第8卷第3期中國工程機械學報Vol 8 No. 32010年9月CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERYsep.2010基于 ADAMS的重載操作機的動力學仿真李剛,宋三靈,張凱(大連理工大學工程力學系,遼寧大連116023)摘要:通過對鍛造操作機工作原理的分析基于虛擬樣機技術(shù)在 ADAMS軟件中建立了重載操作機整機系統(tǒng)的虛擬樣機,對操作機進行動力學仿真分析得出典型工況下操作機的受力情況曲線考慮了驅(qū)動力大小、大慣量構(gòu)件、柔性體構(gòu)件以及附加傾覆力矩等因素對操作機性能的影響,為設(shè)計操作機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論及數(shù)據(jù)依據(jù)關(guān)鍵詞:鍛造操作機;剛?cè)狁詈? ADAMS;動力學仿真中圖分類號:TH16;0313.7文獻標識碼:A文章編號:1672-5581(2010)03-0264-05ADAMS-based dynamical simulation on heavy-duty manipulatorsLI Gang, SONG Sanling, Zhang Kai(School of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)Abstract: By analyzing the working principles of forging manipulators, a virtual prototyping heavy-dutymanipulator system is developed using ADAMSTM. Upon completion of dynamical analysis, the manipulatorloading curve is obtained under typical working conditions. with consideration ofinertia components, flexible parts and additional overturn moments, this approach provides a theoreticaland numerical basis on manipulator structural designKey words: forging manipulator; rigid-flexible coupling: ADAMS, dynamical simulation巨型重載操作裝備是制造產(chǎn)業(yè)鏈中的基礎(chǔ)裝備,具有載荷大、慣量大、自由度多、多維力位操控能力強等特點2.操作裝備與加工裝備協(xié)調(diào)作業(yè)可以大大提高制造能力制造精度、生產(chǎn)效率和材料利用率降低能耗我國核電、火電、化工、造船航空航天等產(chǎn)業(yè)對極端條件下的節(jié)能、節(jié)材制造技術(shù)以及巨型重載裝備提出了迫切需求研究巨型重載操作裝備的基礎(chǔ)科學問題旨在揭示極端載荷條件下多自由度操作裝備的力學行為與動態(tài)響應(yīng)規(guī)律.其應(yīng)用不限于制造行業(yè)也可為采礦、交通建筑港口機械等重載操作裝備設(shè)計與制造提供科學技術(shù)支撐巨型重載操作裝備制造成本高,設(shè)計與制造周期長,通常采用單臺制造模式,因此無法通過物理樣機實驗對其操作性能進行分析和驗證高效、高保真的模擬仿真技術(shù)成為重載操作裝備設(shè)計、性能評估與優(yōu)化的重要支撐技術(shù)利用虛擬產(chǎn)品模型,在產(chǎn)品實際制造之前對產(chǎn)品的性能行為、功能進行分析和評估從而對設(shè)計方案進行評估和優(yōu)化,達到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(. ADAMS是廣泛使用的多體系統(tǒng)仿真分析軟件,其建模仿真的精度和可靠性在所有的動力學分析軟件中名列前茅它的分析對象主要是多剛體,也可以實現(xiàn)柔性體運動仿真分析,以更真實地模擬機構(gòu)動作時的動態(tài)行為及構(gòu)件振動情況本文在確定鍛造操作機的基本結(jié)構(gòu)形式后,對鍛造操作機的動態(tài)性能進行了仿真分析主要研究包括典型工況下操作機的受力情況,考慮了驅(qū)動力大小、大慣量中國煤化工頑覆力矩等因素對操作機性能的影響本文在確定鍛造操作機的基本結(jié)構(gòu)形HCNMHG的動態(tài)仿真和論基金項日:國家自然科學基金資助項目(2006cB705403)作者簡介:李剛(1966-),男教授工學博士,E-mail,;ligang@dlut.edu.cn3李剛,等:基于 ADAMS的重載操作機的動力學仿真證,計算不同工況時操作機機構(gòu)在剛體運動過程中主要構(gòu)件的受力狀況,以此作為構(gòu)件設(shè)計的基礎(chǔ)1鍛造操作機模型鍛造操作機的主要運動包括鉗桿上下傾斜、上下平移、左右傾斜、左右平移,以及鉗桿旋轉(zhuǎn)、鉗口開閉大車行走等6。