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第1篇

（①中國75240部隊(duì)，潮州 521000；②中國65370部隊(duì)，長春 130000；

③中國93593部隊(duì)，三河 065200）

（①Unit 75240 of PLA，Chaozhou 521000，China；②Unit 65370 of PLA，Changchun 130000，China；

③Unit 93593 of PLA，Sanhe 065200，China）

摘要： 為有效解決虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)通用、共享和跨平臺重用的問題，借鑒IETM的S1000D標(biāo)準(zhǔn)以數(shù)據(jù)模塊方式組織數(shù)據(jù)這一思想，構(gòu)建了基于IETM虛擬維修數(shù)據(jù)模型。經(jīng)應(yīng)用證明，基于IETM的虛擬維修數(shù)據(jù)模型有利于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)文檔。

Abstract： To provide effective support for currency, communion and transplantation of Virtual Maintenance Training System, the Virtual Maintenance Data Model was designed based on Interactive Electronic Technology Manual. According to the data module of S1000D, the data model was built. The application showed that the model was useful for data standardization and technology document publishing of the Virtual Maintenance Training System.

關(guān)鍵詞 ： 虛擬維修數(shù)據(jù)模型；交互式電子技術(shù)手冊；維修過程

Key words： Virtual Maintenance Data Model；Interactive Electronic Technology Manual；maintenance process

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）34-0230-02

作者簡介：石永亮（1986-），男，陜西寶雞人，助理工程師，主要研究方向?yàn)檠b備虛擬維修。

0 引言

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)與交互式電子技術(shù)手冊（Interactive Electronic Technology Manual, IETM）在裝備知識與維修素材等數(shù)據(jù)方面基本一致。

本文主要研究如何借鑒IETM的S1000D標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)虛擬維修數(shù)據(jù)模型（Virtual Maintenance Data Model, VMDM），解決虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中數(shù)據(jù)重用和共享問題。

1 IETM簡介

IETM的概念最先是由美軍提出來的，其定義是從事武器裝備系統(tǒng)的故障診斷和維護(hù)保障工作所需要的一組信息包，其中的信息內(nèi)容和格式均以最優(yōu)方式進(jìn)行了組織和編排，以便于最終用戶通過數(shù)字屏幕以交互方式使用。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)屬美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-87269和歐洲標(biāo)準(zhǔn)ASD S1000D。

2 基于IETM的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)

S1000D作為IETM在裝備全生命周期保障方面的重要標(biāo)準(zhǔn)，在其標(biāo)準(zhǔn)下制作的交互式電子技術(shù)手冊可以存儲大量的裝備保障數(shù)據(jù)，不僅包括文本、圖標(biāo)、圖片信息，還包括視頻、音頻等多媒體信息，以及和用戶進(jìn)行交互的信息。因此借鑒IETM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)S1000D設(shè)計(jì)VMDM層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括了虛擬維修訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)、虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)和工具設(shè)備數(shù)據(jù)。

2.1 維修過程VMDM 過程VMDM設(shè)計(jì)如圖2所示，數(shù)據(jù)標(biāo)記的具體含義以及其所包含內(nèi)容的定義如下。

2.1.1 procedural元素 procedural元素是描述整個虛擬維修訓(xùn)練過程的根元素，由若干個嵌套的子元素和相應(yīng)的屬性構(gòu)成，具有的屬性包括維修過程起始步驟編號startId、用來判斷維修過程是否結(jié)束的步驟編號endId、進(jìn)行本次維修訓(xùn)練的維修操作人員姓名的operatorName以及維修人員編號operatorId，同時描述人員所應(yīng)該具有的維修水平、技能skillLevel。

2.1.2 step元素 step是具體維修訓(xùn)練步驟元素，是可以重復(fù)、并列的元素，它有四個屬性值：partStateType屬性表示樣機(jī)對象子單元的運(yùn)動屬性，主要包括平移運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和復(fù)合運(yùn)動三種；stepId表示維修過程中的當(dāng)前維修步驟編號；name表示當(dāng)前維修操作的名稱；partname表示本次維修操作的樣機(jī)對象單元名稱，該名稱與虛擬維修樣機(jī)模型中對該部件的命名一致。

2.2 工具/設(shè)備VMDM 工具/設(shè)備模型設(shè)計(jì)如3所示，數(shù)據(jù)標(biāo)記的具體含義以及其所包含內(nèi)容的定義如下。

2.2.1 tool_Equipments tool_Equipments元素是工具/設(shè)備數(shù)據(jù)模型的根元素。

2.2.2 toolList toolList元素用來描述工具/設(shè)備，是可以重復(fù)的、并列出現(xiàn)的非空元素，具有三個屬性值和一個元素：toolpackageName描述專用工具包的名稱；toolname屬性值為工具設(shè)備的名稱；toolId屬性值為工具/設(shè)備型號編碼；pic元素描述設(shè)備工具的名稱、型號、在工具欄中的布局以及二維圖標(biāo)文件的存儲路徑等。

2.3 虛擬樣機(jī)VMDM 虛擬樣機(jī)，根據(jù)運(yùn)動方式，分為平移運(yùn)動樣機(jī)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動樣機(jī)和復(fù)合運(yùn)動（旋轉(zhuǎn)＋平移）樣機(jī)。本文以復(fù)合運(yùn)動樣機(jī)為例，進(jìn)行介紹。

復(fù)合運(yùn)動樣機(jī)單元VMDM設(shè)計(jì)如圖4所示。

transRotate元素是描述復(fù)合運(yùn)動樣機(jī)單元對象信息的根元素，由若干嵌套的Parts子元素構(gòu)成。Parts元素是可重復(fù)、并列出現(xiàn)的非空元素，具有以下屬性：①ID屬性。②PartID屬性。③partname屬性，為相對應(yīng)樣機(jī)單元漢語名稱。相關(guān)子元素有endXposition元素、endYposition元素、endZposition元素、attributeToObject以及attachToObject描述的內(nèi)容與平移樣機(jī)信息單元模型中所提及元素的內(nèi)容相同、類型相同。AxisRotate元素、rotateDegree元素，與旋轉(zhuǎn)類平移樣機(jī)信息單元模型中所提及的內(nèi)容相同、類型相同。transScale元素描述虛擬維修樣機(jī)單元在復(fù)合運(yùn)動過程中平移段的步長。rotateScale元素描述在復(fù)合運(yùn)動過程中的旋轉(zhuǎn)平移段的步長。length元素描述典型對象單元如螺釘?shù)拈L度，proportion元素描述旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與位移的比例關(guān)系。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

某型復(fù)雜裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，基于上述方法建立VMDM，如圖5所示，編輯完成的系統(tǒng)能夠進(jìn)行，使得系統(tǒng)的推廣使用變得更為方便。

4 結(jié)束語

本文參考IETM的S1000D標(biāo)準(zhǔn)對于內(nèi)容數(shù)據(jù)模型的組織方法，設(shè)計(jì)了基于IETM的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架以及虛擬維修數(shù)據(jù)模型，并利用XML Schema設(shè)計(jì)了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，包括維修訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)模型、工具/設(shè)備數(shù)據(jù)模型、以及樣機(jī)對象單元數(shù)據(jù)模型，并分析了模型中各個元素及屬性的具體描述含義，最后進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

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第2篇

關(guān)鍵詞：Adams； 機(jī)構(gòu)學(xué)； 機(jī)械原理； 虛擬樣機(jī)

中圖分類號：G424.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

虛擬樣機(jī)技術(shù)以其高效率和低成本，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用.通過對機(jī)械產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)建模和仿真分析，可以快速、準(zhǔn)確地獲取機(jī)械產(chǎn)品的性能，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)并評價設(shè)計(jì)結(jié)果[1].作為目前世界領(lǐng)先的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件，Adams以其公認(rèn)的優(yōu)越性被越來越多的工程技術(shù)人員和科研人員所應(yīng)用，在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.

筆者多年來一直探索如何使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中了解和掌握Adams這一先進(jìn)軟件.在“機(jī)械原理”課程[2]的教學(xué)中，已有一些教師進(jìn)行有益的探索——將Adams用于機(jī)構(gòu)分析[3-6]，獲得良好的效果.在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”課程中，有些教師也將Adams應(yīng)用其中——學(xué)生在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案時，應(yīng)用Adams對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[7-9].這些嘗試為“機(jī)械原理”課程注入新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，加深學(xué)生對機(jī)構(gòu)學(xué)知識的理解.但總體來看，這些嘗試還停留在個別教師的教學(xué)改革試點(diǎn)層次，缺少Adams與課程內(nèi)容融合的整體規(guī)劃和實(shí)施方案.本文從本科生課程和研究生課程2個方面介紹北航在Adams教學(xué)中的一些嘗試.

1Adams在本科生教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)械原理課程的研究對象為機(jī)器和機(jī)構(gòu)，如何在課堂上將機(jī)器和機(jī)構(gòu)運(yùn)動起來，成為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和扎實(shí)掌握相關(guān)理論的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的教學(xué)方法只能依靠教師的講解，將靜止的機(jī)器和機(jī)構(gòu)“動”起來，不直觀；一些設(shè)計(jì)分析結(jié)果也無法實(shí)際展示和驗(yàn)證，在很大程度上影響學(xué)生對問題的理解和對知識的掌握；此外，雖然學(xué)生學(xué)習(xí)很多的經(jīng)典理論，但在工作不會應(yīng)用，導(dǎo)致理論與應(yīng)用脫節(jié).

為此，自2003年以來，北航機(jī)械原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)以Adams為平臺，將虛擬樣機(jī)技術(shù)與課程的機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，不僅使靜止的機(jī)構(gòu)圖形運(yùn)動起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對問題的深刻理解，而且使學(xué)生初步掌握虛擬樣機(jī)這一先進(jìn)技術(shù)，為持續(xù)、快速地進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與分析奠定基礎(chǔ).在課堂教學(xué)過程中，以教師為主導(dǎo)，通過虛擬樣機(jī)的建立和仿真，對涉及的機(jī)構(gòu)學(xué)問題給予直觀、生動的詮釋.學(xué)生則利用課余時間，通過上機(jī)練習(xí)來熟悉和掌握虛擬樣機(jī)技術(shù).

