滑移裝載機結(jié)構(gòu)件有限元分析與優(yōu)化設計

1、滑本論文東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究：作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同忠對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：日期：講弓留東南大學學位論文使用授權(quán)聲明東南人學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學位論文的復印件和電子文檔，可以采影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除住保密期內(nèi)的保密論文外，允許

2、論文被查閱和借閱，可以公布（包括以電子信息形式刊登）論文的全部內(nèi)容或中、英文摘要等部分內(nèi)容。論文的公布（包括以電子信息形式刊登）授權(quán)東南人學研究生院辦理。研名：塒翩躲塑酗糾：叢泣滑移裝載機結(jié)構(gòu)件有限元分析與優(yōu)化設計摘要滑移裝載機結(jié)構(gòu)件設計的好壞直接影響著車輛的工作性能和作業(yè)安全性。本文結(jié)合江蘇省科技支撐計劃項目“滑移裝載機研發(fā)”（編號：），對其關鍵結(jié)構(gòu)件進行有限元分析及優(yōu)化，研究具有很強的工程應用價值。論文的主要研究內(nèi)容如下：（）應用三維軟件建立滑移裝載機的各零部件及整機的模型。在模塊中對工作裝置進行初步的運動學分析和干涉檢測。（）應用軟件建立動臂和車架的有限元模型，進行自由模態(tài)分析。應用動態(tài)

3、測試系統(tǒng)對動臂和車架進行試驗模態(tài)分析，根據(jù)試驗結(jié)果，對有限元模型進行修正。（）對工作裝置和車架進行多工況下的靜力學和動力學分析，得出了各工況下的最大應力、位移分布云圖及其動態(tài)特性，為后續(xù)的優(yōu)化設計提供了依據(jù)。（）根據(jù)靜力學分析的結(jié)果，改進了車架的結(jié)構(gòu)，使得應力集中現(xiàn)象得到緩解。對動臂和車架進行了以輕量化為目標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，優(yōu)化效果明顯。（）根據(jù)此款滑移裝載機的工作要求，建立了工作裝置的運動學優(yōu)化數(shù)學模型。提出了另外三種形式的工作裝置，為以后工作裝置的優(yōu)化提供了思路。關鍵詞：滑移裝載機；結(jié)構(gòu)件；有限元分析；模態(tài)分析；優(yōu)化設計惱，”，；，；，：，目錄目錄摘要第一章緒論論文的研究背景。結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)

4、化的研究現(xiàn)狀?；蒲b載機工作裝置和車架有限元建模的研究現(xiàn)狀滑移裝載機工作裝置和車架靜態(tài)分析方面的研究現(xiàn)狀滑移裝載機工作裝置和車架的優(yōu)化研究現(xiàn)狀論文研究的目的與意義論文主要內(nèi)容第二章滑移裝載機三維模型的建立滑移裝載機模型的建立滑移裝載機模型的建立基于的滑移裝載機運動仿真運動學仿真建模運動仿真分析本章小結(jié)。第三章結(jié)構(gòu)件有限元模型的建立工作裝置動臂和車架有限元模型的建立一有限元法基本思想動臂和車架有限元模型的建立。：動臂和乍架自由模態(tài)分析模態(tài)分析理論動臂和車架的自由模態(tài)分析上作裝置動臂和車架的模態(tài)試驗研究引言試驗原理和儀器試驗結(jié)果分析本章小結(jié)第四章結(jié)構(gòu)件典型工況的靜力學與動力學分析：作裝置靜力學分析

5、計算位置和計算工況的確定工作裝置有限元模型的建立：。工作裝置的材料特性載荷的確定：作裝置靜力學分析結(jié)果對稱水平受力分析對稱垂直受力分析對稱聯(lián)合受力分析水平偏載分析垂直偏載分析聯(lián)合偏載分析，、右東南人學碩：學位論文工作裝置動力學分析工作裝置模態(tài)分析工作裝置諧響應分析滑移裝載機車架靜力學分析。鏟掘聯(lián)合工況車架分析車架扭轉(zhuǎn)工況分析車架動力學分析車架約束模態(tài)分析車架諧響應分析銷的強度校核銷軸彎曲和擠壓強度計算第五章滑移裝載機工作裝置和車架優(yōu)化設計優(yōu)化設計理論基礎優(yōu)化設計的數(shù)學模型及構(gòu)成要素工作裝置輕茸化優(yōu)化設計優(yōu)化設計概述優(yōu)化設計注意事項及建議工作裝置優(yōu)化設計數(shù)學模型的建立完成優(yōu)化分析優(yōu)化結(jié)果分析優(yōu)化

