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履带式小型甘蔗收割机底盘和钢架设计与分析
姓名:徐锡晨
9 Q/ U9 q( V$ l9 p& g7 ^- } 履带式小型甘蔗收割机底盘及钢架的设计与分析 摘要 小型甘蔗收割机对加快我国西南各省甘蔗种植的机械化，减轻农 民在收割收割环节的开支，增强我国制糖业国际竞争力具有极其重要 的意义。本文基于国家自然科学基金资助项目“基于知识的甘蔗收获 机械智能设计系统关键技术研究”的建造模型及其仿真的基础部分， 主要运用虚拟设计及虚拟仿真技术，通过对虚拟甘蔗收割机模型进行 计算和设计，搭建虚拟实验平台，为将来的物理样机建造提供指导性 建议。其中具体包括以下工作: (1)分析国内外甘蔗收割机研发和使用的现状，根据我国西南地 区的地形、地貌，借鉴成功的设计经验，总结国外机械在我国的“水 土不服”和国内机械在技术方面的不足，设计了适合我国丘陵地带的 小型甘蔗收割机。应用虚拟设计技术，通过虚拟仿真以验证设计方案 的正确与否，对物理样机起到指导性作用。 (2)应用履带式小型机械的设计方法，根据广西甘蔗种植的实际 情况，设计和计算了履带式底盘的主要参数。并根据计算得出的主要 参数，选择了适合本机的履带行走装置。在此基础上，计算了小型甘 蔗收割机的两种不同布置方案的重心位置、倾翻角，并给出指导性建 议。 (3)在ADAMS模型中，使用宏命令完成了对象履带中数量庞大 的碰撞力、约束等的添加。并在此基础上，设定甘蔗收割机的实际运 行参数，对平稳地面， 20度斜坡和原地转弯四种情况进行了仿真计 算，并对驱动轮扭矩、受力，支重轮受力，导向轮受力以及张紧弹簧 受力进行了测量，并给出指导性数据。 (4)利用ANSYS模型，进行静力学仿真，通过现实情况下的整 机钢架的受力分析，对钢架的变形以及受力进行计算，并在基础上选 择整机钢架的材料。 总之，本文结合甘蔗物理特性对甘蔗收获机整机的运动学、动力 学仿真进行了较为深入的研究，并实验验证了部分仿真结果，得出了 对今后进行物理样机研制和产品系列化开发有价值的结构、参数和分 析方法。 关键词:履带底盘;动力仿真分析: 履带式小蠡已甘-}收毫-丰『U董盘A钢莱的设爿.j盼析 §1.1课题的提出 第一章绪论 §1.1.1课题的来源‘1】 本课题来源于广西科技厅攻关项目“虚拟样机技术的甘蔗收获机及其动力技 术研发”和国家自然科学基金项目(编号50365001)--“基于知识的甘蔗收 获机械智能设计系统关键技术的研究”，该项目研究拟对甘蔗收获机械整机及其 部件的运动、动静力特性进行模拟仿真和动力方面的匹配。 §1.1.2课题研究的目地及意义刚3114】 甘蔗是我国南方地区的主要经济作物之一，随着人们生活水平的提高，糖的 需求量越来越大，与此同时，甘蔗种植面积也不断增加。蔗糖生产是我国主要产 业之一，在2002年，全国甘蔗种植面积128.2万hm2，其中，广西作为我国甘蔗 的主要产区，蔗糖生产已成为广西的支柱产业，甘蔗种植面积45~50万hm2，占 全国甘蔗种植面积的42.9%，为全国甘蔗种植第一大省区。在2001~2002年榨 季，我国蔗糖产量达747万吨，广西年产糖量450万吨左右，占全国总产糖量的 50%以上，相当于世界产糖大国古巴的产量。但是，广西甘蔗种植机械化程度远 远落后于糖业发展的需要。广西地处祖国的南疆，山多，丘陵多，其中甘蔗种植 地很大一部分是丘陵地带。而丘陵地带的一个主要特点就是沙石多，地势起伏不 平，有坡度，交通也不便利，甘蔗种植也大多是小块种植。同时，加入WTO后， 相对于澳大利亚、美国、巴西等机械化程度高、效率高、成本低的产糖国，我国 蔗糖业面临着严峻的挑战，由于我国甘蔗生产机械化程度较低，制约了良种良法、 深耕深松等先进农业技术的应用，劳动效率低、生产成本高，己成为我国蔗糖业 与国际竞争的障碍。 §1.2甘蔗收割机研发的历史及现状 §1.2.1国外甘蔗收割机研发的历史及现状Ⅲ6】【7】【8】 (1)国外甘蔗收获机械的初级阶段 履带式小型甘蘑收材审U董盘反钢架的蕾时卜与分析 国外的甘蔗收割机研究始于19世纪80年代。1888年，T.A.Silverwood提出 一种“实用的收割甘蔗工具”模型。1890年，JohnRowland设计并制造了世界 上第一台甘蔗收割机，并为之申请了专利。该机器长27m，由蒸汽机驱动，割收 系统很特殊:由一个长割刀安装在机器前部的摆臂上，摆臂摆动，带动割刀完成 甘蔗的收获动作。1894年，工程师JamesPeel制造了一台收割机，其收割机构 由两个直径为1.Sin轮子驱动，收割器的典型特征是由两片锯齿转盘构成。1901 年，SorenTaldt设计的由一匹马拉动的收割机，利用齿条传动，将割下的蔗秆输 送到后面的拖车上，这种物料输送动作为蔗秆的割后处理提供了一种原始功能模 型。