工作裝置結(jié)構(gòu)分析及運動學(xué)仿真研究

1、同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院碩士學(xué)位論文挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)分析及運動學(xué)仿真研究姓名:李向?qū)毶暾垖W(xué)位級別:碩士專業(yè):機械制造及其自動化指導(dǎo)教師:王家海20080501 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定, 同意如下各項內(nèi)容:按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版 本;學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版,并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文;學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù);學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有 關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版;在不以贏利為El的的前 提下,學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動。

2、學(xué)位論文作者簽名:石國t蘇 1確j年(只|名El經(jīng)指導(dǎo)教師同意,本學(xué)位論文屬于保密,在 年解密后適用 本授權(quán)書。指導(dǎo)教師簽名:學(xué)位論文作者簽名:年 月 日 年 月 日同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下,進(jìn)行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集 體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:/杏I勺、象 7咖d年 月 /日第1章緒論1.1課題研究背景及意義第1章緒

3、論自上世紀(jì)90年代以來,隨著以計算機技術(shù)為主的信息技術(shù)的發(fā)展,世界經(jīng) 濟(jì)格局發(fā)生了巨大的變化,逐步形成了一個統(tǒng)一的一體化市場,經(jīng)濟(jì)循環(huán)加大、 加快,市場競爭日趨激烈。隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展,各種產(chǎn)品日新月異,產(chǎn) 品的壽命縮短,產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度逐漸加快,對產(chǎn)品設(shè)計與制造的要求也越 來越高,日益激烈的市場競爭要求現(xiàn)代化企業(yè)必須低成本高效率的開發(fā)新產(chǎn)品。 但是產(chǎn)品從設(shè)計到投產(chǎn)是一個復(fù)雜的過程,它包括產(chǎn)品總體方案設(shè)計、概念設(shè) 計、制造加工與裝配等多個環(huán)節(jié)。其間還要進(jìn)行必要的強度分析與校核。傳統(tǒng) 的設(shè)計與制造方法難以全面考慮這些環(huán)節(jié)。企業(yè)必須具備新產(chǎn)品的開發(fā)、研制 及創(chuàng)新能力,有自己的便于更新的產(chǎn)品設(shè)

4、計平臺,才能不斷快速地推出適應(yīng)市 場需求、滿足顧客需要的新產(chǎn)品,才能在激烈的市場競爭中生存下來。結(jié)構(gòu)化的開發(fā)方法(SSA&D或SADT在計算機軟件開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)非 常普遍,它是迄今為止開法方法中應(yīng)用最普遍、最成熟的一種。近些年來該方 法現(xiàn)在也被越來越多的用到機械產(chǎn)品的開發(fā)中,自頂向下設(shè)計是一種高效率的 設(shè)計方法,這種設(shè)計方法一經(jīng)引用,它的優(yōu)點立即體現(xiàn)出來,該設(shè)計方法是從 產(chǎn)品功能概念設(shè)計開始的,它主要用來處理裝配件的設(shè)計工作,利用它能夠有 效地把握設(shè)計意圖,使組織結(jié)構(gòu)清晰,便于在各個子裝配體之間迅速可靠地傳 遞設(shè)計信息,達(dá)到信息共享的目的。同時簡化了零件之間裝配關(guān)系的描述,成 功地協(xié)

5、調(diào)了各裝配件之間的設(shè)計沖突,并運用參數(shù)化模型驅(qū)動和層次化裝配建 模技術(shù),實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配設(shè)計過程與零件詳細(xì)設(shè)計過程的信息集成。CAD技術(shù)作為加速產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的有效途徑,越來越得到設(shè)計人員的重視。 眾多行業(yè)的實踐經(jīng)驗表明,采用CAD技術(shù)可以顯著地縮短設(shè)計周期,提高設(shè)計 質(zhì)量和生產(chǎn)效率,是加速產(chǎn)品更新?lián)Q代的有效手段,也是改造傳統(tǒng)生產(chǎn)過程的 必由之路。CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用水平已成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標(biāo) 志。因此,國家“863"計劃專門投資,支持三維CAD軟件的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,以 此為背景,國內(nèi)CAD技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)入了新的發(fā)展階段。隨著我國CAD應(yīng)第1章緒論用工程的普及和推廣,CA

