挖掘机的虚拟样机技术研究毕业设计 - 图文

山东交通学院毕业设计（论文）

摘 要

当今激烈的市场竞争迫使制造企业为求得生存和发展必须对多变的市场需求做出敏捷响应，不断地调整产品的设计和研发模式，并能快速的开发出新产品。而我国传统工程机械行业却由于新产品开发周期长、成本高，缺乏市场竞争力。虚拟样机技术的逐渐成熟为实现产品的快速开发，提高我国工程机械产品设计水平和市场竞争力提供了强有力的手段。本文将虚拟样机技术引入挖掘机设计开发领域，主要从以下几个方面进行了研究：结合当前挖掘机反铲工作装置的现状，应用软件ADAMS进行建模，并进行动力学分析；对工作装置的受力状况进行仿真，确定工作装置的铰点的受力状况和相应曲线，得出的结果与实际的工作情况是相符的。以挖掘工况为对象，对铲斗机构、斗杆机构和动臂机构进行了动力学分析,在ADAMS软件中建立了挖掘机工作装置，对其进行了仿真分析。

关键词：挖掘机，虚拟样机技术，工作装置，ADAMS，仿真

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钱广顺：挖掘机的虚拟样机技术探究

Abstract

Facing more intense global market competition ,manufacturing enterprises have to adjust their product design and fabrication mode frequently to meet the rapidly changing market requirement, In order to improve the traditional construction machinery design process , this dissertation presents and studies Virtual Prototyping technology ,which has been approved to be a powerful CAD method. And then introduces the new technology into the field of Engineering Machinery design to satisfy the urgent requirement of domestic machinery domain. There were four parts presented and studied as following:The present situation of current excavator backhoe working equipment, application software ADAMS modeling, and dynamic analysis;We simulate the stress of the working device and determine the stress of the working device of hinged point and the corresponding curves, the results is in line with the actual work situation.The working condition of mining as the object, the bucket mechanism, bucket rod mechanism and movable arm mechanism for the dynamic analysis . The excavator working device is established in the ADAMS software, the simulation analysis was carried out.

Key words: Excavator,Virtual prototype technology,Working device,ADAMS,The simulation

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目 录

前 言 .................................................................... 1 1 虚拟样机技术概述 ........................................................ 2

1.1 虚拟样机技术的概念 ................................................ 2 1.2 虚拟样机技术的研究背景和意义 ...................................... 2

1.2.1 虚拟样机技术的研究背景 ....................................... 2 1.2.2 虚拟样机技术的研究意义 ....................................... 2 1.3 虚拟样机技术特点 .................................................. 4

1.3.1 虚拟样机功能组成 ............................................. 4 1.3.2 虚拟样机技术的优点 ........................................... 5 1.3.3 虚拟样机技术的局限性 ......................................... 5 1.4 本章小结 .......................................................... 5 2 挖掘机虚拟样机技术 ...................................................... 7

2.1 挖掘机的发展及研究现状 ............................................ 7

2.1.1 国外发展动态及研究现状 ....................................... 7 2.1.2 国内发展动态及研究现状 ....................................... 7 2.1.3 挖掘机开发重点方向 ........................................... 8 2.2 挖掘机虚拟样机技术的提出 .......................................... 9 2.3 挖掘机虚拟样机技术的意义 .......................................... 9 2.4 本章小结 ......................................................... 11 3 ADAMS软件的简介 ..................................................... 12

3.1 ADAMS软件概述 ................................................. 12 3.2 ADAMS软件模块 ................................................. 12

3.2.1 ADAMS软件简介 ............................................ 13 3.2.2 ADAMS建模、仿真的步骤 .................................... 15 3.3 本章小结 ......................................................... 16 4 挖掘机的建模 ........................................................... 17

4.1 创建模型 ......................................................... 17 4.2 添加约束 ......................................................... 21 4.3 测试模型 ......................................................... 22 4.4 模型检验 ......................................................... 23 4.5本章小结 .......................................................... 24 5 挖掘机虚拟样机仿真分析 ................................................. 25

5.1 挖掘机虚拟样机技术运动学仿真分析 ................................. 25

5.1.1 运动学仿真概述 .............................................. 25

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5.1.2 挖掘机的运动学仿真分析 ...................................... 25 5.2 挖掘机虚拟样机技术动力学仿真分析 ................................. 29 5.3本章小结 .......................................................... 31 结 论 ................................................................... 32 致 谢 ................................................................... 33 参考文献 ................................................................. 34

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前 言

挖掘机是一种应用广泛的工程机械。由于它的经济性及具有适应多种用途的优点，挖掘机已成为工程机械的主流产品。单斗挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政施工等土石方施工中均占有重要地位，是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备，是国民经济迫切需要的装备。

挖掘机工作装置的性能参数主要包括各铰点位置的几何尺寸、各工作液压缸的几何尺寸、运动参数和闭锁压力等。性能参数对挖掘机的工作范围，理论和实际挖掘力的大小，作业循环时间和功率利用等工作性能有极大的影响。工作装置设计水平的高低直接影响其作业性能的好坏，进而影响整机工作效率。

挖掘机是复杂的工程机械，零部件多，运动方式灵活多变，须从整体系统评价其性能的优劣。随着技术的发展，人们认识到即使挖掘机的每个零部件都是最优的，也不能保证整个挖掘机的性能是最好的，即系统整体的优化不是所有部件优化的简单叠加。挖掘机的设计另一个重要特点是它涉及的学科很多，包括机械运动与动力学、液压流体、机电控制、人机交互等，要获取挖掘机综合最优解不仅需要各学科各专家的共同努力，更需要他们工作上的协同。

虚拟样机技术提供了同时对挖掘机的整体外形、机械系统、液压系统、控制系统等多方面评价的可能，具备了整机性能评估的条件，兼顾了各个学科，真正做到了全系统、全性能的优化，同时，设计人员在虚拟环境中真实地模拟各种挖掘机的工作情况，快速分析多种设计方案，帮助设计人员完成无数次物理样机无法进行的危险试验，在整个仿真过程中，可以随时按照优化建议或者市场用户需求修改参数，反复这个过程直至获得系统优化级的整机设计方案。

总之，虚拟样机技术可以用于液压挖掘机开发的整个过程，作为样机设计的有效手段，帮助挖掘机企业部分甚至全部摆脱对物理样机的依赖，大大缩短了挖掘机设计开发周期、降低设计成本、全面提高了整机质量。反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构，国内外对其运动分析、机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究，但都有不完善之处，存有一定的缺陷，有些缺乏整体的系统性。