6、后動態(tài)特性分析滑移裝載機車架結(jié)構(gòu)的改進車架結(jié)構(gòu)的改進護罩結(jié)構(gòu)的改變車架結(jié)構(gòu)改變后的靜力分析車架輕量化優(yōu)化設計優(yōu)化結(jié)果分析。車架優(yōu)化后動態(tài)特性分析本章小結(jié)第六章工作裝置優(yōu)化設計數(shù)學模型及新型工作裝置初步設計：作裝置運動學分析。動臂的運動轉(zhuǎn)斗油缸的運動斗齒尖的運動軌跡優(yōu)化設計數(shù)學模型的建立目標函數(shù)的建立設計變量的確定約束條件的確定，、結(jié)其它幾種形式的：作裝置初步設計正轉(zhuǎn)五桿機構(gòu)形式的工作裝置改變橫梁結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)斗油缸位置的工作裝置垂直舉升的工作裝置本章小結(jié)第七章結(jié)論與展望目錄論文總結(jié)論文展望致謝。參考文獻第一章緒論第一章緒論論文的研究背景滑移裝載機亦稱多功能工程車，是種利用兩側(cè)車輪線速度差而實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)

7、向的輪式專用底盤，采用輪式行走機構(gòu)、全輪驅(qū)動、滑移轉(zhuǎn)向，可于作業(yè)現(xiàn)場隨機快速更換或掛接各種工作裝置，以適應不同的工作環(huán)境和作業(yè)內(nèi)容，具體類型非常多樣化，當需要一種機械承擔多種工作，而且還需要操作快捷時，就應該考慮使用滑移裝載機?；蒲b載機最大的特點是整機外形尺寸小，且可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，可在作業(yè)現(xiàn)場隨機快速更換或掛接各種工作裝置?；蒲b載機的主要用途為：城市基礎設施、道路或建筑工地、廠房車間、倉庫、碼頭、輪船甲板甚至船艙內(nèi)等狹窄場地的作業(yè)，在起伏不平的場地上進行鏟運、堆垛、起重、挖掘、鉆孔、破碎、抓取、推扒，松土、開溝、道路清掃和路面壓實等作業(yè)，或者用于大型工程機械的后勤保障、場地清理及工程收尾等

8、作業(yè)。目前，滑移裝載機在國外非常流行，尤其是在歐美，目前全世界的年產(chǎn)量基本維持在萬臺以上，并保持增長趨勢，歐洲本土的產(chǎn)量不大，以上需要進口?；蒲b載機的國內(nèi)市場還處于起步階段，對該種機器施工的認識還有一個過程，但參照小挖的發(fā)展歷程，發(fā)展將會很迅猛。年，在“十一五規(guī)劃的指引下，國家將會繼續(xù)加快新農(nóng)村建設的步伐，加大對鐵路、公路、港口、機場、水利等基礎設施的投資，這將極大地拉動滑移裝載機的需求，虱年預計可以超過臺。工作裝置和車架是滑移裝載機的重要結(jié)構(gòu)件。裝載機工作裝置設計水平的高低直接影響其作業(yè)性能的好壞，進而影響整機工作效率。因此，工作裝置設計的合理性直接影響裝載機的，產(chǎn)效率、工作負荷、動力與運

9、動特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時日、外型尺寸和發(fā)動機功率等。裝載機工作裝置的強度計算，通常采用材料力學的方法，把動臂和拉桿假定為梁，計算若干截面的彎曲強度比，但由于動臂和拉桿的結(jié)構(gòu)與理想梁相差甚遠，受力也較為復雜，按梁來計算顯然會有較大的誤差，并且無法反映結(jié)構(gòu)整體的變形和應力情況，難以指導設計。車架是整個滑移裝載機的基體，裝載機的絕大多數(shù)部件和總成（如發(fā)動機、駕駛室、工作裝置和有關操縱機構(gòu)）都是通過車架來固定其位置的。車架的功用是支撐連接滑移裝載機的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。車架應具有足夠的強度和適當?shù)膭偠龋瑸榱耸拐囕p量化，要求車架質(zhì)量盡可能的小。隨著計算機技術的發(fā)展及

10、各種（，等）、（，等）軟件的應用，裝載機結(jié)構(gòu)件的設計與傳統(tǒng)設計方法相比較，有了很大的改變。利用、可以快捷、高效、精確地解決許多技術難題，縮短產(chǎn)品設計周期，提高設計質(zhì)量，增強產(chǎn)品的市場競爭力，兇此應用仿真技術進行研究成為熱點問題。針對型滑移裝載機的關鍵結(jié)構(gòu)件，建立與實際情況吻合的三維有限元模型，在典型載荷工況下，進行靜、動態(tài)結(jié)構(gòu)分析以及優(yōu)化設計，對于提高裝載機的可靠性和作業(yè)效率有重要意義，并對工程機械及同類結(jié)構(gòu)也有一定的指導意義。結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化的研究現(xiàn)狀有限元分析是運用結(jié)構(gòu)動力學有限元和邊界元等理論發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)分析方法。目奎塑盔蘭堡：！蘭堡堡莖前，應用有限元法進行裝載機的研究，已經(jīng)成為一種較成

