一、前言

　　液压挖掘机是土石方工程的主要施 工机械，如图1所示。全世界各种施工作 业场约有65%～70%的土石方工程都是由 挖掘机完成的。近年来，国内外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在 工程建设和施工行业中占有很重要的位 置。液压挖掘机迅速发展的根本原因在 于机械本身的优越性、通用性好和操纵 轻便，也在于重视试验研究工作和计算 机技术的引用。

　　在Bauma2008展会上展出的液压挖 掘机中，传统型和通用型产品样机较 少，多是一些有特殊构造、有特色的和多功能产品，这既体现了各厂家市场差 异化的产品发展战略，又体现了各自的 技术水平和实力。这些变化大大扩展了 液压挖掘机的功用，提高了产品的施工 适用性，同时对设计手段和设计效率也提出了更高的要求。液压挖掘机行业作 为工程机械行业的重要分支，其设计方 式正经历着革命性变化，计算机辅助设 计技术的推广应用势在必行。

　　采用新结构和新材料，利用现代 设计技术和先进制造技术，是保证和提高液压挖掘机性能的重要途径。以前通 过大量的样机和试验方式来验证产品可 靠性和稳定性的方法，正在逐渐为虚拟 样机和虚拟试验方式所取代。这些技术 既能缩短产品的设计和制造周期，同时又能提高产品的质量。国外许多有实力的生产厂商、科研机构都已经针对挖掘 机设计开发出一些专业软件，如美国卡 特匹勒(C a t e r p i l l a r)、德国利勃海 尔(L i e b h e r r)、英国J B C和日本神钢(C K O B E L C O)等公司都进行了专业化的 设计软件开发，但目前市场上可供选用 的商品化应用软件却很少。

　　国内液压挖掘机行业近年来虽有较 大发展，但与发达国家相比仍存在许多 不足，其原因除了国内挖掘机加工水平 落后之外，设计水平与发达国家相比也 有较大差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多研究人员和单 位对液压挖掘机工作装置设计进行了不 少研究，也开发了相应的设计软件，但基本上局限于解决某些局 部问题，缺少通用性，远远达不 到工业化设计的要求。

　　目前国内关于是否自行开发 设计软件的讨论一直就没有停止 过。实际上，很多较为成熟的软 件都可以完成液压挖掘机的大部 分设计工作，如Pro/ENGINEER、 UG和Solidworks等。即使部分功能无法完成，也可以与其他软件平台合作来完成，如Nastran等。本文所介绍的研发项目就是在进行液压挖掘机的设计过程中采用了现有软件平台Pro/ENGINEER Wildfire与Nastran等结合的

　　方式，将三维设计与仿真分析技术应用 到液压挖掘机的产品开发中，逐渐掌握并规划了设计流程与手段，收到了良好 效果，并获得了北京市优秀人才培养资 助项目、北京市中青年骨干教师资助项 目，以及江苏省科技支撑计划工业部分 资助项目。

　　下面将对液压挖掘机设计过程中的 一些关键问题进行阐述，而对于目前相 关文献集中介绍的参数化建模等方面的 内容则不再赘述。由于篇幅所限，文中也未讲述Pro/ENGINEER与其他软件结合 使用的内容。

　　二、Pro/ENGINEER三维设计流程

　　目前关于P r o/E N G I N E E R在液压挖掘 机设计方面的文章较多，大多集中在 零件建模、虚拟装配、运动仿真与零 件的有限元分析等方面，只突出了P r o/ E N G I N E E R软件的特点，或者是某个挖掘 机局部功能，尚未有以液压挖掘机设计 为核心的系统性研究。P r o/E N G I N E E R只 是一种工具，而工具必须服务于设计对 象，这也是我们在设计过程中强调的一 点。图2为在Pro/ENGINEER Wildfire中进 行三维设计的技术流程图。

　　这个流程主体是一个并行设计的过 程。在此过程中，首先确定设计方案， 随后进行三维造型与建模，且主要集中 在零件建模上。建模完成后进行装配，并进行静态干涉分析与局部修改;当确 认方案后，进行运动仿真分析，对运动 过程中出现的动态干涉情况进行修订; 确认基本尺寸后，可对关键零部件进行 有限元分析，确定其力学特性是否满足 工作要求，并在此基础上进行结构优 化，优化后需重新进行有限元分析，直到确定最终方案。二维出图和加工则为 一些后续工作，非液压挖掘机设计的工作重点，在此略过。

