基于ADAMS的重载操作机的动力学仿真

第8卷第3期中国工程机械学报Vol 8 No. 32010年9月CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERYsep.2010基于 ADAMS的重载操作机的动力学仿真李刚,宋三灵,张凯(大连理工大学工程力学系,辽宁大连116023)摘要:通过对锻造操作机工作原理的分析基于虚拟样机技术在 ADAMS软件中建立了重载操作机整机系统的虚拟样机,对操作机进行动力学仿真分析得出典型工况下操作机的受力情况曲线考虑了驱动力大小、大惯量构件、柔性体构件以及附加倾覆力矩等因素对操作机性能的影响,为设计操作机的结构设计提供了理论及数据依据关键词:锻造操作机;刚柔耦合; ADAMS;动力学仿真中图分类号:TH16;0313.7文献标识码:A文章编号:1672-5581(2010)03-0264-05ADAMS-based dynamical simulation on heavy-duty manipulatorsLI Gang, SONG Sanling, Zhang Kai(School of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)Abstract: By analyzing the working principles of forging manipulators, a virtual prototyping heavy-dutymanipulator system is developed using ADAMSTM. Upon completion of dynamical analysis, the manipulatorloading curve is obtained under typical working conditions. with consideration ofinertia components, flexible parts and additional overturn moments, this approach provides a theoreticaland numerical basis on manipulator structural designKey words: forging manipulator; rigid-flexible coupling: ADAMS, dynamical simulation巨型重载操作装备是制造产业链中的基础装备,具有载荷大、惯量大、自由度多、多维力位操控能力强等特点2.操作装备与加工装备协调作业可以大大提高制造能力制造精度、生产效率和材料利用率降低能耗我国核电、火电、化工、造船航空航天等产业对极端条件下的节能、节材制造技术以及巨型重载装备提出了迫切需求研究巨型重载操作装备的基础科学问题旨在揭示极端载荷条件下多自由度操作装备的力学行为与动态响应规律.其应用不限于制造行业也可为采矿、交通建筑港口机械等重载操作装备设计与制造提供科学技术支撑巨型重载操作装备制造成本高,设计与制造周期长,通常采用单台制造模式,因此无法通过物理样机实验对其操作性能进行分析和验证高效、高保真的模拟仿真技术成为重载操作装备设计、性能评估与优化的重要支撑技术利用虚拟产品模型,在产品实际制造之前对产品的性能行为、功能进行分析和评估从而对设计方案进行评估和优化,达到产品生产的最优目标(. ADAMS是广泛使用的多体系统仿真分析软件,其建模仿真的精度和可靠性在所有的动力学分析软件中名列前茅它的分析对象主要是多刚体,也可以实现柔性体运动仿真分析,以更真实地模拟机构动作时的动态行为及构件振动情况本文在确定锻造操作机的基本结构形式后,对锻造操作机的动态性能进行了仿真分析主要研究包括典型工况下操作机的受力情况,考虑了驱动力大小、大惯量中国煤化工顽覆力矩等因素对操作机性能的影响本文在确定锻造操作机的基本结构形HCNMHG的动态仿真和论基金项日:国家自然科学基金资助项目(2006cB705403)作者简介:李刚(1966-),男教授工学博士,E-mail,;ligang@dlut.edu.cn3李刚,等:基于 ADAMS的重载操作机的动力学仿真证,计算不同工况时操作机机构在刚体运动过程中主要构件的受力状况,以此作为构件设计的基础1锻造操作机模型锻造操作机的主要运动包括钳杆上下倾斜、上下平移、左右倾斜、左右平移,以及钳杆旋转、钳口开闭大车行走等6。