11、熟的方法。但現(xiàn)有的文獻大多是關于普通裝載機的，對滑移裝載機的研究比較少見，滑移裝載機和普通的輪式裝載機有以下不同點：（）在體積上滑移裝載機比普通裝載機小得多；（）由于車輪驅(qū)動的方式不同，車架結(jié)構(gòu)也不相同；（）滑移裝載機的工作裝置和普通裝載機的有很大不同，主要體現(xiàn)在：輪式裝載機的工作裝置一般采用六桿機構(gòu)、八桿機構(gòu)及一些取得專利的新連桿機構(gòu)，總的來說結(jié)構(gòu)比較復雜而小型滑移裝載機的工作裝置大都是四桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡單，前懸??；輪式裝載機動臂支撐點一般都在車輛前半部分，而滑移裝載機動臂支撐點一般都在車輛后上方；輪式裝載機的工作裝置一般為單轉(zhuǎn)斗缸，滑移裝載機一般為雙轉(zhuǎn)斗缸?；蒲b載機工作裝置和車架有限元

12、建模的研究現(xiàn)狀（）由于滑移裝載機的工作裝置結(jié)構(gòu)比較復雜，所以一般先利用軟件建立模型再利用和的無縫接口功能，進行單元劃分，建立有限元模型?；蒲b載機的工作裝置是由薄板件焊接而成，而王隸梓在論文中采用體單元建立工作裝置的有限元模型并且模型相對簡單，與實際結(jié)構(gòu)出入較大：張吳晗瞄在論文中采用殼單元建立有限元模型，但是沒有考慮大量焊接點處的影響，在焊接點處由于殘余應力的存在，如果不加以考慮對計算精度影響較大；馮科梅在論文中探討了焊接殘余應力的數(shù)值模擬的應用和發(fā)展；陳亮口在軟件中建立了工作裝置的三維實體模型并且在軟件中直接進行了網(wǎng)格劃分，這樣的優(yōu)點是所有工作都在同一種軟件中進行，省去了從軟件導入有限元后的

13、大量修補工作，軟件是專業(yè)的三維建模軟件，其有限元模塊的功能不是很強大，直接影響了以后計算的準確性。（）在早期及現(xiàn)有的車架有限元資料中，多采用梁單元和板單元。以梁單元的截面特性來反映車架的結(jié)構(gòu)特性，但它不能正確反映車架縱、橫梁的截面形狀，無法仔細分析車架的應力集中問題。而板單元在其節(jié)點處只有三個自由度，是用來模擬板件受垂直、平行于板平面的載荷產(chǎn)生彎曲的情況。但在實際情況中，車架縱梁和橫梁的腹板等結(jié)構(gòu)除了承受以上的力外，還存在扭轉(zhuǎn)、剪切等狀況，所以使用板單元也不能有效地模擬車架受載時的各種變形，而殼單元除有彎扭變形外，還存在中面的拉、壓和剪切變形，更接近于車架受力真實狀態(tài)。但在現(xiàn)有資料中應用有限元

14、理論研究裝載機車架的比較少。袁淵在客車車身骨架的研究時，在中建立模型，導入有限元軟件中，用梁單元和桿單元建立有限元模型。唐應時陽，在研究白卸車的車架靜動態(tài)分析時，指出用殼單元建模比其他單元建立有限元模型要準確得多。滑移裝載機工作裝置和車架靜態(tài)分析方面的研究現(xiàn)狀在建立精確、合理的有限元模型基礎上，國內(nèi)外學者對工作裝置和車架有限元分析方面做了大量的研究。在靜念載荷的計算和工況的選擇方面進行了大量的研究。（）工作裝置強度計算中外載荷的確定和工況的選擇鄭永強州在輪式裝載機工作裝置靜態(tài)優(yōu)化設計和結(jié)構(gòu)分析的外載荷研究中最早提出了分不同工況進行有限元計算并且提出了幾種可能的最惡劣的工況，孟廣良在此基礎上進一

