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履帶式小型甘蔗收割機底盤和鋼架設計與分析
姓名:徐錫晨
履帶式小型甘蔗收割機底盤及鋼架的設計與分析 摘要 小型甘蔗收割機對加快我國西南各省甘蔗種植的機械化，減輕農(nóng) 民在收割收割環(huán)節(jié)的開支,，增強我國制糖業(yè)國際競爭力具有極其重要 的意義,。本文基于國家自然科學基金資助項目“基于知識的甘蔗收獲 機械智能設計系統(tǒng)關鍵技術研究”的建造模型及其仿真的基礎部分， 主要運用虛擬設計及虛擬仿真技術,，通過對虛擬甘蔗收割機模型進行 計算和設計,，搭建虛擬實驗平臺,，為將來的物理樣機建造提供指導性 建議。其中具體包括以下工作: (1)分析國內(nèi)外甘蔗收割機研發(fā)和使用的現(xiàn)狀,，根據(jù)我國西南地 區(qū)的地形,、地貌，借鑒成功的設計經(jīng)驗,，總結(jié)國外機械在我國的“水 土不服”和國內(nèi)機械在技術方面的不足,，設計了適合我國丘陵地帶的 小型甘蔗收割機。應用虛擬設計技術,，通過虛擬仿真以驗證設計方案 的正確與否,，對物理樣機起到指導性作用。 (2)應用履帶式小型機械的設計方法,，根據(jù)廣西甘蔗種植的實際 情況,，設計和計算了履帶式底盤的主要參數(shù)。并根據(jù)計算得出的主要 參數(shù),，選擇了適合本機的履帶行走裝置,。在此基礎上，計算了小型甘 蔗收割機的兩種不同布置方案的重心位置,、傾翻角,，并給出指導性建 議。 (3)在ADAMS模型中,，使用宏命令完成了對象履帶中數(shù)量龐大 的碰撞力,、約束等的添加。并在此基礎上,，設定甘蔗收割機的實際運 行參數(shù),，對平穩(wěn)地面， 20度斜坡和原地轉(zhuǎn)彎四種情況進行了仿真計 算,，并對驅(qū)動輪扭矩,、受力，支重輪受力,，導向輪受力以及張緊彈簧 受力進行了測量,，并給出指導性數(shù)據(jù)。 (4)利用ANSYS模型,，進行靜力學仿真,，通過現(xiàn)實情況下的整 機鋼架的受力分析，對鋼架的變形以及受力進行計算,，并在基礎上選 擇整機鋼架的材料,。 總之，本文結(jié)合甘蔗物理特性對甘蔗收獲機整機的運動學,、動力 學仿真進行了較為深入的研究,，并實驗驗證了部分仿真結(jié)果,，得出了 對今后進行物理樣機研制和產(chǎn)品系列化開發(fā)有價值的結(jié)構、參數(shù)和分 析方法,。 關鍵詞:履帶底盤;動力仿真分析: 履帶式小蠡已甘-}收毫-豐『U董盤A鋼萊的設爿.j盼析 §1.1課題的提出 第一章緒論 §1.1.1課題的來源‘1】 本課題來源于廣西科技廳攻關項目“虛擬樣機技術的甘蔗收獲機及其動力技 術研發(fā)”和國家自然科學基金項目(編號50365001)--“基于知識的甘蔗收 獲機械智能設計系統(tǒng)關鍵技術的研究”,，該項目研究擬對甘蔗收獲機械整機及其 部件的運動、動靜力特性進行模擬仿真和動力方面的匹配,。 §1.1.2課題研究的目地及意義剛3114】 甘蔗是我國南方地區(qū)的主要經(jīng)濟作物之一,，隨著人們生活水平的提高，糖的 需求量越來越大,，與此同時,，甘蔗種植面積也不斷增加。蔗糖生產(chǎn)是我國主要產(chǎn) 業(yè)之一,，在2002年,，全國甘蔗種植面積128.2萬hm2，其中,，廣西作為我國甘蔗 的主要產(chǎn)區(qū),，蔗糖生產(chǎn)已成為廣西的支柱產(chǎn)業(yè)，甘蔗種植面積45~50萬hm2,，占 全國甘蔗種植面積的42.9%,，為全國甘蔗種植第一大省區(qū)。在2001~2002年榨 季,，我國蔗糖產(chǎn)量達747萬噸,，廣西年產(chǎn)糖量450萬噸左右，占全國總產(chǎn)糖量的 50%以上,，相當于世界產(chǎn)糖大國古巴的產(chǎn)量,。但是，廣西甘蔗種植機械化程度遠 遠落后于糖業(yè)發(fā)展的需要,。廣西地處祖國的南疆,，山多，丘陵多,，其中甘蔗種植 地很大一部分是丘陵地帶,。而丘陵地帶的一個主要特點就是沙石多，地勢起伏不 平,，有坡度,，交通也不便利，甘蔗種植也大多是小塊種植,。同時，加入WTO后,， 相對于澳大利亞,、美國,、巴西等機械化程度高、效率高,、成本低的產(chǎn)糖國,，我國 蔗糖業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，由于我國甘蔗生產(chǎn)機械化程度較低,，制約了良種良法,、 深耕深松等先進農(nóng)業(yè)技術的應用，勞動效率低,、生產(chǎn)成本高,，己成為我國蔗糖業(yè) 與國際競爭的障礙。 §1.2甘蔗收割機研發(fā)的歷史及現(xiàn)狀 §1.2.1國外甘蔗收割機研發(fā)的歷史及現(xiàn)狀Ⅲ6】【7】【8】 (1)國外甘蔗收獲機械的初級階段 履帶式小型甘蘑收材審U董盤反鋼架的蕾時卜與分析 國外的甘蔗收割機研究始于19世紀80年代,。1888年,，T.A.Silverwood提出 一種“實用的收割甘蔗工具”模型。1890年,，JohnRowland設計并制造了世界 上第一臺甘蔗收割機,，并為之申請了專利。該機器長27m,，由蒸汽機驅(qū)動,，割收 系統(tǒng)很特殊:由一個長割刀安裝在機器前部的擺臂上，擺臂擺動,，帶動割刀完成 甘蔗的收獲動作,。1894年，工程師JamesPeel制造了一臺收割機,，其收割機構 由兩個直徑為1.Sin輪子驅(qū)動,，收割器的典型特征是由兩片鋸齒轉(zhuǎn)盤構成。