CN113094846A

CN113094846A - 一种挖掘机工作装置性能的仿真方法和设备

Info

Publication number: CN113094846A
Application number: CN202110514428.8A
Authority: CN
Inventors: 王松; 王孟; 王洪云; 朱坤; 杨帆; 刘利壮; 刘虹
Original assignee: LOVOL Engineering Machinery Group Co Ltd
Current assignee: Lovol Heavy Industry Group Co ltd
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-05-12
Also published as: CN113094846B

Abstract

本发明公开了一种挖掘机工作装置性能的仿真方法和设备，该方法包括：根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件；当检测到用户输入的求解指令时，根据所述求解指令读入所述待执行主程序文件；根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果；根据所述计算结果确定挖掘机工作装置的性能的仿真结果，从而实现对挖掘机工作装置性能仿真分析流程的自动化，快速完成模型的刚度强度评价验证，可实现批量多工况计算，自动提取计算结果，提高了对挖掘机工作装置的性能进行仿真的效率。

Description

一种挖掘机工作装置性能的仿真方法和设备

技术领域

本申请涉及挖掘机技术领域，更具体地，涉及一种挖掘机工作装置性能的仿真方法和设备。

背景技术

液压挖掘机在建筑施工、水利工程和矿山开采中有着广泛的应用，通过其工作装置完成挖掘、装卸、破碎、起重、打桩等作业。工况复杂多变，对工作装置的可靠性要求极高。工作装置包括动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆和相应三组驱动液压油缸组成。

目前国内挖掘机工作装置计算的方法是直接运用通用有限元软件进行计算，常规的分析的流程是这样：

第一步，利用前处理软件将工作装置各个部件的三维模型进行网格划分；

第二步，在求解软件中将动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇杆和液压油缸的有限元模型进行装配，建立各个铰点的运动副关系；

第三步，设置好边界加载条件，选择求解类型；

第四步，利用求解软件对工作装置的强度刚度进行分析，并自动提取计算结果。

但上述流程分析流程繁琐，操作复杂，效率低；参数化程度低，不便拓展进行多工况多姿态分析。

因此，如何在准确对挖掘机工作装置的性能进行仿真的基础上提高效率，是目前有待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种挖掘机工作装置性能的仿真方法，用以解决现有技术中在对对挖掘机工作装置的性能进行仿真时操作复杂，效率低的技术问题，该方法包括：

根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件；

当检测到用户输入的求解指令时，根据所述求解指令读入所述待执行主程序文件；

根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果；

根据所述计算结果确定挖掘机工作装置的性能的仿真结果。

在本申请一些实施例中，所述挖掘机工作装置性能的仿真过程包括预设数量的仿真子过程，所述预设处理模块的数量为所述预设数量，各所述预设处理模块分别用于完成对应的所述仿真子过程。

在本申请一些实施例中，所述预设处理模块包括模型装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块，根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果，具体为：

根据所述待执行主程序文件调用所述模型装配模块，并基于所述挖掘机工作装置的有限元模型完成与所述配置参数对应的目标姿态的组装；

根据所述待执行主程序文件调用所述液压油缸模块，并建立与所述配置参数对应的油缸结构模型以及所述油缸结构模型与结构件的连接关系；

根据所述待执行主程序文件调用所述边界加载模块，并完成与所述配置参数对应的约束和载荷的加载，并完成结果输出文件的计算；

根据所述待执行主程序文件调用所述结果提取模块，并基于所述结果输出文件提取所述计算结果；

其中，所述计算结果为与所述配置参数对应的关注位置的刚度强度计算结果，所述有限元模型是从预设文件夹中提取的。

在本申请一些实施例中，在根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件之前，所述方法还包括：

基于前处理软件对所述挖掘机工作装置各部件的三维模型进行网格划分并赋予预设计算属性，以生成有限元网格，并将各所述有限元网格作为所述有限元模型保存在所述预设文件夹中。

在本申请一些实施例中，所述预设计算属性是根据各所述部件的构件尺寸和板厚参数确定的，所述油缸结构模型为基于动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的结构模型。