1.1課堂教學(xué)

3結(jié)束語

探索和總結(jié)本科生的“機(jī)械原理”課程與Adams有機(jī)結(jié)合的內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)一步探討在研究生階段開設(shè)針對學(xué)習(xí)Adams的“產(chǎn)品設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)成果等.在高校開展Adams的學(xué)習(xí)和應(yīng)用教學(xué)，雖然取得一定的成果，但總體來看，仍處于探索階段，希望通過同行的共同努力，在相關(guān)行業(yè)的支持下，不斷地深入和推廣下去.

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第3篇

Abstract: In the actual use of artillery, due to the limitations of testing means and ball firing is dangerous, we can not make a good judge on the working condition of reverse recoil device. This paper takes the virtual prototyping technology as the studying means to evaluate the work performance of the reverse recoil device of artillery, to test the credibility of the virtual prototype through the simulation results.

關(guān)鍵詞：某型火炮；虛擬樣機(jī)；建立；可信性驗(yàn)證

Key words: a certain type of artillery；virtual prototype；establish；verification of the credibility

中圖分類號：E2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-4311（2010）35-0036-02

0引言

火炮的反后坐裝置被稱為火炮的“心臟”，目前火炮在實(shí)際使用過程中，由于測試手段的局限性，而且進(jìn)行實(shí)彈射擊危險性較大，不能很好的判斷反后坐裝置工作是否正常。我們利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對火炮反后坐裝置的工作性能進(jìn)行評估，通過仿真試驗(yàn)結(jié)果，來檢驗(yàn)虛擬樣機(jī)的可信性。

1虛擬樣機(jī)的建立過程

我們在Pro/E的環(huán)境中按照火炮各體的實(shí)際尺寸和動力學(xué)特性進(jìn)行實(shí)體建模。對組成火炮系統(tǒng)的各體施加約束力。在此基礎(chǔ)上，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成ADAMS環(huán)境下的具有動力學(xué)參數(shù)的實(shí)體模型[1,2]。Pro/ENGINEER是由美國PTC（參數(shù)技術(shù)）公司研發(fā)的的三維建模軟件廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、家電、玩具等行業(yè)，是一個全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件[3]。ADAMS是一個動力學(xué)分析軟件，它能更好地解決復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)參數(shù)[4,5]，按照美國MDI公司開發(fā)的通用動力學(xué)仿真軟件ADAMS和美國PTC公司的CAD軟件Pro/E作為基本建模工具，兩者之間的接口采用MDI公司開發(fā)的ADAMS與專用接口模塊Mechanism/Pro（簡記為M/Pro）建模的過程如圖1。

本系統(tǒng)需要運(yùn)用ADAMS作為輔助，結(jié)合Fortran語言編制仿真模型的用戶自定義程序。在ADAMS環(huán)境下獲得可以仿真火炮動態(tài)特性的虛擬樣機(jī)模型。具體模型如（圖2、3、4）：

2虛擬樣機(jī)可信性驗(yàn)證

由于火炮實(shí)彈射擊試驗(yàn)具有一定的危險性，因此需要專門的試驗(yàn)場地和多方面的人力保障，而且在試驗(yàn)過程中需要通過特殊的測試手段、運(yùn)用專門的儀器設(shè)備才能對火炮的各種參數(shù)進(jìn)行測試，以致于試驗(yàn)成本較高。建立火炮虛擬樣機(jī)的過程，是一個不斷建模――驗(yàn)?zāi)（D―再建模的過程，對于任何仿真試驗(yàn)結(jié)果都應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以檢驗(yàn)其仿真結(jié)果的可信度。由于受經(jīng)費(fèi)、場地和測試手段等諸多因素的制約，我們選用某型火炮的定型試驗(yàn)報(bào)告提供的火炮測試參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖表曲線，來考核和檢驗(yàn)虛擬樣機(jī)仿真輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。火炮進(jìn)行定型試驗(yàn)是為了全面檢驗(yàn)和考核火炮的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)和安全性，通常要對火炮射擊時的各主要狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行綜合性測試，而且為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通常對火炮某一測試項(xiàng)目要進(jìn)行多次試驗(yàn)反復(fù)測試，所以試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)既有單發(fā)射擊的圖表曲線，又有多發(fā)射擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，因此運(yùn)用火炮設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果可以對所建立的火炮虛擬樣機(jī)進(jìn)行更充分、更全面的考核和驗(yàn)證。

現(xiàn)代火炮采用了反后坐裝置后，其炮身通過反后坐裝置（駐退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)）與炮架彈性相連，火藥氣體作用于炮身產(chǎn)生的腔內(nèi)壓力Pp t通過駐退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)進(jìn)行緩沖，因此炮架的受力由原來的炮膛合力Pp t變?yōu)榉春笞b置提供的后坐阻力R。實(shí)踐證明反后坐裝置的應(yīng)用使得炮架實(shí)際受力僅為炮膛合力最大值Pptm的幾十分之一。反后坐裝置的作用如此重要而常常被稱為火炮的“心臟”，為此反后坐裝置內(nèi)的各相關(guān)動態(tài)參數(shù)已成為衡量火炮動態(tài)性能的重要指標(biāo)。通常火炮的分析計(jì)算和試驗(yàn)測試也都重點(diǎn)考核這些指標(biāo)參數(shù)，所以本文也以這些指標(biāo)來考核虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性。

2.1 反后坐裝置的作用①可以極大地減小火炮射擊時的受力；②將全炮的后坐運(yùn)動變?yōu)榭煽刂频呐谏硌嘏谏磔S線的后坐運(yùn)動，并使其射擊后自動恢復(fù)到射前位置。

2.2 反后坐裝置的動作原理火炮射擊時，后坐部分的后坐阻力主要由反后坐裝置所提供。反后坐裝置不同于一般的緩沖阻尼器系統(tǒng)，它實(shí)際上是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緩沖阻尼裝置，通過改變流液漏口的面積改變后坐阻力，使其滿足一定規(guī)律而達(dá)到有效控制后坐運(yùn)動和受力的目的。后坐開始時，駐退機(jī)內(nèi)液體在工作腔分流為兩股液流，一股經(jīng)節(jié)制桿與節(jié)制環(huán)之間的環(huán)形漏口流向非工作腔，另一股由駐退桿內(nèi)壁與節(jié)制桿之間的環(huán)形通道，經(jīng)調(diào)速筒流入內(nèi)腔。由于駐退桿不斷抽出，駐退機(jī)外腔的液流在活塞壓強(qiáng)作用下分別流向駐退機(jī)非工作腔和內(nèi)腔。為保證火炮在整個后坐行程上全程制動，駐退機(jī)內(nèi)腔始終充滿液體，其壓強(qiáng)p2>0。在對駐退機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測試時，主要測試駐退桿外腔和內(nèi)腔的壓強(qiáng)，針對復(fù)進(jìn)機(jī)的測試也主要測試其腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)。

后坐部分復(fù)進(jìn)時，駐退機(jī)內(nèi)腔壓強(qiáng)p2>0，內(nèi)腔液體在其作用下流回外腔。由于真空的存在，駐退機(jī)非工作腔在復(fù)進(jìn)開始一段距離內(nèi)壓強(qiáng)為零，只有內(nèi)腔液體存在壓強(qiáng)，復(fù)進(jìn)時駐退機(jī)內(nèi)腔的壓強(qiáng)對反后坐裝置的影響也很大，在試驗(yàn)鑒定時也作為一個測試項(xiàng)目。復(fù)進(jìn)機(jī)的作用是在后坐過程中提供后坐阻力和在復(fù)進(jìn)過程中提供復(fù)進(jìn)動力。在后坐開始時，復(fù)進(jìn)機(jī)腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)不為零，之后隨后坐行程增加而逐漸增大，至后坐終止時腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到最大，在復(fù)進(jìn)時其腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)與后坐時一致。因此，測試復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體壓強(qiáng)時只對后坐時的情況進(jìn)行測試。

2.3 虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)的可信性分析反后坐裝置使火炮由剛性后坐變?yōu)閺椥院笞①A存后坐能量，使后坐部分在后坐終止后可以轉(zhuǎn)為復(fù)進(jìn)。反后坐裝置之所以稱為“火炮的心臟”，是由于該裝置的可靠性將直接影響整個火炮工作性能，甚至使整個火炮喪失工作能力。因此，在火炮設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)時，將反后坐裝置作為試驗(yàn)測試的重點(diǎn)，針對反后坐裝置的測試項(xiàng)目，主要包括駐退機(jī)內(nèi)外腔壓強(qiáng)、復(fù)進(jìn)機(jī)腔內(nèi)壓強(qiáng)、后坐速度和復(fù)進(jìn)速度等，進(jìn)而通過求得最大后坐阻力，來檢驗(yàn)反后坐裝置的功能是否滿足給定的指標(biāo)要求。綜上所述，利用定型試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所建火炮虛擬樣機(jī)的真實(shí)性是可行的。

2.4 虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)與定型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比本文選擇對某型火炮的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，各項(xiàng)目的試驗(yàn)測試曲線如圖5所示，其中：p1為后坐時駐退機(jī)外腔壓強(qiáng)；p2為后坐時駐退機(jī)內(nèi)腔壓強(qiáng)；p′2為復(fù)進(jìn)時駐退機(jī)內(nèi)腔壓強(qiáng)；v為后坐速度；v′為復(fù)進(jìn)速度；pΠ為后坐時復(fù)進(jìn)機(jī)腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)；R為后坐阻力；t為后坐時間；t′復(fù)進(jìn)時間。本文選擇與定型試驗(yàn)一致的試驗(yàn)條件，充分利用并對照定型試驗(yàn)的測試項(xiàng)目，對各測試項(xiàng)目進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真。火炮射擊初始條件為0°射角、全裝藥、底盤著地射擊，駐退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)中的有關(guān)數(shù)據(jù)來源于火炮設(shè)計(jì)說明書，各結(jié)構(gòu)尺寸存在一定公差范圍，本文均采用其標(biāo)稱尺寸。

2.5 由數(shù)據(jù)對比表得出結(jié)論

2.5.1 復(fù)進(jìn)機(jī)壓強(qiáng)是后坐位移的函數(shù)，其值基本與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符；

2.5.2 后坐和復(fù)進(jìn)速度、后坐阻力值及變化趨勢與仿真曲線基本相符；

2.5.3 對于后坐時內(nèi)腔的壓強(qiáng)，利用伯努利方程可以求得內(nèi)、外腔壓強(qiáng)和液體流速的關(guān)系：p1-p2V（1）

