(精品論文)畢業(yè)論文：液壓油泵虛擬裝配及部件有限元分析

摘 要 YOTCHP8756 液壓油泵是大連液壓機(jī)械廠的主要產(chǎn)品之一。它的工作效率和容積效 率都比較高，可以廣泛應(yīng)用于很多場(chǎng)合。但該廠產(chǎn)品開發(fā)手段基本是傳統(tǒng)的串行方法， 設(shè)計(jì)試制出原型樣機(jī)，然后測(cè)試、驗(yàn)證并分析它們，但是由于工程師設(shè)計(jì)出產(chǎn)品，往 往要經(jīng)過多次反復(fù)的試制才能成功進(jìn)入市場(chǎng)，產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)；在對(duì)設(shè)計(jì)大型、復(fù)雜 程度較高的產(chǎn)品時(shí)，由于設(shè)計(jì)手段及生理因素的限制，設(shè)計(jì)易出錯(cuò)和人為疏漏，并缺 乏對(duì)產(chǎn)品的制造、裝配工藝性的預(yù)見，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量；產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用高，產(chǎn)品 成本上升，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 通過使用虛擬裝配技術(shù)能夠更加真實(shí)生動(dòng)的反應(yīng)液壓油泵的裝配過程，為了能夠 了解在實(shí)際載荷下關(guān)鍵部位的變形和應(yīng)力的情況還需要使用到有限元分析技術(shù)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在 3ds max 軟件環(huán)境下對(duì)液壓油泵進(jìn)行虛擬裝配動(dòng)畫制作，通過 三維動(dòng)畫生動(dòng)的描述液壓油泵的裝配過程。同時(shí)在 HyperMesh 軟件下環(huán)境下進(jìn)行單元 網(wǎng)格劃分和有限元分析，通過分析的結(jié)果真實(shí)反映出液壓油泵的軸受力及載荷的狀況。 關(guān)鍵詞：液壓油泵 虛擬裝配 液壓泵軸 有限元分析 Abstract The YOTCHP8756 hydraulic pressure pump is the main products of the Dalian hydraulic pressure machine factory. Its work efficiency and the capacity efficiencies are all high, and can be used in lots of situations. But the factorys products development is basic on a traditional method. first, they design manufactures as a prototype machine on a trial basis, then make the test、verify and analyze. Because engineers design the produces usually base on many times manufacture trial, only after the manufacture trial, the produces can succeed put into the market, it means the time of product developing is too long; Because of the design restrict and the physiology factor, then when they design the more large and complicated product, design would make mistakes and artificial careless easily, and lack the foresee of the product manufacture and assemble craft ,this can be a influence to design quantity; It also make more designing、manufacturing expense of the product, the products cost would be rising, then the produces lack the competition ability. Through the use of more realistic virtual assembly vivid response to hydraulic pump assembly process, in order to understand the key parts in the actual load of the deformation and stress of the situation also need to use finite element analysis techniques. The graduation project is the environment in 3ds max software, virtual assembly of hydraulic pump animation, animated by a vivid description of three-dimensional hydraulic pump assembly. While under the HyperMesh software environment for cell mesh and finite element analysis, reflected through the true results of Hydraulic pump shaft by the force and load conditions. Key words: hydraulic pressure pump virtual assemble Hydraulic pump shaft FEA 目 錄 引引 言言.3 第一章第一章 緒論緒論.4 1.1 液壓油泵的基本原理4 1.2 液壓油泵的發(fā)展情況4 1.3 YOTCHP8756 液壓油泵特點(diǎn) 5 1.3.1 液壓油泵的優(yōu)缺點(diǎn)5 1.32 該廠產(chǎn)品內(nèi)容簡(jiǎn)介6 1.4 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容7 第二章第二章 相關(guān)軟件介紹相關(guān)軟件介紹.8 2.1 3DS MAX軟件介紹.8 2.2 HYPERMESH軟件介紹8 2.3 ANSYS軟件簡(jiǎn)介9 第三章第三章液壓油泵虛擬裝配液壓油泵虛擬裝配10 3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬裝配簡(jiǎn)介10 3.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)10 3.1.2 虛擬裝配10 3.2 虛擬裝配的方案和步驟11 3.2.1 液壓油泵泵軸裝置裝配順序11 3.2.2 裝配動(dòng)畫的具體步驟11 3.2.3 動(dòng)畫生成 .14 3.3 液壓油泵虛擬裝配總結(jié) .15 第四章第四章 液壓油泵的軸有限元分析液壓油泵的軸有限元分析.16 4.1 有限元基本理論簡(jiǎn)介 .16 4.2 有限元分析基本步驟 .17 4.3 液壓油泵的軸有限元分析主要步驟 .17 4.3.1 有限元網(wǎng)格的創(chuàng)建 .17 4.3.2 剛性單元的創(chuàng)建 .18 4.3.3 相關(guān)屬性的創(chuàng)建 .19 4.3.4 約束和載荷的創(chuàng)建 .19 4.3.5 工況的創(chuàng)建 .21 4.3.6 計(jì)算及結(jié)果分析 .21 4.4 有限元分析小結(jié) .26 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.27 謝謝 辭辭.28 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).29 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 3 引 言 我國(guó)液壓件生產(chǎn)起步較早， 20 世紀(jì) 80 年代后期，我國(guó)液壓組件的生產(chǎn)逐步市場(chǎng) 化，近幾年在主機(jī)行業(yè)的帶動(dòng)下，發(fā)展速度加快，每年的增速都在 30%左右，現(xiàn)在已有 大小規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)廠家六百多家。