在本申请一些实施例中，所述主程序文件为基于工具命令语言TCL的主程序文件。

相应的，本发明还提出了一种挖掘机工作装置性能的仿真设备，所述设备包括：

配置模块，用于根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件；

读入模块，用于当检测到用户输入的求解指令时，根据所述求解指令读入所述待执行主程序文件；

第一确定模块，用于根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果；

第二确定模块，用于根据所述计算结果确定挖掘机工作装置的性能的仿真结果。

在本申请一些实施例中，所述预设处理模块包括模型装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块，所述第一确定模块，具体用于：

在本申请一些实施例中，所述设备还包括保存模块，用于：

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

本发明公开了一种挖掘机工作装置性能的仿真方法和设备，该方法包括：根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件；当检测到用户输入的求解指令时，根据所述求解指令读入所述待执行主程序文件；根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果；根据所述计算结果确定挖掘机工作装置的性能的仿真结果，通过进行模块化处理，从而实现对挖掘机工作装置性能仿真分析流程的自动化，快速完成模型的刚度强度评价验证，可实现批量多工况计算，自动提取计算结果，提高了对挖掘机工作装置的性能进行仿真的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提出的一种挖掘机工作装置性能的仿真方法的流程示意图；

图2示出了本发明另一实施例提出的一种挖掘机工作装置性能的仿真方法的原理示意图；

图3示出了本发明实施例中对工作装置完成装配后的有限元模型示意图；

图4示出了本发明实施例中装配原理示意图；

图5示出了本发明实施例中装配过程流程示意图；

图6示出了本发明实施例中结果提取流程示意图；

图7示出了本发明实施例提出的一种挖掘机工作装置性能的仿真设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明实施例提出一种挖掘机工作装置性能的仿真方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S101，根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件；

本实施例中，预先设置一个主程序文件，并提供一个参数配置界面，用户可在参数配置界面输入配置参数对主程序文件进行配置，并生成一个待执行主程序文件。

可选的，配置参数包括模型装配参数（如目标姿态），液压油缸模型参数（如油缸结构及结构件的连接关系），边界加载参数（如约束参数和载荷参数）和结果提取参数（如结果的提取路径）。

为了提高仿真效率，在本申请优选的实施例中，所述主程序文件为基于工具命令语言TCL的主程序文件。

本实施例中，TCL（Tool Command Language，工具命令语言）是一门有编程特征的解释语言，可在 Unix、Windows 和 Apple Macintosh 操作系统上跨平台运行。

步骤S102，当检测到用户输入的求解指令时，根据所述求解指令读入所述待执行主程序文件。

本步骤中，可设置启动或求解按键图标，用户的求解指令是基于在所述按键图标点击输入的，根据该求解指令从与该按键图标对应的程序接口读入该待执行主程序文件。

步骤S103，根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果。

本步骤中，基于待执行主程序文件可调用该预设处理模块对所述挖掘机工作装置的有限元模型进行相应处理，通过进行模块化处理，从而确定只改变主程序文件的配置参数，便可快速确定与所述配置参数对应的计算结果。

为了提高仿真效率，在本申请一些实施例中，所述挖掘机工作装置性能的仿真过程包括预设数量的仿真子过程，所述预设处理模块的数量为所述预设数量，各所述预设处理模块分别用于完成对应的所述仿真子过程。

本实施例中，挖掘机工作装置性能的仿真过程包括预设数量的仿真子过程，例如可将仿真过程划分为模型装配子过程，边界加载子过程，结果提取子过程等，预设处理模块的数量与仿真子过程的数量一致并分别与各仿真子过程对应，各预设处理模块分别用于对有限元模型处理来完成对应的仿真子过程。从而基于模块化处理，避免了要人为的转化成含有多自由度连续体的数学问题，提高了仿真效率。

为了提高仿真效率，在本申请一些实施例中，所述预设处理模块包括模型装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块，根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果，具体为：

根据所述待执行主程序文件调用所述模型装配模块，并基于所述有限元模型完成与所述配置参数对应的目标姿态的组装；

本实施例中，预设处理模块包括模型装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块，根据待执行主程序文件分别调用各预设处理模块，根据从预设文件夹中提取的有限元模型完成与所述配置参数对应的目标姿态的组装，然后建立与所述配置参数对应的油缸结构模型以及所述油缸结构模型与结构件的连接关系，然后完成与所述配置参数对应的约束条件和载荷数据的加载，并完成结果输出文件的计算，最后基于所述结果输出文件提取与所述配置参数对应的关注位置的刚度强度计算结果。