其中，p1為外腔壓強(qiáng)，p2為內(nèi)腔壓強(qiáng)，其它符號含義見文獻(xiàn)[6]。

由式（1）可知，駐退機(jī)內(nèi)腔壓強(qiáng)與外腔壓強(qiáng)的基本趨勢一致，隨著后坐速度降低，二者壓強(qiáng)差別逐漸變小。

2.5.4 駐退機(jī)的內(nèi)、外腔壓強(qiáng)在出現(xiàn)峰值的時機(jī)與仿真數(shù)據(jù)曲線有所不同，導(dǎo)致結(jié)果不同的原因可能是在虛擬樣機(jī)仿真時，雖然我們在制作各部件的時候采用的尺寸數(shù)據(jù)為標(biāo)稱值，但是實(shí)際加工的部件存在一定的誤差，從數(shù)據(jù)結(jié)果看，制作的節(jié)制桿直徑有一定誤差，導(dǎo)致流液口面積的變化。對于復(fù)進(jìn)時內(nèi)腔的壓強(qiáng)，真空消失過程不是一個突變的過程，而是一個漸近的過程，因此在非工作腔產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)，然而理論上認(rèn)為復(fù)進(jìn)真空消失之前，非工作腔不提供壓強(qiáng)，從而導(dǎo)致在復(fù)進(jìn)開始段仿真得到的壓強(qiáng)值稍大。

虛擬樣機(jī)仿真曲線與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)相比雖有一定誤差，但基本與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。宏觀而言，后坐和復(fù)進(jìn)速度的基本趨勢與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，最大后坐阻力基本規(guī)律一致，說明了所建虛擬樣機(jī)的正確性，利用該虛擬樣機(jī)對火炮宏觀動力學(xué)特性進(jìn)行研究是可信的，所建虛擬樣機(jī)模型是滿足工程上應(yīng)用的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]杜中華，薛德慶，趙迎紅．Pro/E和ADAMS傳遞過程中若干問題的討論[J]．機(jī)械與電子，2003, (2): 68-70.

[3]劉竹清．Pro/E Wildfire入門與提高實(shí)用教程[M]．北京：中國鐵道出版社，2003.

[4]李軍，邢俊文，覃文潔等．ADAMS實(shí)例教程[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

第4篇

論文摘要:介紹了機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)的軟件及疲勞壽命預(yù)測方法。根據(jù)斷裂力學(xué)理論和虛擬疲勞預(yù)測方法，利用系統(tǒng)動力學(xué)軟件ADAMS模擬42CrMo硬齒面齒輪加工過程，分析了對應(yīng)的疲勞載荷譜，得到了齒輪應(yīng)力壽命S一N曲線。

1、引言

機(jī)械產(chǎn)品全壽命設(shè)計(jì)是衡量產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平先進(jìn)與否的重要指標(biāo)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程迫切需要通過工程分析手段預(yù)測產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性。近年來研究人員試圖將虛擬設(shè)計(jì)思想更多地融人到復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中，借助工程分析軟件對計(jì)算機(jī)中虛擬的產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分布、疲勞壽命和可靠性設(shè)計(jì)等，大大提高了可靠性設(shè)計(jì)水平。

利用國外先進(jìn)有限元軟件豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用項(xiàng)目組成員進(jìn)行的42CrMo硬齒面齒輪的彎曲疲勞可靠性試驗(yàn)及資料，提出該硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)方法，由虛擬零部件疲勞工作的情況快捷地得到應(yīng)力一壽命(S一N)曲線，推知其疲勞壽命大樣本，以供可靠性分析設(shè)計(jì)使用。

2、結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)方法

2.1結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)軟件

進(jìn)行產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)首先需要構(gòu)造產(chǎn)品虛擬樣機(jī)，目前國內(nèi)外比較成熟實(shí)用的樣機(jī)幾何造型CAD軟件有AutoCAD， Pro/E等，同時還有可以進(jìn)行各種系統(tǒng)仿真分析的多體運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)軟件ADAMS， SIMPACK等。

目前國際知名的通用有限元工程分析軟件大多可完成對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析、疲勞壽命測試及壽命概率分析的功能，目前見長的軟件有ANSYS，MSC/Fatigue， MSC/Nastran，考慮虛擬環(huán)境的CFX及FLUENT。近年來，樣機(jī)的運(yùn)動、動力學(xué)及疲勞分析技術(shù)正處于逐漸深人和系統(tǒng)化階段，但有許多重要內(nèi)容要填補(bǔ)，如虛擬環(huán)境的融入、幾何造型、動力學(xué)、疲勞分析技術(shù)的集成及開放式。

2.2疲勞壽命預(yù)測方法

多年來人們發(fā)展了各種疲勞壽命預(yù)測方法，其中名義應(yīng)力壽命法(S-N法)、局部應(yīng)變法(E-N法)與基于斷裂力學(xué)理論的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法，已成為三種經(jīng)典的疲勞壽命預(yù)測方法。

(1)名義應(yīng)力壽命法(S-N法)

名義應(yīng)力壽命法通常稱為總壽命法。該方法用于構(gòu)件總壽命的預(yù)測，是以材料或零部件的疲勞壽命曲線為基礎(chǔ)的。該方法可以考慮構(gòu)件表面加工和表面處理對其疲勞壽命的影響，也可以考慮構(gòu)件焊縫的疲勞壽命，適用于低應(yīng)力高周疲勞問題。

(2)局部應(yīng)變法(E-N法)

局部應(yīng)變壽命法通常稱為裂紋萌生法。該方法用于預(yù)測構(gòu)件的裂紋萌生壽命。它應(yīng)用了材料的“記憶特性”，計(jì)人了名義應(yīng)力無法計(jì)及的載荷循環(huán)順序的影響，使壽命估算結(jié)果更接近實(shí)際情況，適用于高應(yīng)變低周疲勞問題。

(3)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法

基于斷裂力學(xué)理論的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法主要用于預(yù)測構(gòu)件從裂紋產(chǎn)生到發(fā)生破壞的疲勞壽命。該方法結(jié)合模擬材料微觀結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值方法，是數(shù)值模擬斷裂的主要發(fā)展方向之一。

3、在硬齒面齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)用

根據(jù)項(xiàng)目要求對42CrMo材質(zhì)的硬齒面齒輪進(jìn)行了彎曲疲勞可靠性全壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)在機(jī)械部機(jī)械科學(xué)研究院英國產(chǎn)INSTRON1603型電磁諧振疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用4級應(yīng)力水平，即作4組不同應(yīng)力的輪齒全壽命大樣本試驗(yàn)，得到了硬齒面齒輪定壽命下的R-S-N曲線(見圖4中實(shí)線部分)。本文以此試驗(yàn)為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行42CrMo硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，得到了虛擬試驗(yàn)的各應(yīng)力水平下疲勞壽命數(shù)據(jù)，即S-N曲線。

3.1三維幾何造型設(shè)計(jì)

三維CAD軟件為構(gòu)造精準(zhǔn)的零部件虛擬幾何造型設(shè)計(jì)打下軟件基礎(chǔ)。42CrMo硬齒面齒輪是斜齒圓柱齒輪按漸開線形成的，為從齒輪的造型機(jī)理開始就嚴(yán)格遵循漸開線齒面生成和加工機(jī)理，應(yīng)用三維虛擬造型軟件MDI公司的ADAMS能在幾何形體上展成曲面和使曲面扭曲變形的功能，開發(fā)出以法平面標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒形為基準(zhǔn)的斜齒模擬加工過程。

3.2疲勞載荷譜分析

載荷譜是有限壽命設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。因此，掌握載荷譜的變化規(guī)律是進(jìn)行壽命設(shè)計(jì)的先決條件。通常，載荷譜是由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并經(jīng)數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析獲得。現(xiàn)場采集的載荷時間歷程具有很大的隨機(jī)性，并且因現(xiàn)場各種因素如開關(guān)信號、電磁干擾等影響，會造成原始信號記錄失真，出現(xiàn)偽信號。齒輪結(jié)構(gòu)所承受的疲勞載荷，實(shí)際上是一連續(xù)的隨機(jī)過程，借助動力學(xué)分析軟件Adams平臺，可直接給出機(jī)械構(gòu)件在整個裝置工作過程中的疲勞載荷譜F-t曲線(見圖2)，以此作為理論分析和結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3.3有限元分析軟件中的應(yīng)力分析

建立一對輪齒的有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型主要為六節(jié)點(diǎn)五面體單元，單元總數(shù)為63359個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15213個。這樣有利于單元自動生成，有利于提高計(jì)算精度。有限元計(jì)算中，齒輪材料的彈性模量為4. 6 x 107MPa，波松比為0.3。

由有限元法(FEM)分析計(jì)算出隨機(jī)動載荷譜下輪齒在嚙合過程中最大動應(yīng)力齒輪的位置、數(shù)值及周期。

3.4基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋壽命預(yù)測

斷裂力學(xué)是在承認(rèn)裂紋存在的前提下進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算(即微裂紋形成忽略)，失效判據(jù)是裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時發(fā)生疲勞斷裂，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度可用以下關(guān)系表示

對裂紋半長a的積分求出裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命。計(jì)算N時，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅}k、裂紋初始半長a1、裂紋半長極限值a2由式(1)計(jì)出。其中:c為與材料有關(guān)的系數(shù)，a為幾何效應(yīng)因子，山為復(fù)應(yīng)力變化范圍。

3.5虛擬試驗(yàn)結(jié)果分析

以實(shí)作齒輪試驗(yàn)的4級應(yīng)力水平作虛擬疲勞試驗(yàn)，求得各應(yīng)力水平下的疲勞壽命數(shù)據(jù)，這樣可用最小二乘法得出待試驗(yàn)材料齒輪的S一N曲線。

圖4虛線部分為42CrMo材料齒輪采用上述虛擬技術(shù)所作的S一N曲線，試驗(yàn)中取5個壽命水平N= 0.5 x 1護(hù)，1.0 x 1護(hù)，1.5 x 1護(hù)，2.0 x 1護(hù)，2.5 x 1護(hù)的應(yīng)力分布。與圖4中實(shí)線部分的實(shí)作齒輪試驗(yàn)S一N曲線對比可知，虛擬試驗(yàn)得到的S一N曲線與實(shí)際齒輪高可靠度下的S一N曲線比較接近，有一定的參考價值。