同年，JamesEdwards申请的专利是一个大弹簧驱动的收割机，该机由一个 大五齿转轮带动弹簧，将动力传给收割机前部的梳状割刀。 (2)拖拉机的出现推动了甘蔗收获技术的发展 低设备成本为主导思想，使收割机结构更加紧凑。由Bristane设计，KilnerPty 有限公司生产的收割机，其主体结构是水平置于地面的割刀和相应的支撑架。收 割时，前部导向杆将甘蔗向一侧推倒，割刀将其割下，侧置的推杆将蔗秆推成堆。 收割器安装方便，可以随时从拖拉机上卸下。但田间作业时，该收割机要求非常 整齐，在倒伏地中无法正常工作;另外甘蔗堆中会混有许多杂物，如土块、石头 等。与之相比，Fairymead型收割机尽管在外形上看上去有些杂乱，它却有较好 地工作性能。它采用双转盘割刀，用齿链、钢板进行蔗秆的导向传输。在1941~ 1986年间，Fairymead是较成功的整杆式收割机，其生产率是200~400吨/天。 (3)割后处理技术的研究 二十世纪50年代以后，人们更注重割后处理技术的研究。这时的主流收割 方式是整杆式收获，同时在去稍除叶、输送蔗秆方面有了很大的发展。1950年， W.Rasmussen设计的收割机引起了轰动。该机设有切除嫩梢的旋转切刀，由水平 放置的木支架支撑。收获时，切刀先将直立状态的甘蔗头部嫩梢切除，然后将甘 蔗割下并整齐地摆放在地面。该收获机在一个收获季节可以收割12000t。 二十世纪70年代，Massey Ferguson一甘蔗青秆收获(Green Cane Harvester)的先驱，为蔗糖工业带来了普遍接受的、多样化的割后处理技术。 MasseyFerguson复活了30年代出现的切段式收获技术，并将此技术变成现代收 割机具备的关键功能之一。KenGaunt从这一技术中得出结论:“收获倒伏或缠绕 广西大掣嘎●士掣啦崔.文 履带式d嘎甘囊}坩潮胡_|l盘a钢弈}的设科.jE铲析 的蔗秆唯一办法就是将蔗秆切成段，并将重的蔗段从杂叶中分离出来”。 (4)现代收割技术 二十世纪80~90年代，西方甘蔗收获技术获得了更大的发展。技术主流是 连续的切断式收获。可用于焚烧的(Burning CaneHarvester)或青秆甘蔗收获。 随着配备功率的增大，机械的工作效率得到了很大的提高。现在，~台 Austofl7000或7700的生产率为2~3.5t/min，在提升机前端与末端设置两台风机 (功率都在25.74KW以上)，使得分离效果越来越好。 §1.2.2国内甘蔗收割机研发的历史及现状Ⅲo】【111 国内甘蔗收获机的发展较为缓慢，基本上是从20世纪70年代才开始进行甘 蔗的自动化收获。其中比较成熟的机型有以下几种: (1)4GZ.35型侧挂式甘蔗整杆收获机 该机由广东农机所研制，半悬挂于拖拉机的右侧，外端支撑在一个侧轮上。 配套动力为丰收.35或红卫.40等中型轮式拖拉机。属剥叶式整杆收获机型，能 一次完成扶蔗、切割、喂送、剥叶、分离清理等工序。但该机适应性较差，只能 适应于1.2~1.4m行距、蔗茎弯曲倒伏不严重、田间杂草较少地旱地、面积较大 的蔗地，且机器灵活性不好。 (2)4GZ.12小型甘蔗收割机 该机由福建农学院与仙游县农机厂研制，是一种新型的立式割台整杆铺放式 收割机，配用东风.12型手扶拖拉机的动力和底盘，采用轻型金属履带行走装置。 由于专用底盘为全悬挂式，故操作灵活，转弯半径小，且配备了拨指链式扶倒器， 可收获倒伏不太严重的甘蔗，对交叉倒伏、倒伏严重的甘蔗仍不能收获，且功率 不足。 (3)陇农一号甘蔗收获机 该机由云南农垦国营陇川农场研制，属剥叶式整杆收获机型，半悬挂于拖拉 机右侧。可一次完成打顶、切割、剥叶、清净、集堆等工序。但该机生产率偏低， 同时亦不能收获严重倒伏的甘蔗。 (4)4GZ一100型甘蔗收获机 该机由湛江农机所研制，亦属于剥叶式整杆收获机型。可与国内外多种轮式 拖拉机配套作业，完成切稍、扶倒、切割、剥叶、清净、集堆等工序。同样，该 广薯r^眉¨蠹士学位论衰 疆靠・ 式小型甘囊}Ilt斟审U蕾■o反钢架的设孛Iu稻矿析 机在蔗株纵横交错且倒伏较严重的情况下工作时存在漏扶、漏割现象严重。 由此可见，我国目前白行研制的甘蔗联合收割机在蔗株大小均匀，倒伏不严 重的情况下，基本上能正常的工作。但在倒伏严重、杂草从生的恶劣条件下，则 不能正常工作。在我国南方以及东南亚大部份国家等甘蔗种植主要地区受台风、 季风影响，甘蔗倒伏现象较为严重，甘蔗生长较为杂乱，以上机型的应用和推广 有一定的限制性。 §1.3计算机仿真在制造业的应用与发展 §13.1系统仿真类型介绍 “仿真”一词来自英语单词“simulation＇’，有时候也译作“模拟”，是模仿 真实世界的意思。 在工程技术领域，系统仿真是通过对系统模拟实验，去研究一个存在或者设 计中的系统，表1.1所列是系统仿真的仿真类型、模型类型、计算类型和经济性。 