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基于Pro/E的液压挖掘机设计集成与轻量化分析 2009-11-19 20:18:37??作者：北京信息科技大学机电工程学院 孙江宏;清华大学精密仪器与机械学系 潘尚峰 　　本文分析了Pro/ENGINEER三维参数化设计流程，结合液压挖掘机的模型和组成特点，对其在参数化设计、装配与运动仿真、有限元分析与结构优化、轻量化设计等方面进行了深入剖析。通过此流程，可以提高液压挖掘机的设计效率，降低设计时间。文中完全摒弃了偏重参数化设计的思想，而是以液压挖掘机的实际问题为核心，该方案也适用于其他类似工程机械设备的研发。 　　一、前言 　　液压挖掘机是土石方工程的主要施 工机械，如图1所示。全世界各种施工作 业场约有65%～70%的土石方工程都是由 挖掘机完成的。近年来，国内外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在 工程建设和施工行业中占有很重要的位 置。液压挖掘机迅速发展的根本原因在 于机械本身的优越性、通用性好和操纵 轻便，也在于重视试验研究工作和计算 机技术的引用。 　　在Bauma2008展会上展出的液压挖 掘机中，传统型和通用型产品样机较 少，多是一些有特殊构造、有特色的和多功能产品，这既体现了各厂家市场差 异化的产品发展战略，又体现了各自的 技术水平和实力。这些变化大大扩展了 液压挖掘机的功用，提高了产品的施工 适用性，同时对设计手段和设计效率也提出了更高的要求。液压挖掘机行业作 为工程机械行业的重要分支，其设计方 式正经历着革命性变化，计算机辅助设 计技术的推广应用势在必行。 　　采用新结构和新材料，利用现代 设计技术和先进制造技术，是保证和提高液压挖掘机性能的重要途径。以前通 过大量的样机和试验方式来验证产品可 靠性和稳定性的方法，正在逐渐为虚拟 样机和虚拟试验方式所取代。这些技术 既能缩短产品的设计和制造周期，同时又能提高产品的质量。国外许多有实力的生产厂商、科研机构都已经针对挖掘 机设计开发出一些专业软件，如美国卡 特匹勒(C a t e r p i l l a r)、德国利勃海 尔(L i e b h e r r)、英国J B C和日本神钢(C K O B E L C O)等公司都进行了专业化的 设计软件开发，但目前市场上可供选用 的商品化应用软件却很少。 　　国内液压挖掘机行业近年来虽有较 大发展，但与发达国家相比仍存在许多 不足，其原因除了国内挖掘机加工水平 落后之外，设计水平与发达国家相比也 有较大差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多研究人员和单 位对液压挖掘机工作装置设计进行了不 少研究，也开发了相应的设计软件，但基本上局限于解决某些局 部问题，缺少通用性，远远达不 到工业化设计的要求。 　　目前国内关于是否自行开发 设计软件的讨论一直就没有停止 过。实际上，很多较为成熟的软 件都可以完成液压挖掘机的大部 分设计工作，如Pro/ENGINEER、 UG和Solidworks等。即使部分功能无法完成，也可以与其他软件平台合作来完成，如Nastran等。本文所介绍的研发项目就是在进行液压挖掘机的设计过程中采用了现有软件平台Pro/ENGINEER Wildfire与Nastran等结合的 　　方式，将三维设计与仿真分析技术应用 到液压挖掘机的产品开发中，逐渐掌握并规划了设计流程与手段，收到了良好 效果，并获得了北京市优秀人才培养资 助项目、北京市中青年骨干教师资助项 目，以及江苏省科技支撑计划工业部分 资助项目。 　　下面将对液压挖掘机设计过程中的 一些关键问题进行阐述，而对于目前相 关文献集中介绍的参数化建模等方面的 内容则不再赘述。由于篇幅所限，文中也未讲述Pro/ENGINEER与其他软件结合 使用的内容。 　　二、Pro/ENGINEER三维设计流程 　　目前关于P r o/E N G I N E E R在液压挖掘 机设计方面的文章较多，大多集中在 零件建模、虚拟装配、运动仿真与零 件的有限元分析等方面，只突出了P r o/ E N G I N E E R软件的特点，或者是某个挖掘 机局部功能，尚未有以液压挖掘机设计 为核心的系统性研究。P r o/E N G I N E E R只 是一种工具，而工具必须服务于设计对 象，这也是我们在设计过程中强调的一 点。图2为在Pro/ENGINEER Wildfire中进 行三维设计的技术流程图。 　　这个流程主体是一个并行设计的过 程。在此过程中，首先确定设计方案， 随后进行三维造型与建模，且主要集中 在零件建模上。建模完成后进行装配，并进行静态干涉分析与局部修改;当确 认方案后，进行运动仿真分析，对运动 过程中出现的动态干涉情况进行修订; 确认基本尺寸后，可对关键零部件进行 有限元分析，确定其力学特性是否满足 工作要求，并在此基础上进行结构