15、步加以研究，最后確定了輪式裝載機工作中邊插入邊掘起工況為最惡劣工況，并且以后的論文中大多以此工況為計算工況。但是滑移裝載機和輪式裝載機的工作裝置是有很大不同的，所以對滑移裝載機進行分析時要對各種工況加以研究。在楊第一章緒論占敏編著的輪式裝載機引一書中，對外載荷的選取提供了一種經(jīng)驗公式，大多數(shù)計算也是以此經(jīng)驗公式為依據(jù)的。由于偏載程度至今研究不是很清楚，大多數(shù)論文都是只計算了正載情況，姜峰副等通過對裝載機工作循環(huán)的分析，引入了偏載系數(shù)的概念，提出了裝載機受力計算的一種新方法。在對動臂的斷裂分析中，¨鍆除進行了力的計算外，還用電子顯微鏡觀測斷口處的材料金相組織，對斷裂機理進行了分析；衣振

16、濤鄙在材料性能和斷口形式等方面對裝載機動臂橫梁進行了斷裂分析。（）車架強度計算在靜態(tài)的情況下，車架主要承受的載荷是各零部件自身的重量和在計算工況下由工作裝置傳遞給車架的載荷，許勝虎¨明對裝載機的強度進行了理論分析，并通過實際測試驗證了理論計算，作者只計算了車架的強度并沒有對剛度進行計算并且模型太粗糙。唐應時舊在分析自卸車的車架時采用了三種計算工況，用有限元算出了車架的應力應變。南新旭阻刀在早期的研究中就利用測試技術對裝載機車架的動態(tài)載荷進行了測試。滑移裝載機工作裝置和車架的優(yōu)化研究現(xiàn)狀關于滑移裝載機工作裝置優(yōu)化設計的文獻幾乎沒有，現(xiàn)有的文獻大多是關于輪式裝載機工作裝置優(yōu)化的，主要是對

17、工作裝置進行運動學建模與分析，選用諸如蟻群算法、遺傳算法等進行優(yōu)化分析。對滑移裝載機進行運動學分析建模和輕量化優(yōu)化的論文很少，并且滑移裝載機的工作裝置和輪式裝載機的工作裝置也有很大的不同。車架的優(yōu)化設計主要是在輕量化方面進行優(yōu)化設計，朱榮慶阻羽對重型載重汽車車架進行了輕量化的研究，建立了簡單的車架梁單元模型，以車架縱梁截面尺寸作為設計變量，以車架總體積為設計目標，應用對車架進行了優(yōu)化設計。韋志林乜對貨車車架減重設計中的若干技術措施進行了探討，為同類問題的解決提供了有益的思路。論文研究的目的與意義我國裝載機行業(yè)起步較晚，其制造技術是陸續(xù)從美國、德國和同本等國家引進的。目前，我國裝載機生產(chǎn)技術水平

18、只相當于發(fā)達國家世紀年代的生產(chǎn)制造水平。雖然目前國內(nèi)裝載機生產(chǎn)廠家群雄并立，并且有增無減，但國內(nèi)企業(yè)自主丌發(fā)創(chuàng)新能力較弱，產(chǎn)品更新?lián)Q代以適應市場需求的能力較差，不能及時適應市場的需求。在生產(chǎn)制造上，工藝裝備水平和生產(chǎn)能力低，制造關鍵零部件技術不過關，整機的可靠性、故障率、使用壽命、機電液一體化水平、外觀質(zhì)量、操作的靈活性和舒適性方面與發(fā)達國家產(chǎn)品相比差距較大¨。因此，本文采用有限元方法對滑移裝載機的結(jié)構(gòu)件進行分析和優(yōu)化，主要有四個方而的內(nèi)容：（）通過模念試驗，對動臂和車架有限元模型進行修薩，得到能正確反映滑移裝載機工作裝置和車架動力學特性的有限元計算模型。（）進行靜力學分析，通過施加

19、最惡劣工況下的外載荷，計算工作裝置和車架的應力和應變，驗證是否滿足工作要求并為優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。（）提出工作裝置和車架的優(yōu)化設計方案，對其進行優(yōu)化設計。（）對工作裝置進行運動學優(yōu)化設計數(shù)學建模，并提出另外三種工作裝置結(jié)構(gòu)。本文的研究的意義在于：首先，驗證滑移裝載機目前的關鍵結(jié)構(gòu)件性能是否滿足設計要求；再次，根據(jù)靜力分析的結(jié)果，對動臂和車架進行了輕量化優(yōu)化并且對車架結(jié)構(gòu)進行局部改進，緩和了局部應力集中現(xiàn)象，提高了整機的經(jīng)濟性和安全性；最后建立滑移裝載機工作裝置的優(yōu)化設計數(shù)學模型并提出了三種改進工作裝置結(jié)構(gòu)的方案，東南大學碩士學位論文為改良現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提供了思路。論文主要內(nèi)容論文采用有限元分析方

