安晓蒙_小型履带式弹药供给车工作装置建模与性能仿真分析_论文初稿
河北工业大学
毕业设计说明书(论文)
作者：安晓蒙学号：080236
学院：机械工程学院
系(专业)：车辆工程系
题目：小型履带式弹药供给车工作装置建模与
性能仿真分析
指导者：卞学良教授
评阅者：教授
2012 年 5 月 20日
题目小型履带式弹药供给车工作装置建模与仿真分析
摘要：
目前，随着科学技术的迅速发展，军事装备也在以高速发展，各国先进军事装备也在以各种姿态向人们诉说一个国家的实力和发展的速度。随着军事装备的迅速发展，对于军事装备的运输装备也越来越严格。因此，对于弹药运输车，其工作性能的稳定性也越来越严格。本文就是在此背景下，设计出的小型履带式弹药运输车。由于是弹药的运输，对于该车的工作装置的平稳性有很高的要求。本文主要以履带运输车的工作装置为研究对象，对其进行建模的和性能的仿真分析。本文的主要内容如下：
第一，综述履带运输车的发展状况及其工作装置国内外的研究现状。
第二，应用UG三维建模软件建立履带运输车的主要工作部件及工作部件的装配。
第三，应用ADAMS/View软件对小型履带运输车工作过程进行仿真及相关参数的性能分析。
关键词：小型履带式弹药运输车运输车工作装置 UG建模 ADAMS/View仿真
Title Small caterpillar ammunition feed car work device modeling and simulation analysis
Abstract
Now, along with the rapid development of science and technology, military equipment with high speed development in, countries advanced military equipment on all sorts of attitude to a story about a country's strength and the speed of development. With the rapid development of military equipment, transportation equipment for military equipment is also more and more strictly.So, for ammunition truck, the working performance of stability is also more and more strictly.This article is in this context, the design of small crawler transporter ammunition. Because the carriage
of ammunition, for the work of the device requires a high degree of stability. This paper mainly crawler transporter work device as the research object, the modeling and performance of the simulation analysis. The main content of this article as follows：
First, this paper reviews the development of caterpillar vehicle status and work at home and abroad and research status of the device.
Second, using UG 3 d modeling software based on the crawler transporter main work of parts and the assembling of the parts of a work.
Third, the application of the ADAMS/View software package for small crawler transporter working process simulation and related parameters of the performance analysis.
Keywords：Small crawler transporter ammunition Truck work device
UG modeling ADAMS/View simulation
目录
1 引言 (1)
1．1 叉车国外发展现状 (1)
1.2 叉车国内发展现状 (3)
1.3 研究的内容，目的，意义 (4)
2 小型履带式弹药运输车工作装置的建模 (4)
2.1 建模工具简介 (4)
2.2 零部件建模 (6)