表1-1系统仿真分类表 仿真类型 模型类型 计算机类型 经济性 物理仿真 物理模型 模拟计算机 费用很高 (模拟仿真) 半物理仿真 物理一数 混合计算机 费用中等 (混合仿真) 学模型 计算机仿真 数学模型 数字计算机 费用不高 (数字仿真) 由表1-1可见，计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支，系统仿真很大 程度上指的就是计算机仿真。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计 算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了 仿真技术的广泛应用;另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿 真技术的发展提供了强大的支撑。计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在 减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作 用。 f-冒r，叫煳士掣啦论文 履带式小型咱.蘑收科事u蕾盘a钢荣的设爿-J可分析 §13.2计算机仿真在制造业的应用和发展现状【12】 制造业在国民经济中一般都占有最大的比重，自70年代以来，全球性的市 场竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展，产品的更新期 和交货期都在缩短，一些自动化技术如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRPII 及CIMS都得到快速发展。系统仿真作为一种重要手段，通常可以渗透到它们当 中去，并帮助它们实现集成，从而促进了一些先进制造技术的发展。在50年代， 最引入注目的仿真领域是火炮控制和飞行控制系统;60年代，是火箭和导弹控 制系统;70年代是航天、核能和经济管理系统;到80年代，最引人注目的仿真 领域就逐步转向了制造系统，并且呈现出一种生机勃勃的局面。 从本质上讲，仿真技术就是建立仿真模型和对模型实验的一种技术。计算机 仿真过程的实现一般都可由计算机高级语言、仿真语言和仿真软件来完成(如图1 所示)。典型的仿真软件有仿真环境、仿真语言和程序包3种形式，其功能覆盖 是不完全相同的。从下到上，大体反映了仿真软件的发展过程。到80年代中后 期，开始出现了一体化仿真环境。现在，面向制造系统的仿真出现了一体化支撑 软件，实现了仿真建模、仿真运行、输出分析的集成环境，仿真监控运用了并发 执行机制，在数据库管理的基础上实现了模型数据、实验数据、仿真结果的统一 管理，人工智能技术也应用在仿真建模、仿真运行和仿真结果的分析中。此外， 广义制造系统仿真器的出现，实现了对某类制造系统的非语言建模、模型数据驱 动等功能。这类典型的一体化仿真软件有TESS，IBIS;广义仿真器有 AUTOMODII，FATOR，GEMS，WITNESS等。 图1-1典型仿真软件的功能覆盖 Figl-1.adaitinal simulationsoftware’sfuction 属朔-式小型甘，}收制审U蕾j‘覆钢架的尉∽h与分析 §133计算机仿真的研究热点及对制造业的影响113】l“l 80年代以来，系统仿真不断地朝着纵、横方向发展，在制造业方面，一个 比较明显的进展就是“虚拟制造”。根据虚拟制造的概念，整个产品的设计和制 造首先在计算机上进行，这样可以发现并解决该产品在制造之前可能出现的各种 问题。 虚拟现实技术(vR--_VjmlalReal埘)亦称虚拟环境技术、灵境技术，是一 种最有效地模仿人在自然环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。它是 在综合计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术等多门科学技术的基础上发展 起来的。它有两个基本特征，即“灵境感(Immersive)”和“交互感 (Interactive)”。通过这两个基本特征，虚拟现实技术能描述事物内部及其相互 间真实的作用和交互，使用户仿佛置身于一个虚拟的世界中，从而拉近了用户与 环境之间的距离，改变了人机交流方式。利用VR技术的这些特性，可以对产品 的各个阶段提供支持，例如在虚拟环境下设计产品及其生产流水线，测试和装配 产品的零部件，客户可以验证产品是否符合要求等。【81 近年来，计算机仿真技术在制造业应用的另一个研究热点--虚拟产品开发 也是引人注目的。虚拟产品开发(VP口-_ⅥrtualProductDevelopment)首先源于 并行工程(CE---Concu仃emEngineer)思想。