摘要：在虛擬環(huán)境下模擬物理樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況，快速分析各種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)人員完成以前需經(jīng)數(shù)次物理樣機(jī)才能完成的實(shí)驗(yàn)研究。
　　關(guān)鍵詞：破碎錘的組成；工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；CAX及軟件；多體動(dòng)力學(xué)理論
　　
　　一、液壓破碎錘概述
　　.液壓破碎錘及其組成
　　車載液壓破碎錘可以高效地完成碎石、拆除、公路修補(bǔ)、凍土挖掘、二次破碎等艱苦工作，歐洲和美國(guó)的各種車載破碎錘紛紛面世，如AtlasCopco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韓國(guó)的破碎錘也繼日本之后有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，1986年韓國(guó)水山重工推出了液壓破碎錘，韓國(guó)相繼出現(xiàn)了很多品牌。
　　破碎錘的沖擊能量的來(lái)源還是由以下3種方式提供：第一種由液壓油提供，例如Rammer和Montabert；第二種由氣壓提供，例如日本的破碎錘；第三種也是效果最好的，由液壓、氣壓混合提供，一般液壓占２５％、氣壓占７５％，如AtlasCopco公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的破碎錘。但所有的破碎錘活塞回到原位的力完全是由液壓提供。目前液壓破碎錘已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于公路再建、市政拆除、礦山、采石、隧道、水下作業(yè)等工程建設(shè)領(lǐng)域。
　　..本文所研究的液壓破碎錘是在單斗反鏟型液壓挖掘機(jī)上改裝的，將液壓挖掘機(jī)上的鏟斗改裝成液壓錘。因此總體結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力裝置、工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備等。常用的全回轉(zhuǎn)式液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室等都安裝在可回轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，通常稱為上部轉(zhuǎn)臺(tái)。因此又可將液壓破碎錘概括成工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺(tái)和行走機(jī)構(gòu)等三部分。.
　　二、工作裝置設(shè)計(jì)方法
　　1．工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
　　我國(guó)工程機(jī)械發(fā)展與國(guó)外相比相對(duì)較晚、較慢，技術(shù)水平整體較低。工作裝置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)歷史中起到了主要作用。對(duì)于工作裝置的設(shè)計(jì)方面國(guó)內(nèi)外研究的情況大致是：
　　(1)圖解設(shè)計(jì)法；(2)基于平移性的作圖法；(3)解析法；(4)綜合圖解設(shè)計(jì)法；(5)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以上設(shè)計(jì)方法基本上遵循一般連桿機(jī)構(gòu)的位置綜合原則，側(cè)重考慮工作裝置的平移性。對(duì)它的工作裝置伸縮性與平移性，平移性與自動(dòng)放平性，動(dòng)力性與自動(dòng)放平性之間的矛盾關(guān)系未能綜合分析，只是滿足單個(gè)性能的要求，無(wú)法達(dá)到全局最優(yōu)。總之，這些方法都是基于二維平面上進(jìn)行的。對(duì)于工作裝置干涉問(wèn)題、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現(xiàn)出來(lái)。
　　近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在工作裝置設(shè)計(jì)上出現(xiàn)了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工作裝置設(shè)計(jì)。例如吉林工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)和洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠等利用虛擬樣機(jī)技術(shù)不但研究了工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，而且對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是它們不是對(duì)模型進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，就是只局限于對(duì)剛體情況下工作裝置虛擬樣機(jī)的研究。
　　本論文是在全面分析液壓破碎錘工作裝置的基礎(chǔ)上，建立工作裝置的虛擬樣機(jī)模型，在虛擬環(huán)境下模擬物理樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況，快速分析各種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)人員完成以前需經(jīng)數(shù)次物理樣機(jī)才能完成的實(shí)驗(yàn)研究。
　　2．CAX技術(shù)及其軟件
　　由文獻(xiàn)可知，CAX技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)。一般意義的CAX技術(shù)主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要闡述CAD/CAE技術(shù)及其軟件。
　　目前，工程設(shè)計(jì)中常用的CAD軟件有二維和三維軟件之分。其中三維造型軟件比較知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solidworks，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各個(gè)三維CAD軟件當(dāng)前的最新版本是Pro/ENGINEERwildfire2.0，UGNX4.0，Solidworks2006，I-DEASNXV11，CATIAV5，CIMATRONE6.0等等。
　　本文將采用Pro/ENGINEERwildfire軟件完成液壓破碎錘工作裝置的建模與裝配，建立工作裝置的虛擬樣機(jī)并進(jìn)行不同作業(yè)工況下的動(dòng)態(tài)模擬。
　　所謂CAE即ComputerAidedEngineering（計(jì)算機(jī)輔助工程）是指工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度與壽命評(píng)估、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真。工程數(shù)值分析用來(lái)分析確定產(chǎn)品的性能；結(jié)構(gòu)與過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)用來(lái)保證產(chǎn)品功能、工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過(guò)程的性能最優(yōu)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估用來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的精度設(shè)計(jì)是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真用來(lái)對(duì)CAD建模完成的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。從過(guò)程化、實(shí)用化技術(shù)發(fā)展的角度看，CAE的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)。
　　目前工程實(shí)際中應(yīng)用較多的CAE軟件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各個(gè)軟件的最新版本是ANSYS8.0、MATLAB8.5、ADAMS2005、ALGORV17等。
　　本文采用MSC.ADAMS軟件進(jìn)行液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的仿真研究。 
　　3．多體動(dòng)力學(xué)理論
　　多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)包括多剛體動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，是研究多體系統(tǒng)（一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)[17]。
　　多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的核心問(wèn)題是建模和求解問(wèn)題，其系統(tǒng)研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代。從60年代到80年代，側(cè)重于多剛體系統(tǒng)的研究，主要是研究多剛體系統(tǒng)的自動(dòng)建模和數(shù)值求解；到了80年代中期，多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)取得一系列成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩(wěn)定、更有效的數(shù)值求解方法仍然是研究的熱點(diǎn)；80年代之后，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究更偏重于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，這個(gè)領(lǐng)域也正式被稱為計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，它至今仍然是力學(xué)研究中最有活力的分支之一，但已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)一般力學(xué)的涵義。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的根本目的是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與仿真。
　　三、液壓破碎錘工作裝置的研究體系
　　1．液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的構(gòu)建流程
　　本文液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的建立主導(dǎo)思想是：根據(jù)液壓破碎錘工作裝置的試制圖紙，在Pro/ENGINEER中進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過(guò)虛擬裝配，建立工作裝置的三維模型，然后添加適當(dāng)?shù)募s束以及驅(qū)動(dòng)，使之成為一個(gè)虛擬機(jī)構(gòu)。其構(gòu)建流程如圖2-1所示。

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