4、結(jié)語

(1)采用全壽命成組試驗(yàn)法得到產(chǎn)品的全壽命概率分布依據(jù)的是大樣本試驗(yàn)，因此解決復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用期限內(nèi)無故障的全壽命設(shè)計(jì)具有極高的經(jīng)濟(jì)價值和十分深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。全壽命設(shè)計(jì)已成為衡量一個國家機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平先進(jìn)與否的重要指標(biāo)，只有攻克使零部件全壽命試驗(yàn)與環(huán)境相容這一難題，才能更好地發(fā)揮全壽命設(shè)計(jì)對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)作用，迅速把我國的可靠性設(shè)計(jì)水平提高到主動可靠性設(shè)計(jì)的國際前沿水平。

第5篇

    車輛模擬器具有工況設(shè)置方便、試驗(yàn)重復(fù)性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn),在駕駛培訓(xùn)、車輛新產(chǎn)品的研究和開發(fā)、人—車—環(huán)境試驗(yàn)中有著重要作用,良好的車輛運(yùn)動模擬技術(shù)是車輛模擬器質(zhì)量的保障。本文以“車輛人—機(jī)—環(huán)境模擬器”項(xiàng)目為依托,圍繞車輛模擬器運(yùn)動模擬技術(shù)中三維虛擬道路建模、車輛動力學(xué)建模與仿真、動感模擬算法等展開研究。提出了隨機(jī)激勵路面輪廓三維高程數(shù)據(jù)生成方法;對Vortex車輛動力學(xué)建模特別是車輛懸架參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行闡述,并給出了車輛動力學(xué)仿真的實(shí)例;提出了基于六自由度平臺桿長的模糊自適應(yīng)動感模擬算法,最后建立了車輛動力學(xué)、動感模擬算法與六自由度平臺虛擬樣機(jī)組成的車輛模擬器開發(fā)綜合仿真平臺。 論文闡述了項(xiàng)目中車輛模擬器的組成及工作原理,闡述了模擬器運(yùn)動感覺模擬的機(jī)制,對模擬器運(yùn)動系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹,為車輛模擬器運(yùn)動模擬技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

    給出了車輛模擬器三維虛擬道路建模所需的路面輪廓數(shù)據(jù)和路形數(shù)據(jù)建模和生成方法,為車輛動力學(xué)仿真提供路面激勵數(shù)據(jù)。利用路面不平度二維功率譜密度的表達(dá)式,通過二維傅里葉逆變換法得到了路面輪廓不平度三維路面高程數(shù)據(jù)生成方法,生成的高程數(shù)據(jù)的功率譜特性和各向同性特性均優(yōu)于已有方法。推導(dǎo)了路面輪廓中包含的隨機(jī)瞬態(tài)成分的空間位移特征與路面等級的關(guān)系,提出了三維空間內(nèi)隨機(jī)瞬態(tài)成分生成方法。根據(jù)道路路形特征給出了三維空間曲線道路建模方法,并采用線切割方法將道路與地形進(jìn)行了融合。

    闡述了Vortex車輛動力學(xué)建模的方法和流程,針對Vortex車輛動力學(xué)參數(shù)化建模的特點(diǎn),設(shè)置不同的懸架參數(shù),進(jìn)行車輛行駛平順性和穩(wěn)定性仿真,然后進(jìn)行結(jié)果分析對比。對不同路面類型以及各種車輛運(yùn)動的典型工況進(jìn)行了動力學(xué)仿真,為動感模擬算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。 針對經(jīng)典動感模擬算法參數(shù)不能在線實(shí)時調(diào)整而導(dǎo)致平臺空間利用率低的問題,在經(jīng)典動感模擬算法和基于平臺單自由度約束的模糊自適應(yīng)動感模擬算法的基礎(chǔ)上,提出了基于平臺桿長約束的模糊自適應(yīng)動感模擬算法。

    首先解決了動感模擬算法中輸入信號預(yù)處理、傾斜角速度限制環(huán)節(jié)處理以及自由度解耦等幾個問題,然后提出了模糊自適應(yīng)算法的原理與模糊自適應(yīng)規(guī)則,并對幾種動感模擬算法進(jìn)行了仿真分析對比,結(jié)果顯示基于平臺桿長約束的模糊自適應(yīng)動感模擬算法具有參數(shù)調(diào)節(jié)簡單意義明確、調(diào)節(jié)作用平滑無沖擊、不需要考慮多自由度之間耦合作用的優(yōu)點(diǎn),能充分利用平臺的運(yùn)動空間而提高動感模擬逼真度。

    建立了車輛動力學(xué)、動感模擬算法、六自由度平臺虛擬樣機(jī)的Vortex、Simulink、 ADAMS聯(lián)合仿真系統(tǒng)。首先闡述了聯(lián)合仿真系統(tǒng)的組成、原理及作用,然后建立了六自由度平臺ADAMS虛擬樣機(jī)模型,并將其與Simulink相聯(lián)接。以動感模擬運(yùn)動的可視化與數(shù)據(jù)監(jiān)控以及蛇形試驗(yàn)專用動感模擬算法為例,對聯(lián)合仿真系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了舉例說明。

第6篇

[關(guān)鍵詞]大型游樂設(shè)施；虛擬仿真分析；方法

中圖分類號：X922.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）06-0172-01

一、虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介和AOAMS軟件功能分析

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可代替物理樣機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測試和評估，縮短開發(fā)周期，降低成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高面向客戶與市場需求的能力。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展有賴于以下幾項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

（一）智能技術(shù)

CAD技術(shù)的出現(xiàn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)歷史上的一個里程碑，它在很大程度上縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期，減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，但現(xiàn)有的CAD技術(shù)注重于外形細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)行為，卻忽略了產(chǎn)品概念信息的描述，實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員總是先考慮產(chǎn)品的功能，然后才設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的外形。因此，對虛擬樣機(jī)技術(shù)來說，產(chǎn)品描述應(yīng)是超越幾何性的。由于虛擬樣機(jī)技術(shù)對概念設(shè)計(jì)的要求，智能設(shè)計(jì)技術(shù)需要將用于概念設(shè)計(jì)的分析工具（如有限元分析，快速成型等）、計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)和CAD技術(shù)有機(jī)的集成起來，支持產(chǎn)品幾何定形前的功能規(guī)劃和計(jì)算，通過分析這種幕后的功能計(jì)算，虛擬樣機(jī)系統(tǒng)指導(dǎo)設(shè)計(jì)者怎樣將幾何形狀轉(zhuǎn)化為易于裝配的，滿足功能要求的、具有合適工藝的設(shè)計(jì)圖形。

（二）并行工程

并行工程是集成各種技術(shù)，并行設(shè)計(jì)產(chǎn)品及相關(guān)過程的一種系統(tǒng)方法，同步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析評估、制造、裝配、核算和管理，它要求產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就考慮到產(chǎn)品整個生命周期的所有因素（質(zhì)量，成本，工藝，結(jié)構(gòu)，性能等），且要求實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)同工作。

（三）仿真工程

對于虛擬樣機(jī)系統(tǒng)來說，必須有一套能很有效支持可制造性分析的產(chǎn)品、工藝和生產(chǎn)系統(tǒng)模型，產(chǎn)品模型必須能夠管理與制造加工有關(guān)的數(shù)據(jù)（如形位公差等）；工藝模型包括統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算機(jī)工藝仿真，制造數(shù)據(jù)庫和制造規(guī)則庫等；生產(chǎn)系統(tǒng)模型包括系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性的描述及系統(tǒng)動態(tài)行為和特性的描述，虛擬樣機(jī)系統(tǒng)需要對上述模型進(jìn)行數(shù)字化仿真和可視化，以對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行評估和優(yōu)化。

（四）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)與制造是虛擬企業(yè)的生產(chǎn)方式。利用分布式設(shè)計(jì)與制造，可以實(shí)時的決定合作廠家，實(shí)現(xiàn)異地產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造，不僅節(jié)約了時間，而且由于分布節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系建立在一種全面合作和開放式體系的基礎(chǔ)上，所以有利于設(shè)計(jì)、規(guī)劃和處理問題。

二、旋轉(zhuǎn)秋千虛擬樣機(jī)模型的建立

（一）旋轉(zhuǎn)秋千虛擬樣機(jī)模型的建立原則

在ADAMS建模之前，必須對實(shí)際的旋轉(zhuǎn)秋千樣機(jī)模型進(jìn)行簡化。這樣不但可以節(jié)省大量的建模時間。也可以保證ADAMS的仿真分析過程能夠順利進(jìn)行。同時，由于ADAMS在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析時，只考慮零件的質(zhì)心和質(zhì)量，對零件的外部形狀不予考慮，因此在模型中精確地描述出復(fù)雜的零件外形，并沒有多大的實(shí)際意義。當(dāng)然零件形狀描述得越準(zhǔn)確，ADAMS自動求算的零件質(zhì)量和質(zhì)心的位置也就越精確。前面我們說過，建立復(fù)雜的模型并不是ADAMS的特長，如果模型的外形很復(fù)雜，又想得到比較準(zhǔn)確的質(zhì)量和質(zhì)心，可以在其他的三維軟件中建立好，然后通過ADAMS/Exchange導(dǎo)入ADAMS中，這些三維軟件有pro/EUG等。這里建立模型遵循以下原則：首先，根據(jù)運(yùn)動副對模型進(jìn)行簡化，各個零件之間的運(yùn)動副要表示清楚。其次，在不影響視覺效果的前提下，模型的外形應(yīng)盡量簡化。最后，多個零件固接時，可以只用一個零件表示。以節(jié)省運(yùn)動副數(shù)量。因?yàn)檫\(yùn)動鏈越長，計(jì)算誤差越大。