这种思想将现代先进的组织形式跟 现代的哲学、文化混合为一体，是对产品设计及其相关过程(制造过程、使用过 程和支持过程)进行并行的、一体化设计的一种系统化工作模式。CE能在产品开 发一开始就考虑到投资、生产制造、装配、销售和维护以及报废等产品的整个生 命周期的所有因素，这对解决产品设计与开发的矛盾是非常有益的。VPD就是 在CE方法论的指导下，把CAD、CS和大规模产品数据管理系统综合起来，形 成一个虚拟产品开发环境，使产品开发人员能够在这种环境下策划产品、设计产 品、预测产品在真实环境下的性能、特征以及真实工况下所具有的响应，从而减 少反复和变更的次数，减少甚至取消制作物理原型样机，如此就能很好地检验设 计、指导和优化设计，有效地缩短产品的开发周期和大量地节省开发费用。VPD 仿真技术是仿真技术发展的又~重要领域，它能深入到各种复杂产品的制造中， 能够产生巨大的经济效益。 现在，仿真技术的应用已经从单一的系统走向开放复杂的大系统。当仿真对 6 广西大掣啊曩士孽啦鼬曙乞 J11.带式4、怼憎.蔗收-垮书UE盘及钢架的设纠■可分析 象分布于广阔的时空领域，仿真任务要求将不同地理位置、不同类型(包括人在 内)的仿真对象构成一个统一整体进行仿真时，产生了分布交互化仿真 (DlS--Di嘶ctedInteractiveSimulation)。这种仿真系统里包含有不同类型的实 体一虚体、真实实体和构造实体，这些实体可以基于不同目的系统、不同年代的 技术、不同厂商的产品和不同产品组成，并允许它们交互操作。DIS实现用计算 机网络将不同地点的仿真设备连接起来，通过实体间的数据交换构成时空到合成 仿真环境的一种先进仿真技术。在这种复杂的分布综合的系统进行实时仿真时， 必须提供快速、高效、大量的信息通道和相应的处理。美国是最早研究这种技术 并投入使用的国家，已经完成了多项基于虚拟仿真的DIS工程项目，相关的协 议与标准已经完成或正在完成。 在制造行业，已经产生了类似于DIS的虚拟研究开发中心或虚拟企业。香 港生产力促进局和香港城市大学共建的快速科技中心就是~个虚拟研究开发中 心。此外，为了适应快速变化的世界市场，克服单个企业难以在短期内具备所需 资源的局限性，出现了在一定时限内，为了某一市场机遇，通过网络临时联结的 一种动态联盟--虚拟企业。 §1.4本文主要研究内容 本文利用虚拟样机技术实现的成功的软件，例如三维建模软件Pro/E，虚拟 仿真软件ADAMS，并利用其接口Pro/Mechanical，实现了对适应广西地形、地 貌的小型甘蔗收割机的虚拟设计和仿真，并对虚拟样机技术，虚拟技术的实现手 段，虚拟样机技术的发展前景，以及虚拟样机技术的应用中遇到的一些问题，做 了详细的介绍。通过该论文，对小型甘蔗收割机的底盘的虚拟设计，静力学、动 力学方面的仿真，提出了一些设计理念，设计思想，并通过仿真发现了一些常规 设计无法预料到的问题。 7 广西大掣u嘱士尊啦论文 履带式小型甘囊}收剖和Ut|la钢架的设计与分析 第二章虚拟样机技术的概念和实现手段 §2.1虚拟样机技术概论 §2.1.1虚拟样机技术产生背景【15l 随着21世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。 产品消耗结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场 需求，企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发 周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计，这样才能 对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和 利润。虚拟样机技术(VirtualPrototyping)就是在这种迫切需要的驱动下产生的。 虚拟样机技术是一项跨学科、综合性的技术，它的核心是机械系统运动学、 多体动力学和控制理论，再加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界 面技术，从系统的角度去思考问题，将分散的零部件设计和分析技术(如有限元 分析技术、CAD技术)整和在一起，为产品的开发与研制，提供了一条全新的 思路。 围绕产品从概念设计到定型生产的整个研发周期，再从设计师、决策层、制 造商、销售商到用户群等全方位地观察和研究产品，虚拟样机技术显示了其强大 的优势和发展潜力。面向二十一世纪，虚拟样机技术势必成为将来产品研发的主 流，特别是对成本高、系统复杂、不可能制造多台物理样机行业的应用前景看好， 如大型工程机械、航空航天、深海采矿等。作为一种先进的设计方法，虚拟样机 技术有助于企业作出前瞻性的决策，实现产品总体优化目标，进而赢得用户和市 场。 新产品的研发涉及诸如机械运动学与动力学、人机工程学、美学等多个相关 的学科，而传统的设计方法又无法使各学科理论的实现达到最优。