20、法對滑移裝載機進行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設計，校核了結(jié)構(gòu)件的強度，降低了結(jié)構(gòu)的重量。本文的主要內(nèi)容如下：（）對滑移裝載機的工作裝置和車架，用軟件進行精確建模。（）模型傳入軟件建立模型。（）模態(tài)試驗，分別測定工作裝置和車架的模態(tài)參數(shù)。（）用實驗結(jié)果對仿真模型進行驗證并對結(jié)果進行修正，建立能正確反映工作裝置和車架動力學特性的有限元計算模型。（）分析滑移裝載機的各種工況并確定最惡劣工況，確定相應的外載荷和邊界條件，計算工作裝置和車架的應力和應變。（）參考多種滑移裝載機車架的結(jié)構(gòu)形式，改進現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，消除應力集中。（）在滿足強度和剛度條件下，對工作裝置和車架進行輕量化優(yōu)化設計。（）建立工作裝置運動學優(yōu)化設計數(shù)

21、學模型，提出另外三種工作裝置結(jié)構(gòu)。第二二章滑移犍裁機三維模型的建；第二章滑移裝載機三維模型的建立滑移裝載機模型的建立滑移裝載機模型的建立本文采用軟件建立零、部件和整機的三維實體模型。目前將專業(yè)軟件生成的三維實體模型轉(zhuǎn)換為模型還存在很多問題，許多復雜模型的直接傳遞會產(chǎn)生模型無法生成的問題，有可能會在有限元網(wǎng)格劃分時，產(chǎn)生大量的單元，加大計算量；或者會產(chǎn)生一些病態(tài)網(wǎng)格，造成網(wǎng)格質(zhì)量下降，影響結(jié)構(gòu)的分析精度。因此為了順利的進行有限元仿真，節(jié)約計算時間，必須在建立模型時對結(jié)構(gòu)的相關細節(jié)進行適當簡化和修改曙，其基本原則為：（）在造型時力求精確，以真實反映結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)特性；（）忽略模型中的小特征，如倒角

22、、倒圓、小孔以及凸臺等；（）對模型中的小錐度、小曲率曲面進行直線化和平面化處理；（）不考慮對整機動、靜態(tài)特性影響小的零、部件結(jié)構(gòu)。如圖所示，滑移裝載機主要由五部分組成，分別為工作裝置、車架、駕駛室、傳動裝置和其他。圖滑移裝載機基本組成圖（）工作裝置的模型工作裝置是滑移裝載機的最主要構(gòu)件之一，它由動臂、鏟斗（或其他附件）、油缸組成，工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響整機的工作尺寸和性能參數(shù)。動臂是由不同厚度的鋼板焊接而成，兩條長臂為中空的箱體結(jié)構(gòu)，動臂的前端和鏟斗連接處為實心結(jié)構(gòu)。中間的橫梁是一塊大面積的薄板，并且邊緣形狀復雜。轉(zhuǎn)斗油缸連接在橫梁下端的掛耳上。利用軟件根據(jù)上述簡化原則，對工作裝置進行適

23、當簡化，然后利用裝配模塊將三部分裝在一起，得到工作裝置的模型，如圖所示。東南大學碩七學位論文圖工作裝置模型（）車架的模型滑移裝載機的絕大多數(shù)部件和總成都是通過車架來固定其位置的，車架的功用是支撐連接裝載機的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。滑移裝載機的車架和普通裝載機的車架有很大的不同，其不分前后橋而是一個整體。液壓油箱也是車架的一部分。利用軟件創(chuàng)建的車架模型如圖所示。圖滑移裝載機車架的模攖（）滑移裝載機整車模型滑移裝載機其它部件在本論文中不是重點分析對象，但是為了確定在不同工況時各鉸點的相對位置，及進行初步的干涉檢測，利用軟件建立了各部分的模型，并利用組裝模塊根據(jù)實際的連接方式把各個部件

24、組裝成了一個整體，如圖所示。專鋤；廬圖滑移裝載機整車的模型第二章滑移裝載機三維模型的建龜基于的滑移裝載機運動仿真運動學仿真建模是包含的運動分析模塊，能夠?qū)υO計進行模擬仿真的校驗，例如運動仿真顯示、運動干涉檢測、運動軌跡、位置、速度、加速度等。所建立的運動機構(gòu)，既可以導入中進一步分析，也可以引入動畫（）模塊中以創(chuàng)建更完善的仿真動畫。用于運動分析，與無縫集成，無需單獨安裝，操作簡單易于使用，但功能并不是很強拉引。用模塊可以建立各種簡單的實際系統(tǒng)的精確運動仿真模型，對運動仿真的結(jié)果，可以通過多種方式來研究，滿足用戶對運動仿真分析的各種需求。在運動分析模塊中，每一種連接類型的一組約束都與指定的自由度有

