某型號泵車臂架剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡嫜芯?/h1>
2014-07-20 04:02:14揭琳鋒
機械工程與自動化 2014年4期
王 瑋，李 紅，張 景，揭琳鋒
（1.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.揚州中集通華專用車有限公司，江蘇 揚州 225009）
0 引言
目前混凝土泵車是土建工地現(xiàn)場混凝土澆注中不可或缺的機械設(shè)備，它集成品混凝土輸送和澆筑工序于一體，極大地縮短了建筑工期和勞動消耗，迅速、及時地完成了施工任務(wù)［1，2］。泵車臂架系統(tǒng)是典型的多冗余度懸臂梁結(jié)構(gòu)，在工作過程中，臂架不可避免地會出現(xiàn)振動現(xiàn)象?，F(xiàn)階段的大多數(shù)企業(yè)在研究泵車臂架系統(tǒng)時，仍采用剛體模型，而剛體系統(tǒng)在外力的作用下不會發(fā)生局部彈性變形，這就相當(dāng)于將臂架系統(tǒng)看成是理想的、剛度無限大的物體，在虛擬樣機仿真分析時，后處理結(jié)果與實際情況不完全相符。因此，本文依托多柔性體理論和方法，在采用ANSYS-ADAMS聯(lián)合仿真技術(shù)建立了混凝土泵車臂架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ秃螅瑢ζ溥M(jìn)行了運動學(xué)和動力學(xué)分析，并將分析結(jié)果與臂架剛性模型的結(jié)果進(jìn)行了比較分析，為今后的臂架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供了參考。
1 混凝土泵車臂架系統(tǒng)
混凝土泵車臂架系統(tǒng)是指在一定范圍內(nèi)用于輸送混凝土料，可回轉(zhuǎn)、折疊、伸縮的系統(tǒng)。臂架材料一般選用進(jìn)口低合金高強度薄鋼板，通過焊接的方式焊接成中空矩形斷面結(jié)構(gòu)，具有良好的綜合力學(xué)性能。另外，構(gòu)成臂架系統(tǒng)的組件還有變幅液壓缸、連桿機構(gòu)和輸送管支架等。臂架系統(tǒng)通過各變幅油缸的伸縮運動和多個四連桿機構(gòu)來實現(xiàn)其在作業(yè)范圍內(nèi)的工作。
隨著混凝土泵車臂架系統(tǒng)向著輕質(zhì)長臂架方向發(fā)展，臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及作業(yè)振動問題的解決就愈顯重要。在施工過程中，由于臂架系統(tǒng)存在振動，不僅對其本身會產(chǎn)生疲勞破壞，而且增加了工人的勞動量和工程周期，降低了施工的安全性。在利用虛擬樣機技術(shù)進(jìn)行分析時，采用剛性模型不能體現(xiàn)振動現(xiàn)象，但考慮樣機大范圍剛體運動與局部彈性變形的耦合作用，把泵車的臂架系統(tǒng)當(dāng)作能夠產(chǎn)生局部彈性變形的柔性體來分析，仿真模型出現(xiàn)振動，更加接近實際情況，這為下一代泵車臂架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了方法和條件。
2 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。
2.1 柔性體運動學(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［4］：
其中：vi為節(jié)點i的速度向量；V為節(jié)點模態(tài)體積；Ii為節(jié)點i的模態(tài)慣量；mi為節(jié)點i的模態(tài)質(zhì)量；ωi為節(jié)點i相對于全局坐標(biāo)基的角速度在局部坐標(biāo)基中的斜方陣表示；ξ為柔性體的位移；M（ξ）為質(zhì)量矩陣。
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(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。
2.2 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種方法建立柔性臂架，建立臂架系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷牧鞒桃妶D1 。
圖1 臂架系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣?chuàng)建流程圖
3 建立臂架剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h2>3.1 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)系原點置于轉(zhuǎn)臺與大臂連接處的旋轉(zhuǎn)中心。
圖2 臂架三維模型
3.2 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)行相應(yīng)的替換，施加在原有剛性體上的運動約束、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。
圖3 剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡鎴D形
4 仿真分析
在確定整個模型運行無誤后，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末端點縱向位移見圖4 ，臂架5末端點橫向位移見圖5 。
圖4 臂架5末端點縱向位移
圖5 臂架5末端點橫向位移
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?cè)狁詈媳奂苣Ｐ头抡媲€不斷波動，出現(xiàn)了振動現(xiàn)象；兩種臂架模型在運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。
5 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\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。
圖6 油缸5受力曲線
［1］張國忠.現(xiàn)代混凝土泵車及施工應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.