一种新设备的 研发，按照传统的设计模式通常要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型 和批量生产几个步骤。由于这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺陷(成本 高、周期长)，往往使物理样机的反复性试验不够充分，加上设计人员通常不愿 为修改局部而给整机带来不可欲知的结果，这就使我国的机械产品造型、结构和 .It带式d噜0甘-鼻峭叫甘审U董|■瑚架的设计毒r分析 功能严重老化，从而在市场上缺乏竞争能力。这种基于样机制造、试验的设计方 法增加了新产品的研发周期和成本，产品结构越复杂，这种人力、物力、财务的 浪费越严重，从而严重地制约了产品质量的提高。虚拟样机技术的出现和逐渐成 熟为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。 §2.1.2虚拟样机技术的定义 虚拟样机技术的研究正处于探索中，目前在国内尚没有一个统一的定义，现 将几种比较有代表性的论述归纳如下:①虚拟样机技术就是在建筑第一台物理样 机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以 图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方 案的技术;②虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外 观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算 机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运 动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统;③虚拟样机技术利用虚拟环境在 可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、 制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿 真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法【14】。 虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学 和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技 术，将分散的零部件设计和分析技术(如零部件的CAD和FEA有限元分析)集成 在一起，提供一个全新研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断 地指导设计，保证产品寻优开发过程顺利进行。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特 点: (1)全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种 方法存在很多的弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基 于并行工程(ConcurrentEngineering)，使产品的概念设计阶段就可以迅速地分 析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、 预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 (2)更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设 9 广曩r大掣嘎■士孽啦裁演 履带j0籼誊t甘-}收割书U董盘a钢架的设{I.J峁尹析 计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型 (即虚拟样机)，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验(成本和时间条件 不允许)，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物 理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 (3)实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 (Virtual Company)的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资 源的局限性，出现了在一定时间内，通过Interact(或Intranct)临时缔结成的一种 虚拟企业。