基于ADAMS的42吨集装箱叉车转向机构的仿真与优化设计毕业论文设计.docx
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基于ADAMS的42吨集装箱叉车转向机构的仿真与优化设计毕业论文设计
山东交通学院
毕业生毕业论文(设计)
题目:
基于ADAMS的42吨集装箱叉车转向机构的仿真与优化设计
系别工程机械系
专业交通建设与装备
班级交建072
摘要
本文介绍了42t集装箱叉车的转向机构采用由横置液压缸组成的一组六连杆机构,为了保证车轮转向时作纯滚动,需对六连杆机构优化设计。
为了分析叉车的转向性能,采用ADAMS软件对叉车的转向机构进行了建模仿真,测量了该转向机构的转角误差;实现了转向机构的参数化建模,以转向机构的累计转角误差最小为目标函数对转向机构进行了优化设计,并建立了叉车的整车模型,测量了叉车的外转向轮误差和整车模型的转向半径变化曲线,为分析叉车的转向性能提供了依据。
并且以优化设计的结果为参数在ADAMS中建立叉车的整车模型,仿真结果证明优化设计的有效。
关键字:
ADAMS;转向机构;仿真;优化设计
Abstract
Thisarticledescribesthe42tcontainerforkliftsteeringhydrauliccylinderusedbythetapofagroupcomposedofsix-barlinkage,inordertoensurethesteeringwheel,madeofpurerolling,theneedforoptimizationofsix-barlinkagedesign.Toanalyzetheforklift'ssteeringperformance,theuseofADAMS,thesteeringmechanismonthetruckthemodelingandsimulation,measuringtheangleofthesteeringerror;toachieveasteeringmechanismoftheparametricmodeling,thesteeringangleerrorofthecumulativegoalofminimizingfunctionofthesteeringmechanismwasoptimized,andtheestablishmentofaforkliftvehiclemodel,measuredoutsidethesteeringwheelforkliftmodelerrorandthevehicleturningradiuscurve,analysisoftheforklift'ssteeringprovided.AndtheresultstooptimizethedesignparameterstocreatetheforkliftvehicleADAMSmodel,simulationresultsshowthattheeffectiveoptimaldesign.
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字典
Keywords:
ADAMS;Steeringsystem;simulation;Optimizationdesign
前言
叉车是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆。
叉车国际标准化组织ISO/TC110称为工业车辆。
属于物料搬运机械。
广泛应用于车站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门,是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备。
叉车在企业的物流系统中扮演着非常重要的角色,是物料搬运设备中的主力军。
广泛应用于车站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门,是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备。
自行式叉车出现于1917年。
第二次世界大战期间,叉车得到发展。
中国从20世纪50年代初开始制造叉车。
特别是随着中国经济的快速发展,大部分企业的物料搬运已经脱离了原始的人工搬运,取而代之的是以叉车为主的机械化搬运。
因此,在过去的几年中,中国叉车市场的需求量每年都以两位数的速度增长。
叉车作为机动工业车辆的典型机种,结构紧凑,机动性好,广泛用于港口仓库、货场、货舱内堆码、拆垛作业。
良好的机动性能反映了叉车在狭窄通道和场地灵活转弯和作业能力,体现了叉车对作业场所的适应性及对仓库、货场面积的利用率。
与汽车不同,叉车的作业特点是直线行驶较少而转向频率较高。
频繁的转向造成轮胎的寿命大大缩短,因此,叉车整体设计注重转向系统和轮胎的寿命,对降低叉车的使用成本,提高叉车的利用率有着深远的意义。
一般来说,高质量的叉车其优越的性能往往体现在高效率、低成本、高可靠性、人机工效设计好以及服务便利等诸多方面。
42吨集装箱叉车,用于大型集装箱的短途和堆码作业。
该叉车的转向机构采用横置液压缸式转向桥取代传统的拉杆式转向桥。
具有转角大、左右转向一致性好、结构简单安装维护方便等特点。
虚拟样机技术是在计算机上建造产品的整体模型,对产品投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计,提高产品性能的一种新技术。
本文基于ADAMS虚拟样机技术软件,对42吨集装箱叉车的转向机构进行了建模和运动仿真,测量了叉车转向机构的转角误差。
并进行了参数化建模,利用ADAMS提供的算法进行了优化设计。
并且建立了该叉车的整车模型,对叉车的转向性能进行了分析。
希望本篇论文能够成为日后广大读者工作中的一份资料,能让广大读者在叉车的设计优化时多一份参考,使您在经济活动中获得一定的效益。
由于本人学识、专业水平的局限,本论文中疏漏、错误在所难免,敬请指导老师和各位评委老师批评指正并提出宝贵意见,以便使本论文不断完善。
1绪论
1.1本文研究的背景
近年来,国外叉车尤其是大吨位叉车大多采用横置液压缸式转向桥取代拉杆式转向桥。
与拉杆式转向桥相比横置液压缸式转向桥具有下述特点:
(1)转角误差小,从而可降低转向阻力,减少转向车轮磨损。
(2)最小传动角较大,有利于改善机构的力学特性,减小转向液压系统的最大与最小压力差。
(3)左右转向一致,行程和灵敏度完全相同,且转向操纵力小。
