泵车臂架刚柔耦合模型仿真范文

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《机械工程与自动化杂志》2014年第二期

1柔性体理论及创建方法

多柔性体系统动力学是研究由可变形物体以及刚体所组成的系统在经历大范围空间运动时的动力学行为［3］。它在多刚体动力学理论基础上，不仅考虑了各部件连接点处的阻尼与弹性等的影响，又进一步考虑到部件的变形，极大地提高了多体系统仿真的准确性。

1.1柔性体运动学方程在多柔性体系统动力学分析中，系统能量是一个非常重要的物理量。同时，在理论计算过程中，能量的时间历程能否遵循保守系统能量守恒的原理保持常数，是考核计算结果正确与否的一个重要的指标。柔性体的动能可表示为。运用拉格朗日乘子法建立的多柔性体运动微分方程为：其中：K，M，D分别为模态刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵；Dξ•，Kξ分别为物体内部由于阻尼和弹性变形而引起的广义力；ψ为全局坐标基相对于局部坐标基的角度；λ为有约束的拉格朗日乘子；Q为外力作用下的广义力；fg为广义重力。

1.2柔性体创建方法使用ADAMS软件创建柔性体有3种方法［5］：①利用ADAMS中柔性梁的方法，即将模型中的某一个构件离散成许多段刚性单元，经过离散化的构件之间采用柔性梁的方式连接，然后为每一段离散件赋予不同的材料、颜色等属性，指定柔性梁的参数，但这种方法仅限于外形简单的构件时才能够使用，而且离散连接的实质并不是建立了真正意义上的柔性体，只是刚性体与刚性体的柔性连接；②利用ADAMS中的AutoFlex模块，在View模式下直接建立柔性体的模态中性文件，然后再利用该文件创建的柔性体代替原有刚性体实现柔性化处理，但自ADAMS软件07版本以后，软件已淡化了本身制作柔性体的功能；③先将刚性体模型导入到有限元软件中，将其离散成细小的网格后，计算有限元模型的模态，最后将计算结果保存为MNF文件导入到ADAMS中建立柔性体。通过计算构件的固有频率和对应的模态，按照模态理论，本文采用第3种方法建立柔性臂架，建立臂架系统刚柔耦合模型的流程见图1。

2建立臂架刚柔耦合模型

2.1臂架三维模型本文选用自主研发的五节臂混凝土泵车臂架系统作为研究对象，图2为在Pro／E软件中建立的臂架系统三维模型，其总体坐标系原点置于转台与大臂连接处的旋转中心。

2.2臂架柔性化处理臂架的柔性模型是在刚性体模型上建立起来的。由于ADAMS软件具备了自动识别功能，选定刚性体臂架，导入该臂架的柔性体后，软件便可直接进行相的替换，施加在原有刚性体上的运动约束、驱动约束及负载都会自动转移至柔性体上对应的外连节点位置处。由于柔性体是由刚性体创建而来，因此，原有刚性模型的尺寸、图标、颜色和初始速度等特征仍会保留［6］。相对于臂架变形，油缸系统弹性变形忽略不计，在每节臂架都替换成柔性体后，便创建了整个臂架系统的刚柔耦合模型。图3为臂架刚柔耦合模型在某施工工况中的仿真图形。

3仿真分析

在确定整个模型运行无误后，将仿真时间设定为50s，对臂架系统在五节臂水平外伸的最危险工况下进行5臂回收的过程模拟。在该过程中，测量5臂末端的纵、横向位移和变幅油缸5的受力，并分别与同工况下臂架系统刚性模型作比较。臂架5末端点纵向位移见图4，臂架5末端点横向位移见图5。从图4、图5中可以看出：虽然刚性臂架质心位移与柔性体位移在仿真运动中大致趋势一致，但是刚体运动曲线变化非常平缓，不存在振动；刚柔耦合臂架模型仿真曲线不断波动，出现了振动现象；两种臂架模型在运动仿真的横向位移上区别更为明显，刚性臂架系统在运动过程中没有横向位移，但模型加入了柔性效应后，臂架出现了横向变形，且柔性臂架5末端振动仿真是在中心线附近较为规律地上下跳动。由于实际泵车工作过程中臂架末端也会出现类似的振动情况，从一定程度上也验证了仿真结果的正确性。图6为油缸5受力曲线。由图6可知，由于刚柔耦合模型中考虑了弹性变形，臂架系统动力学特性发生了质的改变，而这种改变显然更符合实际情况。因此，在研究泵车各项特性时对臂架系统作柔性化处理是十分必要的。另外，通过对油缸5受力仿真分析可以发现，在臂架位姿变换时，油缸受到冲击载荷的作用，且在某个瞬时时刻，柔性臂架上的冲击载荷可能会大于同时刻时刚性体上的同步载荷，这在臂架系统的优化设计时应该予以考虑。

4结论

本文将臂架三维模型导入到有限元软件ANSYS中进行了模态分析后，将计算结果保存为MNF并读入ADAMS软件，创建了臂架系统的刚柔耦合模型；分别对臂架刚性模型和刚柔耦合模型做运动学和动力学仿真分析，通过对两种模型仿真后的对比发现，刚柔耦合模型更贴近实际情况，采用该臂架系统模型能极大地提高仿真分析的准确性，为今后臂架系统设计和改良提供了一个新的思路。

作者：王玮李红张景揭琳锋单位：扬州大学机械工程学院扬州中集通华专用车有限公司