（二）底盤、立柱和頂盤模型的建立

由于旋轉(zhuǎn)秋千的實(shí)體中底盤、立柱和頂盤這幾部分經(jīng)簡化后結(jié)構(gòu)比較簡單，因此可以用ADAMS提供的基本建模工具進(jìn)行建模。為方便起見，我們這樣設(shè)置坐標(biāo)系，x-Z平面代表水平地面，鉛錘高度方向用y表示。旋轉(zhuǎn)秋千實(shí)體中幾個主要部分的模型尺寸：底盤：R=2.Om，L=0.5m立柱：R=0.5m，L=10.Om頂盤：R=5.0m，L=0.5m由于底盤、立柱和頂盤這三個主要部件經(jīng)簡化后為圓柱結(jié)構(gòu)，因此可以采用ADMAS/View基本形體圖庫中的圓柱體（Cylinder）命令直接建立。為保證將來數(shù)據(jù)更為直觀，將底盤的底面圓心坐標(biāo)設(shè)置在（0.0，-0.5。0.0）點(diǎn)。將三部分模型外觀建立好之后，應(yīng)該對模型施加必要的約束，使模型按照實(shí)際的情況連接。按照旋轉(zhuǎn)秋千的結(jié)構(gòu)，需要做以下三處約束：1、底盤與地面。實(shí)際情況中底盤一般都是一部分在地面以下，另一部分伸出地面。這里我們在底盤與地面之間施加一個固定副（Fixed），將二者固定在一起，這樣就限制它們之間所有的旋轉(zhuǎn)自由度和移動自由度。2、立柱與誰盤：立柱主要起到支撐整個裝置的作用，它與底盤也是相對固定的，因此也采用固定副連接。3、頂盤與立柱。頂盤是整個裝置的旋轉(zhuǎn)部分，它是在電機(jī)的驅(qū)動下以立柱為回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)的，因此它與立柱之間要設(shè)置鉸接副。鉸接副限制了2個旋轉(zhuǎn)自由度和3個移動自由度，這樣保證了頂盤只能在x-Z平面內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

（三）鋼絲繩索模型的建立

1、鋼絲繩索的建模思想

鋼絲繩索的建模是旋轉(zhuǎn)秋千建模的主要難點(diǎn)之一。鋼絲繩索可以承受較大的拉力，抗彎能力很弱，具有較大的柔性，在工作過程中，鋼絲繩索一直在不停的運(yùn)動，產(chǎn)生較大的變形。為了能夠反映繩索的動態(tài)響應(yīng)和柔性，可以將鋼絲繩索用很多相互連接的圓柱單元來表示。單元長度取決于運(yùn)算規(guī)模的限制和相應(yīng)的動態(tài)頻率。通過合理設(shè)計(jì)單元之間的連接關(guān)系，等效仿真鋼絲繩索。在本課題的分析中，在頂盤圓周上均布了12根繩索。根據(jù)裝置的整體尺寸和立柱的高度，每根繩索為9m。因此我們將圓柱單元的長度取為0.3m，半徑取為0，OO5m，總共設(shè)置了360個圓柱單元。經(jīng)過比較，圓柱單元采用球鉸模型進(jìn)行連接。圖 1-1中這種球鉸連接模型約束了x-Y-z三個方向的移動自由度，使兩個單元在連接處沒有相對位移。由此可知，這種連接模型忽略了鋼絲繩索受力后的拉伸變形；另外，它具有三個轉(zhuǎn)動自由度，連接的兩個單元可以在X、Y、Z方向產(chǎn)生自由的相對旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)繩索較大柔性彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的效果

2、宏命令簡介

宏，簡單來說，就是用戶自己生成的一個命令。用戶可以按照ADAMS八1ew的命令格式來編寫宏，AADMS/View像處理其他命令一樣處理宏，您可以在命令窗口中執(zhí)行宏，也可以在宏中使用其它的宏，或在用戶自己的用戶化菜單、對話窗和按鈕中調(diào)用宏。在宏中用戶可以使用參數(shù)。這有助于用戶在每次調(diào)用宏時加上數(shù)據(jù)，宏在執(zhí)行時自動進(jìn)行替換。三、自定義鋼絲繩索宏命令由于鋼絲繩索模型中總共設(shè)置了360個圓柱單元。為了便于建立模型和修改模型，我們采用自定義宏命令的方法來建立模型。該模型的鋼絲繩索宏命令子程序具有一定的通用性。只要根據(jù)要求對此程序進(jìn)行簡單的修改，就可以應(yīng)用在其他種類的鋼絲繩索模型的建立。

三、結(jié)語

綜上所述，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以大大簡化機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析過程，大幅度縮短實(shí)北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文驗(yàn)研究周期，大量減少研究開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)及性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并且有足夠的分析精度，對于大型游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有明顯的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

第7篇

關(guān)鍵詞：液壓；鑿巖機(jī)；設(shè)計(jì)研究；建議

中圖分類號：TD421.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

Abstract： The paper analyzes various design and research literature on hydraulic rock drills in China， enumerates major arguments in some related papers， points out the imperative problems， and puts forward academic and policy-related advice on the R&D of the hydraulic rock drills industry in China.

Keywords： hydraulic； rock drill； design & research； opinion

1 我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究歷史回顧

我國液壓鑿巖機(jī)的研制起步非常早，距今已近50年。我國液壓鑿巖機(jī)技術(shù)研究也很早，二十世紀(jì)七十年代，我國長沙礦冶研究院等就翻譯了大量國外液壓鑿巖機(jī)專利和論文，七十年代后期，我國作者撰寫了大量液壓鑿巖機(jī)的技術(shù)論文，直到現(xiàn)在，關(guān)于液壓鑿巖機(jī)的論文與專利仍然不斷出現(xiàn)在各類期刊與網(wǎng)絡(luò)上。

我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究方面的論文，有博士論文，碩士論文，學(xué)士論文，有期刊論文，也有網(wǎng)絡(luò)論文，在整個液壓鑿巖機(jī)技術(shù)論文中，占據(jù)了很大一部分。

估計(jì)有20個高等學(xué)校（其中包括3所師范大學(xué)）和近10個研究院所的作者發(fā)表過液壓鑿巖機(jī)技術(shù)論文，其中大部分是關(guān)于液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究方面的論文。專利文獻(xiàn)更是與液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。可見，液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究在我國并非冷門。

我國液壓鑿巖機(jī)的技術(shù)論文與設(shè)計(jì)研究論文大量產(chǎn)出。與此形成鮮明對比，我國液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)品發(fā)展很緩慢，獨(dú)立開發(fā)的產(chǎn)品，很少能在市場站住腳。

2 我國液壓鑿巖機(jī)文獻(xiàn)的分類

2.1 研究型論文

2.1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算型論文

此類論文數(shù)量多。

設(shè)計(jì)計(jì)算型論文包括了仿真計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)，活塞間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)，蓄能器設(shè)計(jì)優(yōu)化，換向閥設(shè)計(jì)優(yōu)化，活塞緩沖設(shè)計(jì)，釬尾緩沖設(shè)計(jì)，沖擊頻率調(diào)節(jié)方法等等。

博士、碩士、學(xué)士的論文幾乎全部屬于此類。高校與研究院所作者的論文大都屬于此類。此類論文數(shù)量多。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)研究型論文

實(shí)驗(yàn)研究型論文包括實(shí)驗(yàn)方法介紹，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器介紹，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹，測試結(jié)果與測試曲線分析，誤差分析等等。

此類論文中介紹實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法的較多。專門介紹液壓鑿巖機(jī)測試結(jié)果與曲線，并且進(jìn)行分析的論文較少，大多散見于設(shè)計(jì)計(jì)算論文中，作為計(jì)算正確性的證明。

高校與研究院所作者有些論文屬于此類，此類論文數(shù)量不多。

2.1.3 材料熱處理研究型論文

材料熱處理研究型論文包括活塞、釬尾的選材與熱處理，銅套的選材等等。關(guān)于活塞、釬尾的選材與熱處理的論文較多，關(guān)于其他零件的論文數(shù)量少。

2.1.4 加工工藝型論文

加工工藝型論文包括鑿巖機(jī)主要零件的機(jī)加工的設(shè)備，工裝夾具，量具與測量方法，工序與工藝步驟，怎樣保證尺寸精度與位置精度，等等，大概是技術(shù)保密的原因，此類論文數(shù)量極少。

2.2 綜述型論文

2.2.1 產(chǎn)品品種型號綜述型論文

產(chǎn)品品種型號綜述型論文包括當(dāng)時國內(nèi)外液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)品的廠家，系列，型號，主要性能參數(shù)等等。

此類論文數(shù)量較多，但大多是介紹阿特拉斯、山特維克公司的液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)品，介紹國內(nèi)產(chǎn)品的較少。

2.2.2 產(chǎn)品歷史發(fā)展綜述型論文

產(chǎn)品歷史發(fā)展綜述型論文包括介紹國內(nèi)外液壓鑿巖機(jī)歷史發(fā)展，產(chǎn)品型號推出的年代，市場情況等等， 此類論文數(shù)量不多，但大多是介紹蒙特貝塔、阿特拉斯、山特維克公司的液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)品歷史，介紹國內(nèi)產(chǎn)品歷史的較少。

2.2.3 產(chǎn)品技術(shù)綜述型論文

產(chǎn)品技術(shù)綜述型論文包括液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)類型，技術(shù)進(jìn)展，等等。此類論文數(shù)量少而且內(nèi)容重復(fù)較多。

2.2.4 產(chǎn)品市場調(diào)研分析指導(dǎo)型論文

產(chǎn)品市場調(diào)研分析指導(dǎo)型論文包括當(dāng)時國內(nèi)使用的液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)品的主要型號，市場保有量，年銷售量與銷售額，備件銷售量與銷售額，市場的細(xì)分，將來市場的趨勢預(yù)測，市場對液壓鑿巖機(jī)的性能與技術(shù)要求。

此類論文很重要，對于國家的產(chǎn)業(yè)政策和企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)劃指導(dǎo)意義很大。

此類論文數(shù)量極少，幾乎沒有，倒是在網(wǎng)絡(luò)上各種市場調(diào)查公司的廣告不少，只提供提綱，具體內(nèi)容要付費(fèi)才能提供。

由于我國缺乏市場液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)品銷售數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，要寫出高可信度的此類論文，必然要花費(fèi)巨大的人力財(cái)力，只靠個人或一個單位的力量難以完成，最好有行業(yè)組織與行政力量的參與。

2.3 使用維修型論文

2.3.1 產(chǎn)品使用方法型論文

產(chǎn)品操作方法型論文包括鑿巖機(jī)沖擊壓力，旋轉(zhuǎn)壓力，推進(jìn)壓力的優(yōu)化匹配，鉆頭直徑與旋轉(zhuǎn)速度的匹配，操作方法等等。

此類論文數(shù)量不多，有北京科技大學(xué)高瀾慶教授等的論文“液壓鑿巖機(jī)主要工作參數(shù)對鑿巖速度影響的試驗(yàn)研究”，有廣東省水利水電第二工程局梁明華論文“液壓鑿巖機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與鑿孔直徑的關(guān)系” [1]，是鑿巖機(jī)使用實(shí)踐總結(jié)，指導(dǎo)意義更大。