(4)制造简单,零件少,维护保养方便,使用寿命长。
鉴于上述特点,为适应市场需求,在20t位以上级叉车,尤其是大吨位集装箱叉车上采用了这种结构。
为使结构更加合理,转向平稳、可靠,在设计过程中应用计算机模拟仿真转向机构运动过程对机构进行了优化设计。
叉车作为机动工业车辆的典型机种,结构紧凑,机动性好,广泛用于港口仓库、货场、货舱内堆码、拆垛作业。
良好的机动性能反映了叉车在狭窄通道和场地灵活转弯和作业能力,体现了叉车对作业场所的适应性及对仓库、货场面积的利用率。
与汽车不同,叉车的作业特点是直线行驶较少而转向频率较高。
频繁的转向造成轮胎的寿命大大缩短,因此,叉车整体设计注重转向系统和轮胎的寿命,对降低叉车的使用成本,提高叉车的利用率有着深远的意义。
一般来说,高质量的叉车其优越的性能往往体现在高效率、低成本、高可靠性、人机工效设计好以及服务便利等诸多方面。
本文基于ADAMS虚拟样机技术软件,对42吨集装箱叉车的转向机构进行了建模和运动仿真,测量了叉车转向机构的转角误差。
并建立了该叉车的整车模型,对叉车的转向性能进行了分析。
运用虚拟样机技术,可以大大简化机械产品的设计开发过程,大幅度缩短产品开发周期和降低开发费用,提高产品的系统级性能,获得最优化和创新的设计产品。
ADAMS是目前著名的虚拟样机分析软件。
运用ADAMS软件,用户可以很方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。
这里阐述了虚拟样机技术的概念、体系结构和关键技术,对ADAMS软件及应用步骤进行了介绍。
并介绍了42吨集装箱叉车转向机构的六连杆机构。
1.2虚拟样机技术
机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术,是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来一项计算机辅助工程(CAE)技术。
工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各种动态性能分析,然后改进样机设计方案,用数字化形式代替传统的物理样机。
运用虚拟样机技术,可以大大简化机械产品的设计开发过程,大幅度缩短产品开发周期,大量减少产品开发费用和成本,明显提高产品质量,提高产品的系统级性能,获得最优化和创新的设计产品。
因此,该技术一出现,立即受到了工业发达国家、有关机构和大学、公司的极大重视,许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中,取得了很好的经济效益。
1.2.1虚拟样机技术
目前对于虚拟样机的概念还没有一种通用精确的定义,针对不同的研究领域,有不同的定义方法。
从计算机图形学的角度出发,FanDai等人将虚拟样机定义为一种快速评价不同的物理产品设计的方法。
通过将虚拟现实技术(VR)、计算机仿真技术和CAD技术相结合,建立起一个物理造型的数字原型。
产品设计人员可以通过具有高度沉浸感的虚拟现实用户接口灵活的操纵、控制和修改该原型,并支持设计数据的重用和仿真分析[1]。
从机械工程研究领域的角度出发,EdP.Ander等人认为虚拟样机是一种针对测试的对象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真过程,基于虚拟样机技术建立的工程化制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械,物理,外观和功能特性的有关信息。
MitchelM.Tseng等人将虚拟样机定义为取代实际产品模型的一种数学模型,通过它可以对实际的物理产品进行几何、功能等方面的建模和分析。
Bloor等人则认为虚拟样机是将目前;CAD、CAE等CAx技术结合在一起的一种集成技术,虚拟样机技术贯穿于产品生命周期的全过程。
他认为虚拟样机模型包含了分布式的产品数据信息,由于虚拟样机模型强调集成性,因此必须提供一个标准的信息建模和数据交换方法。
建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室(DMSO)的定义。
DMSO将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真;而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机,对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。
美国国防部采办委员会将虚拟样机定义为一个系统,该系统在仿真进行过程中可以和其它虚拟环境间进行交互[2]。
1.2.2虚拟产品的开发流程
虚拟产品开发最主要的特征是产品开发过程的数字化,它彻底地改变了传统的产品开发流程;不仅如此,数字化设计还贯穿于产品全生命周期。
产品全生命周期包括一系列不同的阶段,如图1.1所示。
数字化设计主要用于产品开发,包括产品规划、产品设计(包括初步设计和详细设计)和产品试验这三个阶段,并且是一个循环反复的过程。
同时,数字化模型不只是限于存在于产品开发阶段,还根据不同的需要存在于后续的产品制造、产品销售、产品使用等过程。
图1.1产品全生命周期
Fig1.1ProductLifeCycle
比照产品全生命周期阶段图,可以对虚拟产品开发和传统产品开发的流程进行比较,如图1.2所示。
图1.2虚拟产品开发与传统产品开发流程比较
Fig1.2Virtualproductdevelopmentcomparedwiththetraditionalproductdevelopmentprocess
传统产品开发,在概念设计(产品规划)之后,是一个产品设计—样机建造—测试评估—反馈设计的循环反复过程,这其中的每一次循环,都伴随有物理样机的建造或修改,随之而来的产品开发周期的延长和开发成本的增长。
虚拟产品开发,将传统的产品设计—样机建造—测试评估—反馈设计的循环过程采用虚拟样机技术,以数字化方式进行,避免了物理样机的建造,不仅利于缩短产品开发周期和降低产品开发成本,而且数字化方式采用利于协同工作的进行,数字化模型的应用使得产品全生命周期的统一成为可能。
由如图1.2所示的虚拟产品开发流程可以看到,在虚拟产品开发过程中,起到核心作用的是虚拟样机(VirtualPrototype),它统一了产品开发过程中的产品设计—样机建造—测试评估过程。
