三自由度搖擺臺(tái)的剛?cè)狁詈夏Ｐ脱芯?/h1>
2016-10-20 01:39:46高娟，曲磊
科技傳播 2016年18期
高 娟，曲 磊
青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266404
三自由度搖擺臺(tái)的剛?cè)狁詈夏Ｐ脱芯?/p>
高 娟，曲 磊
青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266404
三自由度搖擺臺(tái)是大型、重載設(shè)備，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷嚴(yán)重影響了十字軸等其他零部件的使用壽命。應(yīng)用多柔體動(dòng)力學(xué)方法，將十字軸作為柔性體，并且在此基礎(chǔ)上借助ANSYS和ADAMS建立了其剛?cè)狁詈夏Ｐ?，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行了十字軸的動(dòng)載荷提取，由動(dòng)載荷產(chǎn)生的最大應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)閾u擺臺(tái)的設(shè)計(jì)制造提供了必要的依據(jù)。
搖擺臺(tái)；十字軸；剛?cè)狁詈?/p>
三自由度重型搖擺試驗(yàn)臺(tái)集機(jī)械、液壓和控制技術(shù)于一體，能夠進(jìn)行仿真分析在車輛實(shí)際運(yùn)行中的具體姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)形式，具體運(yùn)動(dòng)包括：偏航、橫搖、縱搖3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。其中，搖擺臺(tái)機(jī)械最為關(guān)鍵的部件就是十字軸，通過(guò)十字軸才能起到連接支座、下面和上面的作用，保證了整個(gè)搖擺臺(tái)的正常工作。因此，在搖擺臺(tái)的工作過(guò)程中，十字軸是受力最為復(fù)雜的部件，也是最容易出現(xiàn)故障的部件，分析十字軸的受力情況有著重要的研究意義。
對(duì)搖擺臺(tái)技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)比較廣泛，但大多基于多剛體系統(tǒng)。與多剛體系統(tǒng)相比較，剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)能夠考慮系統(tǒng)中零部件的變形，從而使得分析更加貼近實(shí)際情況。應(yīng)用柔性多體動(dòng)力學(xué)[1-4]、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的最新研究成果，開(kāi)展基于剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模型的搖擺臺(tái)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究，將以剛體動(dòng)力學(xué)為主的動(dòng)力學(xué)向剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)方向發(fā)展是今后的研究方向。
因此，本文建立了搖擺臺(tái)虛擬樣機(jī)模型，然后將十字軸柔性化處理并與其他剛性零件連接行成剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真提取十字軸的動(dòng)載荷，然后在ANASYS中利用動(dòng)載荷對(duì)十字軸進(jìn)行了模態(tài)、應(yīng)力、應(yīng)變分析。
1 搖擺臺(tái)虛擬樣機(jī)模型建立
在搖擺臺(tái)具體運(yùn)動(dòng)中，要求指標(biāo)是搖擺臺(tái)能夠按照正弦擺動(dòng)規(guī)律完成運(yùn)動(dòng)。實(shí)際搖擺臺(tái)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)中，縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)/0.5Hz，偏航運(yùn)動(dòng)°±8/0.5Hz；聯(lián)動(dòng)時(shí)，縱搖、橫搖和偏航運(yùn)動(dòng)均為°±1/2Hz。工作載荷為45 000kg，載荷重心高度（Z向）為1 100mm，Y向偏移200mm。
利用Pro/E建立的搖擺臺(tái)模型如圖1所示。
搖擺臺(tái)的整體參照坐標(biāo)系如圖2所示。
由于搖擺臺(tái)橫搖、縱搖和偏航都要做正弦擺動(dòng)。在剛開(kāi)始搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)波動(dòng)較大，后慢慢趨于穩(wěn)定，初始速度是0。例如，在0.5Hz頻率下，剛開(kāi)始搖擺臺(tái)的呈現(xiàn)半周期的正弦運(yùn)動(dòng)，隨后就會(huì)按照正弦規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，具體的擺動(dòng)角度如圖3。
圖1 三自由度搖擺試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)模型
圖2 整體坐標(biāo)系