2.3.1 產(chǎn)品維修與故障分析型論文

產(chǎn)品維修與故障分析型論文多數(shù)為水電工程局、鐵路隧道工程局的技術(shù)人員所寫。此類論文來源于生產(chǎn)實(shí)踐，言之有物，參考價值很大，數(shù)量不多，列舉如下：

煤科總院北京建井所黃園月、李耀武、郭孝先“液壓鑿巖機(jī)的故障分析與防治”；

廣東省水利水電第二工程局何雄彬“HDl35A和COPl238ME型液壓鑿巖機(jī)工作原理及常見故障處理” [2]；

廣東水電二局股份有限公司李同明“阿特拉斯ROCD7鉆機(jī)使用中易出現(xiàn)的問題與改進(jìn)” [3]；

李強(qiáng)“Atlas 1838型鑿巖機(jī)六種常見故障的排除”[4]；

張兆欽“COP1238鑿巖機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及使用維護(hù)” [5]；

田華軍“HL500型液壓鑿巖機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)” [6]。

2.4 產(chǎn)品介紹型論文

2.4.1 產(chǎn)品性能介紹型論文

產(chǎn)品性能介紹型論文多為介紹阿特拉斯、山特維克公司產(chǎn)品的論文，也有少量介紹國內(nèi)海卓公司產(chǎn)品，樂清采礦機(jī)械廠的液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)品的論文。

2.4.2 市場應(yīng)用報(bào)道型論文

國外作者關(guān)于液壓鑿巖機(jī)市場應(yīng)用報(bào)道型論文很多，國內(nèi)此類論文數(shù)量很少，有少量關(guān)于YYT26支腿式液壓鑿巖機(jī)工程案例，使用成本效益分析的報(bào)道。

2.5 專利文獻(xiàn)

最近的十幾年關(guān)于鑿巖機(jī)械的專利有六十多件，大都是液壓鑿巖機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的專利。尚未見到有重大影響，或產(chǎn)生效益的專利。

3 我國液壓鑿巖機(jī)技術(shù)研究的不足

3.1 鑿巖機(jī)文獻(xiàn)的五多五少現(xiàn)象

通過對我國液壓鑿巖機(jī)文獻(xiàn)的分析，我們發(fā)現(xiàn)有五多五少現(xiàn)象。

（1） 設(shè)計(jì)論文多，實(shí)驗(yàn)與工藝論文少；

（2） 研究論文多，使用維修論文少；

（3） 性能介紹型論文多，市場應(yīng)用報(bào)道型論文少；

（4） 歷史發(fā)展綜述論文多，市場調(diào)研分析指導(dǎo)型論文少；

（5） 專利多，影響小。

3.2 缺少學(xué)術(shù)交流討論

我國大概有20多年沒有開過全國性液壓鑿巖機(jī)技術(shù)方面的交流會或研討會。

我們眾多的論文作者，都是在自說自話，沒有交流，沒有討論，更沒有爭論。論文提出的論點(diǎn)，基本沒有人跟進(jìn)，進(jìn)行理論與實(shí)踐兩個方面的證明或證偽，或補(bǔ)充，只是不加評價的引用。

我懷疑，很少有人認(rèn)真閱讀這眾多的論文，如果不是博士生，碩士生，大學(xué)生因?yàn)樽霎厴I(yè)論文的需要，閱讀的人就更少了。我國關(guān)于液壓鑿巖機(jī)論文的影響力實(shí)在有限。

3.3 設(shè)計(jì)理論研究與產(chǎn)品生產(chǎn)脫節(jié)

我國大概可稱得上液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究論文數(shù)量大國，但是我國自行開發(fā)的液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)品多數(shù)從市場上消失，現(xiàn)在還能在市場上站住腳，有一定銷售量的產(chǎn)品，多數(shù)為1980年代技術(shù)引進(jìn)的產(chǎn)品。這種情況至少說明我們的設(shè)計(jì)研究和產(chǎn)品生產(chǎn)是脫節(jié)的，或者說明我們的設(shè)計(jì)理論還不成熟，還要不斷改進(jìn)。

4 我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)理論的主要論點(diǎn)

4.1 關(guān)于鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

4.1.1 三段法理論

認(rèn)為活塞往復(fù)運(yùn)動一個周期是由活塞回程加速、回程減速、沖程加速三個階段組成的。4.1.2 設(shè)計(jì)變量理論

將一個無量綱數(shù)稱為設(shè)計(jì)變量，這個無量綱數(shù)可以是：

（1） 沖程時間與活塞運(yùn)動周期之比；

（2） 活塞回程加速度與沖程加速度之比；

（3） 活塞行程與可能最大行程之比；

（4） 活塞后腔受壓面積與前腔受壓面積之比，很明顯，第四個無量綱數(shù)最直觀，最易檢驗(yàn)。

4.1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

根據(jù)以下5個設(shè)計(jì)目標(biāo)，求得一個最佳設(shè)計(jì)變量。

（1） 蓄能器容積變化的最大值最小；

（2） 蓄能器隔膜震動次數(shù)最小；

（3） 能量利用效率最高；

（4） 沖程時，最大瞬時流量最小；

（5） 回程時，最大瞬時流量最小。

4.2 關(guān)于換向閥設(shè)計(jì)理論

4.2.1 換向閥中位正開口理論

換向閥在中位時，換向閥的高壓窗口與低壓窗口都有微小開啟，叫正開口。認(rèn)為正開口有益于沖擊機(jī)構(gòu)性能改善。主張應(yīng)該采用正開口。

4.2.2 換向閥最優(yōu)行程理論

換向閥行程的選取受到閥口通流面積，換向時間與閥耗油量三重制約，存在一個優(yōu)化點(diǎn)。

4.3 關(guān)于蓄能器設(shè)計(jì)理論

4.3.1 高壓蓄能器與活塞運(yùn)動的最佳耦合理論

蓄能器的蓄油與排油量不僅與蓄能器的容積有關(guān)，而且與系統(tǒng)的工作頻率有關(guān)，如果蓄能器固有頻率選擇不合適，即使加大蓄能器容積，也不能增大蓄能器的蓄油與排油量。

在蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)固定，鑿巖機(jī)進(jìn)油壓力確定的情況下，可以改變蓄能器充氣壓力來改變諧振頻率，使得系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。

這個理論是極有理論研究價值與學(xué)術(shù)價值的，是一個動態(tài)的理論，是北京科技大學(xué)首先進(jìn)行研究的，可惜無人跟進(jìn)，這方面的論文太少。

4.3.2 蓄能器一次振動理論

在活塞運(yùn)動一個周期內(nèi)，蓄能器隔膜只有一次振動。這個理論已經(jīng)包含在第4.1.2小節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論中了，這是一個靜態(tài)的理論。

4.4 關(guān)于信號孔位置

4.4.1 活塞回程換向信號孔位置的計(jì)算

這個理論是由北京科技大學(xué)與中南大學(xué)提出的，這是極其重要的計(jì)算，缺了這個計(jì)算公式，無法進(jìn)行鑿巖機(jī)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。

4.4.2 活塞沖程換向信號孔位置的確定

這個理論是由北京科技大學(xué)與中南大學(xué)提出的，這也是極其重要的計(jì)算。既不能換向太早，使得撞擊釬尾時，活塞已經(jīng)被減速，也不能換向太晚，造成活塞二次打擊釬尾。

4.5 釬尾反彈緩沖動力計(jì)算

研究這個理論的有浙江大學(xué)張新等人，廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院劉智等人，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院趙宏強(qiáng)等人，楊國平等人，難能可貴的是，張新做了實(shí)驗(yàn)研究，有實(shí)驗(yàn)曲線圖。

4.6 其他理論

（1）活塞密封間隙與長度優(yōu)化理論；

（2） 活塞空打緩沖結(jié)構(gòu)計(jì)算；

（3） 沖擊頻率無級調(diào)節(jié)自動換擋理論。

以上3種理論均有，就不一一論述了。

5 我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究亟待解決的問題

5.1 換向閥的結(jié)構(gòu)尺寸問題

（1） 換向閥中位負(fù)開口的優(yōu)缺點(diǎn)分析；

（2） 最優(yōu)負(fù)開口量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；

（3） 換向閥最優(yōu)行程理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5.2 活塞與缸體結(jié)構(gòu)尺寸問題

（1） 活塞前后腔面積的確定及優(yōu)化；

（2） 活塞回程換向信號孔位置的確定；

（3） 最優(yōu)沖程換向信號孔位置計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5.3 蓄能器與活塞運(yùn)動的最佳耦合理論

研究蓄能器隔膜的動態(tài)頻率響應(yīng)，蓄能器最佳充氣壓力的計(jì)算。

5.4 釬尾反彈緩沖系統(tǒng)動力計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

不但研究緩沖機(jī)構(gòu)本身，進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，更要研究釬尾反彈緩沖系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，將緩沖機(jī)構(gòu)，釬具與緩沖液壓油路作為一個系統(tǒng)，研究緩沖活塞的頻率響應(yīng)，緩沖液壓系統(tǒng)是否能有效吸收釬尾反彈的能量，又是否能迅速將釬頭重新抵緊巖石。

5.5 鑿巖機(jī)反打系統(tǒng)動力計(jì)算

既要研究反打機(jī)構(gòu)本身，進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算。更要將反打機(jī)構(gòu)與反打液壓油路作為一個系統(tǒng)，研究反打活塞的位移，運(yùn)動速度與沖擊能量。

5.6 零件的氣蝕與腐蝕問題

（1）活塞前后腔氣蝕問題的計(jì)算與解決方法；

（2）鑿巖機(jī)殼體聯(lián)接平面點(diǎn)蝕的原因與預(yù)防。

6 我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究的學(xué)術(shù)建議

6.1 反求法

對國外高端液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的分析，用反求法研究鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式與方法。反求法基本屬于歸納法，反求法需要統(tǒng)計(jì)多臺高端液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)越多，代數(shù)計(jì)算公式越接近實(shí)際，設(shè)計(jì)指導(dǎo)作用越大。這方面的工作似乎還沒有人去做。

