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发表于 2007-5-22 11:46:32
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基于CATIA的液压挖掘机产品开发 | | | 隧道网 www.stec.net(2006-10-4) 新闻来源：建筑机械 | | [/td][tr] | 摘 要:将CATIA解决方案应用于液压挖掘机的产品开发中，通过建立数字化模型完成整个设计过程的计算机化操作，对缩短产品开发周期，提高设计质量，增强企业对市场的应变能力具有现实意义。
" M: E1 J6 {# f. \关键词:液压挖掘机；数字模型；产品知识库；CATIA) d9 i9 E) f. D* W& D9 R; d
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单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械，通常包括工作装置、回转机构、动力装置、传动及操纵机构、行走装置和辅助设备等基本组成部分。在根据设计任务及要求进行总体设计时，需确定结构参数及各主要机构的结构方案。然而影响液压挖掘机参数的因素很多，各参数之间又彼此影响制约，关系复杂，而且方案的选择与主要参数的确定常常需要交叉反复进行，这使得设计过程较为复杂，再加上样机试制及性能试验，使得产品的研发周期较长。目前工程机械厂家的生产模式大多是多品种、小批量生产，为满足市场的不同需求，对新产品的开发效率和成功率要求很高，而传统的设计方法很难满足当前快速、高效的市场需求。
; A& w" g: |0 `" u 研究设计工作的计算机化大大提高了设计技术水平，使产品开发从概念设计、选型、结构设计到性能试验的整个过程都通过计算机完成，从而缩短了产品开发周期，提高了设计质量。目前快速发展的CAD技术已可提供完整的电子样机功能，能够完成完整的电子样机的分析、模拟功能，从而减少制造物理样机的费用，并能进行更多方案的验证。CATIA作为一个优秀的CAD/CAE/CAM一体化软件，其解决方案覆盖了产品开发的整个过程，成功地用数字模型无纸加工完成产品开发全过程。下面以某单斗液压挖掘机为例，介绍CATIA在产品开发中的应用。
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/ }: a% q- G$ v应用CATIA建模及虚拟装配
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CATIA中复杂实体的建模主要在零件设计模块和自由曲面模块中完成。零件设计模块由立方体、圆柱体、球体、圆环、旋转体、扫掠体等基本特征，以及带有或不带有技术属性的用户自定义特征构造复杂实体，用并、交、差运算以及用平面或雕塑曲面切割体等操作进行特征问的拼合运算。自由曲面功能模块通过曲面、剪裁曲面的等距偏移、投影、封闭和壳体转换等方法定义曲面类实体，使用缝补操作生成复杂实体。
" |9 t+ A6 [7 o3 [# E 应用CATIA软件建立的三维模型可以从空间任意方向观看模型视图，比二维模型的各个平面投影视图更易于直观考察零件的结构和干涉情况，使设计人员更专著于零件结构设计及优化布局。而且CATIA提供的智能化树状结构，为用户重复修改产品模型提供了既简单又便捷的工作平台，即使是在设计的最后阶段需要作重大修改或者对原有方案进行更新换代，都很容易实现。根据设计计算所掌握的参数数据，建立起主要结构件的模型，如图1所示。
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CATIA装配设计模块是高效的装配管理工具，它提供了在装配环境下可由用户控制关联关系的设计能力，并灵活运用自顶向下和自底向上的方法管理装配层次。通过约束所要装配零件的相对位置，使零件装配到一起构成装配件，可以直观地了解装配件中各零件的相对位置关系和零件装配的次序，及时发现和解决现实产品装配中可能出现的问题，进而验证所设计结构的合理性。同时，CATIA也允许用户在不同的模型上使用特定的零件，实现装配设计和零件设计之间的并行工程。在CATIA中建立的工作装置的装配体爆炸图如图2所示。( q. S8 v* @' j. G% O, i