2.3 工作装置的整体装配 (9)
3 小型履带式弹药运输车工作装置的仿真分析 (12)
3.1 仿真工具简介 (12)
3.2 仿真过程简介 (12)
4 小型履带式弹药相关数据计算 (20)
4.1 货叉在地面准备提起货物时相关计算 (20)
4.2 货车在车上准备举升货物时的相关计算 (23)
4.3 货叉举升货物到最高位置时的相关计算 (25)
结论 (31)
参考文献 (32)
致谢 (33)
1 引言
随着科学技术的快速发展，一个国家的综合实力越来越的体现在了军事装备的运输中。一个国家的军事设备先进了，那么这个国家在世界民族之林也就拥有了很高的地位。然而，在真正的作战过程军事装备的先进是远远不够的，必须保证足够的后备物料。因此，对于军事装备的运输有了很高的要求，既要达到快速的效果，又要保证装备的安全性，既要适应恶劣的工作环境，又要保证运输装备自身的牢固性。
小型履带式弹药运输车的履带式车轮既保证了该车能够在泥泞，丛林等恶劣的工作环境中进行运输活动，又能够保证弹药运输的平稳性和安全性。小型履带式弹药运输车与叉车的工作原理有着很大的相似性，都是用来运输货物。运输的货物不同也有着不同的性能要求。现在我们先从叉车研究。对于叉车的研究不仅是运输速度的快慢，更有稳定性理论和计算[1]。要确保叉车的工作装置的平稳性就更要先确定叉车的重心位置[2]以及叉车的横向稳定性[3,4,5]。
1．1 叉车国外发展现状
叉车有机动灵活，活动范围大以及通用性强等特点，在完成一些野外恶劣条件下的作业时，大大减轻了工人劳动的强度，提高了工作效率。随着科技的发展，叉车所处的地位越来越显著。随着使用要求的越来越高，对于叉车的性能要求也越来越严格。随着要求的产生，叉车也在以高速发展变化着。
世界上主要的叉车生产国为日本、德国和美国, 国际上产销量排名前几位的叉车制造商有林德、丰田、纳科、永恒力、小松、TCM 和力至优等著名公司。
国外的叉车品种齐全，各具特点，然而种类差异也很大，能够高效率的完成各种环境的作业。并且在人机工程，节约和环保方面做的出众。比如，世界上第一品牌的叉车，林德（Linde)叉车。世界上唯一一个将静液压技术应用于叉车的公司。
林德叉车主要分为以下几类:电动叉车，集装箱叉车和内燃叉车。以下分别介绍其特点。
图1-1 E40
林德公司电动叉车E40。林德电动叉车前轮是由自己公司制造的电机驱动，此电机装于一整体桥上。该电机保证了叉车具有良好的加速性能和爬坡能力以及大的牵引力，而双踏板控制系统又保证了叉车的转向的平稳性，准确性。一个减速器将传动系统的电机和车轮连接起来，省去了差速器，进一步减少了磨损，大大提高了效率。电子脉冲控制系统和双踏板控制系统配合, 使叉车能无级变速和精确地行驶, 该系统装在配重里, 不但拆装容易, 而且得到充分保护。灵敏和几乎无余隙的静压转向系统, 转向力小( 仅20N) , 这样可使小直径的方向盘耗能很小, 叉车可以原地转动。
图1-2 C360
林德集装箱叉车（如图1-2）稳定性，刚性都很好，并且宽视野门架强度高，宽基负载滚轮和门架间的侧向滚轮确保其完全笔直独创的外门架线性横梁设计, 使其焊接应力为最小。一只特殊的液压阻尼倾斜阀将门架扭曲引起的应力通过受控油缸的运动传到车架。高位安装油缸和坚固的门架基座使门架具有一个稳定的定位台架, 重
载钢板制成的单壳体车架强度高。
图1-3 H60 图1-4 H60 内室林德内燃叉车如图1-3 维修费用低和维修周期较长, 使叉车具有较高的经济性;车内环境良好如图1-4 小型内燃叉车采用可调静液压驱动系统与高扭矩发动机匹配, 可实现叉车无级调速, 效率高、能耗低; 发动机环保性能好, 低能耗、低排放、低噪声； H100 以上柴油叉车则采用高扭矩的涡轮柴油发动机与三级动力换挡传动装置, 起动平稳、加速有力。
如今国外各类叉车都在以很快的速度接近于更完美的性能，再此影响之下我国叉车也再以迅猛的势头发展着。
1.2 叉车国内发展现状
叉车行业是工程机械的一大类产品，最近几年叉车市场一直保持着高速增长的态势，因此吸引了越来越多的企业进入这一领域。但是国内市场与国外市场的格局还是存在不同的，目前国内叉车仍以燃气为主，很少采用电瓶式。就像上一节提到的林德公司的电力式叉车，已采用电做能源，做到了环保意识。
据了解，目前，国内叉车产品主要分为牵引车，平台车，堆垛车，托盘车等。目前，我国叉车主要以托盘车为主，可以分为全自动托盘车，全自动牵引车，全自动平台车三类。
根据相关统计，我国从事工业车辆的内资企业超过100家，外资也有超过18家企业已进入我国建厂和设立销售公司。国内市场的迅速发展吸引了众多的国内外行业、企业巨头的加入。这些企业在技术、研发、资金等方面具有较强的实力，在一定
程度上更大的刺激了叉车市场的产品结构和发展模式的扩展。目前我国经济适用型叉车仍然占据着市场的主要地位，国内叉车主要集中在汽车产业、造纸业、烟草企业、物流和零售业，尤其是在仓储配送中心，叉车的购买和使用率几乎达到了100%。