25、關，平移和旋轉(zhuǎn)自由度用來指定機構(gòu)的運動方式，下面介紹這幾種連接的類型和它們的自由度。（）剛性（）：剛性連接是將兩個零件粘結(jié)在一起，它的旋轉(zhuǎn)自由度和平移自由度都為零，完全固定。機座和機架等一般都采用這種約束。（）銷釘（）：采用銷釘連接的構(gòu)件旋轉(zhuǎn)自由度為，平移自由度為，構(gòu)件只能繞固定的軸旋轉(zhuǎn)。約束關系一般為軸對齊或偏移。（）滑動桿（）：滑動桿連接構(gòu)件只能沿直線方向平移，故其平移自由度為，旋轉(zhuǎn)自由度為，該直線是指定的軸或邊。約束關系一般為軸對齊和平面對齊。（）圓柱（）：圓柱連接時構(gòu)件可以沿指定軸平移并繞該軸旋轉(zhuǎn)，所以，它的總自由度為，旋轉(zhuǎn)和平移自由度分別為，約束關系一般為軸線對齊或面對齊。（）平面（

26、）：平面連接時構(gòu)件可以通過平面連接頭連接的主體在一個平面內(nèi)相對運動并相對于垂直于該平面的軸旋轉(zhuǎn)。故平面連接的總自由度為，其中旋轉(zhuǎn)自由度為，平移自由度為，約束關系一般為平面與平面對齊。（）球（）：采用球連接的構(gòu)件可以在任何方向上旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)自由度為，平移自由度為，約束關系一般為點對齊。在機構(gòu)運動中，用電動機生成要進行研究的運動類型。在該軟件中，電動機包括伺服電動機和執(zhí)行電動機。伺服電動機可規(guī)定機構(gòu)以特定方式運動。伺服電動機引起在兩個主體之間、單個自由度內(nèi)的特定運動類型的運動，向模型中添加伺服電動機，以便為分析做準備。執(zhí)行電動機可向機構(gòu)施加特定的負荷，執(zhí)行電動機引起在兩個主體之間，單個自由度內(nèi)產(chǎn)生

27、特定類型的負荷。伺服電動機將位置、速度或加速度指定為時間的函數(shù)，并可控制平移和旋轉(zhuǎn)運動。例如，伺服電機從某特定的配置開始，一秒鐘之后，為模型定義另一配置。兩者之間的差異即為模型的運動。通過指定伺服電動機函數(shù)，如常數(shù)或線性函數(shù)，可以定義運動的輪廓。從預定義的函數(shù)中選取，也可輸入自定義的函數(shù)?？稍谝粋€圖元上定義任意多個伺服電動機。運動仿真分析一、仿真工況滑移裝載機的設計要求是三項時間和為秒、動臂提升時間為小于秒，如圖所示。裝載機的插入工況為動臂下放，鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面成。、。傾角。開動裝載機，鏟斗借助機器的牽引力插入料堆，設定時間為秒；鏟裝工況為鏟斗插入料堆后，轉(zhuǎn)動鏟斗鏟取物料

28、，待鏟斗口翻至近似水平為止，設定時間為秒；舉升工況為在動臂油缸的帶動下舉升動臂至需要的位置，設定時日為秒：卸載工況為動臂油缸保持長度不變，轉(zhuǎn)斗油缸伸長翻轉(zhuǎn)鏟斗，向運載車輛中卸載物料，東南火學碩一卜學位論文鏟斗物料卸載卸凈后，收縮轉(zhuǎn)斗油缸，設定時問為秒；工作裝置返回時間設定為秒。二、添加約束機構(gòu)是由構(gòu)件組合而成的，而每個構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個構(gòu)件相連接。這種連接，即使兩個構(gòu)件直接接觸，又使兩個構(gòu)件能夠產(chǎn)生一定的相對運動。機構(gòu)的連接，除了機架及固定零件外，其他部分的連接都是部分約束，如果完全約束，那么整個機構(gòu)就不能運動。根據(jù)滑移裝載機的實際運動情況，對各連接部分做了如下約束：動臂與車架、動

