基于Simcenter 3D的液壓升降臺剛?cè)狁詈戏抡?/h1>
2021-09-15 00:59:04王鵬飛吳文超陳一凡王淑秀
儀器儀表用戶 2021年9期
王鵬飛，吳文超，陳一凡，王淑秀，葉 敏，王 瑞
（上海無線電設(shè)備研究所，上海 200090）
0 引言
根據(jù)某項目需求，需設(shè)計一臺具備升降、平移、轉(zhuǎn)動三自由度運動的機(jī)械運動機(jī)構(gòu)，用于滿足產(chǎn)品三自由度運動測試需求。根據(jù)項目升降及載重要求，升降機(jī)構(gòu)采用剪叉式液壓升降。該形式升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、承載量大、安裝空間小且易于集中控制等優(yōu)點，在現(xiàn)代物流、航空、自動化生產(chǎn)線等場合中已廣泛應(yīng)用[1]。
目前，國內(nèi)外專家和學(xué)者對剪叉式升降機(jī)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的研究[2]。例如，有學(xué)者采用幾何分析方法，推導(dǎo)了剪叉式折疊機(jī)構(gòu)在展開過程中的運動方程，給出了幾種基本剪叉式結(jié)構(gòu)單元運動方程的具體形式，應(yīng)用運動方程對平板型、圓柱形、球形可展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動學(xué)分析。宋耀軍等基于內(nèi)裝式液壓缸斜向驅(qū)動剪叉式升降臺，推導(dǎo)出液壓缸運動速度與升降臺運動速度的關(guān)系，以及活塞推力與外載荷的關(guān)系式[3]。鄧宏光等分析了剪叉式升降臺的結(jié)構(gòu)特點，對其關(guān)鍵參數(shù)及驅(qū)動油缸的傾角進(jìn)行了優(yōu)化研究[4]。不過現(xiàn)有的研究大多數(shù)基于理論方法，將液壓缸簡化為活塞桿的理想運動驅(qū)動，進(jìn)行的剛體動力學(xué)分析，沒考慮關(guān)鍵受力件的柔性變形。
該項目要求臺面升降到一定高度后產(chǎn)品在平移、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用下，實現(xiàn)移動、旋轉(zhuǎn)等測試運動。因此，升降機(jī)構(gòu)需滿足平穩(wěn)升降且安全可靠等基本要求。如果按照傳統(tǒng)的實物樣機(jī)的試驗方法，為了驗證升降臺的可靠性，需搭建物理樣機(jī)及試驗平臺。該方法試驗周期長，投資較大且為破壞性試驗。因此，采用搭建數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行動力學(xué)仿真的方法進(jìn)行驗證。本文依據(jù)設(shè)備模型，對液壓升降臺進(jìn)行運動學(xué)、剛體動力學(xué)以及針對受力較大部件進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治?，為升降臺驅(qū)動組件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。
本次仿真應(yīng)用的軟件為西門子Simcenter 3D仿真平臺，該軟件集成了多個仿真學(xué)科的綜合解決方案，提供了全面的創(chuàng)成式設(shè)計工作流程，可實現(xiàn)大型裝配連接建模的多體動力學(xué)精確仿真[5]。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
該液壓升降臺設(shè)計整體要求需采用模塊化設(shè)計，保障設(shè)備自身及測試產(chǎn)品的安全、可靠，測試過程可實現(xiàn)完全自動化。水平移動機(jī)構(gòu)和電動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定于升降臺面之上。該設(shè)備以實驗室為應(yīng)用背景，用于產(chǎn)品測試，更應(yīng)該滿足操作方便、使用安全、通用性強(qiáng)等要求。液壓升降臺具體要求見表1。
表1 液壓升降臺設(shè)計要求Table 1 Design requirements for hydraulic lifting platform
根據(jù)測試要求和升降臺技術(shù)指標(biāo)，采用模塊化設(shè)計，將測試臺設(shè)計為3個模塊，分別為剪叉式升降臺、平移模組、轉(zhuǎn)動模組，其三維模型如圖1所示。
圖1 升降測試臺三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the lifting test bench
2 仿真分析
在設(shè)計軟件中將模型進(jìn)行簡化處理，導(dǎo)入仿真軟件。在仿真軟件中進(jìn)行材料及運動副定義，通過仿真計算獲得該升降臺的運動范圍、升降驅(qū)動力和關(guān)鍵部件的受力情況[6]。
2.1 運動學(xué)仿真模型
對測試轉(zhuǎn)臺進(jìn)行運動體設(shè)置，添加運動副約束以及驅(qū)動，保證轉(zhuǎn)臺具備正確自由度。然后，對其受力情況定義載荷，升降臺受載荷情況分為自身重力、負(fù)載、液壓缸推力等，升降臺重力可由Simcenter 3D系統(tǒng)對單個機(jī)構(gòu)重力模擬疊加而來，對于重力按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值施加。升降臺初始位置如圖2（a）所示，升降臺最高位置如圖2（b）所示。
圖2 升降臺位置高度示意圖Fig.2 Schematic diagram of the height of the lifting platform
定義液壓缸的運動速度和行程，如圖3（a）所示。得到升降臺臺面的高度隨時間變化曲線，如圖3（b）所示?？傻玫揭簤焊仔谐虨?00mm時，升降臺滿足高度行程300mm的要求。
