挖掘装载机装载工作装置动力分析、动态应力仿真研究及动臂结构拓扑优化

论文摘要

论文首先采用多体机械系统动力学与液压系统相结合的基本理论和方法,在多体系统分析软件ADAMS中建立了挖掘装载机装载工作装置多体机械系统和液压系统模型,分析了装载工作装置在液压系统驱动下工作的动力性能。其次采用多体系统与有限元分析相结合的方法,建立了完整的装载工作装置的刚—弹耦合体模型,分析了装载工作装置在地面铲掘、举升等工况下的动态应力,得到了弹性部件的应力时间历程和瞬时动态应力分布云图,并通过试验研究证明了该方法的正确性。分析结果为其疲劳寿命分析奠定了重要的基础。最后基于大型有限元软件ANSYS的二次开发语言APDL实现了渐进结构优化法和改进的渐进结构优化法——双向渐进结构优化法,并采用双向渐进结构优化法对动臂结构进行拓扑优化,得到了动臂合理的拓扑形状。总之,本文对挖掘装载机装载工作装置进行了系统、深入的研究工作,在工作装置的动态应力研究以及动臂结构拓扑优化方面有创新性成果,为产品设计、改进提供了依据。同时,本文提出的一些方法可以应用到其他工程结构的动力分析、动态应力研究以及连续体结构的拓扑优化中。本文对装载工作装置特殊八杆机构的研究结果作为厂校协作项目应用在山东临工工程机械厂产品的设计改进中,并投产获取了显著效益。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 挖掘装载机国内外开发现状和发展趋势
• 1.1.1 挖掘装载机简介
• 1.1.2 国外挖掘装载机的发展综述
• 1.1.3 国内挖掘装载机的发展综述
• 1.2 多体系统动力学的发展及研究现状
• 1.2.1 多体系统动力学概述
• 1.2.2 多体系统动力学研究方法
• 1.3 结构拓扑优化研究方法综述
• 1.3.1 结构拓扑优化的解析方法
• 1.3.2 结构拓扑优化的数值方法
• 1.4 八杆机构工作装置研究现状
• 1.5 论文研究的主要内容及意义
• 第二章 多体机械系统动力学仿真理论基础
• 2.1 多刚体系统动力学基础理论
• 2.1.1 多刚体系统的组成
• 2.1.2 系统广义坐标的选择
• 2.1.3 系统动力学方程的建立
• 2.1.4 运动学分析
• 2.1.5 动力学分析
• 2.1.6 静力学分析
• 2.1.7 初始条件分析
• 2.2 弹性体系统动力学基础理论
• 2.2.1 离散化方法
• 2.2.2 模态集成法
• 2.2.3 集成有限元模型的多体理论分析
• 2.3 ADAMS软件应用中解决数值发散的技巧
• 2.3.1 数值发散的原因
• 2.3.2 解决数值发散的技巧
• 2.4 本章小结
• 第三章 挖掘装载机装载工作装置多体系统动力学建模
• 3.1 ADAMS中多体模型的建立方法
• 3.1.1 几何模型的创建
• 3.1.2 定义约束和运动
• 3.1.3 模型中多余约束的检查、修改
• 3.1.4 施加作用力
• 3.2 装载工作装置多体系统模型的建立
• 3.2.1 对称载荷工况工作装置多体系统模型
• 3.2.2 偏载工况工作装置多体系统模型
• 3.3 装载工作装置液压系统模型的建立
• 3.3.1 装载工作装置液压系统
• 3.3.2 ADAMS/Hydraulics简介
• 3.3.3 ADAMS中装载工作装置液压系统建模实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 挖掘装载机装载工作装置动力分析
• 4.1 装载工作装置外载荷的确定
• 4.1.1 插入阻力
• 4.1.2 铲取阻力
• 4.1.3 ADAMS中装载工作装置仿真外载荷的施加
• 4.2 装载工作装置机械系统动力分析
• 4.2.1 工作装置的典型工况
• 4.2.2 工作装置平移性、卸载性分析
• 4.2.3 铲斗齿尖轨迹分析
• 4.2.4 铰点受力分析
• 4.2.5 各构件夹角变化分析
• 4.3 装载工作装置液压系统动力分析
• 4.3.1 液压缸速度、长度变化分析
• 4.3.2 液压缸两腔的压力变化分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 挖掘装载机装载工作装置动态应力仿真及试验研究
• 5.1 结构动态应力计算方法概述
• 5.2 弹性体系统建模中修正的Craig-Bampton法
• 5.2.1 传统的Craig-Bampton方法
• 5.2.2 修正的Craig-Bampton方法
• 5.3 装载工作装置刚-弹耦合体建模
• 5.3.1 有限元模态分析理论
• 5.3.2 工作装置弹性部件模态分析
• 5.4 工作装置动态应力分析
• 5.5 工作装置动态应力试验研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于双向渐进结构优化法的动臂结构拓扑优化
• 6.1 基本的渐进结构优化（ESO）方法
• 6.1.1 基于应力和灵敏度的渐进结构优化方法
• 6.1.2 灵敏度分析
• 6.2 双方向结构进化拓扑优化法（BESO）
• 6.3 拓扑优化中的数值不稳定现象及其解决办法
• 6.3.1 棋盘格式
• 6.3.2 网格依赖性
• 6.3.3 局部极值
• 6.4 基于ANSYS二次开发的渐进结构优化法实现
• 6.4.1 ANSYS二次开发语言APDL简介
• 6.4.2 渐进结构优化法的实现
• 6.4.3 算例
• 6.5 动臂结构的双方向渐进拓扑优化
• 6.5.1 动臂满设计区域的确定
• 6.5.2 工作装置有限元模型的建立
• 6.5.3 载荷工况
• 6.5.4 多载荷工况下动臂结构的BESO方法优化结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及完成的科研项目
• 附录
• 致谢
• 摘要
• Abstract