1901 年,，SorenTaldt設計的由一匹馬拉動的收割機,，利用齒條傳動，將割下的蔗稈輸 送到后面的拖車上,，這種物料輸送動作為蔗稈的割后處理提供了一種原始功能模 型,。同年，JamesEdwards申請的專利是一個大彈簧驅(qū)動的收割機,，該機由一個 大五齒轉(zhuǎn)輪帶動彈簧,，將動力傳給收割機前部的梳狀割刀。 (2)拖拉機的出現(xiàn)推動了甘蔗收獲技術的發(fā)展 低設備成本為主導思想,，使收割機結(jié)構更加緊湊,。由Bristane設計，KilnerPty 有限公司生產(chǎn)的收割機，其主體結(jié)構是水平置于地面的割刀和相應的支撐架,。收 割時,，前部導向桿將甘蔗向一側(cè)推倒，割刀將其割下,，側(cè)置的推桿將蔗稈推成堆,。 收割器安裝方便，可以隨時從拖拉機上卸下,。但田間作業(yè)時,，該收割機要求非常 整齊，在倒伏地中無法正常工作;另外甘蔗堆中會混有許多雜物,，如土塊,、石頭 等。與之相比,，F(xiàn)airymead型收割機盡管在外形上看上去有些雜亂,，它卻有較好 地工作性能。它采用雙轉(zhuǎn)盤割刀,，用齒鏈,、鋼板進行蔗稈的導向傳輸。在1941~ 1986年間,，F(xiàn)airymead是較成功的整桿式收割機,，其生產(chǎn)率是200~400噸/天。 (3)割后處理技術的研究 二十世紀50年代以后,，人們更注重割后處理技術的研究,。這時的主流收割 方式是整桿式收獲，同時在去稍除葉,、輸送蔗稈方面有了很大的發(fā)展,。1950年， W.Rasmussen設計的收割機引起了轟動,。該機設有切除嫩梢的旋轉(zhuǎn)切刀,，由水平 放置的木支架支撐。收獲時,，切刀先將直立狀態(tài)的甘蔗頭部嫩梢切除,，然后將甘 蔗割下并整齊地擺放在地面。該收獲機在一個收獲季節(jié)可以收割12000t,。 二十世紀70年代,，Massey Ferguson一甘蔗青稈收獲(Green Cane Harvester)的先驅(qū)，為蔗糖工業(yè)帶來了普遍接受的,、多樣化的割后處理技術,。 MasseyFerguson復活了30年代出現(xiàn)的切段式收獲技術，并將此技術變成現(xiàn)代收 割機具備的關鍵功能之一。KenGaunt從這一技術中得出結(jié)論:“收獲倒伏或纏繞 廣西大掣嘎●士掣啦崔.文 履帶式d嘎甘囊}坩潮胡_|l盤a鋼弈}的設科.jE鏟析 的蔗稈唯一辦法就是將蔗稈切成段,，并將重的蔗段從雜葉中分離出來”,。 (4)現(xiàn)代收割技術 二十世紀80~90年代，西方甘蔗收獲技術獲得了更大的發(fā)展,。技術主流是 連續(xù)的切斷式收獲�,？捎糜诜贌���(Burning CaneHarvester)或青稈甘蔗收獲,。 隨著配備功率的增大，機械的工作效率得到了很大的提高�,，F(xiàn)在,，~臺 Austofl7000或7700的生產(chǎn)率為2~3.5t/min，在提升機前端與末端設置兩臺風機 (功率都在25.74KW以上),，使得分離效果越來越好,。 §1.2.2國內(nèi)甘蔗收割機研發(fā)的歷史及現(xiàn)狀Ⅲo】【111 國內(nèi)甘蔗收獲機的發(fā)展較為緩慢，基本上是從20世紀70年代才開始進行甘 蔗的自動化收獲,。其中比較成熟的機型有以下幾種: (1)4GZ.35型側(cè)掛式甘蔗整桿收獲機 該機由廣東農(nóng)機所研制,，半懸掛于拖拉機的右側(cè)，外端支撐在一個側(cè)輪上,。 配套動力為豐收.35或紅衛(wèi).40等中型輪式拖拉機,。屬剝?nèi)~式整桿收獲機型，能 一次完成扶蔗,、切割,、喂送、剝?nèi)~,、分離清理等工序,。但該機適應性較差，只能 適應于1.2~1.4m行距,、蔗莖彎曲倒伏不嚴重,、田間雜草較少地旱地、面積較大 的蔗地,，且機器靈活性不好,。 (2)4GZ.12小型甘蔗收割機 該機由福建農(nóng)學院與仙游縣農(nóng)機廠研制，是一種新型的立式割臺整桿鋪放式 收割機,，配用東風.12型手扶拖拉機的動力和底盤,，采用輕型金屬履帶行走裝置。 由于專用底盤為全懸掛式,，故操作靈活,，轉(zhuǎn)彎半徑小，且配備了撥指鏈式扶倒器， 可收獲倒伏不太嚴重的甘蔗,，對交叉倒伏,、倒伏嚴重的甘蔗仍不能收獲，且功率 不足,。 (3)隴農(nóng)一號甘蔗收獲機 該機由云南農(nóng)墾國營隴川農(nóng)場研制,，屬剝?nèi)~式整桿收獲機型，半懸掛于拖拉 機右側(cè),�,？梢淮瓮瓿纱蝽敗⑶懈�,、剝?nèi)~,、清凈、集堆等工序,。但該機生產(chǎn)率偏低,， 同時亦不能收獲嚴重倒伏的甘蔗。 (4)4GZ一100型甘蔗收獲機 該機由湛江農(nóng)機所研制,，亦屬于剝?nèi)~式整桿收獲機型,。可與國內(nèi)外多種輪式 拖拉機配套作業(yè),，完成切稍,、扶倒、切割,、剝?nèi)~,、清凈、集堆等工序,。同樣,，該 廣薯r^眉¨蠹士學位論衰 疆靠・ 式小型甘囊}Ilt斟審U蕾■o反鋼架的設孛Iu稻礦析 機在蔗株縱橫交錯且倒伏較嚴重的情況下工作時存在漏扶、漏割現(xiàn)象嚴重,。 由此可見,，我國目前白行研制的甘蔗聯(lián)合收割機在蔗株大小均勻，倒伏不嚴 重的情況下,，基本上能正常的工作,。但在倒伏嚴重、雜草從生的惡劣條件下,，則 不能正常工作,。在我國南方以及東南亞大部份國家等甘蔗種植主要地區(qū)受臺風、 季風影響,，甘蔗倒伏現(xiàn)象較為嚴重,，甘蔗生長較為雜亂,，以上機型的應用和推廣 有一定的限制性。 §1.3計算機仿真在制造業(yè)的應用與發(fā)展 §13.1系統(tǒng)仿真類型介紹 “仿真”一詞來自英語單詞“simulation＇’,，有時候也譯作“模擬”,，是模仿 真實世界的意思。 