（mm）580375144015501959442451045333表2-2油缸尺寸符号ABDEGMUCACL1L2L3尺寸（mm）MinMaxMinMaxMinMaxXCYC11972032118017801194196995400

24、630整机工作性能参数：1.铲斗容量0.8 m3；2.最大挖掘深度7.00 m；3.最大挖掘高度2.36 m；4.最大挖掘半径7.00 m；5.最大卸载高度1.40 m。2.1反铲装置运动学分析反铲装置的几何位置取决于动臂油缸的长度L1，斗杆油缸的长度L2和铲斗油缸的长度L3。当L1、L2、L3为一组定值时，便有斗齿尖坐标(XV, YV)的一组值与其对应；反之，对于XV和YV的一组定值却有许多组L1、L2、L3值与其对应。2.1.1动臂机构动臂摆角UCF是动臂油缸L1的函数。动臂上任意一点在任一时刻的位置坐标也都是L1的函数。动臂的摆角UCF和各点瞬时位置坐标，如图2-2：图2-2动臂机构计算

25、简图一.动臂的摆角UCF：=UCA=950；ACU=/180×pi；ACB=arccos(l52+l72-l12)/(2×l5×l7)；BCU=ACU?ACB；BCF=arccos(l72+l12-l222)/(2×l7×l1)；UCF=BCU-BCF; （2-1）由此我们可以得到动臂的摆角，其随着动臂油缸L1的变化而变化。二.各点瞬时位置坐标：1.F点坐标：XFC=l1×cos(UCF)； YFC=l1×sin(UCF)；XFC=XC+XFC； YF=YC+YFC； （2-2）2.A点坐标：XA=XC+l5×co

26、s(ACU)； YA=YC+l5×sin(ACU)； （2-3）3.B点坐标：XB=XC+l7×cos(BCU)； YB=YC+l7×sin(BCU)； （2-4）4.D点坐标：FCD=arccos(l62+l12-l82)/(2×l6×l1)；UCD=UCF+FCD； XD=XC+l6×cos(UCD)； YD=YC+l6×sin(UCD)； （2-5）由此可得在最大挖掘半径，即动臂油缸L1=1630mm时，A、B、D、F的位置坐标（如表2-3），这为后面利用ADAMS软件进行建模提供了依据，按同样方法可得到其他点的坐标值

27、。表2-3与动臂相关点的位置坐标变量名称XAYAXBYBXDYDXFYFUCF值（mm）3501150200095013501280295010505702.1.2斗杆机构斗杆的位置参数是动臂油缸和斗杆油缸的函数。这里暂先讨论斗杆相对于动臂的运动，也即只考虑的影响。斗杆机构与动臂机构性质类似，它们都是四连杆机构，但连杆比不同。斗杆相对于动臂的摆角CFQ和各点的瞬时位置坐标（图2-3）：一斗杆相对于动臂的摆角CFQ：DFE=arccos(l82+l92-l22)/(2×l8×l9)；CFD=arccos(l82+l12-l62)/(2×l8×l1)；EFG

28、=arccos(l92+l102-l112)/(2×l9×l10)；NFG=arccos(l102+l162-l152)/(2×l10×l16)；NFQ=arccos(l22+l162-l212)/(2×l2×l16)；CFN=2×pi-CFD-GFE-EFG-NFG;CFQ=CFN-NFQ; (2-6)二各点瞬时位置坐标：1.N点坐标： 2.E点坐标：UFC=pi/2-UCF；UFD=UFC+CFD；UFE=UFD+DFE； XE=XF-l9×cos(UFE-pi/2)；YE=YF+l9×sin(UFE

29、-pi/2)； (2-7)3.G点坐标：UFG=2 ×pi-(UFE+EFG)；YG=YF+l10×sin(UFG-pi/2) (2-8)表2-4斗杆机构相关点的位置坐标变量名称XNYNXEYEXGYGCFQ值（mm）4450700215012503150135015802.1.3铲斗机构铲斗相对于斗杆的摆角UQV和各点的瞬时位置坐标一铲斗相对于斗杆的摆角UQV：KQV=arccos(l32+l242-l252)/(2×l3×l24)；UQN=arccos（XQ-XN)/l21）； UQM=UQN-24；UQN=2×Pi-（UQN-24-26K