为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要， 而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及 时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 §2.1.3虚拟样机技术的应用情况嗍Ⅷ”1 虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等己得到广泛的应用， 应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防 工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。 美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)成功地实现了火星探测 器探路者号在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。JPLI程师利用虚拟样机 技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段(进入大气层、减速和着陆)的工作过程。在探 测器发射以前，JPL的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风 的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方 案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功。 美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞 机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术，这不但使研发周 期大大缩短、研发成本大大降低，而且确保了最终产品一次接装成功。波音777 飞机的研制、整机设计、装配、部件测试以及各种试飞，都是由计算机完成的。 它能将开发周期从原来的8年缩短到5年，节约了数百万美元经费。 Caterpillar公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一，由 于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以，为了 提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。Caterpillar公司采用了虚 拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方 10 广冒，叫煳士尊呻t论文.曩带式寸喀2甘蔗收毫葛和U苣童■气钢集的由竹巾与分析 案，从而使其产品成本低、性能却更加优越。同样，作为生产工程机械的著名厂 商JohnDeere公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自 激振动问题，JohnDeere公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而 且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证。从而大大提高了产品的高速 行驶性能与重载作业性能。 在工程咨询方面，可以利用虚拟样机技术再现事故过程，以提供诉讼证据， 或帮助制造商分析售后赔偿问题，或为用户的产品设计预试验。例如，一家公司 利用虚拟样机技术进行车辆事故仿真，在法庭上用其仿真结果进行辩护。法庭根 据虚拟样机技术所提供的证据，作出了客观的判决。 国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力 公司(MechanicaIDynamiesInc.)的ADAMS，CADSI的DADS，德国航天局的 SIMPACK，其它的还有Working Model、Folw3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、 Pamcrash等等。而在国内，虚拟样机技术的应用研究才刚刚开始，目前，只有一 些大学和科研院所在进行这一方面的工作。实旌这项技术的关键就是如何开发出 可信度高的数字化模型(即虚拟样机)，如何等效简化实际工况进行虚拟试验并在 设计阶段就能完全预测评价产品的各项性能。