在工程技術領域,，系統(tǒng)仿真是通過對系統(tǒng)模擬實驗,，去研究一個存在或者設 計中的系統(tǒng)，表1.1所列是系統(tǒng)仿真的仿真類型,、模型類型,、計算類型和經(jīng)濟性。 表1-1系統(tǒng)仿真分類表 仿真類型 模型類型 計算機類型 經(jīng)濟性 物理仿真 物理模型 模擬計算機 費用很高 (模擬仿真) 半物理仿真 物理一數(shù) 混合計算機 費用中等 (混合仿真) 學模型 計算機仿真 數(shù)學模型 數(shù)字計算機 費用不高 (數(shù)字仿真) 由表1-1可見,，計算機仿真已成為系統(tǒng)仿真的一個重要分支，系統(tǒng)仿真很大 程度上指的就是計算機仿真,。計算機仿真技術的發(fā)展與控制工程,、系統(tǒng)工程及計 算機工程的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。一方面,，控制工程,、系統(tǒng)工程的發(fā)展，促進了 仿真技術的廣泛應用;另一方面,，計算機的出現(xiàn)以及計算機技術的發(fā)展,，又為仿 真技術的發(fā)展提供了強大的支撐。計算機仿真一直作為一種必不可少的工具,，在 減少損失,、節(jié)約經(jīng)費開支、縮短開發(fā)周期,、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要的作 用,。 f-冒r，叫煳士掣啦論文 履帶式小型咱.蘑收科事u蕾盤a鋼榮的設爿-J可分析 §13.2計算機仿真在制造業(yè)的應用和發(fā)展現(xiàn)狀【12】 制造業(yè)在國民經(jīng)濟中一般都占有最大的比重,，自70年代以來,，全球性的市 場競爭日益激烈，產(chǎn)品消費結(jié)構不斷向多元化,、個性化方向發(fā)展,，產(chǎn)品的更新期 和交貨期都在縮短，一些自動化技術如CAD,、CAM,、CAPP、NC,、FMS,、MRPII 及CIMS都得到快速發(fā)展,。系統(tǒng)仿真作為一種重要手段，通�,？梢詽B透到它們當 中去,，并幫助它們實現(xiàn)集成，從而促進了一些先進制造技術的發(fā)展,。在50年代,， 最引入注目的仿真領域是火炮控制和飛行控制系統(tǒng);60年代，是火箭和導彈控 制系統(tǒng);70年代是航天,、核能和經(jīng)濟管理系統(tǒng);到80年代,，最引人注目的仿真 領域就逐步轉(zhuǎn)向了制造系統(tǒng)，并且呈現(xiàn)出一種生機勃勃的局面,。 從本質(zhì)上講,，仿真技術就是建立仿真模型和對模型實驗的一種技術。計算機 仿真過程的實現(xiàn)一般都可由計算機高級語言,、仿真語言和仿真軟件來完成(如圖1 所示),。典型的仿真軟件有仿真環(huán)境、仿真語言和程序包3種形式,，其功能覆蓋 是不完全相同的,。從下到上，大體反映了仿真軟件的發(fā)展過程,。到80年代中后 期,，開始出現(xiàn)了一體化仿真環(huán)境。現(xiàn)在,，面向制造系統(tǒng)的仿真出現(xiàn)了一體化支撐 軟件,，實現(xiàn)了仿真建模、仿真運行,、輸出分析的集成環(huán)境,，仿真監(jiān)控運用了并發(fā) 執(zhí)行機制，在數(shù)據(jù)庫管理的基礎上實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù),、實驗數(shù)據(jù),、仿真結(jié)果的統(tǒng)一 管理，人工智能技術也應用在仿真建模,、仿真運行和仿真結(jié)果的分析中,。此外， 廣義制造系統(tǒng)仿真器的出現(xiàn),，實現(xiàn)了對某類制造系統(tǒng)的非語言建模,、模型數(shù)據(jù)驅(qū) 動等功能。這類典型的一體化仿真軟件有TESS,，IBIS;廣義仿真器有 AUTOMODII,，F(xiàn)ATOR,，GEMS，WITNESS等,。 圖1-1典型仿真軟件的功能覆蓋 Figl-1.adaitinal simulationsoftware’sfuction 屬朔-式小型甘,，}收制審U蕾j‘覆鋼架的尉∽h與分析 §133計算機仿真的研究熱點及對制造業(yè)的影響113】l“l(fā) 80年代以來，系統(tǒng)仿真不斷地朝著縱,、橫方向發(fā)展,，在制造業(yè)方面，一個 比較明顯的進展就是“虛擬制造”,。根據(jù)虛擬制造的概念,，整個產(chǎn)品的設計和制 造首先在計算機上進行，這樣可以發(fā)現(xiàn)并解決該產(chǎn)品在制造之前可能出現(xiàn)的各種 問題,。 虛擬現(xiàn)實技術(vR--_VjmlalReal塒)亦稱虛擬環(huán)境技術,、靈境技術，是一 種最有效地模仿人在自然環(huán)境中的視,、聽,、動等行為的高級人機交互技術。它是 在綜合計算機圖形學,、計算機仿真技術、傳感技術等多門科學技術的基礎上發(fā)展 起來的,。它有兩個基本特征,，即“靈境感(Immersive)”和“交互感 (Interactive)”。通過這兩個基本特征,，虛擬現(xiàn)實技術能描述事物內(nèi)部及其相互 間真實的作用和交互,，使用戶仿佛置身于一個虛擬的世界中，從而拉近了用戶與 環(huán)境之間的距離,，改變了人機交流方式,。利用VR技術的這些特性，可以對產(chǎn)品 的各個階段提供支持,，例如在虛擬環(huán)境下設計產(chǎn)品及其生產(chǎn)流水線,，測試和裝配 產(chǎn)品的零部件，客戶可以驗證產(chǎn)品是否符合要求等,�,！