仿真技术与液压挖掘机的开发

扫地僧

　　摘要：液压挖掘机是一种功能典型、工况复杂、用途非常广泛的工程机械，特别是在中国这样一个发展中国家，几乎在所有的基础建设中都要用到挖掘机。文章介绍了计算机仿真技术，及其在液压挖掘机设计开发中的应用。
　　关键词：仿真技术；液压挖掘机；联合仿真
　　
　　液压挖掘机是一种功能典型、工况复杂、用途非常广泛的工程机械，特别是在中国这样一个发展中国家，几乎在所有的基础建设中都要用到挖掘机。节能型挖掘机就成为发展的方向和趋势，利用计算机仿真技术进行液压挖掘机的设计开发成为目前主要的先进设计手段之一。
　　
　　1　计算机仿真技术产生的背景
　　
　　1.1传统技术的缺陷
　　传统批量产品的开发过程通过单件产品的模型试验来获取信息，然后再制造物理样机来核查设计要求是否达到。要加快设计周期，满足市场需求，可以采用“并行设计”的思想，但是产品有实质性变化时设计需要反复试验和修正，影响了并行设计的效果。要有效地加快设计进程，最合理的方法是加快样机的试制。由于物理样机的试验和改进延长了设计周期，多个样机的制造更导致成本高昂，可见传统的基于物理样机的产品开发设计模式有待改进。
　　
　　1.2市场竞争的需要
　　随着世界经济和科学技术的飞速发展，企业为了提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发，降低产品的研发成本，进行创新性设计.计算机仿真技术就是在这种迫切需要的驱动下产生的。
　　
　　1.3仿真技术实现的可能性
　　计算机软硬件的发展，为计算机仿真技术的实现提供了良好的支持和技术环境。仿真技术的产生和发展与CAD技术的成熟及大规模推广应用分不开。此外，机械系统动力学建模理论的计算机实现使得参数化机械系统动力学数学“软模型”得以很好实现。计算机硬件的发展，加上数值算法的进步，加快了复杂的数学模型仿真运算速度，促进了计算机可视化技术及动画显示技术的提高，为虚拟样机技术提供了良好的用户交互界面。
　　
　　2　计算机仿真技术发展趋势
　　
　　虽然现有的仿真工具可以有效辅助产品某个功能单元的设计开发，但随着产品规模和复杂程度的不断增长，分系统问的关系也越来越复杂。仅靠传统的单领域仿真已经很难满足对整个产品或其某个复杂子系统的功能和行为分析。目前，有不少商用仿真软件本身里边有好多模块，它既可以对一个产品进行联合仿真，同时也提供了与其他仿真软件之间的接口。通过这些接口，实现多领域建模，并提供联合仿真运行功能。
　　
　　3　联合仿真技术的特点
　　
　　传统的设计思想是串行的过程，从设计到产品的批量生产按照从前至后的顺序进行。在整个过程中各个小组往往把注意力集中在各自的细节上而忽略了整机性能，最终产品集成后存在冲突缺陷。
　　联合仿真技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参数就是物理样机的设计参数，虚拟样机因为参数修改方便，相比物理样机而言是“软模型”，能轻易地实现原型的多样化，柔性好。无需制造实物样机就可预测产品的性能.节省了物理样机制造时间，降低了开发成本，减少了风险。
　　
　　4　仿真技术与液压挖掘机开发
　　
　　4.1复杂产品仿真技术研究现状
　　复杂产品通常涉及众多学科领域，其每个子系统都可能是由各学科领域的零部件组成。众多的子系统相互作用，组成一个有机的整体，展示出产品的外观和功能。www.jixiecun.com
　　仿真通过对所要研究系统模型的开发，帮助人们了解系统的行为，使人们在产品设计阶段即可对产品行为进行全面的分析，并有可能根据产品行为进行优化设计。复杂产品由于自身的复杂性，开发难度大、时间长、成本高，因此要求将仿真应用于其设计中，使企业能以更短的时间、更好的质量、更低的成本推出自己的产品。在过去的10—20年内，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，仿真技术已在复杂产品设计中得到大量应用。

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　　4.1.1系统动力学仿真现状
　　虚拟样机是一种新型的设计、开发和评估手段，其在工程中的应用是通过商业化软件实现的。由于系统仿真技术能够满足真实产品设计要求，通过建立机械系统的虚拟样机。使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能，因而其日益受到国内外机械领域的重视。目前，国际上有20多家公司在这个日益增长的市场上竞争，比较有影响的有美国MSC.Soflware公司的ADAMS、比利时LMS公司的DADS等。
　　4.1.2液压控制系统仿真现状
　　从20世纪70年代初开始，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究，经过几十年的研究开发，液压仿真软什的性能实现了从原先的精度低、速度慢，发展到精度高、速度快：从只能处理线性系统发展到能处理非线性系统；从复杂的编程和输入发展到交互友好的图形用户界面等。随着计算机技术的发展，液压系统仿真技术得到了迅速发展，近几年来，各款老牌的液压仿真软件公司纷纷推出了面目一新的版本，例如，英国的Bathfp、瑞典的Hopsan等。
　　4.1.3联合仿真现状
　　目前。人们已经开始将机械、控制、电子和软件等多领域的联合仿真应用于汽车、铁路车辆、作战系统等复杂产品的设计中，例如：福特公司将整车多体动力学仿真和汽车姿态控制系统仿真集成，通过机械、控制的多领域联合仿真，使机械设计人员和控制系统设计人员能够更好地进行通信和协同工作，极大地缩短了产品开发时间。
　　虽然联合仿真已经在很多领域得到应用，但目前的应用还存在诸多局限，主要体现在：通常只能做到机械、控制和液压等少数领域的联合仿真。通常只能局限于单台计算机上集中进行，分布式协同建模和分布式仿真运行几乎不可能。
　　
　　4.2仿真技术在液压挖掘机领域的应用
　　4.2.1国内应用现状
　　国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，设计水平与发达国家相比有较大的差距。国内众多的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，开发了设计软件，他们的研究基本上局限于某些问题的解决，关于工作装置设计参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能用于挖掘机一些通用问题的解决，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。
　　4.2.2国外应用现状
　　仿真技术在国外工程机械的很多方面都得到应用，如车辆悬架设计、发动机设计和冲击特性预测、驾驶员行为特性仿真、挖掘功率预测及工作效率预测等多方面都成功地应用了仿真技术。
　　世界最大的工程机械设备制造企业Caterpiller公司，采用仿真技术改进了设计过程，节省了制造物理样机所需的数月时间和数百万美元，实现了快速、低成本、高质量的开发。
　　工程机械著名厂家John Deem公司，曾遇到工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，采用仿真技术不仅找到了原因，而且提出了改进方案，同时在虚拟样机上得到了验证，最终应用到实际产品中。