30、QV); (2-9)二各点瞬时位置坐标：1.Q点坐标：;QCF=arccos(CQ2+l12-l22)/(2×l1×CQ)；UCQ=UCF-QCF;XQ=XC+CQ×cos(UCQ); YQ=YC+CQ×sin(UCQ); (2-10)2.M点坐标：XM=XQ+l26×cos(UQM); YM=YQ+l26×sin(UQM)； (2-11)3.K点坐标：UQK=UQN-24-26；XK=XQ+l24×cos(UQK); YK=YQ+l24×sin(UQK)； (2-12)4.V点坐标：XV=XQ+l3×c

31、os(UQV); YV=YQ+l3×sin(UQV)； (2-13)利用V点的坐标式可以算出当油缸长度和为任意一组值时斗齿尖的位置坐标。由此可得当L1=1630mm，L2=1180mm，L3=1194mm时，Q、M、K、V点的坐标，如下表。表2-5铲斗相关的点的位置坐标变量名称XQYQXMYQXXYXXVYVUQV值（mm）465065041509504500900555070013203 基于ADAMS软件的虚拟仿真分析3.1虚拟样机技术及其发展企业要提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发周期，同时提高产品的设计质量和降低开发成本，这样才能满足市场不断变化的需求。新产品的开发与研制往

32、往涉及许多相关学科，例如液压挖掘机的设计涉及机械、液压传动、电液控制、人机工程和外观造型等，而一个综合最优解必须兼顾各个学科。因此开发过程中制造的，用来获取产品综合性能评价和直观感受的产品样机是产品创新中的重要支撑因素，而传统物理样机开发模式在人力物力上的巨大浪费往往与产品的复杂程度成正比，虚拟样机技术就是在这种迫切需求的驱动下产生的。3.1.1虚拟样机技术简介随着世界经济和科学技术的飞速发展，市场全球化和竞争的日益激烈。企业为了提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计，这样才能满足市场不断变化的需求。虚拟样机技术(Virtual Proto

33、typing)就是在这种迫切需要的驱动下产生的。虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在某一系统中零部件的CAD和FEA技术)柔和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。3.1.2虚拟样机技术产生背景随着人类迈进21世纪，经济贸易全球化和我国加入WTO，产品消耗结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场需求，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降

34、低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。然而，传统的设计与制造方法无法满足这些要求。传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。设计完成后，为验证设计，通常要制造样机进行实验，有时实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计-实验-设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场背景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的

35、降低和对市场的占有。为了克服传统机械设计制造过程的弊端，缩短设计制造周期，降低成本，一种新的技术应运而生，这就是虚拟样机技术。3.1.3虚拟样机的提出及相关概念1.虚拟样机技术的提出企业要提高竟争力，必须缩短新产品研制和开发周期，同时提高产品的设计质量和降低开发成本，这样才能满足市场不断变化的需求。新产品的开发与研制往往涉及许多相关学科，例如液压挖掘机的设计涉及机械、液压传动、电液控制、人机工程和外观造型等，而一个综合最优解必须兼顾各个学科。因此，开发过程中制造的，用来获取产品综合性能评价和直观感受的产品样机是产品创新中的重要支撑要素。而传统物理样机开发模式在人力物力上的巨大浪费往往与产品的复

36、杂程度成正比，虚拟样机技术就是在这种迫切需求的驱动下产生的。虚拟样机中的所谓“虚拟”，是相对于实际的物理样机而言的，体现了样机的数字化。虚拟样机技术就是不必建造物理样机，设计师直接利用计算机技术建立产品整机的数字模型，通过仿真分析并以图形显示该模型在真实工程条件下的运动特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。虚拟样机技术是一门综合学科的技术，该技术以CAD和仿真技术为核心，加以三维计算机图形技术和用户界面技术，将传统松散关系的零部件设计和分析(例如零件CAD和有限元分析)集成在一起，提供一个全系统研究产品性能的方法。在整个设计过程中都可反馈信息，指导设计，迅速获得产品最优解。2.虚拟样机技术的

37、概念虚拟样机有两种提法:Virtual Prototype和Virtual Prototyping前者是相对物理样机而言，可以液压挖掘机虚拟样机系统仿真分析定义为利用计算机仿真技术建立的，取代物理样机进行评估和测试获取候选设计方案特性的等效数字模型，是存在于计算机中的参数化“软模型”，它能像物理样机一样，反映最终产品的外观、结构、动力学和运动学等综合特性。后者是指为了测试和评价一个系统方案的设计，使用上述虚拟样机技术的过程。目前所泛指的虚拟样机包含以上两部分内容，简称VP。虚拟样机环境是指包含虚拟样机，将CAD实体造型技术、系统仿真、人机交互技术等集成，形成的一个支持虚拟产品设计的集成仿真环境