�81 近年來，計算機仿真技術在制造業(yè)應用的另一個研究熱點--虛擬產(chǎn)品開發(fā) 也是引人注目的,。虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VP口-_ⅥrtualProductDevelopment)首先源于 并行工程(CE---Concu仃emEngineer)思想,。這種思想將現(xiàn)代先進的組織形式跟 現(xiàn)代的哲學、文化混合為一體,，是對產(chǎn)品設計及其相關過程(制造過程,、使用過 程和支持過程)進行并行的,、一體化設計的一種系統(tǒng)化工作模式。CE能在產(chǎn)品開 發(fā)一開始就考慮到投資,、生產(chǎn)制造,、裝配、銷售和維護以及報廢等產(chǎn)品的整個生 命周期的所有因素,，這對解決產(chǎn)品設計與開發(fā)的矛盾是非常有益的,。VPD就是 在CE方法論的指導下，把CAD,、CS和大規(guī)模產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)綜合起來,，形 成一個虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)人員能夠在這種環(huán)境下策劃產(chǎn)品,、設計產(chǎn) 品,、預測產(chǎn)品在真實環(huán)境下的性能、特征以及真實工況下所具有的響應,，從而減 少反復和變更的次數(shù),，減少甚至取消制作物理原型樣機，如此就能很好地檢驗設 計,、指導和優(yōu)化設計,，有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和大量地節(jié)省開發(fā)費用。VPD 仿真技術是仿真技術發(fā)展的又~重要領域,，它能深入到各種復雜產(chǎn)品的制造中,， 能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。 現(xiàn)在,，仿真技術的應用已經(jīng)從單一的系統(tǒng)走向開放復雜的大系統(tǒng),。當仿真對 6 廣西大掣啊曩士孽啦鼬曙乞 J11.帶式4、懟憎.蔗收-垮書UE盤及鋼架的設糾■可分析 象分布于廣闊的時空領域,，仿真任務要求將不同地理位置,、不同類型(包括人在 內(nèi))的仿真對象構成一個統(tǒng)一整體進行仿真時，產(chǎn)生了分布交互化仿真 (DlS--Di嘶ctedInteractiveSimulation),。這種仿真系統(tǒng)里包含有不同類型的實 體一虛體,、真實實體和構造實體，這些實體可以基于不同目的系統(tǒng),、不同年代的 技術,、不同廠商的產(chǎn)品和不同產(chǎn)品組成，并允許它們交互操作,。DIS實現(xiàn)用計算 機網(wǎng)絡將不同地點的仿真設備連接起來,，通過實體間的數(shù)據(jù)交換構成時空到合成 仿真環(huán)境的一種先進仿真技術。在這種復雜的分布綜合的系統(tǒng)進行實時仿真時,， 必須提供快速,、高效,、大量的信息通道和相應的處理。美國是最早研究這種技術 并投入使用的國家,，已經(jīng)完成了多項基于虛擬仿真的DIS工程項目,，相關的協(xié) 議與標準已經(jīng)完成或正在完成。 在制造行業(yè),，已經(jīng)產(chǎn)生了類似于DIS的虛擬研究開發(fā)中心或虛擬企業(yè),。香 港生產(chǎn)力促進局和香港城市大學共建的快速科技中心就是~個虛擬研究開發(fā)中 心。此外,，為了適應快速變化的世界市場,，克服單個企業(yè)難以在短期內(nèi)具備所需 資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時限內(nèi),，為了某一市場機遇,，通過網(wǎng)絡臨時聯(lián)結(jié)的 一種動態(tài)聯(lián)盟--虛擬企業(yè)。 §1.4本文主要研究內(nèi)容 本文利用虛擬樣機技術實現(xiàn)的成功的軟件,，例如三維建模軟件Pro/E,，虛擬 仿真軟件ADAMS，并利用其接口Pro/Mechanical,，實現(xiàn)了對適應廣西地形,、地 貌的小型甘蔗收割機的虛擬設計和仿真，并對虛擬樣機技術,，虛擬技術的實現(xiàn)手 段,，虛擬樣機技術的發(fā)展前景，以及虛擬樣機技術的應用中遇到的一些問題,，做 了詳細的介紹,。通過該論文,，對小型甘蔗收割機的底盤的虛擬設計,，靜力學、動 力學方面的仿真,，提出了一些設計理念,，設計思想，并通過仿真發(fā)現(xiàn)了一些常規(guī) 設計無法預料到的問題,。 7 廣西大掣u囑士尊啦論文 履帶式小型甘囊}收剖和Ut|la鋼架的設計與分析 第二章虛擬樣機技術的概念和實現(xiàn)手段 §2.1虛擬樣機技術概論 §2.1.1虛擬樣機技術產(chǎn)生背景【15l 隨著21世紀世界經(jīng)濟和科學技術的飛速發(fā)展,，全球性的市場競爭日益激烈。 產(chǎn)品消耗結(jié)構不斷向多元化,、個性化方向發(fā)展,。面對無法預測、持續(xù)發(fā)展的市場 需求,，企業(yè)為了提高競爭力,，必須盡快改變品種,，更新設計，縮短新產(chǎn)品的研發(fā) 周期,，提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量,，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進行創(chuàng)新性設計,，這樣才能 對快速多變的市場需求做出敏捷響應,，從而在市場競爭中獲得相當?shù)氖袌龇蓊~和 利潤。