6、D技術(shù)己在許多企業(yè)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。傳統(tǒng)的二維 CAD軟件正逐漸被三維CAD軟件所替代。目前,流行的CAD/CAM軟件眾多,軟 件功能上也各有千秋,如Pro/ENGINEER、UG、CATIA等,都是比較通用的大 型軟件系統(tǒng)。這些三維CAD軟件除了基本的建模功能外,基本都還集成了結(jié)構(gòu) 分析、動態(tài)方針或其他更高級功能。以CATIA為例,它同時具有逆向工程模塊 (CGO、空間分析(SPA、ANSYS接口(ANSYS Interface、有限元模型生成器 (FEM、創(chuàng)成式零件分析及優(yōu)化(GPO、創(chuàng)成式零件應(yīng)力分析(GPS、制造基礎(chǔ)框 架(Manufacturing Infrastructure、IG

7、ES集成接口等等諸多模塊,但是作為建模 軟件,它的上述輔助功能比起專業(yè)的分析軟件在某些功能上顯然遜色很多,但 是它提供的完善的接口程序,使得建好的模型可以直接倒入到相關(guān)軟件中,通 過簡單的工作就可以在新軟件中直接運用。計算機輔助工程,也就是通常所說的CAE(CompmerAided Engineering技 術(shù)是在自然科學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上建立起來的,它是將具體 的自然科學(xué)與計算機技術(shù)相結(jié)合,將自然的理論知識和經(jīng)驗通過計算機語言描 述出來,來幫助人們?nèi)フJ(rèn)識客觀世界的物質(zhì)世界。在各種CAE技術(shù)中,虛擬樣 機技術(shù)(Virtual Prototype技術(shù)使計算機輔助工程的一個重要分支,

8、它是人們開 發(fā)新產(chǎn)品時,在概念設(shè)計階段,通過學(xué)科理論和計算機語言,對設(shè)計階段的產(chǎn) 品進(jìn)行虛擬性能測試,達(dá)到提高設(shè)計性能、降低設(shè)計成本、減少產(chǎn)品開發(fā)時間 的目的。此外隨著計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以計算機為工具的信息處理技術(shù)經(jīng)歷了 數(shù)值計算階段、數(shù)據(jù)(包括文字處理階段以后,已經(jīng)進(jìn)入了知識處理的新階 段。在這個階段,計算機能像人類一樣具有進(jìn)行創(chuàng)造性腦力勞動的能力,所以 計算機具有智能。計算機具有智能是計算機發(fā)展史上的一個劃時代的標(biāo)志,意 味著信息社會進(jìn)入一個知識信息處理的新時代。為此世界上發(fā)達(dá)國家將研制智 能計算機列為科研項目的重點,擴(kuò)大智能是新世紀(jì)計算機科學(xué)發(fā)展的新趨勢。 知識工程是一門專門研究開發(fā)

9、知識系統(tǒng)的理論、方法和技術(shù)的工程學(xué)科,知識 系統(tǒng)是基于知識對實際問題進(jìn)行求解的系統(tǒng)它的核心部件是知識庫。新一代計 算機系統(tǒng)將圍繞知識庫,或者以知識為核心來組織。因此當(dāng)今時代是知識的時 代,誰掌握了知識,誰就掌握了主動權(quán)。2第1章緒論1.2國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀1.2.1自頂向下技術(shù)研究現(xiàn)狀產(chǎn)品的設(shè)計是一個漸進(jìn)的過程,一般經(jīng)過概念設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計和詳細(xì)設(shè) 計三個階段。這種漸進(jìn)的設(shè)計過程,稱為自頂向下(Top.Down設(shè)計。自頂向下設(shè)計過程具有如下優(yōu)點:符合產(chǎn)品設(shè)計過程和設(shè)計人員的思維 過程。設(shè)計產(chǎn)品時,最初考慮的是產(chǎn)品應(yīng)實現(xiàn)的功能,最后才考慮實現(xiàn)這些功 能的幾何結(jié)構(gòu),所以產(chǎn)品的設(shè)計過程是一個從抽象到