29、臂油缸缸筒與車架、動臂油缸活塞桿與動臂、動臂與鏟斗、橫梁與轉(zhuǎn)斗油缸缸筒、鏟斗與轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿之間采用旋轉(zhuǎn)副約束；動臂油缸缸筒和動臂油缸活塞桿、轉(zhuǎn)斗油缸缸筒和轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿之間采用移動副約束，如圖所示。幽曼琵磊；乏二：溢。滋。琵瀧。二二澀警緩鰳“名稱：蝴虹“蛆類墅優(yōu)先選項；電動機“”；電動機從至；￥開始￥州固固￥胡：；￥囤一圖各?。簺r電機的運行時間圖滑移裝載機的運動模型三、仿真分析使用運動分析可評估機構(gòu)在伺服電動機驅(qū)動下的運動，可以使用任何具有一定輪廓、能產(chǎn)生有限加速度的運動軸伺服電動機。運動學是動力學的一個分支，它考慮除質(zhì)量和力之外的運動所有方面。運動分析會模擬機構(gòu)的運動，滿足伺服電動機輪廓和

30、任何接頭、凸輪從動機構(gòu)、槽從動機構(gòu)或齒輪副連接的要求。運動分析不考慮受力，因此不能使用執(zhí)行電動機，也不必為機構(gòu)指定質(zhì)量屬性。使用運動分析可獲得以下信息：（）幾何圖元和連接的位置、速度以及加速度。（）元件問的干涉。（）機構(gòu)運動的軌跡曲線。本章小結(jié)本章給出了在建立模型時對機構(gòu)的簡化原則，并根據(jù)此原則建立了滑移裝載的各個零件的模型，然后把這些零件的模型在軟件的轉(zhuǎn)配模塊里按照零件間的實際位置關系進行了裝配，創(chuàng)建了滑移裝載機的整機的模型，為建立動臂和車架的有限元模型打下了基礎。在闡述了運動仿真模塊功能的基礎上，對滑移裝載機進行了干涉檢測，并根據(jù)設計時三項時間總和的要求對工作裝置的運動情況進行了簡單的仿真

31、分析。經(jīng)過分析，初步評價了此設計的運動學性能。第三章結(jié)構(gòu)件有限兀模型的建、上第三章結(jié)構(gòu)件有限元模型的建立工作裝置動臂和車架有限元模型的建立有限元法基本思想有限元法是一種基于變分法而發(fā)展起來的求解微分方程的數(shù)值計算方法，該方法以計算機為手段，采用分片近似，進而逼近整體的研究思想求解物理問題。簡而言之，其基本思想就是里茲法加分片近似，可歸納如下晗利：首先，將物體或求解域離散為有限個互不重疊僅通過節(jié)點相互連接的子域（即單元），原始邊界條件也被轉(zhuǎn)化為節(jié)點上的邊界條件，此過程稱為離散化。其次，在單元內(nèi)，選擇簡單近似函數(shù)來分片逼近未知的求解函數(shù)，即分片近似。具體做法是在單元上選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)

32、的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式，這是有限元法的創(chuàng)意和精華所在，而整體區(qū)域上的解函數(shù)就是這些單元上的近似函數(shù)的組合。最后，基于與原問題數(shù)學模型（基本方程和邊界條件）等效的變分原理或加權(quán)殘值法，建立有限元方程（即剛度方程），從而將微分方程轉(zhuǎn)化為一組以變量或其導數(shù)的節(jié)點值為未知量的代數(shù)方程組。進而借助矩陣表示和計算機求解代數(shù)方程組，得到原問題的近似解。在整個有限元分析過程中，離散化是分析的基礎。它借鑒了差分法的離散思想，并進行了適當?shù)母倪M。差分法是對求解域進行規(guī)則劃分，不適用于復雜求解域；有限元法的離散對單元形狀和大小沒有規(guī)則劃分的限制，

33、單元可以為不同形狀，且不同單元可以相互連接組合，所以，有限元法可以模型化任何復雜幾何形狀的物體或求解區(qū)域，離散精度高。分片近似是有限元法的核心，也是與里茲法和伽遼金殘值法的重要區(qū)別。罩茲法和伽遼金殘值法都是在整個求解域上構(gòu)造一個試探函數(shù)（或近似函數(shù)）來逼近真實解，當試探函數(shù)與真實解的函數(shù)形態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時，則這種處理是合理的。若真實解的函數(shù)形態(tài)很復雜，則用一個近似函數(shù)逼近真實解難以達到較高精度，或由于不能在求解域的不同區(qū)域?qū)υ囂胶瘮?shù)提出不同的精度要求，造成局部精度的要求高使問題難于求解。因此，罩茲法一般只適用于求解函數(shù)和邊界條件較簡單的、題。有限元法是應用局部的近似解來建立整個求解域的解