38、。Jasnoch和Kress从并行工程方法角度理解，认为虚拟样机环境是将多个CAD过程、知识推理过程等，通过计算机支持的协同工作技术(CSCW)、用户界面技术、设计过程管理和文档化技术集成起来，形成一个分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。虚拟样机技术正是以虚拟样机和虚拟样机环境为基础，将系统工程方法、反求工程方法、优化方法、计算机建模仿真技术、计算机辅助设计技术和计算机支持协同工作(CSCW)、产品数据管理(PDM)等有机地结合在一起，为产品的全寿命周期设计和评估提供分布式的集成环境，以达到优化整个设计周期，节约开发成本的目的。3.1.4虚拟样机技术的特点1.虚拟样机功能组成虚拟样机

39、技术实现必备的三个相关技术领域是:CAD技术、计算机仿真技术和以虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)为最终目标的人机交互技术。虚拟样机生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、便捷地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观，同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征以进行精确的机械系统动力学仿真运算。CAD生成的三维造型数据必须导入虚拟样机环境，在虚拟样机环境中能被测量和装配，并能显示出三维的外观造型后才能成为真正意义上的虚拟部件。CAD三维造型还是实现从虚拟部件“制造”到现实部件制造的基础。 虚拟样机是

40、代替物理样机进行检测的数学模型，它的内核是包含组成整机的不同学科子系统的大模型，即Digital Mock-Up,简称DMU。由于DMU同时包含产品涉及的所有学科，提供多个视角同时对产品的外形、功能等多方面进行科学、连贯的评价，因此通过虚拟样机能进行产品综合性能评测。传统设计方法注意力集中于单学科，重视子系统细节而忽略整机性能，就是因为无法多视角对产品综合性能进行评定。虚拟样机必须具备交互的功能。设计师通过交互界面对参数化“软模型”进行控制，实现虚拟样机原型多样化。而虚拟样机反过来通过动画、曲线和图表等方式向设计师提供产品感知和性能评价。虚拟现实环境下，除应用上述传统方式外，设计师还能通过修改

41、虚拟部件的参数，对虚拟部件重新装配，生成新的虚拟样机。虚拟样机仿真模型则通过力反馈操纵杆等传感装置向设计师传递虚拟样机操纵力感，通过立体眼镜向设计师提供实时的立体图像。有了这些人类对产品的直观感知，能使设计师产生强烈的“虚拟现实”沉浸感(immersive)，协助设计师和用户对产品性能做出评价。计算机网络、计算机支持的协同工作技术(CSCW)、产品数据管理(PDW)和知识管理是虚拟样机技术实现的重要底层技术支撑。通过这些技术将产品的各个设计、分析小组人员联系在一起，共同完成新产品从概念设计、初步设计、详细设计直到方案评估整个开发过程。2.虚拟样机的生成流程第一阶段:产生描述虚拟部件的CAD数据

42、，并作针对实时应用的预处理。CAD数据可采用反求工程方法从现有产品上获取或直接在CAD三维造型软件中设计产生。通常的网格格式(mesh-models)须转换为实体格式(volume models)以获取外观表面特征及质量、重心等内在特征。虚拟样机设计的目的是将包含CAD造型的数学模型在计算机上进行仿真试验，得到可用于效能评估的样机仿真运行数据，一般需要实时或半实时特性。但CAD数据非常复杂，包含许多零件细节，这与实时仿真时图形的快速处理相矛盾，因此最后输出的CAD数据应适当简化。常用方法是在不影响视觉效果和仿真计算精度的条件下减少构成实体造型的多边形数目。第二阶段:是针对DMU仿真的需要对CA

43、D几何造型进行后处理。首先是对模型的几何部件进行分层管理，以支持对每个零部件的交互访问，实现参数修改。其次是给零部件添加颜色、材质等属性，赋予虚拟部件的真实外观;最后为CAD几何造型准确导入到虚拟仿真环境中进行处理，建立参考坐标系。第三阶段:是将处理好的CAD三维模型连接到虚拟样机内核DMU上，使之与己定义的运动联接(Joints)、运动约束(Constraints)的机构系统以及其他子系统联系在一起，最后在虚拟仿真环境中生成虚拟样机。虚拟样机首次生成，意味着参数化的DMU仿真模型建模完成，即该产品的虚拟样机设计从此具备了原型多样化的能力。虚拟样机具有重用性，新的样机可以共享前面生成样机过程中

