基于Adams的剪式穩(wěn)定架剛?cè)狁詈戏治?/h1>
2019-10-21 03:57:31樸永燦黃大巍韓忠田于廣利李天
計(jì)算機(jī)輔助工程 2019年3期
樸永燦 黃大巍 韓忠田 于廣利 李天
摘要：采用CATIA對剪式穩(wěn)定架系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，基于ANSYS和Adams建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型?？紤]剪式穩(wěn)定架的柔性特征，對剛?cè)狁詈夏Ｐ蜕颠^程的3種工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到運(yùn)動(dòng)過程中剪式穩(wěn)定架應(yīng)力分布規(guī)律、連接鉸點(diǎn)力和接觸力。分析方法和結(jié)論可指導(dǎo)剪式穩(wěn)定架的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：剪式穩(wěn)定架; 剛?cè)狁詈? Adams; 動(dòng)力學(xué)仿真
中圖分類號：TH122
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
Rigidflexiable coupling analysis of scissor stabilizer
based on Adams
PIAO Yongcan1 HUANG Dawei1 HAN Zhongtian2 YU Guangli1 LI Tian1
（1. MMI Planning & Engineering Institute Ⅸ Co. Ltd. Changchun 130011 China;
2. Intesim（Dalian） Co. Ltd. Dalian 116023 Liaoning China）
Abstract：
The three dimensional structural modeling of scissors stabilizer is built by CATIA. The rigidflexible coupling model is established based on ANSYS and Adams. The dynamic simulation analysis of rigidflexible coupling model on three lifting conditions is carried out considering the flexibility of scissors stabilizer. The stress distribution regular joint force and contact force of scissors stabilizer are obtained. The analysis method and conclusion can guide the design of scissors stabilizer.
Key words：
scissors stabilizer; rigidflexiable coupling; Adams; dynamic simulation
0?引?言
剪式穩(wěn)定架系統(tǒng)常用于汽車車身輸送線，可實(shí)現(xiàn)車身的升降與運(yùn)輸。剪式穩(wěn)定架系統(tǒng)實(shí)物見圖1。其上框架布置2臺(tái)電機(jī)，通過皮帶帶動(dòng)下框架和吊具，實(shí)現(xiàn)升降。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于存在升降皮帶安裝輪安裝相位偏差、皮帶纏繞驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)行過程旋轉(zhuǎn)半徑波動(dòng)、皮帶不等長等因素，造成下框架傾斜。在升降過程中，由于運(yùn)動(dòng)不平衡，4根剪式穩(wěn)定架可能產(chǎn)生較大的作用力，存在安全隱患。[13]因?yàn)椴捎枚鄤傮w系統(tǒng)計(jì)算會(huì)產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，所以對剪式穩(wěn)定架進(jìn)行柔性化處理，從而得到剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，預(yù)測剪式穩(wěn)定架的受力情況，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。
1?剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)的建立
1.1?剛體模型的建立
CATIA具有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能，在航空航天、汽車和輪船等設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用CATIA
對剪式穩(wěn)定架系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，整個(gè)系統(tǒng)包括吊具及工件、下框架、剪式框架、上框架、小車機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌等。根據(jù)相關(guān)圖紙進(jìn)行裝配，針對整體模型進(jìn)行干涉檢查，在保證零件不存在干涉的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出為parasolid格式模型，再導(dǎo)入Adams中進(jìn)行分析。
1.2?柔性體模型的建立
Adams有3種建立柔性體的方法：（1） 利用Adams中的柔性梁連接;（2） 先利用其他有限元分析軟件將構(gòu)件離散成細(xì)小的網(wǎng)格并進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，然后將計(jì)算得到的模態(tài)保存為模態(tài)中性文件（.mnf），直接導(dǎo)入Adams中建立柔性體;（3） 利用Adams/AutoFlexible模塊直接建立柔性體。[46]本文先用ANSYS分別建立4個(gè)剪式框架的有限元模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分;然后進(jìn)行模態(tài)分析，得到其前10階模態(tài);最后導(dǎo)出Adams所需的中性文件（.mnf）。
