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基于可视化虚拟设计的甘蔗收获机械设计开发若干关键技术研究

蒙艳玫  
【摘要】: 丘陵地带甘蔗收获机械的研究开发是目前急待解决的一个课题。虚拟设计技术是21世纪先进的产品开发技术,是快速研发丘陵地带甘蔗收获机械的有效手段。但是目前还未见采用虚拟设计技术开发甘蔗收获机械的研究成果报道。本研究提出采用可视化虚拟设计技术进行甘蔗收获机械的研发,并围绕设计开发过程的若干关键技术进行分析研究。论文首先阐述了基于虚拟设计技术的甘蔗收获机械设计开发的总体框架流程,提出采用产品数据管理(PDM)框架软件将产品开发过程中用到的CAD、CAE、及设计、分析和评价综合决策系统等软件集成在一起;并建立甘蔗收获机械产品开发的过程管理模型及产品数据模型,快速有效的构建出其可视化虚拟设计平台,从而实现对产品开发过程的有效组织、管理、控制及提供系列化开发的支持工具。其次,深入研究了甘蔗收获机械开发的瓶颈——剥叶机构的可视化虚拟设计方法,分析了核心元件——剥叶元件不同装夹方式的影响机理。对剥叶元件的优化设计问题,提出了采用数值模拟正交试验(即虚拟正交试验)的多目标多因素的优化设计方法,并构建出剥叶元件的虚拟试验分析平台,为剥叶元件的分析及甘蔗收获机械的系列化设计提供了有效的工具。 论文研究的主要内容和创新点如下: (1) 在丘陵地带甘蔗收获机械已有研究基础上,提出了其可视化虚拟设计的总体设计思路和方法。其设计开发首先必须详细分析丘陵地带甘蔗种植收获的特点及对机器的功能需求,进行总体选型设计。其次对几个主要机构部件进行创新设计,构建它们的三维模型,并经运动学、动力学仿真分析、机电液系统仿真分析及有限元分析,对机构设计方案进行修正并对设计主参数进行优化,经虚拟装配后初步得到整机模型。在对整机反复进行仿真、分析和优化,并经实验局部修正后,最终得出产品级的数字化样机模型。从而极大地提高设计开发的效率和成功率。 (2) 鉴于丘陵地带甘蔗收获机械设计开发的特殊性和复杂性,目前尚无支持其设计开发全过程的开发系统。本文提出了采用PDM框架软件集成设计过程用到的CAD、CAE等应用软件,构建设计开发平台。并将自行开发的 摘 要 设计、分析和评价综合决策系统也嵌入到平台中,形成具有一定智能的设 计支持环境。在分析甘蔗收获机械产品设计开发功能模型和开发数据信息 流的基础上,建立了产品设计开发的工作流管理模型和产品数据管理模 型;并采用产品结构变量配置实现其系列化的设计,从而有效地支持了产 品开发过程的数据管理、组织、控制及其系列化产品的开发。 *)深入分析了整杆式甘蔗收获机械设计开发的瓶颈一剥叶机构的工作机 理。提出了剥叶机构的总体设计方案。结合理论、仿真和实验分析了其核 心元件——剥叶元件工作过程的受力状态及其影响因素,找到了排刷式剥 叶元件受力及对剥叶效果影响的分析依据。 O)由于影响剥叶质量和剥叶元件使用寿命的因素很多,针对这种没有明确优 化目标函数和具体约束条件的多因素、多目标优化设计问题,提出了采用 数值模拟正交试验的方法进行分析,快速寻找设计参数的最佳组合,有效 地解诀了甘蔗收获机械设计开发的瓶颈问题。 O)深入分析了高分子剥叶元件疲劳断裂的机理及影响因素。认为元件注塑成 型造成的缺陷会引起应力集中成为疲劳源,在周期动载荷的作用下,应力 集中部位逐渐萌生裂纹,并不断扩展,当应力值超过材料的内聚破坏的临 界值时,试样就在应力集中的有缺陷或缺口处突然断裂。对于剥叶元件疲 劳寿命的预估,采用计算机仿真分析是快捷有效的方法。结合数值模拟正 交试验,通过编程工具开发出剥叶元件设计、分析、优化和疲劳寿命预估 的虚拟试验分析平台,并把试验平台嵌入到甘蔗收获机械可视化虚拟设计 支持平台中,进一步完善了该设计平台的功能。


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