基于虛擬樣機(jī)的裝載機(jī)工作裝置設(shè)計機(jī)械學(xué)院機(jī)械制造及其自動化回云埔虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于裝載機(jī)設(shè)計的必要性

當(dāng)今激烈的市場競爭迫使制造企業(yè)為求得生存和發(fā)展必須對多變的市場需求作出敏捷響應(yīng)，不斷地調(diào)整產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)模式，并能快速地開發(fā)出新產(chǎn)品。而我國傳統(tǒng)工程機(jī)械行業(yè)卻由于新產(chǎn)品開發(fā)周期長，成本高，缺乏市場競爭力。虛擬樣機(jī)技術(shù)的逐漸成熟為實現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)，提高我國工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計水平和市場競爭力提供了強(qiáng)有力的手段。虛擬樣機(jī)的概念虛擬樣機(jī)（virtualPrototype）是相對于物理樣機(jī)而言的，它是最終產(chǎn)品制造之前建立起來的計算機(jī)虛擬數(shù)字化仿真模型。這些數(shù)字化仿真模型將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型結(jié)合在一起，從外觀、功能和行為上模擬真實產(chǎn)品，并對產(chǎn)品的功能、宜人性、可制造性等多方面的性能進(jìn)行綜合測試，以便加快決策速度，改善產(chǎn)品開發(fā)的并行性。虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)，是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。同物理樣機(jī)相比，它可以快速地制作和修改，且數(shù)據(jù)可被重復(fù)利用，能有效地降低產(chǎn)品成本。虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)點

1）成本低，速度快。在實際制造前，設(shè)計工程師可以通過虛擬樣機(jī)方便地更改設(shè)計，進(jìn)而減少物理樣機(jī)數(shù)量，節(jié)約成本;并且，在計算機(jī)上建立虛擬樣機(jī)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物理樣機(jī)的制作時間，有助于加快產(chǎn)品的上市時間。2)有利于提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。產(chǎn)品造型設(shè)計師與結(jié)構(gòu)設(shè)計師可以通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對同一虛擬樣機(jī)進(jìn)行實時交流，這就避免了造型設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴(yán)重脫節(jié)的弊端，3)易于實現(xiàn)原型的多樣化，柔性好。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)和反求技術(shù)，可以方便、快捷而經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)己有產(chǎn)品的改型設(shè)計4)可有效支持協(xié)同設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。5)易于實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程中企業(yè)與用戶的交流。虛擬樣機(jī)技術(shù)直接將人類的創(chuàng)造能力、設(shè)計師豐富的設(shè)計經(jīng)驗與計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲功能結(jié)合起來，把計算機(jī)輔助設(shè)計活動提升為積極參與的主動活動，形成優(yōu)勢互補(bǔ)、人機(jī)融合的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)環(huán)境。6)容易實現(xiàn)多方案比較選擇。由于虛擬樣機(jī)便于復(fù)制和修改的特性，可以在幾乎不增加成本的基礎(chǔ)上完成多個相近的方案，以便進(jìn)行比較選擇，評價方案的可行性，降低不合理方案盲目上馬的風(fēng)險。ADAMS建立動力學(xué)仿真模型的方法仿真分析與仿真結(jié)果后處理

由ADAMS/Solver完成以下4種類型的仿真分析:l)動力學(xué)分析(Dynamic)通過求解一系列非線性的微分和代數(shù)方程，仿真分析自由度大于零的復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動和各種力。2)運(yùn)動學(xué)分析(Kinematic)通過求解一系列代數(shù)方程，仿真分析自由度等于零有確定運(yùn)動的系統(tǒng)的運(yùn)動。3)靜態(tài)分析(Static)通過力平衡條件，求解構(gòu)件各種作用力的靜態(tài)分析。4)裝配分析(Assemble)用于發(fā)現(xiàn)和糾正在裝配過程中的錯誤連接以及不恰當(dāng)?shù)某跏紬l件。工作裝置在ADAMS中的建模與仿真實現(xiàn)裝載機(jī)在插入料堆、鏟取物料和提升轉(zhuǎn)斗的作業(yè)過程中要克服切削物料的阻力、物料與鏟斗間的摩擦力和物料的重力，這些力構(gòu)成了裝載機(jī)的作業(yè)阻力。在實際工作中，作用在鏟斗刃口上的外載荷可分為兩種情況:一是對稱載荷，外載荷沿切削刃均勻分布，計算時可以用作用在斗刃中部的集中力來代替;二是偏心載荷，由于鏟斗偏鏟或物料的不均勻性而使得載荷不均勻分布，形成偏載情況，假設(shè)其作用點在鏟斗邊緣的刃口上。下文對工作裝載在對稱載荷工況和極限偏載工況分別進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果后處理工作裝置有限元分析與優(yōu)化

有限元方法(FiniteElementMethod)是一種借助計算機(jī)進(jìn)行工程分析的離散化數(shù)值方法。有限元方法求解力學(xué)問題的基本思想是將一個連續(xù)的求解域離散化，即分割成彼此用節(jié)點(離散點)互相聯(lián)系的有限個單元，一個連續(xù)彈性體被看作是有限個單元體的組合。裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計方案的實現(xiàn)將虛擬樣機(jī)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法技術(shù)結(jié)合起來，可以形成一個有效的優(yōu)化設(shè)計方案，其實現(xiàn)步驟如下:

1）基于裝載機(jī)的初始設(shè)計方案，在虛擬樣機(jī)環(huán)境中建立參數(shù)化仿真模型，根據(jù)已確定的目標(biāo)函數(shù)、參變量和約束條件，設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù);2)在ProE中改變參變量值，再生模型，在虛擬樣機(jī)環(huán)境中進(jìn)行仿真并記錄結(jié)果，此過程重復(fù)一定次數(shù)，得到多組仿真結(jié)果;3)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)仿真結(jié)果形成優(yōu)化目標(biāo)和參變量之間的虛擬函數(shù);4)用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)，獲得一組較優(yōu)的參變量值，從而得到一個較優(yōu)方案;5)將該較優(yōu)方案導(dǎo)入虛擬樣機(jī)環(huán)境進(jìn)行仿真，檢測仿真結(jié)果并對其作出評價，若滿意，則確定為最終優(yōu)化方案;若不滿意，則修改相關(guān)設(shè)計參數(shù)，開始新一輪優(yōu)化。展望

由于裝載機(jī)本身是一個復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，同時由于在設(shè)計分析過程中缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)，上述工作尚有許多不成熟、不完善的地方，下面就是需要進(jìn)一步開展的工作:l)由于ADAMS軟件包提供的與Pro/E的接口模塊MECHANISM/pro并不能實現(xiàn)兩個軟件間真正意義上的無縫連接，當(dāng)在Pro/E中建立的參數(shù)化實體載入ADAMS/View后，原來定義的尺寸參數(shù)就不復(fù)存在，且不能再次定義，因而不能利用ADAMS的參數(shù)分析和優(yōu)化功能。因而需要對接口模塊進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)真正的無縫連接。2)對于BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和遺傳算法尋優(yōu)的具體實現(xiàn)還要作進(jìn)一步深入的研究。3)需要建立起虛擬樣機(jī)的有效性評估機(jī)制，結(jié)合物理樣機(jī)仿真實驗數(shù)據(jù)，分析誤差產(chǎn)生的原因，研究出一個容錯的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)，以確保虛