随着研究工作的不断深入和相关技 术的进一步发展，虚拟样机技术将得到进一步的发展和应用。 §2.2虚拟样机技术的实现 §2.2.1 Pro/E的应用及其特点 §2…211实体模型技术 2D绘图软件与3D绘图软件不同的地方在于，2D绘图软件无法建造逼真的 模型，因此使用2D绘图软件来绘制立体的模型就好比用手工的方法来塑造模型， 无法将模型以精确的参数化以符合产品的规格。在众多3D软件中，Pro/Engineer 产品开发环境之所以受到众多厂商的喜爱，就在于它能够支持同步工程。通过 Pro/Engineer及其相关软件Pro/Designer、Pro/Mechanica，用户可以同时综合工业 设计、机械设计、功能仿真和加工制造等功能，缩短产品的开发的时间和流程。 相对于面模型或线框模型而言，实体模型不仅可以提供几何拓扑信息，而且 可以包含模型的材料、质量、质心位置和转动惯量等物理信息。实体模型的优势 在于: 广西夫尊嘎士掣啦诗丈 履带式小型巾.蘑收割审ut盘A钢架的设计与仿析 (1)实体模型可以通过投影变换转换为二维图形，稍做修改即可输出为工程 图纸。 (2)实体模型可以直接输出到数控机床或快速成型系统。 (3)实体模型包含大量的物理信息，可以作为有限元分析和动力学分析的起 点。 (4)采用实体模型可直观地模拟系统的运动，便于发现构件间的干涉。现在 的大型工程软件如I-DEAS、Solidworks、Pro/E、UG等都带有功能相当完备的 实体建模模块，可以快速准确的完成复杂系统的实体建模。 在本课题的研究中，我们运用美国PTC公司的三维造型软件进行收割机系 统零部件的建模和装配，其理由在下一节进行阐述”91。 §2…2 12Pro/Engineer三维特征造型软件简介 ParametricTechnologyCrop公司(PTC)的Pro/Engineer以其参数化、基于特征、 全相关等概念闻名于CAD界a该软件的应用领域主要是针对产品的三维实体模 型建立、三维实体零件的加工、以及设计产品的有限元分析m】。Pro/E系统开发 环境最突出的特点在于它支持并行工程，可以让用户同时在几个技术领域处理同 一个产品模型。它有以下几个特性: (1)相关性。它指所有的Pro/E的信息都使用一个单一的数据库，不论是 2D图形还是3D图形，只要用户修改某一尺寸，其相关的2D或3D实体模型均 自动修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样既可以保证数据的正 确性，还节省了反复修改的时间。 (2)3D实体模型。3D实体模型除了可以将用户的设计思想真实的反映在计 算机之上外，还可以随时计算出模型的质量、质心、面积、转动惯量的大小，还 提供测量工具随时测出如角度、距离等几何参数。让用户减少了大量的计算时间。 (3)以特征作为设计的单位。该软件以最自然的思考方式从事设计工作，它 将如孔、槽、圆角等作为零件的基本设计特征，可以随时对零件进行调整、删除、 重定义等修改。 (4)参数式设计。配合单一式数据库，设计过程中的所有尺寸均存在数据库 中，修改其中的一个尺寸，其他相关的尺寸就会自动修改，避免了漏改的错误 (5)装配管理。Pro/E可以让用户使用贴和(Mate)、对齐、插入等直觉式命 履带式廿埋甘蔗坩洲和UtjEa稍豢的蕾巴计皇r=扩析 令，达到对零部件的装配目的。同时还可以在装配件中对零件进行修改。 (6)数据转换接口。由于各种CAD、CAE软件由不同的公司生产，数据格 式不一，所以数据在不同的CAD、CAE软件之中转换是相当困难的事。Pro/E 提供了和流行的CAD、CAE软件的接口，同时支持多种数据格式，如IGES、 STEP、Parosolid等。另外值得一提的是它提供一个和最流行的多体动力学仿真 分析软件ADAMS的接口，使这两个软件达到了无缝连接。正是基于这一点， 我们才决定采用Pro/E作为三维实体建模的软件。 (7)版本管理。该软件建立的模型不同的版本都会保存下来。 (8)整个系统在2001版中已经完全汉化，使用起来没有任何语言方面的困 难I”12”。 §2.2.2 ADAMS的应用及其特点【22】123】 虚拟样机构建需要性能优越的软件平台的支持，小型甘蔗收获机的设计涉及 到静态结构设计和动态运动、动力设计，非常著名的虚拟样机分析软件--机械 系统动力学自动分析软件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysis ofMechanical System)成了我们的首选。这就要求对小型甘蔗收获机地形地貌的虚拟研究必须 是基于在ADAMS软件平台的。 ADAMS是美国Mechanical Dynamics，Inc.’S(MDI’S)公司生产的软件，它为用 户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种机械系统进行建模、仿真和 分析。