图1/ q4 |# G3 T7 b8 t s
主要结构件模型
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电子样机的空间分析及运动模拟 Z6 Z# N% b6 e2 f: F2 Y! W
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CATIA的电子样机空间分析模块提供了一系列测量和分析工具，通过对所建立的样机模型进行组内及组问物体之间最短距离的测量，三点弧线的测量，实体的表面积、体积、重心的测量，质量和惯量的测量等操作，获得模型的数据信息；通过切削平面对样机进行截面剖分，显示模型内部结构并判断干涉部位；对装配模型进行碰撞分析、接触分析和间隙分析，判断元件之间的干涉程度，并将干涉结果以报告的形式输出。利用这些分析工具校验样机模型是否合理。
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4 U$ Z( _4 ]+ K7 dCATIA运动机构模拟模块能够模拟机械运动以校验机构性能，通过干涉分析和最小间隙分析来进行机构的运动分析，并通过生成运动零件的轨迹或扫掠体以指导未来的设计，也可以通过与其他DMU产品的集成做更多组合的仿真分析。4 e- n- A5 V" @; j6 n8 S
单斗液压挖掘机的工作运动如图3所示，其反铲作业是一个包含挖土、举升动臂、旋转、卸土、回转、下降动臂的循环过程。整个过程的模拟应注意动作的正确性、平稳性和准确性。进行机构模拟时将整机设为4个自由度，分别为上车身和底盘的Revolute连接(角度驱动)、动臂液压缸和活塞杆的Cylindrical连接(长度驱动)、斗杆液压缸和活塞杆的Cylindrical连接(长度驱动)、铲斗液压缸和活塞杆的Cylindrical连接(长度驱动)。对每个驱动，利用编辑规则语句定义其运动形式。以铲斗液压缸和活塞杆的长度驱动为例，当活塞杆伸出长度按图4规律变化时，用6组if条件语句将机构的仿真时间划分为6个时间段，在不同的时
; v( }$ B( V3 s0 D( E1 G. h8 Z间段里，活塞杆伸出长度按不同的规律变化，根据语句中相应的计算公式计算得到不同时刻活塞杆伸出长度的值，驱动铲斗按给定规律运动。按上述规则进行仿真，可得到铲斗工作过程的运动。图5捕捉了铲斗运动仿真过程中的几个不同姿态。
6 [# K7 T8 X) w5 h, `' U$ g 同样也可对动臂液压缸、斗杆液压缸以及车身与底盘问的角度驱动添加运动规律进行联合仿真，从而判断零件问是否发生运动干涉以及能否实现预定的运动，图6为铲斗的斗齿尖在仿真过程中的空间运动轨迹。
! W: z8 e0 Y& ]- G- p图3
/ g, \1 t% u3 H4 P7 |* u单斗液压挖掘机的工作运动 图4$ ~' l1 `; ]% a: Y- u% o6 t; M* `$ }
铲斗液压缸运动规律曲线 图5# f3 Z S! b4 t, v9 b
铲斗运动姿态 图6
9 X6 y3 N. M) z4 p" K斗齿尖空间运动轨迹
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结构件的静力学有限元分析& A( z. h# s9 o; {
工程分析中的一项重要工作是利用分析工具计算零部件的强度、刚度及动态特性，从而预知所设计的零部件是否满足要求。常用的分析工具是有限单元法，而有限单元法理论较为复杂，非专业人员难以在短期内掌握。CATlA的GPS模块以其友好的用户化界面很好地解决了这一问题，利用该模块，非分析专业的设计人员只需在模型上添加约束和载荷，就可以快速进行初步的有限元分析，得到分析系统对设计的验证。以动臂为例，取挖掘工作中动臂可能出现最大载荷的位置，分析其在反铲无偏载工况下的强度、刚度特性，得到动臂的载荷图、变形图、应力图及挠度图(见图7)。2 t' m% k5 K" d% K: G5 s0 q
根据初步分析结果判断所设计的结构是否满足强度要求，若强度不满足要求，则返回建模模块修改结构，并重新验证。
/ g: M2 S* ~- x2 f5 b图7
1 T$ J9 J$ w! v4 N; f$ N0 L动臂强度与刚度分析