圖3 各種運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)角度曲線
2 考慮十字軸柔性的剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>
將十字軸導(dǎo)入ANSYS中，劃分四邊形網(wǎng)格，建立有限元模型，得到模態(tài)中性文件，再導(dǎo)入ADAMS，在ADAMS中會(huì)根據(jù)軟件的自身定義進(jìn)行剛性區(qū)域的賦值，并且能夠?qū)⑹州S作為有限元網(wǎng)格處理，具體如圖4，能夠在剛性區(qū)域生成相應(yīng)的點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)柔體和剛體之間力和運(yùn)動(dòng)傳遞，并且能夠在柔性體上進(jìn)行定義邊界條件，至此剛?cè)狁詈夏Ｐ徒⑼瓿蒣5]。
圖4 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>
3 十字軸動(dòng)載荷的提取
在ADAMS軟件中對(duì)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，提取十字軸柔性體在各工況下的動(dòng)載荷（.lod文件）。以橫搖運(yùn)動(dòng)為例，其動(dòng)載荷如圖5所示。根據(jù)該文件就能夠查看仿真過(guò)程中，柔性體的受力和運(yùn)動(dòng)情況，可直接利用其對(duì)十字軸進(jìn)行模態(tài)分析和應(yīng)力、應(yīng)變分析。
圖5 十字軸柔性體的載荷文件
4 柔性十字軸分析
4.1十字軸的模態(tài)分析
在柔性體的生成過(guò)程中，能夠獲得十字軸的模態(tài)分析結(jié)果，如表1，模態(tài)包括：3個(gè)移動(dòng)模態(tài)，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)，3個(gè)移動(dòng)模態(tài)與結(jié)構(gòu)質(zhì)量參數(shù)有關(guān)，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)[6]。剛體模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率為零，所以第七階的模態(tài)所對(duì)應(yīng)的頻率170.10Hz為十字軸的固有頻率。此頻率可以用來(lái)判斷十字軸能否避開(kāi)搖擺臺(tái)的共振頻率。
由于前六階是剛體位移，因此選取了從第七階開(kāi)始的陣型如圖6所示。通過(guò)分析，前七階振型表現(xiàn)為繞軸線的上下振動(dòng)，從第八階開(kāi)始表現(xiàn)為十字軸的扭曲變形?？芍?，十字軸的變形以扭曲變形為主。
圖6 十字軸第七、八階振型
表1 十字軸的固有頻率
4.2十字軸的應(yīng)力應(yīng)變分析
在ANSYS中對(duì)柔性十字軸先添加約束，然后引入動(dòng)載荷進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。兩個(gè)短軸端與搖擺臺(tái)底座相聯(lián)接，因此分別在兩個(gè)短軸端選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)并添加約束。而兩個(gè)長(zhǎng)軸端與上臺(tái)體相連，所以將引入的動(dòng)載荷添加在兩個(gè)長(zhǎng)軸端相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果如圖7和8所示。
圖7 十字軸應(yīng)變圖
圖8 十字軸應(yīng)力圖
液壓油管位于十字軸的中心孔，所以需要控制十字軸的變形量。根據(jù)分析結(jié)果，最大變形量為1.483mm，位于兩個(gè)長(zhǎng)軸端，符合變形要求。十字軸中心孔的邊緣應(yīng)力最大，為80.9MPa，因此危險(xiǎn)區(qū)域是這個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)附近的區(qū)域。
5 結(jié)論
1）十字軸固有頻率為170.10Hz，主要變形為扭曲變形。在實(shí)際使用中要避開(kāi)固有頻率頻率，防止共振，并要減少扭曲變形。
2）十字軸所用材料為35CrMo，力學(xué)性能為：σb=735MPa ，σs=540MPa，因此，動(dòng)載荷引起的應(yīng)力滿足材料的強(qiáng)度條件，且有較高的安全系數(shù)。
3）最大變形出現(xiàn)在十字軸的兩個(gè)長(zhǎng)軸端，而最大應(yīng)力出現(xiàn)在十字軸內(nèi)孔的邊緣處，因此十字軸長(zhǎng)軸端和內(nèi)孔是十字軸的關(guān)鍵部位，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中應(yīng)予以重視。
4）在進(jìn)行重型、大負(fù)荷設(shè)備的動(dòng)力分析中，能夠根據(jù)虛擬仿真進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?，所建立的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭苯佑绊懛抡娼Y(jié)果的準(zhǔn)確性。
[1]陸佑方.柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1996.