为了准确的完成目标姿态的组装，在本申请优选的实施例中，所述有限元模型上包括多个预设铰点，各所述预设铰点配置有预先重新编号的节点号，所述节点号用于标识各所述预设铰点的初始位置。由于可通过重新编号的节点号确定各预设铰点的初始位置，从而可以根据配置参数中的姿态参数计算各个部件需要移动的距离和转动的角度，并完成目标姿态的组装。

所述预设铰点包括动臂铰点、斗杆铰点、铲斗铰点、摇杆铰点和连杆铰点。

其中，关注位置包括最大值的区域和预设感兴趣的区域，所述预设感兴趣的区域是根据预先在所述有限元模型上设好的节点的编号段确定的。

其中，载荷数据包括有限元模型中不同节点的节点ID、坐标系、比例系数。约束条件包括有限元模型中不同节点的节点ID、约束类型、约束自由度和强迫位移值。

需要说明的是，以上实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，本领域技术人员还可设置其他的预设处理模块，这并不本申请的保护范围。

为了提高仿真效率，在本申请一些实施例中，在根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件之前，所述方法还包括：

本实施例中，前处理软件可以为CAE前处理软件，对所述挖掘机工作装置各部件的三维模型进行网格划分并赋予预设计算属性，以生成有限元网格，即有限元模型，将该有限元模型保存在一个预设文件夹中，便于直接调取，提高仿真的效率。

其中，所述有限元模型包括动臂有限元模型、斗杆有限元模型、铲斗有限元模型、连杆有限元模型和摇杆有限元模型。

为了提高仿真的准确度，在本申请优选的实施例中，所述预设计算属性是根据各所述部件的构件尺寸和板厚参数确定的，所述油缸结构模型为基于动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的结构模型。

可选的预设计算属性还包括材料属性，该材料属性包括弹性模量、泊松比和密度。

步骤S104，根据所述计算结果确定挖掘机工作装置的性能的仿真结果。

为了方便向用户展示，根据计算结果生成相应的图表，用户可查看该图表，若该计算结果满足预设刚度强度要求，则确认该挖掘机工作装置的仿真结果合格，否则为不合格，可改变预设计算属性的参数，重新进行仿真。

通过应用以上技术方案，根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件；当检测到用户输入的求解指令时，根据所述求解指令读入所述待执行主程序文件；根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果；根据所述计算结果确定挖掘机工作装置的性能的仿真结果，从而实现对挖掘机工作装置性能仿真分析流程的自动化，快速完成模型的刚度强度评价验证，可实现批量多工况计算，自动提取计算结果，提高了对挖掘机工作装置的性能进行仿真的效率。

为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。

本申请实施例提供了一种挖掘机工作装置性能的仿真方法，如图2所示，主要包括以下步骤：

步骤1，前处理软件对所述挖掘机工作装置各部件的三维模型进行网格划分并赋予预设计算属性，形成各部件有限元模型，并保存在一个文件夹中，相关计算属性包括构件尺寸和板厚参数。

步骤2，从求解软件程序接口读入用TCL语言编写的主程序文件，完成工作装置某一预设姿态的装配，边界加载并计算。

其中，TCL主程序可调用自动装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块。使用时只需修改主程序的配置参数，自动装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块不需要进行更改。

模型装配模块，用于将工作装置各结构部件完成某一姿态组装；

液压油缸模块，用于完成动臂油缸，斗杆油缸和铲斗油缸的模型建立，并与结构件建立连接关系；

边界加载模，用于在装配好的模型上加载约束和载荷，设置结果输出文件，并完成计算。

结果提取模块，用于计算完成后自动提取关注位置的强度刚度的计算结果。

步骤3，自动提取数据，生成图表。

步骤4，查看图表并和历史产品对比，判断是否满足要求，若是则合格，否则进行模型改进后重复步骤1-步骤4。

如图3所示为本发明实施例中对工作装置完成装配后的有限元模型示意图。

以下结合具体的仿真过程对本申请进一步详细说明。

首先对工作装置进行装配，如图5所示，包括如下步骤：

步骤S201，设置各部件有限元模型铰点处节点号。

如图4所示，在划分工作装置有限元模型的时候对铰点处（A-L）的节点号进行重新编号，例如动臂铰点处A-101、C-103、D-104、E-105；斗杆：E-201、F-202、G-203、J-204、H-205；铲斗：H-301、L-302；摇杆：J-401、K-402；连杆：L-501、K-502。