10、具體的漸進(jìn)過程。便于 實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的協(xié)同,實現(xiàn)并行設(shè)計。在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段,即概念設(shè)計 階段,就將產(chǎn)品的主要功能、關(guān)鍵約束、配合關(guān)系等重要信息確定下來,在進(jìn) 行任務(wù)分配時,這些關(guān)鍵約束也同時分配給各子系統(tǒng),這樣,各子系統(tǒng)才能很 好地配合,避免發(fā)生沖突。為DFx(DFA,DFM等提供了條件。能將前期階 段的關(guān)鍵約束傳遞到后續(xù)設(shè)計階段,這樣,在后續(xù)設(shè)計中就可根據(jù)前期設(shè)計的 約束要求進(jìn)行可行性評價。從而實現(xiàn)面向裝配的設(shè)計(DFA和面向制造的設(shè)計 (DFM。自頂向下設(shè)計方法所涉及技術(shù)的研究,包括自頂向下設(shè)計系統(tǒng)、裝配模型 的表達(dá)、模型建立、模型分析,以及裝配順序規(guī)劃等方面。(1 自頂向下設(shè)計系統(tǒng)研

11、究現(xiàn)狀設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的主要研究者及現(xiàn)狀見表1.1【lJ,簡要說明如下:表1.1自頂向下系統(tǒng)研究序號 系統(tǒng)名稱 裝配模型 推理方法 系統(tǒng)特點 研究人員 1WAYT 關(guān)系模型 手工交互式 最早的原型系統(tǒng) M.Mantyla 2Delta 層次模型 專家系統(tǒng) 側(cè)重功能理解 JinKang Gui 3GNOSIS 層次模型 專家系統(tǒng) 實現(xiàn)了抽象結(jié)構(gòu)表 lerbi Ranta 達(dá)4GONGEN 面向?qū)ο竽?專家系統(tǒng) 側(cè)重產(chǎn)品建模 Sreenivasa R 型 Gorti5Pro/TopDown 層次模型 手工交互式 側(cè)重基準(zhǔn)約束傳遞 PTC交互式設(shè)計系統(tǒng)WAYT,是由Top.Down的早期研究人員、芬蘭赫

12、爾辛基大學(xué) 3 第2章基于自頂向下的挖掘機工作裝置設(shè)計與建模產(chǎn)品的形狀和它要完成的功能任務(wù)。伴隨著設(shè)計的深入,整體的形狀空間逐級 劃分,同時功能也逐級分解,直到最后不必再分解之時,再進(jìn)行零件的造型設(shè) 計,即是一自頂向下的設(shè)計過程:用這種面向裝配的設(shè)計(DFA方法設(shè)計出的產(chǎn) 品在邏輯結(jié)構(gòu)上就會呈現(xiàn)出多層次性,因此裝配模型也必須提供一種層次結(jié)構(gòu) 的記錄機制來與之相適應(yīng)。一個機械產(chǎn)品可以看成是相互間具有確定裝配關(guān)系的若干零部件組成的一 個裝配體(Assembly,裝配體可分解為不同層次的子裝配體(Sub AssemblyB6】。 而子裝配體又可分解為各組件,如此分解下去,最終分解的結(jié)果是如圖2.15

13、所示 的一種樹狀結(jié)構(gòu)模型。第0層:裝配體第l層:子裝配體第2層:組件第3層:特征第4層:實體圖2.15產(chǎn)品裝配模型結(jié)構(gòu)層次模型圖裝配體模型最基本的組成單元是零件、子裝配體。如圖2.15所示,圖中樹的 根結(jié)點是成品裝配休,其他所有結(jié)點均為部件;所有的部件結(jié)點又可分為葉結(jié)點 和中間結(jié)點,其中葉結(jié)點是不可拆分的零件,而其他的中間結(jié)點則是由概念設(shè) 計所確定的子裝配體。多叉樹的分支(branch代表從屬關(guān)系,分支只聯(lián)接相鄰的 上下兩層結(jié)點,表示下層結(jié)點是上層結(jié)點的組成部件。由此看來,零件結(jié)點只 有父結(jié)點,裝配體只有組成部件結(jié)點,而子裝配體結(jié)點既有父結(jié)點又有組成部 件結(jié)點。子裝配體的層次結(jié)構(gòu)與最后產(chǎn)品裝配