对于民用叉车的使用，可以看出民用运输装备正在以迅猛的速度发生着进化。相对而言，对于军用运输装备也必然以更加快速的方式进行着发展。本文着重对于小型履带式弹药运输车进行研究。
1.3 研究的内容，目的，意义
本课题研究的主要内容为履带式小型弹药运输车工作装置的建模和仿真分析。因为军事运输装备主要是在野外比较恶劣的条件下进行的，因此对于运输装备也有着特殊的要求。既要求装备有较好的适应能力，又要保证运输物料的安全性。因此，研究的目的主要是保证运输装备既具有较高的适应能力（如增加履带），又要保证工作装置的平稳性。即研究叉车的稳定性[6]的目的有着异曲同工之意。研究的主要意义是保证货物的平移运输，保证货物安全性；履带式的车轮构造保证运输装备更好的适应环境；为其他先进运输装备的设计提供先例。
2 小型履带式弹药运输车工作装置的建模
2.1 建模工具简介
UGS公司提供的Unigraphics NX软件，为用户提供了一套全面的、集成的开发解决产品的方案，用于产品设计、分析、制造，使用户实现产品创新，缩短上市时间，提高质量，降低成本。
Unigraphics（简称UG）是最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，集CAD/CAE/CAM一体的三维参数化软件，大范围的应用于造船、汽车、航天、航空、通用机械和电子等工业领域。Unigraphics现以发布了UG NX1.0到UG NX8.0。
EDS公司的Unigraphics NX是一个产品工程解决方案，用户用它进行产品设计及为加工验证手段和数字化造型[7]。Unigraphics NX有多个模块，二维曲线绘制、三维实体造型、自由曲面造型、装配、工程图转化[8]，我们主要应用的是建模和装配如图2-1 以及草图模块如图2-2 。
图2-1 UG建模
图2-2 UG建模
最后使用UG装配模块如图2-3 ，装配过程是建立部件之间的连接关系。要在相关联的部件之间加上约束，能够很好地确定各部件之间的相对位置，以及各部件相对整体的位置。其中需要加以注意的问题是，不论是改变装配图中的那个部件，其零件图都会随着装配图中的零件发生相对的改变。并且打开一个装配图，那必须在英文目
录的文件下有该装配图对应的零件图。如若不存在，装配图是无法打开的。
图2-3 装配
对于UG软件的注意事项有了一定的了解，我们就可以开始建模工作，为后期小型履带是运输车的工作装置的性能仿真做相应的准备。
2.2 零部件建模
利用UG软件建立各个部件三维空间图，主要包括支座，主臂，主拉臂（2个），副拉臂（2个），货车架（提升液压缸，主动部分，从动部分），主臂液压缸（2个），举升臂液压缸（2个）等，这些零部件都为刚体结构。这些部件都是利用UG软件中的草图，实体，旋转，拉伸，镜像等特征或特征操作生成的。
支座是连接和工作装置的重要部分，支座与车架是焊接而成。如图2-4
主臂三维实体模型如图2-5
图2-5 主臂主拉臂三维实体模型如图2-6
图2-6 主拉臂副拉臂三维实体模型如图2-7
图2-7 副拉臂主臂液压缸三维实体模型如图2-8
图2-8 主臂液压缸举升臂液压缸三维实体模型如图2-9
图2-9 举升臂液压缸框架组合如图2-10
图2-10 框架组合图主横梁组焊图2-11
图2-11 主横梁组焊图
对于零部件三维实体模型的建立，最应该注意的问题是尺寸问题，在完成零部件三维实体模型的建立后，零部件的装配问题也是非常重要的。
2.3 工作装置的整体装配
利用UG软件里的装配模块进行零部件的装配。应注意的时对于任何零部件的修改都会显示在装配图中。
利用UG软件对各个零部件进行装配的过程主要包括以下几个步骤：
1．选择菜单栏中的“开始”选项，观察“开始”中的“装配”选项，点击该选项，直至“装配”前出现对号为止。进入装配模块后，在整个工作窗口的下面出现装
配工具条，该工具条是可以上下移动的。如图2-12
图 2-12 UG装配模块的打开
2．点击装配工具条中的“添加组件”选项，就可以在保存的零部件的路径下打
开该零部件。并且要选择该零部件的放置方式。重复以上操作，可以添加各个部件，
但应注意的时各个零部件之间的装配约束，要注意装配约束的添加不要造成装配误差。如图2-13
图2-13 装配模块添加组件
3．重复以上步骤可以添加各个零部件，直到装配完成。
装配过程图
支座的装配图，如图2-14
对于支座的装配过程中，首先要将车架导入，定好坐标；然后再用“添加组件”选项，将支座引入。对于引入的支座添加相应的装配约束，达到如图所示效果。
图2-14 支座装配过程图
主臂的装配过程，如图2-15
对于主臂的装配过程，同样采用以上步骤。但是主臂在添加一定约束后，需要使用装配菜单栏中“移动组件”选项，对主臂进行一定角度的旋转。对于旋转的角度依据装配情况而定。
图 2-15 主臂的装配过程图
以下为部分组件装配图，如图2-16
图 2-16 部分组件装配图
对于装配过程的进行，应加以注意的问题是装配约束是否添加准确，这对于后期的动态仿真有很大的影响。以及坐标是否准确，对于导入仿真软件是否能进行顺利的动态仿真也是极其重要的。
