劉 蓉 廖佩詩 戴 昆 布振東 陳宏建

（青島賽普克有限元科技發(fā)展有限公司，山東 青島 266000）

0 前言

多體動力學主要研究由多個柔性或者剛性部件相互連接組成的多體系統(tǒng)，通過建立機械運動學和動力學方程，模擬運動過程，計算各個部件的運動速度、加速度和載荷等數(shù)據(jù)。多體動力學仿真二次開發(fā)是指通過軟件編程的手段，借助軟件內(nèi)部函數(shù)調(diào)用軟件的相關(guān)功能，提升多體動力學的仿真效率。

該文研究對象為全球首制的超大型海上油田設施一體化拆解裝備中的位移補償系統(tǒng)，拆解裝備主要由2艘起重船和1艘半潛運輸船組成，起重船上配備舉升系統(tǒng)及位移補償系統(tǒng)，具有橫向、縱向和垂向的補償能力，可滿足惡劣海況的作業(yè)環(huán)境需求。

補償系統(tǒng)由油缸、連桿以及托架等組成，油缸為補償系統(tǒng)提供驅(qū)動力，連桿及托架具有托舉及位移補償功能。系統(tǒng)中油缸安裝點的位置、連桿長度等參數(shù)直接影響油缸和鉸接點的載荷，因此需要使用多體動力學軟件對各種不同參數(shù)的模型進行計算并選擇最優(yōu)設計方案。

由于變量較多，建模和仿真工作量大，因此該項目開發(fā)了一套位移補償系統(tǒng)動力學分析專用模塊，可實現(xiàn)快速補償系統(tǒng)參數(shù)化建模、邊界條件快速加載和批量后處理，大幅提高了位移補償系統(tǒng)的動力學仿真效率，可以對多種設計方案進行快速驗證。

1 分析模塊介紹

位移補償系統(tǒng)動力學分析模塊可以用于對分析對象的快速建模、自動仿真和后處理，包括連桿系統(tǒng)參數(shù)化建模、自動生成運動副、自動施加邊界條件、設定求解時間、設定時間步以及自動輸出速度和力曲線等[1]。模塊分為三級：主菜單、子菜單和對話框。主菜單包括建模、仿真、后處理和模型刪除4個子菜單，進入子菜單后又可單擊響應按鈕彈出對話框，詳細地對各參數(shù)進行設置。

1.1 主菜單

基于多體動力學軟件建立1個Ship Toolkit分析模塊，該模塊包括4個主菜單，分別為Create Driving Shaft（模型創(chuàng)建）、Simulation（仿真計算）、Result（結(jié)果提?。┖虳elete（模型刪除）菜單。

模型創(chuàng)建菜單主要用來建立仿真模型，包括三維參數(shù)化建模，在模型中自動施加約束條件和載荷。仿真計算菜單主要用于進行計算相關(guān)的設置，包括設置計算時間、設置計算步以及重置計算后模型。結(jié)果提取菜單主要用于結(jié)果后處理操作，包括自動生成速度、力曲線和報告。模型刪除菜單用于刪除已經(jīng)建立的仿真模型。

用戶按照要求，按照子模塊的順序依次進行三維建模、施加邊界條件、仿真設置以及后處理操作，每個模塊后臺均包括腳本程序，可將用戶的操作自動關(guān)聯(lián)到動力學軟件函數(shù)庫，完成相關(guān)操作。

1.2 子菜單

Ship Toolkit分析模塊每個主菜單下面都有與其對應的子菜單，例如模型創(chuàng)建主菜單下面有Bodies（模型實體創(chuàng)建）和Boundary Condition（邊界條件添加）子菜單。子菜單下有相應的功能按鈕，例如邊界條件添加子菜單下面有Create Constraints（添加約束）、Create Motion（添加驅(qū)動）以及Add Force（添加載荷）按鈕。通過單擊按鈕可在彈出的對話框中設置相應的參數(shù)。

其中Bodies（模型實體創(chuàng)建）按鈕可以建立補償系統(tǒng)中的所有實體模型，包括不同界面尺寸和長度的舉升臂結(jié)果、油缸安裝點位置、缸體的直徑和長度、活塞的直徑和長度、三角支撐裝置的鉸接點位置以及連桿長度等。Boundary Condition（邊界條件添加）按鈕可以對模型中的油缸施加速度驅(qū)動，在舉升臂、三角支撐、連接板以及油缸之間自動建立鉸接，并在托架位置自定義載荷的大小和方向。

1.3 對話框

通過多體動力學軟件對話框編輯器創(chuàng)建和修改對話框，以更好地滿足用戶需求。創(chuàng)建自定義對話框后，通過單擊菜單上的按鈕就可以彈出用戶自定義對話框[2]，在其中輸入補償系統(tǒng)參數(shù)，單擊確定即可自動生成相應的模型。建模對話框如圖1所示，位移補償系統(tǒng)主驅(qū)動液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模對話框如圖2所示，驅(qū)動參數(shù)化對話框如圖3所示。在相應參數(shù)輸入欄中鍵入不同參數(shù)，即可生成自定義幾何模型及其邊界條件。

