基于有限元法的轮式装载机工作装置多体系统动力学建模与仿真

摘要

在研究轮式装载机工作装置性能时，其动力学建模、求解与分析始终是一个关键性问题。然而，由于工作装置本身是一个复杂的多体系统，传统的多刚体动力学方法对轮式装载机工作装置的动力学建模、求解十分繁杂，这无疑给轮式装载机工作装置系统动力学研究带来了很大的困难。因此，更为简捷、规范和高效的轮式装载机工作装置动力学建模仿真研究是一个有较好意义的研究课题。
　　 本文对轮式装载机工作装置进行了工作性能分析和任意位置下的受力情况分析，在此基础上，根据工作装置结构特点，运用有限元法，分别求解了杆单元和三角形平板单元的质量矩阵和雅可比矩阵，然后，推导出轮式装载机工作装置的系统质量矩阵和等效力系表达式，并根据动力学普遍方程，建立工作装置系统的动力学微分方程，从而得到轮式装载机工作装置的动力学模型。
　　 运用降阶的四阶Runge-Kutta方法对模型进行求解仿真。将仿真结果与工作装置实际工作时的数据对比，证明所建模型基本正确。对求解结果的分析也表明所建动力学模型反映了系统各个构件的运动关系和动力学特性。该方法建模过程简单，提高了建模的效率，从而较好的解决了在设计和分析过程中模型复杂的问题，为轮式装载机工作装置的动态性能研究、振动与噪声分析等有一定的借鉴作用，同时对轮式装载机工作装置的动态设计也有一定的价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1多刚体系统动力学的概况和研究方法

1.1.1多刚体动力学的概况

1.1.2多刚体系统动力学的研究方法

1.2有限元法在多刚体系统动力学中的应用

1.3研究背景

1.4轮式装载机工作装置的设计方法

1.5论文研究的主要内容

第二章 轮式装载机工作装置的多刚体运动学分析

2.1轮式装载机工作装置结构简介

2.2建立轮式装载机工作装置位姿位移分析模型

2.2.1动臂举升机构

2.2.2反转六杆机构

2.3角速度与角加速度的分析

2.4轮式装载机工作装置性能分析

2.5本章小结

第三章 轮式装载机工作装置的多刚体力学分析

3.1轮式装载机的作业方式和作业工况

3.1.1轮式装载机的作业方式

3.1.2轮式转载机作业工况

3.2外载荷的确定原则

3.3轮式装载机工作装置受力分析

3.3.1工作装置力学模型

3.3.2工作装置受力分析

3.4本章小结

第四章 轮式装载机工作装置的多刚体动力学建模

4.1集中质量矩阵

4.2杆单元质量矩阵

4.2.1杆单元结点集中转动惯量

4.2.2杆单元结点集中质量

4.2.3杆单元质量矩阵

4.3三角形平板单元质量矩阵

4.3.1三角形平板单元结点集中转动惯量

4.3.2三角形平板单元结点集中质量

4.3.3三角形平板单元质量矩阵

4.3轮式装载机工作装置动力学分析模型

4.4轮式装载机工作装置系统质量矩阵

4.5实际力系和等效力系

4.6虚位移和雅可比矩阵

4.6.1轮式装载机工作装置虚位移分析

4.6.2轮式装载机工作装置雅可比矩阵分析

4.7系统的动力学方程

4.8与凯恩方法的比较

4.9本章小结

第五章 轮式装载机工作装置动力学模型分析

5.1二阶微分方程的数值求解方法-龙格—库塔方法

5.1.1 Taylor级数法

5.1.2 Runge-Kutta方法的基本思想

5.2系统的动力学方程求解

5.3工作装置动力学分析

5.3.1动力学模型仿真分析

5.3.2对比分析

5.4本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

附录1

致谢

攻读学位期间发表论文情况

攻读硕士学位期间参与的研究课题