ADAMS大作业(反铲挖掘机工作设计与仿真)

ADAMS期末大作业设计题目：挖掘机工作仿真设计者：胡国哲班级：工机四班学号： 20097658指导老师：贾璐2011年12月7日目录1.设计任务 (1)2.四连杆机构的参数化建模与优化设计 (1)2.1启动ADAMS并设置工作环境 (1)2.2创建虚拟样机模型 (1)2.3仿真与测试模型 (3)2.4参数化模型 (4)2.5优化设计 (5)3.建立挖掘机和汽车的虚拟样机模型 (9)3.1基于Pro/E的挖掘机建模 (9)3.2在ADAMS中的建模 (10)3.2.1导入CAD模型 (10)3.2.2创建运动副和驱动 (10)3.2.3定义驱动函数 (12)3.2.4创建路面 (12)3.2.5创建汽车模型 (13)3.2.6创建设计变量、修改motion (13)3.2.7创建对话框 (14)3.2.8添加接触力 (16)3.3交互式仿真 (16)3.4测量仿真结果 (17)4.脚本控制工作仿真 (18)4.1创建传感器 (18)4.2创建仿真脚本 (19)4.3脚本控制仿真 (20)4.4录制动画 (22)1.设计任务本文可分为两部分，第一部分：先对挖掘机工作装置中的铲斗、摇杆、连杆、斗杆组成的四连杆机构进行了参数化建模，并在铲斗油缸的推力一定的情况下，对四连杆机构进行优化设计，以获取挖掘过程中的最大铲斗挖掘力的最大值。

第二部分：通过前一步的优化设计，设计出铲斗挖掘力为最大值时的四连杆机构各个杆的长度，再在Pro/E里面建立四连杆机构和挖掘机整体模型，再导入到ADAMS里面进行挖掘工况的动力学仿真分析，并模拟真实情况进行挖掘机行走和装载物料。

2.四连杆机构的参数化建模与优化设计2.1启动ADAMS并设置工作环境打开ADAMS/View，定义Model name为siliangan，按下图参数设置工作环境。

图2-1 工作环境的设置2.2创建虚拟样机模型在大地上创建4个结构点POINT_1，POINT_2，POINT_3，POINT_4，如图2-2所示。

坐标值如图中Table Editor for Points on siliangan窗口所示。

图2-2 结构点的创建在POINT_1和POINT_2之间创建铲斗部分，在POINT_2和POINT_3之间创建连杆，在POINT_3和POINT_4之间创建摇杆，在POINT_4和POINT_1之间创建斗杆部分，如图2-3所示，最后在斗杆的左端点和POINT_3之间创建铲斗油缸，铲斗油缸由活塞和缸筒组成。

图2-3 四连杆机构模型创建转动副，如图2-4所示创建5个转动副。

其中：JOINT_1在铲斗和连杆之间，位于POINT_2处；JOINT_2在摇杆和连杆之间，位于POINT_3处；JOINT_3在摇杆和活塞之间，位于POINT_3处；JOINT_4在摇杆和斗杆之间，位于POINT_4处；JOINT_5在斗杆和铲斗之间，位于POINT_1处；JOINT_6在油缸和斗杆之间，位于斗杆端点处。

创建移动副，JOINT_7在油缸缸体和活塞之间，位于缸筒质心处。

创建固定副，JOINT_8在斗杆和大地之间，位于斗杆质心处。

图2-4 运动副的创建创建弹簧，用其拉力来模拟实际机构中铲斗挖掘力，如图2-5所示。

其中K 设置为100N/mm，C设置为0，在大地上的(1400,0,0)点和PART_2上的MARKER_4点之间创建弹簧。

图2-5 弹簧的创建施加作用力，在铲斗油缸的活塞上施加一个约为160KN的推力，选择活塞PART_7，单击活塞质心坐标点，然后右击鼠标，选择PART_7.cm.Z，方向沿活塞轴线方向，如图2-6所示。