步骤S202，读入姿态参数，并识别铰点节点号。

工作装置有限元模型包括5个文件，分别为动臂、斗杆、铲斗、连杆和摇杆的有限元模型文件。

模型文件依次导入到软件中后，主程序根据节点号识别出各个铰点的初始位置。

步骤S203，自动计算各部件移动距离和旋转角度。

利用事先设定好的工作装置姿态参数，计算各个部件需要移动的距离和转动的角度。

步骤S204，执行平移和旋转，完成转动副连接和油缸简化模型建立。

完成5个部件的姿态调整以及各个转动副的连接，最后完成三个油缸模型的建立。至此，装配工作完成。

然后进行边界加载，施加边界约束主要在A-101，B-102对应的节点上,挖掘力加载在P-303，力的方向会根据输入设置进行调整。

最后进行结果提取，如图6所示，包括以下步骤：

步骤S301，计算前对关注位置的节点标记进行编号。

关注位置包括最大值的区域和预设感兴趣的区域，提取分为最大值和感兴趣的区域，最大值的节点可以自动查到，感兴趣的位置需要提前在有限元模型上设好节点的编号段，方面识别提取结果应力。

步骤S302，计算完成后，自动读入结果文件。

步骤S303，对所有节点应力排序，找出应力最大的位置的节点。

步骤S304，搜索出关注位置的节点应力。

步骤S305，将输出的节点号以及对应应力值存入数据库。

步骤S306，生成多个产品的同一位置应力对比表，最大值对比立方图。

与本申请实施例中的一种挖掘机工作装置性能的仿真方法相对应，本申请实施例还提出了一种挖掘机工作装置性能的仿真设备，如图7所示，所述设备包括：

配置模块701，用于根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件；

读入模块702，用于当检测到用户输入的求解指令时，根据所述求解指令读入所述待执行主程序文件；

第一确定模块703，用于根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果；

第二确定模块704，用于根据所述计算结果确定挖掘机工作装置的性能的仿真结果。

在本申请具体的应用场景中，所述挖掘机工作装置性能的仿真过程包括预设数量的仿真子过程，所述预设处理模块的数量为所述预设数量，各所述预设处理模块分别用于完成对应的所述仿真子过程。

在本申请具体的应用场景中，所述预设处理模块包括模型装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块，所述第一确定模块703，具体用于：

在本申请具体的应用场景中，所述设备还包括保存模块，用于：

在本申请具体的应用场景中，所述预设计算属性是根据各所述部件的构件尺寸和板厚参数确定的，所述油缸结构模型为基于动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的结构模型。

在本申请具体的应用场景中，所述主程序文件为基于工具命令语言TCL的主程序文件。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种挖掘机工作装置性能的仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

根据所述计算结果确定挖掘机工作装置的性能的仿真结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挖掘机工作装置性能的仿真过程包括预设数量的仿真子过程，所述预设处理模块的数量为所述预设数量，各所述预设处理模块分别用于完成对应的所述仿真子过程。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设处理模块包括模型装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块，根据所述待执行主程序文件调用预设处理模块并根据所述挖掘机工作装置的有限元模型确定与所述配置参数对应的计算结果，具体为：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在根据用户输入的配置参数对主程序文件进行配置并生成待执行主程序文件之前，所述方法还包括：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设计算属性是根据各所述部件的构件尺寸和板厚参数确定的，所述油缸结构模型为基于动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的结构模型。

6.一种挖掘机工作装置性能的仿真设备，其特征在于，所述设备包括：

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述挖掘机工作装置性能的仿真过程包括预设数量的仿真子过程，所述预设处理模块的数量为所述预设数量，各所述预设处理模块分别用于完成对应的所述仿真子过程。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述预设处理模块包括模型装配模块、液压油缸模块、边界加载模块和结果提取模块，所述第一确定模块，具体用于：

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备还包括保存模块，用于：

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述预设计算属性是根据各所述部件的构件尺寸和板厚参数确定的，所述油缸结构模型为基于动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的结构模型。