　　三、产品模型分析

　　液压挖掘机主要由工作装置、回 转装 置 、履 带行 走装 置 和液 压系 统4 个 主要部分组成。其中，工作装置是通过 下动臂铰点和动臂液压缸铰接在回转支承装置上面，而回转支承装置是与行走 装置底盘联在一起，液压系统则嵌在其 他装置中。挖掘机零件有1000多个，其 中动臂本体由上板、下板、侧板、加强 筋板、连接耳板和轴套等十多个零件焊 接而成，由于产品具有相似性，动臂在 多种机型中都是相似的，特别适合于进行参数化设计，但作为并行工程的一部 分，设计工作必须在装配基础上进行。 如图3所示，就是液压挖掘机正铲工作装 置的装配效果。

　　四、模型装配设计中的关键问题

　　在三维建模中，液压挖掘机基本上是标准的模型构建，在复杂曲面方面应 用较少。需要考虑的问题包括参数化设计与处理、工业造型与整体处理、零件 系列化的问题。

　　1.参数化问题

　　在液压挖掘机设计中，参数化主要 体现在两个方面，即零件建模与装配。 对于零件建模而言，参数可分为三类：

　　(1)相互之间存在一定约束条件，不 可随便更改参数，如发动机的外形尺寸 参数就是如此，必须通过查阅相关技术 参数得到;

　　(2)查阅相关手册取得，但是可以根据实际情况修改;

　　(3)根据具体情况自行确定。

　　在零件设计过程中，应该采用参数化草图建模方法。首先根据设计要求完 成较为理想的结构形状，然后对每一条曲线赋予尺寸约束或几何约束，使曲线 按照设计者的意图更新交换，生成参数 化特征。其中，草图实现全约束绘制较 为容易，实体建模则需要考虑到布尔运 算的影响。

　　通过这种建模方式，可以方便地实 现零件的修改及变形设计，生成其他类 似零件无需重新建模，这可以大大提高 设计效率。在装配过程中，很多零件之间存在继承及约束关系，如液压缸活塞 头部铰接孔内径D 1等于安装销的外径d 1。 当D 1改变时，d 1也随之改变，通过表达式 建立二者之间的相等关系。同时，由于 二者在装配过程中要求有匹配、对齐等 约束关系，当某个零件位置尺寸等发生变化时，也可以通过这种定位关系来自 动更改配合零件的位置，这样就保证了 零件之间约束关系的一致性，便于产品 的设计与参数修改，或者以此为模板进 行系列化产品的参数化设计。

　　2.零件系列化问题

　　在液压挖掘机设计中，参数化建模 非常重要，但并不是所有的零件每次都需要经历参数化设计过程，而是可以建 立零件库。在P r o/E N G I N E E R中，对于通 用标准件(如螺栓等)，建议直接建库并调用即可。对于厂标系列化零件(如 推力轴承)，它们外形和结构都相似， 但几何尺寸和部分次要特征有差异。此 时可以首先建立一个零件模板，将其要更改的重要尺寸列入到P r o/E N G I N E E R提供的表格中，这样就形成了零件族。当 需要调用时，在表格中直接更改这些尺寸则可以生成新的部件，从而缩短设计 与装配时间。

　　3.工业造型与整体设计

　　在国外，工业造型是一切设计工作的开始，在策划中将其与总体设计结合在一起。在液压挖掘机设计中，与工业 造型密切相关的就是驾驶室的设计和渲染处理。驾驶室的设计不但考虑人机环 境，而且要考虑材料选用和流线设计， 采用Pro/ENGINEER的曲面造型功能来完成驾驶室设计。另外，三维实体模型建立后，还需要通过高级渲染制作出具有真 实感的挖掘机产品和部件效果图，一个好的渲染会对产品的推广带来良好的效 果，这些可以通过Render功能来实现。

　　五、装配与运动仿真的结构验证

　　1.装配中的关键问题

　　这里所说的装配指的是静态装配，此 方面的书籍较多，在此不再介绍其装配过 程，在实际设计中需要解决的问题如下。

　　(1)装配模式。在液压挖掘机装配中，采用Top-down或者Do wn-top方式都可以，二者并不对立，实际上它们是一个并行过程，经常混用。也可以建立阶段性的master model，进行多组协同设计。

　　(2)干涉检查。对于液压挖掘机而言，在各个部件中，都必须进行零件干涉分析，以避免在试生产中发生干涉碰撞。由于该机器产品复杂、零件数量多，不可能通过反复生产样机来解决问题，而需要在设计阶段就尽量减少这种 错误。Pr o/ENGINEER装配模块中的干涉功能可以解决整机的静态干涉分析，如推力轴承与轴承环之间，这是目前常见的方式。