6.2 驗(yàn)證法

將我們國內(nèi)的設(shè)計(jì)理論，如用最佳設(shè)計(jì)變量理論，換向閥最優(yōu)行程理論，蓄能器設(shè)計(jì)理論，分析國外高端液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、充氣壓力等參數(shù)，檢驗(yàn)是否符合我們的理論。如果大致符合，則驗(yàn)證了我們理論的正確性，如果相差很大，則要尋找原因。

6.3 代數(shù)計(jì)算公式研究

6.3.1 液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究方法的分類

理論分析與公式計(jì)算，實(shí)驗(yàn)研究，計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真是鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究的三駕馬車。

三段法，最佳設(shè)計(jì)變量等屬于理論分析計(jì)算。

理論分析與公式計(jì)算是鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)，是實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算的的基礎(chǔ)與指導(dǎo)。

6.3.2 液壓鑿巖機(jī)代數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式的建立

公式計(jì)算必須將鑿巖機(jī)的物理（實(shí)際）模型簡化為力學(xué)模型，再進(jìn)一步簡化為數(shù)學(xué)模型，再簡化為代數(shù)公式。簡化必須是合理的，不能與力學(xué)模型有大的矛盾和沖突。

在不斷的簡化中，必然有失真，這時就要用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)去校正。這方面我們還有許多工作要做，對每一結(jié)構(gòu)類型的鑿巖機(jī)，都可以研究出一套基本通用的計(jì)算公式。

6.3.3 液壓鑿巖機(jī)代數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式的輸入輸出

代數(shù)公式計(jì)算輸入的是沖擊能，沖擊頻率，沖擊末速度，進(jìn)油壓力， 輸出的是活塞質(zhì)量，活塞前后受壓面積，活塞行程，信號孔位置，閥的結(jié)構(gòu)尺寸，閥行程，開口量，鑿巖機(jī)進(jìn)油流量等等。

6.4 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究

6.4.1 液壓鑿巖機(jī)實(shí)驗(yàn)的分類

在理論分析指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究是必不可少的，我們的力學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型是否正確，簡化是否合理，都需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。數(shù)值仿真計(jì)算就更需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了。

這里所說的實(shí)驗(yàn)主要是鑿巖機(jī)內(nèi)部機(jī)理實(shí)驗(yàn)，也可是型式實(shí)驗(yàn)，而不是出廠實(shí)驗(yàn)。

6.4.2 液壓鑿巖機(jī)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范

實(shí)驗(yàn)的各種條件，包括樣機(jī)，液壓系統(tǒng)，測量方法，儀器儀表，都應(yīng)該是明確的，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)該是真實(shí)的，可重復(fù)的，重復(fù)實(shí)驗(yàn)的誤差應(yīng)該進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)的時間、地點(diǎn)與參加人應(yīng)該注明。

6.5 數(shù)值計(jì)算研究

6.5.1 數(shù)值計(jì)算的定義

數(shù)值計(jì)算就是虛擬樣機(jī)技術(shù)，因此數(shù)學(xué)模型要盡可能逼近力學(xué)模型與物理模型，數(shù)值計(jì)算需要輸入的數(shù)據(jù)很多，需要詳細(xì)的鑿巖機(jī)圖紙數(shù)據(jù)，否則不能稱之為虛擬樣機(jī)。

數(shù)值計(jì)算又叫動態(tài)仿真，我國在數(shù)值計(jì)算方面的論文太多了。有基于AMESim的仿真，基于Simulink的動態(tài)仿真，基于MATLAB的計(jì)算機(jī)仿真，準(zhǔn)勻加速度法仿真計(jì)算，鍵合圖方法仿真，等等。

6.5.2 液壓鑿巖機(jī)數(shù)值計(jì)算輸入輸出的基本要求

沖擊機(jī)構(gòu)數(shù)值計(jì)算中，進(jìn)油流量必須是輸入值，而壓力是輸出值。

數(shù)值計(jì)算輸出結(jié)果不能僅僅是沖擊能，沖擊頻率等，必須能輸出活塞運(yùn)動速度、位移，換向閥的速度、位移，活塞前后腔壓力的曲線。并且能夠描述出液壓油的空化與氣蝕現(xiàn)象。

數(shù)值計(jì)算的結(jié)果曲線應(yīng)該用實(shí)驗(yàn)曲線驗(yàn)證，未經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的仿真計(jì)算是不可信的。

數(shù)值計(jì)算的結(jié)果應(yīng)該是真實(shí)的，不能弄虛作假，其他人也可以重復(fù)運(yùn)行程序。

6.5.3 液壓鑿巖機(jī)數(shù)值計(jì)算程序的基本要求

數(shù)值計(jì)算的程序應(yīng)該模塊化，數(shù)值計(jì)算需要花費(fèi)大量的精力與時間，不是一個人短時間能夠完成的，因此數(shù)值計(jì)算的程序應(yīng)該模塊化，可以由一組人員分工，進(jìn)行編寫。

數(shù)值計(jì)算程序應(yīng)該界面友好，參數(shù)的改變，應(yīng)在界面中進(jìn)行，而不應(yīng)在程序中進(jìn)行。

數(shù)值計(jì)算的模型與程序應(yīng)該是持續(xù)改進(jìn)的，和所有的計(jì)算機(jī)軟件一樣，應(yīng)該有版本號。液壓鑿巖機(jī)數(shù)值計(jì)算程序應(yīng)該通用工具化，不要搞成專用工具。不能只有作者自己用，換一個人就不能用。

6.5.3 液壓鑿巖機(jī)數(shù)值計(jì)算程序的難點(diǎn)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)浩繁的工程，但是并不是遙不可及。內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程，牽涉到化學(xué)，燃燒學(xué)，熱學(xué)，力學(xué)，都可以做到數(shù)值仿真，并且在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中起到重要作用。沖擊機(jī)構(gòu)的數(shù)值仿真也一定能做到，但是這要求有一個精干的團(tuán)隊(duì)和一個好的實(shí)驗(yàn)條件。

數(shù)值計(jì)算程序都是針對某一個特定的圖紙的，因此通用性較差。不要指望適合于單腔回油的鑿巖機(jī)，也能適合非單腔回油的鑿巖機(jī)。也不要指望適合于芯閥結(jié)構(gòu)的鑿巖機(jī)，也能適合套閥結(jié)構(gòu)的鑿巖機(jī)。這也是數(shù)值計(jì)算應(yīng)用的一個難點(diǎn)。我們至少應(yīng)該做到，對某一相同結(jié)構(gòu)類型的液壓鑿巖機(jī)，具有通用性。

7 我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究的政策建議

7.1 以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合

過去幾十年，我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究是以高校和研究所為主體的，和企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)聯(lián)系較少。事實(shí)證明，我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究進(jìn)步不大，只有以有實(shí)力的大企業(yè)為主體，廠學(xué)研結(jié)合，學(xué)校與研究所自己不搞產(chǎn)品生產(chǎn)，只為社會和企業(yè)提供知識與技術(shù)，各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢，才是我國液壓鑿巖機(jī)技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展道路。

7.2 以行業(yè)協(xié)會為主體，組織技術(shù)交流

與鑿巖機(jī)的生產(chǎn)、使用有關(guān)的行業(yè)有鑿巖機(jī)械氣動工具、煤炭、礦山、鐵路、水電、冶金等等，在1980年代，礦山機(jī)械行業(yè)組織過液壓鑿巖機(jī)技術(shù)交流會， 1990年代初期， 煤炭建井行業(yè)組織過液壓鑿巖機(jī)技術(shù)交流會。

8 結(jié)語

（1）對我國液壓鑿巖機(jī)研究文獻(xiàn)進(jìn)行了分類，5大類，13個小類；

（2）分析了我國液壓鑿巖機(jī)技術(shù)研究的不足，3個方面的不足；

（3）列舉了我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)理論的主要觀點(diǎn)，6大類，13個觀點(diǎn)；

（4）列舉了我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)中亟待解決的5大類共11個問題；

（5）提出了我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究的5條學(xué)術(shù)建議；

（6）提出了我國液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)研究的2條政策建議。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梁明華.液壓鑿巖機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與鑿巖直徑的關(guān)系[J].工程機(jī)械，2001，32（6）.

[2]何雄彬.HDl35A和COPl238ME型液壓鑿巖機(jī)工作原理及常見故障處理[J].廣東水利水電，2001（8）.

[3] 李同明.阿特拉斯ROCD7鉆機(jī)使用中易出現(xiàn)的問題與改進(jìn)[J].四川水利，2004（3）.

[4] 李強(qiáng).Atlas 1838型鑿巖機(jī)六種常見故障的排除[J].工程機(jī)械，2005，36（3）.

第8篇

[關(guān)鍵詞]排氣歧管 CAE 有限元分析 優(yōu)化

[中圖分類號]TK403 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1009-5349（2014）11-0079-02

排氣歧管是車輛內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中的重要組成部分，對內(nèi)燃機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放均有影響。因此，在車輛維修時，它是很難檢測到由于高的內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓內(nèi)燃發(fā)動機(jī)功率發(fā)揮不足或內(nèi)燃發(fā)動機(jī)不能正常工作。本論文針對內(nèi)燃機(jī)排氣管路中造成排氣阻力的成因進(jìn)行分析，為生產(chǎn)、安裝提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過一些數(shù)據(jù)分析的排氣管線的安裝尺寸、方法和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少排氣管線出現(xiàn)的反壓現(xiàn)象引起的排氣氣體湍流，有效降低高內(nèi)燃機(jī)排氣背壓的情況下，保證內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工作。

一、研究對象

本文選用FB4105防爆柴油機(jī)的研究對象為排氣歧管。FB4105防爆柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有：轉(zhuǎn)速2300r/min、凈重350kg、防爆凈功率40KW、總排量2.5L。

邊界條件的排氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型包括：

（1）入口邊界條件是：根據(jù)發(fā)動機(jī)排量和速度給定的入口速度V=12.06m/s，根據(jù)發(fā)動機(jī)廢氣排放溫度給定入口溫度600℃，根據(jù)給定的速度和湍流強(qiáng)度0.3MPa入口處入口結(jié)構(gòu)的價值。

（2）出口邊界條件：針對出口壓力的條件下，假設(shè)出口壓力是大氣壓力。

（3）壁面邊界條件：壁面邊界條件為無滑移速度邊界條件。

二、虛擬樣機(jī)模型

根據(jù)測繪數(shù)據(jù)，應(yīng)用UG軟件建立排氣歧管的三維模型（圖1：排氣歧管三維模型），從三維模型圖中抽取出氣道三維圖（圖2：排氣歧管氣道三維模型）。