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)液壓泵的需求正在不斷地增長(zhǎng)，不僅在數(shù)量上，而且還對(duì)其品種、質(zhì) 量和性能都有更高的要求。液壓泵產(chǎn)品由于應(yīng)用廣泛，隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，是很 有潛在市場(chǎng)的機(jī)械基礎(chǔ)件產(chǎn)品。可以替代進(jìn)口，節(jié)約外匯，并且還可以走出國(guó)門，為 國(guó)創(chuàng)匯。 YOTCHP8756 液壓油泵是大連液壓機(jī)械廠開發(fā)的主要產(chǎn)品之一。它的工作效率和容積 效率都比較高，可以廣泛應(yīng)用于很多場(chǎng)合，也可組成高效的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。 虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，利用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作 的正確與否，以便及早的發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對(duì)模型進(jìn)行修改，并通過可視化顯示裝 配過程。除了虛擬裝配技術(shù)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)用到了有限元分析技術(shù),通過有限 元分析技術(shù)了解部件在實(shí)際載荷下的變形及應(yīng)力情況，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)提供 依據(jù)，而且為今后的生產(chǎn)和技術(shù)革新提供了技術(shù)支持。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)液壓油泵進(jìn)行虛擬裝配動(dòng)畫制作及其關(guān)鍵部件的有限元模擬仿 真分析。通過對(duì)液壓油泵虛擬裝配的動(dòng)畫制作，可以使工廠維修人員對(duì)液壓油泵的實(shí) 際裝配過程有直觀的認(rèn)識(shí)，使轉(zhuǎn)向架這類復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)清晰的展現(xiàn)，為接下來的分 析提供了幫助。通過對(duì)液壓油泵的軸的有限元分析可以了解在載荷下液壓油泵的軸的 變形及應(yīng)力情況，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 4 第一章 緒論 1.1 液壓油泵的基本原理 液壓傳動(dòng)技術(shù)因其介質(zhì)對(duì)環(huán)境無污染、來源廣泛、價(jià)格低廉、節(jié)約能源、使用安 全、壓縮損失小、系統(tǒng)使用和維護(hù)成本低等一系列突出優(yōu)點(diǎn),正好滿足了人們?nèi)找鎻?qiáng)烈 的環(huán)保要求,因而它具有十分廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,如:冶金、井下作業(yè)、食品、制藥、海洋 開發(fā)、生物工程等行業(yè).液壓傳動(dòng)技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科,是流體傳動(dòng)與控制領(lǐng)域的前沿課 題,具有廣闊的發(fā)展前景. 齒輪泵的結(jié)構(gòu)和工藝在各類液壓泵中最簡(jiǎn)單,并在價(jià)格、可靠性、壽命、抗污染以 及自吸能力（允許的吸油真空度）等方面都有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),因此在液壓傳動(dòng)與控制技術(shù) 中,齒輪泵的應(yīng)用占很大的比重,它廣泛應(yīng)用于機(jī)床、輕工、農(nóng)林、冶金、礦山、建筑、 船舶、飛機(jī)、汽車、石化機(jī)械等機(jī)械產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)中.但齒輪泵也有不少缺點(diǎn),主要 是流量和壓力脈動(dòng)較大,動(dòng)態(tài)性能差,噪聲較大,排量不可變,高溫效率較低. 齒輪泵是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中常用的液壓泵，在結(jié)構(gòu)上可分為外嚙合式和內(nèi)嚙合式兩 類，外嚙合齒輪泵的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，制造方便，價(jià)格低廉，工作 可靠，自吸能力強(qiáng)，對(duì)油液的污染不敏感，維護(hù)容易。它的缺點(diǎn)是一些機(jī)件承受不平 衡徑向力，磨損嚴(yán)重，工作壓力提高受到限制。此外，它的流量脈動(dòng)大，因而壓力脈 動(dòng)和噪聲都較大。內(nèi)嚙合齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，重量輕，由于齒輪轉(zhuǎn)向相同，相對(duì) 滑動(dòng)速度小，磨損小，使用壽命長(zhǎng)，流量脈動(dòng)遠(yuǎn)比外嚙合齒輪小，因而壓力脈動(dòng)和噪 聲都較小，內(nèi)嚙合齒輪允許使用高轉(zhuǎn)速（高轉(zhuǎn)速下的離心力能使油液更好的充入密封 工作腔） ，可獲得較高的容積效率。 1.2 液壓油泵的發(fā)展情況 我國(guó)液壓件生產(chǎn)起步較早， 20 世紀(jì) 80 代后期，我國(guó)液壓組件的生產(chǎn)逐步市場(chǎng)化， 近幾年在主機(jī)行業(yè)的帶動(dòng)下，發(fā)展速度加快，每年的增速都在 30%左右，現(xiàn)在已有大小 規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)廠家六百多家。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)液壓泵的需求正在不斷地增長(zhǎng)，不僅在數(shù)量上，而且還對(duì)其品種、質(zhì) 量和性能都有更高的要求。液壓泵產(chǎn)品由于應(yīng)用廣泛，隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，是很 有潛在市場(chǎng)的機(jī)械基礎(chǔ)件產(chǎn)品?？梢蕴娲M(jìn)口，節(jié)約外匯，并且還可以走出國(guó)門，為 國(guó)創(chuàng)匯。 隨著科技的發(fā)展，納米技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，納米技術(shù)主要是發(fā)掘了材料本身 固有的一些隱含特性，有些特性可以降低或消除材料本省的一些弊端，并發(fā)揮出材料 本身所具有的一些卓越特性。液壓油泵產(chǎn)品行銷全國(guó)各地，做工精良，廣泛用于石油、 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 5 化工、油脂、食品、制藥、橡膠、塑料、紡織、印染、合成纖維、船舶制造、筑路養(yǎng) 路、木材加工、工程機(jī)械設(shè)備配套等行業(yè)公司。在密封行業(yè)中，密封材料的研究和開 發(fā)一直是行業(yè)的尖端技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)國(guó)內(nèi)外知名納米研究機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期合作，成功開發(fā)出 了納米盤根系列，并向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)了發(fā)明專利，同時(shí)也開辟了盤根應(yīng)用的新 領(lǐng)域，使盤根填料密封技術(shù)跨越性的提高，它的應(yīng)用使設(shè)備的密封性能和使用壽命均 有顯著提高，并給用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。液壓油泵的結(jié)構(gòu)形式分為三種： 1.齒輪式 2.柱塞式 3.