这里以夹钳上下平移、大车后退伴随夹钳向上平移两种运动工况为例进行说明,平行连杆式操作机机构简图如图1所示构件OOn中间的液压缸为上升平移液压缸,当其伸长时,能间接地推动钳杆O3O10平稳上升;O1O2O1O为前推臂,其一外伸出端铰接在机架上;O2O3为吊杆,由两部分组成,上吊杆悬挂在前推臂上,下吊杆用来悬吊钳杆;O7O1中间的液压缸为缓冲缸,当钳杆向上平移时,缓冲缸起缓冲作用,使钳口能竖直上升;O5O6O3为后推臂,其外部伸出端铰接在机架上;OO13为连杆,连接前推臂和后推臂;O6O10为上下摆动液压缸,能实现钳杆的上下摆动∮后推臂后摇臂前摇臂前推臂水平违杆前吊杆后吊杆液压缸OO液压缸销杆Q6水平缓冲缸垂直缓冲缸夹钳图1平行连杆式锻造操作机机构简图图2量载操作机虚拟样机模型Fig 1 Simplified diagram of parallel link manipulatorig 2 Virtual prototype of heavy-duty manipulator2重载操作机的刚体动态特性分析2.1夹钳上下平移运动的动力学仿真锻造操作机的上下平移运动是通过竖直缓冲缸(图1中O8On以及其对称的缸)驱动来实现的.其中缓冲缸和上下摆动液压缸无相对伸缩变化假定夹钳夹持了一个长4m,半径为07m的圆柱形锻件,如图2所示进行动力学仿真,得出以下三方面结论(1)加速度对样机动力学性能的影响:给竖直缓冲缸施加驱动使其能够竖向提升,图3和图4分别显示了在给定三种不同的加速度的情况下8号(图1所示的前摇臂和竖直提升缸连接处O1)旋转铰的角速度和约束反力随时间变化的曲线表1给出了角速度和约束反力的具体数值由图3,4和表1可见,加速度越大,8号旋转铰的角速度越大且约束反力的峰值越大1.8l4E--10a=0.5m.s-20.120.240360480600720840.961.080.100.260.420580.740.90106中国煤化工图38号铰在三种不同加速度情况下角速度随时间变化曲线CNMHG下的约束Fig 3 Angular velocity-time curve of jointFig 4 Force-time curve of joint 8 in three cases8 in three cases中国工程机械学报第8卷(2)运动副的所受的约束反力对样机的位形表18号铰角速度和约束反力峰值的敏感度:如图5所示,8,15,19号铰分别对应为Tab 1 Angular velocity and force of joint 8图1所示O1,O9,O2三处运动副,0.3s以后曲加速度a/(m·s-2)0.51.02.0线近似于水平直线,可以说明经过了加速阶段以仿真时间t/s后,当操作机竖直方向上有较大位移时各运动副8号铰角速度峰值a/(rad·s-1)22.040.376.6所受约束反力的变化不大,即运动副所受约束反8号饺约束反力峰值F/MN1.3571.4441.618力对样机位形不敏感(3)大惯量构件(连杆活动臂等)对样机动力学性能的影响:如图1所示,O1O2O1O(前摇臂)和O5O6O3(后摇臂)为大惯量构件.为考虑大惯量构件对操作机的影响针对两种情况进行对比:①活动臂的质心平移到水平轴与对称平面相交的圆心处即y方向转动惯量lw=0,意味着不考虑大惯量的影响;②质量均匀分布在大惯量构件上,即考虑大惯量因素,I>0.给定两种加速度函数,对上述两种情况进行对比图6中通过曲线1和曲线3的对比以及曲线2和曲线4的对比可知,当采用同样的加速度时,考虑转动惯量的影响使15号旋转铰的约束反力比较大通过曲线1和曲线2对比以及曲线3和曲线4对比可知加速度越大,旋转铰的约束反力越大此结论验证了(1)的结论此外,曲线2和曲线4峰值的差值与曲线4峰值的比值为(1.742MN-1.568MN)/1.568MN=11.1%,曲线1和曲线3峰值的差值与曲线3峰值的比值为(1794MN-1.617MN)/1.617MN=10.9%,结果说明随着加速度的增大,转动惯量对操作机动力学性能的影响变小孟18至z4Ra=025ms2,l=0岱0.6a0.50ms2,l=0a=0.50ms2,ly>00.2---a=025ms2,ly>0.080.200.320440.560.680.800921.040.120240.360480600720840961.08t/s图58,15,19三处运动副约束反力图图615号铰在不同加速度下,考虑转动惯量与Fig 