14、體是一樣的,這樣遞歸下去就形 成了多層次的產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹(Assembly Structure Tree.AST,也稱為裝配模型 樹,可用如下形式表達(dá):Assembly Structure Tree(AST=Root,Component,Branch;其中Root為當(dāng)前層的直接父節(jié)點,為成品裝配體結(jié)點或子裝配體結(jié)點; 29第2章基于自頂向下的挖掘機工作裝置設(shè)計與建模Component為部件(零件和子裝配體的有限非空集合,可表示為,Sub-assembly_Subassembly.,Parti;,Panm.;Branch為有向邊集,表示Component對Root的從屬關(guān)系,可表示為 ,Bi.,

15、Bp;以上Bi為第i個從屬關(guān)系,P為m和n之和。一個產(chǎn)品可以表達(dá)成多個AST的組 合。本文所述的挖掘機工作裝置裝配模型樹如圖2.16117J。圖2.16挖掘機工作裝置裝配模型樹(層次結(jié)構(gòu)圖從上述分析可看出,裝配體的層次結(jié)構(gòu)可形成多層次的產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹, 其中裝配模型、裝配特征、裝配關(guān)系等可用前面所討論的方法來表示,由于特 征信息可以在不同抽象層次上表達(dá),即都可以用基準(zhǔn)點(datum point、基準(zhǔn)軸 (datum axis.基準(zhǔn)面(data plane、基準(zhǔn)坐標(biāo)系(data coordinates、基準(zhǔn)線(datum curve等基本特征來表示,因此,在設(shè)計初期,將裝配體中的各零件,僅用零件

16、 的基準(zhǔn)特征來表示,這些基準(zhǔn)特征用來確定零件在空間的位置,例如只用回轉(zhuǎn) 中心來表示軸類零件,齒輪嚙合用其軸線及一對分度圓表示等。每個特征都能 實現(xiàn)一定功能以滿足整體設(shè)計要求?！肮δ芤患s束特征"對應(yīng)關(guān)系能幫助設(shè)計 人員尋找到多種設(shè)計方案,以便從中挑選出較優(yōu)的設(shè)計?！肮δ芤患s束特征” 關(guān)系在某種意義上是一種模糊的、不確定關(guān)系,這種關(guān)系的建立以及如何把這 些特征組合到一起正是首要解決的問題所在。據(jù)此,可設(shè)想將裝配結(jié)構(gòu)樹中的 “主干”用這些特征表示,并附加一定的約束關(guān)系,以此來控制產(chǎn)品整體裝配 結(jié)構(gòu)及功能。各設(shè)計組在這個整體裝配結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一控制下,并行地將裝配結(jié)構(gòu)30第2章基丁自頂向下的挖掘機

17、I作裝置設(shè)訓(xùn)與建模樹中的各根結(jié)點、枝結(jié)點逐步細(xì)化,直至完成各零件的詳細(xì)設(shè)計,使裝配建模 的方法很好地支持并行工程。為了解決上述問題,設(shè)想在產(chǎn)品設(shè)計之初(概念設(shè)計,建立反映裝配結(jié)構(gòu)樹 的“主干”結(jié)構(gòu)的目架模型(Skeleton Model.SM,SM用來確定子裝配體、零件 在空問的靜止位置或運動時的相對位置、它們之間的裝配約束關(guān)系及一些重耍 的設(shè)計參數(shù),而不滯硬鼻零件具體的螭枸形壯.加固217.r剮217挖掘機主框架sM相當(dāng)于位于裝配體項層的控制產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)及功能的概念上的“空零 件”,也是裝配體的-N沒有肌肉的豐骨架,它由系列基準(zhǔn)特征組成,并包臺 有若干設(shè)計參數(shù)關(guān)系式。其中基準(zhǔn)有與產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)