虛擬樣機技術(VirtualPrototyping)就是在這種迫切需要的驅(qū)動下產(chǎn)生的,。 虛擬樣機技術是一項跨學科,、綜合性的技術，它的核心是機械系統(tǒng)運動學,、 多體動力學和控制理論,，再加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界 面技術，從系統(tǒng)的角度去思考問題,，將分散的零部件設計和分析技術(如有限元 分析技術,、CAD技術)整和在一起，為產(chǎn)品的開發(fā)與研制,，提供了一條全新的 思路,。 圍繞產(chǎn)品從概念設計到定型生產(chǎn)的整個研發(fā)周期，再從設計師,、決策層,、制 造商、銷售商到用戶群等全方位地觀察和研究產(chǎn)品,，虛擬樣機技術顯示了其強大 的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿�,。面向二十一世紀，虛擬樣機技術勢必成為將來產(chǎn)品研發(fā)的主 流,，特別是對成本高,、系統(tǒng)復雜、不可能制造多臺物理樣機行業(yè)的應用前景看好,， 如大型工程機械,、航空航天、深海采礦等,。作為一種先進的設計方法,，虛擬樣機 技術有助于企業(yè)作出前瞻性的決策，實現(xiàn)產(chǎn)品總體優(yōu)化目標,，進而贏得用戶和市 場,。 新產(chǎn)品的研發(fā)涉及諸如機械運動學與動力學、人機工程學、美學等多個相關 的學科,，而傳統(tǒng)的設計方法又無法使各學科理論的實現(xiàn)達到最優(yōu),。一種新設備的 研發(fā)，按照傳統(tǒng)的設計模式通常要經(jīng)過設計,、樣機試制,、工業(yè)性試驗、改進定型 和批量生產(chǎn)幾個步驟,。由于這種基于物理樣機的設計研發(fā)模式的致命缺陷(成本 高,、周期長)，往往使物理樣機的反復性試驗不夠充分,，加上設計人員通常不愿 為修改局部而給整機帶來不可欲知的結(jié)果,，這就使我國的機械產(chǎn)品造型、結(jié)構和 .It帶式d嚕0甘-鼻峭叫甘審U董|■瑚架的設計毒r分析 功能嚴重老化,，從而在市場上缺乏競爭能力,。這種基于樣機制造、試驗的設計方 法增加了新產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本,，產(chǎn)品結(jié)構越復雜,，這種人力、物力,、財務的 浪費越嚴重,，從而嚴重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高。虛擬樣機技術的出現(xiàn)和逐漸成 熟為解決這些問題提供了強有力的工具和手段,。 §2.1.2虛擬樣機技術的定義 虛擬樣機技術的研究正處于探索中,，目前在國內(nèi)尚沒有一個統(tǒng)一的定義，現(xiàn) 將幾種比較有代表性的論述歸納如下:①虛擬樣機技術就是在建筑第一臺物理樣 機之前,，設計師利用計算機技術建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,，進行仿真分析并以 圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設計方 案的技術;②虛擬樣機是一種計算機模型,，它能夠反映實際產(chǎn)品的特性,，包括外 觀、空間關系以及運動學和動力學的特性,。借助于這項技術,，設計師可以在計算 機上建立機械系統(tǒng)的模型,，伴之以三維可視化處理,，模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運 動和動力特性并根據(jù)仿真結(jié)構精簡和優(yōu)化系統(tǒng);③虛擬樣機技術利用虛擬環(huán)境在 可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式探索虛擬物體的功能，對產(chǎn)品進行幾何,、功能,、 制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎上，把虛擬技術與仿 真方法相結(jié)合,，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設計方法【14】,。 虛擬樣機技術是一門綜合多學科的技術。該技術以機械系統(tǒng)運動學,、動力學 和控制理論為核心,，加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技 術，將分散的零部件設計和分析技術(如零部件的CAD和FEA有限元分析)集成 在一起,，提供一個全新研發(fā)機械產(chǎn)品的設計方法,。它通過設計中的反饋信息不斷 地指導設計，保證產(chǎn)品尋優(yōu)開發(fā)過程順利進行,。 同傳統(tǒng)的基于物理樣機的設計研發(fā)方法相比,，虛擬樣機設計方法具有以下特 點: (1)全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設計到生產(chǎn)是一個串行過程,，這種 方法存在很多的弊端,。