轉(zhuǎn)子式 液壓油泵與油馬達(dá)在使用過程中會(huì)發(fā)生故障,這些故障的發(fā)生頻率與日常使用維護(hù) 和保養(yǎng)的好壞有著密切的關(guān)系。為了能使其長(zhǎng)期保持良好的工作狀態(tài)和較長(zhǎng)的使用壽 命,除應(yīng)建立和健全必要的日常維護(hù)保養(yǎng)制度,還應(yīng)當(dāng)防止使用過程中突發(fā)性事故的發(fā) 生。由于工況條件的不同，盤根填料的種類也非常的繁多。為了更好的區(qū)分和選用盤 根，我們通常按盤根填料的主體密封基材的材質(zhì)將盤根填料分為： 1.天然纖維類主要有天然棉、麻、毛等為密封基材的盤根。 2.陶瓷和金屬纖維盤根主要有：碳化硅盤根、碳化硼盤根、中堿玻璃纖維盤根等， 由于單一的纖維材料都或多或少存在一些材料本身所具有的缺點(diǎn)，采用單一的纖維來 編織盤根，由于盤根纖維間存在著空隙，容易也引起滲漏，同時(shí)有些纖維的自潤(rùn)滑性 差，摩擦系數(shù)大，所以要浸漬一些潤(rùn)滑劑、填充劑及特種添加劑等。來提高填料的致 密性和潤(rùn)滑性，如：混有石墨粉的礦物油或二硫化鉬潤(rùn)滑脂，還有滑石粉、云母、甘 油、植物油等，還有浸漬聚四氟乙烯分散乳液，并在乳液中加以適量的表面活性劑和 分散劑等。特種添加劑通常有鋅微粒、阻隔劑、鉬基緩蝕劑等等，來降低盤根填料對(duì) 設(shè)備的腐蝕。 3.礦物纖維類盤根 礦物纖維類盤根主要有石棉類盤根等 4.合成纖維類盤根 合成纖維類盤根主要有：石墨類盤根、碳纖維類盤根、聚四氟乙烯類盤根、 Kevlar 類盤根、亞克力夾硅膠型纖維盤根等。 1.3 YOTCHP8756 液壓油泵特點(diǎn) YOTCHP8756 液壓油泵是大連液壓機(jī)械廠開發(fā)的液壓旋轉(zhuǎn)組件，是該廠的主要產(chǎn)品 之一。它是屬于內(nèi)嚙合齒輪泵，具有上述內(nèi)嚙合齒輪泵的特點(diǎn)，工作效率和容積效率 都比較高，可以廣泛應(yīng)用于很多場(chǎng)合，也可組成高效的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 6 1.3.1 液壓油泵的優(yōu)缺點(diǎn) 和其他的液壓泵產(chǎn)品相比較，大連液壓機(jī)械廠生產(chǎn)的 YOTCHP8756 液壓油泵有以下 幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性比其它同類產(chǎn)品高，使用壽命較長(zhǎng)，是一個(gè)比較成熟的產(chǎn) 品。 2結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)以實(shí)用為最根本訴求。 3效率比其它產(chǎn)品高。 4傳動(dòng)平穩(wěn)噪音低，可提高機(jī)器性能，改善操作者的勞動(dòng)條件。 液壓油泵的缺點(diǎn)： 1在惡劣的環(huán)境下容易發(fā)生故障。 2由于生產(chǎn)設(shè)備的原因，該產(chǎn)品的工藝還不是很精湛。 1.32 該廠產(chǎn)品內(nèi)容簡(jiǎn)介 該廠產(chǎn)品開發(fā)手段基本是傳統(tǒng)的串行方法，設(shè)計(jì)試制出原型樣機(jī)，然后測(cè)試、驗(yàn) 證并分析它們，工程師設(shè)計(jì)出產(chǎn)品，往往要經(jīng)過多次反復(fù)的試制才能成功進(jìn)入市場(chǎng)， 產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，無法在縮短上市時(shí)間上取得實(shí)質(zhì)性的突破。而且傳統(tǒng)制造業(yè)在產(chǎn)品 設(shè)計(jì)、制造過程中存在以下問題： 1. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量不高、預(yù)見性差，主要表現(xiàn)在對(duì)設(shè)計(jì)大型、復(fù)雜程度較高的產(chǎn)品 時(shí)，由于設(shè)計(jì)手段及生理因素的限制，設(shè)計(jì)易出錯(cuò)和人為疏漏，并缺乏對(duì)產(chǎn)品的制造、 裝配工藝性的預(yù)見，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量。 2. 在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中，基本是串行的工作流程，設(shè)計(jì)、制造周期長(zhǎng)，不能快速響 應(yīng)市場(chǎng)。 3. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用高，產(chǎn)品成本上升，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由于設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤 多數(shù)只有在生產(chǎn)、裝配中發(fā)現(xiàn)，返工和廢品增加成本;依靠物理原型機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)、 裝配、測(cè)試和更改設(shè)計(jì)，產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，己不能滿足當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的要求，企業(yè)急需根據(jù)自身特點(diǎn)，探索一種先進(jìn)高效的設(shè)計(jì)方法和模式。 要解決上述問題，制造業(yè)必須從的設(shè)計(jì)手段和方法的研究著手，加強(qiáng)信息技術(shù)與 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)。在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，從 而使產(chǎn)品一次性制造成功，來達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的目的，為企業(yè)全面 采用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，提供可行的流程和方法。 對(duì)該產(chǎn)品的所有部件進(jìn)行三維立體建模，然后進(jìn)行模擬裝配，用動(dòng)畫的形式把裝 配過程最直觀生動(dòng)的展現(xiàn)出來。 該液壓泵的非標(biāo)準(zhǔn)件有：泵隔板，泵軸，泵軸承，擋圈，隔離套，密封墊，密封 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 7 蓋板，內(nèi)轉(zhuǎn)子，偏心套，外轉(zhuǎn)子，油泵體，左泵蓋。標(biāo)準(zhǔn)件有：墊圈，螺釘，銷，半 圓鍵，鉚釘，螺堵，油封，鍵。 1.4 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)主要由制作液壓油泵的虛擬裝配動(dòng)畫和對(duì)液壓油泵的軸的有限元分析兩 方面內(nèi)容組成，具體任務(wù)內(nèi)容如下： 1. 學(xué)習(xí)掌握虛擬裝配的理論及基本方法。 2. 熟悉 3ds max 等軟件應(yīng)用。 3. 使用 3ds max 軟件完成液壓油泵虛擬裝配動(dòng)畫圖片的渲染。 4. 使用 Photoshop 及 Premiere 軟件將渲染的圖片制作成完整的動(dòng)畫并添加字幕。 5. 熟悉 Hypermesh 及 Ansys 軟件的應(yīng)用。 6. 使用 Hypermesh 及 Ansys 軟件完成對(duì)液壓油泵的軸的有限元網(wǎng)格劃分及施加載 荷約束并進(jìn)行有限元分析。 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 8 第二章 相關(guān)軟件介紹 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)需要使用到3ds max，HyperMesh及Ansys等軟件，本章內(nèi)容是對(duì)相關(guān) 軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 2.1 3ds max 軟件介紹 3ds max 是美國(guó) Autodesk 公司的電腦三維模型制作和渲染軟件，是目前最流行的 三維動(dòng)畫制作軟件，在電影、游戲、室內(nèi)設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。