曹 翱 溫家璽 宋 超 劉豐豪

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，西安 710064）

在機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析方面，常見的仿真分析軟件有ADAMS和ANSYS。一般來說，ADAMS軟件主要是以剛性體為主要分析分析對象的運動學(xué)分析軟件，ANSYS主要是以柔性體為主要分析對象的有限元分析軟件。在現(xiàn)實中，把機構(gòu)當(dāng)作剛性系統(tǒng)來處理，雖然大多數(shù)情況下可以滿足要求，但在一些需要考慮變形的特殊情況下，如果要更真實地模擬機構(gòu)的動態(tài)性能，必須將模型的部分構(gòu)件做成可以產(chǎn)生變形的柔性體進行分析[1]。

本文中的游梁是前置全液壓游梁式抽油機的關(guān)鍵部件，它的彈性變形將直接影響整機的仿真結(jié)果，所以，在對整機的運動仿真時，對游梁進行柔性體替換顯得至關(guān)重要。本文通過ADAMS和ANSYS的聯(lián)合仿真，并采用soliderworks三維建模來彌補兩個軟件造型能力薄弱的缺點，建立該抽油機的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，對其進行仿真分析。仿真結(jié)果驗證了該分析方法的有效性。

1 Soliderworks、ADAMS與ANSYS聯(lián)合仿真流程

在工程實際中一般將三種軟件聯(lián)合起來運用，三維模型在soliderworks中建立、裝配，并做干涉檢查；保存格式為.x_t文件，然后將模型傳送給ADAMS，在ADAMS中定義剛體、運動副、載荷，并完成其他仿真參數(shù)的設(shè)定，產(chǎn)生參數(shù)化的模型機構(gòu)模型，進行動力學(xué)仿真，再將三維模型零件倒入ANSYS定義材料，劃分網(wǎng)格，建立剛性連接區(qū)域，生成.mnf文件導(dǎo)入ADAMS中，再次進行運動學(xué)分析，導(dǎo)出.lod至ANSYS中進行有限元分析[2]。一般情況下，聯(lián)合設(shè)計流程如圖1所示。

2 運動學(xué)仿真模型的建立

前置式全液壓游梁式抽油機是以前置式游梁抽油機為基礎(chǔ)模型，根據(jù)普通液壓抽油機的基本參數(shù)和機構(gòu)性能特點，將其二者進行技術(shù)性結(jié)合，得到了具有新型節(jié)能、高智能化、高自動化等特點的新型抽油機。圖2為前置式全液壓游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)示意圖。

該抽油機的工作特點是由液壓泵驅(qū)動液壓缸繼而經(jīng)游梁帶動驢頭上下移動，從而完成整個運動過程。同時，由于省去了減速器傳動系統(tǒng)，減小了抽油機尺寸，故結(jié)構(gòu)更緊[3]。在進行運動分析時可簡化抽油機模型為圖3。

圖1 三種軟件聯(lián)合仿真設(shè)計流程框圖

圖2 前置全液壓游梁式抽油機結(jié)構(gòu)圖

3 剛?cè)狁詈系膶崿F(xiàn)

3.1 剛性體模型的建立

運用soliderworks軟件，將完成好的前置式全液壓游梁式抽油機三維模型保存為.x_t格式，并導(dǎo)入ADAMS中。為便于接下來的操作將各個零件重新命名，如表1所示。

圖3 前置全液壓游梁式抽油機簡化三維模型

表1 各個零件重新命名

標注后，抽油機剛性體模型如圖4所示。

圖4 抽油機剛性體模型

3.1.1 約束定義

在ADAMS中定義約束：首先定義Rigid1（底座）為接地部件，與大地鎖死固定。各剛體之間的約束關(guān)系如表2所示。

表2 各剛體之間的約束關(guān)系

3.1.2 定義運動副

前置式全液壓游梁式抽油機采取液壓驅(qū)動，故在Rigid2和Rigid3之間的移動副約束上定義一個運動，運動函數(shù)由抽油機的基本參數(shù)確定。由于該抽油機要求懸點額定載荷80kN，最大沖程為3m，沖刺為6min，故可在一個周期10s內(nèi)研究其運動特性，設(shè)置運動函數(shù)為step函數(shù)：

STEP(time,0,0,2,0.9)+STEP(time,3,0,7,-1.8)+STEP(time,8,0,10,0.9)。

3.1.3 載荷定義

抽油機所受的外載荷主要有自身的重力和懸點處所受的力等。重力直接在ADMAS中設(shè)置，并確定其重力加速度方向，懸點載荷通過數(shù)值模擬方式求出大小，以力的形式施加于驢頭上。

3.1.4 實施仿真

在ADAMS中進行仿真，為直觀監(jiān)測抽油機的運動仿真過程，設(shè)置結(jié)束時間為10s，步長為500，在懸點處建立位移、速度、加速度檢測，結(jié)果滿足抽油機的基本參數(shù)，如圖5所示。

圖5 剛性體的驢頭懸點處運動分析曲線

3.2 柔性體模型的建立

首先，將游梁零件導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置材料屬性并劃分網(wǎng)格，如圖6所示。由于游梁材料大部分采用結(jié)構(gòu)鋼，材料屬性定義如下，彈性模量：E=2.11e+11pa,泊松比：0.286，密度：7800kg/m3。

圖6 游梁零件有限元模型

其次，建立外部連接節(jié)點和剛性連接區(qū)域，如圖7所示，輸出mnf文件。

圖8 游梁零件剛性區(qū)域示意圖

最后，將零件柔性體化后對原零件進行剛性體替換，進行仿真，如圖9所示。

圖9 前置全液壓游梁式抽油機剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

4 剛?cè)狁詈戏抡娼Y(jié)果分析

建立好剛?cè)狁詈夏Ｐ秃?，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。在ADAMS軟件下對此機構(gòu)進行運動學(xué)分析，通過數(shù)據(jù)曲線來分析機構(gòu)的運動性能，如圖10所示。測量結(jié)果顯示：剛?cè)狁詈夏Ｐ偷捏H頭懸點位移、速度曲線與剛性體模型大致相同。與剛性體模型不同的是，剛?cè)狁詈夏Ｐ偷捏H頭懸點加速度曲線變化幅值較明顯，且加速度最大值相對較大。同時，還可以看出考慮游梁的變形后在剛開始階段由于突然加載，會產(chǎn)生一定的沖擊現(xiàn)象，在抽油機柔體系統(tǒng)中，沖擊產(chǎn)生的載荷波動也會更大，對于抽油機運行過程中的狀態(tài)產(chǎn)生更明顯的影響，在設(shè)計抽油機機構(gòu)時一定要考慮部件的彈性變形對其運動的影響。

圖10 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷捏H頭懸點處運動分析曲線

5 結(jié)語

本文將工程仿真中常用的soliderworks、ADAMS和ANSYS結(jié)合應(yīng)用，通過對前置全液壓游梁式抽油機的游梁柔性體替換，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，再對該模型根?jù)真實工況進行運動學(xué)分析，得到驢頭懸點處位移、速度和加速度曲線。該研究方法克服了各軟件單獨使用時的缺陷，更真實地反映了前置全液壓游梁式抽油機在實際工作時的運動情況。