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模型的参数化及知识库的建立! u- i8 M' \( F
2 q- A( r+ t# T! {$ u# _6 O/ ]- a1 ^CATIA不仅拥有从设计建模、工程分析、运动仿真到数控加工的完整产品开发方案，而且其特有的软件框架——知识工程及专家系统，可利用基于知识的参数化操作，使相似设计得以重复使用，为产品改型和产品系列化带来很多方便，提高了新产品的开发效率。7 k0 }* t' k, A# G% Q" ]
3 `4 P4 R/ _; G" T9 MCATIA软件中模型的参数化是以产品知识为基础的，这些知识主要来源于行业的设计标准以及企业多年积累的成熟经验。在CATIA的知识工程平台上，用户通过知识工程顾问模块提供的公式、规则和检查等功能将产品设计中所涉及的行业设计标准、尺寸关联、尺寸约束、特征关联等信息表达成模块化的面向对象的高级语言代码，便于设计人员设计中参考与调用。对于标准件和通用件，CATIA利用设计表功能按组存储相关标准数据，并建立表中数据与三维模型特征参数的联系。通过选择表中不同记录，即可改变几何尺寸以获得所需零件的模型。这种智能化的解决方案把定义产品功能的显性规则和在设计过程中交互地捕捉设计意图结合起来，使得系统像顾问一样指导用户来完成整个设计过程，对违反规则或发生冲突的情况发出警告，并提出适当的建议，实现智能化设计，大大减少出错的风险。2 G. l( N0 E, Y8 s
例如液压挖掘机的铲斗，根据作业对象和作业条件的不同，有多种标准斗容量和结构型式(图8列出了某标准斗容量铲斗的几种不同结构形式)。通过CATIA的知识工程顾问模块可以建立铲斗的参数化模型，运用公式、规则、特征、设计表等驱动模型，把所建立的铲斗模型导人Cata—log模板建立产品库，这样在进行装配时用户可根据需要直接调用不同斗容量和不同结构形式的铲斗，从而避免了重复性的建模工作。如图9所示为在一个装配产品中调用了4个结构形式不同的铲斗模型。设计人员也可以通过学习算法及编程语言，将本企业的设计知识加入知识库，不断地丰富产品的知识库，使其更有助于设计，这样当用户进行创新设计时速度更快也更加安全。
* r. ~2 \) m0 O4 j. V图8
& X& Z! {5 v$ W液压挖掘机铲斗形式 图9. F. @. z! _; N1 i6 k2 U; m/ [8 o+ O1 h
从Catalog模板中调用铲斗模型
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) X0 h( g/ q& a1 v3 c结语
3 S' \) o7 }% J! g+ Q6 G- t: O 应用CATIA完备的产品开发和维护方案进行液压挖掘机产品的设计和改进，使设计过程变得更加灵活、高效、智能。* G& o+ F9 K! }- _7 g: C
与其它CAD软件相比，CATIA以其特有的知识智能模块将企业中规范的设计信息、最优的设计方法和流程等智能资产封装为产品设计模板，方便设计人员在需要时直接调用，既保存了企业知识，又充分利用了这些宝贵经验，加强了企业相关各部门间产品信息共享，更好地支持了并行工程和协同设计能力，解决了行业中知识重用和保留的问题。这使得CATIA软件在液压挖掘机等大型产品的改型设计和系列化设计中发挥了独有的优势，设计者只需在相应的设计模板中输入几个关键参数，饼皿A即可根据知识库中的设计规范实时检查设计，提出设计建议，进行人机对话，自动完成整个设计过程，大大降低了设计的难度和对设计人员的要求，缩短了设计周期。同时CATIA设计方案的完整性以及各个模块之间的一致关联性，可以用同一个模型完成从结构设计、强度验证、运动分析到产品改型维护的一系列设计过程，避免了模型在不同软件之间切换造成的信息丢失，使得设计过程更加连贯，模型更准确。
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(吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春130022)
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