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基于虚拟样机技术和有限元方法的清污机研究和设计

作　者: 曹新江
导　师: 李世芸
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 虚拟样机技术清污机动力学仿真有限元分析
分类号: TH122
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

自改革开放以来,随着中国西部经济建设的迅速发展,西部水电业也得到了迅猛的发展,因此,清理水坝污物的清污设备——清污机也应运而生。但是,长期以来,清污机械的设计多采用传统的静态设计为主,根据同类产品的相关资料和经验公式来计算和设计。这大大影响了清污机的质量和速度,影响了西部水电业的快速发展。虚拟样机作为产品设计的一项新技术,对传统的产品设计方法是一次革命。通过虚拟样机技术,工程师可以采用机械系统运动仿真,在设计阶段发现产品设计中的潜在问题,并快速进行修改,减少了对于物理样机的依赖,这样不仅可以节省成本,缩短产品开发周期,而且可以提高产品性能,增强产品竞争力。本文研究的浮动自加压式耙斗清污机是在第一代清污机的基础上开发的,因此还存在很多问题,如清污机的重量过大成本过高；左轨道的安全性能设计；加压体结构的设计；栅栏及栅栏与水坝地面的夹角的设计等等。这些问题都严重影响了耙斗清污机在运行过程中的性能和效率,阻碍了水电业的发展。本文将虚拟样机技术应用于清污机的设计中,实现了对清污机各机构在各种工况下随时间变化过程的模拟,从而为将来清污机行业进行计算机平台下虚拟设计的研发打下基础,对加快清污机械的研制具有重要意义。本文的主要工作和结论如下：(1)本文在第一代耙斗清污机运行后的基础上,针对第一代耙斗清污机运行过程中突出的缺点,利用SolidEdge三维实体软件建立了浮动自加压式耙斗清污机复杂的整机系统虚拟样机模型。(2)将清污机虚拟样机模型导入ADAMS系统,建立了在ADAMS环境中的清污机虚拟样机,并根据实际工况施加约束和载荷后进行运动学和动力学仿真,得出了清污机左轨道的受力曲线图,并对曲线结果进行合理有效的分析。(3)将浮动自加压式耙斗清污机的左轨道导入有限元通用分析软件ANSYS中,利用ADAMS软件中仿真分析得到的结果在ANSYS中对左轨道进行应力、应变等特性的分析,并对经ANSYS后处理得到的结果进行合理有效的分析。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-22
  1.1 课题研究的背景  9-11
  1.2 课题研究意义  11-12
  1.3 国内外相关研究情况  12-19
    1.3.1 国内外清污机的类型及特点  12-15
    1.3.2 国内外清污机在工程中的应用  15-16
    1.3.3 清污机的发展方向  16-19
  1.4 浮动自加压式耙斗清污机的结构特点  19-20
  1.5 课题研究的主要内容  20-22
第二章虚拟样机技术  22-29
  2.1 虚拟样机技术的概念  22-24
  2.2 虚拟样机技术的特点  24
  2.3 虚拟样机技术的应用概况  24-26
  2.4 虚拟样机技术与传统产品设计方法比较  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章虚拟样机模型的建立  29-43
  3.1 CAD建模系统简介  29-33
    3.1.1 从二维CAD发展到三维CAD  29-30
    3.1.2 CAE发展概述  30
    3.1.3 CAD/CAM/CAE集成  30-31
    3.1.4 CAD软件的比较与选择  31-33
  3.2 SolidEdge软件  33-35
    3.2.1 SolidEdge综述  33
    3.2.2 SolidEdge的各种建模环境  33-35
  3.3 清污机虚拟样机建模  35-42
    3.3.1 清污机的虚拟建模环境  35-36
    3.3.2 虚拟装配技术概述  36-37
    3.3.3 虚拟装配技术的主要功能  37
    3.3.4 虚拟装配的关键技术  37-38
    3.3.5 清污机的虚拟装配  38-42
  3.4 虚拟模型静态干涉检验  42
  3.5 本章小结  42-43
第四章清污机的虚拟动态仿真  43-67
  4.1 引言  43-44
  4.2 动力学仿真的实现步骤  44-46
  4.3 目前主要的仿真软件功能比较  46-47
  4.4 ADAMS软件  47-48
    4.4.1 ADAMS软件介绍  47-48
    4.4.2 ADAMS软件模块  48
  4.5 ADAMS多刚体动力学理论基础  48-55
    4.5.1 多刚体系统的组成  48-49
    4.5.2 多刚体系统位置、速度、加速度分析  49-50
    4.5.3 自由刚体变分运动方程  50-51
    4.5.4 ADAMS多刚体动力学理论  51-55
  4.6 清污机轨道机构的动力学分析  55-56
  4.7 清污机虚拟样机的仿真分析  56-66
    4.7.1 ADAMS软件与SolidEdge软件的数据交换与集成  56-58
    4.7.2 在ADAMS中对模型施加约束和载荷  58-60
    4.7.3 仿真前准备工作  60
    4.7.4 动力学仿真分析  60-64
    4.7.5 仿真结果的分析与验证  64-66
  4.8 本章小结  66-67
第五章清污机的有限元分析  67-90
  5.1 引言  67
  5.2 有限单元法  67-71
    5.2.1 有限元法概述  67-70
    5.2.2 有限元法的优缺点  70-71
    5.2.3 有限元法的基本思想  71
  5.3 有限单元法的理论基础  71-77
    5.3.1 空间问题的基本方程  71-73
    5.3.2 四面体单元  73-75
    5.3.3 高次四面体单元  75-77
  5.4 有限元分析软件的选择  77-78
  5.5 ANSYS软件  78-82
    5.5.1 ANSYS软件简介  78-82
    5.5.2 ANSYS软件的主要特点  82
  5.6 ANSYS环境下的清污机左轨道有限元分析  82-89
    5.6.1 ANSYS软件与SolidEdge软件的数据交换与集成  82-83
    5.6.2 三维模型的网格划分  83-85
    5.6.3 施加载荷  85-87
    5.6.4 有限元计算及结果分析  87-89
  5.7 小结  89-90
第六章结论与展望  90-92
  6.1 总结  90-91
  6.2 展望  91-92
致谢  92-93
参考文献  93-97
附录A  97-98
附录B  98

基于虚拟样机技术和有限元方法的清污机研究和设计

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