圖3 運動曲線圖Fig.3 Movement curve
2.2 剛體動力學(xué)仿真
通過設(shè)定臺面負(fù)載力，得到空載和滿載時油缸的工作力，得到圖4所示曲線。圖4（a）為空載時油缸推力隨時間變化曲線，圖4（b）為滿載時油推力隨時間變化曲線。從圖中可以看出，剛啟動時所需推力最大，隨著高速升高，推力慢慢降低。該結(jié)果可為油缸選型提供有效參考。
圖4 油缸推力隨時間變化曲線Fig.4 Curve of cylinder thrust versus time
2.3 柔性件設(shè)置
對關(guān)鍵受力部件支撐桿進(jìn)行柔性化設(shè)置，用3D四面體網(wǎng)格對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)其在工作中的實際運動以及受力情況，設(shè)置支撐桿的邊界條件，得到其前六階模態(tài)[7]。模態(tài)分析方法是對物件結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析的主要方法，通過模態(tài)分析計算得出零件的主振型以及固有頻率，反應(yīng)了零件的動態(tài)振動特性[8]。
多體動力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡嬖頌橥ㄟ^計算柔性模態(tài)，模態(tài)是材料結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過計算各個構(gòu)件的模態(tài)特征，可以預(yù)見在該振動頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實際振動響應(yīng)。
支撐桿前六階模態(tài)陣型如圖5所示。
圖5 支撐桿前六階模態(tài)振型圖Fig.5 Vibration shape diagram of the first six modes of the support rod
2.4 剛?cè)狁詈戏治?/h3>
動力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡媸怯嬎懔慵哪B(tài)及振型系數(shù)。通過各個構(gòu)件的模態(tài)特征，與各個運動副傳遞的載荷關(guān)聯(lián)耦合，預(yù)見在該振動頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實際振動響應(yīng)。轉(zhuǎn)臺運動學(xué)模型建立完畢后，導(dǎo)入模態(tài)仿真結(jié)果文件.op2文件，生成轉(zhuǎn)臺剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚9]，如圖6所示。
圖6 剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.6 Rigid-flexible coupling model
通過對轉(zhuǎn)臺剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真，得到支撐桿頂部受力變形曲線及應(yīng)力隨時間變化曲線，如圖7所示。由圖7可得，轉(zhuǎn)臺變形及應(yīng)力符合要求且遠(yuǎn)低于該材料許用應(yīng)力，且由設(shè)備的模態(tài)分析可知，轉(zhuǎn)臺安全系數(shù)較高，對低頻載荷不敏感，故認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺設(shè)計可靠，滿足使用要求。
圖7 支撐桿頂部變形及應(yīng)變曲線Fig.7 Deformation and strain curve of the top of the support rod
3 結(jié)論
針對升降臺設(shè)計，通過剛體動力學(xué)仿真對其運動情況進(jìn)行分析，得出相關(guān)參數(shù)變化范圍，對升降臺升降過程進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真，得到機(jī)構(gòu)的交點力、傳力特性以及應(yīng)變狀態(tài)，從而為轉(zhuǎn)臺優(yōu)化設(shè)計和驅(qū)動部件的參數(shù)確定提供依據(jù)。
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目前，國內(nèi)外專家和學(xué)者對剪叉式升降機(jī)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的研究[2]。例如，有學(xué)者采用幾何分析方法，推導(dǎo)了剪叉式折疊機(jī)構(gòu)在展開過程中的運動方程，給出了幾種基本剪叉式結(jié)構(gòu)單元運動方程的具體形式，應(yīng)用運動方程對平板型、圓柱形、球形可展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動學(xué)分析。宋耀軍等基于內(nèi)裝式液壓缸斜向驅(qū)動剪叉式升降臺，推導(dǎo)出液壓缸運動速度與升降臺運動速度的關(guān)系，以及活塞推力與外載荷的關(guān)系式[3]。鄧宏光等分析了剪叉式升降臺的結(jié)構(gòu)特點，對其關(guān)鍵參數(shù)及驅(qū)動油缸的傾角進(jìn)行了優(yōu)化研究[4]。不過現(xiàn)有的研究大多數(shù)基于理論方法，將液壓缸簡化為活塞桿的理想運動驅(qū)動，進(jìn)行的剛體動力學(xué)分析，沒考慮關(guān)鍵受力件的柔性變形。