3DS 系列 軟件在三維動(dòng)畫領(lǐng)域擁有悠久的歷史，在 1990 年以前，只有少數(shù)幾種可以在 PC 上可 用的渲染和動(dòng)畫軟件，這些軟件或者功能極為有限，或者價(jià)格非常昂貴,或者二者兼而 有之。 作為一種突破性新產(chǎn)品，3d studio 的出現(xiàn)，打破了這一僵局。3d studio 為在 PC 機(jī) 上進(jìn)行渲染制作動(dòng)畫提供了價(jià)格合理、專業(yè)化、產(chǎn)品化的工作平臺(tái)，并且使制作計(jì)算 機(jī)動(dòng)畫成為一種前人所不能的職業(yè)。后來隨著 Windows 平臺(tái)的普及以及其他三維軟件 開始向 Windows 平臺(tái)發(fā)展，三維軟件技術(shù)面臨著重大的技術(shù)改革。從 1993 年開始， 3d studio 軟件所屬公司果斷地放棄了在 DOS 操作系統(tǒng)下創(chuàng)建的 3d studio 源代碼，而開 始使用全新的操作系統(tǒng)（Windows NT） 、全新的編程語言（Visual C+） 、全新的結(jié)構(gòu) （面向?qū)ο螅┚帉懥?3d studio max。在 3d studio max1.0 版本問世后僅 1 年，該公司又 重寫代碼，推出了 3d studio max2.0。這次升級(jí)是一個(gè)質(zhì)的飛躍，增加了上千處的改進(jìn)， 尤其是增加了 NURBS 建模、光線跟蹤材質(zhì)發(fā)及鏡頭光斑等強(qiáng)大功能，使得該項(xiàng)版本 成為了一個(gè)非常穩(wěn)定的三維動(dòng)畫制作軟件，從而占據(jù)了三維動(dòng)畫軟件市場(chǎng)的主流地位。 隨后的幾年里，3d studio max 先后升級(jí)到 3.0、4.0、5.0 一直到 9.0 版本，每一個(gè)版本 的升級(jí)都包含了許多革命性的技術(shù)更新。從 4.0 版本開始，所屬公司發(fā)生變化，由原來 的 Kinetix 變?yōu)橐粯拥?Discreet，3d studio max 的名稱也精簡(jiǎn)為“3ds max”。 2.2 HyperMesh 軟件介紹 HyperMesh 是一個(gè)高性能有限單元前后處理器，讓工程師在高度交互及可視化的環(huán) 境下驗(yàn)證各種設(shè)計(jì)條件。HyperMesh 的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，并且支持直接輸入 CAD 幾何模型和已有的有限元模型，減少重復(fù)性的工作。先進(jìn)的后處理工具保證形象地表 現(xiàn)復(fù)雜的仿真結(jié)果。HyperMesh 具有無比的速度，適應(yīng)性和可定制性，并且模型規(guī)模沒 有軟件限制。 HyperMesh 主要特點(diǎn)如下： 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 9 1.通過高性能的有限元建模和后處理大大縮短工程分析的周期。 2.直觀的圖形用戶界面和先進(jìn)的特性減少學(xué)習(xí)的時(shí)間并提高效率。 3.直接輸入 CAD 幾何模型及有限元模型，減少用于建模的重復(fù)工作和費(fèi)用。 4.高速度、高質(zhì)量的自動(dòng)網(wǎng)格劃分極大地簡(jiǎn)化復(fù)雜幾何的有限元建模過程。 5.在一個(gè)集成的系統(tǒng)內(nèi)支持范圍廣泛的求解器，確保在任何特定的情形下都能使 用適用的求解器。 6.極高的性價(jià)比使軟件投資得到最好的回報(bào)。 7.高度可定制性更進(jìn)一步提高效率。 8.用戶可以創(chuàng)建宏以自動(dòng)運(yùn)行一系列操作。 9.通過模板可以將 HyperMesh 數(shù)據(jù)輸出為其他求解器和程序可讀的格式。 10.通過增加個(gè)人的輸入轉(zhuǎn)換器，可以擴(kuò)展 HyperMesh 對(duì)其他分析軟件數(shù)據(jù)的支持 11.應(yīng)用提供的工具可以創(chuàng)建專用的轉(zhuǎn)換器，將特殊的分析結(jié)果轉(zhuǎn)化成 HyperMesh 結(jié)果格式。 12.HyperMesh 具有工業(yè)界主要的 CAD 數(shù)據(jù)格式接口。它包含一系列工具，用于整 理和改進(jìn)輸入的幾何模型。輸入的幾何模型可能會(huì)有間隙、重疊和缺損，這些會(huì)妨礙 高質(zhì)量網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。通過消除缺損和孔，以及壓縮相鄰曲面的邊界等，可以在模 型內(nèi)更大、更合理的區(qū)域劃分網(wǎng)格，從而提高網(wǎng)格劃分的總體速度和質(zhì)量。同時(shí)具有 云圖顯示網(wǎng)格質(zhì)量、單元質(zhì)量跟蹤檢查等方便的工具，及時(shí)檢查并改進(jìn)網(wǎng)格質(zhì)量。 2.3 Ansys 軟件簡(jiǎn)介 Ansys 有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、 流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車 工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有 限元模型； 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析） 、 流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模 擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯 示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也 可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有 多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 10 PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 第三章液壓油泵虛擬裝配 3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬裝配簡(jiǎn)介 3.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬和聲像演示。 在虛擬機(jī)過程中，操縱者可以身臨其境地感覺到這個(gè)過程的運(yùn)動(dòng)情況，可以對(duì)設(shè) 備進(jìn)行操縱，可以查看生產(chǎn)過程、實(shí)驗(yàn)過程、施工圖過程、供應(yīng)過程、物流過程等活 動(dòng)的各種技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)值，從而確認(rèn)現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)是否有能力完成預(yù)定的任務(wù)和如何 去完成，也可從中發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程的缺陷和問題，予以改進(jìn)。 典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有以下幾部分組成： 1.效果發(fā)生器。效果發(fā)生器是完成人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置，包括人們 產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)沉浸感受到的各類輸出裝置，例如頭盔顯示器、立體聲耳機(jī)；還包括能測(cè)定 視線方向和手指動(dòng)作的輸入裝置，例如頭部方位探測(cè)器和數(shù)據(jù)手套等。 2.實(shí)景仿真器。實(shí)景仿真器是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心部分，它實(shí)際上是計(jì)算機(jī)軟硬 件系統(tǒng)，包括的軟件開發(fā)工具及配套硬件組成，其任務(wù)是接受和發(fā)送效果發(fā)生器產(chǎn)生 或接收的信號(hào)。 3.應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)是面向不同虛擬過程的軟件部分，它描述虛擬的具體內(nèi)容， 包括仿真動(dòng)態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)，以及仿真對(duì)象及之間和仿真對(duì)象與用戶之間交互關(guān)系。 