仿真技術與液壓挖掘機的開發

摘要：液壓挖掘機是一種功能典型、工況復雜、用途非常廣泛的工程機械，特別是在中國這樣一個發展中國家，幾乎在所有的基礎建設中都要用到挖掘機。文章介紹了計算機仿真技術，及其在液壓挖掘機設計開發中的應用。
　液壓挖掘機是一種功能典型、工況復雜、用途非常廣泛的工程機械，特別是在中國這樣一個發展中國家，幾乎在所有的基礎建設中都要用到挖掘機。節能型挖掘機就成為發展的方向和趨勢，利用計算機仿真技術進行液壓挖掘機的設計開發成為目前主要的先進設計手段之一。
　1　計算機仿：
　　1.1傳統技術的缺陷：
　　傳統批量產品的開發過程通過單件產品的模型試驗來獲取信息，然后再制造物理樣機來核查設計要求是否達到。要加快設計周期，滿足市場需求，可以采用“并行設計”的思想，但是產品有實質性變化時設計需要反復試驗和修正，影響了并行設計的效果。要有效地加快設計進程，最合理的方法是加快樣機的試制。由于物理樣機的試驗和改進延長了設計周期，多個樣機的制造更導致成本高昂，可見傳統的基于物理樣機的產品開發設計模式有待改進。
　　1.2市場競爭的需要：
　　隨著世界經濟和科學技術的飛速發展，企業為了提高競爭力，必須縮短新產品研制和開發，降低產品的研發成本，進行創新性設計.計算機仿真技術就是在這種迫切需要的驅動下產生的。
　　1.3仿真技術實現的可能性：
　　計算機軟硬件的發展，為計算機仿真技術的實現提供了良好的支持和技術環境。仿真技術的產生和發展與CAD技術的成熟及大規模推廣應用分不開。此外，機械系統動力學建模理論的計算機實現使得參數化機械系統動力學數學“軟模型”得以很好實現。計算機硬件的發展，加上數值算法的進步，加快了復雜的數學模型仿真運算速度，促進了計算機可視化技術及動畫顯示技術的提高，為虛擬樣機技術提供了良好的用戶交互界面。
2　計算機仿真技術發展趨勢：
　雖然現有的仿真工具可以有效輔助產品某個功能單元的設計開發，但隨著產品規模和復雜程度的不斷增長，分系統問的關系也越來越復雜。僅靠傳統的單領域仿真已經很難滿足對整個產品或其某個復雜子系統的功能和行為分析。目前，有不少商用仿真軟件本身里邊有好多模塊，它既可以對一個產品進行聯合仿真，同時也提供了與其他仿真軟件之間的接口。通過這些接口，實現多領域建模，并提供聯合仿真運行功能。
　　3　聯合仿真技術的特點：
　傳統的設計思想是串行的過程，從設計到產品的批量生產按照從前至后的順序進行。在整個過程中各個小組往往把注意力集中在各自的細節上而忽略了整機性能，最終產品集成后存在沖突缺陷。
　　聯合仿真技術采用數字仿真的形式進行虛擬產品設計開發，仿真模型的參數就是物理樣機的設計參數，虛擬樣機因為參數修改方便，相比物理樣機而言是“軟模型”，能輕易地實現原型的多樣化，柔性好。無需制造實物樣機就可預測產品的性能.節省了物理樣機制造時間，降低了開發成本，減少了風險。
　　4　仿真技術與液壓挖掘機開發：
　　4.1復雜產品仿真技術研究現狀：
　　復雜產品通常涉及眾多學科領域，其每個子系統都可能是由各學科領域的零部件組成。眾多的子系統相互作用，組成一個有機的整體，展示出產品的外觀和功能。
　　仿真通過對所要研究系統模型的開發，幫助人們了解系統的行為，使人們在產品設計階段即可對產品行為進行全面的分析，并有可能根據產品行為進行優化設計。復雜產品由于自身的復雜性，開發難度大、時間長、成本高，因此要求將仿真應用于其設計中，使企業能以更短的時間、更好的質量、更低的成本推出自己的產品。在過去的10—20年內，隨著計算機軟、硬件技術的飛速發展，仿真技術已在復雜產品設計中得到大量應用。
4.1.1系統動力學仿真現狀
　　虛擬樣機是一種新型的設計、開發和評估手段，其在工程中的應用是通過商業化軟件實現的。由于系統仿真技術能夠滿足真實產品設計要求，通過建立機械系統的虛擬樣機。使得在物理樣機建造前便可分析出它們的工作性能，因而其日益受到國內外機械領域的重視。目前，國際上有20多家公司在這個日益增長的市場上競爭，比較有影響的有美國MSC.Soflware公司的ADAMS、比利時LMS公司的DADS等。
　　4.1.2液壓控制系統仿真現狀：
　　從20世紀70年代初開始，國外開始進行液壓系統和元件的計算機數字仿真研究，經過幾十年的研究開發，液壓仿真軟什的性能實現了從原先的精度低、速度慢，發展到精度高、速度快：從只能處理線性系統發展到能處理非線性系統；從復雜的編程和輸入發展到交互友好的圖形用戶界面等。隨著計算機技術的發展，液壓系統仿真技術得到了迅速發展，近幾年來，各款老牌的液壓仿真軟件公司紛紛推出了面目一新的版本，例如，英國的Bathfp、瑞典的Hopsan等。
　　4.1.3聯合仿真現狀：
　　目前。人們已經開始將機械、控制、電子和軟件等多領域的聯合仿真應用于汽車、鐵路車輛、作戰系統等復雜產品的設計中，例如：福特公司將整車多體動力學仿真和汽車姿態控制系統仿真集成，通過機械、控制的多領域聯合仿真，使機械設計人員和控制系統設計人員能夠更好地進行通信和協同工作，極大地縮短了產品開發時間。
　　雖然聯合仿真已經在很多領域得到應用，但目前的應用還存在諸多局限，主要體現在：通常只能做到機械、控制和液壓等少數領域的聯合仿真。通常只能局限于單臺計算機上集中進行，分布式協同建模和分布式仿真運行幾乎不可能。
　　4.2仿真技術在液壓挖掘機領域的應用
　　4.2.1國內應用現狀
　　國內液壓挖掘機行業近年來雖有很大發展，但與國外挖掘機行業發達國家相比仍存在許多不足，設計水平與發達國家相比有較大的差距。國內眾多的研究人員和單位對液壓挖掘機工作裝置設計進行了不少研究，開發了設計軟件，他們的研究基本上局限于某些問題的解決，關于工作裝置設計參數分析和在CAD上其自動設計的綜合研究文獻還沒有。因此，開發出的軟件缺少通用性，不能用于挖掘機一些通用問題的解決，對液壓挖掘機進行分析的大型通用軟件目前市場上還很少。
　　4.2.2國外應用現狀
　　仿真技術在國外工程機械的很多方面都得到應用，如車輛懸架設計、發動機設計和沖擊特性預測、駕駛員行為特性仿真、挖掘功率預測及工作效率預測等多方面都成功地應用了仿真技術。
　　世界最大的工程機械設備制造企業Caterpiller公司，采用仿真技術改進了設計過程，節省了制造物理樣機所需的數月時間和數百萬美元，實現了快速、低成本、高質量的開發。
　　

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