因此，本文结合当前液压挖掘机反铲工作装置的现状，应用软件ADAMS在计算机里建立该类工作装置机构的模型，通过ADAMS进行动力学分析；虚拟样机技术在液压挖掘机工作装置的应用研究目的在于减少挖掘机设计工作人员的工作量，缩短研究和开发周期，降低产品成本，提高设计质量，具有重要的理论和实际意义。

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1 虚拟样机技术概述

1.1 虚拟样机技术的概念

近年来许多虚拟样机技术的定义在各种行业的中出现,他们就各自的领域给虚拟样机技术下了定义。因而迄今为止虚拟样机并没有一个完全一致的定义。简单地说,虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机(模型)的技术。在常规的产品开发过程中,物理样机模型是用来验证设计思想,选择设计产品,测试产品的可制造性和展示产品的。虚拟样机要替代物理样机,首先至少要具备上述功能。这样看来,虚拟样机应该可以用来测试产品的外形和行为,并且可以用来进行一系列的研究。另外,物理样机可以使人对一个产品有一种感观的评价,如颜色、外形、美学特性、触觉和舒适性等。要替代物理样机的这些特性,人和产品的交互应该包含在虚拟样机技术里。

通过以上分析,本文采用以下定义:虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型,它可以像真实的物理模型一样,用来对所关心的产品的全寿命周期,如设计、制造、服务、循环利用等,进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术[1]。

1.2 虚拟样机技术的研究背景和意义

1.2.1 虚拟样机技术的研究背景

随着全球经济一体化的环境形成，市场竞争愈演愈烈。各个企业面临的一个急需解决的问题是，一件产品往往要经过多次反复的试制才能进入市场，也就是说，许多公司仍认为无法在缩短产品上市时间以及缩短产品和用户距离上取得实质性的突破。虚拟产品开发就是在这样的背景下产生的。虚拟产品开发是以计算机仿真、建模为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、虚拟现实技术和多媒体技术为一体，由多学科知识组成的综合系统技术[2][3]。虚拟产品开发是现实产品开发在计算机环境中数字化的映射。它将现实产品开发全过程的一切活动及产品演变基于数字化模型，对产品开发的行为进行预测和评价。应用虚拟现实技术，可以达到虚拟产品开发环境的高度真实化，并使之和人有着全面的感官接触和交融。

在这里，把虚拟产品开发定义为：在产品设计或制造、维护等系统的物理实现之前，就模拟出未来产品的性能或制造、维护系统的状态，从而做出前瞻性的优化决策和实施方案。

1.2.2 虚拟样机技术的研究意义

虚拟产品开发技术是建立在以用计算机模拟产品整个开发过程这一构想的基础之上。VPD创建产品的数字模型，并在数字状态下进行分析，完全是用数字形式来代替原来的实物原型试验，然后再对原设计重新进行组合或者改进。因此，这样可显著减少制

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作最终实物原型的次数，从而使新产品开发一次成功率大大得到提高。虚拟产品开发是由各个“虚拟”的产品开发活动来组成，由“虚拟”的产品开发组织来实施，由“虚拟”的产品开发资源来保证，通过分析“虚拟”的产品信息和产品开发过程信息求得开发“虚拟产品”的时间、成本、质量和开发风险，从而做出开发“虚拟产品”系统和综合的建议。虚拟产品开发的最终目的是缩短产品开发周期，以及缩短产品开发和用户之间的距离。

虚拟产品开发的特点是“虚拟”，除了产品虚拟化外，还包括功能虚拟化、地域虚拟化、组织虚拟化。功能虚拟化是指虚拟产品开发系统虽有制造、装配、营销等功能，但没有执行这些功能的机构；地域虚拟化是指产品开发各功能活动分布在不同的地点，但通过网络加以连接和控制；组织虚拟化是指扁平的多元的“网络组织结构”将随着开发目标的发展而产生、变化和消亡。

虚拟产品开发体系的核心内容包括产品开发过程数字化建模、数字化产品建模和产品开发数字化仿真三个方面。

1. 产品开发过程数字化建模

在并行工程思想指导下，产品开发过程是多学科群体在计算机技术和网络通讯环境的支持下，在产品开发活动的时间和资源约束下，基于产品全生命周期信息，进行产品开发组织结构和开发任务的动态调控流程。

过程建模应考虑的内容有：

(1) 过程模型 过程模型的描述方法及在计算机上的处理和实现，过程的动态调整和优化。

(2) 组织模型 要规划和描述组织结构、活动分工、权限和责任定义。 (3) 资源模型 对信息、设备、人力、资金等资源进行动态规划和配置控制。 (4) 约束规则 时间约束是仅次于资源的主要约束，在资源允许下，增大产品开发活动的并行度；信息约束是开发活动之间及开发活动中单元之间相关性和一致性的保障。

(5) 过程监控和协调 进行实际约束管理、过程的实时监控调度和冲突仲裁，保障过程按照最优方向进展。

2. 数字化产品建模

产品建模主要以面向对象技术为工具，以STEP标准为指导思想，建立基于装配的约束参数化的特征产品定义模型。其特点如下：

(1) 基于STEP思想。产品数据的表示和交换是基于不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的数据，从而使产品数据的表示具有标准化和共享性的特点。

(2) 支持工程分析工具的应用。工程分析工具利用已经建立好的产品模型，对零部件甚至整机进行有限元受力分析、热应力分析以及运动仿真、性能仿真、装配仿真，仿

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真的结果可直接用于指导数字化产品的设计修改，不必通过实物模型来验证。

(3) 支持产品异地、并行设计。由于产品模型在计算机上定义，加之网络通讯的迅速发展，处于异地的设计人员也可方便地进行交流。设计队伍中除含有设计、制造、装配、试验等专业人员外，还有合作伙伴、用户代表等，这样在产品的开发过程中能及早地发现问题，在产品开发的早期阶段就得到解决。尽量避免下游重大问题的反馈所造成的时间拖延、成本上升等现象。

3. 数字化产品仿真

数字化产品开发的仿真包括全生命周期的产品演变仿真和产品开发全过程的活动仿真。全生命周期的产品演变仿真是通过产品的数字模型，反映产品从无到有，再到消亡的整个演变活动，用户和开发者在制造实物之前即可充分地评审其美观度、可制造性、可装配性、可维护性、可销售性和环保性能等，从而确保产品开发的一次成功率。