18、及裝配有關(guān)的基準(zhǔn)點(軸、 面基準(zhǔn)特征,這些基準(zhǔn)特征是以系統(tǒng)的默認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)為參照,通過添加參數(shù)關(guān) 系式等約束條件而得到的,以便利用這些基準(zhǔn)特征米將子裝配體、零件進(jìn)行空 問定位,或利用基“E特征來控制產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)形狀。復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計中,各 子裝配體中同樣用與構(gòu)建主SM相同的方法構(gòu)建各自的SM,形成子SM.即個 裝配體中可包含多個子SM,通過子SM來確定子裝配體中各零件靜止或運動時的 空間位筒及裝配約束關(guān)系。設(shè)計完成后,通過改變產(chǎn)品的士SM,即整體設(shè)計方 案的改變,來實現(xiàn)裝配體整體結(jié)構(gòu)的改變,或通過子SM的改變,實現(xiàn)各予裝配 體局部結(jié)構(gòu)的改變,從而實現(xiàn)對產(chǎn)品自頂向下的設(shè)計及分層組織和管理.如圖 2

19、16。在自頂向下設(shè)計過程中可以首先聲明各個子裝配或者零件的空間位置和體 積,設(shè)定全局性的關(guān)鍵參數(shù),這些參數(shù)將被裝配中的子裝配和零件所使用。當(dāng) 這些總體參數(shù)在隨后的設(shè)計中逐步確定并發(fā)生改變時,各個零件和子裝配將隨 31第2章基于自頂向下的挖掘機工作裝置設(shè)計與建模之改變¨J。這種自頂向下的設(shè)計方法有利于不同的設(shè)計人員共同設(shè)計。在設(shè)計總 體方案確定后,所有承擔(dān)設(shè)計任務(wù)的小組和個人就可以依據(jù)總裝設(shè)計迅速開展 丁作,可以大大加快設(shè)計過程,做到高效、快捷和方便的設(shè)計。裝配體概念模型相當(dāng)于是裝配體的一副沒有肌肉的“骨架”,通過這一“骨 架”反映出整個產(chǎn)品的功能要求和設(shè)計者的設(shè)計意圖。其中的各零件則

20、是一些 只包臺了主要基準(zhǔn)特征的“空零件”,此時的裝配概念模型是一全局化的模型, 即是整體設(shè)計的結(jié)果,同時又是零件設(shè)計的起點。詳細(xì)設(shè)計階段的工作是順著 這些“空零件”的基準(zhǔn)特征完成各零件的實體建模,即為裝配體添加上每塊“肌 肉”,完成由裝配體概念模型到產(chǎn)品實體結(jié)構(gòu)模型的映射。在詳細(xì)設(shè)計階段,通 過對各零件細(xì)部結(jié)構(gòu)的修改,實現(xiàn)裝配體局部結(jié)構(gòu)形狀的改變。蛀后對裝配體 進(jìn)行有關(guān)的有限元分析,并根據(jù)分析結(jié)糶對裝配體進(jìn)行白頂向下的整體或局部 修改,重新生成模型井輸山。?焉墨署一口!口E日砌圖218三維建模軟竹中的樹狀模型在洋細(xì)設(shè)計階段,可以通過對各子裝配體的概念模型(子SM的修改,實現(xiàn) 局部設(shè)計方案的修改

21、,從而使得與骨架中有關(guān)設(shè)計的部件、零件的位置、甚至 形狀隨之發(fā)生改變?，F(xiàn)在市面上多數(shù)三位建模軟件均支持自頂向下設(shè)計,建立 好裝配體后軟件左端均以樹裝模型形式顯示各部件和零件問相互關(guān)系。如圖 218。第2章基于自項向F的挖掘機工作裝置設(shè)計與建模2.3基于soIidworks的液壓挖掘機工作裝置建?？?口快速發(fā)展的CAD技術(shù)已可提供完整的電子樣機功能,能夠完成完整的 電予樣機的分析、模擬功能,從而減少制造物理樣機的費用,并能進(jìn)行更多方 案的驗證。Solidworks作為一個優(yōu)秀的CAD/CAE/CAM-體化軟件,其解決方案 覆蓋了產(chǎn)品開發(fā)的整個過程,成功地用數(shù)字模型無紙加工完成產(chǎn)品開發(fā)全過程。 設(shè)

