推土机集中连杆操纵机构的参数化建模和优化设计
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摘要
提高推土机的操纵性能，改善驾驶员的工作环境，是推土机的发展方向之一。集中连杆操纵机构取消了传统的转向、变速及换向操纵杆，将转向、换向与变速操纵功能集成在一根操纵杆上，利用肘关节的自然动作控制操纵杆实现转向、前进后退和变速。
虚拟设计作为一种新型的设计方法，能够实现产品的参数化设计、三维造型、分析检测，可以在设计阶段发现产品的不足，并加以改进，从而提高设计效率和设计质量，降低成本。因此，将虚拟样机技术应用于设计中具有重要的现实意义。
本论文使用机械系统运动学/动力学仿真分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)对设计的新型推土机集中连杆操纵机构进行了运动学仿真分析，精确测量了存在的联动角度。在对原来操纵机构中的关键零部件重新建立模型的基础上，建立了新的虚拟样机。对新的虚拟样机中影响联动角度的关键点进行了参数化建模和优化设计，使联动角度大幅度降低。为了提高模型程序的通用性，应用ADAMS的二次开发模块，将交互界面添加到ADAMS中。用户可以通过选择ADAMS主菜单中的“Lever Transfer”条目，在交互式对话框中对各参数进行选择、修改或重新设置，方便地得到新的设计方案。
在连杆机构的设计中有一些结构是根据经验公式设计的，所以对最终设计结果，需要进行进一步的分析。在本论文中，采用了UG的有限元分析模块，对设计的关键部件——操纵手柄进行了有限元分析。分析中采用的模型是设计所得的手柄三维模型。在预处理中对手柄进行合理简化，定义材料、载荷与边界条件，划分网格，然后进行有限元分析求解，得到变形和应力等的分析结果，并在后处理模块中进行结果的输出。分析结果为物理样机的试制和改进设计提供了依据。
It is one of the development directions for bulldozer to enhance its maneuverability and improve driver's labor circumstances. Manipulate mechanism with concentrative link lever integrates functions , such as steering N shift and operating direction , into one operating lever. With this mechanism, driver can realize all the operations of bulldozer using elbow joint's action.
As a new kind of design method, virtual design can accomplish parametric design, 3D modeling, analysis and detection, etc. It can find defects of products in the designing phase. Through this method, the design can be modified and improved. The efficiency and quality of the design can be enhanced, too. And the cost can be reduced accordingly. It is significant to apply the virtual design technology in design.
Through the using of ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) , kinematics simulations, which are based on the designed new type manipulate mechanism with concentrative link lever, are executed. Interferences lying in the former model are measured accurately. A new virtual prototyping model is reestablished after pivotal parts were rebuilt in ADAMS. Key points in the new virtual prototyping model, which affecting interferences, are parameterized and designed optimally, so the interferences are reduced sharply. In order to improve the generalization of model, graphic interfaces are concentrated through the development of ADAMS. Users can select "Lever Transfer" in the main menu of ADAMS, and then get new design plans expediently by choosing modifying or resetting parameters in relevant graphic interfaces.
In the process of the design, some mechanisms are obtained according to experiential formulae, so the ultimate results need to be analyzed further. In this article, the operating handle
is made finite element analysis by finite element analysis part of UG. The analyticed model is based on the relevant part of UG, and the handle has been simplified reasonably in preprocess. After material, load and boundary conditions being defined, the model's mesh is generated. Through finite element analysis, the results of deformation and stress can be obtained; at the same time the results can be exported from the postprocessor. The analytic results provide the basis for trial-manufacture of physical prototyping and betterment design.
虚拟设计作为一种新型的设计方法，能够实现产品的参数化设计、三维造型、分析检测，可以在设计阶段发现产品的不足，并加以改进，从而提高设计效率和设计质量，降低成本。因此，将虚拟样机技术应用于设计中具有重要的现实意义。
本论文使用机械系统运动学/动力学仿真分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)对设计的新型推土机集中连杆操纵机构进行了运动学仿真分析，精确测量了存在的联动角度。在对原来操纵机构中的关键零部件重新建立模型的基础上，建立了新的虚拟样机。对新的虚拟样机中影响联动角度的关键点进行了参数化建模和优化设计，使联动角度大幅度降低。为了提高模型程序的通用性，应用ADAMS的二次开发模块，将交互界面添加到ADAMS中。用户可以通过选择ADAMS主菜单中的“Lever Transfer”条目，在交互式对话框中对各参数进行选择、修改或重新设置，方便地得到新的设计方案。
在连杆机构的设计中有一些结构是根据经验公式设计的，所以对最终设计结果，需要进行进一步的分析。在本论文中，采用了UG的有限元分析模块，对设计的关键部件——操纵手柄进行了有限元分析。分析中采用的模型是设计所得的手柄三维模型。在预处理中对手柄进行合理简化，定义材料、载荷与边界条件，划分网格，然后进行有限元分析求解，得到变形和应力等的分析结果，并在后处理模块中进行结果的输出。分析结果为物理样机的试制和改进设计提供了依据。
It is one of the development directions for bulldozer to enhance its maneuverability and improve driver's labor circumstances. Manipulate mechanism with concentrative link lever integrates functions , such as steering N shift and operating direction , into one operating lever. With this mechanism, driver can realize all the operations of bulldozer using elbow joint's action.