产品开发全过程的活动仿真旨在通过开发活动的数字模型，反映虚拟开发组织形式下，产品开发活动的功能行为和运作方式，仿真虚拟产品开发的设备布置、物流系统、资源的利用和冲突以及组织结构、生产活动和经营活动等行为，从而确保产品开发的可能性、合理性、可靠性、经济性、高适应性和快速响应能力。

1.3 虚拟样机技术特点

1.3.1 虚拟样机功能组成

虚拟样机技术实现必备的三个相关技术领域是：CAD技术、计算机仿真技术和以虚拟现实为最终目标的人机交互技术。

虚拟样机生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、便捷地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观，同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征以进行精确的机械系统动力学仿真运算。

虚拟样机必须具备交互的功能。设计师通过交互界面对参数化“软模型”进行控制，实现虚拟样机原型多样化。而虚拟样机反过来通过动画、曲线和图表等方式向设计师提供产品感知和性能评价。虚拟现实环境下，除应用上述传统方式外，设计师还能通过修改虚拟部件的参数，对虚拟部件重新装配，生成新的虚拟样机。虚拟样机仿真模型则通过力反馈操纵杆等传感装置向设计师传递虚拟样机操纵力感，通过立体眼镜向设计师提供实时的立体图像。有了这些人类对产品的直观感知，能使设计师产生强烈的“虚拟现实”沉浸感，协助设计师和用户对产品性能作出评价。

计算机网络、计算机支持的协同工作技术、产品数据管理和知识管理是虚拟样机技术实现的重要底层技术支撑。通过这些技术将产品的各个设计、分析小组人员联系在一起，共同完成新产品从概念设计、初步设计、详细设计直到方案评估整个开发过程。

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1.3.2 虚拟样机技术的优点

虚拟样机技术具有下述优点[4]：①减少了设计费用。②可以辅助物理样机进行设计验证和测试。③可以减少产品开发过程中所需的时间,使产品尽快上市。④可以在相同的时间内“试验”更多的设计方案,这是物理样机无法比拟的。⑤可以减少产品开发后期的设计更改,进而使得整个产品的开发周期最小化。⑥与常规的仿真相比,它涉及的设计领域广,考虑也比较周全,因而可以提高产品的质量。⑦由于虚拟样机技术支持并行设计,使得设计小组之间的沟通变得便捷。 1.3.3 虚拟样机技术的局限性

如前所述,虚拟样机技术是建立在许多技术基础上的一种综合技术,一些基础技术的不成熟会限制虚拟样机技术的应用,同时虚拟样机技术是一种新兴技术,现在还处在研究和发展的阶段,本身的不完善使得应用受到一定的限制。主要有以下几个方面

(1) 由于现在还没有一个完全无缝的数据交换方法,在不同的虚拟样机设计工具和应用软件之间数据的交换经常会带来信息的丢失。现在通常是将各应用程序的数据转化为中间的文件格式(如IGES、STEP格式等),但是由于一些商业的CAD/CAE/CAM软件对这些中间格式的支持程度不高,同时这些中间的文件格式本身不是很完善,还需要继续完善和修改。再加上用户对各软件的数据存放方式的了解并不是很充分,因此这些方法的效果并不是很好。

(2) 虚拟样机技术本身原理上的不够准确性。在对产品性能进行研究的时候,如进行有限元分析时,会用小的平面模型去代替一个连续的三维实体模型。建模过程中的近似会给结果带来原理上的误差。如果用虚拟现实技术来评估一个产品,如可维护性,在虚拟的环境和在真实的环境中即便是对于同一个工程师来说,他所花费的时间也是不一样的。这种时间上面的差别主要是由于计算所花费的时间延迟、图像处理的时间延迟以及虚拟环境中的不舒适性带来的时间延迟。虚拟样机技术在这些原理上的延迟应该在寻求设计优化的过程中进行量化,并将其考虑其中。

(3) 产品的形状很复杂,因此构造一个准确的、完整的、理想化的模型是很难的。例如,在计算机里进行装配的动态响应研究是非常复杂和有挑战性的。在这种情况下,如果辅助以适当数目的物理样机,就可以更好地理解虚拟样机,并且还可以增加虚拟样机的可信度。虚拟样机技术的其他方面,如可制造性、可维护性以及它们之间的关系现在理解得并不是很清楚,这些方面的模型并不令人满意。这对虚拟样机技术发挥其优势带来了一定的限制。

1.4 本章小结

本章主要研究虚拟样机技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参数就是物理样机的设计参数，并替代物理样机进行设计参数的测试评估；无需制造实物样机就可预见和预测产品的性能，减免了高昂成本的物理样机制造过程，降低了开

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发成本。因此虚拟样机技术用于液压挖掘机开发的整个过程，作为样机设计的有效手段，有助于挖掘机企业部分甚至全部摆脱对物理样机的依赖，达到缩短挖掘机设计开发周期、降低设计成本、提高设计质量、实现挖掘机现代制造模式的目的。

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2 挖掘机虚拟样机技术

2.1 挖掘机的发展及研究现状

2.1.1 国外发展动态及研究现状

液压挖掘机的生产水平反映机械化施工的水平和能力。国外，特别是西欧几个国家从50年代开始研制液压挖掘机，到60年代中小型液压挖掘机已成批生产；70年代初液压挖掘机斗容已发展到8m3，开始进入矿山开采：80年代大型液压挖掘机技术已成熟，生产斗容16-35m3、机重达650t。目前国外已停止斗容8m3以下机械挖掘机的生产，斗容大于16m3的挖掘机是机械挖掘机的强大竞争对手。国外各制造公司正在研制微机控制的智能化液压挖掘机，并有所突破。建筑和矿用液压挖掘机的销售量在机械设备市场上占有显著的地位。据不完全统计，1990年建筑和矿用设备在全球销售额约为450亿美元，而液压挖掘机的销售额以100亿美元高居榜首。据推测，大型和微型液压挖掘机年增长率分别为24%，35%。1990年全世界建筑和矿用液压挖掘机(履带式)的产量已达9．23万台，其中76%是日本生产的，欧洲产量占有17%。近年来，大型液压挖掘机越来越多地占领了机械挖掘机的市场。液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。 2.1.2 国内发展动态及研究现状

我国从1958年开始研制液压挖掘机，逐步形成了1-2.5m3小型液压挖掘机系列，具有一定生产规模。斗容l-7.5m3的液压挖掘机年产量超过1000台。1983年以后采用引进技术方式进行生产，加快了液压挖掘机的发展，上海建筑机械厂按德国利伯赫尔公司许可证生产了R942。相继又生产了R962、R972、R982等液压挖掘机。杭州重机厂与德国德马克公司合作生产H55和H85等液压挖掘机。太原重型机器厂与德马克公司合作生产14121型液压挖掘机。北京建筑机械厂引进德国公司制造技术生产Rtt6型液压挖掘机。所有这些与国外合作生产德液压挖掘机比国内现用的液压挖掘机生产效率高25%、机重轻10%。国产化率逐年提高，设备利用率为90%。

