基于Solid Works和ADAMS的小型装载机工作装置虚拟样机建立及动力学分析仿真.pdf

2013年8月
机械管理开发
总第134期
MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
August, 2013
学苑论坛
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基于 Solidworks和 ADAMS的小型装载机
工作装置虚拟样机建立及动力学分析仿真
张廓然,陈南
(东南大学机械工程学院,江苏南京210018)
摘要]文章针对小型装载机,使用 Solidworks 3三维造型软件建立了其车架和エ作装置的模型,并将其导入动力
学分析软件 ADAMS,进行了机构动力学仿真,检验其千涉情況,并得到了一些包括运动学和动力学的曲线等关键
的设计数据,对机器的设计及优化有一定的指导作用。
关键词]轮式装載机;虚拟样机;建模; Solidworks; ADAMS
中图分类号]TP391.7
[文献标识码]A
文章编号]1003-773X(2013)04-0088-03
引言
化处理,模拟在现实环境下系统的运动学和动力学特性,并
轮式装载机作为铲土运输机械,其主要功能是对松散物根据仿真结果精化和优化系统的设计,在国外已广泛应用到
料进行铲装及短距离运输作业,是工程机械中发展最快,产汽车制造业、航空航天业、国防工业、通用机械制造业等领
销量及市场需求最大的装备之一。大中型轮式装载机由于域。
其尺寸和价格原因,在农业生产等很多场合使用也受到限
在我国农机生产领域,包括小型装载机的生产领域,虚
制,故多功能小型轮式装载机大有用武之地。装载机的工况拟样机技术尚未得到广泛应用。而利用虚拟样机代替物理样
复杂,工作装置作为机器的关键系统,分析其动力学特性十机对其进行创新设计、测试、评估和人员训练,正成为各类
分重要。
制造企业缩短产品开发周期、降低成本、改进产品设计质量
1虚拟样机技术简介
和提高面向客户与市场需求能力的重要手段。其在我国小
我国现阶段生产小型装载机的厂家多数是小型企业,技型装载机生产领域的应用已成为必然的趋势。
术方法及思路较为落后,使用的基本还是传统的设计方法,2装载机虚拟样机建模
方案拟定在很大程度上取决于设计者的经验,难以获得最
考虑 Solidworks强大的造型功能和 ADAMS造型功能较弱
优,设计消耗大、成本高、效率低。
但仿真功能很强的特点,以及两种软件间成熟的接口,文中
机械系统的虚拟样机技术( Virtual Prototyping)即机械采用 Solidworks建模,导入至 ADAMS并进行相关设置得到
系统动态仿真技术,是一项伴随计算机技术发展起来的新技虚拟样机模型。
术,可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视
这种小型轮式装载机除了前后车架作为机架外,分析的
重点工作装置包括有动臂、摇杆、连杆、挂架、铲斗、举升
收稿日期】2013-06-03
液压缸、转斗液压缸等主要部件。按照实际尺寸,在
作者简介」张麻然(1989-),男,山西太原人,东南大学机 Solidworks中建立模型并进行装配,初始状态为铲入工况开
械工程学院在读硕士,研究方向:机械结构动力学仿真分析与始时如图1
优化;陈南(1953-),男,重庆人,瑞士联邦苏黎世高等理
工大学轻型结构和允在工具研究所博士后,东南大学机械工程
学院教授,博导,主要研究方向:机械结构和机构动态分析及
优化,振动和噪声被动及主动控制及智能结构,车辆动力学及
其智能控制,智能交通系统中的自主车辆技术,基于网络的可
视化协作设计技术等
图1装載机虚拟样机 Solidworks模型
机械管理开发
第4期(总第134期) MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
2013年8月
Fin:STEP(time,0.0,0.0,2.8,-1.1447E+004)+STEP(time,
2.8,0.0,3,1.1447E+004)
Fsh:STEP(time,3.0,0.0,3.2,-7103.0)+STEP(time,5,1,
0.0,5.4,7103.0)
Fg: STEP(time, 54, 0.0, 6.0, -4900+STEP(time, 18.0
图2装载机 ADAMS虚拟样机
0.0,21.0,4900)
将装配体模型导入到 ADAMSI中,进行合并实体,添加
为方便观察,可将虚拟样机的不同实体设置为不同的颜
运动副等操作。由于 ADAMS程序运动副约東是通过将集合色。建立好的 ADAMSA虚拟样机模型见图2
约束方程添加到系统微分几何方程中来消除系统自由度的,3装載机虚报样机动力学仿真及结果
当一个模型中,儿个运动副同时采用时就经常会出现对同一
装载机在本次论文设定工况下,包括有插入料堆、铲
个物体多次重复采用了某一个或几个约東方程,导致过约東装、举升、卸料工况,设置5000步的仿真,样机运行具体
警告。这种情况下, ADAMS1仿真会随机去掉一些约東,导情况见图4,图5,图6,图7。仿真过程可以顺利进行,可视
致有些想要求解的约東力始终为零。解决的方法之一就是选化仿真可知无干涉等不正常现象。
择一些约束较少的运动副。但是,如果仅根据自由度约束
数量任意选取,可能在计算结果中出现异常现象,建议使用
基本约束来解决冗余约束问题。本模型中共采用了5个固定
副,6个转动副,2个移动副,3个点线副。
所建立的虚拟样机必须有驱动函数才能运动,本文针对
研究的运动过程包括了装载机在工作中的铲入工况,装料工
况,举升工况和卸料工况,使用了两个驱动,分别添加在举
图4插入料堆工况
图5铲装工况
升液压缸和转斗液压缸上,使用STEP函数实现。函数具体
形式分别为:
举升液压缸:STEP(time,5.4,0.0,18.0,450.0)
转斗液压缸:STEP(ime,3.0,0.0,5.4,10+ STEP(time,180
0.0,21.0,260.0)
仿真中要给样机添加合适的载荷,才能模拟实际的工作
情况。装载机在铲入过程中,会受到插入阻力Fn,装料掘
图6举升工况
图7卸料工况
起过程中,会受到掘起阻力Fsh,举升时会受到物料重力
2800
Fg。正载情况下,其作用点分别为:Fin作用于斗刃中央,
100
Fsh作用于斗刃后100m处,Fg作用于铲斗质心
1000
各载荷计算公式分别为:
am CM Poston Ming
Fin=mg( (1)
5000
50230230
5000030
Fsh=mgli/L(2)
Fg=mog(3)
图8铲斗与动臂位移曲线图图9动臂速度分量曲线
其中,m为装载机自重,1460kg,g为重力加速度,
00
9.8m/s2,Φ为轮胎附着系数,取为0.8,LI为装载机重心至{ms
000
-Fh
前轮与地面接触点水平距离,在装配体模型中软件测量得
5000
832m,L为装载机铲斗斗刃至前轮与地面接触点水平距
离,测量得1676mm,m,为装载机额定载重质量,400kg
5010015020
100150
将数据代入(1)~(3)式,载荷函数使用STEP函数实现,
图10