泵車臂架剛柔耦合模型仿真范文

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《機械工程與自動化雜志》2014年第二期

1柔性體理論及創建方法

多柔性體系統動力學是研究由可變形物體以及剛體所組成的系統在經歷大范圍空間運動時的動力學行為［3］。它在多剛體動力學理論基礎上，不僅考慮了各部件連接點處的阻尼與彈性等的影響，又進一步考慮到部件的變形，極大地提高了多體系統仿真的準確性。

1.1柔性體運動學方程在多柔性體系統動力學分析中，系統能量是一個非常重要的物理量。同時，在理論計算過程中，能量的時間歷程能否遵循保守系統能量守恒的原理保持常數，是考核計算結果正確與否的一個重要的指標。柔性體的動能可表示為。運用拉格朗日乘子法建立的多柔性體運動微分方程為：其中：K，M，D分別為模態剛度矩陣、質量矩陣和阻尼矩陣；Dξ•，Kξ分別為物體內部由于阻尼和彈性變形而引起的廣義力；ψ為全局坐標基相對于局部坐標基的角度；λ為有約束的拉格朗日乘子；Q為外力作用下的廣義力；fg為廣義重力。

1.2柔性體創建方法使用ADAMS軟件創建柔性體有3種方法［5］：①利用ADAMS中柔性梁的方法，即將模型中的某一個構件離散成許多段剛性單元，經過離散化的構件之間采用柔性梁的方式連接，然后為每一段離散件賦予不同的材料、顏色等屬性，指定柔性梁的參數，但這種方法僅限于外形簡單的構件時才能夠使用，而且離散連接的實質并不是建立了真正意義上的柔性體，只是剛性體與剛性體的柔性連接；②利用ADAMS中的AutoFlex模塊，在View模式下直接建立柔性體的模態中性文件，然后再利用該文件創建的柔性體代替原有剛性體實現柔性化處理，但自ADAMS軟件07版本以后，軟件已淡化了本身制作柔性體的功能；③先將剛性體模型導入到有限元軟件中，將其離散成細小的網格后，計算有限元模型的模態，最后將計算結果保存為MNF文件導入到ADAMS中建立柔性體。通過計算構件的固有頻率和對應的模態，按照模態理論，本文采用第3種方法建立柔性臂架，建立臂架系統剛柔耦合模型的流程見圖1。

2建立臂架剛柔耦合模型

2.1臂架三維模型本文選用自主研發的五節臂混凝土泵車臂架系統作為研究對象，圖2為在Pro／E軟件中建立的臂架系統三維模型，其總體坐標系原點置于轉臺與大臂連接處的旋轉中心。

2.2臂架柔性化處理臂架的柔性模型是在剛性體模型上建立起來的。由于ADAMS軟件具備了自動識別功能，選定剛性體臂架，導入該臂架的柔性體后，軟件便可直接進行相的替換，施加在原有剛性體上的運動約束、驅動約束及負載都會自動轉移至柔性體上對應的外連節點位置處。由于柔性體是由剛性體創建而來，因此，原有剛性模型的尺寸、圖標、顏色和初始速度等特征仍會保留［6］。相對于臂架變形，油缸系統彈性變形忽略不計，在每節臂架都替換成柔性體后，便創建了整個臂架系統的剛柔耦合模型。圖3為臂架剛柔耦合模型在某施工工況中的仿真圖形。

3仿真分析

在確定整個模型運行無誤后，將仿真時間設定為50s，對臂架系統在五節臂水平外伸的最危險工況下進行5臂回收的過程模擬。在該過程中，測量5臂末端的縱、橫向位移和變幅油缸5的受力，并分別與同工況下臂架系統剛性模型作比較。臂架5末端點縱向位移見圖4，臂架5末端點橫向位移見圖5。從圖4、圖5中可以看出：雖然剛性臂架質心位移與柔性體位移在仿真運動中大致趨勢一致，但是剛體運動曲線變化非常平緩，不存在振動；剛柔耦合臂架模型仿真曲線不斷波動，出現了振動現象；兩種臂架模型在運動仿真的橫向位移上區別更為明顯，剛性臂架系統在運動過程中沒有橫向位移，但模型加入了柔性效應后，臂架出現了橫向變形，且柔性臂架5末端振動仿真是在中心線附近較為規律地上下跳動。由于實際泵車工作過程中臂架末端也會出現類似的振動情況，從一定程度上也驗證了仿真結果的正確性。圖6為油缸5受力曲線。由圖6可知，由于剛柔耦合模型中考慮了彈性變形，臂架系統動力學特性發生了質的改變，而這種改變顯然更符合實際情況。因此，在研究泵車各項特性時對臂架系統作柔性化處理是十分必要的。另外，通過對油缸5受力仿真分析可以發現，在臂架位姿變換時，油缸受到沖擊載荷的作用，且在某個瞬時時刻，柔性臂架上的沖擊載荷可能會大于同時刻時剛性體上的同步載荷，這在臂架系統的優化設計時應該予以考慮。

4結論

本文將臂架三維模型導入到有限元軟件ANSYS中進行了模態分析后，將計算結果保存為MNF并讀入ADAMS軟件，創建了臂架系統的剛柔耦合模型；分別對臂架剛性模型和剛柔耦合模型做運動學和動力學仿真分析，通過對兩種模型仿真后的對比發現，剛柔耦合模型更貼近實際情況，采用該臂架系統模型能極大地提高仿真分析的準確性，為今后臂架系統設計和改良提供了一個新的思路。

作者：王瑋李紅張景揭琳鋒單位：揚州大學機械工程學院揚州中集通華專用車有限公司