长江挖掘机厂在引进国外技术的基础上生产斗容1.6-2.5m3的V160型液压挖掘机，采用Deutz公司柴油机、减速机和液压元件。装有正铲、反铲、梅花抓斗等多种工作装置。天津工程机械研究所与泰安工程机械厂生产的WY32型液压挖掘机，机重32t于1993年8月通过鉴定。该机结构紧凑、机动灵活、生产效率高。能充分利用发动机功率、节能效果好。但目前国产液压挖掘机数量少，多为斗容2．5m3以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我国尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需要。从产品技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段。试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。柴油机、液压和密封元件等配套件的质量和可靠性差，使用寿命短。高强度的原材料缺乏，制造技术落后，装备水平低。计算机技术在液压挖掘机上应用正在研制过程中。需要解决的关

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键技术较多：如履带行走装置中履带扳和链轨节的轧制和模锻技术；支重轮、托轮均采用浮动密封，其制造技术、耐磨技术和密封技术；铲斗设计合理性、耐磨性以及高强度钢板焊接技术：液压系统和元件的设计技术、大尺寸高压油缸的制造技术；电子监控与检测技术：整机性能参数的测试技术，大型结构件加工质量控制与制造技术等基础技术和关键技术靠自行研制和测绘仿制势必旷日持久，满足不了国民经济重点工程发展的需要。

纵观我国液压挖掘机30余年的发展历史[5]，大致可以分成以下几个阶段：

(1)开发阶段(1967年～1977年)。以测绘仿制为主的开发，通过多年坚持不懈的努力，克服一个一个的困难，有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功，为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。

(2)液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(1978～1986年)。这个阶段通过各主机生产厂引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植，使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初期的水平。全国液压挖掘机平均年产量达到1230台。

(3)液压挖掘机生产企业数量增加，新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合，合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987年～1993年)。由于国内对挖掘机需求量的不断提高，新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术，其产品批量或小批量的投放国内市场或出口，打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面，引进了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。

(4)国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大，广大用户为了提高施工质量和按期完成施工任务，对使用高质量、高水平、高效率挖掘机的兴趣日趋浓厚。国外各著名挖掘机制造厂商纷纷前来中国创办合资、独资挖掘机生产企业(1994～至今)。从1994年开始，特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司率先在徐州金山桥开发区建立了生产液压挖掘机的合资企业，随后日本小松制作所、日立建机株式会社、神户制钢所、韩国大宇重工业、现代重工业以及德国利勃海尔公司等都相继在中国建立了合资、独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机。 2.1.3 挖掘机开发重点方向

液压挖掘机的开发着重围绕[6]：

1．加快产品开发速度。满足快速多变的市场需求；

2．提高产品可靠性和效率，降低生产成本，向微型化发展的同时向大型化发展； 3．着眼于动力、传动系统的改进以达到高效、节能；

4．精心设计，精心制造以提高产品零部件的可靠性，从而保证整机的可靠性，延长维修周期，加快维修进程，降低维修费用，降低成本；

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5．采用微电子技术使液压挖掘机自动化、机电一体化和智能化进程加快； 6．考虑人机工程，改善司机劳动条件。

2.2 挖掘机虚拟样机技术的提出

挖掘机具有普通机械产品生产必须满足市场所提出要求的共性。所以要缩短以设计、试制为主要内容的投入期。节省投入成本，尽快进入利润丰厚的成熟期。此外由于传统物理样机开发模式在人力、物力和时间上的巨大浪费往往与产品的复杂程度成正比，因此液压挖掘机作为复杂工程机械的特殊性，对开发的时效性要求更高。在现有挖掘机产品进入衰退期之前，就应考虑现有产品的改进或新产品的开发。虚拟样机在挖掘机设计的全过程都可发挥重要的作用。参与从初始概念直至最终成品的全过程。在制造之前，虚拟样机可用来确定挖掘机外形，检查设计规划和工程进程，支持方案可行性分析，进入装配和人机工程的研究。在挖掘机开发的投入期应用虚拟样机技术能缩短设计周期，节约设计经费。在挖掘机产品制成之后又可以进行虚拟样机仿真试验，代替物理样机试验进行子系统及参数的优化。挖掘机进入衰退期，利用原有的数字虚拟样机可以修改原型，实现挖掘机产品快速创新设计[7]。

2.3 挖掘机虚拟样机技术的意义

1 在提高挖掘机设计质量的应用

挖掘机的设计水平关系到最终产品的质量，而设计过程中技术的先进与否、数字化程度的高低，很大程度上决定了机械产品设计开发的周期、质量和成本。在工程设计中已得到广泛应用的有限元分析技术(FEA)和计算机辅助技术(CAD)就是这些先进技术的代表。FEA技术可以帮助设计人员分析零件的应力状态，解决了传统材料力学所无法处理的工程问题。CAD技术则利用计算机强大的计算和数据存储处理功能，加上设计师丰富经验和主观创造性进行产品开发。改变了以经验为主的传统设计方法．以修改方便的高质量三维计算机绘图取代了繁琐、重复的手工平面绘图，节省了设计人员真正用于创造性工作的时间和精力，提高了设计质量。目前挖掘机设计中广泛地采用了FEA和CAD技术，虚拟样机地生成就是依赖FEA和CAD技术的结果。

液压挖掘机是复杂的工程机械，零部件多，运动方式多，须从系统层面评价其性能的优劣。随着技术的发展，人们认识到即使传统的技术手段使得挖掘机中的每个零部件都是最优的，并不能保证整个挖掘机的性能是最好的，即系统整机的优化不是所有部件优化的简单叠加。液压挖掘机的设计还存在许多有别于其他机械行业的特点，其中最重要的一点是它涉及的学科很多，包括机械运动学与动力学、液压流体传动、机电控制、热力学、人机工程学、美学等。要获取挖掘机的综合最优解不仅需要各学科专家的共同努力，更需要他们工作上的协同。