這里以夾鉗上下平移、大車后退伴隨夾鉗向上平移兩種運動工況為例進行說明,平行連桿式操作機機構(gòu)簡圖如圖1所示構(gòu)件OOn中間的液壓缸為上升平移液壓缸,當其伸長時,能間接地推動鉗桿O3O10平穩(wěn)上升;O1O2O1O為前推臂,其一外伸出端鉸接在機架上;O2O3為吊桿,由兩部分組成,上吊桿懸掛在前推臂上,下吊桿用來懸吊鉗桿;O7O1中間的液壓缸為緩沖缸,當鉗桿向上平移時,緩沖缸起緩沖作用,使鉗口能豎直上升;O5O6O3為后推臂,其外部伸出端鉸接在機架上;OO13為連桿,連接前推臂和后推臂;O6O10為上下擺動液壓缸,能實現(xiàn)鉗桿的上下擺動∮后推臂后搖臂前搖臂前推臂水平違桿前吊桿后吊桿液壓缸OO液壓缸銷桿Q6水平緩沖缸垂直緩沖缸夾鉗圖1平行連桿式鍛造操作機機構(gòu)簡圖圖2量載操作機虛擬樣機模型Fig 1 Simplified diagram of parallel link manipulatorig 2 Virtual prototype of heavy-duty manipulator2重載操作機的剛體動態(tài)特性分析2.1夾鉗上下平移運動的動力學仿真鍛造操作機的上下平移運動是通過豎直緩沖缸(圖1中O8On以及其對稱的缸)驅(qū)動來實現(xiàn)的.其中緩沖缸和上下擺動液壓缸無相對伸縮變化假定夾鉗夾持了一個長4m,半徑為07m的圓柱形鍛件,如圖2所示進行動力學仿真,得出以下三方面結(jié)論(1)加速度對樣機動力學性能的影響:給豎直緩沖缸施加驅(qū)動使其能夠豎向提升,圖3和圖4分別顯示了在給定三種不同的加速度的情況下8號(圖1所示的前搖臂和豎直提升缸連接處O1)旋轉(zhuǎn)鉸的角速度和約束反力隨時間變化的曲線表1給出了角速度和約束反力的具體數(shù)值由圖3,4和表1可見,加速度越大,8號旋轉(zhuǎn)鉸的角速度越大且約束反力的峰值越大1.8l4E--10a=0.5m.s-20.120.240360480600720840.961.080.100.260.420580.740.90106中國煤化工圖38號鉸在三種不同加速度情況下角速度隨時間變化曲線CNMHG下的約束Fig 3 Angular velocity-time curve of jointFig 4 Force-time curve of joint 8 in three cases8 in three cases中國工程機械學報第8卷(2)運動副的所受的約束反力對樣機的位形表18號鉸角速度和約束反力峰值的敏感度:如圖5所示,8,15,19號鉸分別對應(yīng)為Tab 1 Angular velocity and force of joint 8圖1所示O1,O9,O2三處運動副,0.3s以后曲加速度a/(m·s-2)0.51.02.0線近似于水平直線,可以說明經(jīng)過了加速階段以仿真時間t/s后,當操作機豎直方向上有較大位移時各運動副8號鉸角速度峰值a/(rad·s-1)22.040.376.6所受約束反力的變化不大,即運動副所受約束反8號餃約束反力峰值F/MN1.3571.4441.618力對樣機位形不敏感(3)大慣量構(gòu)件(連桿活動臂等)對樣機動力學性能的影響:如圖1所示,O1O2O1O(前搖臂)和O5O6O3(后搖臂)為大慣量構(gòu)件.為考慮大慣量構(gòu)件對操作機的影響針對兩種情況進行對比:①活動臂的質(zhì)心平移到水平軸與對稱平面相交的圓心處即y方向轉(zhuǎn)動慣量lw=0,意味著不考慮大慣量的影響;②質(zhì)量均勻分布在大慣量構(gòu)件上,即考慮大慣量因素,I>0.給定兩種加速度函數(shù),對上述兩種情況進行對比圖6中通過曲線1和曲線3的對比以及曲線2和曲線4的對比可知,當采用同樣的加速度時,考慮轉(zhuǎn)動慣量的影響使15號旋轉(zhuǎn)鉸的約束反力比較大通過曲線1和曲線2對比以及曲線3和曲線4對比可知加速度越大,旋轉(zhuǎn)鉸的約束反力越大此結(jié)論驗證了(1)的結(jié)論此外,曲線2和曲線4峰值的差值與曲線4峰值的比值為(1.742MN-1.568MN)/1.568MN=11.1%,曲線1和曲線3峰值的差值與曲線3峰值的比值為(1794MN-1.617MN)/1.617MN=10.9%,結(jié)果說明隨著加速度的增大,轉(zhuǎn)動慣量對操作機動力學性能的影響變小孟18至z4Ra=025ms2,l=0岱0.6a0.50ms2,l=0a=0.50ms2,ly>00.2---a=025ms2,ly>0.080.200.320440.560.680.800921.040.120240.360480600720840961.08t/s圖58,15,19三處運動副約束反力圖圖615號鉸在不同加速度下,考慮轉(zhuǎn)動慣量與Fig 5 Force-time curve of joint 8, 15, 19不考慮轉(zhuǎn)動慣量運動副的約束反力Fig 6 Rotation inertia effect on force underdifferent acceleration