在这里要指出的是,虚拟样机(VirtualPrototype)和虚拟样机技术(VirtualPrototyping)是相近的两个概念,但有所区别,虚拟样机侧重于产品的数字化模型,指对一个与物理样机具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真;而虚拟样机技术则侧重于虚拟样机的应用,指使用虚拟样机来代替物理样机对候选设计方案的某方面或综合的特性进行仿真测试和评估的过程。
虚拟样机的开发和实施涉及许多关键技术和相关的领域,主要包括:
系统总体技术、建模/仿真技术、虚拟现实(VR)技术、产品建模技术、模型VV&A(校验、验证和确认)技术和支撑平台/框架技术。
虚拟样机技术的核心是工程设计技术、建模/仿真技术和虚拟现实/VR技术。
虚拟样机的技术基础,主要包括五个方面:
即几何建模、多物理场仿真、系统动力学仿真、控制系统仿真和样机测试。
在几何建模中,模型主要是二维图形、三维线框和三维实体造型。
几何建模技术还包括虚拟样机的体系结构转换技术,是指不同格式的几何模型间的无损变换;几何模型的渲染技术,主要有表面纹理修饰和光照技术;几何模型的操纵技术,涉及模型的立体显示、消隐、透明等。
多物理场仿真主要是对虚拟样机进行多种物理场的有限元分析,包括温度场、流场、电磁场、多场耦合、结构应力分析等。
系统动力学仿真主要是对多学科(诸如机械、热能)动力学仿真。
控制系统仿真主要是对复杂物理系统进行数学建模和仿真模拟。
至于高质量的产品开发仍然不能完全离开物理样机的实验,虚拟样机减少了实验的成本和次数,但仍需要物理实验的验证。
1.3ADAMS软件的介绍
1.3.1ADAMS软件的概述
ADAMS软件,即机械系统动力学自动分析软件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems),是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的虚拟样机分析软件。
目前,ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。
根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料,ADAMS软件销售总额近8千万美元、占据了51%的份额。
ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
ADAMS软件的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等。
ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。
另一方面,又是虚拟样机分析开发工具,其开放性的程序结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。
ADAMS软件有两种操作系统的版本:
UNIX版和WindowsNT/2000版。
本书将以Windows2000版的ADAMSl2.0为蓝本。
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1-1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。
表1.1ADAMS软件模块
Tabl1.1ADAMSsoftwaremodules
基本模块
用户界面模块
ADAMS/View
求解器模块
ADAMS/Solver
后处理模块
ADAMS/PostProcessor
扩展模块
液压系统模块
ADAMS/Hydraulics
振动分析模块
ADAMS/Vibration
线性化分析模块
ADAMS/Linear
高速动画模块
ADAMS/Animation
试验设计与分析模块
ADAMS/Insight
耐久性分析模块
ADAMS/Durability
数字化装配回放模块
ADAMS/DMUReplay
接口模块
柔性分析模块
ADAMS/Flex
控制模块
ADAMS/Controls
图形接口模块
ADAMS/Exchange
CATIA专业接口模块
CAT/ADAMS
Pro/E接口模块
Mechanical/Pro
专业领域模块
轿车模块
ADAMS/Car
悬架设计软件包
SuspensionDesign
概念化悬架模块
CSM
驾驶员模块
ADAMS/Driver
动力传动系统模块
ADAMS/Driveline
轮胎模块
ADAMS/Tire
柔性环轮胎模块
FTireModule
柔性体生成器模块
ADAMS/FBG
经验动力学模型
EDM
发动机设计模块
ADAMS/Engine
配气机构模块
ADAMS/EngineValvetrain
正时链模块
ADAMS/EngineChain
附件驱动模块
AccessoryDriveModule
铁路车辆模块
ADAMS/Rail
FORD汽车公司专用汽车模块
ADAMS/Pre(现改名为Chassis)
工具箱
软件开发工具包
ADAMS/SDK
虚拟试验工具箱
VirtualTestLab
虚拟试验模态分析工具箱
VirtualExperimentModalAnalysis
钢板弹簧工具箱
LeafspringToolkit
飞机起落架工具箱
ADAMS/LandingGear
履带/轮胎式车辆工具箱
Tracked/WheeledVehicle
齿轮传动工具箱
ADAMS/GearTool
1.3.2ADAMS软件基本模块
1)用户界面模块(ADAMS/View)
ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一,采用以用户为中心的交互式图形环境,将图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。
ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作。
采用Parasolid内核进行实体建模,并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库,并且支持布尔运算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。
除此之外,还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力/力矩函数、合力/力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。