虚拟样机技术是现阶段实现上述目标的最佳手段。虚拟样机的生成依赖于CAD、

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FEA技术，并超越了传统的CAD和FEA技术的局限。但由于在设计开发的最后阶段前无法得到整个样机，所以设计过程中，各小组或各个进程往往把注意力集中在本学科的优化上，而忽略了其他学科乃至整机系统性能。最终没能获得整机性能的晟优解。虚拟样机技术不仅利用了并行工程的长处，还通过将各并行过程和并行小组的工作集成到同一个虚拟样机之上，提供同时对挖掘机的外形、机械系统、液压系统、控制系统等多方面评价的可能，因此具备了整机性能评估的条件，兼顾了各个学科，真正做到了全系统、全性能的优化，解决了上述难题。

液压挖掘机有别于其他机械的另一个特点是：工作环境恶劣，通常工作在地质情况复杂、载荷情况多变、大气条件差的条件下。液压挖掘机物理样机试验必须模拟不同工况，费时费力。另外挖掘机造价很高，尤其是附带各种检测设备的物理样机单机成本极高。而试验的破坏性往往很大，反复试验不仅延长设计周期，还容易造成损坏，无形中提高了设计成本。采用虚拟样机技术，可使设计人员在虚拟环境中真实地模拟各种挖掘机的工作情况，快速分析多种设计方案，帮助设计人员完成无数次物理样机无法进行的危险试验，在整个仿真过程中，可以随时按照优化建议或市场用户需求修改参数，得到改进的虚拟样机，反复这个过程宣至获得系统优化级的整机设计方案。我国挖掘机开发还有一个独特的特点，就是先引进、消化、再设计，但效果总不佳，原因就是以前的仿制过程仅是拆机，照抄零件，对引进的挖掘机缺乏系统上的理解，设计人员没有吃透样机。采用虚拟样机技术，技术人员便可以进行系统层面的详细研究，追踪样机的设计思想来指导其设计。从另一角度看，以往先引进、消化、再设计过程由于是从零件着手，设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计，注意力往往集中在细节而忽略了整体。而借助于虚拟样机技术设计挖掘机时，可以根据用户要求确定系统参数，优化设计在早期设计阶段完成。早期虚拟样机的仿真结果还可以作为零件设计的参考。

2 在挖掘机现代制造模式中的应用

现代制造模式的发展趋势为：制造智能化、制造敏捷化、制造虚拟化、制造全球化、制造网络化。虚拟样机技术为挖掘机现代制造模式的实现提供了技术支持。虚拟样机技术以虚拟样机为媒介，直接将人类在挖掘机领域的创造能力、设计师积累的丰富设计经验与计算机存储的诸多方案结合，利用计算机模拟设计方案的实现。形成优势互补、人机融合的挖掘机产品开发制造环境，实现制造系统中人机一体的集成智能决策机制。市场的需求和新技术的出现都要求挖掘机的制造敏捷、迅速，其途径就是样机的柔性化和制造工艺的柔性化。其中样机柔性化需要依靠虚拟样机实现。数字化的挖掘机虚拟样机能快速修改，具备了产品对市场的快速响应能力，是实现挖掘机敏捷制造的基础。制造工艺的柔性化则有赖于挖掘机虚拟制造的实现。虚拟制造是以CSCW支持的系统建模技术和仿真技术为核心，将真实的制造环境以及制造过程通过建立样机计算机模型，流水线计算机模型等映射到计算机技术所支撑的虚拟环境中，在虚拟环境中模拟制造环境及制造过程。并通过这一过程对产品的可制造性进行预测和评价。因此虚拟制造是实现

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敏捷制造的关键。而虚拟样机是虚拟制造中不可或缺的产品性能评估和可制造性评价的对象。

2.4 本章小结

本章主要叙述了挖掘机虚拟样机技术在挖掘机生产及其设计的应用以及未来挖掘机虚拟样机的研究方向。主要用于提高虚拟样机技术在挖掘机当中的应用价值，提高对挖掘机的设计。

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3 ADAMS软件的简介

3.1 ADAMS软件概述

机械系统动力学自动分析软件ADAMS[8]，是美国MDI公司开发的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机分析软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。该软件90年代开始在我国的机械制造、汽车交通、航空航天、铁道、兵器、石油化工等领域得到应用，为各领域中的产品设计、科学研究做出了贡献。工程中利用ADAMS交互式图形环境和零件约束、力库等，进行仿真分析和比较，研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。ADAMS自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真的动画或X-Y曲线图形，ADAMS仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷，支持ADAMS同大多数CAD、FEA及控制设计软件包之间的双向通讯。ADAMS的核心软件包括交互式图形环境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver，二者之间形成了无缝连接。用户可以利用ADAMS的工作站或PC机上建造、试验“虚拟样机[9]”，在此基础上与其它模块集成就可以满足多方面的仿真要求。

3.2 ADAMS软件模块

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。

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表3.1 ADAMS软件模板 Fig.3.1 ADAMS Software templates 用户界面模块 基本模块 求解器模块 后处理模块 液压系统模块 振动分析模块 线性化分析模块 扩展模块 高速动画模块 试验设计与分析模块 耐久性分析模块 数字化装配回放模块 柔性分析模块 控制模块 接口模块 图形接口模块 CATIA专业接口模块 Pro/E接口模块 轿车模块 悬架设计软件包 概念化悬架模块 驾驶员模块 动力传动系统模块 轮胎模块 柔性环轮胎模块 专业领域模块 柔性体生成器模块 经验动力学模型 发动机设计模块 配气机构模块 正时链模块 附件驱动模块 铁路车辆模块 FORD汽车公司专用汽车模块 软件开发工具包 虚拟试验工具箱 虚拟试验模态分析工具箱 工具箱 钢板弹簧工具箱 飞机起落架工具箱 履带/轮胎式车辆工具箱 齿轮传动工具箱 ADAMS/View ADAMS/Solver ADAMS/PostProcessor ADAMS/Hydraulics ADAMS/Vibration ADAMS/Linear ADAMS/Animation ADAMS/Insight ADAMS/Durability ADAMS/DMU Replay ADAMS/Flex ADAMS/Controls ADAMS/Exchange CAT/ADAMS Mechanical/Pro ADAMS/Car Suspension Design CSM ADAMS/Driver ADAMS/Driveline ADAMS/Tire FTire Module ADAMS/FBG EDM ADAMS/Engine ADAMS/Engine Valvetrain ADAMS/Engine Chain Accessory Drive Module ADAMS/Rail ADAMS/Pre(现改名为Chassis) ADAMS/SDK Virtual Test Lab Virtual Experiment Modal Analysis Leafspring Toolkit ADAMS/Landing Gear Tracked/Wheeled Vehicle ADAMS/Gear Tool

3.2.1 ADAMS软件简介：

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块

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组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。一些常用模块介绍如下：