22、計者設(shè)計的目的是為了得到最終的產(chǎn)品裝配體,并實現(xiàn)產(chǎn)品的功能。經(jīng) 過以上設(shè)計得到的裝配體概念模型只是裝配體的。副沒有肌肉的“骨架”,通過 這一“旨架”反映出整個產(chǎn)品功能要求和設(shè)計者的設(shè)計意圖。其巾的各個零件 是一些只包含主要基準(zhǔn)特征的“空零件”,此時的裝配體概念模型是一個全局化 的模型,即整體的設(shè)計結(jié)果。詳細(xì)設(shè)訓(xùn)階段的任務(wù)就是順著主SM及于SM只含有 “空零件”的裝配體添加“肌肉”,完成由裝配體概念模型到產(chǎn)品模型的映射l。 下面足利用Solidworks建模模型。斟219動臂斗桿和鏟斗的三維模型各部分子裝配體模型建立之后就可以依照各部件裝配關(guān)系進(jìn)行裝配,晶終 形成挖掘機T作裝置的總裝配模型,如圖

23、220。第2章基于自頂向下的挖掘機工作裝置設(shè)計與建模一 倒220挖掬|機總裝月E模型挖掘機工作裝置以外的并裝置,如基座、轉(zhuǎn)盤和行走裝置等,其參數(shù)參考 同機型日本神鋼(KOBELCO挖掘機的參數(shù)。配重為初值,該值需在下步仿真 中根耕挖掘機穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整。2.4本章小結(jié)本章首先介紹了挖掘機工作原理及組成,然后詳細(xì)介紹了A頂向下設(shè)計方 法的過程并分步加以說明。接著基于自頂向下設(shè)計方法設(shè)計出挖掘機一1.作裝置 模型井最終應(yīng)用Soliworks軟件畫出整個工作裝置模型。第3章挖掘機工作裝置有限元分析優(yōu)化第3章挖掘機工作裝置有限元分析優(yōu)化本章將在前一章已建立模型的基礎(chǔ)上對該挖掘機工作裝置進(jìn)行受靜載荷和 受

24、沖擊時的有限元分析,進(jìn)而判斷設(shè)計結(jié)果的可靠性。接著將對所設(shè)計工作裝 置進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。3.1有限元技術(shù)原理及ANSYS軟件介紹3.1.1有限元法及其基本思想有限元法(Finite Element Method是最近三四十年隨著計算機的發(fā)展而發(fā)展 起來的用于各種結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值計算方法。其基本思想是離散化的思想。在工程技術(shù)領(lǐng)域研究彈性連續(xù)體在載荷和其它因素作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng) 變和位移時,由于應(yīng)力應(yīng)變和位移都是位置的函數(shù),也就是說物體各個點的應(yīng) 力、應(yīng)變和位移一般是不同的。因此,可以把彈性連續(xù)體看作由無限多個微元 體所組成。這是一個具有無限多自由度的問題。為了能夠進(jìn)行數(shù)值分析,有限 單元法在處

25、理這類問題時,首先應(yīng)用離散的思想,把問題簡化為有限個自由度 的問題,然后借助結(jié)構(gòu)矩陣分析的方法處理。在介紹基本方法之前先要了解有 限元基本術(shù)語【20】:(1單元結(jié)構(gòu)單元的網(wǎng)格劃分中的每一個小的塊體稱為一個單元。常見的單元類型 有線段單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元和六面體單元幾種(見表 3.1。由于單元是組成有限元模型的基礎(chǔ),因此單元的類型對于有限元分析是至 關(guān)重要的。一個有限元程序所提供的單元種類越多,這個程序的功能則越強大。 (2節(jié)點確定單元形狀的點就叫節(jié)點。例如線段單元只有兩個節(jié)點,三角形單元有 三個或者六個節(jié)點,四邊形單元至少有四個節(jié)點等。(3載荷工程結(jié)構(gòu)所受到的外在施加的力稱

26、為載荷。包括集中力和分布力等。在不 35第3章挖掘機工作裝置有限元分析優(yōu)化同的學(xué)科中,載荷的含義也不盡相同。(4邊界條件邊界條件就是指結(jié)構(gòu)邊界上所受到的外加約束。在有限元分析中,邊界條 件的確定是非常重要的因素。錯誤的邊界條件的選擇往往使有限元中的剛度矩 陣發(fā)生奇異,使程序無法正常運行。施加正確的邊界條件是獲得正確的分析結(jié) 果和較高的分析精度的重要條件。有限元離散化是假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元,并認(rèn)為相鄰單 元之間僅在節(jié)點處相連,根據(jù)物體的幾何形狀特征、載荷特征、邊界約束特征 等,單元有各種類型。節(jié)點一般都在單元邊界上,節(jié)點的位移量是作為結(jié)構(gòu)的 基本未知量。這樣組成的自由度的有限單元