圖1 FB4105排氣歧管三維模型

圖2 排氣歧管氣道三維模型

三、CAE有限元分析

CAE模塊是3d應(yīng)用UG軟件中的一個有限元分析模塊，從訂單的產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、開發(fā)，綜合傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和穩(wěn)流試驗(yàn)臺的試驗(yàn)和錯誤的方法，改進(jìn)的虛擬開發(fā)。在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了虛擬樣機(jī)開發(fā)的數(shù)字仿真方法的產(chǎn)品性能評價過程、優(yōu)化和修正，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，減少不必要的原型機(jī)生產(chǎn)，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

UG高級仿真模塊提供對許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解算器的無縫、透明支持，這樣的解算器有NX Nastran、ANSYS等。如高級仿真模塊使用該解算器來處理所有網(wǎng)格劃分、邊界條件和解法，還可以求解模型并直接在結(jié)算過程中查看結(jié)果。高級仿真模塊除提供基本設(shè)計(jì)仿真中的功能外，還具有高級分析解算流程的其他功能：

（1）高級仿真有獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2）高級仿真有很強(qiáng)的網(wǎng)格劃分功能。

（3）高級仿真有靈活的幾何體設(shè)計(jì)方法。

（4）高級仿真中有NX傳熱解算器和NX流體解算器。

按照要求用UG軟件打開排氣歧管氣道三維模型，點(diǎn)擊高級仿真模塊，新建FEM（Finite Element Modeling）模型，求解器為NX Thermal/Flow，分析類型為Coupled Thermal-Flow（耦合熱流），材料賦予Air（空氣），采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，單元格選為5，共劃分有41197個網(wǎng)格單元。圖3為創(chuàng)建的排氣歧管氣道三維模型網(wǎng)格圖。

圖3 排氣歧管氣道三維模型網(wǎng)格圖

四、CAE有限元計(jì)算結(jié)果及分析

按照內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火順序（1缸―3缸―4缸―2缸），分別加載邊界條件，對1缸、2缸、3缸和4缸的氣道進(jìn)行流體模擬分析，從結(jié)果可見，流道發(fā)生拐彎及彎曲的形狀都會影響氣流，從優(yōu)化前的圖5、圖6、圖7及圖8上可以看出，每個排氣工作時，對當(dāng)前管到出口的拐彎處，有一塊區(qū)域的氣流產(chǎn)生的紊流現(xiàn)象很明顯，壁面受氣流的沖擊也比較大;當(dāng)前工作缸的氣流對后面的氣道沒有產(chǎn)生影響，但是對前面的氣道均產(chǎn)生了影響。

五、小結(jié)

從FB4105排氣歧管的數(shù)值模擬和分析可以基本上滿足光滑排氣的要求，強(qiáng)烈的渦流區(qū)沒有出現(xiàn)在管內(nèi)，只有極少部分渦流現(xiàn)象在管道的彎曲處出現(xiàn)。為了提高通道的氣流速度的均勻性，對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，將在管道彎曲處設(shè)計(jì)添加圓角。仿真結(jié)果表明，原來存在的湍流現(xiàn)象顯著降低了，并且對排氣氣缸后面的氣道也沒有影響，氣道形狀設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

【參考文獻(xiàn)】

第9篇

關(guān)鍵詞：兩棲機(jī)器人；優(yōu)化；仿真；動態(tài)分析

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，水域作戰(zhàn)是海洋軍隊(duì)的一塊重要領(lǐng)域。在作戰(zhàn)中，經(jīng)常遇到水障礙，目前通過水障礙的方法有很多，例如，在河上建立一座橋梁，或者浮渡，或者直接涉水過河等。其中浮渡是最有效的一種方式，通過浮渡，機(jī)械化部隊(duì)不需要花費(fèi)太多時間成本和財(cái)物成本，甚至不需要考慮氣候條件，時間因素等。

作為浮渡的主要工具---水陸兩棲車輛，因其具有不可預(yù)測性與靈活性，作戰(zhàn)時，在一定程度上能起到?jīng)Q定性的作用。因此，在搶灘登陸戰(zhàn)中越來越受到廣泛的關(guān)注。近些年，很多國家都在研究水陸兩棲車輛，研究如何將水陸兩棲車輛更有效地投入到戰(zhàn)斗中使用。

目前，大多數(shù)水陸兩棲車在進(jìn)入水中之后，輪胎懸掛在車底下，受到水的阻力，從而限制了兩棲車在水中的行駛速度。因此，如何消減輪胎對行駛速度的影響，成為水陸兩棲車輛的一大核心研究問題。針對這個問題，此論文設(shè)計(jì)了一個能將輪胎收回的機(jī)構(gòu)。從而減少輪胎懸掛時對行進(jìn)速度的影響。

一、水陸兩棲汽車輪胎收回機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及其工作原理

如圖1.1所示，圖中43處連接輪胎，連接差速器6 把動力通過動力輸出裝置7傳給轉(zhuǎn)動軸10，然后帶動輪胎旋轉(zhuǎn)。動力源通過管29傳遞到液壓缸28，液壓缸28通過桿27將轉(zhuǎn)動傳遞到主傳動軸26，主傳動軸26兩端分別連接桿27及下支桿12，下支桿12一端通過銷釘連接到車體2上，另一端通過銷釘與支架16底端相連，支架16上端通過銷釘20與上支桿11相連，上支架11通過銷釘22與車體2相連。[1，2]

因此，當(dāng)液壓缸輸出動力通過主傳動軸26帶動上下支桿將支架16抬起。從而起到把輪胎收回的目的。

為便于分析，先簡化模型，根據(jù)立體模型，利用ADAMS軟件創(chuàng)建一個同等功能的平面模型，以點(diǎn)5為原點(diǎn)，液壓缸初始位是豎直的，起到抬起作用的主要部件是支架2、上支桿3、下支桿8 及液壓缸4，之后添加約束，創(chuàng)建變量點(diǎn)。如圖1.2所示。由于變量點(diǎn)一要與液壓缸4保持豎直，所以其X值固定為-250。

車體參數(shù)：車重1500KG，載重 500KG，輪胎抬起高度500～700mm， 輪胎最高處傾斜角度450～600。

二、兩棲汽車輪胎收回機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

對模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，主要進(jìn)行抬起試驗(yàn)仿真。進(jìn)行抬起試驗(yàn)驗(yàn)證所建立的模型是否正確并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真分析，得到最優(yōu)化的尺寸。在本設(shè)計(jì)中，我們所要得到的是液壓缸所承受的最小力量，所以，測量部件就為液壓缸。設(shè)置好后利用ADAMS軟件進(jìn)行模擬仿真，當(dāng)仿真結(jié)束之后，能得出每一次仿真的受力曲線圖，如圖2.1所示，同時會得出一個列表，在該列表中能清晰反應(yīng)出每次仿真時的最大受力及每個變量點(diǎn)的值，如圖2.2所示

該表也會綜合比較出所有仿真值中的最大值及最小值及各值所在的仿真次序。在此輪仿真中，最小受力是在第25次仿真中得出的，其值是3316.4N。查詢數(shù)據(jù)可知第25次仿真時各數(shù)值如下：

力值： 3316.4；DV_1： -126.00；DV_2： -270.00；DV_3： 165.00； DV_4： -517.00； DV_5： 81.000。

所以，取在第25次仿真得到的數(shù)值，即取變量點(diǎn)一的坐標(biāo)為（-250，-126）；變量點(diǎn)二的坐標(biāo)為（-270，165）；變量點(diǎn)三的坐標(biāo)為（-517，81）。最終確定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖2.3

三、液壓缸的計(jì)算與選擇

計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸

液壓缸主要設(shè)計(jì)參數(shù)見圖3.1，a為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，b為活塞桿工作在受拉狀態(tài)。

液壓缸的缸筒內(nèi)徑D是根據(jù)負(fù)載大小和選定的工作壓力，或運(yùn)動速度和輸入的流量，經(jīng)過計(jì)算之后，再從GB/T 2348―1993（見表3.1）標(biāo)準(zhǔn)中選取最近的標(biāo)準(zhǔn)值而得出D為63mm合適。

一般，液壓缸在受壓狀態(tài)下工作，其活塞面積為

A1=（F+ P2A2）/P1

運(yùn)用上式須事先確定A1與A2的關(guān)系，或是活塞桿直徑d與活塞直徑D的關(guān)系，這個可按表3.2來選取d/D。再按表3.3圓整。

本設(shè)計(jì)選擇的工作壓力P=1.2MPa

即D=63mm d=32mm

液壓缸的行程則由上章中可知為 L=70-（-126）=196 mm

計(jì)算液壓缸工作時所需流量Q

Q=v×A=v×πD2/4=0.01×3.14×0.0632/4=0.0000312m3=31.2 ml

綜上，可選用型號為HSJ-63/32200 最大壓力為1.2MPa的液壓缸。[3，4]

結(jié)論與展望

如今虛擬樣機(jī)技術(shù)在主要的工業(yè)領(lǐng)域（通用機(jī)械、汽車、航空、機(jī)械電子等）得到了廣泛的運(yùn)用，它融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)仿真技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期和全系統(tǒng)并對它們進(jìn)行綜合管理，從系統(tǒng)的層面來分析復(fù)雜系統(tǒng)，支持由上至下的復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)模式，利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)測試和評估，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高面向客戶與市場需要的能力。

本文仿真研究結(jié)果表明，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對水陸兩棲汽車輪胎收回機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析可以很好的將機(jī)構(gòu)的各種工況較為真實(shí)的反映出來，是一種可行的分析手段，同時也證明使用該項(xiàng)技術(shù)為水陸兩棲車的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)提供較重要的參考數(shù)據(jù)，可以大大縮短整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)。

但是由于水陸兩棲車是處于一種新型的產(chǎn)品，雖然在德國有了這種產(chǎn)品，但由于所有真實(shí)數(shù)據(jù)尚處于軍事機(jī)密當(dāng)中，該設(shè)計(jì)只是通過幾張實(shí)物照片及專利文獻(xiàn)來進(jìn)行模仿研究設(shè)計(jì)，因此，本文可能會存在一些不足之處，期望有同行校正。

參考文獻(xiàn)

[1] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7027851B1[P]，2007.

[2] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7214112B2[P]，2007.

[3] 邱宣懷主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第4版. 北京：高等教育出版社，1997.