1.3?剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>
將剛體模型和柔性體模型分別導(dǎo)入Adams中，把無相對運(yùn)動(dòng)的吊具及工件和下框架作為一個(gè)剛體，剪式框架分別為4個(gè)柔性體，上框架和小車機(jī)構(gòu)作為大地件處理。各部分根據(jù)實(shí)際連接關(guān)系添加轉(zhuǎn)動(dòng)副、球鉸副和接觸等連接，形成剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型[710]，見圖2。剪式框架與下框架、剪式框架與上框架、剪式框架各部分之間通過關(guān)節(jié)軸承連接，在Adams中可以用球鉸副模擬。剪式框架與小輪通過普通軸承連接，采用轉(zhuǎn)動(dòng)副模擬。剪式框架的4個(gè)小輪與上下框架軌道之間建立接觸連接。小輪和框架軌道材料均為鋼，兩者之間為滾動(dòng)摩擦，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.03。
2?動(dòng)力學(xué)仿真分析
2.1?仿真模型運(yùn)動(dòng)函數(shù)定義
剪式框架初始位置為全伸展姿態(tài)。在上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先在1 s時(shí)間內(nèi)框架由靜止加速至10 m/min，然后勻速運(yùn)動(dòng)保持26 s，最后在1 s時(shí)間內(nèi)由10m/min減速至0，此時(shí)剪式框架總行程為4.5 m，運(yùn)行結(jié)束為全收縮姿態(tài);在下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，先在1 s時(shí)間內(nèi)框架由靜止反向加速至10 m/min，然后保持勻速運(yùn)動(dòng)26 s，最后在1 s時(shí)間內(nèi)由10 m/min減速至0，此時(shí)剪式框架又回到全伸展姿態(tài)。整個(gè)升降過程運(yùn)行總時(shí)間為56 s。描述升降過程采用Adams軟件函數(shù)庫中if和step函數(shù)：
2.2?仿真分析和結(jié)果
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剪式框架由全伸展?fàn)顟B(tài)運(yùn)行至全收縮狀態(tài)產(chǎn)生的最大偏移為10 mm。設(shè)定車頭方向?yàn)榍啊⒏瘪{駛側(cè)為左，考慮框架上升速度為前快后慢、前慢后快和左快右慢3種工況，對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。
2.2.1?前快后慢工況
在前快后慢工況下，剪式框架運(yùn)行至最頂端時(shí)的應(yīng)力最大，此時(shí)各框架的應(yīng)力云圖見圖3，運(yùn)動(dòng)過程剪式框架某鉸點(diǎn)的受力曲線和小輪與軌道的接觸力曲線見圖4。
2.2.2?前慢后快工況
在前慢后快工況下，剪式框架運(yùn)行至最頂端時(shí)的應(yīng)力最大，此時(shí)各框架應(yīng)力云圖見圖5，運(yùn)動(dòng)過程剪式框架某鉸點(diǎn)的受力曲線和小輪與軌道的接觸力曲線見圖6。
2.2.3?左慢右快工況
在左慢右快工況下，剪式框架運(yùn)行至最頂端時(shí)的應(yīng)力最大，此時(shí)各框架的應(yīng)力云圖見圖7。運(yùn)動(dòng)過程剪式框架某鉸點(diǎn)的受力曲線和小輪與軌道的接觸力曲線見圖8。
綜合對比3種工況可知，剛?cè)狁詈戏抡娣治霾粌H可以準(zhǔn)確地得到剪式框架的應(yīng)力分布，還可以得到各鉸接處的受力情況，以及小輪與軌道的接觸力。3種工況下剪式框架的應(yīng)力結(jié)果匯總見表1。
3?結(jié)束語
通過剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，可以得到3種工況下剪式框架運(yùn)行過程中應(yīng)力的實(shí)時(shí)變化情況，以及連接鉸點(diǎn)和滾動(dòng)小輪的受力情況。分析結(jié)果
可以指導(dǎo)剪式框架的設(shè)計(jì)，解決采用多剛體計(jì)算卡死的問題。仿真結(jié)果為剪式穩(wěn)定架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。
參考文獻(xiàn)：
[1]
郭衛(wèi)東. 虛擬樣機(jī)技術(shù)與Adams應(yīng)用實(shí)例教程[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 2008： 230245.
[2]?陳志偉 董月亮. MSC Adams多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析[M]. 北京： 中國水利水電出版社 2012： 7079.
[3]?DRANOVSKII V I ZAKRZHEVSKII A E KOVALENKO A P et al. On dynamics of deployment of an orbital structure with elasticelements[J]. International Applied Mechanics 2006 42（8）： 959965.
[4]?殷其陣. ES3246剪叉式升降平臺(tái)強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析[D]. 沈陽： 東北大學(xué) 2016.
[5]?李宇寧. 基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷钠鹬貦C(jī)臂架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017.
[6]?邊兵兵. 基于Adams的機(jī)械臂剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)特性分析[J]. 包裝工程 2018 39（9）： 177181. DOI： 10.19554/j.cnki.10013563.2018.09.031.
[7]?崔帥. 基于Adams剛?cè)狁詈夏Ｐ偷牟擅簷C(jī)截割部優(yōu)化技術(shù)[J]. 煤礦現(xiàn)代化 2018（5）： 121123. DOI： 10.13606/j.cnki.371205/td.2018.05.042.