ADAMS/View

ADAMS/View(用户界面模块)是以用户为中心的交互式图形环境，它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示等功能完美地集成在一起。其实体建模的内核采用Parasolid格式，除提供了丰富的零件几何图形库外，还提供了完整的约束和力/力矩库，支持布尔运算，建模工作快速。在ADAMS/View中，用户利用Table Editor，可以像用Excel一样方便地编辑模型数据：同时还提供了Function Builder工具包：具有设计研究(DS)，实验设计(DOE)和优化(OPTIMIZE)功能，可使用户方便地进行优化工作。

ADAMS/Solver

ADAMS/Solver(求解器)是ADAMS系列产品的核心模块之一，是求解机械系统运动学和动力学问题的程序。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题。

ADAMS/Postprocessor

ADAMS/Postprocessor(专用后处理模块)具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。ADAMS/Postprocessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算;可以输入试验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较;对分析结果曲线图进行各种编辑。

ADAMS/Animation

ADAMS/Animation(高速动画模块)是ADAMS的一个集成的可选模块，该模块使用户能借助于增强透视、半透明、彩色编辑及背景透视等方法对已经生成的动画精细加工，增强动力学仿真分析结果动画显示的真实感。

ADAMS/Hydraulics

ADAMS/Hydraulics(液压系统模块)，为了模拟包括液压回路在内的复杂机械系统的动力学性能，MDI公司开发了ADAMS/Hydraulics模块。用户使用该模块，能够精确地对由液压系统驱动的复杂机械系统(如工程机械、汽车制动转向系统、飞机起落架等)进行动力学仿真分析。用户可以在ADAMS/View中建立液压系统回路的框架，然后通过液压驱动元件如液压缸等将其连接岛机械系统模型中，最后选取适当的、功能最强的求解器分析整个系统的性能。利用ADAMS/Hydraulics模块，可以建立机械系统与液压系统之间相互作用的模型，设置系统的运动特性，进行各种静态、模态、瞬态和动态分析;结合ADAMS/Control模块，可以在同一仿真环境中建立、试验和观察包括机－电－液－控制一体化的虚拟样机模型。ADAMS软件新版本主要把ADAMS/Hydraulics作为

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ADAMS/View的一个即插即用模块重新打包，方便用户随时调用。同时用户还可以把自己定义的液压元件扩充到该模块内部元件库中去。

ADAMS/Flex

ADAMS/Flex(柔性模块)是ADAMS与Flex软件之间进行双向数据通讯的接口。可研究柔性体对机械系统性能的影响，明显提高仿真精度。Flex是合成柔性体的有效途径。ADAMS/Flex支持ANSYS,MSCINASTRAN和I-DEAS的中性文件(Neutral file)格式。通过柔性体节点增加适当的约束和力，就可以使柔性体与其它刚体共同形成一个有机的ADAMS模型。

ADAMS/Linear

ADAMS/Linear(系统模态分析模块)可将ADAMS形成的机械系统非线性运动方程线性化，计算特征值、特征向量和状态空间矩阵。

ADAMS/Car

ADAMS/Car(车辆模块)赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包括悬架、传动系、发动机、转向机构、ABS 系统以及其它复杂总成。用户可以在各种不同的道路条件下运行ADAMS/Car 模型，执行驾驶操作，使车辆在试验道路上正常行驶，用户可以准确模拟汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性及其它各项性能参数。

此外，ADAMS还包括Exchange(图形接口模块)、Controls(控制模块)、Insight(试验设计与分析模块)、Vibration(振动分析模块)、Durability(耐用性分析模块)、Driver(驾驶员模块)、Tire(轮胎模块)等。 3.2.2 ADAMS建模、仿真的步骤

利用ADAMS软件进行虚拟样机仿真分析的步骤如图，根据此步骤可以完成一个复杂的机械系

统的仿真分析，各步骤简述如下： (1)建造模型：建模包含三部分工作：

①创建零件有两种途径：通过ADAMS/View的零件库来创建各种简单的运动单元(零件)；用ADAMS/Exchange引入复杂的CAD形体(会影响运行速度)。

②给模型施加约束和运动。 ③给模型施加各种作用力 (2)测试模型

定义测量，对模型进行初步仿真，通过仿真结果检验模型中各个零件、约束及力是否正确。

(3)校验模型

导入实际实验测试数据，与虚拟仿真的结果进行比较。 (4)模型的细化

经过初步仿真确定了模型的基本运动后，可以在模型中加入更复杂的单元，如在运

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动副上加入摩擦，用线性方程或一般方程定义控制系统，加入柔性连接件等等,使模型与真实系统更加近似。

(5)优化模型

对模型进行参数分析，优化设计。 (6)定制用户自己的环境

用户可以定制菜单、对话框，或利用宏使许多重复工作自动进行。

3.3 本章小结

本章主要对ADAMS软件的基本涵义以及基本模块的学习，加深对ADAMS软件的理解。并对各模块的作用的理解，便于挖掘机在其中的建模和仿真分析。

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4 挖掘机的建模

4.1 创建模型

建立挖掘机反铲模型的一般步骤：在AMAMS软件中依次建立挖掘机底盘模型和车架模型，建立动臂模型，建立动臂液压缸模型，建立斗杆模型，建立铲斗模型，建立斗杆液压缸模型，建立摆杆和连杆模型。下面主要以底盘和车架、动臂、斗杆的模型建立为例。

(1)软件的启动：双击

建立model_1，按国际单位设置质量kg，长度mm，时间

0

s，力N和频率Hz，为方便绘图设置工作网格的范围，如图4.1所示。

图4.1ADAMS/View启动窗口 Fig.4.1 ADAMS / View startup window

点OK进入到ADAMS/View的默认界面，如图4.2所示。

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图4.2 AMAMS的默认界面

Fig.4.2 The default interface of ADAMS/View

点击菜单栏中的设置/界面风格/经典，即可切换到经典模式。点击

小或放大到所需的尺寸，如图4.3所示。

，将界面缩

图4.3ADAMS/View的经典界面 Fig.4.3 The classic interface of ADAMS/View

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(2)设置工作环境：需要设置的内容包括设置工作栅格、设置单位、设置重力加速度。单位及重力加速度的设置对话框如图4.4所示。

图4.4 环境变量设置 Fig.4.4 Working grid settings

（3）调整视图坐标窗口：选择视图/坐标窗口，出现要求的窗口，便于坐标定位的准确。如图：4.5所示。

图4.5 坐标窗口

Fig.4.5 Coordinates of a window

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(4)底盘和车架的建立：选择ADAMS/View零件库中的连杆示出连杆的选项创建一个轮，在使用平移和旋转指令择方形体

