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《中国农业机械化科学研究院》 2007年
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面向产品设计的数字化功能样机技术的研究及应用

李杰  
【摘要】: 产品的创新主要集中在产品设计环节,设计对产品的质量、售后服务和环境影响也起着决定性的作用,应用现代设计方法对产品进行设计,提高产品的创新和竞争能力是占有市场的重要手段。产品的数字化设计作为现代设计方法的前沿近年来发展迅速,数字化功能样机设计属于数字化设计的范畴,它主要侧重于数字化样机的功能仿真与分析,是提高产品性能的重要技术手段。本文对数字化功能样机的理论进行了研究,并将数字化功能样机技术应用到联合收割机的设计中,对其关键零部件的性能进行了仿真、有限元分析与优化。 对数字化功能样机的理论基础—计算多体系统动力学和有限元分析进行了研究,介绍了多刚体系统动力学的基本概念、运动学分析和动力学分析,并对多柔体系统动力学进行了介绍;对有限元法的理论进行了介绍,说明了有限元的基本原理和求解步骤。 对机械产品的几何建模、特征建模、参数化建模和数字化装配理论进行了研究,采用参数化特征建模方式建立了联合收割机零部件的三维实体模型,并在此基础上对其进行了虚拟装配,并对装配体进行了干涉检验,得到了联合收割机的关键部件及其整机的数字化功能样机模型,为后续的仿真、分析、优化奠定了基础。 对机械系统的数字化仿真进行了研究,利用机械系统动力仿真软件ADAMS对联合收割机的关键部件—切割器、振动筛进行运动和动力仿真、并根据理论分析验证仿真结果的正确性,得到真实情况下的仿真曲线,为联合收割机的设计提供依据。在合理假设的前提下,从整体的、概率的角度建立了纵向联合收割机脱粒滚筒的数学模型,并对其进行了计算机模拟,仿真的结果较好的显示了脱粒装置的性能,为联合收割机脱粒滚筒的设计提供了理论基础。 针对联合收割机机架承载情况复杂,一般参考同机型类比设计的情况,利用有限元软件ANSYS对联合收割机的机架进行了有限元静动态特性分析,得出了联合收割机机架结构在静止或匀速行驶工况和紧急制动工况下的应力情况,并对其进行了分析;同时对机架结构的模态分析,得到了前六阶模态,并对其进行了动力分析。为保证联合收割机脱粒滚筒的动态特性,对联合收割机的脱粒滚筒进行了模态分析,得出了它的前八阶模态与振型,通过分析,该滚筒的动态特性良好,不会发生共振。 研究了机械结构优化设计的理论,并对在ADAMS中进行优化设计进行了介绍,在此基础上根据振动筛的仿真结果,对其进行了结构优化设计,使得优化后振动筛的结构更加合理。在对ANSYS中的优化设计介绍的基础上,对割刀摆臂进行了结构优化,使得优化后摆臂结构在满足应力条件的情况下质量明显减少,减小了摆臂的惯性力对割台的冲击,降低了割台的振动,得到了较好的优化结果。 本文将数字化功能样机技术应用到联合收割机中,对联合收割机的数字化设计进行了探索,对于提高农业机械设计的水平具有重要意义,也为其他农业机械的设计提供了一种技术手段和设计方法。
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