[2]陸正剛，胡用生.基于剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的關(guān)鍵零部件動(dòng)應(yīng)力仿真和疲勞壽命計(jì)算[J].鐵道車輛，2006，44（1）：6.
[3]Shabana， A.A.Dynamics of Multibody Systems[M]. Wiley: New York， 1989.
[4]Shabana， A.A.Flexible Multibody Dynamics:Review of Past and Recent Developments[J].Multibody Syst. Dyn.，1997，1（2）：149-188.
[5]龍靖宇，李誠(chéng).門機(jī)小拉桿斷裂原因的仿真研究[J].港口裝卸，2005（2）：15.
[6]李德葆.振動(dòng)模態(tài)分析及其應(yīng)用[M].北京：宇航出版社，1989.
TP3
A
1674-6708（2016）171-0203-02
山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：J16LB61）。
高娟，青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院。曲磊，青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院。
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高 娟，曲 磊
青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266404
三自由度搖擺臺(tái)的剛?cè)狁詈夏Ｐ脱芯?/p>
高 娟，曲 磊
青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266404
三自由度搖擺臺(tái)是大型、重載設(shè)備，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷嚴(yán)重影響了十字軸等其他零部件的使用壽命。應(yīng)用多柔體動(dòng)力學(xué)方法，將十字軸作為柔性體，并且在此基礎(chǔ)上借助ANSYS和ADAMS建立了其剛?cè)狁詈夏Ｐ?，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行了十字軸的動(dòng)載荷提取，由動(dòng)載荷產(chǎn)生的最大應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)閾u擺臺(tái)的設(shè)計(jì)制造提供了必要的依據(jù)。
搖擺臺(tái)；十字軸；剛?cè)狁詈?/p>
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對(duì)搖擺臺(tái)技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)比較廣泛，但大多基于多剛體系統(tǒng)。與多剛體系統(tǒng)相比較，剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)能夠考慮系統(tǒng)中零部件的變形，從而使得分析更加貼近實(shí)際情況。應(yīng)用柔性多體動(dòng)力學(xué)[1-4]、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的最新研究成果，開(kāi)展基于剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模型的搖擺臺(tái)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究，將以剛體動(dòng)力學(xué)為主的動(dòng)力學(xué)向剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)方向發(fā)展是今后的研究方向。
因此，本文建立了搖擺臺(tái)虛擬樣機(jī)模型，然后將十字軸柔性化處理并與其他剛性零件連接行成剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真提取十字軸的動(dòng)載荷，然后在ANASYS中利用動(dòng)載荷對(duì)十字軸進(jìn)行了模態(tài)、應(yīng)力、應(yīng)變分析。
1 搖擺臺(tái)虛擬樣機(jī)模型建立
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利用Pro/E建立的搖擺臺(tái)模型如圖1所示。
搖擺臺(tái)的整體參照坐標(biāo)系如圖2所示。
由于搖擺臺(tái)橫搖、縱搖和偏航都要做正弦擺動(dòng)。在剛開(kāi)始搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)波動(dòng)較大，后慢慢趨于穩(wěn)定，初始速度是0。例如，在0.5Hz頻率下，剛開(kāi)始搖擺臺(tái)的呈現(xiàn)半周期的正弦運(yùn)動(dòng)，隨后就會(huì)按照正弦規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，具體的擺動(dòng)角度如圖3。
圖1 三自由度搖擺試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)模型
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圖3 各種運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)角度曲線
2 考慮十字軸柔性的剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>