of joint 15夾鉗向上平移運動伴隨大車后退的動力學仿真研究附加傾覆力矩的影響是為了防止操作機產(chǎn)生傾覆失穩(wěn)如圖7所示,加速度對附加傾覆力矩的影響成近似的線性關(guān)系,即加速度越大,附加傾覆力矩越大,易產(chǎn)生傾覆失穩(wěn)在水平上升和大車后退二者加速度大小可比(近似相等)的時候豎直提升加速度對傾覆力矩的影響要大于大車后退加速度的影響,即當二者加速度大小相仿時,豎直提升的曲線斜率要大于大車后退的曲線斜率3重載操作機的剛?cè)狁詈蟿討B(tài)特性分析以上的動力學分析模型,構(gòu)件都假設(shè)為剛體,忽略彈性下結(jié)構(gòu)受力后會有一定的變形和位移變化,產(chǎn)生振動ADA中國煤化加減速的情況實現(xiàn)柔性體運動仿真分析以彈性體代替剛體可以更真實地模擬出機構(gòu)動作CNMH是賦予柔性體個模態(tài)集采用模態(tài)展開法用模態(tài)向量和模態(tài)坐標的線性組合來表示彈性位移通過計算每一時刻物體的彈性位移來描述其變形運動第3期李剛等:基于 ADAMS的承載操作機的動力學仿真本文把前搖臂和后搖臂之間的連桿考慮為柔性構(gòu)件并設(shè)定連桿的10,13,15階模態(tài)為有效模態(tài),首先利用E02ANSYS進行對連桿進行有限元離散,生成模態(tài)文件.在ADAMS I中導入包含了柔性件的質(zhì)量質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量、頻裂率振型以及對載荷的參數(shù)因子等信息的文件將模型中原有的剛體件上的運動副修改在柔性件上,使柔性件與模意814型上的其他構(gòu)件連接起來同時刪除無效的剛性件這樣4035可以使模型保持原有的自由度,從而實現(xiàn)剛?cè)狁詈蠘?gòu)件的仿真運算.剛?cè)狁詈戏抡媾c剛體仿真有以下幾點不同之大車后退加速度/(ms處:①求解器不同剛體仿真用剛體仿真求解器剛?cè)狁詈戏抡嬗脛側(cè)狁詈戏抡媲蠼馄鳍趧側(cè)狁詈戏治鲋幸紤]柔圖7夾鉗提升加速度和大車后退加速度對性構(gòu)件各階模態(tài)的影響,而剛體仿真不需要③同樣的仿附加傾覆力矩的影響Fig 7 Additional overturning torque-upgrading真時間與步長,剛?cè)狁詈戏抡嫦牡膶嶋H時間要遠多于剛nd backward acceleration curve體仿真④給定同樣的運動函數(shù),操作機在剛?cè)狁詈戏抡孢^程中出現(xiàn)了較明顯的振顫現(xiàn)象給定明確的工況來研究柔性體對操作機動力特性的影響:設(shè)定豎直緩沖缸的提升加速度函數(shù),給出豎直緩沖缸上端與前搖臂相連接處(8號旋轉(zhuǎn)鉸)的角加速度約束反力隨時間變化的曲線由圖8可見,剛?cè)狁詈戏抡娴?號鉸的角加速度在仿真過程中圍繞剛體仿真曲線上下振蕩.由圖9可見剛?cè)狁詈戏抡嬷?號運動副的約束反力也發(fā)生了明顯的振蕩把2個構(gòu)件同時考慮成柔體后,振蕩程度變大通過剛?cè)狁詈戏抡娣治?可以得到更為準確的操作機動力特性剛體仿真剛體仿真桿為柔體連桿為柔體鉗臂為柔體連桿和鉗臂為柔體03091.5212733394.55.10.180300.420.540660.780901.02圖88號旋轉(zhuǎn)鉸的角加速度隨時間變化曲線圖98號旋轉(zhuǎn)鉸的約束反力隨時間變化曲線Fig 8 Angular acceleration-time curve of joint 8Fig 9 Force-time curve of joint 84結(jié)論(1)根據(jù)實際使用工況施加約束和載荷,建立了鍛造操作機在 ADAMS環(huán)境中的三維可視化動力學仿真模型,為動力學分析提供了模型基礎(chǔ)(2)通過添加載荷和不同的液壓缸驅(qū)動,對鍛造操作機整機虛擬樣機模型進行剛體動態(tài)性能的仿真分析,分析了加速度對運動副約束反力的影響運動副對樣機位形的敏感度,考慮了大慣量構(gòu)件以及附加傾覆力矩的影響,得到了鍛造操作機典型工況的動態(tài)性能仿真結(jié)果(3)通過分析操作機夾鉗上下平移運動的工況,對比了剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膭恿W特性通過可視化的動力學仿真,得到了直接指導鍛造操作機的設(shè)計參力學仿直的基礎(chǔ)上,可以進一步進行結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計,并為動態(tài)優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)中國煤化工CNMHG參考文獻:[1]任云鵬,張?zhí)靷b鍛造操作機的可視化剛體動力學仿真[中國工程機械學報,2008,6(2):127-132中國工程機械學報第8卷REN Yunpeng, ZHANG Tianxia. 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