4.幾何構(gòu)造系統(tǒng)。它提供描述仿真對(duì)象物理屬性，例如形狀、外觀、顏色、位置 等信息，應(yīng)用系統(tǒng)在生成虛擬世界時(shí)，需要這些信息。 。 3.1.2 虛擬裝配 虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，利用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作 的正確與否，以便及早的發(fā)現(xiàn)狀配中的問題，對(duì)模型進(jìn)行修改，并通過可視化顯示裝 配過程。虛擬裝配系統(tǒng)允許設(shè)計(jì)人員考慮可行的裝配序列，自動(dòng)生成裝配規(guī)劃，它包 括數(shù)值計(jì)算、裝配工藝規(guī)劃、工作面布局、裝配操作所模擬等。現(xiàn)在產(chǎn)品的制造正在 向著自動(dòng)化、數(shù)字化的反向發(fā)展，虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 近幾年虛擬裝備(VA)技術(shù)在虛擬產(chǎn)品開發(fā)（VPD）技術(shù)和面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA） 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了起來。VPD 是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在制造業(yè)產(chǎn)品開發(fā)方面的具體應(yīng) 用。VPD 的實(shí)質(zhì)，就是在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造業(yè)產(chǎn)品開發(fā)方面的具體應(yīng)用。 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 11 VPD 的實(shí)質(zhì)，就是在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的全過程同意建模，并通過仿真技術(shù) 在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行快速反復(fù)迭代，使生命周期內(nèi)的各個(gè)方面如產(chǎn)品性能，可 加工性，可裝配性，可維護(hù)性等達(dá)到均衡優(yōu)化。 1980 年，美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)的 G.Boothroyd 和 P.Dewhurst 正式提出了面向裝配的 設(shè)計(jì)（DFA）這一概念，裝配自動(dòng)化的迫切雪球式這一技術(shù)產(chǎn)生與發(fā)展的動(dòng)力。隨著信 息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件，硬件性能日益提高，為 DFA 的研究提供了更好的工 具和環(huán)境，CIMS 的深入，并行工程和虛擬制造（VM）的興起也為 DFA 的作用對(duì)象得以 拓展為涵蓋產(chǎn)品開發(fā)過程中與裝配相關(guān)的所有活動(dòng)，集成化，并行化和擬實(shí)化石 DFA 研究發(fā)展的主要表現(xiàn)。 3.2 虛擬裝配的方案和步驟 3.2.1 液壓油泵泵軸裝置裝配順序 按照廠家提供的資料中工藝規(guī)程的要求，液壓油泵的安裝順序?yàn)椋罕幂S擋圈 泵軸承半圓鍵內(nèi)轉(zhuǎn)子外轉(zhuǎn)子偏心套隔離套泵隔板半圓鍵內(nèi)轉(zhuǎn)子外 轉(zhuǎn)子偏心套銷泵軸承油泵體左泵蓋墊圈螺栓密封蓋板墊圈螺栓 鍵液壓油泵泵軸裝配完成。 3.2.2 裝配動(dòng)畫的具體步驟 1. 導(dǎo)入文件 由于 Pro/E 中的整體裝配圖不能直接導(dǎo)入 3ds MAX 軟件中，因此需要安裝 PolyTrans 軟件極其插件，利用該軟件把 Pro/E 文件導(dǎo)入 3ds MAX 軟件中，然后才可以 制作動(dòng)畫。 2. 建立動(dòng)畫 模型導(dǎo)入后對(duì)模型的各零件建立選擇集并根據(jù)實(shí)際零件數(shù)及每個(gè)零件裝配所用時(shí) 間進(jìn)行估算，確定 Length（動(dòng)畫長(zhǎng)度） 、Frames Per（每秒幀數(shù)）參數(shù)。本次設(shè)計(jì) Frames Per 參數(shù)為 25f/s，Length 長(zhǎng)度為 1900 幀。但當(dāng)動(dòng)畫長(zhǎng)度不夠時(shí)可隨時(shí)通過時(shí) 間設(shè)置選項(xiàng)進(jìn)行修改。 3. 攝像機(jī)的建立 一部影片必然要由一臺(tái)甚至多臺(tái)攝像機(jī)的拍攝而成，因此在動(dòng)畫制作過程中攝像 機(jī)也是場(chǎng)景中必不可少的組成部分，它完全可以模擬顯示生活中的攝像機(jī)。在 3ds max 中，攝像機(jī)有目標(biāo)攝像機(jī)和自由攝像機(jī)兩種，本課題虛擬裝配的動(dòng)畫制作應(yīng)用的是目 標(biāo)攝像機(jī)。目標(biāo)攝像機(jī)由攝像機(jī)圖標(biāo)，目標(biāo)點(diǎn)和觀察區(qū)三部分組成，用戶可以分別調(diào) 整攝影機(jī)目標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)的位置。 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 12 目標(biāo)攝像機(jī)的建立： 首先要點(diǎn)擊右側(cè)工具面板中的創(chuàng)建面板，然后選擇攝像 機(jī)圖標(biāo)，然后選擇目標(biāo)攝像機(jī)，左鍵單擊并拖動(dòng)鼠標(biāo)，在適當(dāng)位置后釋放鼠標(biāo)左鍵， 確定攝影機(jī)圖標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)位置，即可創(chuàng)建一個(gè)目標(biāo)攝影機(jī)。 通過切換視窗操作，在攝像機(jī)窗口中可以通過導(dǎo)航器上的一些按鈕來對(duì)攝像機(jī)進(jìn) 行操作以達(dá)到最佳的觀察效果。還可以在其他視窗通過調(diào)整攝影機(jī)圖標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)位置 來調(diào)整觀察方向。 在攝像機(jī)視圖導(dǎo)航器中常用按鈕的操作和含義如下： “推拉攝像機(jī)”該按鈕通過鼠標(biāo)的上下移動(dòng)來沿視線的前后移動(dòng)攝像機(jī)點(diǎn)。 “透視”該按鈕通過鼠標(biāo)的上下、左右移動(dòng)來沿視線的前后移動(dòng)攝像機(jī)點(diǎn)，并 同時(shí)改變攝像機(jī)的視野。 “視野”該按鈕通過鼠標(biāo)的上下移動(dòng)來改變攝像機(jī)的視野。 “平移攝像機(jī)”該按鈕通過鼠標(biāo)的上下、左右移動(dòng)來沿垂直于視線的方向來移 動(dòng)攝像機(jī)點(diǎn)。 “環(huán)游攝像機(jī)”該按鈕通過鼠標(biāo)的上下、左右移動(dòng)來沿?cái)z像機(jī)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)攝像機(jī)目 標(biāo)點(diǎn)。 以液壓油泵泵軸裝置的泵軸承組成為例來說明該部件的裝配： 1)打開 3dsmax 文件，建立攝像機(jī)，預(yù)先調(diào)整好攝像機(jī)角度，使油泵裝置能夠在畫面中完整顯示。 先在選擇集中選定泵軸，把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng)至 75 幀，記錄該時(shí)的位置， 右鍵時(shí)間滑塊設(shè)置關(guān)鍵幀。修改零件在空間中的位置，泵軸至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān) 鍵點(diǎn)滑塊至 0 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 2) 在選擇集中選定擋圈，把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng)至 125 幀，記錄該時(shí)的位置。 