［2］丁曉東，閆勝利.改型水泥混凝土泵車振動性能試驗研究［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2004（3）：10-12.
［3］徐武軍.基于多柔體虛擬樣機技術(shù)的組合臂架動力學(xué)仿真［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007：50-51.
［4］陳立平，張云清，任衛(wèi)群，等.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.
［5］李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.
［6］馮波.混凝土泵車臂架系統(tǒng)的仿真分析［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2012：18-20.
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1 混凝土泵車臂架系統(tǒng)
混凝土泵車臂架系統(tǒng)是指在一定范圍內(nèi)用于輸送混凝土料，可回轉(zhuǎn)、折疊、伸縮的系統(tǒng)。臂架材料一般選用進(jìn)口低合金高強度薄鋼板，通過焊接的方式焊接成中空矩形斷面結(jié)構(gòu)，具有良好的綜合力學(xué)性能。另外，構(gòu)成臂架系統(tǒng)的組件還有變幅液壓缸、連桿機構(gòu)和輸送管支架等。臂架系統(tǒng)通過各變幅油缸的伸縮運動和多個四連桿機構(gòu)來實現(xiàn)其在作業(yè)范圍內(nèi)的工作。
隨著混凝土泵車臂架系統(tǒng)向著輕質(zhì)長臂架方向發(fā)展，臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及作業(yè)振動問題的解決就愈顯重要。在施工過程中，由于臂架系統(tǒng)存在振動，不僅對其本身會產(chǎn)生疲勞破壞，而且增加了工人的勞動量和工程周期，降低了施工的安全性。在利用虛擬樣機技術(shù)進(jìn)行分析時，采用剛性模型不能體現(xiàn)振動現(xiàn)象，但考慮樣機大范圍剛體運動與局部彈性變形的耦合作用，把泵車的臂架系統(tǒng)當(dāng)作能夠產(chǎn)生局部彈性變形的柔性體來分析，仿真模型出現(xiàn)振動，更加接近實際情況，這為下一代泵車臂架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了方法和條件。
2 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。
2.1 柔性體運動學(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［4］：
其中：vi為節(jié)點i的速度向量；V為節(jié)點模態(tài)體積；Ii為節(jié)點i的模態(tài)慣量；mi為節(jié)點i的模態(tài)質(zhì)量；ωi為節(jié)點i相對于全局坐標(biāo)基的角速度在局部坐標(biāo)基中的斜方陣表示；ξ為柔性體的位移；M（ξ）為質(zhì)量矩陣。
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(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。
2.2 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種方法建立柔性臂架，建立臂架系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷牧鞒桃妶D1 。
圖1 臂架系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣?chuàng)建流程圖
3 建立臂架剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h2>3.1 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)系原點置于轉(zhuǎn)臺與大臂連接處的旋轉(zhuǎn)中心。
圖2 臂架三維模型
3.2 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)行相應(yīng)的替換，施加在原有剛性體上的運動約束、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。
圖3 剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡鎴D形
4 仿真分析
在確定整個模型運行無誤后，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末端點縱向位移見圖4 ，臂架5末端點橫向位移見圖5 。
圖4 臂架5末端點縱向位移
圖5 臂架5末端點橫向位移
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?cè)狁詈媳奂苣Ｐ头抡媲€不斷波動，出現(xiàn)了振動現(xiàn)象；兩種臂架模型在運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。
5 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\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。
圖6 油缸5受力曲線
［1］張國忠.現(xiàn)代混凝土泵車及施工應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.
［2］丁曉東，閆勝利.改型水泥混凝土泵車振動性能試驗研究［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2004（3）：10-12.
［3］徐武軍.基于多柔體虛擬樣機技術(shù)的組合臂架動力學(xué)仿真［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007：50-51.
［4］陳立平，張云清，任衛(wèi)群，等.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.
［5］李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.
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