自9.0版后,ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和Windows界面(NT系统),从而大大提高了快速建模能力。
在ADAMS/View中,用户利用TABLEEDITOR,可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据,同时还提供了PLOTBROWSER和FUNCTIONBUILDER工具包。
DS(设计研究)、DOE(实验设计)及OPTIMIZE(优化)功能可使用户方便地进行优化工作。
ADAMS/View有自己的高级编程语言,支持命令行输λ命令和C++语言,有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和修改工具包,而且具有在线帮助功能。
ADAMS/View模块界面如图1.3所示。
图1.3ADAMS/View模块
Fig1.3ADAMS/ViewModule
ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口,能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图;具有丰富的二维碰撞副,用户可以对具有摩擦的二维点-曲线、圆-曲线、平面-曲线、以及曲线-曲线、实体-实体等碰撞副自动定义接触力;具有实用的Parasolid输入/输出功能,可以输入CAD中生成的Parasolid文件,也可以把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个Parasolid文件中;具有新型数据库图形显示功能,能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构,选择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据;具有快速绘图功能,绘图速度是原版本的20倍以上;采用合理的数据库导向器,可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性,便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容;具有精确的几何定位功能,可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制对象的位置;多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档;支持lntelWindowsNT平台的快速图形加速卡,确保ADAMS/View的用户可以利用高性能OpenGL图形卡提高软件的性能;命令行可以自动记录各种操作命令,进行自动检查。
2)求解器模块(ADAMS/Solver)
ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一,是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真器。
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工程应用问题。
ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究。
为了进行有限元分析和控制系统研究,用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外,还可要求模块输出用户自己定义的数据。
用户可以通过运动副、运动激励,高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束。
用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力,或施加单点外力。
ADAMS/Solver新版中对校正功能进行了改进,使得积分器能够根据模型的复杂程度自动调整参数,仿真计算速度提高了30%;采用新的S12型积分器(StabilizedIndex2intergrator),能够同时求解运动方程组的位移和速度,显著增强积分器的鲁棒性,提高复杂系统的解算速度;采用适用于柔性单元(梁、衬套、力场、弹簧-阻尼器)的新算法,可提高S12型积分器的求解精度和鲁棒性;可以将样条数据存储成独立文件使之管理更加方便,并且spline语句适用于各种样条数据文件,样条数据文件子程序还支持用户定义的数据格式;具有丰富的约束摩擦特性功能,在Translational,Revolute,Hooks,Cylindrical,Spherical,Universal等约束中可定义各种摩擦特性。
3)后处理模块(ADAMS/Postprocessor)
MDI公司开发的后处理模块ADAMS/Postprocessor,用来处理仿真结果数据、显示仿真动画等。
既可以在ADAMS/View环境中运行,也可脱离该环境独立运行。
如图1.4所示。
ADAMS/Postprocessor的主要特点是,采用快速高质量的动画显示,便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性;使用树状搜索结构,层次清晰,并可快速检索对象;具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能;具有灵活多变的窗口风格,支持多窗口画面分割显示及多页面存储;多视窗动画与曲线结果同步显示,并可录制成电影文件;具有完备的曲线数据统计功能:
如均值、均方根、极值、斜率等;具有丰富的数据处理功能,能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等;为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式;强化了曲线编辑工具栏功能;能支持模态形状动画,模态形状动画可记录的标准图形文件格式有:
*.gif,*.jpg,*.bmp,*.xpm,*.avi等;在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能;可进行几何属性的细
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