圖1 建模對話框

圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模對話框

圖3 驅(qū)動參數(shù)化對話框

2 位移補償系統(tǒng)動力學仿真

上文主要介紹了位移補償系統(tǒng)動力學分析模塊的功能，下面將介紹如何利用二次開發(fā)的位移補償系統(tǒng)動力學分析模塊，對不同結(jié)構(gòu)形式下的位移補償系統(tǒng)進行動力學仿真，幫助設計人員快速地進行設計驗證。

2.1 分析對象介紹

如圖4所示為位移補償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，位移補償系統(tǒng)由主臂、連桿、可更換端部托架、Z向主舉升液壓缸以及主要承載三角杠桿組成。其中主舉升液壓缸為系統(tǒng)運動提供驅(qū)動力，通過連桿和三角杠桿組成的連桿機構(gòu)將動力傳遞至托架，實現(xiàn)對拆解平臺的托舉及位移補償。

圖4 位移補償系統(tǒng)分析模型

2.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模首先需要設置幾何模型的各特征變量及變量之間的相互關(guān)系，通過生成的變量直接建立模型，并且修改參數(shù)后可自動生成模型，無須進行手動建模，在設計階段可進行多參數(shù)快速建模。

位移補償系統(tǒng)動力學分析模塊通過集成的參數(shù)化腳本調(diào)用軟件函數(shù)庫，自動驅(qū)動仿真軟件運行?？杀苊庖恍┲貜突驈碗s的工作，縮短建立模型的時間，大大提高了工作的效率[3]。

以下是利用位移補償系統(tǒng)動力學分析模塊建立的位移補償系統(tǒng)三維模型：位移補償系統(tǒng)三角杠桿的初始位置水平，三角杠桿和液壓缸缸體在主臂上安裝點的水平距離為DX_tt=11000 mm。其虛擬樣機模型，如圖5所示。其中，油缸安裝點的位置不同，傳遞到托架上的載荷也不同，需要根據(jù)多輪計算確定最優(yōu)位置，因此將安裝點位置設定為變量。

圖5 參數(shù)化建模生成的位移補償系統(tǒng)三維模型

2.3 分析工況介紹

如圖6所示，位移補償系統(tǒng)托架補償位移為豎直方向±2.5 m，該仿真模擬托架由水平向下2.5 m的位置上升至水平向上2.5 m的過程。其中位移補償系統(tǒng)仿真模型中的可變參數(shù)如下：1） 液壓缸安裝點與三角杠桿安裝點之間的距離DX_tt。2） 液壓缸前后鉸點的距離Ls。

圖6 位移補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)化圖

設定液壓缸活塞運動速度Velocity=50 mm/s，通過設定不同的DX_tt及Ls數(shù)值進行對比，驗證不同的油缸安裝位置對動力學性能的影響，計算工況見表1。

表1 分析工況列表

2.3 分析結(jié)果

對表1提到的6種不同油缸安裝點的模型進行分析，分別對比不同安裝位置對油缸載荷和托架移動速度的影響。圖7為Z向主驅(qū)動液壓缸運動過程中的載荷曲線圖，從計算結(jié)果可以看出，當油缸安裝間距為Dx_tt=9000 mm時舉升同樣載荷下油缸受到的載荷最小，隨著安裝點距離的增加，油缸受到的載荷也會增加。圖 8為可更換的端部托架的補償速度曲線圖，從計算結(jié)果可以看出，托架由最低點向最高點運動過程中，托架速度呈非線性變化的趨勢。油缸安裝點位置不同，托架的速度特性也不同。

圖7 各工況下液壓缸載荷曲線

圖8 各工況下托架舉升速度曲線

3 結(jié)語

該文介紹了超大型海上油田設施一體化拆解裝備位移補償系統(tǒng)多體動力學分析模塊的開發(fā)過程，并以該模塊為基礎(chǔ)進行多參數(shù)下位移補償系統(tǒng)動力學仿真分析。

該分析模塊與傳統(tǒng)的動力學分析軟件相比，該模塊通過參數(shù)輸入的方式自動建模和仿真，可大大提升建模和仿真的效率。同時，通過批處理程序進行多工況計算，可降低重復操作操作出錯的概率。仿真完成后可以自動提取和保存結(jié)果，避免了重復性勞動和復雜的軟件操作。

該文應用位移補償系統(tǒng)動力學分析模塊輸入?yún)?shù)的方式，自動建立不同油缸安裝點的多體動力學模型，并自動對邊界條件進行設置、求解和后處理，清晰地表達了油缸安裝點對托架運動速度和油缸載荷的影響，可幫助設計人員快速地對各種設計變量進行驗證。