[8]?楊新軍 康峰 蔡維 等. 麥弗遜前懸架的剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡婕皟?yōu)化分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程 2013 22（S1）： 102106. DOI： 10.3969/j.issn.10060871.2013.z1.028.
[9]?郭松 姚丁琦 朱玉川 等. 基于Recurdyn的新型剪叉式液壓升降臺(tái)的動(dòng)力學(xué)仿真及分析[J]. 機(jī)床與液壓 2015 43（1）： 172174. DOI： 10.3969/j.issn.10013881.2015.01.042.
[10]?孫光旭 袁端才. 液壓剪叉式升降臺(tái)的動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) 2010 22（11）： 26502653. DOI： 10.16182/j.cnki.joss.2010.11.007.
樸永燦 黃大巍 韓忠田 于廣利 李天
摘要：采用CATIA對剪式穩(wěn)定架系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，基于ANSYS和Adams建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型?？紤]剪式穩(wěn)定架的柔性特征，對剛?cè)狁詈夏Ｐ蜕颠^程的3種工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到運(yùn)動(dòng)過程中剪式穩(wěn)定架應(yīng)力分布規(guī)律、連接鉸點(diǎn)力和接觸力。分析方法和結(jié)論可指導(dǎo)剪式穩(wěn)定架的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：剪式穩(wěn)定架; 剛?cè)狁詈? Adams; 動(dòng)力學(xué)仿真
中圖分類號：TH122
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
Rigidflexiable coupling analysis of scissor stabilizer
based on Adams
PIAO Yongcan1 HUANG Dawei1 HAN Zhongtian2 YU Guangli1 LI Tian1
（1. MMI Planning & Engineering Institute Ⅸ Co. Ltd. Changchun 130011 China;
2. Intesim（Dalian） Co. Ltd. Dalian 116023 Liaoning China）
Abstract：
The three dimensional structural modeling of scissors stabilizer is built by CATIA. The rigidflexible coupling model is established based on ANSYS and Adams. The dynamic simulation analysis of rigidflexible coupling model on three lifting conditions is carried out considering the flexibility of scissors stabilizer. The stress distribution regular joint force and contact force of scissors stabilizer are obtained. The analysis method and conclusion can guide the design of scissors stabilizer.
Key words：
scissors stabilizer; rigidflexiable coupling; Adams; dynamic simulation
0?引?言
剪式穩(wěn)定架系統(tǒng)常用于汽車車身輸送線，可實(shí)現(xiàn)車身的升降與運(yùn)輸。剪式穩(wěn)定架系統(tǒng)實(shí)物見圖1。其上框架布置2臺(tái)電機(jī)，通過皮帶帶動(dòng)下框架和吊具，實(shí)現(xiàn)升降。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于存在升降皮帶安裝輪安裝相位偏差、皮帶纏繞驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)行過程旋轉(zhuǎn)半徑波動(dòng)、皮帶不等長等因素，造成下框架傾斜。在升降過程中，由于運(yùn)動(dòng)不平衡，4根剪式穩(wěn)定架可能產(chǎn)生較大的作用力，存在安全隱患。[13]因?yàn)椴捎枚鄤傮w系統(tǒng)計(jì)算會(huì)產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，所以對剪式穩(wěn)定架進(jìn)行柔性化處理，從而得到剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，預(yù)測剪式穩(wěn)定架的受力情況，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。
1?剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)的建立
1.1?剛體模型的建立
CATIA具有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能，在航空航天、汽車和輪船等設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用CATIA
對剪式穩(wěn)定架系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，整個(gè)系統(tǒng)包括吊具及工件、下框架、剪式框架、上框架、小車機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌等。根據(jù)相關(guān)圖紙進(jìn)行裝配，針對整體模型進(jìn)行干涉檢查，在保證零件不存在干涉的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出為parasolid格式模型，再導(dǎo)入Adams中進(jìn)行分析。
1.2?柔性體模型的建立