27、集合體,并引進(jìn)等效節(jié)點力及節(jié)點 約束條件,由于節(jié)點數(shù)目有限,就成為具有有限自由度的有限元計算模型,它 替代了無限多自由度的連續(xù)體。如圖3.1。圖3.1有限元的離散法在此基礎(chǔ)上,對每一單元根據(jù)分塊近似的思想,假設(shè)一個簡單的函數(shù)來近 似模擬其位移分量的分布規(guī)律,即選擇位移模式,在通過虛功原理(或變分原 理或其他方法求得每個單元的平衡方程,就是建立單元節(jié)點力與位移之間的 關(guān)系。最后,把所有單元的這種特性關(guān)系,按照保持節(jié)點位移連續(xù)和節(jié)點力平 衡的方式集合起來,就可以得到整個物體的平衡方程組。引入便捷約束條件后 解此方程就求得節(jié)點位移并計算出各單元應(yīng)力。從以上論述可以看到,有限單元法的實質(zhì)是把具有有限多

28、個自由度的彈性 連續(xù)體,理想化為只有有限個自由度的單元集合體,使問題簡化為適合于數(shù)值 揭發(fā)的結(jié)構(gòu)型問題。因此只要研究并確定優(yōu)先大小的單元力學(xué)特性就可以根據(jù) 結(jié)構(gòu)分析的方法求解,使問題得到簡化。36第3章挖掘機工作裝置有限元分析優(yōu)化3.1.2有限元法分析的基本步驟有限元法求解各種問題的一般步驟如下:(1彈性連續(xù)體離散化將彈性體離散化是有限單元法的基礎(chǔ),所謂離散化就是假想把被分析的彈 性體分割成由有限個單元組成的集合體。這些單元僅僅在節(jié)點處連接,單元之 間的載荷也僅由節(jié)點傳遞。連續(xù)體的離散化又稱為網(wǎng)格劃分,離散而成的有限 單元集合體將替代原來的彈性連續(xù)體,所有的計算分析都將在這個計算模型上 進(jìn)行。

29、因此網(wǎng)格劃分將關(guān)系到有限元分析的速度和精度,以至計算的成敗。 有限元離散過程中有一個重要環(huán)節(jié)是單元類型的選擇,選擇單元類型應(yīng)根 據(jù)被分析結(jié)構(gòu)的集合形狀特點,綜合載荷、約束等全面考慮。表3.1:歹lJ出了常用 單元名稱及它們適用的情況。表3.1幾種常見單元及其適用情況單元名稱 適用情況 節(jié)點數(shù) 每個節(jié)點 自由度數(shù) 桁架單元 桁架 31平面梁單元 平面剛架 23空問梁單元 空間剛架 26平面三角形單元 平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問題 32平面四邊形單元 平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問題 42三角形截面環(huán)單元 軸對陣實體或厚殼 323六面體等參單元 三維應(yīng)力 83矩形板單元 薄板彎曲問題 43三角形板單元 薄板彎曲問

30、題 33三角形殼單元 薄殼問題 356矩形殼單元 圓柱薄殼 45“在同一個被分析的結(jié)構(gòu)中,具有不同類型的部件(如板與梁時,必須應(yīng) 用不同類型的單元。(2選擇單元位移模式37第3章挖掘機工作裝置有限元分析優(yōu)化選擇單元位移模式是單元特性分析的第一步。假設(shè)一個單元的函數(shù)來模擬 單元內(nèi)位移的分布規(guī)律,這個簡單的函數(shù),通常是選擇多項式,成為位移模式 或位移函數(shù)。多項式的項數(shù)及階數(shù)取決于單元的自由度數(shù)和有關(guān)解的收斂性要 求。單元位移模式又要轉(zhuǎn)換成用節(jié)點位移來表示,所以它也決定了相應(yīng)的位移 差值函數(shù)。由此可知選擇合適的位移函數(shù)是有限元分析的關(guān)鍵。它將決定有限元解答 的性質(zhì)與近似程度,所以它的選擇遵循一定的準(zhǔn)