44、产生的CAD数据和模型，不必从第一阶段至第三阶段按部就班地进行，使新样机的生成或修改速度大为提高。3.虚拟样机技术的优点虚拟样机技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参数是物理样机的设计参数，仿真模型代替物理样机进行设计参数的测试评估。虚拟样机因为参数修改方便，相比物理样机而言是“软模型”，能轻易地实现原型地多样化，柔性好。虚拟样机技术无需制造实物样机就可预见和预测产品的性能，节省了物理样机制造装配时间，减免了高昂成本的物理样机制造过程，降低了成本开发，同时减少了不合理方案盲目上马的危险。传统的设计思想是个串行的过程，从设计到产品的批量生产按照从前至后的顺序进行。这种方法因液压

45、挖掘机虚拟样机系统仿真分析为在设计开发的最后阶段前无法得到整个样机，所以在开发过程中各个小组往往把注意力集中在各自的细节上而忽略了整机性能，最终产品集成后存在冲突缺陷。目前并行工程的概念(Concurrent Engineering)在设计领域得到了广泛应用，但大多仅对单个零部件采用并行设计方法，同样导致整机系统效果不够理想。而虚拟样机技术的核心是包含各个学科子系统的数学大模型DMU，使虚拟样机技术具备整机性能评估的条件，强调从系统层面上优化，重视整机性能。因此在产品开发设计阶段就可快速比较不同设计方案。这样在开发早期及整个设计过程中能及时发现问题并反馈，整个设计过程得到优化。 基于虚拟样机技

46、术的产品开发数据管理是建立在Internet&Intranet之上的，具有高度的并行性，使设计中各阶段速度和整个产品设计阶段的总速度提高。虚拟样机技术通过虚拟样机为媒介，实现在产品开发的全过程与用户的紧密结合，产生比传统CAD技术更深层、更实质性的交流。虚拟样机技术直接将人类的创造能力、设计师丰富的设计经验与计算机强大的数据运算和数据存储功能完美结合，把计算机辅助设计活动提升为积极参与的主体活动，形成优势互补、人机融合的产品设计开发环境。虚拟样机技术结合虚拟制造进行可制造性评价后，能具备高度的生产柔性化和快速的市场反应能力，大大增强企业的竞争力。3.1.5虚拟样机技术的研究及应用现状虚

47、拟样机技术仍处在发展阶段，各个国家都开始对这门新技术进行深入的研究，但尚未形成系统完整的理论体系。虚拟样机和虚拟样机环境在不同应用领域中存在不同的定义，其定义发展过程就是虚拟样机技术研究发展的过程。美国国防部将VP定义为:采用计算机仿真建模技术建立与物理样机相似的数字模型，并对该模型进行评估和测试，从而获取候选物理模型设计方案的特性。虚拟样机环境是将具有不同运行规律(如刚体动力学和流体传动)的多个模型集成起来，通过仿真测试来得到关于该样机方案的性能描述，以此指导系统和参数的优化设计，提高样机模型开发的效费比，缩短产品研制周期。Jasnoch和Kress等人从并行工程角度认为虚拟样机技术是一个基

48、于计算机、桌面化的分布式环境，支持产品设计过程中的并行工程方法。Stefan Haas等人则从集成开发角度认为，虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发(Integrated Product and Process Development，简称IPPD)的概念不可分割。PV过程将产品概念开发直至生产的所有活动集成在一起，对产品开发整个过程进行优化。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机必须依赖IPPD才能实现。虚拟样机技术将多种计算机技术、计算机辅助技术结合在一起。目前研究重点是如何利用这些技术，产生物理样机替代可信度高的产品虚拟样机。主要研究方向是虚拟环境中的集成技术、虚拟样机环境中的可视化建

49、模技术、虚拟环境中的协同工作流技术等。目前国际上商品化专用虚拟样机软件逐渐在工程设计实践中得到应用。功能强大的商业软件正由少数专家使用的研究工具逐渐面向普通工程设计人员。虚拟样机技术在国内的研究范围还较小，一般仅集中在多体动力学系统实验室研究阶段，由于缺乏相应软件，很少用于解决工程实践问题。3.2虚拟样机技术在液压挖掘机领域的应用液压挖掘机产品质量的高低是产品设计、制造、企业管理水平的综合反应。挖掘机在产品生命周期内各个阶段的销售量、成本、价格、利润的一般变化规律如下：1.投入期:投入期中的挖掘机设计还没有完全定型，生产工艺也不够成熟，因此质量和性能不太稳定。生产的批量较小，一般是单件或小批生