，通过主工具箱显

建立另一个轮，在此之上，选

，建立车架，如图4.6所示。

图4.6底盘和车架模型 Fig.4.6 chassis and frame model

(5)动臂的建立：选择ADAMS/View零件库中的平板平板的选项创建动臂，如图4.7所示。

，通过主工具箱显示出

图4.7 动臂模型

Fig.4.7 movable arm model

(6)斗杆的建立：选择零件库中的平板

，创建斗杆，如图4.8所示。

图4.8 斗杆的模型 Fig.4.8 model of the arm

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(7)建立油缸及其连接部件：选择零件库中的圆柱体，首先创建出两个不同半

，即可完成油缸

径的圆柱体并按照实际长度截取，然后在两个圆柱体上创建圆柱副的创建。

(8)关键点的创建，此处的关键点是指系统各构件运动副的连接位置。

图4.9关键点的坐标 Fig.4.9 coordinates of point

(9)通过以上步骤的操作，挖掘机的模型基本建成，挖掘机虚拟样机的效果图如图4.10所示。

图4.10挖掘机虚拟样机的效果图

Fig.4.10 rendering of virtual prototype of excavator

4.2 添加约束

建模时，通过各种约束限制构件之间的某些运动，并以此将不同构件连接起来组成一个完整的机械系统。ADAMS/View可以处理4种类型的约束：

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(1)运动副约束，例如：转动副，棱柱副等； (2)指定约束方向：限制某个运动方向；

(3)接触约束：定义两构件在运动中发生接触时，是怎样相互约束的； (4)约束运动：规定一个构件遵循某个时间函数按指定的轨迹规律运动； 将反铲装置各铰点定义为转动副，油缸缸筒和活塞杆间定义为移动副，将底盘与车架的连接定义为固定副。具体约束如图4.11所示。

图4.11各约束列表

Fig.4.11 The list of constraint

4.3 测试模型

图4.12仿真分析

Fig.4.12 Simulation Analysis

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对已建好的模型进行初步的检验，操作步骤如下： (1)在主工具箱选择仿真工具图标(2)选择仿真类型

仿真类型有四种情况可以选择：

①Default为默认的分析类型，由ADAMS/View根据样机模型的自由度，决定采用动力学分析或运动学分析；

②Dynamic为进行动力学分析； ③Kinematic为进行运动学分析；

④Static为静态分析，包括进行一次指定时刻的静态分析，或者是在一段时间内的一系列分析。

(3)选择仿真分析时间的定义方法，输入仿真分析时间。 有两种定义方法可供选择：

①End Time定义仿真分析停止的绝对时间；

②Duration定义从开始仿真分析到停止分析的时间间隔； 在此模型中，选择①种定义方法，设仿真分析时间为3s。 (4)设置仿真过程中输出仿真结果的频率或输出步长。 有两种表示方法：

①Step Size为前后两步输出的时间间隔，即输出的时间步长。在使用时应注意系统使用的时间单位，例如：当使用秒时，0.001表示每秒输出1000次。

②Steps表示在整个分析过程中总共输出的步数。例如，对一个总共10s的分析过程，如果定义200步输出，则每隔0.05s输出一次仿真结果。

在此模型中，选择②种表示方法，设置输出步数为201步。 (5)完成以上设置后，按快捷键，开始仿真分析

(6)如果仿真分析运行顺利，计算机将一直仿真分析直到设定的停止时间。如果中途停止分析，可以按停止快捷键。

(7)结束仿真分析后，可利用回放快捷键，重现仿真的过程。

4.4 模型检验

样机模型建成以后，可以用模型检验工具来检查错误，如模型运动副对齐不准和零件约束不当等。在Tools菜单中选择Model Verify命令显示信息窗口可以得到模型的重要信息，包括移动的零件和运动副的数量，同时也列出模型的自由度数，并说明模型是否合理。此外还可以用对象测量和交互式仿真分析对模型进行检验，仿真分析前进行装配分析也有助于纠正错误的约束。例如检测建好的挖掘机样机模型，ADAMS显示的资料如图4.12所示。

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图4.13 模型校验信息

Fig.4.13 Information of model verification

4.5本章小结

本章主要介绍了挖掘机建模的一般过程，对创建模型，添加约束，测试模型和模型检验四个建模做出简要的分析，为下章的运动学分析和动力学分析奠定了基础。

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5 挖掘机虚拟样机技术分析

5.1 挖掘机虚拟样机技术的运动学仿真

5.1.1 运动学仿真概述

机械系统运动仿真[11]是指利用计算机对机械系统实际工作中的运动和受力等情况进行模拟，仿真技术为研究人员在设计过程中对设计方案进行检验和考核提供了有效手段。机械系统运动仿真技术是建立在多体系统动力学理论和先进的计算机实用技术基础上的新技术，仿真所分析和解决的问题主要包括静力学、运动学和动力学等方面：实现仿真的软件包括前处理、求解器和后处理三个组件，其中求解器是核心部分。一般地，用户通过前处理组件建立起机械系统模型，然后通过求解器进行求解，给出计算结果，最后由后处理组件实现动画显示和曲线图输出。在机械系统运动仿真地求解计算过程中，需要处理大量由用户输入地专用函数，如数学函数、运动函数和力函数等。通过计算机实现这些函数功能的工作非常重要，关系到运动仿真算法的实现和仿真软件的实际应用，其中既包括用于基本的数学和数值计算的函数，也包括取得机械系统运动和力的参数的函数。对函数的处理是运动仿真的技术难点：一方面用户使用的函数多种多样，其参数、形式和功能各不相同，通过输入的数据文件体现出来；另一方面为使用户在使用这些函数时能自然方便地直接调用，对用户通过数据文件输入的专用函数，程序必须能够自动实现从查找、识别、分类、存储和读取直至调用这样比较复杂的功能。 5.1.2 挖掘机的运动学仿真分析

1本例对挖掘机铲斗进行一次角度测试，也就是运动学仿真[12],以反映它的行程。建立角度测量包括拾取定义角度的标识点。在本例中就是POINT_14、POINT_20、POINT_30。MSC.ADAMS/View自动在几何体的顶点、端点和质心建立坐标系统标识。MSC.ADAMS/View在你约束物体时也会自动建立标识。 操作步骤：