和其它CAD、CAE软件相比，ADAMS 具有十分强大的运动学和动力学分析功能。 §23软件链接的问题 虚拟样机技术的核心是虚拟模型的建 模和仿真，到目前为止，没有任何软件将建 模和仿真这两个功能都做的很完善。例如， UG，Pro/E，IDEs等三维建模软件在建模方 面的功能强大，基本上可以满足工业领域的 需要，但是在CAE和动力学仿真方面，其 功能不够完善，只能进行初步的静力学或动 善 二￡.) 【--。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。_一 【曼画盎亟叵卜_| -A-DA-MS矗i丽-__ 中参数设定■卜__ A。D-A-M矗S i-而订!!! 中进行仿真-二!-二_ 台理● [二j壹互] 图2-1建模步骤 Fi醇-1 the stepofcreming model 广西，“蜘日I.e尝位截”赶 属带式4、墨t甘-}坩d瞄审ut盘a期架的设剖.J可分析 力学仿真。在动力学仿真方面，美国MSC公司的ADAMS(automaticdynamic analysis ofmechanical systcrns)，美国集成系统公司的仿真集成平台Plug&Sim， CADI公司的DADS等，功能都十分强大，但是这些软件的三维建模功能都不能 满足用户对复杂机械系统的设计需求。 由于目前没有一种软件同时具有专业CAD建模和专业动力学仿真的双重功 能，通常使用的CAD软件和动力学仿真软件是不同公司的产品，这就存在两个 软件传递数据过程中“有缝联接”的处理问题。目前国内这方面研究的一种常见 组合是美国PTC公司的Pro/E和美国MSC公司的ADAMS组合。所以对于从事复杂 机械动力学仿真研究的ADAMS工程师而言，正确处理Pro/E和ADAMS的传递是 确保仿真效果的~项关键技术。对于Pro/E和ADAMS的传递，用MSC公司提供的 专用接口模块Mechanism/Pro比较方便，而且在很多的方面都能实现转换过程中 的模型数据转换，其工作步骤如图2-1所示。 虽然Pro/E和ADAMS在理论意义上是“无缝链接”，但它们是不同公司的产 品，两者不同的图形格式导致图形转换时一些图形元素丢失，因此在建模和导入 的过程中需要注意一些事项: (1)单位问题 要实现从Pm倒颐利导入ADAMS，第一个注意的问题是把单位设定好，也就 是说在Pro/E的Part模块中建模的时候，首先要设定零件的尺寸，保证所有零件的 尺寸相同，同时在Assembly模块中设定的单位要和所有Part模块中的单位相同。 方法是用Edit一一setIlp一--Unit----New，然后自己创建一个新的单位文件，一 般情况下建议设定为nlln，kg，Newton，sec，c，以便和ADAMS中的单位保持一 致。 (2)装配模块问题 在Pro/E的装配模块中尽量不要使用其他Assembly模块作为子装配。因为如 果这样，在Mechanism/pro中生成刚体的时候，利用Automatic方法，那么子装配 的整个机构被ADAMS系统视为一个零件，不能进行动力学仿真工作，当然也可 以使用手工定义刚体的方法，逐个选择零件，这要根据系统的零件数量的多少而 确定是否使用子装配。在定义刚体的时候，由于ADAMS的导入，模型的许多几 何特征都会发生变化，例如圆变成了多面体，圆柱体的轴线丢失等问题，因此， J4 履带式小越甘-}收翻事UE盘曩钢集的设计与臂析 凡是能在Pro/E下面添加的约束尽量在Mechanism/Pro下添加。对于一些必须在 ADAMS下添加的约束，也要预先考虑，看是否需要在Mechanism/Pro环境下预先 设定参考点或者坐标系。例如，在ADAMS模型中需要采用Translational约束副， 那么就必须提前设定好两个Marker点，以便用于对Translational约束副方向的定 义。 (3)模型保存问题 在Mechanism/Pro下将刚体、约束、Marker点和Force等创建完成以后，要把 模型保存为一个扩展名为.mpr的文件，方法是点击Mechanism/Pro下的命令 File--Save，会出现一个DOS界面和一个对话框，输入文件名，点击确定即可。 目的是再次把创建好的模型输入ADAMS中时，不需要再创建约束、Marker并ll Force。 (4)模型转换问题{241 在Mechanism/Pro下定义好模型后导入ADAMS时，要设定模型的一些转换格 式。 1)GeometryQuality 一般情况下，在硬件支持的前提下，GeometryQuality的设定值越高越好 设定范围是3~10，设定为10效果最好。

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