34、的一種方法，針對一個單元來選擇近似函數(shù)，積分計算也是在單元內(nèi)完成，由于單元形狀簡單，一般采用低階多項式函數(shù)就能較好的逼近真實函數(shù)在該單元上的解，此過程可認為是旱茲法的一種局部化應用。而整個求解域內(nèi)的解可以看做是所有單元近似解的組合。對于整個求解域，只要單元上的近似函數(shù)滿足收斂性要求，隨著單元尺寸的不斷縮小，有限元法提供的近似解將收斂于問題的精確解。動臂和車架有限元模型的建立動臂是滑移裝載機工作裝置中的主要部件，結(jié)構(gòu)對稱。車架是整個滑移裝載機的承重部件。它們主要由不同厚廑的板焊接而成，各板厚度與長和寬相比小得多。根據(jù)彈性（晌蟛）的口晌）一單元比三角形單元網(wǎng)格劃分，選擇四作用下的內(nèi)力既有單元的六個

35、面，、三個方向的線位移圖四節(jié)點彈性殼單元網(wǎng)格劃分時，應考慮網(wǎng)格的形狀和尺寸，它需要考慮到模型的結(jié)構(gòu)、應力梯度和分析類型等。例如模態(tài)分析時，單元尺寸對分析結(jié)果敏感度不大，但靜態(tài)分析中，單元質(zhì)量的好壞對計算結(jié)果下確性至關重要。網(wǎng)格劃分應滿足如下要求：（）合理性：一個單元的節(jié)點不能落入其他單元內(nèi)部，在單元邊界上的節(jié)點均應作為單元的節(jié)點，不可丟棄。（）相容性：單元必須落在待分區(qū)域內(nèi)部，不能落入外部，且單元并集等于待分區(qū)域。（）逼近精確性：待分區(qū)域的頂點（包括特殊點）必須是單元的節(jié)點，待分區(qū)域的邊界（包括特殊邊及面）被單元邊界所逼近。（）良好的單元形狀：單元最佳形狀是正多邊形或正多面體。（）良好的部分過

36、度性：單元之間過渡性應相對平穩(wěn)，否則，將影響計算結(jié)果的準確性甚至使有限元計算無法進行下去。（）網(wǎng)格剖分的自適應性：在幾何尖角處，應力等變化大處網(wǎng)格應密集，其他部位應較稀疏，這樣可以保證計算的精度和收斂性。除以上指標外，還需注意以下幾點：（）節(jié)點編號排布：節(jié)點編號對于求解過程中的總體剛度矩陣的元素分布，分析耗時，以及內(nèi)存空日有一定的影響。合理的節(jié)點編號有助于利用剛度矩陣的對稱，帶狀分布，稀疏矩陣等方法提高求解效率。（）刪除重復單元和節(jié)點。（）刪除自由節(jié)點并檢查單元的連續(xù)性。根據(jù)上述方法對動臂進行網(wǎng)格劃分，得到工作裝置動臂有限元網(wǎng)格。整個動臂模型共有節(jié)點個，個單元，如圖所示。車架模型共有節(jié)點個，個

37、單元，如圖所示。荷的結(jié)構(gòu)設計中的重要參數(shù)。如果要進行諧響應分析、譜分析、模態(tài)疊加法諧響應分析或瞬態(tài)動力學分析，固有頻率和固有振型也是必要的。模態(tài)分析的必要性在于：根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和不足之處，為車輛的開發(fā)提供依據(jù)；利用結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化可以用來診斷和預報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；有助于估算在瞬態(tài)分析求解的時間步長；同時也是控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲和識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷的有效方法。模態(tài)分析理論在機械設計中，研究彈性體振動問題的重要目的是避免共振，具體的機械結(jié)構(gòu)可以看成多自由度的振動系統(tǒng)，具有多個固有頻率，在阻抗實驗中變現(xiàn)為多個共振區(qū)，這種在自由振動時，結(jié)構(gòu)所具有的基本振動特性稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài)嘞。結(jié)構(gòu)模態(tài)是由結(jié)構(gòu)本身的特性與材料所決定的與外部載荷等條件無關。一個自由度線性系統(tǒng)，其運動微分方程為：阻忙帖（）其中：阻】、【、醫(yī)分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣，及）分別為系統(tǒng)各點的位移響應向量及激勵力向量。、】通常為實系數(shù)對稱矩陣，而則為非對稱矩陣，因此式（）是一組耦合方程，當系統(tǒng)自由度很大時，求解十分困難。能否將上述耦合方程變成非耦合的獨立方程組，這就是模念分析要解決的任務。對式（）兩邊進行拉式變換，令，得到一組耦合的方程組，為了解耦引入東南人學碩上學位論文模態(tài)坐標，令忸），其中：】為振型矩陣，口為模態(tài)坐標，左乘陟】可得：（】阻。