修改零件在空間中的位置，拖動(dòng)擋圈至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 75 幀，記 錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 3) 在選擇集中選定泵軸承，把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng)至 175 幀，記錄該時(shí)的位置。 修改零件在空間中的位置，拖動(dòng)泵軸承至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 125 幀， 記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 4) 從選擇集中選定半圓鍵，把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng)至 225 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 拖動(dòng)半圓鍵至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 175 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 5) 從選擇集中選定內(nèi)轉(zhuǎn)子，把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng)至 300 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 拖動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 225 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 6) 從選擇集中選定外轉(zhuǎn)子，把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng) 375 幀，記錄關(guān)鍵點(diǎn)。拖動(dòng) 外轉(zhuǎn)子至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 300 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 （如圖 3-1） 7) 從選擇集中選定偏心套。把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng) 425 幀，記錄關(guān)鍵點(diǎn)，拖動(dòng) 偏心套至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 375 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 13 8) 從選擇集中選定隔離套，把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng)至 475 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 拖動(dòng)隔離套至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 425 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 9) 從選擇集中泵蓋板，把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng)至 550 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。拖動(dòng) 泵蓋板至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 475 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 10) 從選擇集中選定半圓鍵。把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng) 600 幀，記錄關(guān)鍵點(diǎn)。拖動(dòng) 半圓鍵至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 550 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 11) 從選擇集中選定內(nèi)轉(zhuǎn)子。把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng) 675 幀，記錄關(guān)鍵點(diǎn)。拖動(dòng) 內(nèi)轉(zhuǎn)子至可視范圍外，并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)內(nèi)轉(zhuǎn)子為 720 度，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 600 幀， 記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。 12) 從選擇集中選定外轉(zhuǎn)子。把最后裝配位置的關(guān)鍵點(diǎn)挪動(dòng) 750 幀，記錄關(guān)鍵點(diǎn)。拖動(dòng) 外轉(zhuǎn)子至可視范圍外，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 675 幀，記錄該關(guān)鍵點(diǎn)。按照上述方法， 以先設(shè)置最后裝配位置然后設(shè)置初始位置的關(guān)鍵幀為原則。將剩余的零件設(shè)置關(guān)鍵 幀。 13) 攝像機(jī)角度旋轉(zhuǎn)的設(shè)置，將關(guān)鍵點(diǎn)拖動(dòng)到 1525 幀，選擇攝像機(jī)，右鍵時(shí)間滑塊設(shè) 置關(guān)鍵幀。旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)到適當(dāng)角度，挪動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)滑塊至 1875 幀，右鍵設(shè)置關(guān)鍵幀。 泵軸裝配完成。 （如圖 3-2） 本次設(shè)計(jì)使用 3ds MAX 軟件做虛擬裝配是需要注意：一是裝配之前需建立選擇集。 確定物件名稱。由于 Pro/E 中的零件是以 BOM 表中的物料號(hào)和圖紙?zhí)杹碛涗?，所以?立選擇集會(huì)使動(dòng)畫制作更加簡(jiǎn)單。選擇集的建立必須取消設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)，因此要求操作 者在分析部件之后首先創(chuàng)建選擇集，否則在對(duì)選擇集做動(dòng)畫時(shí)不能移動(dòng)選擇集。 圖 3-1 油泵泵軸的部件裝配圖 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 14 圖3-2液壓油泵泵軸整體裝配圖 當(dāng)裝配動(dòng)畫完成后還需要對(duì)零件進(jìn)行附加材質(zhì)，才能使整個(gè)裝配演示看起來更加 逼真。點(diǎn)擊右側(cè)上方窗口中材質(zhì)庫(kù)，選擇認(rèn)為合適的材質(zhì)對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)就可以將相應(yīng)的 材質(zhì)貼到零件的表面。通過調(diào)整材質(zhì)庫(kù)中材質(zhì)的性能參數(shù)來調(diào)節(jié)零件的光澤度，透明 度等各個(gè)參數(shù)。 3.2.3 動(dòng)畫生成 1.渲染圖片 渲染是在 3ds max 中制作效果圖的最后一步工作，但也是很重要的一步，一幅效 果圖如果渲染的不好，將會(huì)影響到動(dòng)畫的質(zhì)量。 該按鈕主要是用于渲染單幀圖片，以便檢查該圖片是否符合動(dòng)畫制作的標(biāo)準(zhǔn)。 該按鈕主要用于對(duì)渲染條件進(jìn)行重新設(shè)置，是標(biāo)準(zhǔn)的渲染工具，單擊該按鈕可 打開渲染場(chǎng)景對(duì)話框。渲染場(chǎng)景對(duì)話框打開后要對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在時(shí)間輸出設(shè)置中， 通過不同需要對(duì)單選按鈕進(jìn)行選擇。