As a new kind of design method, virtual design can accomplish parametric design, 3D modeling, analysis and detection, etc. It can find defects of products in the designing phase. Through this method, the design can be modified and improved. The efficiency and quality of the design can be enhanced, too. And the cost can be reduced accordingly. It is significant to apply the virtual design technology in design.
Through the using of ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) , kinematics simulations, which are based on the designed new type manipulate mechanism with concentrative link lever, are executed. Interferences lying in the former model are measured accurately. A new virtual prototyping model is reestablished after pivotal parts were rebuilt in ADAMS. Key points in the new virtual prototyping model, which affecting interferences, are parameterized and designed optimally, so the interferences are reduced sharply. In order to improve the generalization of model, graphic interfaces are concentrated through the development of ADAMS. Users can select "Lever Transfer" in the main menu of ADAMS, and then get new design plans expediently by choosing modifying or resetting parameters in relevant graphic interfaces.
In the process of the design, some mechanisms are obtained according to experiential formulae, so the ultimate results need to be analyzed further. In this article, the operating handle
is made finite element analysis by finite element analysis part of UG. The analyticed model is based on the relevant part of UG, and the handle has been simplified reasonably in preprocess. After material, load and boundary conditions being defined, the model's mesh is generated. Through finite element analysis, the results of deformation and stress can be obtained; at the same time the results can be exported from the postprocessor. The analytic results provide the basis for trial-manufacture of physical prototyping and betterment design.
引文
[1]洪嘉振．计算多体系统动力学．北京：高等教育出版社，1999．1
[2]王国强，张进平，马若丁．虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践．西安：西北工业大学出版社，2002．3
[3]李亚军，黄浩．虚拟样机技术及其应用．航空制造技术，2002，2：36～38
[4]张旭，毛恩荣．机械系统虚拟样机技术的研究与开发．中国农业大学学报，1999，4
[5]郑建荣．ADAMS—虚拟样机技术入门与提高．北京：机械工业出版社，2001．11
[6]蒙艳玫，李尚平，刘正士，等．虚拟样机技术及其在创新产品开发中的应用．广西科学，2001，8：256～259
[7]金启华，郑建荣．虚拟样机及其在特种设备安全保障领域中的应用．上海劳动保护，2001，12：31～33
[8]E·J·毫格著，刘兴样等译．机械系统的计算机辅助运动学和力学，北京：高等教育出版社，1996
[9]宋天虎．积极发展适合我国国情的虚拟制造技术，机电产品开发与创新，1998，6：27～30
[10]黄洪钟，丁国富，王金诺，等．基于虚拟现实技术的原型设计机理研究．机械工程学报，1999，5：20～23
[11]冯超．基于虚拟样机的虚拟轴机床设计研究：硕士学位论文．南京：南京理工大学，2001
[12]Statics...Dynamics...ADAMS, ME 450 Science in Engineering Series, University of Michigan, John Janevic, October 4, 2001
[13]李军，邢俊文，覃文洁．ADAMS实例教程．北京：北京理工大学出版社，2002．2
[14]姚健，严隽琪．虚拟制造的关键技术探究．机械工业自动化，1998，6：1～4
[15]许永顺，陈军．模具成形过程中虚拟仿真环境研究．金属成形工艺，1997，3：36～38
[16]陈小川，张暴暴．虚拟制造技术研究概况综述．机械制造，1998，(12)：8～10
[17]李瑞涛，方湄，张文明，等．虛拟样机技术在立式行星磨设计中的应用研究，冶金设备．2001，6．3
[18]王立权，王晓东，陈德望．基于虚拟样机的控制系统仿真研究．哈尔滨工程大学学报，2000，12，21(6)
[19]李瑞涛，方湄，张文明．虚拟样机技术的概念及应用．机电一体化，2000，(5)：17～19
[20]潘海寿．复杂机械的虚拟样机技术：硕士学位论文．南京：南京理工大学，2001
[21]李伯虎，朱文海，刘杰，等．复杂产品虚拟样机技术的研究与实践，测控技术，2001，020(011)：1～6
[22]熊光棱，李伯虎，柴旭东．虚拟样机技术．系统仿真学报，2001，013(001)：114～117
[23]Tucker W, Stuckey LD JL. The Roles of Modeling and Simulation at Being [J]. Transections, 1998
[24]Axel Lemann. Prospects of System Modeling and Simulation in the Next Century [A]. System Simulation and Scientific Computing, October, 1999, Beijing, China
[25]吴建平，唐耀平．大马力推土机变速转向操纵．工程机械，2001，032(010)：6～8
[26]常云霞．推土机集中连杆操纵机构设计和运动仿真：硕士学位论文．天津：河北工业大学，2003
[27]于鹏晓．微型客车运动学／动力学仿真研究：硕上学位论文．南京：南京理工大学，2001
[28]Ryan R R. ADAMS—Multi body System Analysis Software, In: Schiehlen W., Ed., Multi body(2) Systems Handbook. Springer-verlag, 1990
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