　　(3)公差问题。静态装配的三维模型都是处于理想状态下，也就是无公差模型，这在实际工作环境中参考价值不大，因为加工出来的零件都是带有偏差的，因此，还需要考虑不同公差情况下对零件装配的影响。相比之下，(2)中的干涉检查只是检查理想尺寸与碰撞情况。采用Pro/ENGINEER的CE/TOL模块对零件和装配的全过程进行公差分析与综合，从而分析零件公差对产品精度造成的影响以及装配模型是否符合精度要求;确定影响装配关系和装配精度的关键尺寸公差的约束及其敏感度，通过改变个别关键尺寸的公差约束来降低制造成本;在满足产品精度、性能和技术指标要求的前提下放宽公差指标，使尺寸在较宽松的公差范围内满足产品的预期精度要求，降低制造成本。

　　2.运动仿真

　　对于运动仿真而言，作用有两个： 即动态干涉分析和分析运动规律。Pro/ENGINEER的Mechanism模块可以进行运动 仿真分析(如图4所示)，从而观察在运动过程中构件之间的干涉关系，如液压缸与回转台之间就可能发生碰撞干涉。在运动分析中，可以通过位移、速度及加速度曲线来观察运动规律是否符合设计要求。 另外，可以借助Mechanism模块的运 动轨迹功能来绘制包络图，如图5所示，这大大简化了绘制过程，效率明显超过原来的绘图法和矩阵法。

　　六、有限元分析与结构改进

　　当液压挖掘机的装配和运动仿真完成后，可以对零件、部件和整机进行 有限元分析，确定它们的应力变形情况，并做出相应的结构改动。使用Pro/ENGINEER的Mechanica模块来进行静态分 析、模态分析、屈曲分析及振动分析。 图6a是铲斗有限元分析的结果，可以看 出{zd0}应力发生在腹板和铲斗底部的结合处，远超过了屈服极限，表明结构设 计不合理。对结构进行适当改进，把腹 板延长，在腹板与底部结合处设置一个加强板并做相应倒角。修改后的分析结 果如图6b所示，修改后的{zd0}应力小于屈服应力，满足设计要求。

　　在有限元分析过程中还要注意，很多零件在装配与非装配状态下的分析结 果是不同的。如图7a所示，就是连杆单 件的分析结果，图7b为装配销轴后的分析结果。可以看到，在载荷一样的情况下，不装配销轴和装配销轴后的应力分 布情况不相同，且{zd0}应力的大小以及发生的位置也不一样。虽然强度都满足 要求，但不装配销轴的应力{zd0}值比装 配销轴时要大，且{zd0}应力发生在孔两 侧，而装配销轴后的{zd0}应力则在孔的 下沿。可见装配销轴后的分析更接近实 际情况。

　　七、灵敏度设计与轻量化

　　对于液压挖掘机来说，重量是其最 重要的参数。当产品在强度等方面满足 工作要求后，需要考虑轻量化的问题。 轻量化意味着挖掘机机动性能和与操作灵活性的提高，且油耗也降低。目前在 此方面应用较多的是拓扑优化与多目标 优化设计。在此方面我们进行了灵敏度 研究，实现了一定程度的优化设计。该 方法的思路就是在初步设计的基础上，根据类比法得到的数据，使模型的一个 或多个参数在一定范围内变化时，求出 满足一定设计指标(如体积最小、应 力最小)的优化几何模型，这可以通过 Pro/ENGINEER的灵敏度分析功能完成。

　　如图8所示，对液压挖掘机动臂进 行灵敏度分析，可以看到4个设计变量的 影响。在其体积最小的约束条件下，得 到一组设计数据，如图9a所示。对这些变量进行范围约束，可以得到最终设计 结果，如图9b所示。通过对选定动臂参数的优化设计，使得整个动臂的体积减小，即减轻了质量。

　　八、结束语

　　三维仿真设计技术应用于工程机械 中的{zd0}的优势在于集成化，而不是单 纯集中在参数化建模上。本文采用的是基于Pro/ENGINEER的液压挖掘机设计与轻量化，在实体装配、运动仿真、有限 元分析与优化设计等多个方面进行了详细阐述，并在实际设计中收到了良好效果。该方法也可以推广到其他工程机械设计中。