Adams有3種建立柔性體的方法：（1） 利用Adams中的柔性梁連接;（2） 先利用其他有限元分析軟件將構(gòu)件離散成細(xì)小的網(wǎng)格并進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，然后將計(jì)算得到的模態(tài)保存為模態(tài)中性文件（.mnf），直接導(dǎo)入Adams中建立柔性體;（3） 利用Adams/AutoFlexible模塊直接建立柔性體。[46]本文先用ANSYS分別建立4個(gè)剪式框架的有限元模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分;然后進(jìn)行模態(tài)分析，得到其前10階模態(tài);最后導(dǎo)出Adams所需的中性文件（.mnf）。
1.3?剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>
將剛體模型和柔性體模型分別導(dǎo)入Adams中，把無相對運(yùn)動(dòng)的吊具及工件和下框架作為一個(gè)剛體，剪式框架分別為4個(gè)柔性體，上框架和小車機(jī)構(gòu)作為大地件處理。各部分根據(jù)實(shí)際連接關(guān)系添加轉(zhuǎn)動(dòng)副、球鉸副和接觸等連接，形成剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型[710]，見圖2。剪式框架與下框架、剪式框架與上框架、剪式框架各部分之間通過關(guān)節(jié)軸承連接，在Adams中可以用球鉸副模擬。剪式框架與小輪通過普通軸承連接，采用轉(zhuǎn)動(dòng)副模擬。剪式框架的4個(gè)小輪與上下框架軌道之間建立接觸連接。小輪和框架軌道材料均為鋼，兩者之間為滾動(dòng)摩擦，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.03。
2?動(dòng)力學(xué)仿真分析
2.1?仿真模型運(yùn)動(dòng)函數(shù)定義
剪式框架初始位置為全伸展姿態(tài)。在上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先在1 s時(shí)間內(nèi)框架由靜止加速至10 m/min，然后勻速運(yùn)動(dòng)保持26 s，最后在1 s時(shí)間內(nèi)由10m/min減速至0，此時(shí)剪式框架總行程為4.5 m，運(yùn)行結(jié)束為全收縮姿態(tài);在下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，先在1 s時(shí)間內(nèi)框架由靜止反向加速至10 m/min，然后保持勻速運(yùn)動(dòng)26 s，最后在1 s時(shí)間內(nèi)由10 m/min減速至0，此時(shí)剪式框架又回到全伸展姿態(tài)。整個(gè)升降過程運(yùn)行總時(shí)間為56 s。描述升降過程采用Adams軟件函數(shù)庫中if和step函數(shù)：
2.2?仿真分析和結(jié)果
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剪式框架由全伸展?fàn)顟B(tài)運(yùn)行至全收縮狀態(tài)產(chǎn)生的最大偏移為10 mm。設(shè)定車頭方向?yàn)榍啊⒏瘪{駛側(cè)為左，考慮框架上升速度為前快后慢、前慢后快和左快右慢3種工況，對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。
2.2.1?前快后慢工況
在前快后慢工況下，剪式框架運(yùn)行至最頂端時(shí)的應(yīng)力最大，此時(shí)各框架的應(yīng)力云圖見圖3，運(yùn)動(dòng)過程剪式框架某鉸點(diǎn)的受力曲線和小輪與軌道的接觸力曲線見圖4。
2.2.2?前慢后快工況
在前慢后快工況下，剪式框架運(yùn)行至最頂端時(shí)的應(yīng)力最大，此時(shí)各框架應(yīng)力云圖見圖5，運(yùn)動(dòng)過程剪式框架某鉸點(diǎn)的受力曲線和小輪與軌道的接觸力曲線見圖6。
2.2.3?左慢右快工況
在左慢右快工況下，剪式框架運(yùn)行至最頂端時(shí)的應(yīng)力最大，此時(shí)各框架的應(yīng)力云圖見圖7。運(yùn)動(dòng)過程剪式框架某鉸點(diǎn)的受力曲線和小輪與軌道的接觸力曲線見圖8。
綜合對比3種工況可知，剛?cè)狁詈戏抡娣治霾粌H可以準(zhǔn)確地得到剪式框架的應(yīng)力分布，還可以得到各鉸接處的受力情況，以及小輪與軌道的接觸力。3種工況下剪式框架的應(yīng)力結(jié)果匯總見表1。
3?結(jié)束語
通過剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，可以得到3種工況下剪式框架運(yùn)行過程中應(yīng)力的實(shí)時(shí)變化情況，以及連接鉸點(diǎn)和滾動(dòng)小輪的受力情況。分析結(jié)果
可以指導(dǎo)剪式框架的設(shè)計(jì)，解決采用多剛體計(jì)算卡死的問題。仿真結(jié)果為剪式穩(wěn)定架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。
參考文獻(xiàn)：
[1]
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[3]?DRANOVSKII V I ZAKRZHEVSKII A E KOVALENKO A P et al. On dynamics of deployment of an orbital structure with elasticelements[J]. International Applied Mechanics 2006 42（8）： 959965.
[4]?殷其陣. ES3246剪叉式升降平臺(tái)強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析[D]. 沈陽： 東北大學(xué) 2016.
[5]?李宇寧. 基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷钠鹬貦C(jī)臂架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017.
[6]?邊兵兵. 基于Adams的機(jī)械臂剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)特性分析[J]. 包裝工程 2018 39（9）： 177181. DOI： 10.19554/j.cnki.10013563.2018.09.031.
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[10]?孫光旭 袁端才. 液壓剪叉式升降臺(tái)的動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) 2010 22（11）： 26502653. DOI： 10.16182/j.cnki.joss.2010.11.007.