輸出大小的設(shè)置中，需要把寬度改為 1024，高度 改為 768，將強(qiáng)制雙面和兩盞燈按鈕打開，設(shè)置圖片保存的路徑。完成以上工作后，點(diǎn) 擊渲染，開始工作。 2.文字標(biāo)注 文字標(biāo)注是在軟件中，首先載入需要進(jìn)行標(biāo)注的圖片（步驟 1 中渲染后圖片） ，雙 擊最大后新建圖層，將前景顏色選擇為黃色，在新圖層中選擇合適的線型和文字進(jìn)行 標(biāo)注，隱藏背景保存為 psd 文件。 3.合成動(dòng)畫 首先運(yùn)行 After effect 軟件，將渲染出的 jpg 格式動(dòng)畫圖片和 psd 格式圖片全部 導(dǎo)入到 After effect 中，然后將圖片拖入時(shí)間段模塊的視頻欄，將標(biāo)注圖片拖入其上 方的視頻欄，找到與部件裝配相匹配的時(shí)間點(diǎn)，最后對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行預(yù)覽，確認(rèn)無誤后輸 出即可。 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 15 3.3 液壓油泵虛擬裝配總結(jié) 本章虛擬裝配利用導(dǎo)入的液壓油泵實(shí)體模型，結(jié)合 3ds max 制作擬實(shí)動(dòng)畫，把裝 配的過程進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)處理。實(shí)現(xiàn)了液壓油泵三維虛擬動(dòng)態(tài)裝配，利用這一方法可 以對(duì)液壓油泵裝配進(jìn)行虛擬仿真，同時(shí)可指導(dǎo)裝配者輕松地完成液壓油泵裝置。 本次設(shè)計(jì)使用 3ds max 軟件做虛擬裝配時(shí)作出如下總結(jié)： 1首先在導(dǎo)入裝配圖后，將裝配動(dòng)畫所需要的部件建立集合并命名，這樣在后來裝配 時(shí)便于尋找和選擇相關(guān)部件。將暫時(shí)用不到的零件先予以隱藏，節(jié)省電腦資源，防止 畫面運(yùn)作不流暢。 2盡量使零件的裝配動(dòng)作和裝配位置更加明顯，清晰。這就需要當(dāng)零件裝配時(shí)的鏡頭 盡量顯示在屏幕的中央，而且鏡頭越近越好。零件在視窗外的位置要越遠(yuǎn)越好，避免 在旋轉(zhuǎn)鏡頭的時(shí)候出現(xiàn)無關(guān)零件。 3.為了達(dá)到更好的觀察效果，在裝配過程中要經(jīng)常調(diào)整攝像機(jī)位置，在攝像機(jī)移動(dòng)的 前后都要記錄其關(guān)鍵點(diǎn)，要把攝像機(jī)也要當(dāng)做一個(gè)零件一樣進(jìn)行操作。 4零件裝配速度不宜太急，也不宜太緩，應(yīng)把握好節(jié)奏，盡量使其保持一致。 5為對(duì)各部件進(jìn)行更好的區(qū)分，需要對(duì)部件進(jìn)行附材質(zhì)操作。點(diǎn)擊右側(cè)上方窗口中材 質(zhì)庫(kù)，選擇認(rèn)為合適的材質(zhì)對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)就可以將相應(yīng)的材質(zhì)貼到零件的表面。通過調(diào) 整材質(zhì)庫(kù)中材質(zhì)的性能參數(shù)來調(diào)節(jié)零件的光澤度，透明度等各個(gè)參數(shù)。 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 16 第四章 液壓油泵的軸有限元分析 本次設(shè)計(jì)采用 HyperMesh 軟件進(jìn)行液壓油泵的軸的有限元網(wǎng)格劃分，以及工況卡 片的建立，然后通過 Ansys 軟件對(duì)由 HyperMesh 處理過的模型進(jìn)行分析計(jì)算得出結(jié)論。 4.1 有限元基本理論簡(jiǎn)介 有限元分析的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看 成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的） 近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件） ，從而得到問題的解。 這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題所代替。由于大多數(shù) 實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因 而成為行之有效的工程分析手段。 對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是 具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為： 第一步：?jiǎn)栴}及求解域定義：根據(jù)實(shí)際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū) 域。 第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的 有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越?。ňW(wǎng)絡(luò)越細(xì)） 則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解 域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。 第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個(gè)具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問 題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等 價(jià)的泛函形式。 第四步：?jiǎn)卧茖?dǎo)：對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其 中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的 離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣） 。 為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。 對(duì)工程應(yīng)用而言，重要 的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不 僅精度低，而且將導(dǎo)致無法求解。 第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組） ，反映對(duì) 近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在 相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。 第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 17 組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。 對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來評(píng)價(jià)并確定是否需要重 復(fù)計(jì)算。 簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有 限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信 息，了解計(jì)算結(jié)果。 4.2 有限元分析基本步驟 從使用有限元程序的角度看，對(duì)轉(zhuǎn)臂的有限元分析可分為三個(gè)步驟，即有限元分 析的前處理、有限元分析的計(jì)算和有限元分析的后處理。 1.前處理 1）建立分析結(jié)構(gòu)的幾何模型。本次分析的轉(zhuǎn)臂模型是以 IGES 文件格式為中介， 從 Pro/E 系統(tǒng)中獲取幾何模型。 2）根據(jù)分析對(duì)象和目的，確定有限元網(wǎng)格劃分方案，建立有限元分析的計(jì)算模型。 3）確定并施加邊界條件（結(jié)構(gòu)所受的載荷和約束） 。 2.