而虛擬樣機技術真正地實現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化，它基 于并行工程(ConcurrentEngineering),，使產(chǎn)品的概念設計階段就可以迅速地分 析,、比較多種設計方案，確定影響性能的敏感參數(shù),，并通過可視化技術設計產(chǎn)品,、 預測產(chǎn)品在真實工況下的特征以及所具有的響應，直至獲得最優(yōu)工作性能,。 (2)更低的研發(fā)成本,、更短的研發(fā)周期、更高的產(chǎn)品質(zhì)量,。采用虛擬樣機設 9 廣曩r大掣嘎■士孽啦裁演 履帶j0秈謄t甘-}收割書U董盤a鋼架的設{I.J峁尹析 計方法有助于擺脫對物理樣機的依賴,。通過計算機技術建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型 (即虛擬樣機)，可以完成無數(shù)次物理樣機無法進行的虛擬試驗(成本和時間條件 不允許),，從而無需制造及試驗物理樣機就可獲得最優(yōu)方案,，因此不但減少了物 理樣機的數(shù)量，而且縮短了研發(fā)周期,、提高了產(chǎn)品質(zhì)量,。 (3)實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟的重要手段。目前世界范圍內(nèi)廣泛地接受了動態(tài)聯(lián)盟 (Virtual Company)的概念,，即為了適應快速變化的全球市場,，克服單個企業(yè)資 源的局限性，出現(xiàn)了在一定時間內(nèi),，通過Interact(或Intranct)臨時締結(jié)成的一種 虛擬企業(yè),。為實現(xiàn)并行設計和制造,，參盟企業(yè)之間產(chǎn)品信息的敏捷交流尤顯重要， 而虛擬樣機是一種數(shù)字化模型,，通過網(wǎng)絡輸送產(chǎn)品信息,，具有傳遞快速、反饋及 時的特點,，進而使動態(tài)聯(lián)盟的活動具有高度的并行性,。 §2.1.3虛擬樣機技術的應用情況嗍Ⅷ”1 虛擬樣機技術在一些較發(fā)達國家，如美國,、德國,、日本等己得到廣泛的應用， 應用領域從汽車制造業(yè),、工程機械,、航空航天業(yè)、造船業(yè),、機械電子工業(yè),、國防 工業(yè)、通用機械到人機工程學,、生物力學,、醫(yī)學以及工程咨詢等很多方面。 美國航空航天局(NASA)的噴氣推進實驗室(JPL)成功地實現(xiàn)了火星探測 器探路者號在火星上的軟著陸,，成為轟動一時的新聞,。JPLI程師利用虛擬樣機 技術仿真研究宇宙飛船在不同階段(進入大氣層、減速和著陸)的工作過程,。在探 測器發(fā)射以前,，JPL的工程師們運用虛擬樣機技術預測到由于制動火箭與火星風 的相互作用，探測器很可能在著陸時滾翻,。工程師們針對這個問題修改了技術方 案,，將靈敏的科學儀器安全送抵火星表面，保證了火星登陸計劃的成功,。 美國波音飛機公司的波音777飛機是世界上首架以無圖方式研發(fā)及制造的飛 機,，其設計、裝配,、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術,，這不但使研發(fā)周 期大大縮短、研發(fā)成本大大降低,，而且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功,。波音777 飛機的研制、整機設計,、裝配,、部件測試以及各種試飛，都是由計算機完成的,。 它能將開發(fā)周期從原來的8年縮短到5年,，節(jié)約了數(shù)百萬美元經(jīng)費。 Caterpillar公司是世界上最大的拖拉機,、裝載機和工程機械制造商之一,，由 于制造一臺大型設備的物理樣機需要數(shù)月時間，并耗資數(shù)百萬美元,，所以,，為了 提高競爭力，必須大幅度削減產(chǎn)品的設計,、制造成本,。Caterpillar公司采用了虛 擬樣機技術，從根本上改進了設計和試驗步驟,，實現(xiàn)了快速虛擬試驗多種設計方 10 廣冒,，叫煳士尊呻t論文.曩帶式寸喀2甘蔗收毫葛和U苣童■氣鋼集的由竹巾與分析 案，從而使其產(chǎn)品成本低,、性能卻更加優(yōu)越,。同樣，作為生產(chǎn)工程機械的著名廠 商JohnDeere公司,，為了解決工程機械在高速行駛時的蛇行現(xiàn)象及在重載下的自 激振動問題,，JohnDeere公司的工程師利用虛擬樣機技術，不僅找到了原因,，而 且提出了改進方案,，并且在虛擬樣機上得到了驗證。從而大大提高了產(chǎn)品的高速 行駛性能與重載作業(yè)性能,。 在工程咨詢方面,，可以利用虛擬樣機技術再現(xiàn)事故過程，以提供訴訟證據(jù),， 或幫助制造商分析售后賠償問題,，或為用戶的產(chǎn)品設計預試驗。例如,，一家公司 利用虛擬樣機技術進行車輛事故仿真,，在法庭上用其仿真結(jié)果進行辯護。法庭根 據(jù)虛擬樣機技術所提供的證據(jù),，作出了客觀的判決,。 國外虛擬樣機相關技術的軟件化過程已經(jīng)完成，較有影響的有美國機械動力 公司(MechanicaIDynamiesInc.)的ADAMS,，CADSI的DADS,，德國航天局的 SIMPACK,，其它的還有Working Model、Folw3D,、IDEAS,、Phoenics、ANSYS,、 Pamcrash等等,。而在國內(nèi)，虛擬樣機技術的應用研究才剛剛開始,，目前,，只有一 些大學和科研院所在進行這一方面的工作。實旌這項技術的關鍵就是如何開發(fā)出 可信度高的數(shù)字化模型(即虛擬樣機),，如何等效簡化實際工況進行虛擬試驗并在 設計階段就能完全預測評價產(chǎn)品的各項性能,。