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本次仿真應(yīng)用的軟件為西門子Simcenter 3D仿真平臺，該軟件集成了多個仿真學(xué)科的綜合解決方案，提供了全面的創(chuàng)成式設(shè)計工作流程，可實現(xiàn)大型裝配連接建模的多體動力學(xué)精確仿真[5]。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
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表1 液壓升降臺設(shè)計要求Table 1 Design requirements for hydraulic lifting platform
根據(jù)測試要求和升降臺技術(shù)指標(biāo)，采用模塊化設(shè)計，將測試臺設(shè)計為3個模塊，分別為剪叉式升降臺、平移模組、轉(zhuǎn)動模組，其三維模型如圖1所示。
圖1 升降測試臺三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the lifting test bench
2 仿真分析
在設(shè)計軟件中將模型進(jìn)行簡化處理，導(dǎo)入仿真軟件。在仿真軟件中進(jìn)行材料及運動副定義，通過仿真計算獲得該升降臺的運動范圍、升降驅(qū)動力和關(guān)鍵部件的受力情況[6]。
2.1 運動學(xué)仿真模型
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圖2 升降臺位置高度示意圖Fig.2 Schematic diagram of the height of the lifting platform
定義液壓缸的運動速度和行程，如圖3（a）所示。得到升降臺臺面的高度隨時間變化曲線，如圖3（b）所示?？傻玫揭簤焊仔谐虨?00mm時，升降臺滿足高度行程300mm的要求。
圖3 運動曲線圖Fig.3 Movement curve
2.2 剛體動力學(xué)仿真
通過設(shè)定臺面負(fù)載力，得到空載和滿載時油缸的工作力，得到圖4所示曲線。圖4（a）為空載時油缸推力隨時間變化曲線，圖4（b）為滿載時油推力隨時間變化曲線。從圖中可以看出，剛啟動時所需推力最大，隨著高速升高，推力慢慢降低。該結(jié)果可為油缸選型提供有效參考。
圖4 油缸推力隨時間變化曲線Fig.4 Curve of cylinder thrust versus time
2.3 柔性件設(shè)置
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多體動力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡嬖頌橥ㄟ^計算柔性模態(tài)，模態(tài)是材料結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過計算各個構(gòu)件的模態(tài)特征，可以預(yù)見在該振動頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實際振動響應(yīng)。
支撐桿前六階模態(tài)陣型如圖5所示。
圖5 支撐桿前六階模態(tài)振型圖Fig.5 Vibration shape diagram of the first six modes of the support rod
2.4 剛?cè)狁詈戏治?/h3>
動力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡媸怯嬎懔慵哪B(tài)及振型系數(shù)。通過各個構(gòu)件的模態(tài)特征，與各個運動副傳遞的載荷關(guān)聯(lián)耦合，預(yù)見在該振動頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實際振動響應(yīng)。轉(zhuǎn)臺運動學(xué)模型建立完畢后，導(dǎo)入模態(tài)仿真結(jié)果文件.op2文件，生成轉(zhuǎn)臺剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚9]，如圖6所示。
圖6 剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.6 Rigid-flexible coupling model
通過對轉(zhuǎn)臺剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真，得到支撐桿頂部受力變形曲線及應(yīng)力隨時間變化曲線，如圖7所示。由圖7可得，轉(zhuǎn)臺變形及應(yīng)力符合要求且遠(yuǎn)低于該材料許用應(yīng)力，且由設(shè)備的模態(tài)分析可知，轉(zhuǎn)臺安全系數(shù)較高，對低頻載荷不敏感，故認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺設(shè)計可靠，滿足使用要求。
圖7 支撐桿頂部變形及應(yīng)變曲線Fig.7 Deformation and strain curve of the top of the support rod
3 結(jié)論
針對升降臺設(shè)計，通過剛體動力學(xué)仿真對其運動情況進(jìn)行分析，得出相關(guān)參數(shù)變化范圍，對升降臺升降過程進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真，得到機(jī)構(gòu)的交點力、傳力特性以及應(yīng)變狀態(tài)，從而為轉(zhuǎn)臺優(yōu)化設(shè)計和驅(qū)動部件的參數(shù)確定提供依據(jù)。
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