图2-6作用力的创建2.3仿真与测试模型按图2-7所示参数对模型进行仿真。

图2-7 模型的仿真测量弹簧力，测量结果显示弹簧在做简谐运动，如图2-8所示。

图2-8 弹簧力的测量结果测量角度，创建一个角度的测量MEA_ANGLE_1，测量活塞与摇杆的夹角。

图2-9 角度的测量结果创建传感器，用于感知摇杆和活塞的夹角角度，当测量角度(MEA_ANGLE_1)值小于或等于90度时（此时铲斗挖掘力即弹簧拉力和活塞推力平衡，铲斗获得最大挖掘力，也即弹簧所受的拉力），系统停止仿真。

图2-10 传感器的创建再对模型进行仿真，从仿真结果可以看出，当夹角为90度时，弹簧力的值刚好在平衡点附近，即此时活塞推力和弹簧力相互平衡，这与前面推力和K的设置是密不可分的。

图2-11 模型的仿真结果2.4参数化模型图2-12 设计变量的创建按以上方法创建POINT_2、POINT_3、POINT_4的横纵坐标为变量，并按以下方法改变设计变量的变化范围。

图2-13 设计变量的列表2.5优化设计分析设计变量对弹簧力的影响度，按照图2-14的方法依次对设计变量DV_1~DV_6进行分析，最后结果汇总于表2-1中。

图2-14 设计评估分析中弹簧力、测量角度的变化曲线，最小弹簧力相对设计变量的变化曲线如下：图2-15 弹簧力在各分析次数下的变化图2-16 测量角度在各分析次数下的变化图2-17 最小弹簧力对应设计变量DV_1的变化图2-18 分析报告从表2-1中可以看出，设计变量DV_3、DV_4、DV_5的影响度最大，所以选择这三个变量作为优化的设计变量。

优化的目标是获得最小弹簧力，即绝对值最大，最后优化得到的是每次挖掘过程中拉力绝对值最大的弹簧力。

修改优化设计变量的取值范围，如图2-19所示。

图2-19 设计变量的更改图2-20 优化仿真图2-21 弹簧力的变化图2-22 测量角度的变化图2-23 目标函数的变化图2-24 DV_3的变化图2-25 DV_4的变化图2-26 DV_5的变化图2-27 优化分析报告从系统给出的优化结果可以看出，弹簧力绝对值由优化前的49443N变成了50850N，提高了百分之三左右，此时的POINT_3x、POINT_3y、POINT_4x分别为-443.38mm、353.99mm、-206.21mm，保存文件名为siliangan.bin。

3.建立挖掘机和汽车的虚拟样机模型通过前一章节对挖掘机机构中四连杆机构的优化设计，现在根据优化的参数建立模型，挖掘机的其他机构的参数根据实际经验参数和某一具体的挖掘机参数取得。

由于ADAMS的建模能力不是很强，因此先在Pro/E里面建立好挖掘机的整体模型，然后保存为Parasolid.x_t格式，再导入到ADAMS里面进行编辑，包括名称的更改和颜色、材质物性的修改等。

3.1基于Pro/E的挖掘机建模在Pro/E里面建立轮式挖掘机的底盘、悬挂、转向系统等，轮式挖掘机采用四轮驱动，因此有两个差速器，而前轮转向。

最后建立挖掘工作装置，装配成为完整的挖掘机整体，然后保存副本，保存为Parasolid.x_t格式的文件，以方便用ADAMS打开。

如图3-1~3-4所示。

图3-1 轮式挖掘机的行走装置图3-2 差速器图3-3 悬挂系统图3-4 挖掘机整机3.2在ADAMS中的建模3.2.1导入CAD模型将以上建立的模型导入到ADAMS中，再对模型进行修改，之后添加运动副，由于机构繁杂，所需的运动副比较多，所以要注意添加约束副时每个约束副要正确合理，能保证机构的正常运动。

