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1、泵車臂架剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡?
泵車臂架剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡?
2014/07/30
《機(jī)械工程與自動化雜志》2014年第二期
1柔性體理論及創(chuàng)建方法
多柔性體系統(tǒng)動力學(xué)是研究由可變形物體以及剛體所組成的系統(tǒng)在經(jīng)歷大范圍空間運(yùn)動時的動力學(xué)行為［３］。它在多剛體動力學(xué)理論基礎(chǔ)上，不僅考慮了各部件連接點(diǎn)處的阻尼與彈性等的影響，又進(jìn)一步考慮到部件的變形，極大地提高了多體系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確性。
1.1柔性體運(yùn)動學(xué)方程在多柔性體系統(tǒng)動力學(xué)分析中，系統(tǒng)能量是一個非常重要的物理量。同時，在理論計
2、算過程中，能量的時間歷程能否遵循保守系統(tǒng)能量守恒的原理保持常數(shù)，是考核計算結(jié)果正確與否的一個重要的指標(biāo)。柔性體的動能可表示為。運(yùn)用拉格朗日乘子法建立的多柔性體運(yùn)動微分方程為：其中：Ｋ，Ｍ，Ｄ分別為模態(tài)剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣；Ｄξ，Ｋξ分別為物體內(nèi)部由于阻尼和彈性變形而引起的廣義力；ψ為全局坐標(biāo)基相對于局部坐標(biāo)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(chuàng)建方法使用ＡＤＡＭＳ軟件創(chuàng)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(gòu)件離散成許多段剛性單元，經(jīng)過離散化的構(gòu)件之間采用柔性梁的方式連接，然后為每一段離散件賦
3、予不同的材料、顏色等屬性，指定柔性梁的參數(shù)，但這種方法僅限于外形簡單的構(gòu)件時才能夠使用，而且離散連接的實質(zhì)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(tài)中性文件，然后再利用該文件創(chuàng)建的柔性體代替原有剛性體實現(xiàn)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(dǎo)入到有限元軟件中，將其離散成細(xì)小的網(wǎng)格后，計算有限元模型的模態(tài)，最后將計算結(jié)果保存為ＭＮＦ文件導(dǎo)入到ＡＤＡＭＳ中建立柔性體。通過計算構(gòu)件的固有頻率和對應(yīng)的模態(tài)，按照模態(tài)理論，本文采用第３種方法建立柔性臂
4、架，建立臂架系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷牧鞒桃妶D１。
2建立臂架剛?cè)狁詈夏Ｐ?
2.1臂架三維模型本文選用自主研發(fā)的五節(jié)臂混凝土泵車臂架系統(tǒng)作為研究對象，圖２為在Ｐｒｏ／Ｅ軟件中建立的臂架系統(tǒng)三維模型，其總體坐標(biāo)系原點(diǎn)置于轉(zhuǎn)臺與大臂連接處的旋轉(zhuǎn)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(dǎo)入該臂架的柔性體后，軟件便可直接進(jìn)行相的替換，施加在原有剛性體上的運(yùn)動約束、驅(qū)動約束及負(fù)載都會自動轉(zhuǎn)移至柔性體上對應(yīng)的外連節(jié)點(diǎn)位置處。由于柔性體是由剛性體創(chuàng)建而來，因此，原有剛性模型的尺寸、圖標(biāo)、顏色和初始速度等特征仍會保留［６］。相對
5、于臂架變形，油缸系統(tǒng)彈性變形忽略不計，在每節(jié)臂架都替換成柔性體后，便創(chuàng)建了整個臂架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。圖３為臂架剛?cè)狁詈夏Ｐ驮谀呈┕すr中的仿真圖形。
3仿真分析
在確定整個模型運(yùn)行無誤后，將仿真時間設(shè)定為５０ｓ，對臂架系統(tǒng)在五節(jié)臂水平外伸的最危險工況下進(jìn)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(tǒng)剛性模型作比較。臂架５末端點(diǎn)縱向位移見圖４，臂架５末端點(diǎn)橫向位移見圖５。從圖４、圖５中可以看出：雖然剛性臂架質(zhì)心位移與柔性體位移在仿真運(yùn)動中大致趨勢一致，但是剛體運(yùn)動曲線變化非常平緩，不存在振動；剛?cè)狁詈媳奂苣Ｐ头抡媲€不斷波動，出現(xiàn)了
6、振動現(xiàn)象；兩種臂架模型在運(yùn)動仿真的橫向位移上區(qū)別更為明顯，剛性臂架系統(tǒng)在運(yùn)動過程中沒有橫向位移，但模型加入了柔性效應(yīng)后，臂架出現(xiàn)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(guī)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(xiàn)類似的振動情況，從一定程度上也驗證了仿真結(jié)果的正確性。圖６為油缸５受力曲線。由圖６可知，由于剛?cè)狁詈夏Ｐ椭锌紤]了彈性變形，臂架系統(tǒng)動力學(xué)特性發(fā)生了質(zhì)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)，在臂架位姿變換時，油缸受到?jīng)_擊載荷的作用，且在某個瞬時時刻，柔性臂架上的沖擊
7、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(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)該予以考慮。
4結(jié)論
本文將臂架三維模型導(dǎo)入到有限元軟件ＡＮＳＹＳ中進(jìn)行了模態(tài)分析后，將計算結(jié)果保存為ＭＮＦ并讀入ＡＤＡＭＳ軟件，創(chuàng)建了臂架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?；分別對臂架剛性模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ妥鲞\(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，通過對兩種模型仿真后的對比發(fā)現(xiàn)，剛?cè)狁詈夏Ｐ透N近實際情況，采用該臂架系統(tǒng)模型能極大地提高仿真分析的準(zhǔn)確性，為今后臂架系統(tǒng)設(shè)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(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院揚(yáng)州中集通華專用車有限公司
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