（1）在创建菜单中点击测量→角度，选择新建。

（2）在角度测量对话框中键入测量的名字。

（3）在开始标记点输入栏中点击右键，从弹出的菜单中选择标记点，再选选取。 （4）同样方法完成中间标记点、最后标记点。 （5）点击OK，角度测量图表如下图5.1：

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图5.1 角度测试图 Fig.5.1 Angle test pattern

生成一个传感器 操作步骤：

（1）在Simulate菜单中点取Sensor，选择New。建立传感器的对话框出现。 （2）依照下图完成对话框，选择OK。如图5.2所示

图5.2 传感器的参数设置

Fig.5.2 Set the parameters of the sensor

存储模型

在文件菜单中选择另存为，存储文件名为test。 模型仿真

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操作步骤：

（1）选择仿真工具，进行一次0.2秒100步的模拟。你应该得到提示由于传感器的作用MSC.ADAMS/View停止仿真模拟。

（2）用返回回到模型初始状态。 在模拟过程中，MSC.ADAMS/View对角度的测量反映了传感器的作用。如下图5.3所示：

图5.3 角度模拟仿真图 Fig.5.3 Angle simulation diagram

2 运动仿真可确定所关心点的位移、速度、加速度的变化范围，运动仿真还可以检

验所加运动约束是否正确。经过模型检验可知，挖掘机三维模型基本正确。

对挖掘机铲斗的各点出进行速度，角速度，加速度进行运动学仿真。操作步骤：

（1）选择铲斗；

（2）在铲斗和斗杆交界处施加5000N的力； （3）选着铲斗和斗杆的交接点；

（4）选择铲斗，单击右键选择测量，如图所示5.4，

图5.4 测量设置参数 Fig.5.4 Measuring set parameters

然后单击OK，得到铲斗和斗杆交界处的速度曲线图。如图5.5所示；

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图5.5 速度曲线图 Fig.5.3 velocity curve

选择特性为质点角速度，则得到角速度曲线图；如图5.6所示

图5.6 角速度曲线图

Fig.5.6 The angular velocity curve

选择特性为质点加速度，则得到加速度曲线图；如图5.7所示

图5.7 加速度曲线图 Fig.5.7 The acceleration curve

选择特性为质点角加速度，则得到角加速度曲线图；如图5.8所示

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图5.8 角加速度曲线

Fig.5.8 The angular acceleration curve

5.2 挖掘机虚拟样机技术的动力学仿真分析

挖掘机的挖掘力是衡量挖掘机工作装置挖掘性能的重要指标之一，也是挖掘机用户购买挖掘机时考虑的重要因素之一。

所谓挖掘机的挖掘力是指液压缸力通过相应构件传递给斗齿，用来切削土壤的作用力。挖掘力是挖掘机的主要性能参数，它与液压缸的推力、各铰点的位置有关。根据挖掘机挖掘方式的不同，挖掘力有斗杆液压缸挖掘力、铲斗液压缸挖掘力、动臂液压缸挖掘力等。对反铲装置，动臂液压缸的理论挖掘力一般不予考虑。

本例对铲斗上作用于5000N的力，代表能施加的合理用力。 操作步骤如下：

1 主工具箱中选择并在对话框中（1)将仿真时方向改为物体运动。 （2)在特性栏中选择常数。

（3)打开力值输入开关，输入5000。设置如图5.9所示

进行以下操作：

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图5.9 力参数设置

Fig.5.9 Force parameter Settings

2 依次选取铲斗、铲斗末端的标志点、位置点。 3 点击

进行模拟仿真，操作步骤：

（1）把光标放在弹簧上单击右键，在弹出的菜单中选择测量。 （2）在特性栏中选择力。 （3）点击OK。测量图表出现。

（4）进行一次0.2秒、50步的仿真。力测量曲线如下图5.10所示

图5.10铲斗选择点的力测量曲线 Fig.5.10 Measuring the force curve

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由上图可知挖掘机的最大挖掘力，动臂、斗杆最大受力的位置出现在动臂液压缸全缩，斗杆与斗杆液压缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直斗杆液压缸，此时动臂与斗杆都有最大的力矩，即出现最大挖掘力。仿真结果说明，此种液压挖掘机的设计较为合理，运动中无干涉现象，作业范围合理，满足对特殊工作尺寸的要求。

5.3本章小结

本章主要对液压挖掘机进行了运动学仿真，根据液压缸的行程及工作时间，通过多种运动方式的顺序动作仿真得到了液压挖掘机基本参数的仿真值；并对符合实际要求的某一复合运动方式进行了仿真，得出了液压挖掘机工作的高效性。

其次对液压挖掘机工作装置进行了动力学仿真分析。通过动力学分析，得到了挖掘机的动臂、斗杆、铲斗等主要铰接点的力特性曲线，揭示了在挖掘机挖掘工作过程中各构件的动力学特性规律，为进一步分析挖掘机的结构特性和应力分布提供了结构件的载荷分布情况，为挖掘机的设计提供一定的理论依据。

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结 论

液压挖掘机是当今工程建设中不可缺少的各种大型设备之一。随着技术的不断发展，液压挖掘机向大型化、复杂化发展，挖掘重量越来越大，对其性能要求越来越高。其动态性能的好坏直接影响到整个液压挖掘机的性能。本文全面了解和掌握了国内外虚拟样机发展水平和趋势，结合研究所所研制开展的液压挖掘机项目，开展了有关虚拟样机技术仿真研究等多方面工作。

主要工作成果如下：

（1） 综述了虚拟样机理论和液压挖掘机国内外发展现状，为提高设计效率和产品质量，指出将虚拟样机技术引入挖掘机开发的必要性。

（2） 建立液压挖掘机工作装置的虚拟样机模型。

（3） 液压挖掘机挖掘工况的动力学仿真分析研究。利用建立的虚拟样机，对复合挖掘工况进行了详细的仿真，并对仿真数据进行了分析，为设计开发提供重要参考。

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致 谢

本文是在老师的悉心教导和热情关怀下完成的，它的完成离不开许许多多人的关怀与帮助，在此向他们敬以崇高的敬意和最诚挚的感谢。

首先特别感谢我的导师—刘爱华老师，在我做毕业设计的过程中，刘爱华老师渊博的知识，兢兢业业的工作作风、一丝不苟的治学态度给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅、终身受用。本文的研究工作得到了刘爱华老师的精心指导，从本文的选题到论文的撰写完成都凝聚着导师的心血，在此谨向刘爱华老师，致以衷心的感谢和诚挚的敬意!

最后，要感谢我的家人，他们的鼓励与支持是我人生路上前进的最大动力。 感谢各位专家的审阅！

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/irog.html