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轮式装载机结构系统虚拟仿真研究

作　者: 袁从启
导　师: 郑夕健
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 轮式装载机结构系统虚拟仿真刚-柔耦合动力学
分类号: TH243
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

轮式装载机是用来将成堆物料装入运输设备所使用的一类建筑机械,经常工作在大型施工工地或者露天矿场,作业地点多变、作业环境复杂,而它的结构件又相当复杂,因此它比较容易发生失效破坏。轮式装载机结构系统是装载机的主要受力部件,包括工作装置、前车架、后车架和副车架。目前,对轮式装载机结构系统的虚拟仿真研究,主要集中在工作装置的多体动力学仿真和关键零部件的有限元分析上,而它们二者是单独进行的。本文基于多体动力学和有限元理论,借助于Pro/E、ANSYS、ADAMS三款虚拟仿真软件对轮式装载机结构系统进行运动学、动力学及有限元分析,并根据虚拟仿真结果对主要零部件作结构改进设计,为轮式装载机理论研究和新产品开发提供依据。本文首先介绍了所用到的基本理论,阐述了虚拟样机技术,在此基础上引出了数字化功能样机与机械系统动力学仿真的理论,并由此引入联合虚拟仿真技术的理论,介绍了刚-柔耦合动力学理论,对本文用到的三款虚拟仿真软件——Pro/E、ANSYS、ADAMS的数据接口做了介绍。其次分析轮式装载机工作过程从而得到一个典型工作循环,并研究了柔性体的界定及生成方法、冗余约束的处理、驱动的定义与载荷的施加,详细阐述了刚-柔耦合虚拟样机的建立过程。对结构系统刚-柔耦合虚拟样机进行运动学仿真,得到了最大卸载高度及对应卸载距离、铲斗转角、连杆机构传动角、转斗机构倍力系数等运动学参数,并着重分析了铲斗和动臂的动态性能；对结构系统刚-柔耦合虚拟样机进行动力学仿真,得到正载和偏载两种工况下主要铰接点的受力历程曲线。其中运动学仿真结果将直接指导具体设计,动力学仿真结果将为下一步有限元分析提供工况分析及载荷施加依据。然后在多体动力学分析结果的基础上讨论了主要零部件的最危险工况；介绍了有限元模型建立的关键技术,主要包括单元选择、网格划分、约束及载荷的施加等；基于最危险工况,对关键零部件作了静力学分析,其分析结果可以为关键零部件结构改进设计提供依据。最后针对上述虚拟仿真结果中确定的不合理结构,对结构系统的部分零部件进行了改进设计,并对改进结构重新分析,改进后结构受力情况明显优于改进前结构,从而获得了更加可靠的设计。本文采用多体动力学与有限元相结合的方法,建立轮式装载机结构系统虚拟样机,并对其进行运动学、动力学分析,其结果为有限元分析提供工况分析和载荷施加依据；对结构系统关键零部件进行有限元分析,其结果为结构改进设计提供参考；针对虚拟仿真中的不合理结果,对关键零部件进行改进设计,从而形成一个闭环的研究思路。文本的研究思路可以为工程机械的虚拟仿真及其结构改进设计研究提供参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-17
  1.1 轮式装载机发展趋势及研究现状  11-14
    1.1.1 轮式装载机发展趋势  11-12
    1.1.2 轮式装载机结构系统研究现状  12
    1.1.3 虚拟仿真技术研究现状  12-14
  1.2 本文技术路线  14
  1.3 本文主要研究内容  14-17
第二章虚拟仿真技术及刚-柔耦合动力学简介  17-29
  2.1 虚拟仿真技术简介  17-22
    2.1.1 虚拟样机技术  17-18
    2.1.2 数字化功能样机与机械系统动力学仿真  18-20
    2.1.3 联合虚拟仿真技术  20-22
  2.2 刚-柔耦合动力学简介  22-24
    2.2.1 ADAMS柔性分析模块介绍  23
    2.2.2 基本原理  23-24
  2.3 数据传输的研究  24-28
    2.3.1 Pro/E与ADAMS接口介绍  26-27
    2.3.2 ANSYS与ADAMS接口介绍  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章轮式装载机结构系统运动学与动力学仿真  29-53
  3.1 工况选择  29-30
    3.1.1 典型受力工况  29-30
    3.1.2 一个典型作业循环  30
  3.2 轮式装载机结构系统虚拟样机的建立  30-38
    3.2.1 ADAMS中虚拟样机的建立方法  30-31
    3.2.2 结构简化原则及方法  31
    3.2.3 装载机结构系统各部件特性参数  31-32
    3.2.4 柔性体的界定  32-33
    3.2.5 柔性体的生成  33-36
    3.2.6 冗余约束处理  36-37
    3.2.7 轮式装载机结构系统动力学模型拓扑结构  37-38
  3.3 驱动的定义与载荷的施加  38-40
  3.4 轮式装载机结构系统运动学仿真  40-44
    3.4.1 最大卸载高度及对应卸载距离分析  40-41
    3.4.2 铲斗转角分析  41-42
    3.4.3 连杆机构传动角分析  42
    3.4.4 转斗机构倍力系数分析  42-43
    3.4.5 结构系统主要零部件动态特性分析  43-44
  3.5 轮式装载机结构系统动力学仿真  44-49
    3.5.1 正载工况下主要铰接点的受力历程曲线  44-47
    3.5.2 偏载工况下主要铰接点的受力历程曲线  47-49
  3.6 动应力分析  49-51
  3.7 本章小结  51-53
第四章轮式装载机结构系统有限元分析  53-73
  4.1 弹性薄板有限元理论  53-60
    4.1.1 弹性薄板的弯曲  53-58
    4.1.2 矩形薄板单元  58-60
  4.2 工况选择  60-61
  4.3 单元选择及网格划分  61-63
    4.3.1 单元选择  61
    4.3.2 网格划分  61-63
  4.4 约束及载荷的施加  63-64
  4.5 结果分析  64-66
  4.6 结构改进设计  66-70
    4.6.1 动臂结构改进设计  66-67
    4.6.2 摇臂结构改进设计  67-69
    4.6.3 后车架结构改进设计  69-70
  4.7 本章小结  70-73
第五章结论  73-75
  5.1 结论  73-74
  5.2 展望  74-75
参考文献  75-79
作者简介  79
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  79-81
致谢  81

轮式装载机结构系统虚拟仿真研究

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