以下为装配图，如图2-17
图2-17 小型履带式弹药运输车工作装置装配总图
3 小型履带式弹药运输车工作装置的仿真分析
上一章，利用UG NX7.0 建立了小型履带式弹药运输车的工作装置的三维实体模型。本章我们主要是将三维实体模型导出，将其导入ADAMS/View模块，利用ADAMS/View对小型履带式弹药运输车的工作装置进行动态的仿真分析，进行运动学和动力学的仿真分析[9,10,11]。
3.1 仿真工具简介
多体系统动力学ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)该软件是美国MDI（Mechanical DynamicsInc )公司开发的，主要用于机械系统动力学仿真分析[12]。利用该软件可以建立其复杂的也可以是柔性，刚性，以及刚柔混合的运动学和动力学模型。
ADAMS主要可以分为ADAMS/View,ADAMS/Car,ADAMS/Chassis,ADAMS/Driveline, ADAMS/Flex,ADAMS/Insight,ADAMS/Postprocessor,ADAMS/Solver等常用模块，其中各个模块有各个模块的功用。对于本课题所提到的履带式小型弹药运输车的工作装置的性能仿真主要用ADAMS/View进行仿真分析，以下所提到的仿真所进行的前期工作也是在ADAMS/View中进行的。
3.2 仿真过程简介
3.2.1 仿真工作环境的设置
建立模型前，需要设置工作环境，如选择坐标系，单位制，工作栅格，重力加速度[13]等。应注意的是单位制设置与几何模型的单位制不一致，就会出现根本上的问题，这些都得引起注意。
点击菜单栏中的“Setting”之后，在下拉菜单中有“Coordinate System”可以变换坐标系，可以在对话框中选择相应的坐标系，也可以选择坐标系是相对于空间(Spaced Fixed)还是相对于刚体坐标系（Body Fixed)如图3-1所示
图3-1 坐标系选择图
对于工作栅格的设置同样是点击菜单栏中的“Setting”之后，在下来菜单中“Working Grid”,会弹出设置工作栅格对话框。可以用来修改工作栅格的形式，颜
色和方位等。这里我们要用的修改工作栅格的方位较多。如图3-2所示
图3-2 栅格设置图
对于单位制的设置同样是在“Setting”选项的下来菜单中的“Units”选项中，
弹出如图3-3 对话框，将相应的单位设置成适合几何模型的单位制即可。另外系统
已经定义好了几个单位制的组合，如MMKS,MKS,CGS,IPS。
图3-3 单位设置图
对于重力加速度的设置，同样是“Setting”，然后是下来菜单中的“Gravity”,点击该选项后，弹出设置重力加速度对话框，如图3-4所示。系统的默认值是沿Y
轴的负方向，对于重力加速度的值设置时一定要注意单位制。
图3-4 重力设置图
另外还可以设置图标及图标颜色，图形区的背景颜色，模型元素的名称，字体，
以及灯光[14]等。这些都可以根据仿真过程中不同情况进行操作。
3.2.2 仿真模型的导入
当工作环境设置好时，就可以将模型导入。利用ADAMS/View对模型进行动态仿
真，要先将UG模型导出，这里我们应该将实体导出为Parasolid文本文件如图 3-5 ，
然后再导入ADAMS/View模块，导入Parasolid文本文件过程如图 3-6 ，导入过程需
要格式的选取。
图3-5 UG模型导出图
图3-6 UG模型的导入
3.2.3 运动副的创建
ADAMS/View要想模拟实际情况，就要根据实际情况抽象出相应的运动副。在ADAMS/View中运动副主要分为：低副，基本副，高副。低副包括固定副，旋转副，滑移副，圆柱副，平面副，等速副，球绞副，万向节（胡克副），螺杆副，齿轮副，耦合副。基本副包括平行副，垂直副，方向副，点面副，点线副，点点副。高副主要是两种点—线副和线—线副。
对于各个运动副有了一低定的了解我们才可以更加准确和合适的添加各个运动副，使模拟的的模型的工作条件更趋近于实际情况，仿真结果更趋向于真实性。如图3-7所示，以下是运动副加完后的小型履带式弹药运输车的模型。
图3-7 添加运动副后的小型履带式弹药运输车
3.2.4 运动驱动的添加
在履带式小型弹药运输车的工作装置仿真分析过程中，主要是对举升臂液压缸添加驱动来仿真。
履带式小型弹药运输车的主要仿真过程是将货物从地面抬升到一定的高度，主要是主臂液压缸与举升臂液压缸共同工作。
从二维图可以测量出在抬升叉架时，主臂液压缸的运动距离为254mm,举升臂液压缸的运动距离为445mm。
主臂液压缸的驱动函数为STEP( time , 0 , 0 , 10 , 254 )，为STEP函数，其中各个数值的主要意义是：
Time——代表主要为时间控制。
第一个0——代表从0s时刻开始。
第二个0——代表液压缸运动的位移为0mm。
10——代表到达第10s时。
254——代表液压缸运动的距离为254mm。
主臂液压缸液驱动函数曲线如图3-8所示