隨著研究工作的不斷深入和相關技 術的進一步發(fā)展，虛擬樣機技術將得到進一步的發(fā)展和應用,。 §2.2虛擬樣機技術的實現(xiàn) §2.2.1 Pro/E的應用及其特點 §2…211實體模型技術 2D繪圖軟件與3D繪圖軟件不同的地方在于,，2D繪圖軟件無法建造逼真的 模型，因此使用2D繪圖軟件來繪制立體的模型就好比用手工的方法來塑造模型,， 無法將模型以精確的參數(shù)化以符合產(chǎn)品的規(guī)格,。在眾多3D軟件中，Pro/Engineer 產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境之所以受到眾多廠商的喜愛,，就在于它能夠支持同步工程,。通過 Pro/Engineer及其相關軟件Pro/Designer、Pro/Mechanica,，用戶可以同時綜合工業(yè) 設計,、機械設計、功能仿真和加工制造等功能,，縮短產(chǎn)品的開發(fā)的時間和流程,。 相對于面模型或線框模型而言，實體模型不僅可以提供幾何拓撲信息,，而且 可以包含模型的材料,、質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量等物理信息,。實體模型的優(yōu)勢 在于: 廣西夫尊嘎士掣啦詩丈 履帶式小型巾.蘑收割審ut盤A鋼架的設計與仿析 (1)實體模型可以通過投影變換轉(zhuǎn)換為二維圖形,，稍做修改即可輸出為工程 圖紙。 (2)實體模型可以直接輸出到數(shù)控機床或快速成型系統(tǒng),。 (3)實體模型包含大量的物理信息,，可以作為有限元分析和動力學分析的起 點。 (4)采用實體模型可直觀地模擬系統(tǒng)的運動,，便于發(fā)現(xiàn)構件間的干涉�,，F(xiàn)在 的大型工程軟件如I-DEAS,、Solidworks、Pro/E,、UG等都帶有功能相當完備的 實體建模模塊,，可以快速準確的完成復雜系統(tǒng)的實體建模。 在本課題的研究中,，我們運用美國PTC公司的三維造型軟件進行收割機系 統(tǒng)零部件的建模和裝配,，其理由在下一節(jié)進行闡述”91,。 §2…2 12Pro/Engineer三維特征造型軟件簡介 ParametricTechnologyCrop公司(PTC)的Pro/Engineer以其參數(shù)化,、基于特征、 全相關等概念聞名于CAD界a該軟件的應用領域主要是針對產(chǎn)品的三維實體模 型建立,、三維實體零件的加工,、以及設計產(chǎn)品的有限元分析m】。Pro/E系統(tǒng)開發(fā) 環(huán)境最突出的特點在于它支持并行工程,，可以讓用戶同時在幾個技術領域處理同 一個產(chǎn)品模型,。它有以下幾個特性: (1)相關性。它指所有的Pro/E的信息都使用一個單一的數(shù)據(jù)庫,，不論是 2D圖形還是3D圖形,，只要用戶修改某一尺寸，其相關的2D或3D實體模型均 自動修改,，同時組合,、制造等相關設計也會自動修改，這樣既可以保證數(shù)據(jù)的正 確性,，還節(jié)省了反復修改的時間,。 (2)3D實體模型。3D實體模型除了可以將用戶的設計思想真實的反映在計 算機之上外,，還可以隨時計算出模型的質(zhì)量,、質(zhì)心、面積,、轉(zhuǎn)動慣量的大小,，還 提供測量工具隨時測出如角度、距離等幾何參數(shù),。讓用戶減少了大量的計算時間,。 (3)以特征作為設計的單位。該軟件以最自然的思考方式從事設計工作,，它 將如孔,、槽、圓角等作為零件的基本設計特征,，可以隨時對零件進行調(diào)整,、刪除,、 重定義等修改。 (4)參數(shù)式設計,。配合單一式數(shù)據(jù)庫,，設計過程中的所有尺寸均存在數(shù)據(jù)庫 中，修改其中的一個尺寸,，其他相關的尺寸就會自動修改,，避免了漏改的錯誤 (5)裝配管理。Pro/E可以讓用戶使用貼和(Mate),、對齊,、插入等直覺式命 履帶式廿埋甘蔗坩洲和UtjEa稍豢的蕾巴計皇r=擴析 令，達到對零部件的裝配目的,。同時還可以在裝配件中對零件進行修改,。 (6)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。由于各種CAD,、CAE軟件由不同的公司生產(chǎn),，數(shù)據(jù)格 式不一，所以數(shù)據(jù)在不同的CAD,、CAE軟件之中轉(zhuǎn)換是相當困難的事,。Pro/E 提供了和流行的CAD、CAE軟件的接口,，同時支持多種數(shù)據(jù)格式,，如IGES、 STEP,、Parosolid等,。另外值得一提的是它提供一個和最流行的多體動力學仿真 分析軟件ADAMS的接口，使這兩個軟件達到了無縫連接,。正是基于這一點,， 我們才決定采用Pro/E作為三維實體建模的軟件。 (7)版本管理,。該軟件建立的模型不同的版本都會保存下來,。 (8)整個系統(tǒng)在2001版中已經(jīng)完全漢化，使用起來沒有任何語言方面的困 難I”12”,。 §2.2.2 ADAMS的應用及其特點【22】123】 虛擬樣機構建需要性能優(yōu)越的軟件平臺的支持,，小型甘蔗收獲機的設計涉及 到靜態(tài)結(jié)構設計和動態(tài)運動、動力設計,，非常著名的虛擬樣機分析軟件--機械 系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysis ofMechanical System)成了我們的首選,。這就要求對小型甘蔗收獲機地形地貌的虛擬研究必須 是基于在ADAMS軟件平臺的。 