50、产。2.成长期:挖掘机转入批量生产和扩大销售的阶段。这时设计、工艺成熟，挖掘机基本定型。3.成熟期:挖掘机寿命周期的黄金时代，给企业带来巨额利润的时期，但同时是竞争激烈的时期。固定用户群已形成，挖掘机销量达到顶峰，该型号市场需求趋向饱和。需考虑开发新产品。4.衰退期:该型号挖掘机进入衰退期后，逐渐退出市场。液压挖掘机具有普通机械产品生产必须满足市场所提出的TQCS要求的共性。所以要缩短以设计、试制为主要内容的投入期，节省投入成本，尽快进入利润丰厚的成熟期。此外由于传统物理样机开发模式在人力、物力和时间上的巨大浪费往往与产品的复杂程度成正比，因此液压挖掘机作为复杂工程机械的特殊性，对开发的时效性

51、要求更高。在现有挖掘机产品进入衰退期之前，就应考虑现有产品的改进或新产品的开发。虚拟样机在挖掘机设计、制造的全过程都可发挥重要的作用，参与从初始概念直至最终成品制造的全过程。在制造之前，可视的虚拟样机可用来确定挖掘机外形，检查设计规划和工作进程，支持方案可行性分析、进行装配和人体工程的研究。在挖掘机开发的投入期应用虚拟样机技术能缩短设计周期，节约设计经费。在挖掘机产品制成之后又可以进行虚拟样机仿真实验，代替物理样机实验进行子系统及参数的优化。挖掘机进入衰退期，利用原有的数字虚拟样机可以修改原型，实现挖掘机产品快速创新设计。液压挖掘机有别于其他机械的另一个特点是：工作环境恶劣，通常工作在地质情况

52、复杂、载荷情况多变、大气条件差的条件下。液压挖掘机物理样机试验必须模拟不同工况，费时费力。另外挖掘机造价很高，尤其是附带各种检测设备的物理样机单机成本极高。而试验的破坏性往往很大，反复试验不仅延长设计周期，还容易造成损坏，无形中提高了设计成本。采用虚拟样机技术，可使设计人员在虚拟环境中真实地模拟各种挖掘机的工作情况，快速分析多种设计方案，帮助设计人员完成无数次物理样机无法进行的危险试验，在整个仿真过程中，可以随时按照优化建议或市场用户需求修改参数，得到改进的虚拟样机，反复这个过程直至获得系统优化级的整机设计方案。3.3 ADAMS仿真软件介绍机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automat

53、ic Dynamic Analysis of Mechanical System)，是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc,现属于MSC公司)开发的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机分析软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。该软件90年代开始在我国的机械制造、汽车交通、航空航天、铁道、兵器、石油化工等领域得到应用，为各领域中的产品设计、科学研究做出了贡献。工程中利用ADAMS交互式图形环境和零件约束、力库等，进行仿真分析和比较，研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。ADAMS自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真的

54、动画或X一Y曲线图形，ADAMS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，支持ADAMS同大多数CAD、FEA及控制设计软件包之间的双向通讯。ADAMS的核心软件包括交互式图形环境ADAMS/View和仿真求解器ADAM/Solver，二者之间形成了无缝连接。用户可以利用ADAMS的工作站或PC机上建造、试验“虚拟样机”，在此基础上与其它模块集成就可以满足多方面的仿真要求。因此在产品开发过程中，工程师、设计人员应用该软件会收到以下明显效果:1.分析时间由数月减少为数日，缩短产品开发周期；2.降低工程制造和测试费用；3.在产品制造出之前，就可以发现并更正

55、设计错误，完善设计方案；4.在产品开发过程中，减少物理样机数量；5.物理样机测试有危险和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和仿真；3.3.1 ADAMS模块介绍ADAMS软件包括8个最基本的解题程序模块1.ADAMS/View：ADAMS/View(用户界面模块)是以用户为中心的交互式图形环境，它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示等功能完美地集成在一起。其实体建模的内核采用Parasolid格式，除提供了丰富的零件几何图形库外，还提供了完整的约束开和力/力矩库，支持布尔运算，建模工作快速。2.ADAMS/Solver：ADMAS/Solver(求解器)是ADMA

56、S系列产品的核心模块之一，是求解机械系统运动学和动力学问题的程序。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADMAS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题。3.ADAMS/Postprocessor：ADAMS/Postprocessor(专用后处理模块)具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。ADAMS/Postprocessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算;可以输入试验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较;对分析结果曲线图进行各种编辑。4.ADAMS/Animation：ADAMS/Animation (高速动画模块)是ADAMS的一个集成的可选模块，该模块使用户能借助于增强透视、半透明、彩色编辑及背景透视等方法对已经生