將十字軸導(dǎo)入ANSYS中，劃分四邊形網(wǎng)格，建立有限元模型，得到模態(tài)中性文件，再導(dǎo)入ADAMS，在ADAMS中會(huì)根據(jù)軟件的自身定義進(jìn)行剛性區(qū)域的賦值，并且能夠?qū)⑹州S作為有限元網(wǎng)格處理，具體如圖4，能夠在剛性區(qū)域生成相應(yīng)的點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)柔體和剛體之間力和運(yùn)動(dòng)傳遞，并且能夠在柔性體上進(jìn)行定義邊界條件，至此剛?cè)狁詈夏Ｐ徒⑼瓿蒣5]。
圖4 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>
3 十字軸動(dòng)載荷的提取
在ADAMS軟件中對(duì)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，提取十字軸柔性體在各工況下的動(dòng)載荷（.lod文件）。以橫搖運(yùn)動(dòng)為例，其動(dòng)載荷如圖5所示。根據(jù)該文件就能夠查看仿真過(guò)程中，柔性體的受力和運(yùn)動(dòng)情況，可直接利用其對(duì)十字軸進(jìn)行模態(tài)分析和應(yīng)力、應(yīng)變分析。
圖5 十字軸柔性體的載荷文件
4 柔性十字軸分析
4.1十字軸的模態(tài)分析
在柔性體的生成過(guò)程中，能夠獲得十字軸的模態(tài)分析結(jié)果，如表1，模態(tài)包括：3個(gè)移動(dòng)模態(tài)，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)，3個(gè)移動(dòng)模態(tài)與結(jié)構(gòu)質(zhì)量參數(shù)有關(guān)，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)[6]。剛體模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率為零，所以第七階的模態(tài)所對(duì)應(yīng)的頻率170.10Hz為十字軸的固有頻率。此頻率可以用來(lái)判斷十字軸能否避開(kāi)搖擺臺(tái)的共振頻率。
由于前六階是剛體位移，因此選取了從第七階開(kāi)始的陣型如圖6所示。通過(guò)分析，前七階振型表現(xiàn)為繞軸線的上下振動(dòng)，從第八階開(kāi)始表現(xiàn)為十字軸的扭曲變形?？芍?，十字軸的變形以扭曲變形為主。
圖6 十字軸第七、八階振型
表1 十字軸的固有頻率
4.2十字軸的應(yīng)力應(yīng)變分析
在ANSYS中對(duì)柔性十字軸先添加約束，然后引入動(dòng)載荷進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。兩個(gè)短軸端與搖擺臺(tái)底座相聯(lián)接，因此分別在兩個(gè)短軸端選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)并添加約束。而兩個(gè)長(zhǎng)軸端與上臺(tái)體相連，所以將引入的動(dòng)載荷添加在兩個(gè)長(zhǎng)軸端相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果如圖7和8所示。
圖7 十字軸應(yīng)變圖
圖8 十字軸應(yīng)力圖
液壓油管位于十字軸的中心孔，所以需要控制十字軸的變形量。根據(jù)分析結(jié)果，最大變形量為1.483mm，位于兩個(gè)長(zhǎng)軸端，符合變形要求。十字軸中心孔的邊緣應(yīng)力最大，為80.9MPa，因此危險(xiǎn)區(qū)域是這個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)附近的區(qū)域。
5 結(jié)論
1）十字軸固有頻率為170.10Hz，主要變形為扭曲變形。在實(shí)際使用中要避開(kāi)固有頻率頻率，防止共振，并要減少扭曲變形。
2）十字軸所用材料為35CrMo，力學(xué)性能為：σb=735MPa ，σs=540MPa，因此，動(dòng)載荷引起的應(yīng)力滿足材料的強(qiáng)度條件，且有較高的安全系數(shù)。
3）最大變形出現(xiàn)在十字軸的兩個(gè)長(zhǎng)軸端，而最大應(yīng)力出現(xiàn)在十字軸內(nèi)孔的邊緣處，因此十字軸長(zhǎng)軸端和內(nèi)孔是十字軸的關(guān)鍵部位，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中應(yīng)予以重視。
4）在進(jìn)行重型、大負(fù)荷設(shè)備的動(dòng)力分析中，能夠根據(jù)虛擬仿真進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?，所建立的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭苯佑绊懛抡娼Y(jié)果的準(zhǔn)確性。
[1]陸佑方.柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1996.
[2]陸正剛，胡用生.基于剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的關(guān)鍵零部件動(dòng)應(yīng)力仿真和疲勞壽命計(jì)算[J].鐵道車輛，2006，44（1）：6.
[3]Shabana， A.A.Dynamics of Multibody Systems[M]. Wiley: New York， 1989.
[4]Shabana， A.A.Flexible Multibody Dynamics:Review of Past and Recent Developments[J].Multibody Syst. Dyn.，1997，1（2）：149-188.
[5]龍靖宇，李誠(chéng).門機(jī)小拉桿斷裂原因的仿真研究[J].港口裝卸，2005（2）：15.
[6]李德葆.振動(dòng)模態(tài)分析及其應(yīng)用[M].北京：宇航出版社，1989.
TP3
A
1674-6708（2016）171-0203-02
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