ADAMS是美國Mechanical Dynamics，Inc.’S(MDI’S)公司生產(chǎn)的軟件,，它為用 戶提供了強大的建模,、仿真環(huán)境，使用戶能夠?qū)Ω鞣N機械系統(tǒng)進行建模,、仿真和 分析,。和其它CAD、CAE軟件相比,，ADAMS 具有十分強大的運動學和動力學分析功能,。 §23軟件鏈接的問題 虛擬樣機技術的核心是虛擬模型的建 模和仿真，到目前為止,，沒有任何軟件將建 模和仿真這兩個功能都做的很完善,。例如， UG,，Pro/E,，IDEs等三維建模軟件在建模方 面的功能強大,，基本上可以滿足工業(yè)領域的 需要,，但是在CAE和動力學仿真方面，其 功能不夠完善,，只能進行初步的靜力學或動 善 二￡.) 【--,。。,。,。。,。,。。,。,。。,。,。。,。,。。,。,。。,。,。,。。,。,。。_一 【曼畫盎亟叵卜_| -A-DA-MS矗i麗-__ 中參數(shù)設定■卜__ A,。D-A-M矗S i-而訂!!! 中進行仿真-二!-二_ 臺理● [二j壹互] 圖2-1建模步驟 Fi醇-1 the stepofcreming model 廣西,，“蜘日I.e嘗位截”趕 屬帶式4、墨t甘-}坩d瞄審ut盤a期架的設剖.J可分析 力學仿真,。在動力學仿真方面,，美國MSC公司的ADAMS(automaticdynamic analysis ofmechanical systcrns)，美國集成系統(tǒng)公司的仿真集成平臺Plug&Sim,， CADI公司的DADS等,，功能都十分強大，但是這些軟件的三維建模功能都不能 滿足用戶對復雜機械系統(tǒng)的設計需求,。 由于目前沒有一種軟件同時具有專業(yè)CAD建模和專業(yè)動力學仿真的雙重功 能,，通常使用的CAD軟件和動力學仿真軟件是不同公司的產(chǎn)品，這就存在兩個 軟件傳遞數(shù)據(jù)過程中“有縫聯(lián)接”的處理問題,。目前國內(nèi)這方面研究的一種常見 組合是美國PTC公司的Pro/E和美國MSC公司的ADAMS組合,。所以對于從事復雜 機械動力學仿真研究的ADAMS工程師而言，正確處理Pro/E和ADAMS的傳遞是 確保仿真效果的~項關鍵技術,。對于Pro/E和ADAMS的傳遞,，用MSC公司提供的 專用接口模塊Mechanism/Pro比較方便，而且在很多的方面都能實現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程中 的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，其工作步驟如圖2-1所示,。 雖然Pro/E和ADAMS在理論意義上是“無縫鏈接”，但它們是不同公司的產(chǎn) 品,，兩者不同的圖形格式導致圖形轉(zhuǎn)換時一些圖形元素丟失,，因此在建模和導入 的過程中需要注意一些事項: (1)單位問題 要實現(xiàn)從Pm倒頤利導入ADAMS，第一個注意的問題是把單位設定好,，也就 是說在Pro/E的Part模塊中建模的時候,，首先要設定零件的尺寸，保證所有零件的 尺寸相同,，同時在Assembly模塊中設定的單位要和所有Part模塊中的單位相同,。 方法是用Edit一一setIlp一--Unit----New，然后自己創(chuàng)建一個新的單位文件,，一 般情況下建議設定為nlln,，kg，Newton，sec,，c,，以便和ADAMS中的單位保持一 致。 (2)裝配模塊問題 在Pro/E的裝配模塊中盡量不要使用其他Assembly模塊作為子裝配,。因為如 果這樣,，在Mechanism/pro中生成剛體的時候，利用Automatic方法,，那么子裝配 的整個機構被ADAMS系統(tǒng)視為一個零件,，不能進行動力學仿真工作，當然也可 以使用手工定義剛體的方法,，逐個選擇零件,，這要根據(jù)系統(tǒng)的零件數(shù)量的多少而 確定是否使用子裝配。在定義剛體的時候,，由于ADAMS的導入,，模型的許多幾 何特征都會發(fā)生變化，例如圓變成了多面體,，圓柱體的軸線丟失等問題,，因此， J4 履帶式小越甘-}收翻事UE盤曩鋼集的設計與臂析 凡是能在Pro/E下面添加的約束盡量在Mechanism/Pro下添加,。對于一些必須在 ADAMS下添加的約束,，也要預先考慮,，看是否需要在Mechanism/Pro環(huán)境下預先 設定參考點或者坐標系,。例如，在ADAMS模型中需要采用Translational約束副,， 那么就必須提前設定好兩個Marker點,，以便用于對Translational約束副方向的定 義。 (3)模型保存問題 在Mechanism/Pro下將剛體,、約束,、Marker點和Force等創(chuàng)建完成以后，要把 模型保存為一個擴展名為.mpr的文件,，方法是點擊Mechanism/Pro下的命令 File--Save,，會出現(xiàn)一個DOS界面和一個對話框，輸入文件名,，點擊確定即可,。 目的是再次把創(chuàng)建好的模型輸入ADAMS中時，不需要再創(chuàng)建約束,、Marker并ll Force,。 (4)模型轉(zhuǎn)換問題{241 在Mechanism/Pro下定義好模型后導入ADAMS時，要設定模型的一些轉(zhuǎn)換格 式。 1)GeometryQuality 一般情況下,，在硬件支持的前提下,，GeometryQuality的設定值越高越好 設定范圍是3~10，設定為10效果最好,。

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