图3-5 导入ADAMS中的模型3.2.2创建运动副和驱动由于运动副较多，并考虑到计算问题，这里添加四个轮子的绕轴转动的万向副，它允许一个物体把旋转运动传递给另一个物体，即传动轴把运动传递给车轮，并且不要求两个物体的旋转轴共线，即在右前轮、左前轮、右后轮、左后轮分别和前后转动轴之间的万向副，分别为：JOINT_1，JOINT_2，JOINT_3，JOINT_4。

再在前后旋转轴和中间的传动轴之间建立锥齿轮副，即汽车的差速器。

整个机构的驱动由中间的传动轴供给，所以在传动轴上添加一个MOTION_1电动机。

在前后悬挂和车架之间创建四个减震弹簧，设定K=4E+007，C=0.6，如图3-6所示。

图3-6 创建底盘的运动副和驱动在ADAMS中对挖掘机工作装置进行仿真时，按以下步骤进行:(1)定义刚体:根据设计意图，将不同的运动部件定义为不同的刚体。

在液压挖掘机工作装置中定义16个刚体:铲斗、连杆、左摇杆、右摇杆、铲斗油缸(1套2个刚体:油缸活塞杆、缸筒)、斗杆、斗杆油缸(1套2个刚体:油缸活塞杆、缸筒)、动臂、动臂油缸(2套4个刚体:油缸活塞杆、缸筒)、回转平台。

(2)创建约束副:根据部件间的运动关系，定义刚体间的约束副。

在挖掘机虚拟样机中有两种运动，即油缸活塞杆与缸筒间的移动及其它各刚体间的转动。

这样就在铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸上各定义了4个移动副，在回转平台与行走机构之间定义1个转动副。

在其他刚体各铰接点位置分别定义了4个转动副、5个圆柱副、7个球形副。

经过样机模型校核，机构的自由度为0，没有多余约束，样机正确。

(3)添加驱动:液压缸产生的力是挖掘机工作装置运动的原动力，而驱动油缸动作是由液压马达、液压泵等一套液压系统完成的。

由于动臂油缸相对于动臂的对称性，故而可以将动臂油缸的驱动定义在一侧油缸上比如左侧动臂油缸。

故在油缸缸筒和油缸活塞杆之间直接添加移动驱动。

共计施加3个移动驱动。

另外，在回转平台与行走机构之间的转动副上施加1个旋转驱动。

(4)模型检验：建成样机模型后，可以通过模型检验工具进行错误检查。

图3-7 创建工作装置的运动副和驱动3.2.3定义驱动函数在油缸移动副约束处添加移动驱动(Translational joint motion)，对于回转旋转副添加转动驱动(Rotational joint motion)，运动方式为位移(displacement)，运动函数输入相应的STEP函数。

各个油缸和旋转驱动的STEP函数的具体设置如下。

工作时间从30s至62s。

定义动臂油缸上的驱动方程STEP函数为:STEP( time , 34 , 0 , 39 , 0.637 )+STEP( time , 44 , 0 , 48 , -0.637 ) 定义斗杆油缸上的驱动方程STEP函数为:STEP( time , 30 , 0 , 33 , -0.34 )+STEP( time , 39 , 0 , 44 , 0.34 ) 定义铲斗油缸上的驱动方程STEP函数为:STEP( time , 30 , 0 , 34 , -0.562 )+STEP( time , 39 , 0 , 44 , 0.525 )+STEP( time , 54 , 0 , 58 , -0.525 )定义回转油缸上的驱动方程STEP函数为:STEP( time , 48 , 0 , 54 , 90d )+STEP( time , 58 , 0 , 62 , -90d ) 在传动轴旋转副约束处添加转动驱动(Rotational joint motion)，运动方式为速度(velocity)，输入100deg/s，即为传动轴转速，通过差速器传递给车轮。