31、則。(3單元力學(xué)特性分析在選擇了單元類型和相應(yīng)的位移模式后,即可按稽核方程、物理方程導(dǎo)出 單元應(yīng)力應(yīng)變的表達(dá)式。然后應(yīng)用虛功原理或變分法以及其它方法建立各個單 元的剛度矩陣,即單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系。由于有限元法假設(shè)載荷是作用在節(jié)點上的,并由節(jié)點傳遞的。因此,單元 分析的另一內(nèi)容是將作用在單元上的非節(jié)點載荷移植到節(jié)點上,形成等效節(jié)點 載荷矩陣。(4整體分析,構(gòu)成總剛度方程整體分析的基礎(chǔ)是依據(jù)所有相鄰單元在公共節(jié)點上的位移相同和每個節(jié)點 上的節(jié)點力與節(jié)點載荷保持平衡這兩個原則。它包括兩方面內(nèi)容:一是由各單 元的剛度矩陣集合成整體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣【K】;二是將作用于各單元的等效節(jié) 點力集合

32、成結(jié)構(gòu)總的載荷矩陣R。這兩項就組成了整體結(jié)構(gòu)的總剛度方程: K】=R(5約束處理并求解總剛度方程引進(jìn)邊界約束條件,修正總剛度方程后,就可求得節(jié)點位移。求解大型聯(lián) 立代數(shù)方程組的方法很多,求解占用的時間占據(jù)整個有限元計算時間的大部分。 (6計算單元應(yīng)力并整理計算結(jié)果根絕求得的位移可以求出結(jié)構(gòu)上所有感興趣部件上的應(yīng)力。并能夠繪制出 結(jié)構(gòu)變形圖及各種應(yīng)力分量、應(yīng)力組合的等值云圖。3.1.3空間問題的有限單元法38. 第3章挖掘機工作裝置有限元分析優(yōu)化 二=_二二二|_工程實際中,大量的問題很難假定為平面問題來處理,因此必須作為空間問題來分析。下面介紹一下彈性力學(xué)一般空間問題基本方程,以及一般空間問題

33、有限元法中最簡單的四面體單元。圖3.2空間微元從彈性體中任意取出一個邊長為d(、dy、dz的微元,微元體的棱邊分別平 行于x、Y和z軸。由于微元體受到周圍微元體力的作用,因此在每個面受到個正應(yīng)力和兩個剪應(yīng)力,如圖3.2所示【20】。 由應(yīng)力互等有:f馴=f慣,f02f。,f。=Txz(3.1微元體應(yīng)力和對應(yīng)的應(yīng)變狀態(tài)分別為;。p=吒q吒f弦吃7(3.2 p=p。占.,s:廠叫廠歸如y(3.3由微元體的靜力平衡可列出彈性體平衡方程:(3.4式中X、Y、z是彈性體單位體積上沿著坐標(biāo)軸所受的體積力。根據(jù)微元體各線段的變形情況,可以列出彈性體在空間問題時的幾何方程:39O O劃 卸 卸 XyZ+監(jiān)瑟盟

34、如亟瑟%一 砂 魄 一 鈔 %砂 堡知笠缸蔓缸第3章挖掘機工作裝置有限元分析優(yōu)化auSx 2_COvsy一面挑于dZOv au,=一十7叫 蘇。加aw加2瓦+瓦Ov oZ8u饑比5西+瓦oz t拭由虎克定律可得到彈性體的物理方程:(3.5q=-bk一(吒+q】gY=E1-by一(吒+吒】占產(chǎn)去Pz一c萬x+仃y列 。3.6, 17掣5石z砂%2石%17囂2石f囂式中E為材料的彈性模量,為泊松比,G為剪切彈性模量,三者之間關(guān)系為:G:墨2(1+式(3.6種的物理方程是應(yīng)用分量來表示應(yīng)變分量的, 量來表示應(yīng)力分量,用矩陣來表示的話,即為p=D】g式中40(3.7 經(jīng)變換也可以用應(yīng)變分 (3.8第3章挖掘機工作裝置有限元分析優(yōu)化【D=萬E而(1-ja1一斗1一ooo!二絲2(1一O O OO O O O12