計(jì)算 是在形成總剛度方程并經(jīng)約束處理后求解大型聯(lián)立線性方程組，最終得到節(jié)點(diǎn)唯 一的過程。 3.后處理 對(duì)計(jì)算輸出的結(jié)果（包括各種應(yīng)力、位移）進(jìn)行必要的處理并按一定的方式（如 等應(yīng)力線、變形圖）顯示或打印出來，以便對(duì)分析對(duì)象的性能或設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分 析、評(píng)估，從而作出相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化。 接下來對(duì)液壓油泵的軸有限元分析的部分步驟進(jìn)行闡述。 4.3 液壓油泵的軸有限元分析主要步驟 4.3.1 有限元網(wǎng)格的創(chuàng)建 在轉(zhuǎn)換成 IGS 導(dǎo)入模型之后，首先要進(jìn)行幾何模型的修復(fù)，可以通過自動(dòng)修復(fù)按 鍵進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)。之后就可以進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，具體步驟如下： 首先在 3D 頁(yè)面上選擇 Tetramesh 面板再選擇 Volume Tetra 子面板，點(diǎn)擊 Surf 處 于激活狀態(tài)，選擇模型的一個(gè)表面，模型的所有相鄰表面都會(huì)被自動(dòng)選中顯示為白色。 將 2D 選項(xiàng)設(shè)置為 Trias，3D 選項(xiàng)設(shè)置為 Tetra，這些設(shè)置用于控制零件的表面網(wǎng) 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 18 格和實(shí)體網(wǎng)格的單元類型。確認(rèn) Use Curvature 和 Use Proximity 選項(xiàng)是關(guān)閉的，在 Element Size= 輸入框中輸入 2，點(diǎn)擊 Tetmesh，自動(dòng)創(chuàng)建四面體網(wǎng)格。模型如圖 4-1 圖 4-1 劃分網(wǎng)格的有限元模型 通過以上步驟，完成網(wǎng)格劃分，共建立 13866 個(gè)節(jié)點(diǎn)，59096 個(gè)有限元網(wǎng)格。 4.3.2 剛性單元的創(chuàng)建 剛性單元的建立需要首先創(chuàng)建剛性節(jié)點(diǎn)然后通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性連接成為剛性單元。 1.創(chuàng)建剛性節(jié)點(diǎn) 在 Geom 菜單中選擇 Distance，選擇 Two Nodes 子面板，在孔的內(nèi)壁上選擇距離最 遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為兩個(gè)節(jié)點(diǎn) N1 和 N2，點(diǎn)擊 Nodes Between=，輸入數(shù)值 1。點(diǎn)擊 Nodes Between 創(chuàng)建中間節(jié)點(diǎn)，此點(diǎn)位中心點(diǎn)，點(diǎn)擊 Return。 2創(chuàng)建剛性連接 在 1D 面板中選擇 Rigids 面板，選擇 Create 子面板，點(diǎn)擊與 Dependent 旁按鍵， 切換為 Multiple Nodes。選擇以創(chuàng)建的中心節(jié)點(diǎn)作為 Dependent Nodes，點(diǎn)擊 Dependent 后的 Nodes，選擇 By Geoms 后選擇 Surf,進(jìn)入選項(xiàng)卡后選擇 By Face。在內(nèi) 壁上選取整個(gè)面，點(diǎn)擊 Add To Selection，最后點(diǎn)擊 Create 創(chuàng)建完成.重復(fù)以上步驟， 完成其余 2 個(gè)孔的剛性單元建立。模型如圖 4-2 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 19 圖 4-2 剛性單元建立 4.3.3 相關(guān)屬性的創(chuàng)建 該有限元模型主要需創(chuàng)建單元類型和材料屬性。 1.創(chuàng)建單元類型 在 Ansys 模板中，選擇 ETtype 起名為 solid，在 card image 中選擇 solid45，單 擊 creat，單元?jiǎng)?chuàng)建完成。同樣方法創(chuàng)建 mass 單元，在 card image 中選擇 mass21， 單擊 creat，單元?jiǎng)?chuàng)建完成。 2.創(chuàng)建材料屬性 本模型選用 Q345 鋼作為材料。在菜單中選擇“Materials” ，在彈出菜單中輸入名 稱“steels” ， “card image”中選擇“MATERIAL” ，單擊“Creat/Edit”,輸入材料的 彈性模量為 206000000，密度為 7.8e-6，泊松比為 0.2，單擊“return” ，至此材料屬 性創(chuàng)建完畢。本次設(shè)計(jì)默認(rèn)計(jì)算單位的量綱為 mN，mm，kg，kPa，使用其他單位時(shí)會(huì)進(jìn) 行換算說明。 4.3.4 約束和載荷的創(chuàng)建 對(duì)有限元模型施加邊界條件的原則就是：在反映真實(shí)情況的前提下，對(duì)力和載荷 進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。在施加邊界條件的過程中還要具體情況具體對(duì)待，綜合考慮模型結(jié) 構(gòu)、分析目的、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等因素。液壓油泵的軸的受力形式為在連接構(gòu)架處受到約束， 另一端連接軸箱處受到橫向載荷和垂向載荷，因此在分析時(shí)需要在有兩個(gè)孔一端的剛 性節(jié)點(diǎn)處分別添加約束，另一端的剛性節(jié)點(diǎn)施加載荷，具體操作如下： 1.準(zhǔn)備工作 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 20 在工具欄中點(diǎn)擊 Collector，進(jìn)入 Create 子面板后設(shè)置創(chuàng)建的集合類型為 Load Collectors，設(shè)置 Name 分別為 Forces1，F(xiàn)orces2 和 Spc，切換創(chuàng)建方法至 No Card Image 點(diǎn)擊 Return 返回主菜單。 2.在 A.B 兩個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)上施加約束（Spc） 在 Analysis 頁(yè)面中，選擇 Constraints 面板，點(diǎn)擊 Create 子面板，類型選擇為 Nodes。激活自由度(Dof)1 到 6，點(diǎn)擊 Create,在點(diǎn)上創(chuàng)建約束。設(shè)置 Size=為 50，激活 選項(xiàng) Label Constraints 點(diǎn)擊 Return 返回主菜單。 圖 4-3 添加約束面板 3.在 C 剛性節(jié)點(diǎn)上施加載荷 考慮液壓油泵的軸垂向會(huì)一直受到一個(gè)沿 Z 軸負(fù)方向的壓力。通過以上分析建立 兩種載荷情況，如表 表 載荷表 載荷名稱載荷大小（方向） Forces119600N(Y 軸正方向) 具體方法為選擇已創(chuàng)建的 Forces1 右擊選擇 MakeCurrent 設(shè)置為當(dāng)前，然后在 Analysis 頁(yè)面中選擇 Forces 面板中選擇 Create 子面板，激活 Nodes 后，點(diǎn)擊剛性節(jié)點(diǎn) C，再設(shè)置“Magnitude=”的值為 19600000,將方向選項(xiàng)由 N1,N2,N3 切換至 X-Axis，點(diǎn) 擊 Create 創(chuàng)建力，即可創(chuàng)建一個(gè)大小為 19600000mN，方向?yàn)?Y 軸正方向的力，點(diǎn)擊 Create 創(chuàng)建力。點(diǎn)擊 Return 返回主菜單，載荷 Forces1 施加完成。載荷添加面板如圖 4-4 圖 4-4 添加載荷面板 全部邊界條件創(chuàng)建后的效果圖如圖 4-5 大連交通大學(xué) 2010 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 21 圖 4-5 邊界條件