5 Force-time curve of joint 8, 15, 19不考虑转动惯量运动副的约束反力Fig 6 Rotation inertia effect on force underdifferent acceleration of joint 15夹钳向上平移运动伴随大车后退的动力学仿真研究附加倾覆力矩的影响是为了防止操作机产生倾覆失稳如图7所示,加速度对附加倾覆力矩的影响成近似的线性关系,即加速度越大,附加倾覆力矩越大,易产生倾覆失稳在水平上升和大车后退二者加速度大小可比(近似相等)的时候竖直提升加速度对倾覆力矩的影响要大于大车后退加速度的影响,即当二者加速度大小相仿时,竖直提升的曲线斜率要大于大车后退的曲线斜率3重载操作机的刚柔耦合动态特性分析以上的动力学分析模型,构件都假设为刚体,忽略弹性下结构受力后会有一定的变形和位移变化,产生振动ADA中国煤化加减速的情况实现柔性体运动仿真分析以弹性体代替刚体可以更真实地模拟出机构动作CNMH是赋予柔性体个模态集采用模态展开法用模态向量和模态坐标的线性组合来表示弹性位移通过计算每一时刻物体的弹性位移来描述其变形运动第3期李刚等:基于 ADAMS的承载操作机的动力学仿真本文把前摇臂和后摇臂之间的连杆考虑为柔性构件并设定连杆的10,13,15阶模态为有效模态,首先利用E02ANSYS进行对连杆进行有限元离散,生成模态文件.在ADAMS I中导入包含了柔性件的质量质心转动惯量、频裂率振型以及对载荷的参数因子等信息的文件将模型中原有的刚体件上的运动副修改在柔性件上,使柔性件与模意814型上的其他构件连接起来同时删除无效的刚性件这样4035可以使模型保持原有的自由度,从而实现刚柔耦合构件的仿真运算.刚柔耦合仿真与刚体仿真有以下几点不同之大车后退加速度/(ms处:①求解器不同刚体仿真用刚体仿真求解器刚柔耦合仿真用刚柔耦合仿真求解器②刚柔耦合分析中要考虑柔图7夹钳提升加速度和大车后退加速度对性构件各阶模态的影响,而刚体仿真不需要③同样的仿附加倾覆力矩的影响Fig 7 Additional overturning torque-upgrading真时间与步长,刚柔耦合仿真消耗的实际时间要远多于刚nd backward acceleration curve体仿真④给定同样的运动函数,操作机在刚柔耦合仿真过程中出现了较明显的振颤现象给定明确的工况来研究柔性体对操作机动力特性的影响:设定竖直缓冲缸的提升加速度函数,给出竖直缓冲缸上端与前摇臂相连接处(8号旋转铰)的角加速度约束反力随时间变化的曲线由图8可见,刚柔耦合仿真的8号铰的角加速度在仿真过程中围绕刚体仿真曲线上下振荡.由图9可见刚柔耦合仿真中8号运动副的约束反力也发生了明显的振荡把2个构件同时考虑成柔体后,振荡程度变大通过刚柔耦合仿真分析,可以得到更为准确的操作机动力特性刚体仿真刚体仿真杆为柔体连杆为柔体钳臂为柔体连杆和钳臂为柔体03091.5212733394.55.10.180300.420.540660.780901.02图88号旋转铰的角加速度随时间变化曲线图98号旋转铰的约束反力随时间变化曲线Fig 8 Angular acceleration-time curve of joint 8Fig 9 Force-time curve of joint 84结论(1)根据实际使用工况施加约束和载荷,建立了锻造操作机在 ADAMS环境中的三维可视化动力学仿真模型,为动力学分析提供了模型基础(2)通过添加载荷和不同的液压缸驱动,对锻造操作机整机虚拟样机模型进行刚体动态性能的仿真分析,分析了加速度对运动副约束反力的影响运动副对样机位形的敏感度,考虑了大惯量构件以及附加倾覆力矩的影响,得到了锻造操作机典型工况的动态性能仿真结果(3)通过分析操作机夹钳上下平移运动的工况,对比了刚体模型和刚柔耦合模型的动力学特性通过可视化的动力学仿真,得到了直接指导锻造操作机的设计参力学仿直的基础上,可以进一步进行结构的详细设计,并为动态优化设计奠定基础中国煤化工CNMHG参考文献:[1]任云鹏,张天侠锻造操作机的可视化刚体动力学仿真[中国工程机械学报,2008,6(2):127-132中国工程机械学报第8卷REN Yunpeng, ZHANG Tianxia. 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