回云埔基于虚拟样机的装

基于虚拟样机的装载机工作装置设计机械学院机械制造及其自动化回云埔虚拟样机技术应用于装载机设计的必要性

当今激烈的市场竞争迫使制造企业为求得生存和发展必须对多变的市场需求作出敏捷响应，不断地调整产品的设计和研发模式，并能快速地开发出新产品。而我国传统工程机械行业却由于新产品开发周期长，成本高，缺乏市场竞争力。虚拟样机技术的逐渐成熟为实现产品的快速开发，提高我国工程机械产品的设计水平和市场竞争力提供了强有力的手段。虚拟样机的概念虚拟样机（virtualPrototype）是相对于物理样机而言的，它是最终产品制造之前建立起来的计算机虚拟数字化仿真模型。这些数字化仿真模型将不同工程领域的开发模型结合在一起，从外观、功能和行为上模拟真实产品，并对产品的功能、宜人性、可制造性等多方面的性能进行综合测试，以便加快决策速度，改善产品开发的并行性。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。同物理样机相比，它可以快速地制作和修改，且数据可被重复利用，能有效地降低产品成本。虚拟样机技术的优点

1）成本低，速度快。在实际制造前，设计工程师可以通过虚拟样机方便地更改设计，进而减少物理样机数量，节约成本;并且，在计算机上建立虚拟样机的时间远远小于物理样机的制作时间，有助于加快产品的上市时间。2)有利于提高产品设计质量。产品造型设计师与结构设计师可以通过网络环境，对同一虚拟样机进行实时交流，这就避免了造型设计与结构设计严重脱节的弊端，3)易于实现原型的多样化，柔性好。利用虚拟样机技术和反求技术，可以方便、快捷而经济地实现己有产品的改型设计4)可有效支持协同设计，缩短产品开发周期。5)易于实现产品开发过程中企业与用户的交流。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结合起来，把计算机辅助设计活动提升为积极参与的主动活动，形成优势互补、人机融合的产品设计开发环境。6)容易实现多方案比较选择。由于虚拟样机便于复制和修改的特性，可以在几乎不增加成本的基础上完成多个相近的方案，以便进行比较选择，评价方案的可行性，降低不合理方案盲目上马的风险。ADAMS建立动力学仿真模型的方法仿真分析与仿真结果后处理

由ADAMS/Solver完成以下4种类型的仿真分析:l)动力学分析(Dynamic)通过求解一系列非线性的微分和代数方程，仿真分析自由度大于零的复杂系统的运动和各种力。2)运动学分析(Kinematic)通过求解一系列代数方程，仿真分析自由度等于零有确定运动的系统的运动。3)静态分析(Static)通过力平衡条件，求解构件各种作用力的静态分析。4)装配分析(Assemble)用于发现和纠正在装配过程中的错误连接以及不恰当的初始条件。工作装置在ADAMS中的建模与仿真实现装载机在插入料堆、铲取物料和提升转斗的作业过程中要克服切削物料的阻力、物料与铲斗间的摩擦力和物料的重力，这些力构成了装载机的作业阻力。在实际工作中，作用在铲斗刃口上的外载荷可分为两种情况:一是对称载荷，外载荷沿切削刃均匀分布，计算时可以用作用在斗刃中部的集中力来代替;二是偏心载荷，由于铲斗偏铲或物料的不均匀性而使得载荷不均匀分布，形成偏载情况，假设其作用点在铲斗边缘的刃口上。下文对工作装载在对称载荷工况和极限偏载工况分别进行仿真分析。仿真结果后处理工作装置有限元分析与优化

有限元方法(FiniteElementMethod)是一种借助计算机进行工程分析的离散化数值方法。有限元方法求解力学问题的基本思想是将一个连续的求解域离散化，即分割成彼此用节点(离散点)互相联系的有限个单元，一个连续弹性体被看作是有限个单元体的组合。装载机工作装置优化设计方案的实现将虚拟样机技术和神经网络、遗传算法技术结合起来，可以形成一个有效的优化设计方案，其实现步骤如下:

1）基于装载机的初始设计方案，在虚拟样机环境中建立参数化仿真模型，根据已确定的目标函数、参变量和约束条件，设置相应的仿真参数;2)在ProE中改变参变量值，再生模型，在虚拟样机环境中进行仿真并记录结果，此过程重复一定次数，得到多组仿真结果;3)用神经网络学习仿真结果形成优化目标和参变量之间的虚拟函数;4)用遗传算法进行寻优，获得一组较优的参变量值，从而得到一个较优方案;5)将该较优方案导入虚拟样机环境进行仿真，检测仿真结果并对其作出评价，若满意，则确定为最终优化方案;若不满意，则修改相关设计参数，开始新一轮优化。展望

由于装载机本身是一个复杂的机械设备，同时由于在设计分析过程中缺乏足够的实验数据，上述工作尚有许多不成熟、不完善的地方，下面就是需要进一步开展的工作:l)由于ADAMS软件包提供的与Pro/E的接口模块MECHANISM/pro并不能实现两个软件间真正意义上的无缝连接，当在Pro/E中建立的参数化实体载入ADAMS/View后，原来定义的尺寸参数就不复存在，且不能再次定义，因而不能利用ADAMS的参数分析和优化功能。因而需要对接口模块进行二次开发，实现真正的无缝连接。2)对于BP网络的训练和遗传算法寻优的具体实现还要作进一步深入的研究。3)需要建立起虚拟样机的有效性评估机制，结合物理样机仿真实验数据，分析误差产生的原因，研究出一个容错的虚拟样机系统，以确保虚